CN110167086B - 一种卫星网络与地面网络混合使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种卫星网络与地面网络混合使用方法，开机状态下，设备不间断地检测卫星网络和地面网络信号，并不间断地判断其能否连接上卫星网络和地面网络，当判断能够连接时选择一种网络与设备进行连接，否则，设备保持原状态不变；选择的原则为：当仅能连接上卫星网络时，选择卫星网络；其他情况下，选择地面网络，并在能够检测到卫星网络信号时保持卫星网络处于待命状态；当相邻两次判断选择的网络相同时，保持原网络连接状态不变；反之，则切换网络。本发明的方法缩短了切换时间，避免了在网络切换过程造成较长时间的网络中断，提升了用户体验。

Description

一种卫星网络与地面网络混合使用方法
技术领域
本发明属卫星通讯技术领域，涉及一种卫星网络与地面网络混合使用方法。
背景技术
卫星通讯技术指通过卫星进行语音、数据和图像的处理和传送，目前越来越多的应用到探险、救援、前线采访、航海以及电视直播等领域。利用该技术搭建的卫星网络不需要借助地面基站，非常适合在偏远地区、海洋和灾区等场景使用。
但是由于卫星流量费用极其昂贵，目前应用范围还是较窄，过高的流量费用会阻碍卫星通讯技术的普及，所以尽可能地节省流量费用变得越来越重要。如图1所示，现有的卫星通讯方案往往只接入卫星网络，无法接入地面网络以节省流量费用。除去费用低廉这一优点，地面网络延时很低，速度很快，稳定性更高。因此，在有地面网络覆盖的区域，地面网络无疑是首选。
如果要使用两(多)种网络，那就必然涉及到两(多)种网络切换的问题。现有的两(多)种网络切换方法都是针对不同地面网络之间的切换，例如WIFI/4G之间切换，都没有考虑到网络切换后重新建立网络连接需要一段时间。而卫星网络相比于地面网络，延时更大，切换到卫星网络后重新建立网络连接的时间更长，如果仍然采用相同切换方法，切换过程耗时会非常长。
因此，研究一种缩短切换时间进而避免在网络切换过程中造成较长时间的网络中断的卫星网络与地面网络混合使用的方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中卫星网络与地面网络混合使用时两种网络间的切换耗时长进而造成长时间的网络中断的问题，提供一种卫星网络与地面网络混合使用方法。本发明混合使用地面网络与卫星网络，优先使用地面网络，可以大量节省用户流量费用，而且同时接入两个网络也大大增加了网络的稳定性，减小通讯中断的可能性；在卫星网络未与设备连接时，保持其处于待命状态，卫星网络待命功能能够保证在使用地面网络时设备与卫星网络未断开连接，在切换后可以节省重新建立连接的时间，减小了切换时间。
为达到上述目的，本发明采用的方案如下：
一种卫星网络与地面网络混合使用方法，开机状态下，设备不间断地检测卫星网络和地面网络信号，并不间断地判断其能否连接上卫星网络和地面网络，当判断能够连接时选择一种网络与设备进行连接，否则，设备保持原状态不变；客户在设定界面可以选择是否使用自动切换功能；如果选择使用，则自动切换功能打开，如果选择不使用，则自动切换功能关闭，客户可以手动选择使用地面网络或者卫星网络；如果使用自动切换功能，则会优先使用地面网络；
选择的原则为：当仅能连接上卫星网络时，选择卫星网络；其他情况下，选择地面网络并在能够检测到卫星网络信号时保持卫星网络处于待命状态；当相邻两次判断选择的网络相同时，保持原网络连接状态不变；反之，则切换网络；
卫星网络待命是指：当设备可以同时连接上地面网络和卫星网络时，默认使用地面网络，根据设备当前存在的网络连接的网络应用层协议，通过卫星网络与这些网络连接的目标IP建立并保持TCP或者UDP连接，卫星网络待命的一个关键前提和特征是即使在设备可以连接地面网络并且默认使用地面网络的时候，也会根据设备的当前情况保持卫星网络的连接，具体连接的方式见下文。
作为优选的方案：
如上所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，设备为具有网络功能终端设备(例如手机、电脑等等)或网关设备(例如路由器等)。
如上所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，设备开机后先在路由表iproute table中注册两路网络并将地面网络设置为当前路由；检测采用网络信号检测方法；设备不间断地检测卫星网络和地面网络信号是指设备既不断采样代表地面网络信号强度的RSRP指标又不断采样代表卫星网络信号强度的信号带宽Bandwidth。
如上所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，不断采样是指间隔100ms～10s采样一次，若采样时间过短，直接结果是频繁的采样对带宽的消耗很大；若采样时间过长，可能出现网络切换不及时而导致数据的丢失，采样间隔设置于此主要是基于对以上两种情况的平衡。
