CN104219718B - 一种卫星通信系统内的切换方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了卫星通信系统内的切换方法和装置。方法包括步骤：S10，地面站监测移动终端位置信息；S20，当移动终端位置到达设定区域时，通知移动终端监测当前小区和至少一个相邻小区的信号水平；S30，移动终端将监测到各小区的信号水平信息发送到地面站；S40，地面站根据移动终端位置信息和各小区信号水平信息做出移动终端和小区的切换决策。装置包括：位置监测模块、信号水平监测模块以及切换模块。本发明通过采用基于位置信息以及信号水平的方法，进行卫星网络切换，使得切换的准确度大大提高，降低切换延时，而且整个切换过程系统开销较小，从而有效提高切换效率。本发明可广泛应用于各种卫星通信系统。

Description

一种卫星通信系统内的切换方法和装置

技术领域

本发明涉及卫星通信系统，尤其涉及一种卫星通信内的切换方法，本发明还涉及一种卫星通信系统内的切换装置。

背景技术

小区：卫星的一个波束覆盖区。

SACCH：Slow Associated Control Channel ，慢速随路控制信道，属于上行和下行信道，采用点对点的方式传播。

CCS：Common Channel Signaling，公共信道信令，以时分方式在一条高速数据链路上传送一群话路的信令方式。

TCH：Traffic Channel，业务信道，传输话音和数据。

滑动窗口：sliding window，为滤波器窗口，起到对测量信息的合理抽样的作用。

卫星通信有着覆盖范围广、受地域条件限制少等优点，卫星网络已成为目前一种非常重要的通信手段，受到国内外的广泛关注。由于卫星和移动终端的移动过程，卫星和移动终端之间的相对位置在发生变化，且每一颗卫星的覆盖范围是有限的，这就造成终端与小区切换问题。

目前的卫星通信系统内的切换方法主要是包括以下几种：

方法1：同一卫星下的两个小区间的切换，卫星接入点向卫星终端发起切换命令并等待设定时长后，在接收到卫星终端返回的切换完成消息之前，即可判定卫星终端已与目标小区完成同步，并开始调度卫星终端进行数据传输，该方法缩短卫星通信系统内的传输时延，保证了卫星终端的业务性能，以及卫星通信系统的整体性能。但是该方法存在切换不准确问题，从而导致通话中断或者影响切换质量。

方法2提出一种基于主动邻居选择的卫星网络切换备份方法，该方法在当前服务卫星监测到移动终端可能要发生越区切换时，通知其所有邻居卫星监测移动终端的功率值，等待一段时间后所有邻居卫星再次对移动终端的功率值进行监测，将当前服务卫星的每个邻居卫星两次监测的结果相减后得到一个功率差值集合，随后将该功率差值几个中值大于预定阈值的卫星作为候选卫星，并将移动终端的某些重要信息提前备份到候选卫星上，因此在移动终端真正发生越区时，利用备份的信息可以及时将移动终端与提供服务的卫星建立连接，降低越区切换过程中通信中断的概率，保障用户的通信质量。但是该方法需要在邻居卫星和当前卫星之间进行多次通信，具有产生的开销较大，切换时间长等问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种有效提高卫星通信系统内切换效率并且系统开销小的切换方法。

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种有效提高卫星通信系统内切换效率并且系统开销小的切换装置。

本发明所采用的技术方案是：

一种卫星通信系统内的切换方法，其包括步骤：

S10，地面站监测移动终端位置信息；

S20，当移动终端位置到达设定区域时，通知移动终端监测当前小区和至少一个相邻小区的信号水平；

S30，移动终端将监测到各小区的信号水平信息发送到地面站；

S40，地面站根据移动终端位置信息和各小区信号水平信息做出移动终端和小区的切换决策。

优选的，所述步骤S40包括子步骤：

S41，地面站监测移动终端位置信息是否到达最佳切换区域B _x 和各小区信号水平信息；

S42，移动终端位置信息进入最佳切换区域时，选择信号水平最高的小区作为切换目标小区。

优选的，步骤S42所述最佳切换区域B _x 为,其中，L_max为当前小区中心到相邻小区中心的距离，L_max/2为当前小区中心到相邻小区中心的中点位置，为设定的偏差值。

