CN109194383B - 一种管理低轨卫星通信系统中的移动性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管理低轨卫星通信系统中的移动性的方法，其中所述低轨卫星通信系统包括终端、卫星、信关站和核心网，其中终端和外网端口具有第一层IP地址，并且卫星、信关站和核心网具有第二层IP地址，该方法包括下列步骤：在终端从第一接入卫星切换到第二接入卫星以后由信关站向核心网通知切换结果；以及由信关站和核心网对在终端与外网之间传输的数据分组进行封装和解封装以实现终端与外网端口之间的隧道通信。本发明还提供了一种低轨卫星通信系统。通过该方法或该系统，可以大大降低或者甚至免除卫星维护终端路由信息的工作，由此降低对星上资源的要求，从而提高卫星通信的实用性、稳定性、效率和用户体验。

Description

一种管理低轨卫星通信系统中的移动性的方法

技术领域

本发明总的来说涉及卫星通信领域，具体而言涉及一种管理低轨卫星通信系统中的移动性的方法。此外，本发明还涉及一种低轨卫星通信系统。

背景技术

低轨卫星通信网络由于具有全球覆盖、低传输时延、低功耗链路和较强的抗毁性等优点而拥有广阔的发展前景，是未来移动通信系统的重要组成部分。另外，随着通信技术的发展，以星间链路和星上处理技术为特征的新一代低轨卫星通信网络已经可以独立于地面网络运行，该卫星通信网络支持星上路由和数据处理，以提供横跨海陆空的移动网络服务。另一方面，IP技术的成熟和可靠也使得未来卫星网络应用IP技术成为趋势。

然而，由于低轨卫星绕地球运动，因此终端与卫星相对运动速度很大，终端会从一颗卫星覆盖区域移动切换到另一颗卫星覆盖区域。为了保证终端在切换过程中保持正常通信，需要对网络进行移动性管理。移动性管理需要对终端位置进行登记和管理，以方便网络对终端发起呼叫和传输数据，还有维持终端与网络的链路在两颗卫星之间进行切换时不中断。但是，低轨卫星网络覆盖范围广、服务终端多，卫星相对终端高速运动，终端与卫星之间的切换十分频繁。此外，低轨卫星因为体积、功率等硬件条件限制，处理性能有限。这些特点都为低轨卫星通信网络的移动性管理带来了严峻的挑战。

现有的卫星通信网络移动性管理机制大多沿用地面移动性管理策略，如MIPv4(Mobile IPv4)和MIPv6(Mobile IPv6)等。现有的卫星通信网络移动性管理策略均采用单层IP，其典型的实现方案如下：

(1)在低轨卫星通信网络中，地面信关站、卫星和终端为同一层网元，具有同一层IP地址；

(2)终端具备功率检测功能，当过顶卫星变化时，能够自主感知功率变化，选择目的切换卫星，并向网络发出切换请求；

(3)低轨卫星网络通过星间链路将切换请求信息发送到信关站，信关站记录终端切换请求信息并做出判断，将判决信息反馈给终端；

(4)终端接收到判决信息后，返回切换确认消息给信关站；以及

(5)信关站根据终端切换结果和当前低轨卫星通信网络拓扑状况更新路由表，并将更新后的路由表广播给所有卫星，至此终端移动切换完成。

而正是因为(1)和(5)的这种实现方式，使得低轨卫星要维护所有终端用户的路由信息。因为(1)的实现方式，低轨通信卫星网络中热点终端、卫星和信关站的IP地址为同一层IP地址，网关和卫星终端之间可以直接互联互通。同时，因为(1)的这种实现方式，每颗卫星都需要维护所有终端用户的移动性和路由表项。通常情况下，低轨卫星的终端用户数量为十万量级，且由于低轨卫星移动速度快，热点终端切换非常频繁。综上所述，低轨卫星网络要维护大量的移动性管理信息。

通常情况下，低轨卫星的星上处理、存储资源受限，海量的终端路由表项信息存储、频繁的终端路由表项更新、快速的路由表项查找对星上资源提出了极高的要求，使得前述方案的实用性、稳定性、效率、用户体验等都大打折扣。

发明内容

从现有技术出发，本发明的任务是提供一种管理低轨卫星通信系统中的移动性的方法以及一种低轨卫星通信系统，通过该方法或该系统，可以大大降低或者甚至免除卫星维护终端路由信息的工作，由此降低对星上资源的要求，从而提高卫星通信的实用性、稳定性、效率和用户体验。

在本发明的第一方面，前述任务通过一种管理低轨卫星通信系统中的移动性的方法来解决，其中所述低轨卫星通信系统包括终端、卫星、信关站和核心网，其中终端和外网端口具有第一层IP地址，并且卫星、信关站和核心网具有第二层IP地址，该方法包括下列步骤：

在终端从第一接入卫星切换到第二接入卫星以后由信关站向核心网通知切换结果；以及

由信关站和核心网对在终端与外网之间传输的数据分组进行封装和解封装以实现终端与外网端口之间的隧道通信。

在本发明的一个优选方案中规定，第一层IP地址的长度为8字节且所述8个字节中的前4个字节与归属的核心网绑定，并且第二层IP地址的长度为4字节。通过该优选方案，可以简单地实现两层IP地址之间的分离，由此较好地实现两层IP地址内的传输对彼此透明(不可见)，另一方面实现了终端与归属的核心网之间的对应。

