CN110572203A - 一种卫星通信中的用户切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种卫星通信中的用户切换方法通过地面网络管理中心给每一个卫星的覆盖区域边缘设立相对于用户终端的待切换区域，然后将处于卫星待切换区域的用户终端进行卫星切换，使用户终端连接到其可视范围内的且相对于本用户终端的待切换区域不在该范围的其他卫星上。本发明的优点在于本发明通过在卫星覆盖区中设定灵活的待切换区域，并采用用户终端判决方案来实现用户终端的卫星切换，策略灵活可靠、工程实现简单，且在保证用户通信质量的同时很好的避免了频繁乒乓切换问题。

Description

一种卫星通信中的用户切换方法

技术领域

本发明涉及卫星通信领域，具体来说涉及卫星通信中的用户切换管理，更具体地说，涉及一种卫星通信中基于待切换区域的用户切换方法。

背景技术

卫星通信中，尤其是低轨卫星，为了避免卫星的高动态特性影响用户终端的通信服务质量，用户终端需要进行频繁的切换，概况来说，有以下几个方面：

(1)一颗卫星对地面用户终端的覆盖时间很短，卫星覆盖区边缘处信号强度相对较弱，为了不影响用户终端的通信服务质量，用户终端需要切换至其他卫星；

(2)用户分布不均造成的负载不平衡问题，部分用户终端可以切换到临近卫星，以降低某些卫星的负载压力，提高通信服务质量；

(3)由赤道向两极地区卫星密度逐渐增加，覆盖重叠情况愈加严重，造成用户终端切换时选星困难的问题，容易出现“乒乓”切换。

由此可以看出，如果用户终端的切换策略不够完善，会造成用户终端频繁的“乒乓切换”，这将直接影响用户的通信质量和服务体验。用户终端位于多颗卫星的覆盖范围之内，新用户终端发起呼叫时必须选择一颗卫星接入，而正在通信中的用户终端发起切换时，也必须选择下一颗通信卫星实现切换。不论是新用户终端接入还是老用户终端切换，都面临选星问题，如何选择卫星就需要有合适的多星接入控制策略。

现有的切换策略主要分为以下三种策略：

(1)基于最大通信仰角(最强信号质量、最短卫星距离)的切换策略

该策略是根据用户终端和卫星的距离，选用离用户终端最近的卫星，也就是通信仰角最大的卫星或者说是信号质量最好的卫星进行切换，可以保证该时刻用户终端的服务质量最好。

(2)基于最长服务时间的切换策略

用户终端在切换时选择可以提供服务时间最长的卫星进行切换，在一定程度上降低用户的切换次数。

(3)基于最多可用信道(最多资源剩余，负载均衡)的切换策略

用户终端在切换时选择空闲信道(资源剩余)最多的卫星进行切换，也就是负载最小的卫星，能够减小掉话率和阻塞率，提高系统的资源利用率。

上述当前的切换策略中，基于最大通信仰角的策略在高纬度地区有着频繁切换的缺点，基于最长服务时间和最多可用信道的策略有着通信质量较差的缺点，以上策略之间互为缺憾，虽然有很多研究人员将以上策略加以不同的权重，综合设计并优化目标函数，但是切换技术都是建立在天线等相关设备设计、空中接口测量与判决、协议体制流程或者切换目标函数最优化求解算法方面，没有比较完善的切换区域设置和算法结合方面的策略。尤其是近年来低成本、高效率、大带宽的低轨卫星通信系统发展迅猛，低轨卫星以高于7km/s的速度绕着地球旋转，切换问题尤为突出。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种能够克服用户终端频繁乒乓切换并且保证服务质量的卫星通信系统中的用户切换方法。

根据本发明提供的一种卫星通信系统中的用户切换方法，用于地面网络管理管理中心、信关站、卫星、用户终端组成的卫星通信系统中卫星与用户终端通信的切换管理，包括如下步骤：

