CN114884555A - 一种基于卫星网络的地面通信方法 - Google Patents

Abstract

本申请请涉及卫星通信领域，具体涉及一种基于卫星网络的地面通信方法，用于通信卫星，包括：获取通信卫星覆盖下的所有卫星终端的位置信息，保存至位置信息列表；接收位于第一波束内的第一卫星终端发送的第一空口信号；调制解调处理第一空口信号得到传输信号；根据传输信号及位置信息列表，获得第二卫星终端的所在位置；基于第二卫星终端的所在位置得到传输信号的路由信息；当第二卫星终端位于通信卫星的覆盖区域之内时，基于传输信号的路由信息，判断传输信号的处理方式；根据判断传输信号的处理方式的结果，调制解调处理传输信号得到并发送第二空口信号至第二卫星终端。

Description

一种基于卫星网络的地面通信方法

技术领域

本申请涉及卫星通信领域，具体涉及一种基于卫星网络的地面通信方法。

背景技术

目前，传统卫星通信系统多采用卫星上透明处理信号和资源预分配的工作模式为用户提供点到点数据传输服务，无法支持海量用户的随机接入和移动性管理。DVB-S2X标准提供了物理层和MAC层协议，但是缺少多用户接入和移动性管理高层协议，且不能很好地支持基于星间链的星座网络。而Sat5G提出的卫星通信与5G NR技术融合的解决方案，是基于卫星上透明转发，地面进行信号处理的工作模式，存在星地信号传输时延较大问题。

发明内容

基于此，本申请提供了一种基于卫星网络的地面通信方法，解决了一些场景下星地信号传输时延较大问题。

根据本申请的一方面，

本申请的有益效果：

根据一些实施例，本申请提出的方法使空口信号的调制解调步骤在卫星上进行，减少了星地信号传输的次数，从而减少了信号的传输时延。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本申请要求保护的范围。

图1示出根据一实施例的基于卫星网络的地面通信方法的现有技术的示意图。

图2示出根据示例实施例的一种基于卫星网络的地面通信方法的流程图。

图3示出根据示例实施例的一种基于卫星网络的地面通信方法的框图。

图4示出根据示例实施例的一种用于通信卫星的通信系统的框图。

图5示出根据一实施例的5G NR网络构架的框图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

目前的卫星通信网络通常采用信号卫星上透明转发的处理模式，使得对于空口信号的调制解调需要经由信关站才能完成，因此，在通信时信号可能需要经历多次星地间传送才能送达目的终端，存在星地传输时延较大问题。

基于此，本申请提供了一种基于卫星网络的地面通信方法使空口信号的调制解调步骤在卫星上进行，减少了星地信号传输的次数，从而减少解决了在一些场景下星地信号传输时延较大问题。

图1示出根据一实施例的基于卫星网络的地面通信方法的现有技术的示意图。

根据一实施例，现有卫星通信技术中的通信卫星对空口信号只做透明转发，透明转发意为不对信号做任何处理，只是转送，因此即使在端对端通信情况下空口信号也需要经过第一卫星终端——通信卫星——信关站的过程以完成第一空口信号的调制解调，再经过信关站——通信卫星——第二卫星终端以送达第二空口信号，如此会使无线信号经历4次由地面到天空的传输。根据一实施例，承载无线信号的电磁波传播速度为光速，光速约为3×10⁸m/s，大多数通信卫星高度通常在数万千米高度，对地同步卫星高度约在35786km，根据这些值可以大致算出电磁波经历4次天地折返所消耗的理论时间约为0.477s，即477ms，附加上信号处理时间及实际客观情况的制约，延迟时间一般可达约700ms。

图2示出根据示例实施例的一种基于卫星网络的地面通信方法的流程图。

如图1所示，在S201，获取通信卫星覆盖下的所有卫星终端的位置信息，保存至位置信息列表。

根据示例实施例，参考图3的框图，其中的虚拟网元AMF(Access and MobilityManagement Function)，即为接入及移动性管理功能，也为接入及移动性管理单元，用于执行本步骤。用于在通信卫星上直接处理卫星内已接入卫星终端在波束间的重选、切换、链路重建等移动性事件，还用于记录所有直接或间接通信相连的通信卫星下的所有卫星终端的位置信息，该卫星终端的位置信息包括卫星终端所被覆盖的通信卫星及波束。

根据示例实施例，所有通信卫星的AMF收集本卫星内的卫星终端的位置信息后传输至信关站的核心网，再由信关站的核心网同步给每个AMF所有通信卫星的全部卫星终端的位置信息。