如上所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，设备结合北斗或GPS定位数据记录地图上各位置的网络信号状况，记录即设备实时将网络信号状况和定位数据上传至服务器的数据处理程序，由服务器的数据处理程序将网络信号状况和定位数据存储到服务器上的数据库。
如上所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，判断流程如下：
(1)读取网络的信号强度；
(2)判断网络的信号强度是否高于或等于网络设定的报警阈值，如果是，则能够连接；反之，则进入下一步；
(3)判断网络的信号强度是否低于网络设定的故障阈值，如果是，则没有网络；反之，则进入下一步；
(4)持续对网络进行icmp心跳包检测，即设备不断向网络发送PULL心跳包，并记录每次的响应时间RTT；
(5)判断是否连续三次未通过icmp心跳包检测，即是否连续三次RTT大于RTTth，如果是，则无法连接；反之，则能够连接；RTTth的计算公式如下：
Figure BDA0002049996470000031
式中，RTT1～5是最近五次的心跳包的响应时间，λa～λe是RTT1～5的权重，分别对应为0.1、0.1、0.2、0.2和0.4，Kset是用户可设的参数，越大代表算出的RTTth越大，对于网络响应速度的要求也越低取值范围为1.0～2.0，用户可以在此范围内修改；
判断流程不限于此，可适当调整，例如步骤(2)和步骤(3)对调，同样在本发明的保护范围内；
网络为卫星网络或地面网络，其分别采用设备上的卫星通讯模块和2/3/4G通讯模块读取；
卫星网络和地面网络的判断过程可以同时进行，也可以先后进行，可以先判断卫星网络再判断地面网络，也可以先判断地面网络再判断卫星网络，由于本发明优选采用成本较低的地面网络，因而此处优选先判断地面网络再判断卫星网络。
如上所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，对于地面网络，设定RSRP＝-95为报警阈值，RSRP＝-105为故障阈值；对于卫星网络，设定Bandwidth＝35dB为报警阈值，Bandwidth＝25dB为故障阈值。
如上所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，保持TCP或者UDP连接是通过定时向目标IP发送TCP或者UDP心跳包实现的；
定时发送即每隔一定的时间发送一次，设定间隔时间的最大值和最小值分别为Tmax和Tmin，默认初始化间隔时间Tcurrent＝Tmin，隔段时间进行icmp心跳包检测，如果通过检测一次，则令Tcurrent＝(Tcurrent+Tmax)/2，增加检测间隔时间；反之，则令Tcurrent＝(Tcurrent+Tmin)/2，减小检测间隔时间。
如上所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，隔段时间是指隔1ms～100ms，若采样时间过短，可能造成丢包或网络堵塞等现象；若采样时间过长，则无法及时完成网络情况判断。
如上所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，在每次切换网络后，启动TCPSTOP功能，即具有网络共享功能的卫星通讯终端设备或卫星通讯网关设备向连接到其上的设备发送TCP RESET包，强制这些设备重新发起TCP连接请求。
有益效果
(1)本发明的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，能够混合使用地面网络与卫星网络，优先使用地面网络，可以大大节省用户流量费用；
(2)本发明的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，同时接入两个网络也大大增加了网络的稳定性，减小通讯中断的可能性；
(3)本发明的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，卫星网络待命功能在使用地面网络时已经建立了网络连接，在切换后可以节省重新建立连接的时间，减小了切换时间；
(4)本发明的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，TCP RESET技术用于网关设备时，缩短了TCP连接中断的时间。
附图说明
图1为现有的卫星通讯方案的网络连接示意图；
图2为一种卫星网络与地面网络混合使用方法网络连接示意图；
图3为一种卫星网络与地面网络混合使用方法具体流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
