CN111525950A - 一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法 - Google Patents

一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法 Download PDF

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CN111525950A CN202010641154.4A CN202010641154A CN111525950A CN 111525950 A CN111525950 A CN 111525950A CN 202010641154 A CN202010641154 A CN 202010641154A CN 111525950 A CN111525950 A CN 111525950A
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史焱
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Abstract

本发明涉及卫星通信领域，公开了一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法，其技术方案要点是用户终端通过定位模块获取当前时间和地理位置信息；用户终端通过当前时间和地理位置信息得到历史卫星数据，并根据历史卫星数据选择对应在当前时间和位置的最优卫星完成对星；对星完成后，用户终端通过发起RRM测量选择最优的小区进行入网；入网后的用户终端更新最新卫星数据和持续进行RRM测量，并判断是否进行接入卫星切换和小区切换；当触发预设的接入卫星切换条件，则根据最新卫星数据切换接入卫星；当触发预设的小区切换条件，则根据RRM测量结果选择最优的小区进行入网。

Description

一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法
技术领域
本发明涉及卫星通信领域，更具体地说，它涉及一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法。
背景技术
目前，低轨移动卫星通信系统已成为卫星通信技术研究领域的热点。低轨移动卫星通信系统提出“天地一体化”的系统架构，在空间段，采用透明转发或处理转发的低轨星座系统，实现广域覆盖和长距离通信接入；在地面段，采用与当前移动通信一致或类似的4G/5G通信技术体系，通过信关站连接接入网eNB/gNB网元和核心网的EPC/GC，从而实现“天网”和“地网”的充分融合和无缝连接。
相比于高轨卫星通信系统，低轨移动卫星通信系统的卫星星座、波束（小区）覆盖、用户终端位置均处于动态移动状态下，系统拓扑结构高度动态。因此，保证用户终端的接入与切换性能，是低轨移动卫星通信系统研究领域重难点问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法，增强用户侧对于接入和切换的控制能力，降低切换复杂度。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法，包括以下步骤：
用户终端通过定位模块获取当前时间和地理位置信息；
用户终端通过当前时间和地理位置信息得到历史卫星数据，并根据历史卫星数据选择对应在当前时间和位置的最优卫星完成对星；
对星完成后，用户终端通过发起RRM测量选择最优的小区进行入网；
入网后的用户终端更新最新卫星数据和持续进行RRM测量，并判断是否进行接入卫星切换和小区切换；
当触发预设的接入卫星切换条件，则根据最新卫星数据切换接入卫星；当触发预设的小区切换条件，则根据RRM测量结果选择最优的小区进行入网。
作为本发明的一种优选技术方案，所述当前时间和地理位置信息包括当前UTC时间、经度、纬度以及高度。
作为本发明的一种优选技术方案，所述历史卫星数据为历史保存的低轨星座广播星历、低轨卫星轨道参数。
作为本发明的一种优选技术方案，用户终端根据历史卫星数据选择最优卫星的方法是：根据历史卫星数据预报以当前时间T为起点的
Figure 651888DEST_PATH_IMAGE001
的时间段内，用户终端所在位置的卫星星下点轨迹和可视时间，根据终端仰角和可视时间加权算法，选择出最优卫星；入网后的用户终端选择最优卫星的方法是：更新最新卫星数据，包括接收最新的低轨星座广播星历，对星历数据进行解算，预报更新最新卫星数据的时间
Figure 39007DEST_PATH_IMAGE002
时段内卫星终端所在位置的卫星星下点轨迹和可视时间，根据终端仰角和可视时间加权算法，选择出最优卫星。
作为本发明的一种优选技术方案，所述终端仰角和可视时间加权算法为：建立代价函数C，令
Figure 815333DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 237087DEST_PATH_IMAGE004
为终端接入卫星仰角加权系数，
Figure 299721DEST_PATH_IMAGE005
为卫星可视时间加权系数，
Figure 174136DEST_PATH_IMAGE006
为最小仰角，
Figure 488574DEST_PATH_IMAGE007
为在T时刻终端卫星接入仰角，
Figure 764835DEST_PATH_IMAGE008
为在卫星T时刻剩余可视时间，
Figure 998370DEST_PATH_IMAGE009
为卫星最大可视时间，当C的值越小，则卫星更优。
