CN108988934A - 基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，包括如下步骤：S1、低轨卫星对终端的基本信息进行鉴权，随后注册身份信息，建立连接；S2、低轨卫星通知终端已附着成功；S3、终端向低轨卫星发送数据包；S4、检查终端内是否标记数据包需要发送确认信息，低轨卫星依据检查结果进行相应操作；S5、低轨卫星对数据包进行终端信息标记，并将已完成终端信息标记的数据包下发至信关站；S6、信关站采用欺骗机制模拟终端与基站之间的指令交互，建立模拟终端与模拟基站之间的连接；S7、信关站接入核心网，完成数据传输。本发明使用效果优异，具有很高的使用及推广价值。

Description

基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法

技术领域

本发明涉及一种传输方法，具体而言，涉及一种基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，属于物联网技术领域。

背景技术

窄带物联网在2016年已经获得国际组织3GPP认证，作为基于蜂窝网络的新一代物联网技术，提供低带宽、低功耗、远距离、大连接的物联网应用服务。当前窄带物联网业务仅局限于地面，要想真正做到全球无缝覆盖的物联网还需要借助卫星通信系统。低轨卫星以轨道高度低，时间效率高，信号传输损耗小，连接范围更加广泛等特点，能够比高轨卫星更好的适用于低轨卫星物联网系统中。另外，低轨卫星还有着体积小，重量轻，研制周期短等优势能够被灵活应用。

低轨卫星物联网的主要目标是实现全球性的物联网覆盖，尤其是针对诸如沙漠、海洋、森林等特殊环境下、地面通信基础设施的架设会受到环境等因素影响的问题，以便更好地适应更大范围的工业环境，完成诸如智能抄表、环境监控等各项操作。

当前，在地面物联网中，大量的数据服务都是短突发数据传输，有着完整的接入网络和高密度基站。然而，窄带物联网协议仍基于LTE(Long Term Evolution，即长期演进)，在整个通信过程中，用户设备与演进节点需要不断地连接，如果直接将窄带物联网的数据传输方案应用到低轨卫星系统中是不可行的。

具体而言，首先，窄带物联网的通信协议终端与基站之间交互频繁，而在卫星环境中，动态的星座拓扑结构，以及卫星位置相对地面的变化造成物联网终端与基站之间的连接不是稳定的；其次，星上资源有限，不稳定的链路尝试再次连接需要在星上存储大量的上下文信息，从而造成星上资源负载过重。

综上所述，低轨卫星物联网作为一种新兴的覆盖全球物联网通信手段目前还处于研究阶段，现有的通信流程中还没有可以适合当前环境的数据传输方案。因此，急需提出一种适应于低轨卫星物联网业务的数据传输方法。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法。

具体而言，包括如下步骤：

S1、低轨卫星对终端的基本信息进行鉴权操作，随后向核心网注册身份信息，建立低轨卫星与终端之间的连接；

S2、连接建立完成后，低轨卫星通知终端已附着成功；

S3、终端向低轨卫星发送数据包；

S4、检查终端内是否标记已发送的数据包需要发送确认信息，低轨卫星依据检查结果进行相应操作；

S5、低轨卫星对所接收到的每个数据包进行终端信息标记，并将已完成终端信息标记的数据包下发至信关站；

S6、信关站采用欺骗机制模拟终端与基站之间的指令交互，建立模拟终端与模拟基站之间的连接；

S7、信关站接入核心网，完成数据传输。

优选地，S1中所述终端的基本信息包括终端唯一标识以及鉴权密匙。

优选地，在S2与S3之间，还包括如下步骤：

S21、终端向已附着成功的低轨卫星发送探测信号，依据低轨卫星收到信号的时间长短计算在该低轨卫星是否超出数据传输范围，

若该低轨卫星位于数据传输范围内，则进入S3步骤，

若该低轨卫星位于数据传输范围外，则终端待机，当实际待机时间达到终端内预设的待机时间时，终端随即进入深度睡眠状态，并等待下次操作时被唤醒。

优选地，S3中所述终端向低轨卫星发送数据包，数据包的传输以一次性传输或多次传输的方式完成。

优选地，S4具体包括如下步骤：

检查终端内是否标记已发送的数据包需要发送确认信息，

若终端内标记已发送的数据包需要发送确认信息，则低轨卫星将确认信息发送给终端，终端接收到确认信息后进入待机状态，当实际待机时间达到终端内预设的待机时间时，终端随即进入深度睡眠状态，并等待下次操作时被唤醒。

