一种共享前向载波的卫星资源利用方法及系统

摘要

本发明提出了一种共享前向载波的卫星资源利用方法及系统，发送方通信终端和接收方通信终端双方各占用一条发送信道，并监听对方信道。当一个通信终端需要同时与其他终端通信时，该终端将面向多个目标终端的发送信道合并，工作于一个共享大载波上，并用目标终端唯一标识标记发送的数据包。接收方通信终端监听该共享信道，并根据数据包标识过滤不是发给自己的内容；接收方通信终端保留自身独占的发送信道。从通信双方一对一建立链路变为使用共享信道一对多广播下行数据，客户端按需接受，可以节省接入节点近一半的通信设备。共享信道的使用可以减少部分客户端传输负载较低时的信道闲置，在为相同数量的客户端提供网络时，降低所需要的信道资源总量。

说明书

技术领域

本发明涉及基于卫星提供网络接入时的资源复用方法，具体涉及一种共享前向载波的卫星资源利用方法及系统。

背景技术

卫星通信技术是一种重要的无线通信手段。卫星照射波束覆盖面广，多颗卫星组成的通信系统可以为全球绝大部分区域提供通信服务，甚至覆盖全球。这对于内陆偏远地区、海岛、民航客机等无法建立地面通信链路或架设地面通信基础设施成本过高的使用场景是一种很好的通信方案。在此基础上，使用卫星通信链路转发网络数据，可以为通信终端使用方提供互联网或私有局域网接入服务，从而为诸多基于网络的应用软件提供运行环境，极大地丰富了使用场景。

传统的FDMA通信体制需要通信双方各自监听收发频点，即建立单个通信需要服务方、客户端各占用一组卫星通道收发装置。对于提供网络接入的使用场景，每增加一个通信客户端，服务提供方都需要增加2个卫星通道收发装置分别工作在客户端的收、发频点，所需要提供的通道设备数约等于所有接入客户端的2倍。考虑到需要网络接入的客户端数量众多，其服务方需要配置更多的通信设备用于支持其网络通信，这将造成巨大的成本和空间浪费。

目前很多解决方案都是通过缩减每路卫星通道收发装置的体积，将尽可能多的通道集中于单台卫星终端设备中。这种方法可以减少设备占用空间，能够很好地增强单台设备的通信能力，但并不能解决所需的卫星通信通道设备数量随客户端数量增加而快速膨胀的问题，在一对多提供网络接入服务的应用场景里，提供方仍需要配置大量卫星通信设备用于支持客户端的网络连接。

发明内容

发明目的：提供一种共享前向载波的卫星资源利用方法，并进一步提供一种实现上述方法的系统，通过复用前向共享大载波，减少FDMA通信体制下提供网络接入时所需卫星通信设备，从而有效解决现有技术存在的上述不足。

技术方案：一种共享前向载波的卫星资源利用方法，该方法工作于FDMA通信体制下，卫星通信涉及多个能够在特定频率发送或接收信号的卫星通信终端。通信双方各占用一条发送信道，并监听对方信道。当一个通信终端需要同时与其他多个终端通信时，该终端将面向多个目标终端的发送信道合并，工作于一个共享大载波上，并用目标终端唯一标识标记发送的数据包。接收方的通信终端监听该共享信道，并根据数据包标识过滤不是发给自己的内容。接收方通信终端保留自身独占的发送信道。

在进一步的实施例中，当需要提供网络接入时，利用所述发送方通信终端作为提供网络接入的节点，将多个接收方通信终端至置于一个子网内，使用IP地址作为身份标识。接收方通信终端的网络流量经过所述发送方网络接入节点中转到互联网或专用内网。

接入网络的步骤如下：

1）客户端设备请求网络接入；

2）网控中心选择可用的共享大载波，如果没有，则新建一个。

新建共享大载波的步骤如下所述：

a)网控中心分配共享大载波的卫星信道；

b)网控中心向接入节点管理程序申请卫星通信的通道装置，并配置其工作在分配的卫星信道上；

3）网控中心建立客户端设备的发送小载波，步骤如下：

a)网控中心分配客户端设备发送小载波的信道资源；

b)网控中心向接入节点管理程序申请卫星通信的通道装置，并配置其工作在分配的客户端发送小载波的卫星信道上；

c)接入节点依据网络配置，为客户端设备分配网络参数信息，包括接入网络后的IP地址、DNS、子网掩码。

4）网控中心将分配的信道资源和其他配置信息发送给客户端设备，使客户端设备在其小载波上发送数据，在共享大载波上接受数据。客户端通过IP地址等网络配置加入接入节点的子网中发送数据，并通过IP地址过滤共享大载波上目标不是自己的数据包。

