用信息业务量变化范围中随机数的随机接入卫星通信系统

摘要

在包括中心站和多个远端站的卫星通信系统中，在前向卫星信道的随机确定的时隙上，每个远端站发送包含用户数据的信息包。如果由中心站接收到信息包，中心站就发送业务量数据和确认信号。如果没有确认信号被远端站检测出，远端站就在由业务量数据确定的范围中产生随机数，并且增量一个指示没有返回确认信号次数的计数值。在由该随机数规定的时隙上，重发包含该计数值的信息包。

说明书

本发明总地来说涉及多路随机接入卫星通信系统，该系统中在中心站与多个远端站之间建立卫星信道，更具体地说，本发明涉及用于减小同时发送的信息包之间冲突概率的技术。

公知的时隙式ALOHA系统是用于在总站与多个远端站之间建立通信的时分多址联接卫星通信系统。在时隙式ALOHA系统中，通信信道被分成时隙，在随机接入的时隙上各远端站发送其信息包。这种类型选址的有利特点是当发送率较低时，能够减小发送延迟。然而当发送率较高时，冲突率就增大了，因此导致信道利用率较低，发送延迟较长。为了避免由于较高的发送率导致较差的系统利用率，必须减小重发，避免重发的信息包之间的冲突。一般对重发采用下述方法，即使用随机数规定时间间隔，在试图获得信道接入之前，冲突站必须等待该时间间隔。如果能够产生的随机数数量很小，在两个以上使用相同随机数的远端站之间产生重合的可能性就较高。另外如果重发率较高，从而使冲突率也较高，使用较大范围随机数的远端站要比那些使用较小范围随机数的远端站能够更有效地减小业务拥塞。然而在重发率较低的情况下，在冲突的各站被允许重发信息包之前可能会不必要地等待较长的时间间隔。

因此，本发明的目的提供一种时隙式随机接入卫星通信系统，其中通过使用由中心站收集的信息业务量数据，提高了从该系统远端站到公用卫星信道成功重发的概率。

在本发明的卫星能信系统中，从每个远端站到中心站形成前向卫星信道，并且从中心站到每个远端站形成后向卫星信息。后向卫星信道被分成多个帧，前后卫星信道被分成与后向信道各帧对应的多个帧。前向信道的每个帧被细分成时隙。从每个远端站，在前向卫星信道的一个时隙上随机地发送包含用户数据的信息包。如果中心站接到信息包，就发送业务量数据和确认信号，否则就不发送确认信号。如果没有接收到确认信号，远端站就在由业务量数据确定的范围内产生一个随机数，并且增大指示没有接收到确认信号情况次数的计算值，然后，在由该随机数确定的前向信道的隙上重发包含该计数值的信息包。如果接收到确认信号，该计数值被复位为零。一旦接收到一个信息包，中心站就为该接收的信息包产生一个确认信号，并且导出在预定时间间隔中接收到的信息包总数与包含在这些信息包中的计数值总数之总和，然后从上述和中导出业务量数。在后向信道的一个帧上发送该确认信号、业务量数据和主数据。

因为可能产生随机数的范围是相应于业务量数据而受到控制的，所以在较高业务负荷的情况下，产生的随机数被分布在较宽的范围中，因此不太可能发生冲突，而在较低业务负荷的情况下，产生的随机数被分布在较小的范围中，因此远端站不用经历不必要的长时间等待。

下面将参见附图进一步详细地说明本发明。

图1是卫星通信系统的方框图，图中示出了中心站的详细构成。

图2A是由该系统的每个远端站使用的脉冲串数据结构，图2B是从中心站发送的帧序列。

图3是该卫星通信系统的远端站的方框图。

图4是用于说明该系统操作的时序图。

如图1所示，本发明的卫星通信系统包括总站1、多个远端站2和通卫星3。当向中心站发送用户数据信息包和从中心站接收主数据时，每个远端站都随机地得以接入时隙式卫星信道。

如图2A中所示，从每个远端2到中心站1的前向信道被分成帧，而每个帧又被细分成时隙。在保护时间（GT）之后的一个隙上，每个远端站以脉冲串的形式发送信息包。该信息包包含指示脉冲吕开始的具有唯一码型的唯一字（UW），其后紧跟着一个前置部分，它包括使中心站迅速地恢复载波的一个比特序列和用于同步的时钟定时。设有包标识符（PID）字段，用于指示源远端站的地址，以及用于识别帧及一个时隙和帧数和时隙数，在该帧的这个时隙上从源远端站发送信息包。根据本发明，在地址字段之后设有重复计数字段，用于指示为了得以接入信道进行的重复企图的次数。接着用于发送信延位的用户数据字段，其长度是可以变化的。如果信息位的长长小于用户数据字段的长度，就用虚比特填充用户数据字段。在用户数据字段之后是FCS（帧检验序列）字段和FEC（前向纠错）字段，用于插入由中心站用于执行检错和纠错的冗余位。

