一种多波束时分接入信号的智能认知联合捕获方法与系统

1.本技术涉及卫星通信技术领域，特别是涉及一种多波束时分接入信号的智能认知联合捕获方法与系统。


背景技术：

2.卫星通信系统主要由空间段、地面控制中心和用户段组成，空间段由包含若干颗卫星的卫星星座组成，这些卫星(出站转发器、入站转发器)转发由地面中心站发出的出站信号和用户设备发出的入站信号，具备一定的抗干扰能力。地面控制中心完成用户信号收发测量和信息收发处理，并对整个系统的运行进行管理控制。用户段是指带有卫星消息收发功能的用户设备终端，接收来自地面控制中心的数据业务以及控制消息，以随机接入的方式发送入站消息，实现定位、定时、短报文通信等功能。卫星通信系统有多颗geo(静止地球轨道卫星)，meo(中轨道卫星)，leo(低轨道卫星)组成，每颗卫星有多个入站波束覆盖地面，一般情况下同一颗卫星的不同波束之间会有部分重叠，不同卫星的不同波束之间也会重叠，即在重叠区域用户机发送的入站信号会被多颗卫星和/或多个波束接收到，并透明转发或再生式转发到地面控制中心，由地面控制中心的多个分布式天线接收到。
3.目前典型的卫星通信系统系统对入站信号的捕获处理方法为：1）用户设备根据自身业务需求，以随机接入的方式发送入站信号到高/中/低轨卫星，因此入站信号具有随机性和短突发的特点；2）地面控制中心接收卫星透明转发或再生式转发的入站信号：每幅分布式天线后针对每个入站波束有独立的射频接收链路，将射频模拟信号变为数字基带信号，然后按协议完成ip数据包组帧，并打上该波束对应的vlan标签，发送到交换机，交换机按照vlan标签，将各个波束的ip数据包转发给对应的信号捕获单元，每个信号捕获单元处理1个波束的ip数据包。3）信号捕获单元提取ip数据包的采样数据段，然后按接收ip数据包的先后顺序对各采样数据段进行拼接，恢复成采样数据流的形式。然后对采样数据流作相关运算，所述相关运算是指用某个用户的本地扩频码与采样数据流按位作同或运算后，将每位的运算结果相加得到相关峰值的过程，若相关峰值大于或等于预设的阈值时，就判定为捕获到该用户入站信号的同步头或前导码(preamble)，并将此次相关运算的起始位作为该用户同步头或前导码(preamble)起始位。每次相关运算以采样数据段中的一个采样点为起始点，完成后移动到下一个采样点作为运算起始点，依次类推，信号捕获单元需要遍历ip数据包采样数据段内的所有采样点来获得某一用户的前导码。4）当各个用户的同步头或前导码都不一样时，信号捕获单元需要对每个不同的前导码重复步骤3），直到完成所有用户的捕获。
4.由此可见，目前卫星通信系统中，入站信号捕获的运算量很大，需要消耗大量计算资源，因此有必要对此进行改进，降低运算量，从而较少计算开销，提升系统服务容量。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低信号捕获过程中的运算量
的一种多波束时分接入信号的智能认知联合捕获方法与系统。
6.一种多波束时分接入信号的智能认知联合捕获方法，所述方法包括：获取多个单波束入站信号；对单波束入站信号进行预处理，得到标签波束；标签波束表示包含vlan标签的波束；根据标签波束的vlan标签将所有卫星的所有波束的ip数据包转发给每个信号捕获单元；对信号捕获单元的单个处理通道分配特定数目不同前导码的捕获任务，预先设置各前导码的响应出站分帧号，根据响应出站分帧号确定各前导码到达时间段；特定数目为信号捕获单元单个通道最多可处理的前导码数量；根据预先设置的搜索顺序搜索ip数据包中指定的前导码信息，从搜索到的ip数据包中提取采样数据段，按接收ip数据包的先后顺序对各采样数据段进行拼接，得到采样数据流；对不用时刻的采样数据流和不同的本地扩频码进行相关运算，在各前导码到达时间段内利用信号捕获单元调用相应的本地扩频码完成前导码信号捕获。
7.在其中一个实施例中，若采用的是1个前导码分配给1个用户专用的分配方式，信号捕获单元在对同一卫星下一个波束的ip数据包进行捕获时，可以利用上一个波束获知的捕获信息进行前导码信号捕获。
8.在其中一个实施例中，特定数目的计算过程为其中，t
subframe
是出站分帧的持续时间；t
min
是地面控制中心发射询问信号到收到对应的用户设备响应信号所需的空间传播最小传输时延，t
max