在S202，接收位于第一波束内的第一卫星终端发送的第一空口信号。

根据示例实施例，波束为用于分割同一卫星覆盖下传输信号的“区域”，该“区域”不限于空间范畴，例如可以有时分(time division，即时间划分)、频分(frequencydivision，即频率划分)、码分(code division，即编码划分)、域分(区域划分)的波束，由通信卫星定义，以此可以将不同的信号区分开来，在波束覆盖内的卫星终端方可同通信卫星通信。

根据示例实施例，对于同一卫星，可以产生多个波束，该第一波束为覆盖第一卫星终端的波束，也就是第一卫星终端所在的波束，后不再赘述。

根据示例实施例，卫星终端为与卫星直接通信的终端，可以为例如一车载卫星终端，该第一卫星终端在本申请实施例中为卫星通信的发起方，与之对应的第二卫星终端则为卫星通信的参与方，即第一卫星终端建立卫星通信的目标连接方，后不再赘述。

根据示例实施例，参考图3的框图，此卫星终端在其中对应于UE(UserEquipment)，即用户设备。

根据示例实施例，空口即为“空中接口(Air Interface)”，是一种用于移动设备传输的通信链路，在OSI模型中涉及物理层及链路层。其物理连接通常基于无线广播信号，为例如基站和移动端提供点到点的链接。

根据示例实施例，空口信号为模拟信号，只支持点到点传输，例如卫星终端到通信卫星，不具备信号路由功能。

根据示例实施例，参考图3的框图，其中在卫星上的AAU(Active Antenna Unit)即为有源天线处理单元，用于接收卫星终端发送的空口信号，还用于发送空口信号至卫星终端。

在S203，调制解调处理第一空口信号得到传输信号。

根据示例实施例，参考图3的框图，其中的DU(Distributed Unit)即为分布式处理单元，该分布式处理单元可以实现在卫星上调制解调空口信号得到传输信号，实时解析卫星终端与卫星之间的信息交互。

根据示例实施例，在AAU接收到第一卫星终端发送的第一空口信号后，发送至DU进行信号的调制解调处理。该步骤在传统的卫星通信中由信关站执行，这种处理模式意味着位于地面的卫星终端发送的空口信号至少需要经历2倍的地面到通信卫星的距离才能完成调制解调处理，即卫星终端(地面)——通信卫星——信关站(地面)，卫星通信系统产生的通信时延主要是由于电磁波的长距离传输导致的，而本申请提供的方法在此步骤只经历一次从地面到通信卫星的距离即可完成该空口信号的调制解调处理，提升了空口信号交互和无线资源调度效率以及频谱利用率，降低了通信延时，并因此还能够提升时钟同步精度。

根据示例实施例，空口信号经调制解调处理后生成的传输信号为数字信号，被封装成数据包后可实现在通信卫星间以及通信卫星到信关站的路由转发，相比较类型为模拟信号的空口信号而言，具有更高的传输自由度，可以以此为基础对处理与传输过程进行优化。

在S205，根据传输信号及位置信息列表，获得第二卫星终端的所在位置。

根据示例实施例，传输信号中封装有其传输目的地即第二卫星终端，结合前述的位置信息列表，即可寻找到第二卫星终端的所在位置，即其所位于的通信卫星及波束覆盖信息。

根据一实施例，第二卫星终端可以与第一卫星终端处于同一通信卫星下的同一波束内。

根据另一实施例，第二卫星终端还可以与第一卫星终端处于同一通信卫星下的不同波束内。

根据另一实施例，第二卫星终端还可以位于与第一卫星终端不同的通信卫星覆盖下。

根据示例实施例，前述AMF为执行此步骤的主体。

在S207，基于第二卫星终端的所在位置得到传输信号的路由信息。

根据示例实施例，得到第二卫星终端所在位置后即可根据策略得到由当前通信卫星到第二卫星终端所在卫星的星间路由路径，即路由信息。

根据示例实施例，参考图3的框图，其中SMF(Session Management Function)，即会话管理功能，也为会话管理单元，用于执行本步骤。其功能包括在通信卫星上处理用户的寻呼、寻址、通话建立、承载切换等，还可以用于控制路由路径至信关站。

在S209，当第二卫星终端位于通信卫星的覆盖区域之内时，基于传输信号的路由信息，判断传输信号的处理方式。

根据示例实施例，参考图3的框图，其中UPF(User Plane Function)，即用户面功能，也为用户面单元，用于执行本步骤。其功能包括实现通信卫星内、通信卫星间的分组路由和转发，以及用户面部分策略规则实施(链路门控，流量转向)等。