5）停止接入时，客户端设备向网控中心发送停止接入的请求，网控中心依次释放先前分配的资源，步骤如下：

a) 网控中心停止该客户端正进行的通信会话，并释放客户端发送小载波占用的卫星信道；

b) 网控中心将分配给客户端设备的IP地址和通道标识发送给接入节点管理程序，告知占用这部分资源的通信已经结束；

c) 接入节点回收这部分资源，将IP地址放回IP池，将通道设备标记为空闲状态；

6）网控中心检查是否还有其他客户端设备使用该共享大载波，如果没有，则回收大载波的资源，步骤如下；

a) 网控中心回收共享大载波的信道资源；

b) 网控中心将共享大载波的通道标识发送给接入节点管理程序，告知占用这部分资源的通信已经结束；

c)接入节点管理程序回收对应通道，将其状态标记为空闲；

7）网控中心向该客户端发送信令告知客户端接入业务结束，确认状态。

在进一步的实施例中，发送方网络接入节点可增加多个通信设备，用于增加网络接入的能力，并使用资源调度软件接受网络接入的请求、管理可用的卫星通信设备、维护标识接收方通信终端的网络配置。

一种共享前向载波的卫星资源利用系统，包括多个在特定频率发送或接收信号的卫星通信终端，用于发送信号的发送方通信终端和用于接收信号的接收方通信终端各占用一条发送信道，并监听对方信道。

当其中一个通信终端需要同时与其他多个终端通信时，该终端将面向多个目标终端的发送信道合并，工作于一个共享大载波上，并用目标终端唯一标识标记发送的数据包；接收方通信终端监听该共享信道，并根据数据包标识过滤不是发给自己的内容；接收方通信终端保留自身独占的发送信道；

所述发送方通信终端作为提供网络接入的节点，将多个接收方通信终端至于一个子网内，使用IP地址作为身份标识；所述接收方通信终端的网络流量经过所述发送方网络接入节点中转到互联网或专用内网；

所述发送方作为网络接入节点时，增加多个用于增加网络接入的能力的通信设备，并接受网络接入的请求、管理可用的卫星通信设备、维护标识接收方通信终端的网络配置。

有益效果：本发明提出了一种共享前向载波的卫星资源利用方法及系统，依据网络接入的使用场景，重新设计了通信过程中卫星信道的使用方法，从通信双方一对一建立链路，变为使用共享信道一对多广播下行数据，客户端按需接受，最终可以节省接入节点近一半的通信设备。同时，共享信道的使用可以减少部分客户端传输负载较低时的信道闲置，在为相同数量的客户端提供网络时，降低所需要的信道资源总量。本发明能够大幅减少FDMA通信体制下，使用卫星链路的网络提供方所需配置的通信终端数量，约为原先一对一方式的一半。复用客户端接收信道，可以降低信道空闲导致的资源浪费，提高了信道利用率。终端间共享下行带宽，可实现下行带宽的按需动态分配，提高系统整体资源利用率。

附图说明

图1是FDMA卫星通信网络接入系统中的硬件与通信链路图。

图2为本发明的客户端网络接入过程图。

图3为本发明的卫星信道使用情况示意图。

图4为本发明的客户端停止网络接入过程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合相应附图，对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明提供的接入方法所设计的硬件设备和线路连接关系如图1所示，其中点划线表示卫星链路，用于网控中心与客户端设备收发控制信令以及客户端设备与接入节点收发数据。虚线表示网控中心与接入节点管理软件通过地面网络建立的连接，实线是设备安装时必要的硬件连接线。

网控中心是卫星通信网络的控制中心，用于管理卫星通信设备入退网，分配网内卫星频率资源，以及协调处理各种通信业务请求。

客户端设备接入网络的执行逻辑如图2所示。

需要接入网络的卫星通信设备，称客户端设备，通过入网后，向其申请网络接入。申请接入的信令格式如下；

会话编号标识主叫设备编号上行网络速率下行网络速率

网控中心为客户端设备寻找可用的网络数据中转卫星通信终端，称接入节点，并查看该接入节点下是否已经有共享大载波建立。

如果当前接入节点下还没有建立共享大载波，则网控中心先分配共享大载波使用的卫星信道资源，然后携带这部分信道的配置信息，向接入节点的管理程序请求开启前向共享大载波。共享大载波的信道占用量由预设的共享下行网络速率决定。网控系统向接入节点请求开启前向共享大载波的信令格式如下：

大载波信道射频中心频点大载波下行网络速率通道调制解调方式前向纠错编码前向纠错编码率中频输出功率

接入节点收到请求后，从它管理的通信终端中挑选出可用的卫星通道收发装置工作在对应频点，用于发送下行数据给接入网络的客户端设备，并将对应通道信息告知网络系统，使用的信令格式如下：

通道全局编号错误信息（分配失败时有效）

对于已经建立的前向共享大载波的接入节点，网控中心根据客户端设备需要的网络速率分配频率资源，然后携带这部分信道的配置信息，向接入节点的管理程序请求网络接入。请求接入网络的信令格式如下：