一种卫星网络与地面网络混合使用方法，开机状态下，先在设备的路由表iproutetable中注册两路网络并将地面网络设置为当前路由，设备为具有网络功能终端设备或网关设备，再采用网络信号检测方法每间隔100ms～10s采样一次检测卫星网络信号强度的信号带宽Bandwidth和地面网络信号强度的RSRP指标，并不间断地判断其能否连接上卫星网络和地面网络，当判断能够连接时选择一种网络与设备进行连接，否则，设备保持原状态不变；
卫星网络和地面网络能否连接的判断流程如下：
(1)读取网络的信号强度；
(2)判断网络的信号强度是否高于或等于网络设定的报警阈值，其中，地面网络报警阈值RSRP＝-95，卫星网络报警阈值Bandwidth＝35dB，如果是，则能够连接；反之，则进入下一步；
(3)判断网络的信号强度是否低于网络设定的故障阈值，其中，地面网络故障阈值RSRP＝-105，卫星网络故障阈值Bandwidth＝25dB，如果是，则没有网络；反之，则进入下一步；
(4)持续对网络进行icmp心跳包检测，即设备不断向网络发送PULL心跳包，并记录每次的响应时间RTT；
(5)判断是否连续三次未通过icmp心跳包检测，即是否连续三次RTT大于RTTth，如果是，则无法连接；反之，则能够连接；RTTth的计算公式如下：
Figure BDA0002049996470000041
式中，RTT1～5是最近五次的心跳包的响应时间，λa～λe是RTT1～5的权重，分别对应为0.1、0.1、0.2、0.2和0.4，Kset取值范围为1.0～2.0；
网络为卫星网络或地面网络，其分别采用设备上的卫星通讯模块和2/3/4G通讯模块读取；
选择的原则为：当仅能连接上卫星网络时，选择卫星网络；其他情况下，选择地面网络，并在能够检测到卫星网络信号时保持卫星网络处于待命状态；当相邻两次判断选择的网络相同时，保持原网络连接状态不变；反之，则切换网络；
卫星网络待命是指：根据设备当前存在的网络连接的网络应用层协议，通过卫星网络与这些网络连接的目标IP建立并保持TCP或者UDP连接，这是通过定时向目标IP发送TCP或者UDP心跳包实现的，其中定时发送即每隔一定的时间发送一次，设定间隔时间的最大值和最小值分别为Tmax和Tmin，默认初始化间隔时间Tcurrent＝Tmin，隔1ms～100ms进行icmp心跳包检测，如果通过检测一次，则令Tcurrent＝(Tcurrent+Tmax)/2；反之，则令Tcurrent＝(Tcurrent+Tmin)/2；
每次切换网络后，具有网络共享功能的卫星通讯终端设备或卫星通讯网关设备向连接到其上的设备发送TCP RESET包，强制这些设备重新发起TCP连接请求；
设备结合北斗或GPS的定位数据记录地图上各位置的网络信号状况，记录即设备实时将网络信号状况和定位数据上传至卫星网络或地面网络的服务器的数据处理程序，由服务器的数据处理程序将网络信号状况和定位数据存储到服务器上的数据库。
如图2所示为一种具体的卫星网络与地面网络混合使用方法网络连接示意图，包括卫星通讯设备、一张中国移动SIM卡以及一张卫星网络SIM卡，卫星通讯设备同时装有2/3/4G通讯模块和卫星通讯模块，卫星通讯设备插入两种SIM卡后，通过2/3/4G通讯模块和卫星通讯模块同时接入地面网络和卫星网络，卫星通讯设备也可以为手机、电脑等上网设备。
如图3所示，卫星通讯设备开机后，自动切换功能默认打开，用户可以在用户设置界面选择是否关闭该功能，本实施例中默认用户不进行该操作，自动切换功能打开，卫星通讯设备混合使用卫星网络与地面网络的流程如下：
(1)将两路网络的网关地址注册到路由表中；
(2)将地面网络网关地址设置为默认网关，并打开NAT功能，使用地面网络进行网络数据交换，同时也通过卫星网络与目标IP建立网络连接，开启卫星网络待命功能；
(3)根据网络信号检测方法检测是否连接到地面网络和卫星网络，本实施例中此时检测到地面网络信号指标RSRP值为-100，低于报警阈值而高于故障阈值，所以对地面网络进行icmp心跳包检测，通过地面网络连续发送三次icmp协议心跳包均超时，判断地面网络中断，而此时检测出卫星网络的信号指标网络带宽Bandwidth为56dB，判断卫星网络仍然处于连接状态；
(4)由于检测出无法连接地面网络且可连接到卫星网络，所以此时切换为卫星网络，并在切换后开启TCP STOP功能，向连接到卫星通讯设备上的各种设备发送TCP RESET包，强制结束设备上的TCP连接；
(5)使用卫星网络一段时间后，假设本实施例中检测到地面网络RSRP值恢复到-85，大于报警阈值，网络信号检测方法判定已经重新连上地面网络，连续对地面网络进行三次icmp心跳包检测，检测结果为三次均通过检测，确定此时已经重新连接上地面网络，切换回地面网络，并在切换后开启TCP STOP功能，向连接到卫星通讯设备上的各种设备发送TCPRESET包，强制结束设备上的TCP连接；
(6)之后继续使用地面网络直到下一次该网络中断的出现，再次重复上述流程。
