一種基于leo衛星多波束接收星上處理的多址接入方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于LEO衛星多波束接收星上處理的多址接入方法，所述方法包括以下步驟：（1）地面發射端將一待發送至衛星接收端的上行信號按時間順序劃分為上行引導段和上行業務段；（2）所述上行引導段通過SAMA方式引導所述上行業務段開始傳送，并輔助所述衛星接收端捕獲所述上行信號，并在所述衛星接收端捕獲所述上行信號之后，引導所述上行業務段的業務數據的調解；（3）所述上行業務段通過CDMA方式對所述業務數據進行傳輸。本發明不僅能夠保證系統接入性能良好，而且能夠減少多波束接收星上處理所需的信號捕獲模塊的數量，從而有效降低星上多波束接收處理的復雜度。
【專利說明】-種基于LEO衛星多波束接收星上處理的多址接入方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線通信領域，尤其涉及一種基于LE0衛星多波束接收星上處理的多 址接入方法。
【背景技術】
[0002] 無線通信是指通信雙方至少有一方以無線方式進行信息的交換和傳輸，是當今世 界科學技術發展最為活躍的領域之一，對社會進步和經濟發展都有著舉足輕重的作用。其 中，衛星通信是無線通信一個重要的領域，尤其在發生重大毀滅性的自然災害的地區，地面 網絡遭到破壞，衛星通信可能是唯一幸存的通信手段。
[0003] 相比基于 GEO (Geostationary Earth Orbit)、MEO (Medium Earth orbit)衛星 的通信系統，LEO (Low Earth Orbit，近地軌道)衛星通信系統具有傳播時延短的先天優勢， 能更好的滿足語音等實時性業務的要求，保證通信質量。多顆LE0衛星組網可構成全球全 天候實時覆蓋的星座系統，是實現真正意義上的全球移動通信的重要途徑之一。
[0004] 為了更好的滿足人們日益增長的多種新業務應用（如高分辨率的圖片、視頻等）的 需求，系統的高速率、大容量是現階段LE0衛星通信系統的重要發展方向。LE0衛星結合星 載多波束天線，使得衛星接收實現高增益，從而達到系統信息速率和容量提升的目的。因 此，LE0衛星結合星載多波束天線的使用及其相關信號體制、收發處理技術是現階段LE0衛 星通信技術的研究熱點之一。
[0005] 多址接入技術，可定義為多個用戶接入一個公共傳輸媒介，實現各用戶通信的技 術。實現多址接入的技術基礎是信號分割，也就是在信號的發射端進行恰當的信號設計，使 系統中各用戶發射的信號有所差別。在衛星通信系統設計中，多址接入設計的主要任務是， 將系統有限的資源（時間、頻率、正交碼子、空間等）以某種方式進行合理的劃分，便于覆蓋 區內眾多的用戶進行資源共享。
[0006] 根據信道資源分配方式的不同，衛星通信系統中常用的多址接入技術可分為固定 分配多址、按需分配多址以及隨機分配多址三大類別。固定分配多址和按需分配多址常用 的有頻分多址（FDMA)、時分多址（TDMA)、碼分多址（CDMA)和空分多址（SDMA)等；基本的隨 機多址接入方法有純AL0HA和時隙AL0HA兩種。實際應用中，需要根據相關約束和需求進 行相應的設計，往往是基本接入方式的組合或變形。
[0007] 多址接入方法的優劣，一方面影響著系統整體性能，同時也直接影響著發射端和 接收端的多址接入信號處理的復雜程度。星載多波束接收天線的使用，將引入多通道的星 上處理特性，繼續采用傳統的CDMA接入方式將由于多通道的引入成倍數關系的增加處理 的復雜度，這對于有限資源的LE0衛星往往是不可接受的。使用星載多波束接收天線的LE0 衛星CDMA通信系統，如在保證系統接入性能的前提下，設計出簡單有效的適合于星上處理 的多址接入方法，是LE0衛星通信系統設計的一項重要內容。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的在于，提供一種基于LEO衛星多波束接收星上處理的多址接入方 法，其不僅能夠保證系統接入性能良好，而且能夠減少多波束接收星上處理所需的信號捕 獲模塊的數量，從而有效降低星上多波束接收處理的復雜度。