是对应的最大双向传输时延。
9.在其中一个实施例中，预先设置的搜索顺序包括第一搜索顺序和第二搜索顺序；第一搜索顺序为vlan标签的处理顺序；第二搜索顺序为搜索用户设备入站波束对应的ip数据包。
10.在其中一个实施例中，若多个用户共用1个前导码，则信号捕获单元采用第一搜索顺序搜索ip数据包中指定的前导码信息；若1个用户专用1个前导码，则信号捕获单元采用第二搜索顺序搜索ip数据包中指定的前导码信息；对于移动用户设备，根据移动用户设备上一次入站波束号以及其入站信号强弱，实时调整本次ip数据包的处理顺序，信号捕获单元优先处理较强信号波束对应的ip数据包。
11.在其中一个实施例中，根据响应出站分帧号确定各前导码到达时间段，包括：
预先设置n个不同前导码的响应出站分帧号为k，则用户响应出站分帧号的时间段为kit
subframe
[t
min
,t
max
]，得到第i个前导码的到达地面控制中心的时间段为kit
subframe
2[t
min
, t
max
]。
[0012]
在其中一个实施例中，对单波束入站信号进行预处理，得到标签波束，包括：对单波束入站信号进行下变频，滤波，采样量化，将射频模拟信号变为数字基带信号，按协议完成ip数据包组帧，并打上所述单波束对应的vlan标签，得到标签波束。
[0013]
一种多波束时分接入信号的智能认知联合捕获系统，所述系统包括：用户设备和地面控制中心，地面控制中心由发射链路和接收链路组成；地面控制中心的发射链路生成出站信号，发送至卫星，再经卫星转发到用户，出站信号在时域上划分为超帧和分帧结构，1个超帧由多个分帧组成，每个分帧的电文中都携带对应的出站分帧号，表明本分帧属于所在超帧的哪一分帧；地面控制中心的接收链路由接收天线，射频采样单元，交换机，信号捕获单元等组成，每个入站波束有独立的射频接收链路，射频采样单元对单波束入站信号进行预处理，得到标签波束，并将标签波束发送到交换机；交换机按照vlan标签，将所有卫星所有波束的ip数据包转发给每个信号捕获单元，对信号捕获单元的单个处理通道分配特定数目不同前导码的捕获任务，每个信号捕获单元分配特定数目个不同的前导码，不同前导码在各自指定时段内到达地面控制中心，信号捕获单元在已知的各前导码到达时间段内完成对相应前导码的捕获；用户设备接收出站信号，使用指定的前导码在指定的出站分帧号对应的出站信号参考时标处发送入站信号。
[0014]
上述一种多波束时分接入信号的智能认知联合捕获方法与系统，本技术通过预先设置各前导码入站的响应出站分帧号，地面控制中心根据响应出站分帧号预测出各前导码信号到达时间段，信号捕获单元在确定的时间段内，在所有卫星所有入站波束中搜索指定的前导码，无需遍历所有采样点，从而大大降低捕获复杂度，降低了运算量，提升地面控制中心接收处理容量。同时为进一步提高捕获速度，针对各不同的前导码，信号捕获单元采用信道感知来实时调整各波束的处理顺序，降低捕获复杂度。在相同的计算资源条件下，系统可以处理更多的不同前导码的入站信号。
附图说明
[0015]
图1为一个实施例中一种多波束时分接入信号的智能认知联合捕获方法的流程示意图；图2为一个实施例中地面控制中心接收链路架构示意图；图3为一个实施例中响应出站分帧号k0的入站信号流时序图；图4为一个实施例中信号捕获单元处理n个前导码的相关运算示意图；图5为一个实施例中一种入站信号数据帧格式。
具体实施方式
[0016]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不
用于限定本技术。
[0017]
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种多波束时分接入信号的智能认知联合捕获方法，包括以下步骤：步骤102，获取多个单波束入站信号；对单波束入站信号进行预处理，得到标签波束；标签波束表示包含vlan标签的波束；根据标签波束的vlan标签将所有卫星的所有波束的ip数据包转发给每个信号捕获单元。
[0018]