优选的，所述步骤S20包括子步骤：

S21，当地面站监测到移动终端位置到达设定区域时，地面站通过SACCH信道通知移动终端监测当前小区和至少一个相邻小区的信号水平；

S22，移动终端通过CCS信道监测当前小区和至少一个相邻小区的信号水平。

优选的，所述步骤S30具体为：移动终端将监测到各小区的信号水平信息通过SACCH信道周期性地发送到地面站。

优选的，所述步骤S30包括子步骤：

S31，移动终端通过滑动窗口对各小区的信号水平信息进行测量抽样；

S32，移动终端将监测到各小区的信号水平信息通过SACCH信道周期性地发送到地面站。

优选的，所述步骤S10包括子步骤：

S11，在卫星通信系统所处的空间中建立坐标系；

S12，获取卫星在坐标系中的卫星位置S；

S13，获取从卫星到移动终端的多普勒频移f_d1以及时延t_d，获取卫星在卫星运动方向上的多普勒频移f_d；

S14，根据S、f_d1、t_d、f_d和移动终端位置P之间的关系，计算出移动终端位置P；

所述步骤S12和S13无先后顺序。

优选的，其特征在于，其还包括步骤：

S50，在目标小区分配一个新的TCH信道，地面站通过SACCH信道指示移动终端切换到新的TCH信道上；

S60，移动终端切换到新的TCH信道，并通过SACCH信道告知LES成功接收新的TCH信道上的切换命令；

S70，地面站通过SACCH信道接收到确认信息，并释放旧的TCH信道。

一种卫星通信系统内的切换装置，其包括：

位置监测模块，设置在地面站上，用于监测移动终端的位置信息；

信号水平监测模块，用于根据地面站的命令监测当前小区和至少一个相邻小区的信号水平；

切换模块，用于接收位置监测模块的移动终端位置信息和信号水平监测模块的各小区信号水平信息，并根据这些信息做出移动终端和小区的切换决策。

优选的，所述切换模块包括：

位置判断子模块，用于判断移动终端位置信息是否进入最佳切换区域；和

目标小区选择子模块，用于当移动终端位置信息进入最佳切换区域时，比较各小区信号水平并选择信号水平最高小区作为切换目标小区。

本发明的有益效果是：

本发明一种卫星通信系统内的切换方法通过采用基于位置信息以及信号水平的方法，进行卫星网络切换，使得切换的准确度大大提高，降低切换延时，而且整个切换过程系统开销较小，从而有效提高切换效率。

本发明一种卫星通信系统内的切换装置通过采用位置监测模块和信号水平监测模块分别监测移动终端位置信息和各小区信号水平信息，并根据这些信息进行卫星网络切换，使得切换的准确度大大提高，降低切换延时，而且整个切换过程系统开销较小，从而有效提高切换效率。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明移动终端越区切换的系统结构示意图；

图2是本发明系统位置关系的示意图；

图3是本发明一种卫星通信系统内的切换装置一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1和图2所示，一种卫星通信系统内的切换方法，下面详述每一步骤的具体实施过程。

S10，地面站监测移动终端位置信息；其包括子步骤：

S11，在卫星通信系统所处的空间中建立坐标系；

S12，获取卫星在坐标系中的卫星位置S；

S13，获取从卫星到移动终端的多普勒频移f_d1以及时延t_d，获取卫星在卫星运动方向上的多普勒频移f_d；

S14，根据S、f_d1、t_d、f_d和移动终端位置P之间的关系，计算出移动终端位置P；

所述步骤S12和S13无先后顺序。

下面以图2在卫星通信系统中建立三维直角坐标系为例，详述移动终端位置信息的获取方法：

S11，在卫星通信系统所处的空间中建立三维直角坐标系（X，Y，Z）。三维直角坐标系的中心为地球中心O，（Y，Z）平面为卫星移动轨道平面，即卫星在X轴方向的分量为0。其中，移动终端位于坐标系中的P（x_p,y_p,z_p）处，卫星位于点S（x_s,y_s,z_s）处，卫星移动速度为v。SP为卫星位置S与移动终端位置P的连线，SO为卫星位置与原点的连线，SO的值为常数值（R+H），其中R为地球半径，H为卫星离地面的高度。C为从S沿卫星移动方向延长R+H距离的点，SC为卫星位置S与点C之间的连线，θ为卫星移动方向与SP之间的夹角，γ为卫星位置与原点的连线SO与Z轴之间的夹角，。