在S211，根据判断传输信号的处理方式的结果，调制解调传输信号得到并发送第二空口信号至第二卫星终端。

根据示例实施例，参考图3的框图，其中CU(Centralized Unit)即为集中处理单元，用于执行本步骤。其功能包括实现在通信卫星上处理基于跳波束的波束内用户移动性事件管理与通信卫星内无线资源分配，并实现终端呼叫接纳控制例如通信卫星终端间的通信。通信卫星间的信号传送通过CU进行，通过星间链(Inter-Satellite Link)承载CU之间的Xn逻辑接口。星间链，Xn逻辑接口，均为本领域公知常识，此处不再赘述。

根据示例实施例，本申请实施例中的第二空口信号为第二卫星终端接收的空口信号，后不再赘述。

根据示例实施例，接前述，即当CU接收到DU调制解调后的传输信号，依据AMF和SMF找到第二卫星终端的位置，且第二卫星终端与第一卫星终端处于同一通信卫星的同一波束覆盖下时，CU结合UPF将传输信号发送给DU，由DU调制解调为第二空口信号，再通过AAU发送至位于同一波束即前述第一波束内的第二卫星终端。

根据示例实施例，当CU接收到DU调制解调后的传输信号，依据AMF和SMF找到第二卫星终端，且第二卫星终端与第一卫星终端处于同一通信卫星的不同波束覆盖下时，例如第二卫星终端在同一通信卫星中的与前述第一波束不同的第二波束中，CU结合UPF将传输信号发送给DU，由DU调制解调为第二空口信号，再通过AAU发送至位于第二波束内的第二卫星终端。

根据示例实施例，当CU接收到DU调制解调后的传输信号，依据AMF和SMF找到第二卫星终端，且第二卫星终端与第一卫星终端处于不同的通信卫星即第二通信卫星的覆盖下时。根据一实施例，第二通信卫星可能与原通信卫星不相邻，即第二通信卫星的CU无法与原通信卫星的CU直接通信，那么原通信卫星的CU集合UPF将传输信号发往链路中的下一个通信卫星的CU，依次传递，直到抵达第二通信卫星的CU，第二通信卫星的CU结合UPF将传输信号发送给其DU，由其DU调制解调为第二空口信号，再通过第二通信卫星的AAU发送至位于第二通信卫星的波束内的第二卫星终端。

根据示例实施例，前述实施例描述的场景应用于端对端通信，如果卫星终端需要访问信关站的核心网资源，那么在DU调制解调空口信号得到传输信号后，需要CU结合SMF将传输信号发送至地面的信关站。

根据示例实施例，接前述步骤，当地面的信关站返回信号时，需要由CU接收信关站发送的传输信号，由DU调制解调得到空口信号，再通过AAU发送回卫星终端。

根据示例实施例，参见前述图1所示的现有技术的示意图，本申请提供的方法中无线信号经历了2次由地面到天空的传输，相比较于现有技术至少优化了一半的传输距离，因此降低了整体的通信时延。

根据示例实施例，本申请将AAU和DU上通信卫星，实现了空口数字信号的调制和解调在通信卫星上完成，降低传输时延。CU上通信卫星，实现了通信卫星单波束内的无线资源管理。AMF功能上通信卫星，实现了通信卫星内管理卫星终端在卫星内多波束间的移动性事件(重选、切换、重建等)。UPF与SMF上通信卫星，实现了通信卫星内完成同卫星覆盖的卫星终端间的寻呼和实现无信关站转发的通信卫星间数据交换。

根据示例实施例，本申请还通过信关站的核心网边缘部署，实现了通信卫星上处理卫星终端移动性事件、卫星终端寻呼事件等功能，以及实现了通信卫星间不通过信关站转发，直接进行数据交换的功能。

根据一些实施例，当第二卫星终端处于其他通信卫星的覆盖下时，现有卫星通信中，在寻找第二卫星终端的经历过程是，第一卫星终端——通信卫星——第一信关站——第二信关站——第二通信卫星——第二卫星终端，即无线信号在通往第二通信卫星过程中，需要在第一信关站转换为有线信号，并经历有线传输传送到第二信关站，如此大大增加了信号的处理时长及传输距离，本申请的方法在此场景下可以借助通信卫星间的星间链进行通信以大大减少无线信号的处理时长及传输距离。

