CN105357725B - 一种降低卫星通信系统切换时延的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低卫星通信系统切换时延的方法，特别涉及地球同步轨道卫星同一信关站中点波束之间的切换方法。在本方法中，利用卫星通信系统移动终端位置信息，结合历史测量信息获取切换位置区域；根据导航路径，对可能跨越切换位置区域进行预判；结合数字地图获得当前移动终端的速度矢量，当移动终端当前位置行驶至切换位置区域时间小于某门限值时，完成预切换，最后通过测量进行切换确认。本发明所述方法不仅可以大幅降低卫星波束切换的时延，而且可以降低切换的乒乓效应。

Description

一种降低卫星通信系统切换时延的方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种降低卫星通信系统切换时延的方法，特别涉及地球同步轨道卫星同一信关站中点波束之间的切换方法。

背景技术

随着高速公路、高速铁路的快速发展，以及飞机的普及，当前移动终端具有分布范围广、移动速度快、移动路径规律性强等特点，然而目前无线移动通信系统很难满足相关性能要求，因此利用移动卫星通信系统为高速移动终端提供通信业务，具有波束覆盖范围大、建设速度快、节约地面资源、易于广播和多址通信等优势。移动卫星通信系统，例如高轨道静止卫星系统(GEO，Geostationary Earth Orbit)，由多点波束构成，每个波束构成一个小区，可以覆盖几百公里的距离，因此波束之间的切换不会太频繁。利用移动卫星通信系统的广覆盖特点，可以在很大程度上减少多普勒频移对高速移动终端影响。

GEO移动卫星通信系统，由透明转发的高轨道卫星、地面信关站和移动用户构成，采用星状方式组网，为高速移动终端提供通信业务。GEO移动卫星通信系统由地球同步轨道卫星、卫星控制中心、一系列信关站以及大量用户终端(即移动地球站)组成。在GEO移动卫星通信系统中，波束中心功率值最大，波束功率值向波束边沿按照一定规律的下降。当高速移动终端远离波束中心向相临波束移动时，本波束信号强度和信号质量逐渐降低而临波束信号强度和信号质量逐渐增强，当达到一定的程度时，将进行波束之间的切换。

传统的切换算法是根据导频信号的强度来判断是否要进行切换，只有当来自源波束小区的信号强度和信号质量低于目标小区一定值时，才进行波束之间的切换。由于GEO卫星移动通信系统具有波束覆盖大、信号传输时延长、星上资源受限等特点，传统切换算法往往不能满足GEO卫星中真实环境实时性要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种降低卫星通信系统切换时延的方法，该方法充分考虑了卫星通信系统终端定位特点，而且考虑了数字地图以及导航信息；不但大幅降低卫星波束切换的时延，而且可以降低切换的乒乓效应。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种降低卫星通信系统切换时延的方法，在本方法中，利用卫星通信系统移动终端位置信息，结合历史测量信息获取切换位置区域；根据导航路径，对可能跨越切换位置区域进行预判；结合数字地图获得当前移动终端的速度矢量，当移动终端当前位置行驶至切换位置区域时间小于某门限值时，完成预切换，最后通过测量进行切换确认。

进一步，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：获取切换位置区域；所述切换位置区域是相邻波束之间，当移动终端从一个波束向另一个波束移动时，可以进行切换的位置区域；

步骤二：规划导航路径；当移动终端计划从A地到B地时，需要在数字地图上进行交通线路规划以寻找最佳路径，一旦路径规划完成，即可判决该路径是否与步骤一中的数字地图切换位置区域有重合区域，若存在重合区域，执行下面的步骤；

步骤三：确定移动终端速度矢量：在数字地图上，在一定时间间隔t内(例如定位周期时间)，用户由位置A(X₁,Y₁,Z₁)运动到位置B(X₂,Y₂,Z₂)，则用户的速度为：

步骤四：切换判决：移动终端从位置P0到位置P1需要时间小于某个门限Δt时，即可启动切换过程，即：其中V表示为移动终端速度矢量在道路方向上的分量，D为位置P0与位置P1之间的距离。

进一步，在步骤一中，采用以下方法获取切换位置区域：跟踪移动终端切换历史信息，读取GMR-1卫星系统GBCH(GPS Broadcast Control CHannel)信道中的位置信息，并在数字地图上显示为切换位置区域；或者，跟踪移动终端切换历史信息，利用GMR-1卫星系统移动终端GPS位置信息，在数字地图上显示为切换位置区域；或者，在GMR-1卫星移动通信系统波束规划和测试过程中，利用高精度移动终端GPS位置信息，并在数字地图上显示为切换位置区域。