如图2所示为地面控制中心接收链路架构示意图，地面控制中心的每个入站波束有独立的接收链路，每条接收链路由接收天线（多条接收链路共用），射频采样单元，交换机（所有接收链路共用），信号捕获单元等组成。射频采样单元完成单个波束入站信号的下变频，滤波，采样量化，将射频模拟信号变为数字基带信号，然后按协议完成ip数据包组帧，并打上该波束对应的vlan标签，发送到高速交换机。高速交换机按照vlan标签，将所有卫星所有波束的ip数据包转发给每个信号捕获单元。每个信号捕获单元分配n个不同的前导码，不同前导码在各自指定时段内到达地面控制中心，信号捕获单元在已知的入站信号到达时间段内完成n个前导码的捕获。
[0019]
与之相比，传统地面控制中心的每个信号捕获单元仅接收需要处理的单个波束的ip数据包，需要在完成所有单个波束的ip数据包处理后才能完成前导码的捕获。
[0020]
步骤104，对信号捕获单元的单个处理通道分配特定数目不同前导码的捕获任务，预先设置各前导码的响应出站分帧号，根据响应出站分帧号确定各前导码到达时间段；特定数目为信号捕获单元单个通道最多可处理的前导码数量。
[0021]
地面控制中心为每个信号捕获单元分配了特定数目n个不同前导码的捕获任务，不同的前导码通过不同的扩频码进行区分，n个前导码的扩频码存储在信号捕获单元内，每个信号捕获单元处理的前导码都不一样，且地面控制中心可以根据实际情况调整每个信号捕获单元要处理的前导码数量，步骤106，根据预先设置的搜索顺序搜索ip数据包中指定的前导码信息，从搜索到的ip数据包中提取采样数据段，按接收ip数据包的先后顺序对各采样数据段进行拼接，得到采样数据流；对不用时刻的采样数据流和不同的本地扩频码进行相关运算，在各前导码到达时间段内利用信号捕获单元调用相应的本地扩频码完成前导码信号捕获。
[0022]
每个信号捕获单元分配特定数目不同的前导码，预先设置各前导码入站的响应出站分帧号，地面控制中心根据响应出站分帧号预测出各前导码信号到达时间段，信号捕获单元在确定的时间段内，在所有卫星所有入站波束中搜索指定的前导码，无需遍历所有采样点，从而大大降低捕获复杂度，降低了运算量，提升地面控制中心接收处理容量。
[0023]
上述一种多波束时分接入信号的智能认知联合捕获方法中，本技术通过预先设置各前导码入站的响应出站分帧号，地面控制中心根据响应出站分帧号预测出各前导码信号到达时间段，信号捕获单元在确定的时间段内，在所有卫星所有入站波束中搜索指定的前导码，无需遍历所有采样点，从而大大降低捕获复杂度，降低了运算量，提升地面控制中心接收处理容量。同时为进一步提高捕获速度，针对各不同的前导码，信号捕获单元采用信道感知来实时调整各波束的处理顺序，降低捕获复杂度。在相同的计算资源条件下，系统可以处理更多的不同前导码的入站信号。
[0024]
在其中一个实施例中，若采用的是1个前导码分配给1个用户专用的分配方式，信
号捕获单元在对同一卫星下一个波束的ip数据包进行捕获时，可以利用上一个波束获知的捕获信息进行前导码信号捕获。
[0025]
在具体实施例中，若1个前导码分配给1个用户专用，那么当信号捕获单元完成对第x颗卫星的第y个波束的ip数据包的数据处理后，得到n个用户的入站时刻t
x,y
={ti}
x,y
={t1,t2,
…
na,
…
tn} x,y
，其中，na表示在所述波束内没有捕获到用户i的前导码。由于用户信号经同一颗卫星的不同波束入站，其双向传输时延一致，因此信号捕获单元在对下一个波束的ip数据包进行捕获时，即第x颗卫星的第(y 1)个波束进行捕获处理时，可以在t
x,y
={ti}
x,y
={t1,t2,
…
na,
…
tn} x,y
时刻附近搜索用户i的前导码，从而进一步压缩搜索范围。对于在第x颗卫星的第y个波束的ip数据包内没有捕获到前导码的用户i，则还是需要在kit
subframe
2[t
min
, t
max
]时间范围内进行搜索。
[0026]
在其中一个实施例中，特定数目的计算过程为其中，t
subframe
是出站分帧的持续时间；t
min
是地面控制中心发射询问信号到收到对应的用户设备响应信号所需的空间传播最小传输时延，t
max
是对应的最大双向传输时延。
[0027]
在具体实施例中，假设出站分帧t
subframe
=0.05s，估算用户设备到地面控制中心的最小双向传播时延t
min