S1、地面网络管理中心给每一个卫星的覆盖区域边缘设立相对于用户终端的待切换区域；

S2、对处于步骤S1设立的卫星待切换区域的用户终端进行卫星切换，使用户终端连接到其可视范围内的且相对于所述用户终端的待切换区域不在该范围的其他卫星上。

针对所有用户终端实时执行步骤S1-S2。

其中，所述步骤S1包括如下步骤：

S11、地面网络管理中心将每个卫星相对于用户终端的待切换区域填入系统广播消息中；

S12、用户终端连接的源卫星将待切换区域信息下发至用户终端。

所述步骤S2包括如下步骤：

S21、判断用户终端是否处于源卫星的待切换区域；

S22、对于步骤S21判断结果为是的用户终端，将所述用户终端连接到当前可视范围内除源卫星以外的且用户终端不处于其待切换区域内的可视卫星上。

优选的，所述步骤S22包括如下步骤：

S221、获取用户终端当前可视范围内除源卫星以外的其他可视卫星中的一颗卫星的信息，判断用户终端是否处于该可视卫星的待切换区域内，若是，则执行步骤S223；若否，则执行步骤S222；

S222、将当前选择的可视卫星作为候选切换卫星，并统计该可视卫星的信道空闲资源数；

S223、判断用户终端当前可视范围内是否还有未执行步骤S221的可视卫星，若是，则执行步骤S221；若否，执行步骤S224；

S224、从所有候选切换卫星中选择信道资源数最大的可视卫星作为用户终端的目的切换卫星，将用户终端切换到目的切换卫星上。

优选的，所述步骤S11包括如下步骤：

S111、地面网络管理中心实时获取用户终端可视范围内各个卫星的位置信息、用户终端的位置信息；

S112、根据步骤S111获取的信息在用户终端移动方向上，在卫星覆盖区域边缘实时设立相对于该用户终端的U形待切换区域。

卫星相对于用户终端的U形待切换区域的宽度由该卫星在近地点的速度与该用户终端完成切换所需的时间的乘积确定。优选方式下，根据通信质量以及卫星所在纬度的不同将U形待切换区域的宽度设置为该卫星在近地点的速度与该用户终端完成切换所需时间的乘积的任意倍数，最小宽度不小于二者的乘积。

与现有技术相比，本发明的优点在于本发明通过在卫星覆盖区中设定灵活的待切换区域，并采用用户终端判决方案来实现用户终端的卫星切换，策略灵活可靠、工程实现简单，且在保证用户通信质量的同时很好的避免了频繁乒乓切换问题。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明实施例的卫星通信系统设备组成示意图；

图2为根据现有技术下低纬度地区用户终端卫星切换示意图；

图3为根据现有技术下高纬度地区用户终端卫星切换示意图；

图4为根据现有技术下低纬度地区用户终端卫星切换简化示意图；

图5为根据现有技术下高纬度地区用户终端卫星切换简化示意图；

图6为根据本发明实施例的用户终端卫星切换流程示意图；

图7为根据本发明实施例的低纬度地区用户终端卫星切换示意图；

图8为根据本发明实施例的高纬度地区用户终端卫星切换示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

首先介绍一下本发明的相关背景。

如图1所示，卫星通信系统包括地面网络管理中心(NMC)、信关站、若干卫星、若干用户终端。发明人在进行低轨卫星通信系统研究时发现，卫星在地球上空以7km/s高速运转，每颗卫星对于地面用户终端而言过顶时间不到十分钟，可接入时间约为1-8分钟，若没有较好的切换方案，频繁的乒乓切换将造成用户通信终端掉话率较高，降低用户终端的通信质量和服务体验。由于低轨卫星星座覆盖不均匀的特点，由赤道向两极地区卫星密度逐渐增加，故其重叠覆盖的面积也逐渐增加，用户频繁切换变得十分突出。如图2所示，在低纬度地区，用户终端与卫星相对运动方向相反，卫星覆盖重叠度相对较低，用户终端处于卫星A-1边缘时，需要进行切换，可从卫星A-1移出，然后可选择卫星A-2接入。但是随着卫星的移动，如图3所示，在高纬度地区，卫星覆盖范围重叠度较高，用户终端处于卫星A-1边缘时，需要进行切换，在其可视范围内的卫星有B-1、A-2、C-1可供接入,如果依靠传统的信号强度、通信仰角和卫星负载情况判断来接入的话，就很可能会接入卫星B-1、C-1，然后会导致用户终端在卫星B-1、A-2、C-1之间频繁的乒乓切换，造成接入失败或掉话。

