CN112583465B - 一种卫星通信系统高可靠切换方法和系统 - Google Patents

一种卫星通信系统高可靠切换方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及卫星通信领域，公开了一种卫星通信系统高可靠切换方法和系统，其技术方案要点是包括如下步骤：获取系统运行状态参数输入到预测模型中；预测模型根据获取的系统运行状态参数进行计算，给出预测切换方案；终端按照预测切换方案进行通信；对终端的切换通信过程进行检测，并根据监测到的终端切换通信过程，判断出最优切换信道，再计算出切换预测偏差数据；根据切换预测偏差数据训练并更新预测模型。

Description

一种卫星通信系统高可靠切换方法和系统
技术领域
本发明涉及卫星通信领域，更具体地说，它涉及一种卫星通信系统高可靠切换方法和系统。
背景技术
随着卫星通信需求的不断增加，为提高系统通信容量，卫星通信采用多星星座及多波束设计，由于中低轨道卫星及终端的运动，终端面临在卫星波束间切换以保证通信连续性的技术问题。
现有卫星终端在进行星间波束切换时，其工作流程一般如下所示：
(1) 卫星终端设备测量信号质量；
(2) 卫星终端向源卫星发起切换请求；
(3) 源卫星上报信关站；
(4) 信关站通知目的性预留资源；
(5) 信关站通知源卫星进行切换；
(6) 源卫星通知卫星终端进行切换；
(7) 用户终端和目的星建立通信链路；
(8) 切换成功后释放相关资源。
卫星通信终端在低轨星座下进行通信切换时会面临如下问题：
切换时间短：卫星运动速度快，达到7km/s，低轨星为提高系统容量，采用大量点波束，波束间重叠区域较小(<10km)，因此会导致终端进行切换的时间小于1秒，如果不能在该时间内完成波束切换，则导致通信中断；
终端信号测量误差大：由于终端处于运动状态，环境、姿态等变化大，终端在短时间(如<1s)测量卫星信号质量，会出现测量误差较大的情况，影响切换决策准确性；
基于信号测量的切换方法一般是假设每个波束均同时存在信令信道和业务信道，当终端可以接收到相邻波束信令信道信号时，通过测量该信号强度来判断是否发起切换。但是，随着单颗卫星波束数量增加，这种设计面临越来越多的问题，比如带宽利用率低、天线通道实现复杂、终端接入困难等，因此，为解决该问题，可采用单个信令宽波束+多个业务点波束的卫星设计，此时，现有切换方法无法有效工作。
现有技术中的切换方法仅依靠较单一的判断标准，比如信号强度、位置、距离等单一信息，且具体的切换方法一旦设计完成即不可更改，但是系统实际运行存在诸多不确定因素，比如测量误差、卫星轨道漂移、波束赋形偏差、终端所处环境多样等，这些因素共同作用，导致系统实际运行与设计存在偏差，该问题会降低实际系统运行的切换性能指标。
发明内容
本发明的目的是提供一种卫星通信系统高可靠切换方法和系统，能够随着系统的运行不断优化性能，提高信道资源利用率，更加适用于实际使用。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种卫星通信系统高可靠切换方法，包括如下步骤：
获取系统运行状态参数输入到预测模型中；
预测模型根据获取的系统运行状态参数进行计算，给出预测切换方案；
终端按照预测切换方案进行通信；
对终端的切换通信过程进行检测，并根据监测到的终端切换通信过程，判断出最优切换信道，再计算出切换预测偏差数据；
根据切换预测偏差数据训练并更新预测模型。
作为本发明的一种优选技术方案，所述获取系统运行状态参数输入到预测模型中的步骤包括：信关站周期性获取系统运行状态参数。
作为本发明的一种优选技术方案，所述系统运行状态参数包括：终端位置、卫星运行轨道参数、波束覆盖参数、卫星和终端运动速度、接收信号强度。