。以geo卫星为例，由于geo卫星处在赤道平面上，高度h为35800公里，地球半径r为6371公里，因此用户设备到geo卫星的最小和最大传播时延分别为：地球半径r为6371公里，因此用户设备到geo卫星的最小和最大传播时延分别为：假设地面控制中心与geo卫星之间传播时延为0.125s，那么最小双向传播时延=2*(0.119 0.125)=0.488s；最大双向传播时延为=2*(0.139 0.125)=0.528s。
[0028]
由此可计算出在其中一个实施例中，预先设置的搜索顺序包括第一搜索顺序和第二搜索顺序；
第一搜索顺序为vlan标签的处理顺序；第二搜索顺序为搜索用户设备入站波束对应的ip数据包。
[0029]
在其中一个实施例中，若多个用户共用1个前导码，则信号捕获单元采用第一搜索顺序搜索ip数据包中指定的前导码信息；若1个用户专用1个前导码，则信号捕获单元采用第二搜索顺序搜索ip数据包中指定的前导码信息；对于移动用户设备，根据移动用户设备上一次入站波束号以及其入站信号强弱，实时调整本次ip数据包的处理顺序，信号捕获单元优先处理较强信号波束对应的ip数据包。
[0030]
在具体实施例中，信号捕获单元采用信道感知来实时调整各波束的处理顺序，降低捕获复杂度。在相同的计算资源条件下，系统可以处理更多的不同前导码的入站信号。
[0031]
在具体实施例中，若多个用户共用1个前导码，那么信号捕获单元可以按照vlan#1～vlan#n的顺序处理。
[0032]
若1个用户专用1个前导码，那么对于位置固定的用户设备，由于其入站波束也是基本固定的，因此可以仅搜索所述用户设备入站波束对应的ip数据包，其他未入站波束对应的ip数据包可以不处理，从而减少运算量。
[0033]
对于移动用户设备，可以根据所述移动用户上一次入站波束号以及其入站信号强弱，实时调整本次ip数据包的处理顺序，信号捕获单元优先处理较强信号波束对应的ip数据包，确保更大概率地快速捕获到前导码，从而进一步压缩搜索其它波束对应的ip数据包的时间。信号捕获单元可以对所有卫星所有波束的ip数据包都进行搜索，也可以当搜索到所述用户从c个波束入站的前导码后就停止对剩余ip数据包的搜索，c的具体数值可以根据实际情况定义，比如，如果需要对移动用户进行双向定位/授时，c可以取≥3；如果无需对移动用户进行双向定位/授时，c可以取1~2。
[0034]
在其中一个实施例中，根据响应出站分帧号确定各前导码到达时间段，包括：预先设置n个不同前导码的响应出站分帧号为k，则用户响应出站分帧号的时间段为kit
subframe
[t
min
,t
max
]，得到第i个前导码的到达地面控制中心的时间段为kit
subframe
2[t
min
, t
max
]。
[0035]
在具体实施例中，1个前导码可以分配给1个用户专用，也可以由d个用户共用，n个不同前导码按照指定的响应出站分帧号k发送入站信号，原则是n个前导码被均匀地分配到不同的响应出站分帧号上，使用相同前导码的d个用户都必须在指定的响应出站分帧号k上发送入站信号。那么地面控制中心接收到的使用第i个前导码的d个用户入站信号时刻在kit
subframe
2[t
min
, t
max
]的时间范围内，针对所述d个用户，信号捕获单元只需完成kit
subframe
2[t
min
, t
max
]时段的捕获即可；如图3所示是本发明实施例提供的响应出站分帧号k0的入站信号流时序图，若出站分帧持续时间t
subframe
≥(t
max-t
min
)，入站信号流时序表如表1所示，规定使用前导码1的用户只能响应出站分帧号1来发送入站信号，使用前导码2的用户只能响应出站分帧号2来发送入站信号，依次类推。地面控制中心收到入站信号的时间为=响应出站分帧号对应时刻 2[t
min
,t
max
]，信号捕获单元在指定的时间段内调用相应的本地扩频码完成信号捕获。
[0036]
表1
若出站分帧持续时间t
subframe
《(t
max-t
min
)，入站信号流时序表如表2所示，其中，假设t
subframe
=0.025s，t
max-t
min
=0.04s，规定使用前导码1的用户只能响应出站分帧号1来发送入站信号，使用前导码2的用户只能响应出站分帧号3来发送入站信号，使用前导码3的用户只能响应出站分帧号5来发送入站信号。那么地面控制中心收到入站信号的时间为=响应出站分帧号对应时刻 2[t
min ,t
max
]，信号捕获单元在指定的时间段内调用相应的本地扩频码完成信号捕获。
[0037]