如图2B所示，从中心站1到远端站2的后向信道同样被分成帧，每个帧包含标题和在其之后一系列数据信息包。该标题包含帧定时字段，确认字段和业务量数据字段。帧定时字段包含帧定时信号，该信号用于识别帧，并且由每个远端站用作基准时间去确定在一个隙上发送的信息包。确认（ACK）字段包含与中心站已经成功地从远端站接收到其信息包的那些远端站数量相等的确认信号。每个确认信号包含从远端站接收的源远端地址、帧数和隙数。根据本发明，业务量数据指示卫星信道的拥塞级。在规定数据的帧中以下方式从接收的初始信息包和重发信息包的全体导出该业务量数据。帧序列的每个数据信息包包括：开始标记（F）、包含目的地远端站地址的地址字段、主数据、帧检验序列的冗余位和结束标记（F）。

再参见图1，在中心站1中由天线4接收来自远端站2的信号，将下行频率变换成中频，并且加到接收机5上。为了变换成基带频率，用从载波和时钟定时恢复（CCR）电路8提供的本机载波解调该中频信号，并且利用来自CCR电路8的时钟对该解调的信号执行双元判决，以便使其变换成数字信号。接收机5的输出被馈送到检测接收的信息包括端的独特字检测器6，接收的信息包中紧跟着唯一字之后的信息包被送到前置部分检测器7。前置部分检测器7提取包含在信息包前置部分中的比特序列，并且提供给CCR电路8，使其恢复载波和时钟定时脉冲。

前向纠错（FEC）译码器9连接到前置部分检测器7上，用于接收信息包中紧跟前置部分之后的信息包，并且使用插入到信息包FEC字段的冗余位，对该信息包执行纠错。循环冗余校验（CRC）译码器10连接到FEC译码器9的输出端，使用包含在信息包FCS字段中的冗余位对已被纠错的信息进行检错。如果在用户数据中实际上没有错误，CRC译码器10就将该情况传信给包计数器14，指示已经成功地从远端站接收到信息包，同时将已检错的信号加到地址检测顺11上，从已检错信息包的地址字段中提取源远端站的地址，并将其存储在寄存器（R）18中作为确认信号，用于传信已经接收到该信息包，该信息包的余项被加到重复计数检测器12上。由检测器12检测信息包重复计数字段中包含的重复计数值，并且将其存储在移位寄存器（SR）15A中。

包计数器14响应来自帧定时发生器23的帧定时信号而复位，以便清除其存储的在先前帧中的计数，并且开始对来自CRC译码器10的用于当前帧的信号计数，以便指示信息包的成功接收。包计数器14产生指示在一个帧期间成功地接收的信息包数的信号，并且将其提供给移位寄存器15B，在那里存储用于规定数量的帧。移位寄存器15A响应帧定时脉冲，以帧的间隔移位，并且产生在上述规定数量的相继帧期间重发的信息包总数。同样，移位寄存器15B响应由帧定时发生器23提供的移位脉冲，以帧的间隔移位，并且产生在上述规定数量的帧期间接收的初始信息包总数。两个移位寄存器的输出被加到加法器16上，在那里将其加在一起，以便产生在相继的帧期间计数的初始信息包和重发信息包的总数。该总计的数值被馈送到比较器17，用于与表示基准拥塞级的阈值进行比较，以便确定该卫星信道的拥塞级。由比较器17产生指示已确定拥塞级的业务量数据，并且将其提供给多路复用器22。

接收缓冲器13连接到重发计数检测器12上，用于接收包含在信息包数据字段中的用户数据，并且直到由主终端19调用之前，一直在其中保存该用户数据。

对相继接收到的信息包进行相同的处理，以便每个帧期间在寄存器18中，将存储着与成功地接收的信息包数量相等的确认信号。

通过帧定时发生器23述产生指示帧数的信号，并且将其提供给多路复用器22，在那里与来自比较器17的业务量数据和来自寄存器18的确定信号进行多路复用。

通过主终端19产生主数据以及被指定的远端站地址，在暂时存储在发送缓冲器20中之后，将其提供给CRC编码器21，在那里从主数据导出帧检验序列（FCS）。在后向信道的每个帧期间，通过多路复用器22将帧数、一个或多个确认信号和业务量数据组合在一起，以便形成帧标题。帧标题与一系列信息包多路复用，每个信息包都包含由标记发生器（F）24提供的开始标记、目的地地址、主数据、FCS和由标坊发生器24提供的结束标记。FEC编码器25连接到多路复用器22的输出端，用于对帧信号执行纠错编码处理，以便使目的地远端站能够对接收的信号执行纠错。FEC编码器25的输出被耦接到发射机26，以那里使其在中频载波上调制，然后馈送到天线系统4。该中频信号被变换成上行频率，以一系列帧的方式发射到卫星3上，在那里将其变换成下行频率，播发到各远端站2。

