一种卫星通信系统的高效接入与通信方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，更具体地说，它涉及一种卫星通信系统的高效接入与通信方法及系统。

背景技术

随着通信卫星需求的不断增加，为提升卫星系统通信容量，现代卫星采用大量点波束替代宽波束覆盖，以实现频率的空间复用及波束增益提升，从而有效提升系统整体通信容量，但这种固定点波束技术随着点波束数量的增加，星上硬件实现的复杂度和代价急剧增大，跳波束卫星通信技术则有效的解决了这个矛盾，也越来越多的得到应用。

跳波束卫星通信是一种有效提高卫星系统资源使用效率的通信技术，与传统的固定波束通信方式不同，跳波束通信以时分的形式，在卫星覆盖范围内按照业务需求高速动态的调整波束方向。跳波束可以根据卫星不同区域的不同业务需求量，合理分配波束资源，当某一区域业务量大时，可以分配多个时隙的波束资源，当业务量小时，可以相应减少该区域的波束时隙，由此来提高整个系统的资源使用效率。

现有的面向跳波束卫星通信系统的资料相对较少，地面移动通信系统中的跳波束技术结合了其特殊的系统结构和应用背景，不适合卫星系统的应用。现有CN110518956A、CN110996394A等文献研究的是跳波束卫星通信下的信道资源分配问题，而CN110289901A则是研究了基于跳波束内上下行链路如何星地同步的问题，该方法基于每个跳波束内周期广播时间同步信息和波束跳变计划信息，实现星地时间同步。

现有基于每个跳波束内实现星地同步与终端接入的方法，面临几个问题：（1）需要在每个波位（跳波束每次跳变覆盖的区域）周期性广播时间同步和波束跳变计划信息，当跳波束覆盖的波位数量越多时，总的开销越大，降低了资源利用率；（2）终端需要与卫星进行多次交互才能实现星地同步与通信，而跳波束是在一定时间周期内才能覆盖每个波位一次，当跳波束覆盖的波位数量越多时，终端完成星地同步的时间越长；（3）即使有的波位上没有终端通信需求，仍然需要周期性覆盖这些波位并广播时间同步信息和波束跳变计划信息，以保证终端的同步以及随时可能出现的通信需求，这也降低了资源利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星通信系统的高效接入与通信方法及系统，在采用了高增益跳波束实现大容量通信时，提高资源利用率，缩短了终端的接入时间。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种卫星通信系统的高效接入与通信方法，包括如下步骤：

终端通过宽波束接入卫星实现星地通信连接，并对星地通信进行时间同步；

终端通过宽波束完成的星地通信连接建立跳波束的星地通信连接；

对通过跳波束完成的星地通信连接进行时间同步；

根据终端和卫星的运动位置变化，对跳波束和宽波束进行波位切换。

作为本发明的一种优选技术方案，所述终端通过宽波束接入卫星实现星地通信连接，并对星地通信进行时间同步，包括：

宽波束管理单元生成上下行帧结构，在下行帧的广播信道中周期性插入时间同步信息发送到终端；

终端通过监听宽波束的广播信道获得时间同步信息和上行同步时隙，并根据时间同步信息、上行同步时隙以及星地传输时延计算出上行信号的发送时刻，并于上行信号发送时刻在上行同步时隙中发送同步校准信号；

宽波束管理单元接收到终端发出的同步校准信号，测量终端同步校准信号到达时刻与星上对应同步时隙之间的偏差，并将偏差值插入下行帧结构中发送；终端收到星上反馈的同步偏差后，调整上行同步时隙发送时刻后再发送同步校准信号，直到宽波束管理单元判断终端的同步偏差小于预设门限，星地通信的时间同步完成。

作为本发明的一种优选技术方案，所述终端通过宽波束完成的星地通信连接建立跳波束的星地通信连接，包括：

终端通过宽波束的上行信令时隙发送通信建链申请，同时上报终端位置信息；

宽波束管理单元将终端建链申请和终端位置信息上报系统资源管理单元，系统资源管理单元根据终端位置信息计算终端所在跳波束波位，根据当前资源占用情况，在可用资源中分配跳波束时隙资源，并生成新的时隙资源分配表下发给宽波束管理单元和跳波束管理单元；

