CN112702772A - 一种面向星地融合网络的终端切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地面5G蜂窝网和卫星通信技术领域，涉及一种面向星地融合网络的终端切换方法；所述切换方法包括地面终端根据切换测量信息进行预承载切换信令判决；服务卫星收到预承载切换信令后，采用多属性决策在其邻居卫星列表中选择出最佳目的卫星；服务卫星向目的卫星发出切换申请，目的卫星为地面终端分配所需要的资源；地面终端满足切换判决事件时触发切换，服务卫星向地面终端下发目的卫星资源；地面终端通过随机接入过程与目的卫星进行连接，完成星间切换；本发明的预承载的切换方法能降低星间切换时延，提高切换成功率；本发明改进了传统的卫星目标选择方式，可满足信号强度的和可视时间等切换指标，还克服地面终端频繁切换对切换率的影响。

Description

一种面向星地融合网络的终端切换方法

技术领域

本发明涉及地面5G蜂窝网和卫星通信技术领域，特别涉及一种面向星地融合网络的终端切换方法。

背景技术

随着移动通信技术的不断发展，第五代蜂窝移动通信(5th Generation mobilenetworks,5G)的数据传输速率远远超过以前的蜂窝网络，最高可达到10Gbit/s，提供较低的网络时延，低于1毫秒。虽然地面蜂窝通信系统使用的技术越来越新，可提供的服务越来越多，通信速率也越来越快，但始终无法做到全球范围内的无缝覆盖。在这种情况下，卫星和地面网络的整合可以成为实现异构全球系统的基石。由于其固有的巨大覆盖范围，卫星可以在人口稠密的地区和农村地区进行有效地补充和扩展密集的地面网络，并提供可靠的关键任务服务。将5G技术应用到低轨道卫星(Low Earth Orbit，LEO)通信系统中，不仅能使LEO通信系统具备5G技术的一些优点，满足用户的使用需求，而且更易于将来星地网络之间的融合，这也是未来通信网络的发展趋势。

终端无缝切换是星地融合网络的重中之重。由于LEO卫星的轨道高度一般在500-2000km，卫星的运行速度极快，这就导致卫星对地面用户设备的覆盖时间只有短短的几分钟到十几分钟。为了使正在进行的通信不发生中断，用户设备需要频繁地在卫星之间进行切换。这种频繁的切换对切换方法提出了更高的要求，切换方法的好坏直接影响了切换时延、切换失败率、切换频率等指标。现有的切换方法有：最强信号强度方法，最小负荷方法，最大仰角方法等。然而已有的星间切换策略往往难以兼顾切换性能的优化和方法的实用性，并且不适应星地融合网络这一未来趋势的发展。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种面向星地融合网络的终端切换方法。

一种面向星地融合网络的终端切换方法，包括以下步骤：

S1、地面终端根据其服务卫星和邻居卫星的切换测量信息进行预承载切换信令判决；

S2、服务卫星收到预承载切换信令后，采用多属性决策在其邻居卫星列表中选择出最佳目的卫星；

S3、服务卫星向目的卫星发出切换申请，目的卫星为地面终端分配所需要的资源；

S4、地面终端满足切换判决事件时触发切换，服务卫星向地面终端下发目的卫星资源；

S5、地面终端通过随机接入过程与目的卫星进行连接，完成星间切换。

本发明的有益效果：

1.本发明以基于5G的Xn切换流程来构建地面终端与卫星之间的星间切换流程，将5G技术应用到低轨卫星通信中；同时在此基础上提出预承载的切换流程，旨在降低星间切换时延，提高切换成功率。

2.本发明以多种影响切换的指标进行分析建模，针对TOPSIS算法采用主观赋值法而忽略了网络自身性能的问题，本发明采用熵值法对已有的权重进行校正；利用改进的TOPSIS算法对多属性模型进行求解，能够满足信号强度的同时满足可视时间等切换指标，克服地面终端频繁切换对切换失败率高、切换频率高的影响。

