一种与5G网络融合的卫星移动通信方法技术

本发明专利技术提出了一种与5G网络融合的卫星移动通信方法，其特征在于，其方法步骤如下：对卫星移动通信场景进行建模，对系统组成、网络结构、通信链路、传输体制、工作流程进行量化描述；建立高低频组网；在动态频谱环境下建立星地协同认知无线通信；对移动卫星通信中的多普勒频移进行高动态补偿；在移动卫星通信环境下实现多用户非正交多址接入。本发明专利技术的有益效果如下：使系统有效利用各类频谱资源提升数据传输速率和系统容量；使系统利用空闲非授权频谱，克服频谱短缺问题；优化5G空口波形，使其适应卫星通信场景下的高动态特性；有效提升频谱利用率和系统容量；有效解决卫星移动通信系统拓扑特殊、路由困难、用户业务端到端时延较大的问题。

A Satellite Mobile Communication Method Fused with 5G Network

【技术实现步骤摘要】
一种与5G网络融合的卫星移动通信方法
本专利技术涉及网络和移动通信
，特别是指一种与5G网络融合的卫星移动通信方法。
技术介绍
卫星移动通信是指借鉴地面移动通信的传输技术标准，与陆地蜂窝移动通信充分融合，提供“回程”数据传输或用户直接接入，以实现移动通信对全球的覆盖。如今卫星移动通信的优势得到业界广泛关注，由于地面移动通信系统不能部署到边远地区，而卫星通信本身具有较大的覆盖范围，将5G关键技术应用到卫星通信中，实现与5G融合的卫星移动通信，可以为边远地区提供高速的通信服务。目前，与5G融合的卫星移动通信技术需要考虑以下六个方面问题：(1)频率规划和利用。在5G与卫星融合的网络中，虽可统一规划和复用频率以有效避免因频率冲突带来的“硬干扰”，但毕竟整体频率资源有限，且适用频段(高、中、低)有所差异，仍需要探索在一体网络框架下的频率复用及频率灵活动态分配与控制技术。(2)统一空口设计。5G与卫星融合的网络具有超级异构特性，但用户需要“透明”接入，故要求统一的空口技术和协议设计。对AP(AccessPoint)而言，“统一”的本质是无线技术框架一致；对终端而言，“统一”的本质是应做到一套“基带处理单元+射频处理单元+天线”就能实现自适应接入各种AP。这需要在认知无线电、自适应编码调制、自适应帧结构、高效宽带射频和天线处理等技术上有所突破。(3)干扰管理。融合网络的频率复用和超级异构特性导致实际应用时仍会存在同频或异频干扰。LTE-Advanced曾针对地面异构网的干扰问题提出了干扰协调、干扰抑制、干扰对消等多种干扰处理技术，卫星通信领域也有大量关于解决星地间干扰问题的研究，但在融合的网络中如何应用这些技术进行干扰协调还有待研究。(4)移动性管理。在独立的蜂窝系统或卫星系统中，移动性管理已然重要；在更为复杂的融合中，移动性管理的重要性和复杂性更为凸显。按通信层级，可分为网络级切换(AP或终端改变了其IP地址)和链路级切换(通信双方的链路发生变化)；链路级切换按范围由大到小又可分为卫星间切换、同卫星之卫星小区间切换、地面小区和卫星小区间切换、地面小区间切换。在复杂传输环境下的切换对现有的切换技术提出了挑战。(5)接入/控制/转发分离。5G网络为满足其标志能力指标，提出了将接入、控制和转发三个功能平面分离设计的思想，能实现快速灵活的整体无线接入和更高的无线资源利用率，实现集中的控制功能和简化的控制流程，实现数据转发效率和灵活性的极大提升。卫星通信系统目前还是一个紧耦合的系统，其特殊的传输特性，特别是长时延特性，对于各层面功能的分离提出了更高的要求，如何实现还需要进一步研究。(6)SDN(SoftwareDefinedNetwork)/NFV(NetworkFunctionVirtualization)扩展。5G网络较之前蜂窝系统的一大革命是引入了源于有线网络的SDN/NFV思想。NFV技术将软硬件分离(网元功能与物理实体解耦)，使网元功能按需分配和动态伸缩，以达到最优资源利用；SDN技术将控制功能和转发功能分离，有利于通过控制平面从全局感知和调度网络资源。但SDN/NFV在卫星通信中的应用还面临传输环境复杂的实际挑战，它能否在未来的卫星网络中发挥作用，还有待进一步研究。基于以上问题的存在，限制了卫星通信技术的发展，这也导致与5G网络融合的卫星移动通信技术一直未能实现。