S12，获取卫星在坐标系中的卫星位置S；

S13，获取从卫星到移动终端的多普勒频移f_d1以及时延t_d，获取卫星在卫星运动方向上的多普勒频移f_d；

S14，根据S、f_d1、t_d、f_d和移动终端位置P之间的关系，计算出移动终端位置P；所述步骤S12和S13无先后顺序。即可先获取卫星位置S，也可先获取其他数值。

步骤S11所述坐标系为以地球中心为原点O的三维直角坐标系，步骤S12中卫星位置S的坐标为（x_s,y_s,z_s）,步骤S5中终端位置P的坐标为（x_p,y_p,z_p）。所述卫星位置S位于坐标系Y轴和Z轴组成的YZ平面上，所述步骤S12包括子步骤：

获取卫星位置与原点的连线SO与Z轴之间的夹角γ，卫星离地面高度H，地球半径R；可通过卫星地面站得到γ的值。

根据关系式

计算得出卫星位置S（x_s,y_s,z_s）。

所述步骤S40包括子步骤：

根据第一关系式：

，

计算得出卫星移动方向与SP之间的夹角θ，其中，SP为卫星位置S与移动终端位置P的连线；其中f_d1、t_d、f_d的值可以通过卫星地面站测量得到。

根据角度θ与点S、P、C之间的关系可以得到第二关系式：

其中,C为从S沿卫星移动方向延长R+H距离的点，其位置（x_c,y_c,z_c）满足关系式：

SC为卫星位置S与点C之间的连线，

为SP在X轴方向上的分量，满足第三关系式：

为SC在x轴方向的分量，满足第四关系式：

为SP在Y轴方向上的分量，满足第五关系式：

为SC在Y轴方向的分量，满足第六关系式：

为SP在Z轴方向上的分量，满足第七关系式：

为SC在Z轴方向的分量，满足第八关系式：

；

根据移动终端到卫星的时延t_d与距离的关系得到第九关系式：

其中，c为光速；

根据移动终端在地面上，得到第十关系式：

；

根据第一至第十关系式计算得到终端位置P（x_p,y_p,z_p）。

其中，在卫星位置S（x_s,y_s,z_s），θ，C（x_c,y_c,z_c）的数值已知或已求得的情况下，可将第三至第八关系式代入第二关系式后与第九关系式、第十关系式三个关系式可求得三个未知变量x_p、y_p、z_p，从而获得移动终端位置P（x_p,y_p,z_p）。

上述步骤S10的实施例通过利用卫星系统中已知的位置和信息以及这些位置和信息之间的关系，从而实现了对移动终端的位置信息进行精确定位，而无需在移动终端内设置定位装置，节省了成本，更能满足实时性要求高、不能被测移动终端感知到的应用环境。

步骤S20，当移动终端位置到达设定区域时，通知移动终端监测当前小区和至少一个相邻小区的信号水平；其中，设定区域可以根据各卫星波束覆盖区域不同的情况设定，一般为以两个小区的交叉区域的中心点为中心的附近区域。步骤S20还包括子步骤：

S21，当地面站监测到移动终端位置到达设定区域时，地面站通过SACCH信道通知移动终端监测当前小区和至少一个相邻小区的信号水平；

S22，移动终端通过CCS信道监测当前小区和至少一个相邻小区的信号水平。

步骤S30，移动终端将监测到各小区的信号水平信息发送到地面站；具体为：移动终端将监测到各小区的信号水平信息通过SACCH信道周期性地发送到地面站。其包括子步骤：

S31，移动终端通过滑动窗口对各小区的信号水平信息进行测量抽样；滑动窗口被应用来测量抽样，来减少多径效应对信号水平的影响。平均抽样的数量被选择为10，这样窗口长度远远低于小区切换时间。

S32，移动终端将监测到各小区的信号水平信息通过SACCH信道周期性地发送到地面站。

步骤S40，地面站根据移动终端位置信息和各小区信号水平信息做出移动终端和小区的切换决策。其包括子步骤：

S41，地面站监测移动终端位置信息是否到达最佳切换区域B _x 和各小区信号水平信息；

S42，移动终端位置信息进入最佳切换区域时，选择信号水平最高的小区作为切换目标小区。

步骤S42所述最佳切换区域B _x 可以根据需要具体设定，该实施例中，B _x 设定为,其中，L_max为当前小区中心到相邻小区中心的距离，L_max/2为当前小区中心到相邻小区中心的中点位置，为设定的偏差值，这里的值为。若终端位置位于B _x 区域时，其信号水平差值应该满足以下条件：