作为本发明的一种优选技术方案，所述预测模型根据获取的系统运行状态参数进行计算，给出预测切换方案的步骤包括：
预测模型根据系统运行状态参数判断是否发起切换操作；
在确认发起切换操作后，预测模型再计算出再卫星运行方向上终端可能进入的备选切换波束，同时根据备选切换波束的切换概率选择出预测切换波束；
当确定了预测切换波束后，预测模型再计算出预测切换时间，并根据预测切换时间再预测切换波束中分配切换信道。
作为本发明的一种优选技术方案，所述终端按照预测切换方案进行通信的步骤包括：终端在收到预测切换方案后，根据预测切换方案在当前信道和每个切换信道上发送相同数据，信关站在终端当前信道和每个切换信道上分别持续监听是否接收到数据；如果接收到多份数据则进行合并，并记录实际接收到终端数据的切换信道的数量，再测量每个切换信道的接收信号强度，选取信号强度不断增强且增速最大的信道作为最优切换信道进行通信，同时释放当前信道和其他切换信道。
作为本发明的一种优选技术方案，预测偏差数据的计算过程包括：根据信关站持续监控的终端切换通信过程，得到切换失败概率、本次终端的最优切换信道和最优切换时间。
一种卫星通信系统高可靠切换系统，包括：
参数获取模块：用于获取系统运行状态参数并输入到预测模型中；
模型运行模块：用于运行预测模型，根据获取的系统运行状态参数进行计算，给出预测切换方案；
通信切换模块：用于驱动终端按照预测切换方案进行通信；
通信检测模块：用于对终端的切换通信过程进行检测，并根据监测到的终端切换通信过程，判断出最优切换信道，再计算出切换预测偏差数据；
模型更新模块：用于根据切换预测偏差数据训练并更新预测模型。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明能够基于多个判断标准通过机器学习/强化学习自适应系统实际运行状态变化，提高了系统切换的可靠性和准确性，同时，能够随着系统的运行不断优化性能，提高信道资源利用率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的系统流程图；
图2为本发明的波束覆盖示意图；
图3为本发明的虚拟网格示意图；
图4为本发明实施例提供的实施例示意图；
图5为本发明实施例提供的波束14内的虚拟网格划分及切换时间的实施例示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种卫星通信系统高可靠切换方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、信关站周期性获取系统运行状态参数并输入到预测模型中，其中系统运行状态参数包括：终端位置、卫星运行轨道参数、波束覆盖参数、卫星和终端运动速度、接收信号强度。
需要注意的是：事先就根据历史卫星通信中的系统运行状态参数建立基于深度学习的预测模型，使得其可以投入实际使用；
其中预测模型的工作原理为：在预测模型运行时，首先要判断是否发起切换操作：得到卫星运动方向数据，如图2所示，并将每个波束覆盖区域划分为多个虚拟网格，如图3所示分别编号Grid(X，Y)，其中X，Y分别表示波束覆盖区在水平方向（与卫星运动相同方向）和垂直方向（与卫星运动垂直方向）划分的虚拟网格的编号；根据终端位置和卫星运行轨道参数计算所处波束虚拟网格编号，用于预测是否发起切换操作；按照图3中所示卫星运动方向，X值越小的虚拟网格的切换发起概率越大；
其次，构建每个波束状态空间S=(Grid(X，Y)，Targ(Bi，pi))，其中Grid(X，Y)代表波束中的各个虚拟网格，Targ(Bi，pi)代表对应虚拟网格中终端可能的切换目标波束(i代表波束编号，可以是1个或多个)及相应的切换概率；