[0009] 為了解決上述問題，一種基于LE0衛星多波束接收星上處理的多址接入方法，所 述方法包括以下步驟：（1)地面發射端將一待發送至衛星接收端的上行信號按時間順序劃 分為上行引導段和上行業務段；（2)所述上行引導段通過SAMA方式引導所述上行業務段開 始傳送，并輔助所述衛星接收端捕獲所述上行信號，并在所述衛星接收端捕獲所述上行信 號之后，引導所述上行業務段的業務數據的調解；（3)所述上行業務段通過CDMA方式對所 述業務數據進行傳輸。
[0010] 作為可選的技術方案，在步驟（3)之后進一步包括：所述衛星接收端的多波束接 收天線將所接收到的上行信號輸出為多個波束信號；所述衛星接收端的信號捕獲模塊對每 一所述波束信號進行信號捕獲。
[0011] 作為可選的技術方案，所述地面發射端包括地面終端或地面站。
[0012] 作為可選的技術方案，所述上行引導段在時間順序上位于所述上行業務段之前， 并且采用SAMA多址接入方式，當采用所述SAMA多址接入方式時，每一所述地面發射端所傳 送的上行引導段均使用相同的擴頻序列PN (0)進行擴頻。
[0013] 作為可選的技術方案，所述上行業務段在時間順序上位于所述上行引導段之后， 并且采用CDMA多址接入方式，當采用所述CDMA多址接入方式時，每一所述地面發射端所 傳送的上行業務段均使用擴頻序列PN (i) (i=l、2…N)中任意一個進行擴頻；其中，每一 所述擴頻序列PN (i) (i=0、l、2…N)具有尖銳的自相關特性，且每一所述擴頻序列PN (i) (i=0、l、2…N)之間具有正交或準正交的互相關特性。
[0014] 作為可選的技術方案，在步驟（2)中進一步包括：（21)所述地面發射端將所述上 行引導段按時間順序劃分為捕獲引導段和業務引導段；（22)所述捕獲引導段輔助所述衛 星接收端捕獲所述上行信號；（23)所述業務引導段引導所述業務數據的調解。
[0015] 作為可選的技術方案，所述捕獲引導段為全'0'或全'1'比特，所占用的時間長度 與所述衛星接收端完成捕獲所述上行引導段所需的時間相關。
[0016] 作為可選的技術方案，在步驟（21)中進一步包括：（211)所述地面發射端將所述 業務引導段劃分為業務數據擴頻碼指示段和擴展字段，其中所述業務數據擴頻碼指示段用 以指示業務數據擴頻所使用的擴頻碼，所述擴展字段用以提供所述上行業務段的先驗信 肩、。
[0017] 本發明的優點在于，本發明適合LE0衛星多波束接收星上處理的多址接入方法 將用戶上行信號按時間順序劃分為兩段(上行引導段和上行業務段)，所述上行引導段采用 SAMA多址接入方法，所述上行業務段采用CDMA多址接入方法，從而使SAMA多址接入方法和 CDMA多址接入方法兩者有機結合；星載多波束接收的條件下采用SAM-CDMA(Spread ALOHA Multiple Access-Code Division Multiple Access)多址接入方法。衛星接收端捕獲上行 信號的上行引導段，并且衛星接收端輸出的每一波束只需1個針對擴頻序列PN (0)的信號 捕獲模塊，相較于傳統CDMA多址接入方法，本發明大大減少了星上處理所需的信號捕獲模 塊的數量，從而可以有效解決傳統CDMA多址接入方法星上多波束接收處理復雜度過高的 問題，同時具有系統用戶容量大的優點。再者，通過SAMA-CDMA多址接入方法來實現LE0衛 星多波束接收星上處理的衛星通信系統能夠有效降低衛星設備的研制成本、減輕衛星設備 的重量以及降低衛星的發射成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發明一種基于LE0衛星多波束接收星上處理的多址接入方法的步驟流程 示意圖。
[0019] 圖2是本發明所述上行信號劃分的示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面結合附圖對本發明提供的基于LE0衛星多波束接收星上處理的多址接入方 法的【具體實施方式】做詳細說明。