参见图3，每个远端站2包括向发送缓冲器31提供用户数据的用户终端30，以便根据该系统的数据构式形成信息包。将重复计数值RC＝0设置在信息包的重复计数字段中。当将用户数据提供给发送缓冲器31时，该缓冲器将数据存在指示加到发送控制器43上，而发送控制器又对发送缓冲器提供定时控制。发送缓冲器31的输出连接到CRC编码器32，在那里从用户数据导出帧检验序列。将用户数据、重复计数和FCS提供到多路复用器33，在那里与由寄存器34提供的唯一字，前置部分和包标识符多路复用。多路复用器33的输出加到FEC编码器35，在那里利用冗余位采用前向纠错码进行编码。在FEC编码器中使用的冗余被位插入信息包的FEC字段。通过发射机36，在中频载波上对FEC编码器35的输出信号进行调制，然后加到天线系统37上，在那里将其变换成用于向卫星3发送的上行频率。

通过天线系统37接收来自卫星3的信号，在那里将其变换成中频。然后接收机38对该中频信号进行解调。并且以基带频率恢复原始的信号。接收机38的输出耦接到FEC译码器39，用于在基带信号上执行纠错。

多路分解器40连接到FEC译码器39的输出端，用于从帧标题中检测帧定时信号、ACK信号和业务量数据，并且从该帧的相应信息包字段中检测信息包数据。将帧定时信号加到帧定时发生器41上，用于产生为了该远端站基准定时的帧定脉冲和帧数。时隙定时发生器42响应帧定时脉冲，较生时隙定时脉冲和时隙数。

在没有来自以下述方式确定重发缓冲器50读定时以可编程序式重发计数器49输出的情况下，如果给出数据存在指示，发送控制器43就响应时隙定时脉冲，将读指令信号加到发送缓冲器31上。如果没有信息包在缓冲器31的发送定时重发。就将存储在其中的数据传送到CRC编码器32。如果发送缓冲器31中的数据存在与由计数器49指示的发送定时冲突，直到重发缓冲器50变成空的之前，禁止发送缓冲器31中的数据发送。响应来自发送控制器43的读指令信号，发送缓冲器31向重发缓冲器50提供发送的用户数据的副份，用于在可能出现冲突的情况下重发该用户数据。重发缓冲器50存储发送信号的副份，将来自发送控制器43的读指令用作写指令信号。设有门电路44，该门电路响应来自发送控制器43的读指令信号，通过或门（OR）52，以便将来自定时发生器41和42的帧数和时隙数存入时隙存储器45和寄存器34的PID字段。采用这种方式，通过存储在寄存器34和时隙存储器45中用于重合检测的帧数和时隙数，识别来自发送缓冲器31的信息包数据。或门52的输出另外还加到定时器55上，该定时器来自帧定时发生器41的帧脉冲进行计数，并且确定确认信号可能到达该远端站的定时。

将包含在接收信号ACK字段中的一个或多个ACK信号从多路分解器40提供给地址检测器46，在那里与该远端站的地址对比，对每个ACK信号的地址进行检验，以便检测重合性。如果检测出带有该远端站地址的ACK信号，地址检测器46就将包含在检的ACK信号中的帧数和时隙数提供给比较器47。比较器47响应定时器55的输出起动，在接收的帧数和时隙数与存储在时隙存储器45的存储单元中与发送的信息包对应的那些数据值进行比较。如果它们相符合，比较器47就识别出发送的信息包已经被中心站正确地接收，该比较器在引线60上产生输出信号，以便将重复计数器51复位为0，并且复位重发缓冲器50，废弃发送的用户数据的副份。通过多路复用器40检测出指定给该远端站的主数据，并且将其提供给CRC译码器53进行检错。在检错处理之后，主数据被暂时存储在接收缓冲器54中，然后再提供给用户终端30。