构建每个波束动作空间A=(Ai，Ni)，其中Ai代表具体动作Ai[1，0]，1表示执行“切换”动作，0表示执行“不切换”动作，Ni代表切换目标个数，Ni/>[1，2，3...]；
还需要定义回报函数。其中，/>为权重系数，满足条件/>，/>；/>为切换失败率，/>为实际切换波束数量偏差，/>为实际切换时间偏差。
S2、预测模型根据获取的系统运行状态参数进行计算，给出预测切换方案，具体的包括：
S21、预测模型根据系统运行状态参数判断是否发起切换操作；
S22、在确认发起切换操作后，预测模型再计算出再卫星运行方向上终端可能进入的备选切换波束，其中备选切换波束可以是1个或多个。同时根据备选切换波束的切换概率选择出预测切换波束，具体为：给出每个备选切换波束的切换概率pi以及切换预测波束的数量，并根据切换概率由高到低排序，选择前/>个备选切换波束作为本次切换的预测切换波束；
S23、当确定了预测切换波束后，预测模型再计算出预测切换时间，并根据预测切换时间再预测切换波束中分配切换信道，即预测终端需要进行切换时所处的虚拟网格编号，并按照预测切换时间（即终端进入该预测的切换虚拟网格时）在前述预测切换目标波束中分配切换信道，并通知终端。
S3、终端按照预测切换方案进行通信；具体的包括：终端在收到预测切换方案后，根据预测切换方案在当前信道和每个切换信道上发送相同数据，信关站在终端当前信道和每个切换信道上分别持续监听是否接收到数据；如果接收到多份数据则进行合并，并记录实际接收到终端数据的切换信道的数量（记录为实际切换波束数量），再测量每个切换信道的接收信号强度，选取信号强度不断增强且增速最大的信道作为最优切换信道进行通信，同时释放当前信道和其他切换信道。
S4、对终端的切换通信过程进行检测，并根据监测到的终端切换通信过程，计算出切换预测偏差数据；预测偏差数据包括切换失败概率、本次终端的最优切换信道和最优切换时间。
具体包括：
S41、切换失败概率：当信关站在分配给终端的任何切换信道上均未接收到数据，且当在该终端当前信道上接收信号强度已经下降到无法正确接收数据，此时判断该终端本次切换失败，信关站记录总切换失败次数加1，记录总切换次数加1，更新计算切换失败概率=总切换失败次数/总切换次数；
当信关站在分配给终端的任意切换信道上接收到数据，此时判断该终端本次切换成功，信关站记录总切换失败次数不变，记录总切换次数加1，更新计算切换失败概率=总切换失败次数/总切换次数。
S42、如上述S3，计算出当前最优切换信道。
S43、通过对最优切换信道的信号强度测量，选取信号强度不断增强至与当前波束信道的信号强度相等的时刻所在的虚拟网格作为最优切换时间（即最优切换虚拟网格）；
S44、通过上述切换失败概率、本次终端的最优切换信道和最优切换时间，计算出相应的偏差：
实际切换波束数量偏差=切换预测波束的数量/>-实际切换波束数量/>，模型训练目标：偏差值大于0且尽可能接近0，从而降低切换预备信道数量的占用，提高信道资源的利用率。
实际切换时间偏差=切换预测时间-最优切换时间，模型训练目标：偏差值小于0且尽可能接近0，即预测时间应早于实际切换时间，以保证切换成功，同时，不要提早太多，以降低切换信道占用时长，提高信道资源利用率。
切换失败率偏差=切换失败概率-系统切换失败概率期望值，该期望值由系统设定，比如10e-6，模型训练目标：偏差值尽可能接近0，从而在保证切换成功率的同时使得切换信道资源的利用率进一步提高。
S5、根据切换预测偏差数据训练并更新预测模型。具体的，通过系统运行不断对预测模型进行迭代训练学习，更新预测模型，使得预测模型得到不断优化，预测准确性不断提高，从而在保证切换成功率的同时使得切换信道资源的利用率不断提高。
对应于上述方法，本发明还提供一种卫星通信系统高可靠切换系统，包括：