[0021] 參見圖1所示，一種基于LE0衛星多波束接收星上處理的多址接入方法，該方法適 用于使用星載多波束接收天線和星上接收處理技術的LE0衛星通信系統的多用戶（即地面 發射端）上行發射通信信號(可簡稱為上行信號）的設計和衛星接收端的處理方法的設計， 其中星載多波束接收天線是指一衛星接收端在信號接收時使用多波束天線，星上接收處理 技術是指衛星接收端對接收到的上行信號進行下變頻、濾波、放大、信號捕獲、載波/碼/位 同步跟蹤、解擴、解調、譯碼等處理。
[0022] 所述方法包括：步驟S110、地面發射端將一待發送至衛星接收端的上行信號按時 間順序劃分為上行引導段和上行業務段；S120、所述上行引導段通過SAMA方式引導整個上 行業務段開始傳送，并輔助所述衛星接收端捕獲所述上行信號，并在所述衛星接收端捕獲 所述上行信號之后，引導所述上行業務段的業務數據的調解；S130、所述上行業務段通過 CDMA方式對所述業務數據進行傳輸。
[0023] 其中，步驟S110中所述地面發射端包括地面終端或地面站的發射端。所述衛星接 收端為使用星載多波束接收天線和星上接收處理技術的LE0衛星。所述地面發射端與所述 衛星接收端進行通信。所述地面發射端需完成對發射上行信號的設計，所述衛星接收端需 完成對上行信號的接收處理的設計。鑒于在衛星多波束接收的條件下信號捕獲的復雜度很 高，于是，本發明通過對地面發射端和衛星接收端的設計，從而能夠降低衛星接收端的接收 處理特別是信號捕獲的復雜度(將在下文中會進一步說明）。
[0024] 步驟120中的所述上行引導段對所述上行業務段開始傳送(或進行通信）進行引 導，并輔助衛星接收端捕獲所述上行信號的上行引導段和上行業務段，在所述衛星接收端 捕獲所述上行信號之后，引導所述上行業務段的業務數據的調解，也就是說，對后繼的所述 上行業務段的跟蹤、解調等在接收過程中所需的先驗信息進行傳遞，該先驗信息是表示在 所述上行引導段中。
[0025] 具體來說，所述上行引導段在時間順序上位于所述上行業務段之前，并且采用 SAMA多址接入方式，其中所述SAMA多址接入方式可稱為擴頻AL0HA多址接入方式，而擴頻 AL0HA多址接入方式，即為擴頻技術與AL0HA技術相結合的一種接入協議。所述SAMA多址 接入方式不同于CDMA多址接入方式，前者無需為不同的用戶（例如地面發射端)分配不同的 擴頻碼。當采用SAMA多址接入方式時，每一所述地面發射端所傳送的上行引導段均使用相 同的擴頻序列PN (0)進行擴頻。
[0026] 在本實施例中，參見圖2所示，所述上行信號占用的總時間長度為 所述上行引導段占用的時間長度為&。在步驟120中可以進一步包括：（a)所述地 面發射端將所述上行引導段按時間順序劃分為捕獲引導段和業務引導段；（b)所述捕獲引 導段輔助所述衛星接收端捕獲所述上行信號；（c)所述業務引導段引導所述業務數據的調 解。
[0027] 其中，所述捕獲引導段為全'0'或全'1'比特，占用的時間長度為4，可參見圖2， 4的具體值與衛星接收端利用捕獲算法完成捕獲上行引導段所需的時間相關。可選的，在 步驟（a)中可以進一步包括：所述地面發射端將所述業務引導段劃分為業務數據擴頻碼指 示段和擴展字段；其中所述業務數據擴頻碼指示段用以指示業務數據擴頻所使用的擴頻碼 (或長碼的碼相位）;所述擴展字段用以提供上行業務段進行擴頻調制相關的先驗信息(例如 業務數據信息速率、業務數據長度等)。所述業務引導段的字段及時間長度與所需提供的先 驗信息相關，可以根據實際應用的情況進行進一步的設計。例如所述業務數據所使用的擴 頻碼(或長碼的碼相位）有256個，則所述業務數據擴頻碼指示段應至少是8bit ;例如業務 數據信息速率有4檔，若要在接收機中實現快速自適應速率接收，地面發射端可以在所述 業務引導段的擴展字段中增加信息速率字段，以作為先驗信息告知衛星接收端，以輔助衛 星接收端自適應接收，此時該信息速率字段至少是2bit ;類似的，如需傳遞其他先驗信息 以便衛星接收端自適應接收使用，相應的需在所述業務引導段的擴展字段中增加相應長度 的字段內容，在此不再一一贅述。