其中，为当前小区与目标小区信号之间的差值，为最佳切换区域B _x 内当前小区与目标小区信号之间最大信号差值。

地面站根据接收到的各小区的信号水平信息生成“可选目标小区列表”，“可选目标小区列表” 包括以下信息：当前服务小区的平均接收信号水平、周围小区的接收信号水平、功率预算等。并且可选小区列表中的小区按照接收到的周围小区的信号水平降序排列。地面站通过比较可选小区列表中不同的小区接收到的信号水平以及移动终端位置信息，从可选列表中选择其中信号水平最高的一个小区作为切换的目标小区。

选定目标小区之后，具体的切换过程包括步骤：

S50，在目标小区分配一个新的TCH信道，地面站通过SACCH信道指示移动终端切换到新的TCH信道上；

S60，移动终端切换到新的TCH信道，并通过SACCH信道告知LES成功接收新的TCH信道上的切换命令；

S70，地面站通过SACCH信道接收到确认信息，并释放旧的TCH信道。

一种卫星通信系统内的切换装置，其结构如图3所示，其原理和功能对应于一种卫星通信系统内的切换方法，在此不做累述。

本发明通过采用基于位置信息以及信号水平的方法，进行卫星网络切换，使得切换的准确度大大提高，降低切换延时，而且整个切换过程系统开销较小，从而有效提高切换效率。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种卫星通信系统内的切换方法，其特征在于,其包括步骤：

S10，地面站监测移动终端位置信息；

S20，当移动终端位置到达设定区域时，通知移动终端监测当前小区和至少一个相邻小区的信号水平；

S30，移动终端将监测到各小区的信号水平信息发送到地面站；

S40，地面站根据移动终端位置信息和各小区信号水平信息做出移动终端和小区的切换决策；

所述步骤S40包括子步骤：

S41，地面站监测移动终端位置信息是否到达最佳切换区域B_x和各小区信号水平信息；

S42，移动终端位置信息进入最佳切换区域时，选择信号水平最高的小区作为切换目标小区；

步骤S42所述最佳切换区域B_x为[L_max/2-Δx,L_max/2+Δx],其中，L_max为当前小区中心到相邻小区中心的距离，L_max/2为当前小区中心到相邻小区中心的中点位置，Δx为设定的偏差值；

所述步骤S10包括子步骤：

S11，在卫星通信系统所处的空间中建立坐标系；

S12，获取卫星在坐标系中的卫星位置S；

S13，获取从卫星到移动终端的多普勒频移f_d1以及时延t_d，获取卫星在卫星运动方向上的多普勒频移f_d；

S14，根据S、f_d1、t_d、f_d和移动终端位置P之间的关系，计算出移动终端位置P；

所述步骤S12和S13无先后顺序。

2.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统内的切换方法，其特征在于，所述步骤S20包括子步骤：

S21，当地面站监测到移动终端位置到达设定区域时，地面站通过SACCH信道通知移动终端监测当前小区和至少一个相邻小区的信号水平；

S22，移动终端通过CCS信道监测当前小区和至少一个相邻小区的信号水平。

3.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统内的切换方法，其特征在于，所述步骤S30具体为：移动终端将监测到各小区的信号水平信息通过SACCH信道周期性地发送到地面站。

4.根据权利要求3所述的一种卫星通信系统内的切换方法，其特征在于，所述步骤S30包括子步骤：

S31，移动终端通过滑动窗口对各小区的信号水平信息进行测量抽样；

S32，移动终端将监测到各小区的信号水平信息通过SACCH信道周期性地发送到地面站。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种卫星通信系统内的切换方法，其特征在于，其还包括步骤：

S50，在目标小区分配一个新的TCH信道，地面站通过SACCH信道指示移动终端切换到新的TCH信道上；

S60，移动终端切换到新的TCH信道，并通过SACCH信道告知LES成功接收新的TCH信道上的切换命令；

S70，地面站通过SACCH信道接收到确认信息，并释放旧的TCH信道。