在本发明的另一优选方案中规定，该方法还包括：

由核心网根据切换结果更新卫星归属列表，其中所述归属列表包括终端的IP地址和终端所归属的核心网的IP地址。

通过维护和更新卫星归属列表，可以方便路由确定。

在本发明的又一优选方案中规定，由终端从第一接入卫星切换到第二接入卫星包括：

由终端、第一接入卫星和第二接入卫星协同完成卫星切换。

在本发明的第二方面，前述任务通过一种低轨卫星通信系统来解决，该系统具有：

卫星，其包括终端所归属的接入卫星以及中继卫星，其中卫星具有与终端和外网端口的第一层IP地址不处于同层的第二层IP地址；

信关站，其被配置为在终端从第一接入卫星切换到第二接入卫星以后向核心网通知切换结果并且对来自终端的数据分组进行重新封装并且对来自外网端口的数据分组进行解封装，其中信关站具有第二层IP地址；以及

核心网，其被配置为对去往终端的数据分组进行重新封装并且对去往外网端口的数据分组进行解封装，其中核心网具有第二层IP地址。

在本发明的一个优选方案中规定，第一层IP地址的长度为8字节，并且第二层IP地址的长度为4字节。

在本发明的另一优选方案中规定，核心网还被配置为根据切换结果更新卫星归属列表，其中所述归属列表包括终端的IP地址和终端所归属的核心网的IP地址。

在本发明的一个扩展方案中规定，该系统包括108颗低轨卫星和6个信关站，其中为每个信关站分配一个核心网，并且核心网维护其归属的终端。

本发明至少具有下列优点：可以大大降低或者甚至免除卫星维护终端路由信息的工作，这是因为，终端与卫星分属不同层的IP地址且终端与外部网络之间的通信采用隧道通信，因此终端与外部网络之间的通信对卫星而言是透明的、即不可见的，因此如果终端发生了移动并由此切换了接入卫星，则仅需由核心网络维护或更新路由信息、即更新接入卫星信息，即可继续隧道传输，因此这些卫星本身不必维护或更新路由信息，由此大大降低了对星上资源的需求，从而提高卫星通信的实用性、稳定性、效率和用户体验。

附图说明

下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。

图1示出了根据本发明的低轨卫星通信系统的示意图；

图2示出了根据本发明的低轨卫星通信系统中的IP地址分配的示意图；

图3示出了根据本发明的卫星归属列表的示意图；

图4示出了根据本发明的低轨卫星通信系统中的隧道封装的示意图；以及

图5示出了根据本发明的管理低轨卫星通信系统中的移动性的方法的流程图。

具体实施方式

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，所述方法步骤可以以不同顺序执行。

本发明所要解决的技术问题是，在宽带低轨通信卫星网络中，由于终端数量庞大和低轨卫星快速的移动速度，存在大规模频繁的热点终端切换问题，因此需要一种有效的移动性管理方法来管理热点终端的移动性，保障信关站与热点终端信息互通。针对这一需求，提出了一套实用的移动性管理方法，为低轨宽带通信卫星的热点终端到信关站的信息传输提供可靠的保障。在此应当指出，本发明中所关注的是移动性管理问题，而热点终端的切换策略是公知的，为了不模糊本发明，不对切换策略做展开阐述。

图1示出了根据本发明的低轨卫星通信系统100的示意图。

如图1所示，根据本发明的低轨卫星通信系统100包括卫星102、位于地面的信关站103和核心网104，其中信关站103通过可选的网关105与核心网104连接。位于地面的终端101(或称卫星终端、如手机之类的用户终端)通过低轨卫星通信系统100与外部网络、如数据网络106通信。终端101的IP地址和核心网106的外部端口或外部网络、如数据网络106的IP地址同属于一层IP，而卫星102的IP地址、信关站103和核心网104的内部端口的IP地址同属于一层IP，两层IP彼此独立。终端101与外部网络之间的数据传输为隧道传输或端到端传输，其中卫星102和地面信关站103构成传输层，传输层的数据传输流程对终端101与外部网络之间的数据传输是透明的。

信关站103被配置为在终端101从第一接入卫星切换到第二接入卫星以后向核心网104通知切换结果并且对来自终端的数据分组进行重新封装并且对来自外网端口的数据分组进行解封装。

核心网104被配置为对去往终端101的数据分组进行重新封装并且对去往外部网络、如数据网络106的数据分组进行解封装并且更新卫星归属列表。

低轨卫星通信系统100例如可以包括108颗卫星，它们分布在12个轨道面，每个轨道面上具有9颗卫星，地面有6个信关站，每个信关站分配有1个核心网，并且每个核心网维护其归属的热点终端。