宽波束管理单元将时隙资源分配表通过下行信令信道下发到终端，终端按照时隙分配表，在分配的频率和时隙上收发数据；

跳波束管理单元根据时隙资源分配表，生成跳变计划，并控制跳波束按照跳变计划切换波位。

作为本发明的一种优选技术方案，所述对通过跳波束完成的星地通信连接进行时间同步，包括第一同步方法和第二同步方法；

所述第一同步方法为基于宽波束同步时隙进行周期性同步校准；

所述第二同步方法为基于跳波束进行随路同步校准，包括如下步骤：

跳波束管理单元测量终端信号到达时刻与星上对应时隙之间的时间偏差；

跳波束管理单元查找终端对应的下行时隙，并将偏差值插入下行时隙中发送；

终端收到星上反馈的同步偏差后，根据偏差值计算调整所分配的跳波束上行时隙对应的发送时刻；

终端和星上跳波束管理单元在通信期间持续重复以上步骤，保持时间同步。

作为本发明的一种优选技术方案，所述根据终端和卫星的运动位置变化，对跳波束和宽波束进行波位切换，包括：

系统资源管理单元根据终端上报位置及卫星位置，计算终端是否从第一波位即将进入第二波位，如果是，则在第二波位内分配跳波束时隙资源，并生成第二波位时隙资源分配表下发给宽波束管理单元和跳波束管理单元；

宽波束管理单元将第二波位时隙资源分配表通过下行信令信道下发至终端；跳波束管理单元根据第二波位时隙资源分配情况，生成第二波位波束跳变计划，并控制跳波束按照第二波位跳变计划切换波位；

终端同时在第一波位跳波束时隙和第二波位分配的跳波束时隙上发送和接收数据；

跳波束管理单元如果在第二波位分配的跳波束时隙上接收到终端发送的数据，则判断终端已经进入第二波位覆盖区，将终端的下行数据切换到第二波位分配的下行时隙上发送，在第二波位跳波束时隙对应时刻，跳波束将按照第二波位波束跳变计划跳变到终端即将进入的第二波位；

终端在第二波位分配的跳波束时隙上接收到下行数据，则判断已经进入第二波位覆盖区，停止在第一波位跳波束时隙上发送数据，仅在第二波位分配的跳波束时隙上发送数据；

跳波束管理单元如果在第一波位跳波束时隙上连续设定时间内未接收到终端发送的数据，则判断终端已经完成波位切换，通知系统资源管理单元终端切换完成，系统资源管理单元回收终端第一波位跳波束时隙资源。

作为本发明的一种优选技术方案，在终端通信结束后，回收为终端分配的跳波束信道资源。

作为本发明的一种优选技术方案，所述在终端通信结束后，回收为终端分配的跳波束信道资源，包括：终端通信结束，通知系统资源管理单元，系统资源管理单元回收为终端分配的所有跳波束时隙资源。

一种卫星通信系统的高效接入与通信系统：包括终端和卫星，卫星中包括：

相控阵天线：用于按照控制指令生成宽波束、跳波束以及跳波束的波位切换；

时间同步控制单元：用于生成统一的时间信号，用于对所有单元进行时间同步；

系统资源管理单元：用于时隙资源分配和回收管理；

宽波束管理单元：用于控制宽波束下的星地交互流程：

跳波束管理单元：用于生成跳波束的跳变计划、控制跳波束的波位切换和基于跳波束的星地通信流程。

综上所述，本发明具有以下有益效果：所有的跳波束时隙资源均用于终端通信，而不需要在每个波位（跳波束每次跳变覆盖的区域）周期性广播用于终端接入的时间同步和波束跳变计划信息，因此，对于没有终端通信需求的波位，跳波束则不需要周期性跳变到这些波位，节省了跳波束时隙资源；尤其是在采用了高增益跳波束实现大容量通信时，跳波束的波位数量非常巨大，本发明可以节省更多跳波束时隙资源，从而可以将更多跳波束时隙分配到终端通信需求集中的波位，提高了跳波束资源使用效率。

终端需要与卫星进行多次交互才能实现星地同步与通信，而跳波束是在一定时间周期内才能覆盖每个波位一次，当跳波束覆盖的波位数量越多时，这个覆盖周期将变长，从而导致终端需要更长时间才能与卫星交互一次，完成星地同步的时间越长。本发明中，终端通过始终连续覆盖的宽波束完成与卫星的交互，因此，终端的接入时间不受跳波束波位数量增大的影响，从而缩短了在采用大量高增益跳波束实现大容量通信的系统中终端的接入时间。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的实施例的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种卫星通信系统的高效接入与通信方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1、终端通过宽波束接入卫星实现星地通信连接，并对星地通信进行时间同步，具体包括如下子步骤：

S11、宽波束管理单元生成上下行帧结构，在下行帧的广播信道中周期性插入时间同步信息，通过宽波束天线发送到终端；

S12、终端通过监听宽波束的广播信道获得时间同步信息和上行同步时隙，并根据时间同步信息、上行同步时隙以及星地传输时延计算出上行信号的发送时刻，并于上行信号发送时刻在上行同步时隙中发送同步校准信号；其中，传输时延可以根据终端位置与卫星位置计算得到，由于实际系统中两者的位置信息一般存在一定误差，传输时延计算结果一般不满足通信同步要求，需进一步校准；