更进一步的，我们通过更加简化的示意图来说明。如图4所示，在相对低纬度地区，用户终端与卫星相对运动方向相反，卫星覆盖重叠度相对较低，用户终端处于卫星A-1边缘时，需要进行切换，可从卫星A-1移出，然后可选择卫星A-2或B-1接入，卫星A-2或B-1相对于用户终端的信号强度、通信仰角及其负载没有太大区别，这样就会造成用户终端在卫星A-2或B-1之间频繁的乒乓切换，导致接入失败或掉话。同理，如图5所示，在相对高纬度地区，用户终端与卫星相对运动方向相反，卫星覆盖重叠度相对较高，用户终端处于卫星A-1边缘时，需要进行切换，可从卫星A-1移出，在其可视范围内的卫星有B-1、A-2、C-1可供接入，卫星B-1、A-2、C-1相对于用户终端的信号强度、通信仰角及其负载没有太大区别，这样就会造成用户终端在卫星B-1、A-2、C-1之间频繁的乒乓切换，导致接入失败或掉话。

针对上述问题，发明人经过研究发现，可以通过在卫星通信系统中规划用户终端的切换区域并结合综合切换方法来实现切换过程，并有很好的可实施性，能够在保证用户终端通信质量的同时避免频繁的“乒乓”切换，基于此，为了解决卫星高动态场景中的频繁切换问题带来的通信服务质量下降的问题，本发明提出一种基于待切换区域的卫星通信中用户切换方法，概况地说，包括如下步骤：

步骤1、在卫星覆盖区中设定待切换区域；

步骤2、地面网络管理中心根据卫星所在的纬度不同，确定不同卫星对应不同用户的待切换区域，具体的形状和大小和卫星覆盖模型相关；

步骤3、采用用户终端判决方案，以用户终端不可处于切换目的卫星的待切换区域为标准，并结合资源优化选择合适的卫星供用户终端切换接入；具体地说，当用户进入源卫星的待切换区域时，发起切换请求，根据定位系统提供的位置信息确定可视卫星集合(即波束能覆盖以及下一时刻波束即将覆盖到待切换终端的所有卫星)。若用户拟切换至某一卫星后，处于该卫星的待切换区域，则用户放弃切换至该卫星，并从其余的可视卫星中选择切换星。若不处于该卫星的待切换区域，则该卫星为候选切换卫星之一。遍历可视卫星，从所有候选切换卫星中选择信道剩余资源最多的作为目的切换卫星。

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例详细说明本发明。

根据本发明的一个实施例，如图6所示，本发明的一种卫星通信中的用户切换方法，包括如下步骤：

T1、地面网络管理中心(NMC)根据各卫星的位置信息、用户终端的位置信息、需求信息等实时确定各个卫星相对于用户终端的待切换区域，并将计算结果填入系统广播消息中；在一个实施例中，在用户终端移动方向上，在卫星覆盖区域边缘实时设立相对于该用户终端的U形待切换区域，卫星相对于用户终端的U形待切换区域的宽度由该卫星在近地点的速度与该用户终端完成切换所需的时间的乘积确定，根据通信质量和时间要求以及卫星所处纬度的不同，U形待切换区域的宽度设置为该乘积的任意倍数，最小不低于乘积的一倍；其中，每一个卫星相对于不同的用户终端的待切换区域是不一样的；且每个时刻不同，待切换区域也不一样；卫星所处纬度不同，待切换区域也不一样；

T2、源卫星将待切换区域的广播信息发送给用户终端，即与用户终端连接的源卫星将与用户终端相关的待切换区域信息下发至用户终端；

T3、判断用户终端是否处于源卫星的待切换区域，若是，则转到步骤T4，若否，则转到步骤T1；

T4、从可视卫星中选择一颗卫星，具体地说，获取用户终端当前可视范围内除源卫星以外的其他可视卫星中的一颗卫星的信息，并判断用户终端是否处于当前可视卫星波束的待切换区域内，若是，则转到步骤T6，若否，则转到步骤T5；

T5、将当前选择的可视卫星作为候选切换卫星，并统计该可视卫星的信道空闲资源数；

T6、判断用户终端当前可视范围内是否还有未执行步骤T4的可视卫星，若是，则执行步骤T4；若否，执行步骤T7；

T7、从所有候选切换卫星中选择信道资源数最大的可视卫星作为用户终端的目的切换卫星，将用户终端切换到目的切换卫星上。

根据本发明的一个示例，以低纬度地区的用户终端卫星切换为例，详细说明本发明,如图7所示，卫星A-1、B-1、C-1、A-2移动到低纬度地区，用户终端处于卫星A-1波束覆盖范围的边缘，用户终端可视范围内的卫星包括卫星A-1、B-1、A-2，采用本发明的方法进行用户终端切换包括如下步骤：