参数获取模块：用于获取系统运行状态参数并输入到预测模型中；
模型运行模块：用于运行预测模型，根据获取的系统运行状态参数进行计算，给出预测切换方案；
通信切换模块：用于驱动终端按照预测切换方案进行通信；
通信检测模块：用于对终端的切换通信过程进行检测，并根据监测到的终端切换通信过程，判断出最优切换信道，再计算出切换预测偏差数据；
模型更新模块：用于根据切换预测偏差数据训练并更新预测模型。
为了更好的说明本发明的方法和系统，如图4和5所示，以下是本发明的一种具体实施例：假设卫星通信系统由若干卫星组成，每颗卫星由若干波束覆盖地面，N个地面信关站分布在不同地理区域，每个信关站负责覆盖该区域的若干波束内的终端通信，并通过地面互连网络相连；信关站通过星上透明转发通道与所负责波束内终端通信。假设有一个终端A位于卫星波束14下面，与信关站建立了通信连接，卫星处于相对地面运动状态，运动方向如图2所示。
A1：信关站周期性获取系统运行相关参数，建立基于深度强化学习的预测模型和方法。具体实现方法如下：
A11：系统运行所需参数包括包含但不限于终端位置、卫星运行轨道及覆盖参数、卫星/终端运动速度、接收信号强度等；终端A所处位置为卫星波束14、分配信道为C14-1、卫星运动速度7m/s、当前信道接收信号强度SNR1。
A12：将每个波束覆盖区域划分为多个虚拟网格，分别编号Grid(X，Y)，根据终端位置和卫星运行计算所处波束虚拟网格编号，用于预测是否发起切换操作；按照图3中所示卫星运动方向，X值越小的虚拟网格的切换发起概率越大；
卫星波束1的虚拟网格划分如图3所示，终端A位于波束1的虚拟网格Grid(X=4，Y=2);
A13：构建每个波束状态空间S=(Grid(X，Y)，Targ(Bi，pi))，其中Grid(X，Y)代表波束中的各个虚拟网格，Targ(Bi，pi)代表对应虚拟网格中终端可能的切换目标波束(i代表波束编号，可以是1个或多个)及相应的切换概率；
A14：构建每个波束动作空间A=(Ai，Ni)，其中Ai代表具体动作Ai[1，0]，1表示执行“切换”动作，0表示执行“不切换”动作，Ni代表切换目标个数，Ni/>[1，2，3...]；
A15：定义回报函数
其中，为权重系数，分别为0.3，0.3，0.4，满足条件/>，；
为切换失败率，/>为实际切换波束数量偏差，/>为实际切换时间偏差。
A2：基于预测模型和输入参数，给出针对终端的切换目标波束预测，可以是1个或多个波束，具体方法如下：
A21：根据卫星轨道运行参数和波束覆盖参数以及终端位置，计算在卫星运行方向上终端可能进入的备选切换波束，计算结果可能是具有1个或多个备选切换波束；本实施例中，计算终端A的备选切换波束为波束2/波束7/波束8/波束13；
A22：基于预测模型，给出每个备选切换波束的切换概率pi以及切换预测波束的数量，并根据切换概率由高到低排序，选择前/>个备选切换波束作为本次切换的预测切换波束；
本实施例中，备选切换波束为波束2/波束7/波束8/波束13的切换概率分别是0.15，0.4，0.05，0.4，切换预测波束数量为3，根据切换概率排序则选择波束7和波束13和波束2为本次切换的预测切换波束；
A3：基于预测模型和输入参数，给出针对终端A的切换时间预测为T1，即预测终端需要进行切换时所处的虚拟网格编号为Grid(X2，Y2)，并按照预测切换时间（即终端进入该预测的切换虚拟网格Grid(X2，Y2)时）在前述预测切换目标波束7/波束8/波束2中分别分配切换信道C7-1/C13-1/C2-1，并通知终端A；