[0028] 繼續參見圖1中的步驟S130,所述上行業務段通過CDMA方式對所上行業務段的業 務數據(或稱業務通信數據信息）進行傳輸。所述上行業務段的擴頻調制所用的擴頻碼(或 長碼的碼相位）與所述上行引導段的業務數據擴頻碼指示段的信息一致，其他擴頻調制相 關信息也與所述上行引導段的擴展字段提供的相關信息一致。
[0029] 具體來說，所述上行業務段在時間順序上位于所述上行引導段之后，并且采用 CDMA多址接入方式，當采用CDMA多址接入方式時，每一所述地面發射端所傳送的上行業務 段均使用擴頻序列PN (i) (i=l、2…N)中任意一個進行擴頻；其中，每一所述擴頻序列PN (i) (i=0、l、2…n)具有尖銳的自相關特性，且每一所述擴頻序列PN (i) (i=0、l、2…N)之 間具有正交或準正交的互相關特性。
[0030] 另外，在步驟S130之后可以進一步包括以下步驟：所述衛星接收端的多波束接收 天線將所接收到的上行信號輸出為多個波束信號；所述衛星接收端的信號捕獲模塊對每一 所述波束信號進行信號捕獲。
[0031] 其中，所述多波束接收天線輸出的多個波束信號為并列，且一直保持接收狀態，同 時信號捕獲模塊也一直保持處于捕獲搜索PN (0)信號的狀態。當地面發射端暫未發送上 行引導段至衛星接收端時，信號捕獲模塊捕獲不成功；當地面發射端發送上行引導段至衛 星接收端時，信號捕獲模塊可以判斷出所接收到的上行信號中包含有相同擴頻序列PN (0) 信號，捕獲成功并給出PN (0)碼相位、載波多普勒等捕獲信息。這樣，衛星接收端輸出的每 一個波束信號只需使用一個信號捕獲模塊，這樣會更加簡便快捷。當然，在本發明的其他部 分實施例中，也可以使用一個信號捕獲模塊對多個波束信號進行捕獲處理。
[0032] 在LE0衛星通信系統中的信號捕獲模塊會消耗大量的處理資源，因此，解決星上 處理復雜度的問題主要集中于如何降低星上快速捕獲的復雜度。在現有技術采用CDMA多 址接入方法中，各個用戶以偽隨機序列PN碼相互區分，應用至使用多波束接收天線的LEO 衛星通信系統中，則要求每一波束都應具備捕獲和接收所有PN的能力。進一步而言，在 CDMA多址接入方法中，將使用N(N為正整數)個正交或準正交的擴頻序列，系統分配其中一 個擴頻序列作為某一用戶發射上行信號的擴頻碼，衛星接收端一般需要配置與所使用擴頻 序列個數相一致的信號捕獲模塊，因此衛星接收端輸出的每一所述波束信號對應N (N為系 統中使用的擴頻偽隨機序列PN碼的個數)個信號捕獲模塊。而根據本發明提供的基于LEO 衛星多波束接收星上處理的SAMA-CDMA多址接入方法，所有地面發射端的上行引導段均使 用同一個擴頻序列PN (0)信號。衛星接收端捕獲上行信號的上行引導段，并且衛星接收端 輸出的每一波束信號只需1個針對擴頻序列PN (0)的信號捕獲模塊，即可完成對該波束信 號內所有上行用戶（包括該波束覆蓋區域內的所有地面終端和地面站）信號的捕獲，于是， 能夠實現僅需傳統CDMA多址接入方法中所使用的信號捕獲模塊數量的1/N，從而星上多波 束接入處理的復雜度大大降低，從而降低衛星設備研制成本、減輕衛星設備重量、降低衛星 發射成本。
[0033] 本發明適合LE0衛星多波束接收星上處理的多址接入方法將用戶上行信號按時 間順序劃分為兩段(上行引導段和上行業務段)，所述上行引導段采用SAMA多址接入方法， 所述上行業務段采用CDMA多址接入方法，從而使SAMA多址接入方法和CDMA多址接入 方法兩者有機結合；星載多波束接收的條件下采用SAMA-CDMA (Spread ALOHA Multiple Access-Code Division Multiple Access)多址接入方法。衛星接收端捕獲上行信號的上 行引導段，并且衛星接收端輸出的每一波束只需1個針對擴頻序列PN (0)的信號捕獲模 塊，相較于傳統CDMA多址接入方法，本發明大大減少了星上處理所需的信號捕獲模塊的數 量，從而可以有效解決傳統CDMA多址接入方法星上多波束接收處理復雜度過高的問題，同 時具有系統用戶容量大的優點。再者，通過SAMA-CDMA多址接入方法來實現LE0衛星多波 束接收星上處理的衛星通信系統能夠有效降低衛星設備的研制成本、減輕衛星設備的重量 以及降低衛星的發射成本。