以上所述仅为本发明的一个实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种卫星网络与地面网络混合使用方法，其特征是：开机状态下，设备不间断地检测卫星网络和地面网络信号，并不间断地判断其能否连接上卫星网络和地面网络，当判断能够连接时选择一种网络与设备进行连接，否则，设备保持原状态不变；
选择的原则为：当仅能连接上卫星网络时，选择卫星网络；其他情况下，选择地面网络，并在能够检测到卫星网络信号时保持卫星网络处于待命状态；当相邻两次判断选择的网络相同时，保持原网络连接状态不变；反之，则切换网络；
卫星网络待命是指：根据设备当前存在的网络连接的网络应用层协议，通过卫星网络与这些网络连接的目标IP建立并保持TCP或者UDP连接；
判断流程如下：
（1）读取网络的信号强度；
（2）判断网络的信号强度是否高于或等于网络设定的报警阈值，如果是，则能够连接；反之，则进入下一步；
（3）判断网络的信号强度是否低于网络设定的故障阈值，如果是，则没有网络；反之，则进入下一步；
（4）持续对网络进行icmp心跳包检测，即设备不断向网络发送PULL心跳包，并记录每次的响应时间RTT；
（5）判断是否连续三次未通过icmp心跳包检测，即是否连续三次RTT大于RTTth，如果是，则无法连接；反之，则能够连接；RTTth的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，RTT1~5是最近五次的心跳包的响应时间，
Figure 557655DEST_PATH_IMAGE002
~
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是RTT1~5的权重，分别对应为0.1、0.1、0.2、0.2和0.4，
Figure 665288DEST_PATH_IMAGE004
是用户可设的参数，
Figure 857235DEST_PATH_IMAGE004
取值范围为1.0~2.0；
网络为卫星网络或地面网络，其分别采用设备上的卫星通讯模块和2/3/4G通讯模块读取。
2.根据权利要求1所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，其特征在于，设备为具有网络功能终端设备或网关设备。
3. 根据权利要求1所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，其特征在于，设备开机后先在设备的路由表iproute table中注册两路网络并将地面网络设置为当前路由；检测采用网络信号检测方法；设备不间断地检测卫星网络和地面网络信号是指设备既不断采样代表地面网络信号强度的RSRP指标又不断采样代表卫星网络信号强度的信号带宽Bandwidth。
4.根据权利要求3所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，其特征在于，不断采样是指间隔100ms~10s采样一次。
5.根据权利要求3所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，其特征在于，设备结合北斗或GPS的定位数据记录地图上各位置的网络信号状况，记录即设备实时将网络信号状况和定位数据上传至卫星网络或地面网络的服务器的数据处理程序，由服务器的数据处理程序将网络信号状况和定位数据存储到服务器上的数据库。
6.根据权利要求1所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，其特征在于，对于地面网络，设定RSRP=-95为报警阈值，RSRP=-105为故障阈值；对于卫星网络，设定Bandwidth=35dB为报警阈值，Bandwidth=25dB为故障阈值。
7.根据权利要求1所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，其特征在于，保持TCP或者UDP连接是通过定时向目标IP发送TCP或者UDP心跳包实现的；
定时发送即每隔一定的时间发送一次，设定间隔时间的最大值和最小值分别为Tmax和Tmin，默认初始化间隔时间Tcurrent= Tmin，隔段时间进行icmp心跳包检测，如果通过检测一次，则令Tcurrent = (Tcurrent + Tmax)/2；反之，则令Tcurrent= (Tcurrent + Tmin)/2。
8.根据权利要求7所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，其特征在于，隔段时间是指隔1ms~100ms。
9.根据权利要求1所述的一种卫星网络与地面网络混合使用方法，其特征在于，在每次切换网络后，具有网络共享功能的卫星通讯终端设备或卫星通讯网关设备向连接到其上的设备发送TCP RESET包，强制这些设备重新发起TCP连接请求。
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