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CN111211829B - 一种低轨卫星星间数据无损切换的方法 - Google Patents

一种低轨卫星星间数据无损切换的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低轨卫星星间数据无损切换的方法，具体包括以下步骤:S1：用户终端根据生成测量报告，发送至网络控制器；S2：网络控制器执行切换判断，如果可以进行切换，进入S3，若不能进行切换则进入S4；S3：判断目标卫星资源是否允许切换，若允许进入S5,若不允许则进入S4；S4：不进行切换；S4′：判断信号停留在原卫星上的用户终端是否有继续切换的需求，如有返回S1，若没有，则结束切换动作；S5：目标卫星为允许的用户终端分配信道资源，并通过服务卫星向终端发送切换请求指令；S6:终端接收切换请求，将切换成功信息发送至目标卫星；S7:网络控制器立即释放暂存数据；S8：切换完成。本发明具有结构简单、入网顺利、损耗小的优点。

Description

一种低轨卫星星间数据无损切换的方法
技术领域
本发明涉及卫星通讯技术领域，尤其涉及一种低轨卫星星间数据无损切换的方法。
背景技术
低轨卫星星座具有信号延迟低、功率强、全球无缝覆盖的特点，随着国内外低轨卫星互联网的热潮，低轨通信卫星得到迅速发展。存在急需解决的问题是由于低轨卫星运动速度快，单星波束数量较多，单星和单波束的过顶时间短，因此用户需要频繁无感切换以保持QOS(服务质量)良好的连续通信。另一方面，由于干扰等因素也会导致发送切换。优异的切换策略和技术，能降低切换时延、切换频率、提高信道利用率等，提升系统服务性能。
全球低轨通信星座在设计上配置了星间链路，支持用户与卫星间、星座卫星间、星座卫星与地面系统间的近实时数据传输，为卫星实时传输切换候选波束列表及相关评估参数提供了网络支撑。运控中心实时计算实时掌控整个星座的运行状态，并将相关参数通过星地链路和星间链路实时同步到网络控制器、卫星和终端，为切换策略的实现提供了信息源。
近年来低轨卫星互联网处在风口浪尖，国内外涌现了一批低轨卫星公司，如OneWeb，SpaceX。低轨卫星通信网具有全球无缝覆盖，时延低等特点，成为时下研究热点。目前世界上具有移动通信功能的多波束低轨卫星主要有铱星二代，而且新型的多波束移动卫星为实现对服务区的无缝覆盖，波束设计得越来越多，也越来越窄。虽然地面移动通信系统已经具有比较成熟的切换管理技术，但在低轨卫星移动通信中，由于星地相对运动大、多星覆盖以及网络拓扑时变等特点，这对星地通信的切换技术提出了更高要求。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本专利申请所要解决的技术问题是：如何提供一种结构简单、入网顺利、损耗小的低轨卫星星间数据无损切换的方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种低轨卫星星间数据无损切换的方法，应用于低轨卫星之间以及中继站与低轨卫星之间，单次传输过程包括发送端和接收端，主要包括以下步骤：
应用于用户终端、卫星以及网络控制器之间，用于实现用户终端与不同卫星之间实现无损线路切换，具体包括以下步骤:
S1：用户终端根据网络提供的测量配置，进行测量，生成测量报告，并通过服务卫星发送至网络控制器；
S2：网络控制器执行切换判断，如果可以进行切换，进入S3，若不能进行切换则进入S4；
S3：判断目标卫星资源是否允许切换，若允许进入S5,若不允许则进入S4；
S4：不进行切换，停留在原卫星；
S4′：判断信号停留在原卫星上的用户终端是否有继续切换的需求，如有返回S1，若没有，则结束切换动作；
S5：目标卫星为允许的用户终端分配信道资源，并通过服务卫星向终端发送切换请求指令，进行信通控制，并立即停止发送下行数据，暂存至服务卫星；
S6:终端接收切换请求，与目标卫星的目标波束进行下行同步，将切换成功信息发送至目标卫星；