[0034] 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人 員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為 本發明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種基于LEO衛星多波束接收星上處理的多址接入方法，其特征在于，所述方法包 括以下步驟： (1) 地面發射端將一待發送至衛星接收端的上行信號按時間順序劃分為上行引導段和 上行業務段； (2) 所述上行引導段通過SAMA方式引導所述上行業務段開始傳送，并輔助所述衛星接 收端捕獲所述上行信號，并在所述衛星接收端捕獲所述上行信號之后，引導所述上行業務 段的業務數據的調解； (3) 所述上行業務段通過CDMA方式對所述業務數據進行傳輸。
2. 根據權利要求1所述基于LEO衛星多波束接收星上處理的多址接入方法，其特征在 于，在步驟（3)之后進一步包括： 所述衛星接收端的多波束接收天線將所接收到的上行信號輸出為多個波束信號； 所述衛星接收端的信號捕獲模塊對每一所述波束信號進行信號捕獲。
3. 根據權利要求1所述基于LEO衛星多波束接收星上處理的多址接入方法，其特征在 于，所述地面發射端包括地面終端或地面站的發射端。
4. 根據權利要求1所述基于LEO衛星多波束接收星上處理的多址接入方法，其特征 在于，所述上行引導段在時間順序上位于所述上行業務段之前，并且采用SAMA多址接入方 式，當采用所述SAMA多址接入方式時，每一所述地面發射端所傳送的上行引導段均使用相 同的擴頻序列PN(0)進行擴頻。
5. 根據權利要求1所述基于LEO衛星多波束接收星上處理的多址接入方法，其特征 在于，所述上行業務段在時間順序上位于所述上行引導段之后，并且采用CDMA多址接入方 式，當采用所述CDMA多址接入方式時，每一所述地面發射端所傳送的上行業務段均使用擴 頻序列PN(i) (i=l、2…N)中任意一個進行擴頻；其中，每一所述擴頻序列PN(i) (i=0、 1、2…N)具有尖銳的自相關特性，且每一所述擴頻序列PN(i) (i=0、l、2…N)之間具有正 交或準正交的互相關特性。
6. 根據權利要求1所述基于LEO衛星多波束接收星上處理的多址接入方法，其特征在 于，在步驟（2)中進一步包括： (21) 所述地面發射端將所述上行引導段按時間順序劃分為捕獲引導段和業務引導 段； (22) 所述捕獲引導段輔助所述衛星接收端捕獲所述上行信號； (23) 所述業務引導段引導所述業務數據的調解。
7. 根據權利要求6所述基于LEO衛星多波束接收星上處理的多址接入方法，其特征在 于，所述捕獲引導段為全'〇'或全'1'比特，所占用的時間長度與所述衛星接收端完成捕獲 所述上行引導段所需的時間相關。
8. 根據權利要求6所述基于LEO衛星多波束接收星上處理的多址接入方法，其特征在 于，在步驟（21)中進一步包括： (211)所述地面發射端將所述業務引導段劃分為業務數據擴頻碼指示段和擴展字段， 其中所述業務數據擴頻碼指示段用以指示業務數據擴頻所使用的擴頻碼，所述擴展字段用 以提供所述上行業務段的先驗信息。
【文檔編號】H04B7/185GK104378152SQ201410626192
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月10日 優先權日:2014年11月10日
【發明者】姜泉江, 劉會杰, 于煬, 姜興龍 申請人:上海微小衛星工程中心