CN111541479B

CN111541479B - 低轨卫星移动网络终端切换方法、电子设备和介质

Info

Publication number: CN111541479B
Application number: CN202010570868.0A
Authority: CN
Inventors: 王岑; 焦石; 陈津林; 贾利敏
Original assignee: Beijing Frontier Exploration Deep Space Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Ultimate Frontier Deep Space Technology Co., Ltd
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2020-11-13
Anticipated expiration: 2040-06-22
Also published as: CN111541479A

Abstract

本发明涉及一种低轨卫星移动网络终端切换方法、电子设备和介质，应用于控制器时，所述方法包括:确定预设时间段内的切换时序图；将所述切换时序图发送给首个卫星，通过所述首个卫星对终端进行鉴权，将所述终端接入首个卫星；基于所述切换时序图，将所述终端依次切入所述切换时序图中的每一卫星。基于切换时序图实现低轨卫星移动网络切换控制，使得其在空间网络场景中，具有高可用度和高性能。

Description

低轨卫星移动网络终端切换方法、电子设备和介质

技术领域

本发明涉及低轨卫星技术领域，尤其涉及一种低轨卫星移动网络终端切换方法、控制器和介质。

背景技术

低轨卫星（Low Earth Orbit，简称LEO）网络是由围绕地球运行的低轨卫星通过天地链路和星间链路组成的信息网络，其中一个重要应用是提供类似于地面移动网络一样的移动通信和数据服务。提供移动通信服务的低轨卫星网络可成为低轨卫星移动网络。低轨卫星移动网络中，卫星相当于地面基站，负责接入用户，用户则需要持有与网络匹配的终端才能接入网络。在传统地面移动网络中，基站会辐射电磁波，在电磁波覆盖范围内的用户都可以进行接入，这一范围成为小区。类似地，卫星也会产生一个覆盖范围，形成小区。如图1(a)所示，低轨卫星移动网络的控制体制采用软件定义网络（Software-Defined network，SDN），该控制体制设有逻辑上唯一的集中控制器，控制器通过由天地链路和星间链路虚拟成的控制信道与每一个卫星通信。每一个卫星中，有控制代理（Agent），完成控制信息和交换电路配置指令的双向解析。Agent上有控制接口（例如OpenFlow），负责与控制器中相应进程通信。低轨卫星移动网络的切换控制将运行在这样的控制体制上。如图1(b)所示，低轨卫星距离地表

km（通常为500km～1200km），卫星辐射角度为

（通常为

～

），这样，理想状况下一颗卫星的覆盖范围是一个半径为

的圆形。需要说明的是，为了利于说明切换管理设计，取圆形，实际情况覆盖范围可能有很多变化，和轨道设计、天线设计等相关，但总的不影响切换管理逻辑。相邻卫星的覆盖范围彼此有交叠，为了方便管理，取圆的内接正方形作为小区形状，从而公平分配了交叠范围，如图1(c)所示。为了方便叙述，将一个小区标记为C_i,j，其中

是第

个轨道，

是第

个轨道上的第

颗星。因此，C_i,j,C_i+1,j,C_i,j+1,C_i+1,j+1是相邻的四个小区，如图1(d)所示。

不同的是，地面移动网络中基站是固定不动的，用户是相对移动的，当用户移出一个基站的覆盖范围时，会接入邻近基站以保证通信的不间断，这一个过程称为切换，地面移动网络的切换是较为缓慢的。而在卫星移动网络中，由于卫星移动速度很快，如果将卫星看作相对静止，用户相对于卫星的移动速度很高，这样需进行频繁的切换来保证通信的连续性。切换控制是移动网络的关键技术，现有的相关技术都来自于地面移动网络系统，包括3G、长期演进（Long-Term Evolution，LTE）和5G等，这些地面移动网络的切换控制技术中，切换是基于事件触发的。卫星移动网络是一个高频切换的应用场景，而地面网络中切换具有低频特征，虽然基于事件的切换方式在地面移动网络中效率很高，但是并不适用于卫星移动网络。第一，卫星移动网络切换非常频繁，为min量级，而卫星和控制器（核心网所在）通信时延比地面大很多，如果每一次切换都访问核心网，控制时延过大，可能造成业务中断；第二，卫星移动网络中，终端配置多入多出（Multi-In-Multi-Out，MIMO）天线技术还不成熟，因而不能够同时测量多个小区的信道参数，也即不能采用事件驱动的方式实施切换管理。由此可知，如何实现低轨卫星移动网络终端切换成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明目的在于，提供一种低轨卫星移动网络终端切换方法、控制器和介质，基于切换时序图实现低轨卫星移动网络切换控制，使得其在空间网络场景中，具有高可用度和高性能。