如果由于冲突已经使发送的信息中断，就不会接收到AC信号，比较器47将输出信号加到引线61上，以便起动变化范围的随机数发生器48，并且复位重发计数器49。随机数发生器48产生一个随要数，随机数能够在由接收的业务量数据规定的范围中产生。产生的随机数作为预置的计数值加到计数器49，使计数器开始对来自时隙定时发生器42的时隙定时脉冲进行计数。当达到预置的计数值时，重发计数器49产生输出信号，该输出信号作为增加指令信号加到重复计数器51上，作为读指令信号加到重发缓冲器50上，并且通过或门52作为选通脉冲加到门电路44上，以便将重以信息包的帧数和时隙数存储在发送存储器45中。因此重复计数值就加1，并且加到重发缓冲器50上，在那里将其插入存储数据的重复计数字段。响应来自计数器49的上述读指令信号，先前用户数据的副份与来自重发缓冲器50的新重复计数值一起被馈送到CRC编码器32，然后再馈送到多路复用器33，在那里与从寄存器34提供的标题数据多路复用，在通过编码器35进行FEC编码处理之后，将其发送到中心站。因此如果通过定时器55没有检测出ACK信号，就在由业务量数据确定的时隙上，向中心站发送除了重复计数值以外其余都相同的先前信息包的副份。

下面将参见图4说明该系统总的工作过程，为了简化起见假设：在下一帧期间接收到ACK信号每个帧包含三个时隙，并且通过在帧1上发送冲突的信息包A1和B1，在帧2上发送冲突的信息包A2和C1，在帧3上发送冲突的信息包A3和C2，远端站A、B和C都试图得以接入卫星信道，因此在信息包A1与B1之间、A2与C1之间以及A3与C2之间发生冲突。另外还假设：在中心站中的加法器16的输出指示在两个相继的帧期间接收的所有信息包的总数，以及由这些信息包的重复计数字段给出的重复计数值。

在帧1期间，远端站A和B分别在该帧的第三时隙上发送其信息包A1和B1，每个信息包都具有重复计数为0。在传播延迟之后，如由画阴影线的矩形70所示，发送的信息包A1和B1在中心站1中冲突，并且导致误。因此在相继的两个帧（即先前的帧和帧1）期间接收的信息包数量为0，所以在中心站1中的加法器16产生我数量为0，作为在这些帧中接收的信息包总数。比较器17将该0计数与阈值进行比较，产生指示拥塞级为0的业务量数据。

在帧2期间，中心站发送指示业务量数据的0级信号。没有为信息包A1和B1发送ACK信号。远端站A和C在该帧的第二隙上发送其信息包A2和C1，每个信息包都具有重复计数为0，导致如由画阴影线的矩形71所示发生冲突。在帧1和2期间接收的信息包数量仍然为0，因此加法器16又产生0计数，并且比较器17产生0级拥塞业务数据。

在帧3期间，中心站发送在帧2期产生的0级业务量数据。没有为信息包A2和C1发送ACK信号。识别出在帧1期间发送的信息包A1和B1没有被中心站接收，在帧3的始端，远端站A和B分别产生随机数RN为0和RN为1，并且在该帧的第一时隙和第二时隙（由随机数0和1规定的）分别发送先前信息包A1和B1的副份，每个信息包都具有重复计数为1。接着远端站A和C在该帧的第三隙上同时发送其信息包A3和C2，导致如由矩形72所示发生冲突。因为在帧2和3期间接收信息包数量为2，并且重复计数的总数为2，所以加法器16产生计数为4，比较器17产生业务量数据，指示该卫星信道的拥塞级已经增大到1级。

在帧4期间，中心站发送在帧3期间产生的1级业务量数据。响应该1级业务量数据，远端站A和C增大其随机数发生器的范围。没有为信息包A3和C2发送ACK信号，但是却为信息包A1和B1的副份发送了ACK信号。识别出在帧2期间发送的信息包A2和C1没有被中心站接收，在帧4的始端，远端站A和V分别产生随机数RN为1和RN为0，并且在该帧的第二时隙和第一时隙分别发送先前信息包A2和C1的副份，每个信息包都具有重复计数为1。因为在帧3和4期间接收的信息包数量为4，并且重复计数的总数为4，所以加法器16产生计数为8，比较器17产生业务量数据，指示该信道的业务量已经增大到1级。

在帧5期间，中心站发送在帧4期间产生的1级业务量数据。为信息包A2和C1的副份发送ACK信号。在帧3期间发送的信息包A3和C2的识别没有被中心站接收，在帧4开始增大的范围中，远端站A和C分别产生随机数RN为3和RN为2，并且在帧6的第一时隙和帧5的第三时隙分别发送先前信息包A3和C2的副份，每个信息包都具有重复计数为1。因为在帧3和4期间接收的信息包数量为4，并且重复计数的总数为3，所以加法器16产生计数为7，比较器17产生业务量数据，指示该信息的业务量仍然处于1拥塞级。