如图4所示，为信号捕获单元处理n个前导码的相关运算示意图表2
在其中一个实施例中，对单波束入站信号进行预处理，得到标签波束，包括：对单波束入站信号进行下变频，滤波，采样量化，将射频模拟信号变为数字基带信号，按协议完成ip数据包组帧，并打上所述单波束对应的vlan标签，得到标签波束。
[0038]
在一个实施例中，在用户入网注册时，为用户分配相应的前导码，分配后，用户每次入站都需使用分配的前导码发送入站信号，如图5所示本发明实施例提供一种入站信号数据帧格式。
[0039]
前导码分配方法有2种：方法一：为不同用户分配不同的前导码，即一户一码；方法二：前导码数量有限，多个用户共用1个前导码。
[0040]
在一个实施例中，假设卫星数量为q，每个卫星的入站波束数量是l，不同前导码的数量是n
pre
，单个ip数据包内采样点数量为n
sample
，最大双向时延差t
max-t
min
=0.04s，表3给出了本发明实施例捕获方法与原始捕获方法复杂度的比较。由此可见，本发明实施例提供的捕获方法的复杂度是原始捕获方法的1/25。
[0041]
表3f(n
sample
)表示对n
sample
个采样点进行相关运算，每次相关运算以采样数据段中的一个采样点为起始点，完成后移动到下一个采样点作为运算起始点。
[0042]
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这
些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0043]
在一个实施例中，提供了一种多波束时分接入信号的智能认知联合捕获系统，包括：用户设备和地面控制中心，其中：地面控制中心由发射链路和接收链路组成；地面控制中心的发射链路生成出站信号，发送至卫星，再经卫星转发到用户，出站信号在时域上划分为超帧和分帧结构，1个超帧由多个分帧组成，每个分帧的电文中都携带对应的出站分帧号，表明本分帧属于所在超帧的哪一分帧；地面控制中心的接收链路由接收天线，射频采样单元，交换机，信号捕获单元等组成，每个入站波束有独立的射频接收链路，射频采样单元对单波束入站信号进行预处理，得到标签波束，并将标签波束发送到交换机；交换机按照vlan标签，将所有卫星所有波束的ip数据包转发给每个信号捕获单元，对信号捕获单元的单个处理通道分配特定数目不同前导码的捕获任务，每个信号捕获单元分配特定数目个不同的前导码，不同前导码在各自指定时段内到达地面控制中心，信号捕获单元在已知的各前导码到达时间段内完成对相应前导码的捕获；用户设备接收出站信号，使用指定的前导码在指定的出站分帧号对应的出站信号参考时标处发送入站信号。
[0044]
在一个实施例中，地面控制中心的每个信号捕获单元在接收所有卫星和所有波束的ip数据包后ip数据包的处理顺序可以预先指定，也可以根据实际用户入站情况进行实时自动调整，信号捕获单元优先处理用户信号载噪比较好的入站波束。
[0045]
上述一种多波束时分接入信号的智能认知联合捕获系统中，本技术通过预先设置各前导码入站的响应出站分帧号，地面控制中心根据响应出站分帧号预测出各前导码信号到达时间段，信号捕获单元在确定的时间段内，在所有卫星所有入站波束中搜索指定的前导码，无需遍历所有采样点，从而大大降低捕获复杂度，降低了运算量，提升地面控制中心接收处理容量。同时为进一步提高捕获速度，针对各不同的前导码，信号捕获单元采用信道感知来实时调整各波束的处理顺序，降低捕获复杂度。在相同的计算资源条件下，系统可以处理更多的不同前导码的入站信号。
[0046]
关于一种多波束时分接入信号的智能认知联合捕获系统的具体限定可以参见上文中对于一种多波束时分接入信号的智能认知联合捕获方法的限定，在此不再赘述。上述一种多波束时分接入信号的智能认知联合捕获系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0047]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0048]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并
不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。