根据本发明第一实施例，提供了一种低轨卫星移动网络终端切换方法，应用于控制器，包括:

确定预设时间段内的切换时序图；

将所述切换时序图发送给首个卫星，通过所述首个卫星对终端进行鉴权，将所述终端接入首个卫星；

基于所述切换时序图，将所述终端依次切入所述切换时序图中的每一卫星。

进一步的，所述确定预设时间段内的切换时序图，包括：

根据卫星预设周期内卫星运行的位置信息和终端所在的位置信息确定所述切换时序图。

进一步的，所述通过所述首个卫星对终端进行鉴权，将终端接入首个卫星，包括：

接收所述首个卫星在接收终端接入请求后发出的鉴权请求；

鉴权通过后向所述首个卫星发送鉴权响应和更新的切换时序图，完成所述终端的接入。

进一步的，所述基于所述切换时序图，将所述终端依次切入所述切换时序图中的每一卫星，包括：

缩减所述切换时序图中当前连接终端的卫星信息，得到所述更新的切换时序图，并将所述更新的切换时序图发送给下一卫星，将所述终端切入所述下一卫星，更新终端接入管理状态，以此循环。

进一步的，当所述切换时序图为循环切换时序图时，所述方法还包括：

当更新后的切换时序图中仅剩一个表项时，将所述终端切入最后一个表项对应的卫星后，恢复一个新的循环切换时序图，发送给首个卫星，并将所述终端切入所述首个卫星，再基于所述新的循环切换时序图重新开始执行移动网络终端切换。

进一步的，当所述切换时序图为轨迹切换时序图时，所述方法还包括：

当更新后的切换时序图中仅剩一个表项时，将所述终端切入最后一个表项对应的卫星，结束所述切换流程。

进一步的，若终端发起取消切换请求，所述方法还包括：

接收当前连接终端的卫星发送的取消通知信令；

控制所述当前连接终端的卫星向所述终端发送取消响应信令；

向当前的切换时序图中的所有卫星发送取消切换信令。

根据本发明第二实施例，提供了一种低轨卫星移动网络终端切换方法应用于低轨卫星，包括以下步骤:

步骤S1、卫星处空闲状态，若是接收到新终端接入信令，则跳转至步骤S2，如果接收到的是切换时序图，则跳转至步骤S3，若接收到终端发送的取消接入信令，则跳转至步骤S7，若终端切换成功，则向所述终端发送切入响应，向控制器发送更新信息；

步骤S2、向控制器发送鉴权请求，接收鉴权响应同时提取切换时序图，如果切换时序图是循环类型，则保存所述切换时序图，向终端发送接入响应信令，卫星修改本地终端状态，并发送下一卫星发送剩余时序图，同时向控制器反馈更新信息，再返回步骤S1

步骤S3、判断所述切换时序图是否为循环类型，如果是，则跳转到步骤S4，否则，判断是否为最后表项，若是，返回步骤S1，否则，跳转至步骤S6；

步骤S4、判断是否为最后表项，若是跳转至步骤S5，否则跳转至步骤S6；

步骤S5、提取原始切换时序图，更新时间，得到新的切换时序图，跳转至步骤S6；

步骤S6、发送剩余时序图，回到步骤S1；

步骤S7、向控制器发送取消通知，如果是本地终端，则向该终端发送取消接入信息，不论是否为本地终端，还需提取终端列表，根据终端对应的切换时序图，当前的切换时序图中的所有卫星发送取消切换信令，随后删除对应终端的切换时序图，回到步骤S1。

根据本发明第三实施例，提供了一种控制器，其包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现所述方法的步骤。