A4：终端A根据分配的切换信道，在当前信道C14-1和波束7的切换信道C7-1和波束13的切换信道C13-1和波束2的切换信道C2-1上均发送相同数据；信关站在终端当前信道C14-1和分配给该终端A的切换信道C7-1和C13-1和C2-1上分别持续监听是否接收到数据，在切换信道C7-1和C13-1上接收到数据并进行合并，并记录实际接收到终端数据的切换信道的数量（记录为实际切换波束数量=2），同时，测量各切换信道的接收信号强度，选取信号强度不断增强且增速最大的信道C7-1作为最优切换信道；
A5：根据终端A在当前信道和切换信道上数据发送状态，计算切换失败概率，具体方法如下：
当信关站在分配给终端A的任何切换信道上均未接收到数据，且当在该终端当前信道上接收信号强度已经下降到无法正确接收数据，此时判断该终端本次切换失败，信关站记录总切换失败次数加1，记录总切换次数加1，更新计算切换失败概率=总切换失败次数/总切换次数；
当信关站在分配给终端A的切换信道C7-1和C13-1上均接收到数据，此时判断该终端本次切换成功，信关站记录总切换失败次数不变，记录总切换次数加1，更新计算切换失败概率=总切换失败次数/总切换次数；
本实施例中，假设之前记录的总切换失败次数=N_loss，记录的总切换次数=N_all，则本次切换更新的计算切换失败概率=N_loss/(N_all+1)；
A6：根据终端A在当前信道和切换信道上数据发送状态，计算终端最优切换时间（即最优切换虚拟网格），具体方法如下：
通过对最优切换信道C7-1的信号强度测量，选取信号强度不断增强至与当前波束信道的信号强度相等的时刻所在的虚拟网格G(X=2，Y=2)作为最优切换时间（即最优切换虚拟网格为G(X=2，Y=2)）；
A7：选择最优切换信道C7-1收发数据，释放其他的切换信道C13-1/C2-1和当前信道C14-1，并通知终端A；终端A停止在当前信道C14-1和其他切换信道C13-1/C2-1上收发数据，仅在最优切换信道C7-1上发送和接收数据。
A8：计算本次终端A的切换过程中的训练目标参数偏差，并作为预测模型输入，训练预测模型，训练目标参数偏差计算方法如下：
A81：实际切换波束数量偏差=切换预测波束的数量/>-实际切换波束数量/>，模型训练目标：偏差值大于0且尽可能接近0，从而降低切换预备信道数量的占用，提高信道资源的利用率。本实施例中，切换预测波束的数量/>=3，实际切换波束数量/>=2，可计算得到实际切换波束数量偏差/>=1，作为预测模型输入，训练预测模型的切换波束预测数量将向更少数量方向变化；
A82：实际切换时间偏差=切换预测时间-最优切换时间，模型训练目标：偏差值小于0且尽可能接近0，即预测时间应早于实际切换时间，以保证切换成功，同时，不要提早太多，以降低切换信道占用时长，提高信道资源利用率。
本实施例中，波束7对应的信道C7-1的接收信号强度随着卫星/终端移动将不断增强，当T2时刻(对应终端A进入虚拟网格G(X1，Y2))，波束7切换信道C7-1的信号强度增强到与当前波束14的信道C14-1的信号强度相同，因此，计算得到最优切换时间为T2(对应终端A进入虚拟网格G(X1，Y2))，实际切换时间偏差=T2-T1=G(X1，Y2)-G(X2，Y2)=1个虚拟网格；
A83：切换失败率偏差=切换失败概率-系统切换失败概率期望值，该期望值由系统设定，比如10e-6，模型训练目标：偏差值尽可能接近0，从而在保证切换成功率的同时使得切换信道资源的利用率进一步提高；
本实施例中，根据S5步骤中的计算，本次切换更新的计算切换失败概率=N_loss/(N_all+1)将进一步降低，从而在保证切换成功率的同时使得切换信道资源的利用率进一步提高；
A9：通过系统运行不断对预测模型进行迭代训练学习，更新预测模型，使得预测模型得到不断优化，预测准确性不断提高，从而在保证切换成功率的同时使得切换信道资源的利用率不断提高。
