CN103825647A

CN103825647A - 一种卫星网络越区切换的方法

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Publication number: CN103825647A
Application number: CN201410080567.4A
Authority: CN
Inventors: 廖勇; 周昕; 李瑜锋; 邓国徽; 李华平; 杨力生
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2014-03-06
Publication date: 2014-05-28

Abstract

本发明提出一种卫星网络越区切换的方法。具体为：（1）设计了通用媒体接入控制（MAC）帧格式，使MAC层能够支持LEO卫星与GEO卫星之间的各种关联，具体包括关联请求及响应帧、重新关联请求及响应帧和去关联帧等管理类MAC帧；（2）同时，为了保证越区切换的成功率和可靠性，我们在通用MAC帧头的帧控制域中设计了优先级，确保越区切换时关联类管理MAC帧的优先级最高；（3）在以上设计的通用MAC帧和具体关联类管理MAC帧的基础上，并结合天基或地基测控通信管理中心基于轨道六根数参数的姿态控制作用下，发明了一种快速可靠的卫星网络越区切换流程。本发明虽以GEO/LEO卫星为例进行说明，但可适用于GEO/MEO卫星之间的越区切换。

Description

一种卫星网络越区切换的方法

技术领域

本发明涉及卫星越区切换协议方法的领域，主要针对中低轨卫星经过不同地球同步轨道卫星的覆盖区域时越区切换的协议方法的讨论，在现有的科学基础上提出了该方法。

背景技术

卫星网络中的越区切换的根本原因是由于构成系统的各节点（包括卫星、关口站、卫星移动通信终端和系统控制中心）之间的相对运动，这种相对运动造成了通信链路的中断，每一种相对运动都需要一种对应的切换操作来支持，以确保通信链路不中断。目前越区切换主要发生在中、低轨移动通信卫星系统中，主要集中在以下5种情况：（1）卫星移动通信终端与卫星星座之间的相对运动；（2）关口站与卫星星座之间的相对运动；（3）系统控制中心与卫星星座之间的相对运动；（4）卫星移动通信终端与关口站之间的相对运动；（5）卫星星座中各卫星之间的相对运动。调研发现：目前研究中、低轨卫星和地面移动终端的切换较多，但是地球同步轨道（GEO）卫星与中轨（MEO）卫星和低轨（LEO）卫星之间的切换协议较少。然而，随着我国中低轨卫星的增多，全球业务也与日俱增，业务种类也在不断扩展，使得对服务质量的要求也日益提高。如果仅仅依靠MEO/LEO卫星和地面终端设备方面的信息交换，无法满足对未来通信的要求，所以利用GEO中继卫星对MEO/LEO卫星进行实时信息传输服务成为必然趋势。

根据以上事实，本发明提出一种用于卫星网络越区切换的方法，适用于GEO卫星与MEO/LEO卫星网络的越区切换。为便于说明问题，本发明中以GEO卫星和LEO卫星为例进行说明。

发明内容

本发明的目的是提出一种卫星网络越区切换的方法，对切换过程进行设计。在地球空间，3颗经度间隔120度的GEO卫星可覆盖全球（除南北极之外），GEO卫星之间可以无障碍的互相通信，可以看成为地球空间信息网络的主要节点，而LEO卫星则一直在这3颗GEO卫星的覆盖区域之内。相邻GEO卫星覆盖区域有一定的重叠，就是我们所谓的切换区。当LEO卫星从一个GEO卫星区域运动到另一个GEO卫星区域时，将发生越区切换。

首先给出相关定义：

（1）定义地球同步轨道空间范围内卫星的地址为2字节。2个字节对应16比特，对应卫星的数量可达216=65536颗，这在某种程度来说，是够用的。

（2）为保证GEO卫星和LEO卫星在切换区能成功快速地进行切换，我们设计了通用的媒体接入控制（MAC）帧、关联类管理MAC帧。同时，为了保证在切换过程中的可靠性，我们在通用MAC帧头中设置了帧的优先级属性。

通用MAC对应的帧格式，见附图1，其中：

帧控制域（2字节），具体格式见附图2，其中：2比特协议版本号用于MAC协议版本控制；2比特的帧类型，区分管理（00）、控制（01）数据（10）三类帧，11预留；4比特的帧子类型，区分具体的帧功能；类型和子类型确定具体的帧，对应关系见附图3；2比特的帧优先级管理，确保越区切换的帧优先级最高；00代表最高优先级，11代表最低优先级，以此类推，越区切换时发送的关联请求帧和关联响应帧中的优先级都为00；GEO卫星和LEO卫星优先处理关于越区切换的帧；预留6比特用于以后根据卫星的实际功能进行升级补充。