若终端内标记已发送的数据包不需要发送确认信息，则终端待机，当实际待机时间达到终端内预设的待机时间时，终端随即进入深度睡眠状态，并等待下次操作时被唤醒。

优选地，S5中所述终端信息为该数据包的所属终端信息。

优选地，S5中所述低轨卫星对数据包的下发形式为透明转发。

优选地，S6中所述信关站采用欺骗机制模拟终端与基站之间的指令交互，包括如下步骤：

S61、在信关站内的数据处理网关中创建模拟终端和模拟基站，并将已创建的模拟终端保存至信关站的缓存中；

S62、信关站接收到数据包后，依据数据包上标识的终端信息在缓存中进行查询，判断已创建的模拟终端中是否包含该数据包的所述终端，

若包含，则将模拟终端从缓存中取出，并查询该模拟终端的连接上下文，与模拟基站进行数据恢复连接请求，

若不包含，则重新建立模拟终端，并与模拟基站建立数据连接，随后将该模拟终端放入缓存中。

优选地，所述缓存包括模拟终端的唯一标识、模拟终端上下文信息缓存地址以及模拟基站上存储该模拟终端的上下文地址。

优选地，S7具体包括如下步骤：

S71、模拟终端与模拟基站的连接完成后，信关站内的数据处理网关向移动性管理实体发送连接建立请求，随后移动性管理实体向数据处理网关返回连接建立请求的响应；

S72、数据处理网关发送上行数据至终端，移动性管理实体向核心网中的服务网关发送修改承载请求与RRC建立原因，服务网关再将修改承载请求和RRC建立原因转发给核心网中的分组数据网关；

S73、分组数据网关收到请求后向服务网关发送修改承载响应，服务网关将响应信息发送给移动性管理实体，随后进行下行数据通信。

与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：

本发明的低轨卫星物联网数据业务传输方法，在卫星上只做透明转发，连接断开时不存储连接上下文信息，从而解决了星上负载过重的问题。同时，本发明减少了终端与卫星之间的信令交互，解决了在卫星环境下动态链路不能为终端与卫星之间提供稳定连接的问题。本发明还通过将数据一次发送或多次发送的方式，保证了传输的可靠性，不再使用失败重传，相对地减少了传输时延，有效地缓解了现有技术所存在的传输时延大的问题。此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于同领域内其他数据传输方法的技术方案中，具有十分广阔的应用前景。

总体而言，本发明所提出的基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，使用效果优异，具有很高的使用及推广价值。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1为本发明中低轨卫星物联网系统数据传输流程示意图；

图2为本发明中低轨卫星物联网系统数据传输流程整体设计方案图；

图3为NB-IoT数据传输方案与低轨卫星物联网新型数据传输方案在卫星环境下终端发送1000个数据包上行吞吐量与距离的变化关系图；

图4为NB-IoT数据传输方案与低轨卫星物联网新型数据传输方案在卫星环境下终端发送1000个数据包上行丢包率与距离的变化关系图；

图5为NB-IoT数据传输方案与低轨卫星物联网新型数据传输方案在卫星环境下终端发送1000个数据包上行系统时延与距离的变化关系图；

图6为不同终端发送功率条件下NB-IoT网络上行归一化吞吐量与距离的变化关系图；

图7为不同终端发送功率条件下NB-IoT网络上行丢包率与距离的变化关系图；

图8为不同终端发送功率条件下NB-IoT网络上行时延图与距离的变化关系图；图9为终端发送数据包格式图；

图10为低轨卫星下发数据包格式图。

具体实施方式

如图1~图10所示，本发明揭示了一种基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，包括如下步骤：

S1、低轨卫星对终端的基本信息进行鉴权操作，随后向核心网注册身份信息，建立低轨卫星与终端之间的连接。所述终端的基本信息包括终端唯一标识以及鉴权密匙。

低轨卫星物联网系统数据传输流程整体设计方案如图2所示。终端进行首次附着时需要与低轨卫星建立RRC连接，在核心网注册服务，这是数据传输进行的前提条件，终端设置唯一标识应为64位标识符，以保证海量连接终端标识的唯一性，鉴权根据唯一标识进行加密算法得到密钥，卫星根据加密算法得到的密钥对终端发送过来的密钥进行对比得以鉴权。

