专利名称：卫星对地链路快速建立方法
技术领域：
本发明所属技术领域为卫星通信。本方法通过卫星对地信道分析的基础上，提出 了卫星通信网络中的星地链路的快速建立方法，解决了目前主要采用直接发送数据方式易 丢失数据的问题，适用于我国通信卫星和军用卫星系统中卫星-地面站的链路快速建立。
背景技术：
卫星通信网络系统所能提供的业务的可行性与质量在很大程度上受到卫星与终 端间链路特性的影响。目前国内主要在有关卫星资源规划中涉及到卫星地面站之间的链路 研究，涉及到的卫星-地面站资源优化、任务调度等，以卫星与地面站确立链路建立成功且 两者可见的前提下进行的，但没有对这两者之间的链路建立能否成功进行分析；部分文献 虽然在卫星与地面站的时间窗口上进行了仿真，并得出了相应的结果，但模型过于简单，没 有考虑卫星与地面站之间实际传输能力的影响因素进行相关的分析。同时，目前有关星地 链路建立策略等研究较多，主要采用直接发送数据方式且易丢失数据，而链路建立方法设 计研究很少。因此，卫星通信网络工作中，在许多情况下有通信请求时，需首先建立通信链 路某节点通信设备首次启动之后；长时间无数据传输通信设备处于休眠状态；链路质量 达不到通信要求，数据停止传输。所谓链路建立技术，就是根据一定的规则，在两个节点之 间建立连接。目前计算机网络中的TCP连接建立方法已经较为成熟，主要是采用“三次握手”机 制。通过“三次握手”机制，计算机之间的链路建立过程可解决三个问题(1)使每一方能够 确知对方的存在；( 允许双方协商相关参数；C3)能够对运输实体相关资源进行分配。在 卫星通信中，对于一个地球同步卫星而言，从地面到卫星再到地面会有0.25s的传播延时。 因此，卫星网络中进行链路建立时若同样采用“三次握手”机制，势必会造很大的延时。另 外，由于卫星的移动特性，卫星与地面站的通信只有在规定的时间窗口内才能进行。因此， 这就要求卫星与地面站之间进行连接时，需采用一种与计算机网络不同的链路建立方式， 该方式要具有较小的延时，较高的链路建立概率，在链路建立时具有快速性，稳定性。
发明内容
本发明针对目前主要采用直接发送数据方式易丢失数据的问题，提出了卫星通信 网络中的星地链路的快速建立方法。围绕着该方法，在充分分析了卫星通信的空间环境的 基础上，设计了相关的链路建立协议、基本的帧结构、单次/多次请求链路建立模式。最后， 通过对星地链路传输时间和捕获时间的分析，对帧结构中伪随机序列最优长度给出了定性 分析。通过仿真分析可知，该星地链路的快速建立方法具有广泛的适用性。一种卫星对地链路快速建立方法，其特征在于各通信节点都分为4种状态，扫描 状态、等待回复信号状态、等待确认信号状态和正常通信状态扫描状态，当卫星网络中的节点设备刚启动、节点从中断中恢复或网络重构时，节 点首先进入扫描状态，查询是否有来自于本节点管理系统的“发起链路建立请求”命令，检测是否有接收到来自于其它节点的“请求链路建立”信息，如查询检测不到任何命令或信 息，节点保持在扫描状态；如果收到来自于本节点管理系统的“发起请求链路建立”命令，节 点将发送“请求链路建立”信息，进入等待回复信号状态；如果检测到来自于其他节点的“请 求链路建立”信息，节点将发送“收到请求链路建立”信息，进入等待确认信号状态；等待回复状态，当节点处于等待确认信号状态时，如果没有收到回复信息并且等 待不超时，或虽然收到回复信息但信息为“继续”，则节点保持现状继续等待；如果没有收到 回复信息并且等待超时，或虽然收到回复信息但信息为“失败”，则返回扫描状态；当收到回 复信号并且信息为“正确”时，建立链路，进入正常通信状态；等待确认状态，当节点处于等待确认状态时，如果没有收到确认信息，则节点保 持现状继续等待；如果没有收到确认信息并且等待超时则返回扫描状态；当收到确认信号 时，建立链路，进入正常通信状态；当节点处于正常通信状态时，如果没有收到其它通信中断命令，则节点一直保持 正常通信状态；如果收到来自于管理系统的通信结束且断开链路命令，或收到链路异常中 断命令，节点将退出正常通信状态，返回到扫描状态。当节点在以上两个状态之间进行变化时，表示有节点开始请求建立链路，链路建 立模式包括两种类型单次请求建立链路模式和多次请求链路建立模式。所述的单次请求链路建立模式中链路建立时间和链路建立成功的概率如下单次请求的链路建立时间IYe由以下九项相加而成星上请求帧发送时间Tffl^星 地链路传输时间Tsn、地面天线捕获时间Taai、地面伪随机序列捕获时间TAm、地面回复帧发 送时间Tksp、地星链路传输时间Tst2、星上天线捕获时间Taa2、星上伪随机序列捕获时间Tacs和 星上确认帧发送时间Tack Tle — Tcall+Tst1+Taa1+Tacd+Tesp+TST2+TAA2+Tacs+Tack (1)由于星到地和地到星的传输距离相等，星地链路传输时间Tsn和地星链路传输时 间Tst2近似相等，地面天线捕获时间Taai和星上天线捕获时间Taa2近似相等；单次请求的链路建立概率1^由以下四项相乘地面天线捕获概率Pad、地面伪随机 序列捕获概率PdD、星上天线捕获概率Pas和星上伪随机序列捕获概率Pds。