作为本发明的一种优选技术方案，完成对星的方法为：在选择出最优卫星之后，用户终端调整天线对星指向的方位和俯仰角，接入新的卫星。
作为本发明的一种优选技术方案，最优小区的选择方法是：小区测量中的接收功率
Figure 501026DEST_PATH_IMAGE010
且小区搜索中接收的信号质量
Figure 478210DEST_PATH_IMAGE011
，其中小区接收功率参数
Figure 874556DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 652894DEST_PATH_IMAGE013
为测量小区的RSRP值；
Figure 236322DEST_PATH_IMAGE014
为用户终端最低接收电平；
Figure 282775DEST_PATH_IMAGE015
为最低接收电平偏值，
Figure 408994DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 984332DEST_PATH_IMAGE017
为网络侧允许终端最大发射功率，
Figure 55056DEST_PATH_IMAGE018
为终端可最大发射的功率，当
Figure 514988DEST_PATH_IMAGE019
时，
Figure 620347DEST_PATH_IMAGE020
取0，若
Figure 366586DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 190186DEST_PATH_IMAGE020
取差值，小区信号质量参数
Figure 922649DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 413674DEST_PATH_IMAGE023
为小区RSRQ值，
Figure 330814DEST_PATH_IMAGE024
为终端最小接收信号质量，
Figure 750032DEST_PATH_IMAGE025
为最小接收信号质量偏置，是对
Figure 676399DEST_PATH_IMAGE024
的修正；最优小区为选择
Figure 756351DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 719759DEST_PATH_IMAGE027
均大于0，且
Figure 252371DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 716851DEST_PATH_IMAGE027
数值最高的小区，在满足上述条件下，
Figure 792254DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 51197DEST_PATH_IMAGE027
两个参数中，
Figure 71106DEST_PATH_IMAGE026
优先级高于
Figure 339276DEST_PATH_IMAGE027
。
作为本发明的一种优选技术方案，最优小区的切换过程为：根据判定策略为RSRPn＞RSRPs+HOM（TTT）时切换，其中RSRPn为邻小区的参考信号接收功率，RSRPs为用户终端当前所在服务小区的参考信号接收功率，HOM（TTT）表示携带触发时长TTT的切换滞后差值。
作为本发明的一种优选技术方案，若触发小区的切换条件，则用户终端上报网络侧发起切换申请，网络侧接纳切换申请，并为用户终端分配切入小区的信道资源；若目标切入小区资源不可用，则网络侧拒绝切入申请，用户终端将该小区从邻区列表删除，继续进行RRM测量，准备下一次切换过程。
一种应用于低轨移动卫星通信系统的用户终端，包括接入控制单元、基带单元和天线单元；
接入控制单元包括星历解算与预报模块、终端控制模块和地理位置信息模块，星历解算与预报模块用于对广播星历数据的解算和星座运行情况的预报，并选择可接入卫星；终端控制模块用于与基带单元和天线单元通信并进行参数控制和配置，包括对基带单元收发频率、发射功率的控制和对天线单元接入卫星俯仰角、方位角的控制；地理位置信息模块用于采集用户终端当前的位置信息，与星历解算与预报模块交互，用于时间同步和地理位置信息确认；
基带单元用于物理层基带处理，并通过高层协议与网络侧进行信令交互；基带单元同时接受接入控制单元和网络侧的控制，完成指定小区的接入或切换；进行RRM测量，判决小区选择和切换；
天线单元包括自动伺服天线模块、射频模块和天线控制模块，自动伺服天线模块用于卫星射频信号的收发；射频模块用于上下行型号的变频与功率放大，天线控制模块用于天线指向的调整控制。
综上所述，本发明具有以下有益效果：相对于传统卫星切换控制方法，增强用户侧对于接入和切换的控制能力，可有效降低切换复杂度，简化切换过程中用户侧与网络侧的信令交互开销，降低对网络侧能力的依赖，对于通信技术体制要求更加灵活，从而有效提高低轨卫星通信系统的移动性管理性能。
附图说明
图1为用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换控制方法的流程图；
图2为本发明中用户终端的硬件组成配置框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、用户终端通过定位模块获取当前时间和地理位置信息；当前时间和地理位置信息包括当前UTC时间、经度、纬度以及高度。