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 (5)

1.一种卫星通信系统高可靠切换方法，其特征是：包括如下步骤：
获取系统运行状态参数输入到预测模型中；所述运行状态参数包括终端位置、卫星运行轨道参数、波束覆盖参数、卫星和终端运动速度、接收信号强度；
预测模型根据获取的系统运行状态参数进行计算，给出预测切换方案：预测模型根据系统运行状态参数判断是否发起切换操作；在确认发起切换操作后，预测模型再计算出在卫星运行方向上终端可能进入的备选切换波束，同时根据备选切换波束的切换概率选择出预测切换波束；当确定了预测切换波束后，预测模型在计算出预测切换时间，并根据预测切换时间在预测切换波束中分配切换信道；
所述判断是否发起切换操作的具体步骤为：得到卫星运动方向数据，将每个波束覆盖区域划分为多个虚拟网格，分别编号Grid(X，Y)，其中X，Y分别表示波束覆盖区在水平方向和垂直方向划分的虚拟网格的编号；根据终端位置和卫星运行轨道参数计算所处波束虚拟网格编号，用于预测是否发起切换操作；其次，构建每个波束状态空间S＝(Grid(X，Y)，Targ(Bi，pi))，其中Grid(X，Y)代表波束中的各个虚拟网格，Targ(Bi，pi)代表对应虚拟网格中终端可能的切换目标波束及相应的切换概率；构建每个波束动作空间A＝(Ai，Ni)，其中Ai代表具体动作Ai∈[1，0]，1表示执行“切换”动作，0表示执行“不切换”动作，Ni代表切换目标个数，Ni∈[1，2，3...]；定义回报函数其中，为权重系数，满足条件/>Devfail为切换失败率，Devnum为实际切换波束数量偏差，Devtime为实际切换时间偏差；
终端按照预测切换方案进行通信；
对终端的切换通信过程进行检测，并根据监测到的终端切换通信过程，判断出最优切换信道，再计算出切换预测偏差数据；
根据切换预测偏差数据训练并更新预测模型。
2.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统高可靠切换方法，其特征是：所述获取系统运行状态参数输入到预测模型中的步骤包括：信关站周期性获取系统运行状态参数。
3.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统高可靠切换方法，其特征是：所述终端按照预测切换方案进行通信的步骤包括：终端在收到预测切换方案后，根据预测切换方案在当前信道和每个切换信道上发送相同数据，信关站在终端当前信道和每个切换信道上分别持续监听是否接收到数据；如果接收到多份数据则进行合并，并记录实际接收到终端数据的切换信道的数量，再测量每个切换信道的接收信号强度，选取信号强度不断增强且增速最大的信道作为最优切换信道进行通信，同时释放当前信道和其他切换信道。
4.根据权利要求1所述的一种卫星通信系统高可靠切换方法，其特征是：预测偏差数据的计算过程包括：根据信关站持续监控的终端切换通信过程，得到切换失败概率、本次终端的最优切换信道和最优切换时间。
5.一种卫星通信系统高可靠切换系统，其特征是：所述系统用于实现权利要求1至4任意一项所述的切换方法，所述系统包括：
参数获取模块：用于获取系统运行状态参数并输入到预测模型中；
模型运行模块：用于运行预测模型，根据获取的系统运行状态参数进行计算，给出预测切换方案；
通信切换模块：用于驱动终端按照预测切换方案进行通信；
通信检测模块：用于对终端的切换通信过程进行检测，并根据监测到的终端切换通信过程，判断出最优切换信道，再计算出切换预测偏差数据；
模型更新模块：用于根据切换预测偏差数据训练并更新预测模型。
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