附图说明

图1为本发明实施例的星间切换网络架构；

图2为本发明实施例的基于5G的终端预承载星间切换流程图；

图3为本发明实施例的一种面向星地融合网络的终端预承载切换策略的整体流程图；

图4为本发明实施例的TOPSIS算法流程图；

图5为本发明实施例的切换判决流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是星间切换网络架构图，主要由地面终端U1、U2，信关站和LEO卫星群S1、S2和S3组成；在整个切换过程中，位于服务卫星S1的地面终端U1需要切换到其邻居卫星S2下，位于服务卫星S3下的地面终端U2需要切换到其邻居卫星S2下，本发明正是对这些地面终端在星间的切换策略进行改进，以提升切换性能。

图2为本发明实施例的基于5G的终端预承载星间切换流程图，主要基于地面5G蜂窝网中的Xn切换流程来设计星地融合网的终端预承载切换策略流程；首先服务卫星进行RRC配置，并将配置信息发送给地面终端；地面终端接收到配置信息后进行初始化，并向服务卫星返回RRC配置信息；配置完成后，系统进入预承载切换上报过程，地面终端实时测量服务小区和相邻小区的切换测量信息，并将切换测量信息上报至服务卫星，目的卫星接收到预切换请求后做出预切换请求响应；预切换上报过程结束后，系统进入正式的切换上报过程，地面终端测量上报信息，服务卫星按照上报信息重新返回RRC配置信息，目的卫星收到服务卫星的切换请求后，进行SN状态转换，在随机接入过程，地面终端与目的卫星进行连接，地面终端进行上下文释放后完成星间切换。

图3为本发明实施例的一种面向星地融合网络的终端预承载切换策略流程图，该方法可以在终端进行星间切换时有效的降低网络时延，该方法包括但不限于如下步骤：

S1、地面终端根据其服务卫星和邻居卫星的切换测量信息进行预承载切换信令判决；

地面终端持续测量服务小区和相邻小区的参考信号接收功率值，将测量的信号接收功率值上报给服务卫星。在地面终端未进入两小区切换重叠区域前，距离切换带边缘的距离为参数L时，地面终端触发启动预承载切换，启动预承载切换后，地面终端发送预承载切换申请信令给服务卫星。

所述预承载切换信令的判决主要依赖是对参考信号接收功率值p以及卫星的仰角角度w进行判决，表示为：

p_i是地面终端可视的第i颗卫星发出的接收信号功率值，i＝{1,2,...,n}，n表示参考信号数量；p_current是地面终端当前连接的服务卫星的接收信号功率值，Δp_min是切换触发的门限接收信号功率值；w_current是当前连接服务卫星的仰角角度，w_min是地面终端与服务卫星的最小仰角角度。

其中，所述切换测量信息可以包括但不限于终端可视范围内的服务卫星和相邻卫星的参考信号接收功率值p，与地面终端与服务卫星的仰角角度w以及服务卫星的空闲信道数量n，这些切换测量信息不仅可以用于预承载过程还可以用户切换过程。

S2、服务卫星收到预承载切换信令后，采用多属性决策在其邻居卫星列表中选择出最佳目的卫星；

S21、服务卫星在接收到地面终端的预承载切换信令后，服务卫星根据星历获得可切换邻居卫星列表；

S22、选取出多个邻居卫星影响地面终端星间切换的目标属性，建立出多属性模型；

S23、利用理想点法求解多属性模型，求出各个卫星的正理想值和负理想值之间的加权欧氏距离，得出最佳目的卫星。

具体的，服务卫星在接收到地面终端的预承载切换信令后，服务卫星根据星历获得可切换邻居卫星列表，选取至少两个邻居卫星影响地面终端星间切换的指标，根据影响切换的目标属性和多个备选目的卫星建立多属性模型，利用改进TOPSIS算法来求解多属性模型，求出各个卫星的正理想值和负理想值之间的加权欧氏距离，得出最优目的卫星。

图4给出了本发明实施例的TOPSIS算法流程图，如图4所示，所述多属性模型包括：

由若干影响切换的目标属性和若干可选目的卫星方案建立出原始决策矩阵；

这里的原始决策矩阵可以根据卫星负载、卫星可视时间、信号强度值等作为影响切换的目标属性，所述原始决策矩阵X＝{x_ij}表示为：

其中，P_i(i＝1,2,…,m)表示第i个备选目标卫星方案，A_j(j＝1,2,…,n)表示第j个影响切换的目标属性，x_ij表示第i个备选目标卫星方案P_i在第j个切换目标属性A_j下的值。