根据本发明第四实施例，提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述程序在由一计算机或处理器执行时实现所述方法的步骤。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明一种低轨卫星移动网络终端切换方法、控制器和介质可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

本发明基于切换时序图实现低轨卫星移动网络切换控制，可以适应卫星移动网络高频切换场景，减少了切换时不断访问核心网的控制信息时延，使得其在空间网络场景中，具有高可用度和高性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1（a）为现有技术中的低轨卫星移动网络控制体制示意图；

图1 (b)为现有技术中的低轨卫星通信覆盖面积示意图；

图1 (c) 为现有技术中的低轨卫星移动网络形成的方形小区示意图；

图1 (d)为图1（c）中小区结构放大及编号示意图；

图2为本发明一实施例提供的控制器上的低轨卫星移动网络终端切换方法流程图；

图3（a）为本发明一实施例的循环切换示意图；

图3（b）为图3（a）对应的循环切换时序示意图；

图3(c)为本发明一实施例的轨迹切换示意图；

图3（d）为图3(c)对应的轨迹切换时序图；

图4（a）循环切换时序图下的信令交互示意图；

图4 (b)为轨迹切换时序图下的信令交互示意图；

图4 (c)取消接入信令交互示意图；

图5为本发明一实施例提供的切换时序图的操作过程；

图6为本发明一实施例提供的卫星上的低轨卫星移动网络终端切换方法流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种低轨卫星移动网络终端切换方法、控制器和介质的具体实施方式及其功效，详细说明如后。

本发明实施例提供了一种低轨卫星移动网络终端切换方法，应用于控制器，如图2所示，包括以下步骤:

步骤S10、确定预设时间段内的切换时序图；

步骤S20、将所述切换时序图发送给首个卫星，通过所述首个卫星对终端进行鉴权，将所述终端接入首个卫星；

步骤S30、基于所述切换时序图，将所述终端依次切入所述切换时序图中的每一卫星。

需要说明的是，接入是指终端初次接入网络，切入是指将终端由其他卫星切入本卫星。

需要说明的是，步骤S10中，预设时间段由卫星轨道设置以及卫星对终端的覆盖时间来决定。

作为一种示例，所述步骤S10包括：根据卫星预设周期内卫星运行的位置信息和终端所在的位置信息确定所述切换时序图。

作为一种示例，所述步骤S20中，通过所述首个卫星对终端进行鉴权，将终端接入首个卫星，包括：

步骤S201、接收所述首个卫星在接收终端接入请求后发出的鉴权请求；

步骤S202、鉴权通过后向所述首个卫星发送鉴权响应和更新的切换时序图，完成所述终端的接入。

作为一种示例，所述步骤S30包括：

步骤S301、缩减所述切换时序图中当前连接终端的卫星信息，得到所述更新的切换时序图，并将所述更新的切换时序图发送给下一卫星，将所述终端切入所述下一卫星，更新终端接入管理状态，以此循环。

如果视终端静止，会有若干个卫星过顶终端，也就是这个终端要不断接入这些过顶卫星，每接入一个新的过顶卫星就需要进行切换控制，为了设计可行且高效的方案，可先寻找这些过顶卫星的规律，具体的规律可以分为循环切换时序图和轨迹切换时序图两类：

（1）终端速度很慢（10⁰km/h-10²km/h量级），相较于卫星移动速度，可视为静止，如图3(a)所示：在这一场景中，同一轨道中的卫星会过顶UE（终端），但随着地球自转，在某轨道中若干卫星覆盖完后，会切到邻近轨道，此后同理，最终覆盖的卫星可以用一个环状图来表示，称为循环切换时序图，如图3(b)所示。

（2）终端速度较快（10³km/h量级），不能视为绝对静止，例如飞机中的终端接入场景，如图3(c)所示，这时终端的运动是有始终的，故接入的卫星并不能连成一个环，而是可以用某个轨迹图来表示，成为轨迹切换时序图，如图3(d)所示。