S2、连接建立完成后，低轨卫星通知终端已附着成功。这一操作的目的在于再次发送数据时无须注册。

此处，还包括如下步骤：

S21、终端向已附着成功的低轨卫星发送探测信号，依据低轨卫星收到信号的时间长短计算在该低轨卫星是否超出数据传输范围，

若该低轨卫星位于数据传输范围内，则进入S3步骤，

若该低轨卫星位于数据传输范围外，则终端待机，当实际待机时间达到终端内预设的待机时间时，终端随即进入深度睡眠状态，并等待下次操作时被唤醒。

S3、终端向低轨卫星发送数据包。所述终端向低轨卫星发送数据包，数据包的传输以一次性传输或多次传输的方式完成，而不采用失败重传机制。如图3、图4、图5所示，失败重传会增大传输时延，也可能导致上传数据包的低轨卫星已不再该终端的覆盖范围之内。由于物联网海量连接，为减少碰撞，采用CRDSA防碰撞措施来减少丢包。窄带物联网的传输体制并不适合终端与低轨卫星之间的数据传输，如图6、图7、图8 所示，测试的窄带物联网在卫星环境下的吞吐量、丢包率、传输时延，而LoRa此类的传输体制更加适合终端与低轨卫星之间的数据传输，LoRa传输体制可以通过扩频等方式来增大传输距离。终端发送的数据包格式设计如图9所示。

S4、检查终端内是否标记已发送的数据包需要发送确认信息，低轨卫星依据检查结果进行相应操作。

S4具体包括如下步骤：

检查终端内是否标记已发送的数据包需要发送确认信息，

若终端内标记已发送的数据包需要发送确认信息，则在发送数据包时打上需要确认消息标签01，低轨卫星将确认信息发送给终端，终端接收到确认信息后进入待机状态，当实际待机时间达到终端内预设的待机时间时，终端随即进入深度睡眠状态，并等待下次操作时被唤醒。

若终端内标记已发送的数据包不需要发送确认信息，则在发送数据包时打上不需要确认消息标签00，终端待机，当实际待机时间达到终端内预设的待机时间时，终端随即进入深度睡眠状态，并等待下次操作时被唤醒。

S5、低轨卫星对所接收到的每个数据包进行终端信息标记，并将已完成终端信息标记的数据包下发至信关站。

所述终端信息为该数据包的所属终端信息，这样的设置是为了便于信关站可以识别数据包所属终端进行终端模拟，卫星下发数据包格式设计如图10所示。此处所述低轨卫星对数据包的下发形式为透明转发。

S6、信关站采用欺骗机制模拟终端与基站之间的指令交互，建立模拟终端与模拟基站之间的连接。

所述信关站采用欺骗机制模拟终端与基站之间的指令交互，包括如下步骤：

S61、在信关站内的数据处理网关中创建模拟终端和模拟基站，并将已创建的模拟终端保存至信关站的缓存中；

S62、信关站接收到数据包后，依据数据包上标识的终端信息在缓存中进行查询，判断已创建的模拟终端中是否包含该数据包的所述终端，

若包含，则将模拟终端从缓存中取出，并查询该模拟终端的连接上下文，与模拟基站进行数据恢复连接请求，

若不包含，则重新建立模拟终端，并与模拟基站建立数据连接，随后将该模拟终端放入缓存中。如果一段时间内并没有该模拟终端的数据包，则将该模拟终端从缓存中丢弃；

所述缓存包括模拟终端的唯一标识、模拟终端上下文信息缓存地址以及模拟基站上存储该模拟终端的上下文地址。

S7、信关站接入核心网，完成数据传输。

S7具体包括如下步骤：

S71、模拟终端与模拟基站的连接完成后，信关站内的数据处理网关向移动性管理实体发送连接建立请求，由于欺骗机制，移动性管理实体并不知道发送请求的终端并不是真实的终端，随后移动性管理实体向数据处理网关返回连接建立请求的响应；

S72、数据处理网关发送上行数据至终端，进入核心网后的流程与窄带物联网相似，移动性管理实体将修改承载请求与RRC建立原因作为上行数据发送给核心网中的服务网关，服务网关再将修改承载请求和RRC建立原因转发给核心网中的分组数据网关；

S73、分组数据网关收到请求后向服务网关发送修改承载响应，服务网关将响应信息发送给移动性管理实体，随后进行下行数据通信。

本发明采用物联网成熟的核心网以及第三方应用，可以更快的得到部署及商用。

本发明的低轨卫星物联网数据业务传输方法，在卫星上只做透明转发，连接断开时不存储连接上下文信息，从而解决了星上负载过重的问题。

同时，本发明减少了终端与卫星之间的信令交互，解决了在卫星环境下动态链路不能为终端与卫星之间提供稳定连接的问题。本发明还通过将数据一次发送或多次发送的方式，保证了传输的可靠性，不再使用失败重传，相对地减少了传输时延，有效地缓解了现有技术所存在的传输时延大的问题。