上行信道射频中心频点网络速率通道调制解调方式前向纠错编码前向纠错编码率中频输出功率

接入节点收到请求后，从它管理的通信终端中挑选出可用的卫星通道收发装置工作在对应频点，用于监听接入网络的客户端设备所发送的上行数据。同时，接入节点管理程序为该客户端设备分配IP地址作为接入网络中的唯一标识，然后和其他网络配置参数(DNS，子网掩码)一同返回给网控中心。接入节点管理程序返回信令格式如下：

通道全局编号IP地址DNS子网掩码长度节点接受能力（用于协商客户端设备发送功率）错误信息（分配失败时有效）

网控中心将发送信道、接入节点的发送信道、网络配置信息下发给客户端设备。

此时网络接入已经建立，在由多个客户端设备同时接入的情况下，卫星信道使用情况示意如图3，其中点画线波形表示共享前向大载波，虚线波形表示客户端发送的反向小载波。

当客户端设备需要停止网络接入时，它向网控申请停止接入。停止接入的执行逻辑如图4所示。

网控系统首先将客户端设备正在进行的网络接入业务会话标记为已结束，然后回收分配给客户端设备的上行信道。后将客户端设备占用的IP地址和卫星通道收发装置编号传递给网络接入节点，请求停止对该客户端设备的网络服务，信令格式如下：

通道全局编号IP地址

网络接入节点管理程序收到停止网络接入的请求后，回收请求中包含的IP地址，并将对应编号的通道装置关闭，待再次由接入请求时重新使用。最后向网络系统返回回收资源的结果，信令格式如下：

回收成功标识错误信息（分配失败时有效）

网控系统收到接入节点回收资源成功的响应后，检查是否还有客户端设备使用当前接入的前向共享大载波。如果已经没有客户端设备使用该载波，则此载波应被释放。网控系统先释放先前分配的卫星信道资源，然后向接入节点管理程序申请释放对应通道，使用信令格式如下；

大载波通道全局编号

网络接入节点管理程序收到释放大载波通道的请求后，将对应编号的通道装置关闭，待再次由接入请求时重新使用。然后向网络系统返回回收资源的结果，信令格式如下：

回收成功标识错误信息（分配失败时有效）

网控系统收到通道释放响应，向客户端设备发送停止网络接入的确认信息，至此网络接入流程结束。

以下结合实际使用场景中的卫星资源、设备占用情况，对比传统接入方案，对所提出的卫星网络接入方法作进一步阐述。

在为10台卫星通信终端提供网络接入时，假设每台终端需要512kbps的接入网络速率。

对于传统接入方式，需要在接入节点对远端每台卫星通信设备提供1组卫星收发通道装置，共计20路通道。而本发明中提出的网络方法，需要1路通道用作前向共享大载波的发送通道，和10路通道用于接收远端卫星终端的发送小载波，可节省9路通道。

对于需要网络接入的N台卫星终端设备，每M台终端可共享一个前向大载波(M取值根据实际使用时的载波利用率和环境要求决定)，本发明中提出的接入方法，需要（N + N/M）路通道装置（向上取整）。相较于一对一接入中2N路通道的需求，单个前向大载波能容纳的卫星终端数量M越大，即可节省越多的卫星收发通道装置。

同时，在调制解调、纠错方式等配置相同情况下，可近似认为占用的卫星信道资源与分配的网络速率成正相关。对于上述10台卫星终端，每台512kbps的网络速率要求。假设终端在网率80%，在网终端网络负载在10%-90%间均匀分布。

一对一接入的方式中，每台卫星终端需要2条网络速率为512kbps的卫星信道用作收发，因此需要提供至少 10*80%*512kbps*2=8192kbps=8mbps的网络速率所对应的卫星信道。

而共享前向载波的接入方式中，由于大载波内的带宽共享，因此网络负载高的卫星终端可以暂时使用负载低的卫星终端的空闲带宽。对上述场景，最少需要提供10*80%*512kbps=4096kbps的下行带宽，和10*80%*512kbps*50%=2048kbps的上行带宽，即共计6144kbps=6mpbs的网络速率所对应的卫星信道。

假设一个共享大载波下有N台卫星终端，每台的信道平均利用率P为（终端在网率*平均网络负载率），每台终端需要的上行速率为S。一对一接入和共享大载波接入使用的下行信道资源相同；一对一接入上行需要共计N*S的信道资源，而共享大载波接入需要最少N*S*P的信道资源，最多可节省N*S*(1-P)的网络速率对应的信道资源。 即在接入网络的卫星终端数量和终端需要的网络速率相同的情况下，终端在网率和实际使用中的网络平均负载越低，共享大载波的接入方式便能节省越多信道资源。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。