S2、用户终端通过当前时间和地理位置信息得到历史卫星数据，并根据历史卫星数据选择对应在当前时间和位置的最优卫星，历史卫星数据为历史保存的低轨星座广播星历、低轨卫星轨道参数，用户终端根据历史卫星数据选择最优卫星的方法是：根据历史卫星数据预报以当前时间t为起点的T+Δt的时间段内，用户终端所在位置的卫星星下点轨迹和可视时间，根据终端仰角和可视时间加权算法，选择出最优卫星。
S3、用户终端在
Figure 269186DEST_PATH_IMAGE001
的时间段内的t0时间调整天线的对星指向的方位和俯仰角，完成自动对星。
S4、对星完成后，用户终端通过发起RRM测量选择最优的小区发出入网申请，完成终端入网，最优小区选择参照LTE系统中S准则，即选择S准则下最优小区作为接入小区发起随机接入过程。
S5、入网后的用户终端更新最新卫星数据，包括接收最新的低轨星座广播星历，对星历数据进行解算，预报更新最新卫星数据的时间
Figure 699030DEST_PATH_IMAGE002
时段内卫星终端所在位置的卫星星下点轨迹和可视时间，根据终端仰角和可视时间加权算法，选择出最优卫星。
终端仰角和可视时间加权算法为：终端接入卫星仰角直接影响卫星信道质量，仰角越接近最小可接入仰角，卫星信道质量越差；卫星可视时间越长，单颗卫星服务时间即越长，可降低频繁切换接入卫星的概率。因此加权策略为取得终端仰角与可视时间的平衡，在选择接入卫星时尽量在长可视时间内降低终端处于低仰角的概率。建立代价函数C，令
Figure 206235DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure 386418DEST_PATH_IMAGE004
为终端接入卫星仰角加权系数，
Figure 29889DEST_PATH_IMAGE005
为卫星可视时间加权系数，
Figure 161793DEST_PATH_IMAGE006
为最小仰角，
Figure 766081DEST_PATH_IMAGE007
为在T时刻终端卫星接入仰角，
Figure 376054DEST_PATH_IMAGE008
为在卫星T时刻剩余可视时间，
Figure 874031DEST_PATH_IMAGE009
为卫星最大可视时间，当卫星接入仰角越大，代价函数C越小；剩余可视时间越长，C越小。因此，调整和的权值，即可适应不同纬度地区对于仰角和可视时间的最优值C，用户终端通过导航定位模块得出当前位置信息，通过调整加权系数，可判断出最优接入卫星选择接入，这个选择切换的标准也可以根据位置来进行具体设定；一般的，当C的值越小，则卫星更优。
S6、当触发预设的接入卫星切换条件，则用户终端在t1时间调整天线对星指向的方位和俯仰角，接入新的卫星。
S7、用户终端在入网完成后持续进行RRM测量，计算当前接入卫星下各小区（波束）的质量和优先级，选择出最有小区，判定是否触发小区切换条件。判定方法为对比加入权重参数后的小区的参考信号接收功率RSRP。
最优小区的选择方法是：小区测量中的接收功率
Figure 52203DEST_PATH_IMAGE010
且小区搜索中接收的信号质量
Figure 268421DEST_PATH_IMAGE011
，其中小区接收功率参数
Figure 416505DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 175514DEST_PATH_IMAGE013
为测量小区的RSRP值；
Figure 383641DEST_PATH_IMAGE014
为用户终端最低接收电平；
Figure 87155DEST_PATH_IMAGE015
为最低接收电平偏值，一般设为0~8dB，建议网络侧配置为0；，
Figure 38931DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 150981DEST_PATH_IMAGE017
为网络侧允许终端最大发射功率，
Figure 530010DEST_PATH_IMAGE018
为终端可最大发射的功率，当
Figure 720820DEST_PATH_IMAGE019
时，
Figure 351652DEST_PATH_IMAGE020
取0，若
Figure 944308DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 228658DEST_PATH_IMAGE020
取差值，建议在网络侧配置为20~23dBm，小区信号质量参数
Figure 47710DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 341288DEST_PATH_IMAGE023
为小区RSRQ值，
Figure 788450DEST_PATH_IMAGE024
为终端最小接收信号质量，
Figure 650226DEST_PATH_IMAGE025
为最小接收信号质量偏置，是对
Figure 550049DEST_PATH_IMAGE024
的修正，可在网络侧配置为0；
最优小区为选择
Figure 381739DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 588467DEST_PATH_IMAGE027
均大于0，且
Figure 480200DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 867319DEST_PATH_IMAGE027
数值最高的小区，在满足上述条件下，
Figure 643645DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 65399DEST_PATH_IMAGE027