S7:目标卫星将切换成功信息发送至网络控制器，网络控制器立即释放暂存数据；
S8：切换完成。
进一步的，生成的测量报告中，包括至少一个可用邻波束和终端的地理信息，其中，若存在多个可用邻波束，以降序排列。
进一步的，进行切换判断时，遵循最少条数路径卫星的策略要求，该策略在实施时，通信双方周期性检测课件卫星中是否存在比当前选择路径条数更少的路径，存在及更换。
进一步的，实现路径跳数最少的过程包括以下步骤:
A1:系统初始化，生成星上路由表，计算出所有卫星对(SSRCi，SDESTj)之间的路由及其跳数Hopij(i＝1～N，j＝1～N，N为卫星总数)，当星座网络的拓扑发生变化时，自动进行路由表的刷新，路由信息的产生与更新都由星上路由器完成；
A2：通信连接的建立，假定当前覆盖原用户终端的卫星有m颗，可记为SSRC1，SSRC2，...，SSRCm，覆盖目的用户终端的卫星有n颗，表示为SDEST1，SDEST2，...，SDESTn，选择两颗卫星组成的卫星对(SSRCi，SDESTj)，i＝1～m，j＝1～n，分别与通信两端相连，建立其通信连接。该卫星对之间的跳数在所有有效卫星对中最少，而其仰角在所有跳数相同的卫星对中最大；
A3：切换与连接保持，在通信过程中，周期性更新覆盖到通信双方的卫星集合，并判断是否需要进行切换，出现以下条件之一时，则按照A2的方法重新选择卫星对，并完成相应的切换：(1)与通信两端相连的卫星中出现低于给定的最小仰角(或信噪比)而不能继续提供服务，(2)有跳数更少的有效连接出现。
进一步的，步骤S6中，终端接收的切换请求信息包括：测量配置、移动控制信元、无线资源配置、NAS层及安全的相关信元。
进一步的，在终端与目标位性切换时，与目标卫星中目标波束的下行同步，并进行无线资源和安全配置，根据移动控制信元中的目标波束id和随机接入参数，向目标波束发起随机接入。
进一步的，网络控制器接收终端随机接入的信息后，通过目标波束向终端发送AGCH指示竞争解决，此时用户平面在有随机接入信道的场景下，在随机接入完成之后立即使用目标波束资源启动数据收发。
有益效果：
(1)本发明的一种低轨卫星星间数据无损切换方案，在网络侧向原卫星发送切换请求信令作为发送的最后一包数据，之后的所有数据存储在网络控制器，在收到配置完成信令后将缓存的数据下发，保证了数据在切换过程中的可靠性；
(2)本发明的一种低轨卫星星间数据无损切换方案，其高层信令交互达到最少，切换阶段只使用两条高层信令完成星间切换过程，最大可能减少时间开销；
(3)本发明的一种低轨卫星星间数据无损切换方案，其低轨卫星模型更简单可靠，本方案的卫星模型只具有物理层协议栈，不具有高层协议，卫星成本更低，卫星可靠性更高；
(4)本发明的一种低轨卫星星间数据无损切换方案中的切换控制及资源控制均在网络控制器端，便于算法策略调整，后期维护，版本升级等；
(5)本发明的一种低轨卫星星间数据无损切换方案中的切换算法使用最小跳数切换策略，相比较最近卫星、最强信号、最长可视距离等算法，最小跳数切换策略能够获得较低的传播延时和较小的切换频率，具有更好的系统性能。
附图说明：
图1为本发明公开的低轨卫星星间数据无损切换的方法的步骤图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1，一种低轨卫星星间数据无损切换的方法，应用于低轨卫星之间以及中继站与低轨卫星之间，单次传输过程包括发送端和接收端，主要包括以下步骤：
应用于用户终端、卫星以及网络控制器之间，用于实现用户终端与不同卫星之间实现无损线路切换，具体包括以下步骤:
S1：用户终端根据网络提供的测量配置，进行测量，生成测量报告，并通过服务卫星发送至网络控制器；
S2：网络控制器执行切换判断，如果可以进行切换，进入S3，若不能进行切换则进入S4；
S3：判断目标卫星资源是否允许切换，若允许进入S5,若不允许则进入S4；
S4：不进行切换，停留在原卫星；