S13、宽波束管理单元接收到终端发出的同步校准信号，测量终端同步校准信号到达时刻与星上对应同步时隙之间的偏差，并将偏差值插入下行帧结构中发送；

S14、终端收到星上反馈的同步偏差后，调整上行同步时隙发送时刻后再发送同步校准信号；

S15、直重复S13和S14，直到宽波束管理单元判断终端的同步偏差小于预设门限，星地通信的时间同步完成。

S2、终端通过宽波束完成的星地通信连接建立跳波束的星地通信连接，具体包括如下子步骤：

S21、终端通过宽波束的上行信令时隙发送通信建链申请，同时上报终端位置信息；

S22、宽波束管理单元将终端建链申请和终端位置信息上报系统资源管理单元，系统资源管理单元根据终端位置信息计算中终端所在波位，根据当前资源占用情况，在可用资源上分配跳波束时隙资源，并生成新的时隙资源分配表下发给宽波束管理单元和跳波束管理单元；

S23、宽波束管理单元将时隙资源分配表通过下行信令信道下发到终端，终端按照时隙分配表，在分配的频率和时隙上收发数据；

S24、跳波束管理单元根据时隙资源分配表，生成波束跳变计划，并控制跳波束按照波束跳变计划切换波位。

S3、对通过跳波束完成的星地通信连接进行时间同步；包括第一同步方法和第二同步方法；

第一同步方法为基于宽波束同步时隙进行周期性同步校准，具体步骤参看上述S11-S15；

第二同步方法为基于跳波束进行随路同步校准，包括如下子步骤：

S31、跳波束管理单元测量终端信号到达时刻与星上对应时隙之间的时间偏差；

S32、跳波束管理单元查找终端对应的下行时隙，并将偏差值插入下行时隙中发送；

S33、终端收到星上反馈的同步偏差后，根据偏差值计算调整所分配的跳波束上行时隙发送时刻；

S34、终端和星上跳波束管理单元在通信期间持续重复以上S31-S33步骤，保持时间同步。

S4、根据终端和卫星的运动位置变化，对跳波束和宽波束进行波位切换，需要注意的是，本发明中的波位均为跳波束的波位，具体包括如下子步骤：

S41、系统资源管理单元根据终端上报位置及卫星位置，计算终端是否从第一波位即将进入第二波位，如果是，则在第二波位内分配跳波束时隙资源，并生成第二波位时隙资源分配表下发给宽波束管理单元和跳波束管理单元；

S42、宽波束管理单元将第二波位时隙资源分配表通过下行信令信道下发至终端；跳波束管理单元根据第二波位时隙资源分配情况，生成第二波位波束跳变计划，并控制跳波束按照第二波位跳变计划切换波位；

S43、终端同时在第一波位时隙和第二波位分配的时隙上发送和接收数据；

S44、跳波束管理单元如果在第二波位分配时隙上接收到终端发送的数据，则判断终端已经进入第二波位覆盖区，将终端的下行数据切换到第二波位分配的下行时隙上发送，在第二波位时隙对应时刻，跳波束将按照第二波位波束跳变计划跳变到终端即将进入的第二波位；

S45、终端在第二波位分配的时隙上接收到下行数据，则判断已经进入第二波位覆盖区，停止在第一波位时隙上发送数据，仅在第二波位分配时隙上发送数据；

S46、跳波束管理单元如果在第一波位时隙上连续设定时间内未接收到终端发送的数据，则判断终端已经完成波位切换，通知系统资源管理单元终端切换完成，系统资源管理单元回收终端第一波位时隙资源。

S5、在通信结束后，回收跳波束信道资源，具体包括：通信结束，通知系统资源管理单元，系统资源管理单元回收为终端分配的所有跳波束时隙资源。

对应于上述的方法，本发明还提供一种卫星通信系统的高效接入与通信系统：包括终端和卫星，其中卫星包括如下功能单元：

相控阵天线：用于按照控制指令生成宽波束、跳波束以及跳波束的波位切换；

时间同步控制单元：用于生成统一的时间信号，用于对所有单元进行时间同步；

系统资源管理单元：用于时隙资源分配和回收管理；

宽波束管理单元：用于控制宽波束下的星地交互流程：

跳波束管理单元：用于生成跳波束的波束跳变计划、控制跳波束的波位切换和基于跳波束的星地通信流程控制。

本发明的优势在于：不需要在每个波位（跳波束每次跳变覆盖的区域）周期性广播时间同步和波束跳变计划信息，节省跳波束时隙资源；在采用了高增益跳波束实现大容量通信时，提高资源利用率，缩短了终端的接入时间。

以下是本发明的一种具体实施例，如图2所示：假设卫星通信系统的每个卫星由一个宽波束覆盖，同时，跳波束由若干波位覆盖相同的地面区域，终端A、终端B、终端C分别位于波位19、波位20、波位10。