由此可知，终端接入的卫星是有规律可循的，可以采用不同的时序切换图表示，但可以理解的是，这些图描述的是预设时间内段内，覆盖终端的所有卫星的先后顺序，因此这些图本质上是时序图，基于时序图来控制触发切换，无需事件触发，降低控制时延，保证业务平滑切换。

作为一种示例，当所述切换时序图为循环切换时序图时，所述方法还包括：步骤S401、当更新后的切换时序图中仅剩一个表项时，将所述终端切入最后一个表项对应的卫星后，恢复一个新的循环切换时序图，发送给首个卫星，并将所述终端切入所述首个卫星，再基于所述新的循环切换时序图重新开始执行移动网络终端切换。

作为另一种示例，当所述切换时序图为轨迹切换时序图时，所述方法还包括：步骤S501、当更新后的切换时序图中仅剩一个表项时，将所述终端切入最后一个表项对应的卫星，结束所述切换流程。

作为一种示例，若终端发起取消切换请求，所述方法还包括：

步骤S111、接收当前连接终端的卫星发送的取消通知信令；

步骤S112、控制所述当前连接终端的卫星向所述终端发送取消响应信令；

步骤S113、向当前的切换时序图中的所有卫星发送取消切换信令。

以下通过具体实施例进行说明，如图4所示，当终端接入首个卫星时，首先完成常规鉴权过程，I信令到IV信令，并将切换时序图发送给首个卫星（在III信令中）。鉴权和接入完成后，核心网（在控制器中）会更新内部卫星和终端管理的信息，即该星信息下增加新接入的终端信息，即信令V。首个卫星得到切换时序图后，会缩减切换时序图，并通过星间链路将缩减的切换时序图发给相邻卫星，即信令VI（相邻卫星在时序图中，是下一个节点，即切换时序图中的下一卫星）。相邻卫星持有时序图后，当卫星切换到本星时，将不再通过核心网进行切换认证，即直接执行VII和VIII信令，不必重新完成I信令到IV信令，从而保证了业务连续性。图4(a)示出了循环切换时序图下的信令，可见无取消接入状况下，循环图将持续转发下去；图4(b)示出了轨迹切换时序图下的信令，当轨迹完成后，如无取消，终端将一直处于轨迹末端卫星管理下，若终端发生新的切换时，需要重新完成鉴权。图4(c)描述了取消过程，取消过程对于循环切换时序图和轨迹切换时序图，是一致的，终端发起取消请求，信令IX，卫星向核心网发送取消通知信令X，卫星向终端发送取消响应信令XI，卫星根据既有时序图向时序图中的其他卫星发送取消信令XII。需要说明的是，图4(c)中仅示出取消过程的一个特例，取消是刚好发生在卫星ID=1的情况下，其他情况下也适用。

切换时序图在硬件和软件中的形式是如图5中所示的列表，每个终端对应一个切换时序图，由于时序图往往具有共性，因此还可建立切换时序图索引，控制器和卫星可以各自存储“终端—时序图索引表”，以及“时序图索引—时序图表” 两个表，这样可以节省存储空间。切换时序图是对终端而言的。终端列表是一个卫星连接并管理的所有终端的表。这个表中存储了终端对应的时序图信息。如图5所示，以16个卫星覆盖为例，切换时序图卫星节点数量视具体场景而不同。对于循环切换时序图，终端接入首个卫星后，首个卫星获得的是一个17表项的时序图，其中16个是一个周期，第17个是下一周期接入首个卫星的表项；而对于轨迹切换时序图，只有16个表项即可（假设轨迹上为16个）。首个卫星删除首条记录，根据第2条记录的接入时间（Accessing Time）将剩余时序图在恰当时间发送给第2条记录中Cell ID对应的卫星，依次类推。

当表项仅剩一项时，需要考虑切换时序图的类型，如果是循环切换时序图，则需要恢复一个新的循环切换时序图，这就需要首个接入卫星保留上一周期的切换时序图，并更新时间，可以全部加上T₀，或者加上当前循环开始时间t_0,k减去上次循环开始时间t_0,k-1（理论上T₀=t_0,k-t_0,k-1，但实际空间环境中，T_k和t_0,k-t_0,k-1会有差异，总是近似相等）。而如果是轨迹切换时序图，接收到最后表项后不需要做操作。