S4′：判断信号停留在原卫星上的用户终端是否有继续切换的需求，如有返回S1，若没有，则结束切换动作；
S5：目标卫星为允许的用户终端分配信道资源，并通过服务卫星向终端发送切换请求指令，进行信通控制，并立即停止发送下行数据，暂存至服务卫星；
S6:终端接收切换请求，与目标卫星的目标波束进行下行同步，将切换成功信息发送至目标卫星；
S7:目标卫星将切换成功信息发送至网络控制器，网络控制器立即释放暂存数据；
S8：切换完成。
进一步的，生成的测量报告中，包括至少一个可用邻波束和终端的地理信息，其中，若存在多个可用邻波束，以降序排列。
进一步的，进行切换判断时，遵循最少条数路径卫星的策略要求，该策略在实施时，通信双方周期性检测课件卫星中是否存在比当前选择路径条数更少的路径，存在及更换。
进一步的，实现路径跳数最少的过程包括以下步骤:
A1:系统初始化，生成星上路由表，计算出所有卫星对(SSRCi，SDESTj)之间的路由及其跳数Hopij(i＝1～N，j＝1～N，N为卫星总数)，当星座网络的拓扑发生变化时，自动进行路由表的刷新，路由信息的产生与更新都由星上路由器完成；
A2：通信连接的建立，假定当前覆盖原用户终端的卫星有m颗，可记为SSRC1，SSRC2，...，SSRCm，覆盖目的用户终端的卫星有n颗，表示为SDEST1，SDEST2，...，SDESTn，选择两颗卫星组成的卫星对(SSRCi，SDESTj)，i＝1～m，j＝1～n，分别与通信两端相连，建立其通信连接。该卫星对之间的跳数在所有有效卫星对中最少，而其仰角在所有跳数相同的卫星对中最大；
A3：切换与连接保持，在通信过程中，周期性更新覆盖到通信双方的卫星集合，并判断是否需要进行切换，出现以下条件之一时，则按照A2的方法重新选择卫星对，并完成相应的切换：(1)与通信两端相连的卫星中出现低于给定的最小仰角(或信噪比)而不能继续提供服务，(2)有跳数更少的有效连接出现。
进一步的，步骤S6中，终端接收的切换请求信息包括：测量配置、移动控制信元、无线资源配置、NAS层及安全的相关信元。
进一步的，在终端与目标位性切换时，与目标卫星中目标波束的下行同步，并进行无线资源和安全配置，根据移动控制信元中的目标波束id和随机接入参数，向目标波束发起随机接入。
进一步的，网络控制器接收终端随机接入的信息后，通过目标波束向终端发送AGCH指示竞争解决，此时用户平面在有随机接入信道的场景下，在随机接入完成之后立即使用目标波束资源启动数据收发。
有益效果：
(1)本发明的一种低轨卫星星间数据无损切换方案，在网络侧向原卫星发送切换请求信令作为发送的最后一包数据，之后的所有数据存储在网络控制器，在收到配置完成信令后将缓存的数据下发，保证了数据在切换过程中的可靠性；
(2)本发明的一种低轨卫星星间数据无损切换方案，其高层信令交互达到最少，切换阶段只使用两条高层信令完成星间切换过程，最大可能减少时间开销；
(3)本发明的一种低轨卫星星间数据无损切换方案，其低轨卫星模型更简单可靠，本方案的卫星模型只具有物理层协议栈，不具有高层协议，卫星成本更低，卫星可靠性更高；
(4)本发明的一种低轨卫星星间数据无损切换方案中的切换控制及资源控制均在网络控制器端，便于算法策略调整，后期维护，版本升级等；
(5)本发明的一种低轨卫星星间数据无损切换方案中的切换算法使用最小跳数切换策略，相比较最近卫星、最强信号、最长可视距离等算法，最小跳数切换策略能够获得较低的传播延时和较小的切换频率，具有更好的系统性能。
本方案中针对低轨卫星运动速度快，单星波束数量较多，单星和单波束的过顶时间短，因此用户需要频繁切换，提出了一种低轨卫星星间数据无损切换方案，首先考虑低轨卫星特性及开销，在低轨卫星模型仅架设物理层协议栈，实现卫星模型最简化；设计端到端通信方式，使用两条高层的信令交互，完成切换，较少信令开销及传输时延；设定信令交互过程中所需携带的关键信元，明确切换中信息格式；并选取合适的切换判决算法，利用最小跳数判决算法，获得较低的传播延时和较小的切换频率，具有更好的系统性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低轨卫星星间数据无损切换的方法，其特征在于：应用于用户终端、卫星以及网络控制器之间，用于实现用户终端与不同卫星之间实现无损线路切换，具体包括以下步骤:
S1：用户终端根据网络提供的测量配置，进行测量，生成测量报告，并通过服务卫星发送至网络控制器；
S2：网络控制器根据所述测量报告执行切换判断，如果可以进行切换，进入S3，若不能进行切换则进入S4；
S3：判断目标卫星资源是否允许切换，若允许进入S5,若不允许则进入S4；
S4：不进行切换，停留在原卫星；
S4´：判断信号停留在原卫星上的用户终端是否有继续切换的需求，如有返回S1，若没有，则结束切换动作；
S5：目标卫星为允许的用户终端分配信道资源，并通过服务卫星向终端发送切换请求指令，进行信道控制，并立即停止发送下行数据，暂存至网络控制器；
S6:终端接收切换请求，与目标卫星的目标波束进行下行同步，将切换成功信息发送至目标卫星；
S7:目标卫星将切换成功信息发送至网络控制器，网络控制器立即释放暂存数据；
S8：切换完成。
2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星星间数据无损切换的方法，其特征在于，步骤S1中，生成的测量报告中，包括至少一个可用邻波束和终端的地理信息，其中，若存在多个可用邻波束，以降序排列。
3.根据权利要求2所述的一种低轨卫星星间数据无损切换的方法，其特征在于，步骤S2中，进行切换判断时，遵循最少跳数路径卫星的策略要求，该策略在实施时，通信双方周期性检测可见卫星中是否存在比当前选择路径跳数更少的路径，存在即更换。
4.根据权利要求3所述的一种低轨卫星星间数据无损切换的方法，其特征在于，实现路径跳数最少的过程包括以下步骤:
A1: 系统初始化，生成星上路由表，计算出所有卫星对
Figure 73556DEST_PATH_IMAGE001
之间的路由及其跳数
Figure 678029DEST_PATH_IMAGE003
，i=2-N，j=1-N，N为卫星总数；当星座网络的拓扑发生变化时，自动进行路由表的刷新，路由信息的产生与更新都由星上路由器完成；
A2：通信连接的建立，假定当前覆盖原用户终端的卫星有m 颗，可记为
Figure 282676DEST_PATH_IMAGE005
，覆盖目的用户终端的卫星有n 颗，表示为
Figure 912557DEST_PATH_IMAGE007
，选择两颗卫星组成的卫星对
Figure 4327DEST_PATH_IMAGE009
，i＝1～m，j＝1～n，分别与通信两端相连，建立其通信连接；该卫星对之间的跳数在所有有效卫星对中最少，而其仰角在所有跳数相同的卫星对中最大；
A3：切换与连接保持，在通信过程中，周期性更新覆盖到通信双方的卫星集合，并判断是否需要进行切换，出现以下条件之一时，则按照A2的方法重新选择卫星对，并完成相应的切换：(1）与通信两端相连的卫星中出现低于给定的最小仰角而不能继续提供服务，(2）有跳数更少的有效连接出现。
5.根据权利要求4所述的一种低轨卫星星间数据无损切换的方法，其特征在于，步骤S6中，终端接收的切换请求信息包括：测量配置、移动控制信元、无线资源配置、NAS层及安全的相关信元。
6.根据权利要求5所述的一种低轨卫星星间数据无损切换的方法，其特征在于，步骤S6中，在终端与目标卫星切换时，与目标卫星中目标波束的下行同步，并进行无线资源和安全配置，根据移动控制信元中的目标波束id和随机接入参数，向目标波束发起随机接入。
7.根据权利要求6所述的一种低轨卫星星间数据无损切换的方法，其特征在于，步骤S7中，网络控制器接收终端随机接入的信息后，通过目标波束向终端发送AGCH信令以用于指示竞争解决碰撞的问题，此时用户平面在有随机接入信道的场景下，在随机接入完成之后立即使用目标波束资源启动数据收发。
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