A1、终端通过宽波束实现快速接入与星地同步；

A11、宽波束管理单元生成上下行帧结构，在下行帧的广播信道中周期性插入时间同步信息，通过宽波束天线发送；

A12、终端A/B/C通过监听宽波束的广播信道获得时间同步信息及上行同步时隙，时间同步信息包含卫星位置、星上时间、帧序号等；

A13、终端根据此信息和传输时延计算上行信号的发送时间并在对应时刻在上行同步时隙发送同步校准信号，具体方法如下：

终端A根据当前位置(终端获取的位置精度可以根据系统需要选择)和接收到的卫星位置计算得到星地传输时延，并根据分配的上行同步时隙的时间，计算终端A发送同步校准信号的时间，使得终端A发送信号在所分配的同步时隙内到达卫星；由于实际系统中两者的位置信息一般存在一定误差，传输时延计算结果一般不满足通信同步要求，需进一步校准；

A14、宽波束管理单元接收到终端A同步校准信号，同时测量其到达时刻与星上对应同步时隙之间的偏差，并将该偏差值插入下行帧结构中发送；

A15、终端A收到星上反馈的同步偏差后，调整上行同步时隙发送时刻后再发送同步校准信号；

A16、重复A13-A15，直到宽波束管理单元判断终端A的同步偏差小于门限，终端A的星地同步完成。

A2、终端通过宽波束建立基于跳波束的通信连接

A21、终端A通过宽波束的上行信令时隙发送通信建链申请，同时上报终端A位置信息；

A22、宽波束管理单元将终端A建链申请和位置信息上报系统资源管理单元，系统资源管理单元根据终端A位置计算其所在波位为19，并根据当前资源占用情况，在可用资源上分配跳波束时隙资源，并生成新的时隙资源分配表下发给宽波束管理单元和跳波束管理单元；

A23、宽波束管理单元将时隙资源分配表通过下行信令信道下发，终端A接收后按照时隙分配表，在分配的频率和时隙上收发数据；

A24、跳波束管理单元根据时隙资源分配情况，生成新的波束跳变计划，并控制跳波束按照跳变计划切换波位，即在分配给终端A的时隙对应的时间内，控制跳波束切换到波位19；

A3、保持系统内的功能单元时间同步；

在终端通过跳波束进行通信的过程中，由于卫星及终端的运动，导致星地传输时延变化，进而导致星地同步出现漂移（也称为同步偏差），此时需要进行星地同步保持流程，具体有两种可选的方法：

方法一：基于宽波束同步时隙进行周期性同步校准；

方法二：基于跳波束实现随路同步校准，具体流程如下：

A31、跳波束管理单元测量终端A信号到达时刻与星上对应时隙之间的时间偏差；

A32、跳波束管理单元查找到终端A对应的下行时隙，并将该偏差值插入该下行时隙中发送；

A33、终端A收到星上反馈的同步偏差后，根据偏差值计算调整所分配的跳波束上行时隙发送时刻；

A34、终端A和星上跳波束管理单元在通信期间持续执行步骤A31至A33；

A4、根据终端和卫星的运动位置变化，对跳波束和宽波束进行波位切换，中低轨道卫星的运动以及终端的运动，都会导致终端在通信期间需要跨越波位或卫星，即需要通信切换以保持通信的连续性。

A41、系统资源管理单元根据终端A上报位置及卫星位置，计算终端A是否即将进入新的波位，本实施例中，终端A即将进入波位18，则在波位18内分配跳波束时隙资源slot-18，并生成新的时隙资源分配表下发给宽波束管理单元和跳波束管理单元；

A42、宽波束管理单元将时隙资源分配表通过下行信令信道下发，同时，跳波束管理单元根据时隙资源分配情况，生成新的波束跳变计划，并控制跳波束按照跳变计划切换波位，即在slot-18时间内控制跳波束切换到波位18；

A43、终端A同时在原时隙slot-19和新分配slot-18的时隙上发送和接收数据；

A44、跳波束管理单元如果在该新分配时隙slot-18上接收到终端A发送的数据，则判断终端A已经进入波位18覆盖区，将终端A的下行数据切换到新分配的下行时隙slot-18上发送，同时，跳波束将按照波束跳变计划跳变到波位18；

A45、终端A在新分配的时隙slot-18上接收到下行数据，则判断已经进入波位18覆盖区，停止在原时隙slot-19上发送数据，仅在新分配时隙slot-18上发送数据；

A46、跳波束管理单元如果在原时隙slot-19上连续一段时间未接收到终端A发送的数据，则判断终端A已经完成波位切换，通知系统资源管理单元终端A切换完成，系统资源管理单元回收终端A原时隙资源slot-19；

A5、通信结束，回收跳波束时隙资源；终端A通信结束，通知系统资源管理单元，系统资源管理单元回收该终端分配的所有跳波束时隙资源。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。