进一步，在步骤一中，采用以下方法获取切换位置区域：在数字地图交通道路网中，跟踪移动终端切换历史信息，采用北斗卫星定位系统高精度定位信息，并在数字地图交通道路上显示切换位置区域。

进一步，在步骤四中，切换判决标准还包括：邻波束信号质量是否大于本波束信号质量的加权值，即，

LQI_邻≥α·LQI_本

其中，LQI表示波束信号链路质量，α表示加权系数，取值范围为0-1，若上式成立，则启动切换过程。

进一步，在步骤四中，切换判决标准还包括：移动终端与信关站之间距离是否大于某门限值，即：

MS_BS_DIST≥β·DMax

其中，MS_BS_DIST表示移动终端与信关站之间距离，β表示加权系数，取值范围为0-1，DMax表示最大允许的距离门限值，若上式成立，则启动切换过程。

进一步，在步骤四中，切换判决标准还包括：邻波束信号电平是否大于本波束信号电平的加权值，即，

RSSI_邻≥γ·RSSI_本

其中，RSSI表示波束信号电平，γ表示加权系数，取值范围为0-1，若上式成立，则启动切换过程。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法不仅可以大幅降低卫星波束切换的时延，而且可以降低切换的乒乓效应。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明中切换流程图；

图2为本发明中切换位置区域示意图；

图3为本发明中GMR-1系统组成示意图；

图4为本发明中GMR-1波束切换示意图；

图5为本发明中接收机位置示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明中切换流程图，如图所示，本发明所述方法包括以下步骤：步骤一：获取切换位置区域；步骤二：规划导航路径；步骤三：确定移动终端速度矢量；步骤四：切换判决。

如图3所示为GMR-1系统组成示意图。该系统由地球同步轨道卫星、卫星控制中心、一系列信关站以及大量用户终端组成。一个信关站包括一个或多个信关收发子系统和一个或多个信关站控制器以及多个移动交换中心。一个信关站控制一个或几个波束，当用户移动到波束边缘时，当前的波束如果不能满足通信的需求时，需要从服务波束切换到目标波束，类似于地面蜂窝网的越区切换。GMR-1卫星波束切换的场景如图2所示。

为了测得切换的区域，可以采用GPS卫星所发送的定位信号，跟踪并标记移动终端切换历史信息，测得在某一区域范围内所有切换历史，以此可知该区域是两个波束的重叠区域，标记该区域并在数字地图交通道路上显示切换位置区域。

GPS卫星所发送的定位信号，包含了移动终端坐标位置、速度、方向等各项状态参数和各项姿态参数。利用该信息，在地心地固坐标系中，计算卫星位置坐标为：

X_k＝x_kcosΩ_k-y_kcosi_ksinΩ_k

Y_k＝x_ksinΩ_k+y_kcosi_ksinΩ_k

Z_k＝y_ksini_k

其中，i_k为轨道倾角，Ω_k为观测时刻的升点经度，x_k，y_k为卫星在轨道平面的位置，k＝1,2,3表示可观测到GPS卫星序号。

设在t时刻，移动终端位置P可同时测得接收机到三颗卫星S₁，S₂，S₃，移动终端与卫星之间距离分别为ρ₁，ρ₂，ρ₃，如图5所示，可以通过无线信号传输时间和光速乘积获得。

利用移动终端与卫星之间距离和卫星位置坐标，计算移动终端P的位置，即：

获取到移动终端的位置信息后，通过地图匹配将当前的道路位置在数字地图中显示出来，用户可以实时利用该信息进行导航等应用。例如当移动终端当移动终端计划从A地到B地时，首先在数字地图上进行交通线路规划以寻找最佳路径。然后判决该路径是否与步骤1数字地图切换位置区域有重合区域。只有存在重合区域，才需要确定移动终端速度矢量和切换判决过程。图4为本发明中GMR-1波束切换示意图，图5为本发明中接收机位置示意图。

在数字地图上，在一定时间间隔t内(例如定位周期时间)，用户由位置A(X₁,Y₁,Z₁)运动到位置B(X₂,Y₂,Z₂)，则用户的速度为：

当移动终端沿着一定路径行驶从位置A运动到位置B时，假设当前位置为P0，则该路径初始经过的切换位置区域为P1，位置P0与位置P1之间距离为D，如图2所示。移动终端从位置P0到位置P1需要时间小于某个门限Δt时，即可启动切换过程，即：由此可知，当移动终端接近或超越切换位置区域边界时，启动切换过程。