P1、根据卫星A-1、B-1、C-1、A-2各自在近地点的速度V_A-1(km/s)、V_B-1(km/s)、V_C-1(km/s)、V_A-2(km/s)以及用户终端从发送切换指令到完成切换所用时间T_A-1(s)、T_B-1(s)、T_C-1(s)、T_A-2(s)确定其各自相对于用户终端的待切换区域，待切换区域U_A-1、U_B-1、U_C-1、U_A-2；其中，U_A-1≥V_A-1*T_A-1、U_B-1≥V_B-1*T_B-1、U_C-1≥V_C-1*T_C-1、U_A-2≥V_A-2*T_A-2；在一个实施例中，待切换区域为用户移动方向上卫星覆盖区域靠近外侧边缘的具有一定宽度的“U”形区域，U形区的边界度越宽，卫星在高纬度地区的切换得更加频繁，为了保证通信的连续性，卫星边界的宽度需保证终端能够完成切换的流程且U形区边界的宽度应尽可能的短；优选的，低纬度地区卫星的待切换区域宽度设置为不大于该卫星在近地点的速度与用户完成切换的时间的乘积的2倍；

P2、NMC将待切换区域U_A-1、U_B-1、U_C-1、U_A-2信息填入系统广播消息中；

P3、用户终端的源卫星A-1将卫星A-1、B-1、C-1、A-2相对于用户终端的待切换区域信息通过系统广播消息下发至用户终端；

P4、用户终端处于源卫星A-1的待切换区域U_A-1内时，发起切换请求，其可视范围内除源卫星A-1以外，可视卫星有卫星B-1、A-2；

P5、分别对卫星B-1、A-2进行判断，判断用户终端是否处于其待切换区域内，由图7所示可知，用户终端处于卫星B-1的待切换区域U_B-1内且不处于卫星A-2的待切换区域U_A-2内,所以，选择卫星A-2作为用户终端切换的目的卫星。

根据本发明的另一个示例，以高纬度地区的用户终端卫星切换为例，详细说明本发明,如图8所示，卫星A-1、B-1、C-1、A-2移动到高纬度地区，用户终端处于卫星A-1波束覆盖范围的边缘，用户可视范围内的卫星包括卫星A-1、B-1、C-1、A-2,采用本发明的方法进行用户终端切换包括如下步骤：

Q1、根据卫星A-1、B-1、C-1、A-2各自在近地点的速度V’_A-1(km/s)、V’_B-1(km/s)、V’_C-1(km/s)、V’_A-2(km/s)以及用户终端从发送切换指令到完成切换所用时间T’_A-1(s)、T’_B-1(s)、T’_C-1(s)、T’_A-2(s)确定其各自相对于用户终端的待切换区域，待切换区域U’_A-1、U’_B-1、U’_C-1、U’_A-2；其中，U’_A-1≥V’_A-1*T’_A-1、U’_B-1≥V’_B-1*T’_B-1、U’_C-1≥V’_C-1*T’_C-1、U’_A-2≥V’_A-2*T’_A-2；在一个实施例中，待切换区为用户移动方向上卫星覆盖区域靠近外侧边缘的具有一定宽度的“U”形区域,U形区域的边界宽度越宽，卫星在高纬度地区的切换得更加频繁，为了保证通信的连续性，卫星边界的宽度需保证终端能够完成切换的流程且U形区边界的宽度应尽可能的短；优选的，高纬度地区卫星的待切换区域宽度设置为该卫星在近地点的速度与用户完成切换的时间的乘积；

Q2、NMC将待切换区域U’_A-1、U’_B-1、U’_C-1、U’_A-2信息填入系统广播消息中；

Q3、用户终端的源卫星A-1将卫星A-1、B-1、C-1、A-2相对于用户终端的待切换区域信息U’_A-1、U’_B-1、U’_C-1、U’_A-2通过系统广播消息下发至用户终端；

Q4、用户终端处于源卫星A-1的待切换区域U‘_A-1内时，发起切换请求，其可视范围内除源卫星A-1以外，可视卫星有卫星B-1、C-1、A-2,且用户终端不处于卫星C-1和A-2的待切换区内；