采用向量规范化方式确定出原始决策矩阵的归一化矩阵；

由于仅以数值大小反应目标属性优劣的非量纲化，为了使影响切换的目标属性更加规范化、更加直观，所以本发明用向量规范化确定归一化矩阵R来进行后续的数据预处理。设原始决策矩阵为X＝{x_ij}归一化矩阵R＝{r_ij}的每个元素r_ij的计算公式表示为：

其中，r_ij表示归一化矩阵中的每个元素，x_ij表示原始决策矩阵中的每个元素，i表示备选目标卫星方案，j表示影响切换的目标属性，m表示备选目的卫星方案的数量，n表示影响切换的目标属性的数量。

利用主观赋值法中的特征向量法给每个影响切换的目标属性赋权重；

其中第i个目标卫星备选方案和第j个影响切换的目标属性的相对重要程度采用如表1所示的Saaty标度确定。

表1 Saaty标度

设计出加权矩阵，将经过权重向量加权的归一化，从而确定出归一化决策矩阵。

设加权矩阵为W＝{w₁,w₂,…,w_j,…w_n}，

经过权重向量加权的归一化决策矩阵V＝{V_ij}为：

其中，w_j表示每个目标属性的权重，r_ij表示归一化矩阵中的每个元素。

在一些优选实施例中，本实施例对传统方式的理想点法进行改进；所述利用改进的TOPSIS法求解多属性模型得出最佳切换目的卫星包括：

计算出不同目标属性下每个备选方案的贡献度，按照熵值法计算出同一目标属性下所有备选方案的总贡献度；

首先，第j个目标属性A_j下，第i个备选方案F_i的贡献度为：

根据上式，所有备选方案m个备选方案对目标属性A_j的总贡献量表示为：

其中K＝1/Inm，保证了0≤E_j≤1，即E_j的最大取值是1，当某个目标属性下个备选方案的贡献度逼近相同时，E_j逼近1。

按照所述同一目标属性下所有备选方案的总贡献度，计算出不同目标属性下每个备选方案的一致性程度；

假设d_j为第j个目标属性A_j下各备选方案贡献度的一致性程度，那么d_j的计算公式表示为：

d_j＝1-E_j

按照所述一致性程度计算出目标属性的客观权重；

当d_j＝0时，第j个目标属性为0，则在决策时可以不被考虑。则目标属性的权重ω_j为式：

利用所述客观权重对理想点法的主观权重进行修正，将客观权重与主观权重的乘积归一化；将修正后的权重值作为加权矩阵中权重值；

传统的TOPSIS算法已经从主观上估计了权重为w_j，客观权重ω_j对主观权重w_j进行修正后的组合权重

计算公式为：

重新确定归一化决策矩阵，设加权矩阵为W＝{ω₁ ^o,ω₂ ^o,…,ω_j ^o,…ω_n ^o}，

经过权重向量加权的归一化决策矩阵V＝{V_ij}为：

确定出各个卫星的正理想解和负理想解之间的加权距离；

首先需要确定各项指标的正理想解A⁺和负理想解A^-；

其中，效益型属性即正向指标表现取值越大越好，成本型属性即投入成本越大越不利表现为取值越小越好。所述效益型属性例如参考信号功率p，地面终端与服务卫星的仰角角度即夹角w；所述成本型属性例如服务卫星的负载等；计算出正理想解与负理想解的相对接近程度，确定出每个备选方案的评价指数，并按照评价指数进行降序排列，选择出评价指数最大的卫星作为最佳目的卫星。

用欧式距离法计算备选方案到理想解之间的距离；备选方案与正理解的距离D⁺和到负理想解的距离D^-分别为下式：

更为一般的，除了欧式距离的计算方式，本发明还可以采用其他距离公式，例如曼哈顿距离、切比雪夫距离、余弦距离以及信息熵等常见的相似度距离计算公式来计算备选方案到正负理想解的距离。