技术实现思路
本专利技术提出一种与5G网络融合的卫星移动通信方法，解决了现有技术中无法实现5G网络与卫星移动通信技术相融合的问题。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种与5G网络融合的卫星移动通信方法，其方法步骤如下：(1)对卫星移动通信场景进行建模，对系统组成、网络结构、通信链路、传输体制、工作流程进行量化描述；(2)建立高低频组网，具体方法如下：A、搭建高低频组网架构，通过构建控制平面和用户平面分离的组网架构，使卫星资源得到集中控制，实现波束之间的迅速切换；B、汇聚多种传输协议，通过将PDCP层作为聚合层，同时满足高频和低频通信协议栈的需求；C、建立与低频通信子系统和高频子系统的双连接，通过将低频子系统作为高频子系统的调度中心，在高频通信质量下降的情况下，实现低频子系统向高频子系统发送指示信令；(3)在动态频谱环境下建立星地协同认知无线通信，具体方法如下：A、感知频谱数据，依据宽带能量检测算法，对来自多波束天线载荷的信号进行FFT变换，并进行噪声干扰估计，设置适当的判决门限，实现对宽带频谱的频谱感知；B、基于干扰协调，依据已有频率图谱、即时感知结果、当前通信状况、通信业务的SINR要求因素，进行频率选择，减少跳变次数，实现信道容量最大化；(4)对移动卫星通信中的多普勒频移进行高动态补偿，具体方法如下：A、估算多普勒频移，利用几何学方法，通过对多普勒频移的规律进行分析，实现卫星与移动终端间的最大多普勒值估算；B、对多普勒频移进行补偿，通过使用DDS+PLL方法，将中频信号与本振进行混频，实现实时高精度频移补偿；C、设计多普勒频移补偿模块，通过设计下行链路补偿模块，实现多普勒频移的消除；通过设计上行链路预校正模块，保证通信链路正常工作；通过多普勒频移估算模块，给预校正和补偿模块提供相应数据；(5)在移动卫星通信环境下实现多用户非正交多址接入，具体方法如下：A、通过非正交随机接入方式和共享接入信道资源，实现大连接场景下混合多址随机接入；B、消除下行串行干扰，通过采用排序的干扰消除检测算法，对用户数据进行逐个检测，并反复迭代，直至消除所有用户的多址干扰；C、对上行多用户实现非正交共享接入，结合改进干扰消除的方案，实现高负载；D、在物理层引入冗余传输，通过降低白噪影响，保障极端环境下的SNR达到最低解调要求；(6)在建立SDN和NFV卫星网络架构的基础上，实现分段路由技术，具体方法如下：A、建立基于SDN的卫星网络架构，结合SDN思想，降低卫星网络信令开销，减轻网络负载；B、建立基于NFV的核心网网络架构，通过5GC内部实例化专有的VNF，实现加速整个链路的建立与传输、维护卫星系统终端的移动性；C、实现分段路由，针对卫星高速移动的特性，通过实验仿真方法筛选成熟的路由算法，并结合卫星运控信息进行改进，实现基于SDN的分段路由。本专利技术的有益效果为：高低频组网技术，通过结合低频段连接的鲁棒性与毫米波系统的大容量特性，提高移动卫星对海量物联网设备的接入能力，能够使卫星通信系统有效利用各类频谱资源来提升数据传输速率和系统容量；动态频谱环境下星地协同的认知通信技术，能够使卫星移动通信系统能够利用空闲的非授权频谱，克服频谱短缺的问题，同时提高干扰协调能力；高动态频移补偿技术，能够优化5G空口波形，使其适应卫星通信场景下的高动态特性；面向卫星通信的非正交多址技术，能够有效提升频谱利用率和系统容量，还能降低用户的接入时延；基于SDN的转发交换技术能够通过转发与控制分离的方式，有效解决卫星移动通信系统拓扑特殊、路由困难、用户业务端到端时延较大的问题。本专利技术成果能够服务于卫星运营商、卫星研制企业、政府、地面网络运营商等卫星通信产业链的各环节单位和最终用户。