Q5、任意选择卫星C-1和A-2中的一个为用户终端的目的切换卫星。

优选的，分别对卫星B-1、C-1、A-2进行判断，判断用户终端是否处于其待切换区域内，由图8所示可知，用户终端同时处于卫星B-1的待切换区域U‘_B-1内，不处于卫星C-1和A-2的待切换区域U‘_C-1和U’_A-2内,将卫星C-1和A-2作为用户终端的备选待切换卫星，再对比卫星C-1和A-2的空闲信道资源数，选择空闲信道资源数较大的卫星作为用户终端切换的目的卫星，若卫星C-1的空闲信道资源数较多，则选择卫星C-1作为用户终端的目的切换卫星，若卫星A-2的空闲信道资源数较多，则选择卫星A-2作为用户终端的目的切换卫星。

本发明通过在卫星覆盖区中设定灵活的待切换区域，并采用用户终端判决方案来实现用户终端的卫星切换，策略灵活可靠、工程实现简单，且在保证用户通信质量的同时很好的避免了频繁乒乓切换问题。

需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种卫星通信中的用户切换方法，用于地面网络管理管理中心、信关站、卫星、用户终端组成的卫星通信系统中卫星与用户终端通信的切换管理，其特征在于，包括如下步骤：

S1、地面网络管理中心给每一个卫星的覆盖区域边缘设立相对于用户终端的待切换区域；

S2、对处于步骤S1设立的卫星待切换区域的用户终端进行卫星切换，使用户终端连接到其可视范围内的且相对于所述用户终端的待切换区域不在该范围的其他卫星上。

2.根据权利要求1所述的一种卫星通信中的用户切换方法，其特征在于，所述步骤S1包括如下步骤：

S11、地面网络管理中心将每个卫星相对于用户终端的待切换区域填入系统广播消息中；

S12、用户终端连接的源卫星将待切换区域信息下发至用户终端。

3.根据权利要求2所述的一种卫星通信中的用户切换方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：

S21、判断用户终端是否处于源卫星的待切换区域；

S22、对于步骤S21判断结果为是的用户终端，将所述用户终端连接到当前可视范围内除源卫星以外的且用户终端不处于其待切换区域内的可视卫星上。

4.根据权利要求2所述的一种卫星通信中的用户切换方法，其特征在于，所述步骤S22包括如下步骤：

S221、获取用户终端当前可视范围内除源卫星以外的其他可视卫星中的一颗卫星的信息，判断用户终端是否处于该可视卫星的待切换区域内，若是，则执行步骤S223；若否，则执行步骤S222；

S222、将当前选择的可视卫星作为候选切换卫星，并统计该可视卫星的信道空闲资源数；

S223、判断用户终端当前可视范围内是否还有未执行步骤S221的可视卫星，若是，则执行步骤S221；若否，执行步骤S224；

S224、从所有候选切换卫星中选择信道资源数最大的可视卫星作为用户终端的目的切换卫星，将用户终端切换到目的切换卫星上。

5.根据权利要求4所述的一种卫星通信中的用户切换方法，其特征在于，针对所有用户终端均实时执行步骤S1-S2。

6.根据权利要求2-5任一所述的一种卫星通信中的用户切换方法，其特征在于，所述步骤S11包括如下步骤：

S111、地面网络管理中心实时获取用户终端可视范围内各个卫星的位置信息、用户终端的位置信息；

S112、根据步骤S111获取的信息在用户终端移动方向上，在卫星覆盖区域边缘实时设立相对于该用户终端的U形待切换区域。

7.根据权利要求6所述的一种卫星通信中的用户切换方法，其特征在于，

卫星相对于用户终端的U形待切换区域的宽度由该卫星在近地点的速度与该用户终端完成切换所需的时间的乘积确定。

8.根据权利要求7所述的一种卫星通信中的用户切换方法，其特征在于，卫星相对于用户终端的U形待切换区域的宽度，根据通信质量以及卫星所在纬度的不同设置为该卫星在近地点的速度与该用户终端完成切换所需时间的乘积的任意倍数，最小宽度不小于二者乘积的一倍。

9.一种非易失性存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1至8任一所述方法的步骤。

10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，在所述存储器上存储有能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至8中任一所述方法的步骤。