为了减少切换误判发生，同时考虑切换复杂度，下面仅增加移动终端导频信号测量电平信息判决方式。考虑到尽可能提前切换的应用场景，采用邻波束信号电平是否大于本波束信号电平的加权值，即，

RSSI_邻≥γ·RSSI_本

其中，RSSI表示波束信号电平，γ表示加权系数，取值范围为0-1。

也就是说，不需要一定要等到目标波束小区的信号强度大于当前波束小区并持续一个特定的值就可以进行切换，因此可以大幅降低卫星波束切换的时延。

实际环境测试表明，当GMR-1波束边界为200km，波束边界重合区域为波束边界的1％，即2km时，当移动终端移动速度为400km/h，当终端当前位置P0与切换位置区域边界位置P1之间距离为D＝1km时，以及γ＝0.7时，切换时间可以提前Δt＞9秒。显然，具体参数可以根据不同规划要求，灵活选取。采用该切换方法，充分考虑了移动终端位置、移动速度，结合数字地图导航以及移动终端测量信息，因此不限于卫星移动终端，也适用于GSM系统等移动终端系统中。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种降低卫星通信系统切换时延的方法，其特征在于：在本方法中，利用卫星通信系统移动终端位置信息，结合历史测量信息获取切换位置区域；根据导航路径，对可能跨越切换位置区域进行预判；结合数字地图获得当前移动终端的速度矢量，当移动终端当前位置行驶至切换位置区域时间小于某门限值时，完成预切换，最后通过测量进行切换确认；

该方法具体包括以下步骤：

步骤一：获取切换位置区域；所述切换位置区域是相邻波束之间，当移动终端从一个波束向另一个波束移动时，可以进行切换的位置区域；

步骤二：规划导航路径；当移动终端计划从A地到B地时，需要在数字地图上进行交通线路规划以寻找最佳路径，一旦路径规划完成，即可判决该路径是否与步骤一中的数字地图切换位置区域有重合区域，若存在重合区域，执行下面的步骤；

步骤三：确定移动终端速度矢量：在数字地图上，在一定时间间隔t内，用户由位置A(X₁,Y₁,Z₁)运动到位置B(X₂,Y₂,Z₂)，则用户的速度为：

步骤四：切换判决：移动终端从位置P0到位置P1需要时间小于某个门限Δt时，即可启动切换过程，即：其中V表示为移动终端速度矢量在道路方向上的分量，D为位置P0与位置P1之间的距离；

在步骤一中，采用以下方法获取切换位置区域：跟踪移动终端切换历史信息，读取GMR-1卫星系统GBCH(GPS Broadcast Control CHannel)信道中的位置信息，并在数字地图上显示为切换位置区域；或者，跟踪移动终端切换历史信息，利用GMR-1卫星系统移动终端GPS位置信息，在数字地图上显示为切换位置区域；或者，在GMR-1卫星移动通信系统波束规划和测试过程中，利用高精度移动终端GPS位置信息，并在数字地图上显示为切换位置区域。

2.根据权利要求1所述的一种降低卫星通信系统切换时延的方法，其特征在于：在步骤一中，采用以下方法获取切换位置区域：在数字地图交通道路网中，跟踪移动终端切换历史信息，采用北斗卫星定位系统高精度定位信息，并在数字地图交通道路上显示切换位置区域。

3.根据权利要求1所述的一种降低卫星通信系统切换时延的方法，其特征在于：在步骤四中，切换判决标准还包括：邻波束信号质量是否大于本波束信号质量的加权值，即，

LQI_邻≥α·LQI_本

其中，LQI表示波束信号链路质量，α表示加权系数，取值范围为0-1，若上式成立，则启动切换过程。

4.根据权利要求1所述的一种降低卫星通信系统切换时延的方法，其特征在于：在步骤四中，切换判决标准还包括：移动终端与信关站之间距离是否大于某门限值，即：

MS_BS_DIST≥β·DMax

其中，MS_BS_DIST表示移动终端与信关站之间距离，β表示加权系数，取值范围为0-1，DMax表示最大允许的距离门限值，若上式成立，则启动切换过程。

5.根据权利要求1所述的一种降低卫星通信系统切换时延的方法，其特征在于：在步骤四中，切换判决标准还包括：邻波束信号电平是否大于本波束信号电平的加权值，即，

RSSI_邻≥γ·RSSI_本

其中，RSSI表示波束信号电平，γ表示加权系数，取值范围为0-1，若上式成立，则启动切换过程。