本发明实施例还提供了一种低轨卫星移动网络终端切换方法应用于任意一个低轨卫星上，如图6所示，包括以下步骤:

步骤S1、卫星处空闲状态，若是接收到新终端接入信令（对应图4中信令I），则跳转至步骤S2，如果接收到的是切换时序图（对应图4中信令VI），则跳转至步骤S3，若接收到终端发送的取消接入信令（对应图4中信令IX），则跳转至步骤S7，若终端切换成功，则向所述终端发送切入响应（对应图4中信令VII），向控制器发送更新信息（对应图4中信令VIII）；

步骤S2、向控制器发送鉴权请求（对应图4中信令II），接收鉴权响应同时提取切换时序图（对应图4中信令III），如果切换时序图是循环类型（例如为循环切换时序图），则保存所述切换时序图，向终端发送接入响应信令（对应图4中信令IV），卫星修改本地终端状态，并发送下一卫星发送剩余时序图（对应图4中信令VI），同时向控制器反馈更新信息（对应图4中信令VIII），再返回步骤S1

步骤S6、发送缩减当前卫星信息的剩余切换时序图（对应图4中信令VI），回到步骤S1；

步骤S7、向控制器发送取消通知，如果是本地终端，则向该终端发送取消接入信息，不论是否为本地终端，还需提取终端列表，根据终端对应的切换时序图，当前的切换时序图中的所有卫星发送取消切换信令（对应图4中信令XII），随后删除对应终端的切换时序图，回到步骤S1。

本发明实施例还提供一种控制器，其包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现所述方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述程序在由一计算机或处理器执行时实现所述方法的步骤。

本发明实施例基于切换时序图实现低轨卫星移动网络切换控制，可以适应卫星移动网络高频切换场景，减少了切换时不断访问核心网的控制信息时延，使得其在空间网络场景中，具有高可用度和高性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种低轨卫星移动网络终端切换方法，应用于控制器，其特征在于，包括:

确定预设时间段内的切换时序图；

基于所述切换时序图，将所述终端依次切入所述切换时序图中的每一卫星；

其中，所述基于所述切换时序图，将所述终端依次切入所述切换时序图中的每一卫星，包括：

缩减所述切换时序图中当前连接终端的卫星信息，得到更新的切换时序图，并将所述更新的切换时序图发送给下一卫星，将所述终端切入所述下一卫星，更新终端接入管理状态，以此循环。

2.根据权利要求1所述的低轨卫星移动网络终端切换方法，其特征在于，

所述确定预设时间段内的切换时序图，包括：

3.根据权利要求2所述的低轨卫星移动网络终端切换方法，其特征在于，

所述通过所述首个卫星对终端进行鉴权，将终端接入首个卫星，包括：

接收所述首个卫星在接收终端接入请求后发出的鉴权请求；

4.根据权利要求3所述的低轨卫星移动网络终端切换方法，其特征在于，

当所述切换时序图为循环切换时序图时，所述方法还包括：

5.根据权利要求3所述的低轨卫星移动网络终端切换方法，其特征在于，

当所述切换时序图为轨迹切换时序图时，所述方法还包括：

6.根据权利要求1所述的低轨卫星移动网络终端切换方法，其特征在于，

若终端发起取消切换请求，所述方法还包括：

接收当前连接终端的卫星发送的取消通知信令；

向当前的切换时序图中的所有卫星发送取消切换信令。

7.一种低轨卫星移动网络终端切换方法应用于低轨卫星，其特征在于，

包括以下步骤:

步骤S2、向控制器发送鉴权请求，接收鉴权响应同时提取切换时序图，如果切换时序图是循环类型，则保存所述切换时序图，向终端发送接入响应信令，卫星修改本地终端状态，并向下一卫星发送剩余时序图，同时向控制器反馈更新信息，再返回步骤S1;

步骤S6、发送剩余时序图，回到步骤S1；

8.一种控制器，其包括存储器与处理器，其特征在于,所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现权利要求1至7中任意一项权利要求所述的方法的步骤。

9.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其特征在于,所述程序在由一计算机或处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项权利要求所述的方法的步骤。