持续时间控制域（1字节），主要定义持续时间的长度值，比如请求关联时间的等待值。

在空间网络中发送地址、接收地址和中间地址均为2字节，中间地址一般指中继GEO卫星的地址。

帧校验序列（FCS）占4个字节，主要应用于通信的校验和纠错。

除了上述通用的MAC帧设计之外，对应关联类管理MAC帧所携带负载的具体定义如下：

（1）关联请求帧的帧实体

如附图4所示，包含容量信息和支持速率。容量信息表示将要传输信息量的大小。支持速率域指在太空中该卫星能够发送或接收速率的范围。

（2）关联响应帧实体

如附图5所示，包含容量信息、状态码、关联识别码（AID）和支持速率。其中，状态码表示一个请求操作结果是否成功，AID表示对所关联卫星的身份识别号。

（3）重新关联请求帧实体

如附图6所示，包含容量信息、当前关联的中继卫星地址和支持速率。

（4）重新关联响应帧实体

如附图7所示，包含容量信息、状态码、AID和支持速率。

（5）去关联帧实体

如附图8所示，包含原因代码，原因代码表示事先未经申请就主动生成一个去关联类的通知管理帧的原因，具体内容见附图9，用1个字节表示。

在以上定义的通用MAC和关联类管理MAC帧格式的基础上，LEO卫星和GEO卫星在越区切换上的具体流程如附图10所示。

步骤100：卫星进入切换区域，准备进行切换。

步骤110：根据天基或地基测控管理中心的轨道六根数参数，具体为：轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近心点幅角和真近点角，对GEO卫星和LEO卫星的姿态进行调整，完成天线的捕获对准和跟踪（ATP）。

步骤120：LEO卫星向希望切换的GEO卫星发送关联请求。

步骤130：如果LEO卫星发送的关联请求已经超过最大重传次数或已经飞出切换区，则此卫星在此区域内的越区切换失败，则跳转到步骤140，反之，则跳转到步骤150。

步骤140：LEO卫星在此越区内切换失败，等待下一次切换。

步骤150：GEO卫星是否成功收到LEO卫星发送的关联请求，如果未收到关联请求，则跳转到步骤120，重传关联请求，反之，则执行步骤160。

步骤160：GEO卫星确认收到LEO卫星的关联请求后，向LEO卫星发送关联响应帧，进入步骤170。

步骤170：LEO卫星确认是否收到GEO卫星的关联响应，如果成功接收到关联响应帧，执行步骤180，否则，执行步骤120。

步骤180：LEO卫星收到GEO卫星的关联响应帧之后，同时向上一颗关联的GEO卫星发送去关联帧，解除与上一颗卫星的关联。

以上切换流程，可以确保LEO卫星和GEO卫星之间快速可靠地切换。

附图说明

图1通用MAC帧格式；

图2帧控制域格式；

图3关联请求帧实体；

图4关联响应帧实体；

图5重新关联请求帧实体；

图6重新关联响应帧实体；

图7去关联帧实体；

图8帧类型和子类型；

图9原因代码；

图10卫星越区切换流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

情景模拟：一颗LEO-1卫星（地址：AEF2）由GEO-1卫星（地址：4C7D）覆盖区越区飞行进入GEO-2卫星（地址：B456）覆盖区。

具体切换过程：

LEO-1卫星和GEO-2卫星按照根据天基或地基测控管理中心提供的卫星的轨道六根数参数，调整飞行姿态，完成天线的ATP；

LEO-1卫星检测GEO-2卫星的信号强度；

如果LEO-1卫星接收到GEO-2卫星的信号，并且其信号信噪比（SNR）可以完成通信，则LEO-1卫星启动向GEO-2卫星的关联请求，发送关联请求帧，具体帧内容为：

（1）帧控制域：协议版本为00，类型为00，子类型为0000，优先级为00。

（2）发送地址为：AEF2。

（3）接收地址为：B456。

（4）重传标志为：0（表示没有重传）。

如果GEO-2卫星收到LEO-1卫星的关联请求帧，则回复关联响应帧：

（1）帧控制域：协议版本为00，类型为00，子类型为0001，优先级管理为00。

（2）接收地址为：AEF2。

LEO-1卫星在规定的发送时延内如果没有收到GEO-2卫星的关联响应帧，则重新发送关联请求帧。在重新发送的关联请求帧中，帧控制域内的重传标志将置为“1”，表示重传。如果重新发送的关联请求帧次数超过了所设置的最大重传次数，则此次越区切换失败。