计算正理想解A⁺和负理想解A^-的相对接近程度，即得到备选方案的综合评价指数

每个备选方案根据

的大小降序排序，选择

最大者为最优目的卫星方案。

S3、服务卫星向目的卫星发出切换申请，目的卫星为地面终端分配所需要的资源；

S31、服务卫星向切换目的卫星发送切换申请信令；

S32、目的卫星在收到切换申请信令后，目的卫星为地面终端分配新的小区无线网络临时标识资源；

S33、目的卫星向服务卫星发送切换申请确认信令，并携带为地面终端分配的资源。

S4、地面终端满足切换判决事件时触发切换，服务卫星向地面终端下发目的卫星资源；

图5给出了本发明实施例中地面终端判决切换的流程图，如图5所示，所述判决切换的过程包括：

S41、在服务卫星收到目的卫星切换申请确认信令时，开启等待时钟；

S42、根据步骤S41，如果等待时钟超时，即地面终端没有发出切换申请，服务卫星丢弃目的卫星为地面终端产生的资源；

S43、根据步骤S42，服务卫星向目的卫星发送切换失败的信令，目的卫星释放已分配给地面终端的资源；

S44、根据步骤S41，地面终端满足切换判决准则中的任一触发条件时，向服务卫星发出切换申请，服务卫星将目的卫星为地面终端申请的资源，下发给地面终端进行无线链路重新配置；

所述切换判决事件基于切换判断准则，当满足所述切换判断准则中任一切换判决条件时，则触发切换，所述切换判决准则包括：

其中，p_i是地面终端可视的第i颗卫星发出的接收信号功率值，p_current是地面终端当前连接的服务卫星的接收信号功率值，Δp_min是切换触发的门限接收信号功率值，w_current是当前连接服务卫星的仰角角度，w_min是地面终端与服务卫星的最小仰角角度，n_current是地面终端当前连接服务卫星的空闲信道，n_min是服务卫星的门限空闲信道值。

由于预承载切换信令的判决和正常切换都可以通过接收信号功率值和卫星的仰角角度进行判决，为了增强判决的有效性，本发明所设计的预承载切换的门限值比正常切换触发门限值低，即预承载切换的Δp_min小于正常切换的Δp_min，预承载切换的w_min小于正常切换的w_min。

当地面终端持续测量的切换测量信息只要满足上式中的任一触发判决条件时，地面终端就可以发送切换申请信令。

S45、根据步骤S44，服务卫星向目的卫星发送地面终端状态转移信令，其中所述状态转移信令中包含地面终端的上下文。

S5、地面终端通过随机接入过程与目的卫星进行连接，完成星间切换。

S51、地面终端通过随机接入过程与目的卫星建立上行同步连接。

S52、目的卫星与地面终端确认建立连接后，目的卫星向服务卫星发送地面终端上下文释放的信令；

S53、服务卫星在收到目的卫星发送的地面终端上下文释放的信令后，将分配给地面终端的资源进行释放，星间切换完成。

本发明综合考虑地面终端和卫星的传输特性，基于地面5G蜂窝网的终端切换流程提出了一种面向星地融合网络的终端切换方法，从而来改善LEO卫星基站高速移动带来的切换时延无法保障，提升地面终端在卫星间切换的成功率和降低丢包率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种面向星地融合网络的终端切换方法，其特征在于，包括：

S1、地面终端根据其服务卫星和邻居卫星的切换测量信息进行预承载切换信令判决；

S2、服务卫星收到预承载切换信令后，采用多属性决策在其邻居卫星列表中选择出最佳目的卫星；

S3、服务卫星向目的卫星发出切换申请，目的卫星为地面终端分配所需要的资源；

S4、地面终端满足切换判决事件时触发切换，服务卫星向地面终端下发目的卫星资源；

S5、地面终端通过随机接入过程与目的卫星进行连接，完成星间切换。

2.根据权利要求1所述的一种面向星地融合网络的终端切换方法，其特征在于，所述预承载切换信令判决的触发准则包括在地面终端未进入服务小区和邻居小区切换重叠区域前，地面终端与切换带边缘距离为L时，地面终端触发预承载切换。

3.根据权利要求1所述的一种面向星地融合网络的终端切换方法，其特征在于，所述切换测量信息包括地面终端可视范围内的服务卫星和邻居卫星的参考信号接收功率值p、地面终端与服务卫星的仰角角度w以及服务卫星的空闲信道数量n。