两个参数中，
Figure 128033DEST_PATH_IMAGE026
优先级高于
Figure 143394DEST_PATH_IMAGE027
。
最优小区的切换过程为：根据判定策略为RSRPn＞RSRPs+HOM（TTT）时切换，其中RSRPn为邻小区的参考信号接收功率，RSRPs为用户终端当前所在服务小区的参考信号接收功率，HOM（TTT）表示携带触发时长TTT的切换滞后差值。HOM为切换滞后差值，即当前服务小区与相邻小区的RSRP差值，该值还携带触发时长TTT，即此段时间内必须持续满足某一HOM条件才能进行切换判决，TTT参数的设定是为了延长切换判决时间，可防止切换中“乒乓效应”的发生，避免终端在不同小区之间持续来回切换。当触发预设的小区切换条件，则根据RRM测量结果选择最优的小区进行入网。
S8、若触发小区的切换条件，则用户终端上报网络侧发起切换申请，网络侧接纳切换申请，并为用户终端分配切入小区的信道资源；
S9、若目标切入小区资源不可用，则网络侧拒绝切入申请，用户终端将该小区从邻区列表删除，继续进行RRM测量，准备下一次切换过程。
本发明还提供一种应用于低轨移动卫星通信系统的用户终端，如图2所示，包括接入控制单、基带单元和天线单元。
其中接入控制单元具备由星历解算与预报模块、终端控制模块和地理位置信息模块组成，星历解算与预报模块负责对广播星历数据的解算和星座运行情况的预报，并选择可接入卫星，它一般由X86或ARM架构中央处理器、动态随机存储器SDRAM和NOR Flash闪存构成；终端控制模块负责与基带单元和天线单元通信，一般包括总线控制器和通信接口，对其进行参数控制和配置，包括对基带单元收发频率、发射功率的控制和对天线单元接入卫星俯仰角、方位角的控制；地理位置信息模块采集用户终端当前的位置信息，与星历解算与预报模块交互，用于时间同步和地理位置信息确认，一般采用GPS或北斗导航定位模块。
基带单元一般由AD模数转换芯片、DA数模转换芯片、FPGA可编程逻辑芯片、动态随机存储器SDRAM以及ARM架构的协议处理器组成，它根据低轨卫星通信系统技术架构体系负责物理层基带处理，并通过高层协议与网络侧进行信令交互；基带单元同时接受接入控制单元和网络侧的控制，完成指定小区（波束）的接入或切换；进行RRM测量，判决小区选择和切换。
天线单元由自动伺服天线模块、射频模块和天线控制模块组成，自动伺服天线模块由卫星天线和伺服电机组成，负责卫星射频信号的收发；射频模块由上行功放BUC和下行低噪放LNB组成，负责上下行型号的变频与功率放大，天线控制模块一般由微处理器MCU和串行通信接口组成，则负责天线指向的调整控制。
综上所述，本发明发相对于传统卫星切换控制方法，增强用户侧对于接入和切换的控制能力，可有效降低切换复杂度，简化切换过程中用户侧与网络侧的信令交互开销，降低对网络侧能力的依赖，对于通信技术体制要求更加灵活，从而有效提高低轨卫星通信系统的移动性管理性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法，其特征是：包括以下步骤：
用户终端通过定位模块获取当前时间和地理位置信息；
用户终端通过当前时间和地理位置信息得到历史卫星数据，并根据历史卫星数据选择对应在当前时间和位置的最优卫星完成对星；
对星完成后，用户终端通过发起RRM测量选择最优的小区进行入网；
入网后的用户终端更新最新卫星数据和持续进行RRM测量，并判断是否进行接入卫星切换和小区切换；
当触发预设的接入卫星切换条件，则根据最新卫星数据切换接入卫星；当触发预设的小区切换条件，则根据RRM测量结果选择最优的小区进行入网。
2.根据权利要求1所述的一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法，其特征是：所述当前时间和地理位置信息包括当前UTC时间、经度、纬度以及高度。
3.根据权利要求2所述的一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法，其特征是：所述历史卫星数据为历史保存的低轨星座广播星历、低轨卫星轨道参数。
4.根据权利要求3所述的一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法，其特征是：用户终端根据历史卫星数据选择最优卫星的方法是：根据历史卫星数据预报以当前时间T为起点的
Figure 355414DEST_PATH_IMAGE001
的时间段内，用户终端所在位置的卫星星下点轨迹和可视时间，根据终端仰角和可视时间加权算法，选择出最优卫星；入网后的用户终端选择最优卫星的方法是：更新最新卫星数据，包括接收最新的低轨星座广播星历，对星历数据进行解算，预报更新最新卫星数据的时间
Figure 100516DEST_PATH_IMAGE002
时段内卫星终端所在位置的卫星星下点轨迹和可视时间，根据终端仰角和可视时间加权算法，选择出最优卫星。
5.根据权利要求4所述的一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法，其特征是：所述终端仰角和可视时间加权算法为：建立代价函数C，令
Figure 474997DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 367867DEST_PATH_IMAGE004
为终端接入卫星仰角加权系数，
Figure 813892DEST_PATH_IMAGE005
为卫星可视时间加权系数，
Figure 584139DEST_PATH_IMAGE006
为最小仰角，