当LEO-1卫星收到关联响应帧后，则LEO-1卫星与GEO-2卫星已经关联，可以相互发送接收数据帧信息。

当LEO-1卫星和GEO-2卫星已经关联时，LEO-1卫星向GEO-1卫星发送去关联帧，取消与GEO-1卫星的关联，完成越区切换。去关联帧的具体内容为：

（1）帧控制域：协议版本为00，类型为00，子类型为0100，优先级管理为00。

（2）发送地址为：AEF2。

（3）接收地址为：4C7D。

在此说明书中，本发明已参照特定的实施实例做了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims

1.一种卫星网络越区切换的方法，其特征在于：（1）设计了用于高轨（GEO）卫星和低轨（LEO）卫星越区切换时的通用媒体接入控制（MAC）帧和关联类管理MAC帧的格式，关联类管理MAC帧包括关联请求、关联响应、重新关联请求、重新关联响应和去关联等；（2）同时，在通用MAC帧头的帧控制域中设置了帧优先级，确保越区切换时关联帧的优先级最高；（3）在以上设计的通用MAC和关联类管理MAC帧的基础上，并结合天基或地基测控管理中心的轨道六根数参数的姿态控制下，提出了一种快速可靠的卫星网络越区切换流程。

2.根据权利要求1所述的一种卫星网络越区切换的方法，其特征在于：

通用MAC对应的帧格式，包括：

帧控制域（2字节），其中：2比特协议版本号子域，区分当前和未来空间通信协议；2比特的帧类型，区分管理（00）、控制（01）、数据（10）三类帧，11目前预留；4比特的帧子类型，区分具体的各种功能帧；2比特的帧优先级，00代表最高优先级，11代表最低优先级，以此类推，越区切换时发送的关联请求类管理MAC帧优先级都为00；GEO卫星和LEO卫星可以优先处理关于越区切换的帧；预留6比特用于以后根据卫星的实际功能进行升级补充；

持续时间控制域（1字节），主要定义持续时间的长度值，比如请求关联时间的等待值；

在空间网络中发送地址、接收地址和中间地址均为2字节，中间地址一般为中继GEO卫星的地址；

帧校验序列（FCS）占4个字节，主要应用于通信的校验和纠错;

（1）关联请求帧的帧实体

包含容量信息和支持速率；容量信息表示将要传输信息量的大小，支持速率域指在太空中该卫星能够发送或接收速率的范围；

（2）关联响应帧实体

包含容量信息、状态码、关联识别码（AID）和支持速率；其中，状态码表示一个请求操作结果是否成功，AID表示对所关联卫星的身份识别号；

（3）重新关联请求帧实体

包含容量信息、当前关联的中继卫星地址和支持速率；

（4）重新关联响应帧实体

包含容量信息、状态码、AID和支持速率；

（5）去关联帧实体

包含原因代码，原因代码表示事先未经申请就主动生成一个去关联类的通知管理帧的原因，用1个字节表示。

3.根据权利要求1所述的一种卫星网络越区切换的方法，其特征在于：

（1）卫星进入切换区域，准备进行切换；

（2）根据天基或地基测控管理中心的轨道六根数参数，具体为：轨道半长轴、轨道偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近心点幅角和真近点角，对GEO卫星和LEO卫星的姿态进行调整，完成天线的捕获对准和跟踪（ATP）；

（3）LEO卫星向希望切换的GEO卫星发送关联请求；

（4）如果LEO卫星关联请求已经超过最大重传次数或已经飞出切换区，则此卫星在此区域内的越区切换失败，则跳转到步骤（5），反之，则跳转到步骤（6）；

（5）LEO卫星在此越区内切换失败，等待下一次越区切换；

（6）GEO卫星是否成功收到LEO卫星发送的关联请求，如果未收到关联请求，则跳转到步骤（3），重发关联请求，反之，则执行步骤（7）；

（7）GEO卫星确认收到LEO卫星的关联请求后，向LEO卫星发送关联响应帧，进入步骤（8）；

（8）LEO卫星确认是否收到GEO卫星的关联响应帧，如果成功接收到关联响应帧，执行步骤（9），否则，执行步骤（3）；

（9）LEO卫星收到GEO卫星的关联响应之后，同时向上一颗关联的GEO卫星发送去关联帧，解除与上一颗卫星的关联。