4.根据权利要求1所述的一种面向星地融合网络的终端切换方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S21、服务卫星在接收到地面终端的预承载切换信令后，服务卫星根据星历获得可切换邻居卫星列表；

S22、选取出多个邻居卫星影响地面终端星间切换的目标属性，建立出多属性模型；

S23、利用理想点法求解多属性模型，求出各个卫星的正理想值和负理想值之间的加权欧氏距离，得出最佳目的卫星。

5.根据权利要求4所述的一种面向星地融合网络的终端切换方法，其特征在于，所述多属性模型包括：

由若干影响切换的目标属性和若干可选目的卫星方案建立出原始决策矩阵；

采用向量规范化方式确定出原始决策矩阵的归一化矩阵；

利用主观赋值法中的特征向量法给每个影响切换的目标属性赋权重；

设计出加权矩阵，将经过权重向量加权的归一化，从而确定出归一化决策矩阵。

6.根据权利要求4所述的一种面向星地融合网络的终端切换方法，其特征在于，所述利用理想点法求解多属性模型包括：

计算出不同目标属性下每个备选方案的贡献度，按照熵值法计算出同一目标属性下所有备选方案的总贡献度；

按照所述同一目标属性下所有备选方案的总贡献度，计算出不同目标属性下每个备选方案的一致性程度；

按照所述一致性程度计算出目标属性的客观权重；

利用所述客观权重对理想点法的主观权重进行修正，将客观权重与主观权重的乘积归一化；将修正后的权重值作为加权矩阵中权重值；

确定出各个卫星的正理想解和负理想解之间的加权距离；

计算出正理想解与负理想解的相对接近程度，确定出每个备选方案的评价指数，并按照评价指数进行降序排列，选择出评价指数最大的卫星作为最佳目的卫星。

7.根据权利要求1所述的一种面向星地融合网络的终端切换方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31、服务卫星向切换目的卫星发送切换申请信令；

S32、目的卫星在收到切换申请信令后，目的卫星为地面终端分配新的小区无线网络临时标识资源；

S33、目的卫星向服务卫星发送切换申请确认信令，并携带为地面终端分配的资源。

8.根据权利要求1所述的一种面向星地融合网络的终端切换方法，其特征在于，所述步骤S4包括如下步骤：

S41、在服务卫星收到目的卫星切换申请确认信令时，开启等待时钟；

S42、如果等待时钟超时，即地面终端没有发出切换申请，服务卫星丢弃目的卫星为地面终端产生的资源；

S43、服务卫星向目的卫星发送切换失败的信令，目的卫星释放已分配给地面终端的资源；

S44、当地面终端满足任一切换判决条件时，向服务卫星发出切换申请，服务卫星将目的卫星为地面终端申请的资源下发，地面终端按照收到的资源进行无线链路重新配置；

S45、服务卫星向目的卫星发送地面终端状态转移信令，其中包含地面终端的上下文。

9.根据权利要求1或8所述的一种面向星地融合网络的终端切换方法，其特征在于，所述切换判决事件基于切换判断准则，当满足所述切换判断准则中任一切换判决条件时，则触发切换，所述切换判决准则包括：

其中，p_i是地面终端可视的第i颗卫星发出的接收信号功率值，p_current是地面终端当前连接的服务卫星的接收信号功率值，Δp_min是切换触发的门限接收信号功率值，w_current是当前连接服务卫星的仰角角度，w_min是地面终端与服务卫星的最小仰角角度，n_current是地面终端当前连接服务卫星的空闲信道，n_min是服务卫星的门限空闲信道值。

10.根据权利要求1所述的一种面向星地融合网络的终端切换方法，其特征在于，步骤S5具体步骤包括如下步骤：

S51、地面终端通过随机接入过程与目的卫星建立上行同步连接；

S52、目的卫星与地面终端确认建立连接后，目的卫星向服务卫星发送地面终端上下文释放的信令；

S53、服务卫星在收到目的卫星发送的地面终端上下文释放的信令后，将分配给地面终端的资源进行释放，星间切换完成。

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