本专利技术成果涵盖通信物理层、链路层、网络层和传输层技术，并拟成体系给出系统波形和网络架构方案，结合全要素的仿真平台，可以对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种与5G网络融合的卫星移动通信方法，其特征在于，其方法步骤如下：(1)对卫星移动通信场景进行建模，对系统组成、网络结构、通信链路、传输体制、工作流程进行量化描述；(2)建立高低频组网，具体方法如下：A、搭建高低频组网架构，通过构建控制平面和用户平面分离的组网架构，使卫星资源得到集中控制，实现波束之间的迅速切换；B、汇聚多种传输协议，通过将PDCP层作为聚合层，同时满足高频和低频通信协议栈的需求；C、建立与低频通信子系统和高频子系统的双连接，通过将低频子系统作为高频子系统的调度中心，在高频通信质量下降的情况下，实现低频子系统向高频子系统发送指示信令；(3)在动态频谱环境下建立星地协同认知无线通信，具体方法如下：A、感知频谱数据，依据宽带能量检测算法，对来自多波束天线载荷的信号进行FFT变换，并进行噪声干扰估计，设置适当的判决门限，实现对宽带频谱的频谱感知；B、基于干扰协调，依据已有频率图谱、即时感知结果、当前通信状况、通信业务的SINR要求因素，进行频率选择，减少跳变次数，实现信道容量最大化；(4)对移动卫星通信中的多普勒频移进行高动态补偿，具体方法如下：A、估算多普勒频移，利用几何学方法，通过对多普勒频移的规律进行分析，实现卫星与移动终端间的最大多普勒值估算；B、对多普勒频移进行补偿，通过使用DDS+PLL方法，将中频信号与本振进行混频，实现实时高精度频移补偿；C、设计多普勒频移补偿模块，通过设计下行链路补偿模块，实现多普勒频移的消除；通过设计上行链路预校正模块，保证通信链路正常工作；通过多普勒频移估算模块，给预校正和补偿模块提供相应数据；(5)在移动卫星通信环境下实现多用户非正交多址接入，具体方法如下：A、通过非正交随机接入方式和共享接入信道资源，实现大连接场景下混合多址随机接入；B、消除下行串行干扰，通过采用排序的干扰消除检测算法，对用户数据进行逐个检测，并反复迭代，直至消除所有用户的多址干扰；C、对上行多用户实现非正交共享接入，结合改进干扰消除的方案，实现高负载；D、在物理层引入冗余传输，通过降低白噪影响，保障极端环境下的SNR达到最低解调要求；(6)在建立SDN和NFV卫星网络架构的基础上，实现分段路由技术，具体方法如下：A、建立基于SDN的卫星网络架构，结合SDN思想，降低卫星网络信令开销，减轻网络负载；B、建立基于NFV的核心网网络架构，通过5GC内部实例化专有的VNF，实现加速整个链路的建立与传输、维护卫星系统终端的移动性；C、实现分段路由，针对卫星高速移动的特性，通过实验仿真方法筛选成熟的路由算法，并结合卫星运控信息进行改进，实现基于SDN的分段路由。...

【技术特征摘要】
1.一种与5G网络融合的卫星移动通信方法，其特征在于，其方法步骤如下：(1)对卫星移动通信场景进行建模，对系统组成、网络结构、通信链路、传输体制、工作流程进行量化描述；(2)建立高低频组网，具体方法如下：A、搭建高低频组网架构，通过构建控制平面和用户平面分离的组网架构，使卫星资源得到集中控制，实现波束之间的迅速切换；B、汇聚多种传输协议，通过将PDCP层作为聚合层，同时满足高频和低频通信协议栈的需求；C、建立与低频通信子系统和高频子系统的双连接，通过将低频子系统作为高频子系统的调度中心，在高频通信质量下降的情况下，实现低频子系统向高频子系统发送指示信令；(3)在动态频谱环境下建立星地协同认知无线通信，具体方法如下：A、感知频谱数据，依据宽带能量检测算法，对来自多波束天线载荷的信号进行FFT变换，并进行噪声干扰估计，设置适当的判决门限，实现对宽带频谱的频谱感知；B、基于干扰协调，依据已有频率图谱、即时感知结果、当前通信状况、通信业务的SINR要求因素，进行频率选择，减少跳变次数，实现信道容量最大化；(4)对移动卫星通信中的多普勒频移进行高动态补偿，具体方法如下：A、估算多普勒频移，利用几何学方法，通过对多普勒频移的规律进行分析，实现卫星与移动终端间的最大多普勒值估算；B、对多普勒频移进行补偿...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨冬梅，杜凯，周成成，
申请(专利权)人：世讯卫星技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11