Figure 519734DEST_PATH_IMAGE007
为在T时刻终端卫星接入仰角，
Figure 509687DEST_PATH_IMAGE008
为在卫星T时刻剩余可视时间，
Figure 759403DEST_PATH_IMAGE009
为卫星最大可视时间，当C的值越小，则卫星更优。
6.根据权利要求5所述的一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法，其特征是：完成对星的方法为：在选择出最优卫星之后，用户终端调整天线对星指向的方位和俯仰角，接入新的卫星。
7.根据权利要求1所述的一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法，其特征是：最优小区的选择方法是：小区测量中的接收功率
Figure 275835DEST_PATH_IMAGE010
且小区搜索中接收的信号质量
Figure 320014DEST_PATH_IMAGE011
，其中小区接收功率参数
Figure 797263DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 647407DEST_PATH_IMAGE013
为测量小区的RSRP值；
Figure 221608DEST_PATH_IMAGE014
为用户终端最低接收电平；
Figure 108793DEST_PATH_IMAGE015
为最低接收电平偏值，
Figure 463551DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 960129DEST_PATH_IMAGE017
为网络侧允许终端最大发射功率，
Figure 388836DEST_PATH_IMAGE018
为终端可最大发射的功率，当
Figure 102714DEST_PATH_IMAGE019
时，
Figure 288976DEST_PATH_IMAGE020
取0，若
Figure 418606DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 764137DEST_PATH_IMAGE020
取差值，小区信号质量参数
Figure 258703DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 260157DEST_PATH_IMAGE023
为小区RSRQ值，
Figure 990216DEST_PATH_IMAGE024
为终端最小接收信号质量，
Figure 331198DEST_PATH_IMAGE025
为最小接收信号质量偏置，是对
Figure 58983DEST_PATH_IMAGE024
的修正；最优小区为选择
Figure 610050DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 252122DEST_PATH_IMAGE027
均大于0，且
Figure 509928DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 470930DEST_PATH_IMAGE027
数值最高的小区，在满足上述条件下，
Figure 384660DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 394204DEST_PATH_IMAGE027
两个参数中，
Figure 834413DEST_PATH_IMAGE026
优先级高于
Figure 576104DEST_PATH_IMAGE027
。
8.根据权利要求7所述的一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法，其特征是：最优小区的切换过程为：根据判定策略为RSRPn＞RSRPs+HOM（TTT）时切换，其中RSRPn为邻小区的参考信号接收功率，RSRPs为用户终端当前所在服务小区的参考信号接收功率，HOM（TTT）表示携带触发时长TTT的切换滞后差值。
9.根据权利要求8所述的一种用于低轨移动卫星通信系统的终端接入与切换方法，其特征是：若触发小区的切换条件，则用户终端上报网络侧发起切换申请，网络侧接纳切换申请，并为用户终端分配切入小区的信道资源；若目标切入小区资源不可用，则网络侧拒绝切入申请，用户终端将该小区从邻区列表删除，继续进行RRM测量，准备下一次切换过程。
10.一种应用于低轨移动卫星通信系统的用户终端，其特征是：包括接入控制单元、基带单元和天线单元；
接入控制单元包括星历解算与预报模块、终端控制模块和地理位置信息模块，星历解算与预报模块用于对广播星历数据的解算和星座运行情况的预报，并选择可接入卫星；终端控制模块用于与基带单元和天线单元通信并进行参数控制和配置，包括对基带单元收发频率、发射功率的控制和对天线单元接入卫星俯仰角、方位角的控制；地理位置信息模块用于采集用户终端当前的位置信息，与星历解算与预报模块交互，用于时间同步和地理位置信息确认；
基带单元用于物理层基带处理，并通过高层协议与网络侧进行信令交互；基带单元同时接受接入控制单元和网络侧的控制，完成指定小区的接入或切换；进行RRM测量，判决小区选择和切换；
天线单元包括自动伺服天线模块、射频模块和天线控制模块，自动伺服天线模块用于卫星射频信号的收发；射频模块用于上下行型号的变频与功率放大，天线控制模块用于天线指向的调整控制。
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