根据一实施例，参见图5，本申请中实施例的方法可参照5G NR的网络架构以及其中的网元而实现。

图4示出根据示例实施例的一种用于通信卫星的通信系统的框图。

如图4所示，该用于通信卫星的通信系统包括接入及移动性管理单元401，有源天线处理单元403，分布式处理单元405，会话管理单元407，用户面单元409，集中处理单元411，其中：

接入及移动性管理单元401，获取通信卫星覆盖下的所有卫星终端的位置信息，保存至位置信息列表。

有源天线处理单元403，接收位于第一波束内的第一卫星终端发送的第一空口信号。

分布式处理单元405，调制解调处理第一空口信号得到传输信号。

接入及移动性管理单元401，还根据传输信号及位置信息列表，获得第二卫星终端的所在位置。

会话管理单元407，基于第二卫星终端的所在位置得到传输信号的路由信息。

用户面单元409，当第二卫星终端位于通信卫星的覆盖区域之内时，基于传输信号的路由信息，判断述传输信号的处理方式。

集中处理单元411，根据判断传输信号的处理方式的结果，调制解调处理传输信号得到并发送第二空口信号至第二卫星终端。

该系统执行与前面提供的方法类似的功能，其他功能可参见前面的描述，此处不再赘述。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种基于卫星网络的地面通信方法，用于通信卫星，包括：

获取所述通信卫星覆盖下的所有卫星终端的位置信息，保存至位置信息列表；

接收位于第一波束内的第一卫星终端发送的第一空口信号；

调制解调处理所述第一空口信号得到传输信号；

根据所述传输信号及所述位置信息列表，获得第二卫星终端的所在位置；

基于所述第二卫星终端的所在位置得到所述传输信号的路由信息；

当所述第二卫星终端位于所述通信卫星的覆盖区域之内时，基于所述传输信号的路由信息，判断所述传输信号的处理方式；

根据所述判断所述传输信号的处理方式的结果，调制解调处理所述传输信号得到并发送第二空口信号至所述第二卫星终端。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

获取全部其他与所述通信卫星直接或间接相连的通信卫星覆盖下的所有卫星终端的位置信息，保存至所述位置信息列表。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

当所述第二卫星终端位于所述通信卫星的覆盖区域之外时，基于所述传输信号的路由信息，发送所述传输信号至第二通信卫星，所述第二通信卫星的覆盖区域包括所述第二卫星终端的所在位置。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二通信卫星用于调制解调所述传输信号得到第二空口信号并发送至所述第二卫星终端。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当所述第二卫星终端位于所述通信卫星的覆盖区域之内时，基于所述传输信号的路由信息，调制解调所述传输信号得到并发送第二空口信号至所述第二卫星终端，包括：

当所述第二卫星终端位于所述第一波束内时，调制解调所述传输信号得到并发送第二空口信号至位于所述第一波束内的所述第二卫星终端。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当所述第二卫星终端位于所述通信卫星的覆盖区域之内时，基于所述传输信号的路由信息，调制解调所述传输信号得到并发送第二空口信号至所述第二卫星终端，还包括：

当所述第二卫星终端位于第二波束内时，调制解调所述传输信号得到并发送第二空口信号至位于所述第二波束内的所述第二卫星终端，所述第二波束为不同于所述第一波束的另一波束。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第二卫星终端的所在位置得到所述传输信号的路由信息之后，还包括：

基于所述路由信息，发送所述传输信号至信关站。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

接收其他通信卫星或信关站发送的转送传输信号与转送路由信息；

基于所述转送路由信息，调制解调处理所述转送传输信号得到转送空口信号；

发送所述转送空口信号至所述卫星终端。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述接收其他通信卫星或信关站发送的转送传输信号与转送路由信息之后，还包括：

基于所述转送路由信息，发送所述转送传输信号至第二通信卫星。

10.一种用于通信卫星的通信系统，包括：

接入及移动性管理单元，获取所述通信卫星覆盖下的所有卫星终端的位置信息，保存至位置信息列表；

有源天线处理单元，接收位于第一波束内的第一卫星终端发送的第一空口信号；

分布式处理单元，调制解调处理所述第一空口信号得到传输信号；

所述接入及移动性管理单元，还根据所述传输信号及所述位置信息列表，获得第二卫星终端的所在位置；

会话管理单元，基于所述第二卫星终端的所在位置得到所述传输信号的路由信息；

用户面单元，当所述第二卫星终端位于所述通信卫星的覆盖区域之内时，基于所述传输信号的路由信息，判断所述传输信号的处理方式；

集中处理单元，根据所述判断所述传输信号的处理方式的结果，调制解调处理所述传输信号得到并发送第二空口信号至所述第二卫星终端。

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