即Ple = Pad XPdD X Pas X Pds (2)地面天线捕获概率Pad和星上天线捕获概率Pas近似相等。所述的多次请求链路建立模式中链路建立时间和链路建立成功的概率如下设单次请求的链路建立概率为PLE1、PLE2, Ple2...，Tle为基本链路建立时间，即单次请求的链路建立时间；请求一次，链路建立的概率P = Pm，平均建链时间为T = Plei · Tle ；请求二次，链路建立成功的概率P = Plei+(I-Plei) · Ple2,平均链路建立时间为T = PLEI · TLE+(I-PLEI) · PLE2 · 2 · TLE ；请求三次，链路建立成功的概率即P = Plei+(I-Plei) 'Pl^(I-Plei) · (1"PLE2) -Ple3,平均链路建立时间为T = Plei -Tle+(I-Plei) .Ple2 ·2 -Tle+(I-Plei) · (I-Ple2) -Ple3 ·3 .Tl
E ；...请求 M 次，链路建立成功的概率即 P = Plei+(I-Plei) 'Pl^(I-Plei) · (1_PLE2) .Ple3,
平均链路建立时间为
权利要求
1.一种卫星对地链路快速建立方法，其特征在于各通信节点都分为4种状态，扫描状 态、等待回复信号状态、等待确认信号状态和正常通信状态扫描状态，当卫星网络中的节点设备刚启动、节点从中断中恢复或网络重构时，节点首 先进入扫描状态，查询是否有来自于本节点管理系统的“发起链路建立请求”命令，检测是 否有接收到来自于其它节点的“请求链路建立”信息，如查询检测不到任何命令或信息，节 点保持在扫描状态；如果收到来自于本节点管理系统的“发起请求链路建立”命令，节点将 发送“请求链路建立”信息，进入等待回复信号状态；如果检测到来自于其他节点的“请求链 路建立”信息，节点将发送“收到请求链路建立”信息，进入等待确认信号状态；等待回复状态，当节点处于等待确认信号状态时，如果没有收到回复信息并且等待不 超时，或虽然收到回复信息但信息为“继续”，则节点保持现状继续等待；如果没有收到回复 信息并且等待超时，或虽然收到回复信息但信息为“失败”，则返回扫描状态；当收到回复信 号并且信息为“正确”时，建立链路，进入正常通信状态；等待确认状态，当节点处于等待确认状态时，如果没有收到确认信息，则节点保持现状 继续等待；如果没有收到确认信息并且等待超时则返回扫描状态；当收到确认信号时，建 立链路，进入正常通信状态；当节点处于正常通信状态时，如果没有收到其它通信中断命令，则节点一直保持正常 通信状态；如果收到来自于管理系统的通信结束且断开链路命令，或收到链路异常中断命 令，节点将退出正常通信状态，返回到扫描状态。
2.根据权利要求1所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于当节点在以上两个 状态之间进行变化时，表示有节点开始请求建立链路，链路建立模式包括两种类型单次请 求建立链路模式和多次请求链路建立模式。
3.根据权利要求2所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于所述的单次请求链 路建立模式中链路建立时间和链路建立成功的概率如下单次请求的链路建立时间IYe由以下九项相加而成星上请求帧发送时间TCA『星地链 路传输时间Tsn、地面天线捕获时间Taai、地面伪随机序列捕获时间Taqi、地面回复帧发送时 间Tksp、地星链路传输时间Tst2、星上天线捕获时间Taa2、星上伪随机序列捕获时间Tacs和星上 确认帧发送时间Tack Tle — TCall+Tst1+Taa1+Tacd+TESP+TST2+TAA2+Tacs+Tack (1)由于星到地和地到星的传输距离相等，星地链路传输时间Tsn和地星链路传输时间Tst2 近似相等，地面天线捕获时间Taai和星上天线捕获时间Taa2近似相等；单次请求的链路建立概率I\E由以下四项相乘地面天线捕获概率Pad、地面伪随机序列 捕获概率PdD、星上天线捕获概率Pas和星上伪随机序列捕获概率Pds。即Ple = PAD Χ P X AS X ds (2)地面天线捕获概率Pad和星上天线捕获概率Pas近似相等。