此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于同领域内其他数据传输方法的技术方案中，具有十分广阔的应用前景。

总体而言，本发明所提出的基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，使用效果优异，具有很高的使用及推广价值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、低轨卫星对终端的基本信息进行鉴权操作，随后向核心网注册身份信息，建立低轨卫星与终端之间的连接；

S2、连接建立完成后，低轨卫星通知终端已附着成功；

S3、终端向低轨卫星发送数据包；

S4、检查终端内是否标记已发送的数据包需要发送确认信息，低轨卫星依据检查结果进行相应操作；

S5、低轨卫星对所接收到的每个数据包进行终端信息标记，并将已完成终端信息标记的数据包下发至信关站；

S6、信关站采用欺骗机制模拟终端与基站之间的指令交互，建立模拟终端与模拟基站之间的连接；

S7、信关站接入核心网，完成数据传输。

2.根据权利要求1所述的基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，其特征在于：S1中所述终端的基本信息包括终端唯一标识以及鉴权密匙。

3.根据权利要求1所述的基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，其特征在于，在S2与S3之间，还包括如下步骤：

S21、终端向已附着成功的低轨卫星发送探测信号，依据低轨卫星收到信号的时间长短计算在该低轨卫星是否超出数据传输范围，

若该低轨卫星位于数据传输范围内，则进入S3步骤，

若该低轨卫星位于数据传输范围外，则终端待机，当实际待机时间达到终端内预设的待机时间时，终端随即进入深度睡眠状态，并等待下次操作时被唤醒。

4.根据权利要求1所述的基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，其特征在于：S3中所述终端向低轨卫星发送数据包，数据包的传输以一次性传输或多次传输的方式完成。

5.根据权利要求1所述的基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，其特征在于，S4具体包括如下步骤：

检查终端内是否标记已发送的数据包需要发送确认信息，

若终端内标记已发送的数据包需要发送确认信息，则低轨卫星将确认信息发送给终端，终端接收到确认信息后进入待机状态，当实际待机时间达到终端内预设的待机时间时，终端随即进入深度睡眠状态，并等待下次操作时被唤醒。

若终端内标记已发送的数据包不需要发送确认信息，则终端待机，当实际待机时间达到终端内预设的待机时间时，终端随即进入深度睡眠状态，并等待下次操作时被唤醒。

6.根据权利要求1所述的基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，其特征在于：S5中所述终端信息为该数据包的所属终端信息。

7.根据权利要求1所述的基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，其特征在于：S5中所述低轨卫星对数据包的下发形式为透明转发。

8.根据权利要求1所述的基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，其特征在于，S6中所述信关站采用欺骗机制模拟终端与基站之间的指令交互，包括如下步骤：

S61、在信关站内的数据处理网关中创建模拟终端和模拟基站，并将已创建的模拟终端保存至信关站的缓存中；

S62、信关站接收到数据包后，依据数据包上标识的终端信息在缓存中进行查询，判断已创建的模拟终端中是否包含该数据包的所述终端，

若包含，则将模拟终端从缓存中取出，并查询该模拟终端的连接上下文，与模拟基站进行数据恢复连接请求，

若不包含，则重新建立模拟终端，并与模拟基站建立数据连接，随后将该模拟终端放入缓存中。

9.根据权利要求8所述的基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，其特征在于：所述缓存包括模拟终端的唯一标识、模拟终端上下文信息缓存地址以及模拟基站上存储该模拟终端的上下文地址。

10.根据权利要求1所述的基于分段连接的低轨卫星物联网数据业务传输方法，其特征在于，S7具体包括如下步骤：

S71、模拟终端与模拟基站的连接完成后，信关站内的数据处理网关向移动性管理实体发送连接建立请求，随后移动性管理实体向数据处理网关返回连接建立请求的响应；

S72、数据处理网关发送上行数据至终端，移动性管理实体向核心网中的服务网关发送修改承载请求与RRC建立原因，服务网关再将修改承载请求和RRC建立原因转发给核心网中的分组数据网关；

S73、分组数据网关收到请求后向服务网关发送修改承载响应，服务网关将响应信息发送给移动性管理实体，随后进行下行数据通信。