图2示出了根据本发明的低轨卫星通信系统中的IP地址分配的示意图。

如图2所示，地面的终端101和核心网出口的IP地址长度为8字节，每个字节具有8位。卫星102的IP地址的长度和信关站103的IP地址的长度均为4字节。

图3示出了根据本发明的卫星归属列表的示意图。

如图3所示，归属列表包括终端的IP地址和终端所归属的核心网的IP地址。

当终端依据功率谱密度、位置等判决策略显示需要进行星间切换时，终端、切换源卫星、切换目的卫星三者协同完成卫星切换。并将切换结果上报其归属的核心网，核心网维护热点终端位置信息，更新热点终端的卫星归属列表。

当核心网需要向卫星终端传输数据时，如图像、音频、视频等文件，核心网通过查找卫星归属列表获得目的热点终端当前时刻归属卫星的IP地址，对数据包进行重封装，新的外层IP地址与传输层IP为同一层IP。

图4示出了根据本发明的低轨卫星通信系统中的隧道封装的示意图。

如图4所示，终端101在接入卫星102以后，其向与核心网104连接的外部网络、例如数据网络106发送的数据分组(或称数据包)首先被信关站103封装(即加入隧道传输报头)以进行隧道传输，在到达核心网104之后被核心网解封装(即移除隧道传输报头)。

同理，外部网络向终端101发送的数据分组在到达核心网104之后首先被核心网104封装以进行隧道传输，然后在到达信关站103以后被解封装，之后经卫星链路传输给接入卫星，由接入卫星将数据分组传输给终端101。

图5示出了根据本发明的管理低轨卫星通信系统中的移动性的方法200的流程图，其中虚线框表示可选步骤。

在可选步骤202，进行低轨卫星通信系统的初始化。该初始化例如包括给终端和外网端口分配第一层IP地址，并且给卫星、信关站和核心网分配第二层IP地址。

在步骤204，终端从第一接入卫星切换到第二接入卫星。该切换例如是由于终端或卫星的移动造成的。该切换例如可以由终端主动发起。

在步骤206，由信关站向核心网通知切换结果以便核心网在隧道传输中使用与切换结果相适应的新路由。

在步骤208，208由信关站和核心网对在终端与外网之间传输的数据分组进行封装和解封装以实现终端与外网端口之间的隧道通信。

在可选步骤201，由核心网根据切换结果更新卫星归属列表。

本发明至少具有下列优点：可以大大降低或者甚至免除卫星维护终端路由信息的工作，这是因为，终端与卫星分属不同层的IP地址且终端与外部网络之间的通信采用隧道通信，因此终端与外部网络之间的通信对卫星而言是透明的、即不可见的，因此如果终端发生了移动并由此切换了接入卫星，则仅需由核心网络维护或更新路由信息、即更新接入卫星信息，即可继续隧道传输，因此这些卫星本身不必维护或更新路由信息，由此大大降低了对星上资源的需求，从而提高卫星通信的实用性、稳定性、效率和用户体验。

虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。

Claims (8)

1.一种管理低轨卫星通信系统中的移动性的方法，其中所述低轨卫星通信系统包括终端、卫星、信关站和核心网，其中终端和核心网的外网端口具有第一层IP地址，并且卫星、信关站和核心网的内部端口具有第二层IP地址，该方法包括下列步骤：

在终端从第一接入卫星切换到第二接入卫星以后由信关站向核心网通知切换结果；以及

由信关站和核心网对在终端与外网之间传输的数据分组进行封装和解封装以实现终端与外网端口之间的隧道通信，其中路由信息由核心网、而不是卫星来维护和更新。

2.根据权利要求1所述的方法，其中第一层IP地址的长度为8字节且所述8个字节中的前4个字节与归属的核心网绑定，并且第二层IP地址的长度为4字节。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括：

由核心网根据切换结果更新卫星归属列表，其中所述归属列表包括终端的IP地址和终端所归属的核心网的IP地址。

4.根据权利要求1所述的方法，其中由终端从第一接入卫星切换到第二接入卫星包括：

由终端、第一接入卫星和第二接入卫星协同完成卫星切换。

5.一种低轨卫星通信系统，具有：

卫星，其包括终端所归属的接入卫星以及中继卫星，其中卫星具有与终端和核心网的外网端口的第一层IP地址不处于同层的第二层IP地址；

信关站，其被配置为在终端从第一接入卫星切换到第二接入卫星以后向核心网通知切换结果并且对来自终端的数据分组进行重新封装并且对来自外网端口的数据分组进行解封装，其中信关站具有第二层IP地址；以及

核心网，其被配置为对去往终端的数据分组进行重新封装并且对去往外网端口的数据分组进行解封装，其中核心网的内部端口具有第二层IP地址，其中路由信息由核心网、而不是卫星来维护和更新。

6.根据权利要求5所述的系统，其中第一层IP地址的长度为8字节，并且第二层IP地址的长度为4字节。

7.根据权利要求5所述的系统，其中核心网还被配置为根据切换结果更新卫星归属列表，其中所述归属列表包括终端的IP地址和终端所归属的核心网的IP地址。

8.根据权利要求5所述的系统，其中该系统包括108颗低轨卫星和6个信关站，其中为每个信关站分配一个核心网，并且核心网维护其归属的终端。

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