4.根据权利要求2所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于所述的多次请求链 路建立模式中链路建立时间和链路建立成功的概率如下设单次请求的链路建立概率为Pm、Pm、Pm. · ·，Tle为基本链路建立时间，即单次请求的链路建立时间；请求一次，链路建立的概率P = P皿，平均建链时间为T = Plei · Tle ；请求二次，链路建立成功的概率P = Plei+(I-Plei) · Ple2,平均链路建立时间为 T = Plei · Tle+(I-Plei) · Ple2 · 2 · Tle ；请求三次，链路建立成功的概率即P = P皿+(I-P皿)· Ple2+(I-Plei) · (I-Ple2) · P腳，平均链路建立时间为 T = Plei -Tle+(I-Plei) -Ple2 ·2 -Tle+(I-Plei) · (I-Ple2) -Ple3^-Tle ；请求M次，链路建立成功的概率即P = P皿+(I-P皿)· Ple2+(I-Plei) · (I-Ple2) · P腳， 平均链路建立时间为 T = Plei -Tle+(I-Plei) -Ple2 ·2 -Tle+(I-Plei) · (I-Ple2) -Ple3 ·3 -Tleo
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于 链路建立所传递的信息数据帧包括三种帧结构请求帧、回复帧和确认帧，帧类型码设计为相互正交，代表不同的帧类型，其中请求帧、回复帧和确认帧的伪随机码序列长度的设 计规则是伪随机码序列的平均捕获时间T^c不高于空地链路信号的传输时间Tst，此时伪随 机码序列的捕获时间可以和传输时间相比较，当捕获时间只占用部分链路建立时间，不再 继续缩短伪随机序列长度。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在 于在通信网络节点间链路建立中，将协议分成三层，管理层、数据链路层和物理层；管理层 完成传输模式选择等功能；数据链路层主要是连接建立和链路质量监测以便保持链路；物 理层包括链路建立信号的射频信号捕获和调制解调。
7.根据权利要求6所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于所述管理层起管理 者的作用，它对用户进行身份认证，根据用户安全级和优先级的不同对选择是否建链、建立 哪一条链路、选择哪种传输模式等做出正确的判断；同时管理层根据数据链路层传来的信 息决定是否需要再次请求建链、是否发送回复或确认信号、是否终止通信；在用户主动请求建立链路时，根据链路选择策略选定链路，根据用户的安全级和优先 级级别，且系统内部的资源足够，则发出链路建立请求，在被请求建立链路时，根据接收到 的链路建立请、信道估计、请求方状态信息、安全级、优先级，如果系统资源足够，则发出回 复请求。
8.根据权利要求6所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于所述数据链路层根 据管理层的命令，或发送链路建立请求信息、或回复信息、或其它信息，将伪随机码序列、帧 类型码、状态信息按照协议约定封装成帧，传给物理层；同时，数据链路层按照协议约定破 解从物理层接收到的数据信息，识别有无请求信息、回复信息等，解码请求用户或回复用户 的地址和状态信息，将解码结果传递给管理层进行决策。
9.根据权利要求6所述的卫星对地链路快速建立方法，其特征在于所述物理层协议 在发送端，物理层将数据链路层封装好的帧进行信道编码，然后经数字调制、载波调制并发射出去；在接收端，接收装置和天线扫描、检测并捕获请求信号或回复信号，进行解调、 解纠错，得到请求信号或回复信号。
全文摘要
本发明所属技术领域为卫星通信，涉及一种卫星对地链路快速建立方法。本发明针对目前主要采用直接发送数据方式易丢失数据的问题，提出了卫星通信网络中的星地链路的快速建立方法。围绕着该方法，在充分分析了卫星通信的空间环境的基础上，设计了相关的链路建立协议、基本的帧结构、单次/多次请求链路建立模式。最后，通过对星地链路传输时间和捕获时间的分析，对帧结构中伪随机序列最优长度给出了定性分析。通过仿真分析可知，该星地链路的快速建立方法具有广泛的适用性。
文档编号H04B7/185GK102098092SQ20111002706
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者潘成胜, 蔡睿妍, 郭慧, 魏德宾 申请人:大连大学