CN112822738B - 一种密集用户场景下低轨卫星通信系统切换管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密集用户场景下低轨卫星通信系统切换管理方法，属于卫星通信技术领域。该方法通过测量卫星发射的导频信号强度，用户终端进行判断，当用户触发分群操作后，会进行分群属性预测，将结果交付给服务卫星完成分群操作，选择出群首用户及群成员，当群首用户的测量结果满足条件时，触发切换流程，群首代替群成员决定切换时选择的目的卫星，进入切换准备和执行阶段，当群内所有成员切换成功后，释放资源，完成切换。本发明解决了现有技术中存在大量用户因同时向卫星发送切换请求消息，造成网络拥塞，产生大量系统开销等问题。

Description

一种密集用户场景下低轨卫星通信系统切换管理方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种密集用户场景下低轨卫星通信系统切换管理方法。

背景技术

与地面5G网络相比，低轨卫星移动通信系统(LEO-MSS)在全球覆盖性、部署灵活性等方面具有诸多突出优势，在边远和非陆地地区和紧急通信中发挥着关键作用。然而，在LEO-MSS中，卫星为了维持较低的轨道高度，必须围绕地球高速旋转，造成卫星覆盖区在地球表面上的快速移动。卫星数量众多，加之运用点波束技术，在地球上会形成许多大小仅为几百千米的小区，为了保障正在进行的通信服务不中断，需要用户在通话期间不断的接入新的波束并释放原有波束占用的资源，造成用户终端与卫星之间发生频繁的切换，因此，LEO-MSS的切换技术是未来卫星通信技术的一大主要研究方向。

目前针对低轨卫星通信系统的切换策略和算法，大多只考虑单个或均匀用户在卫星之间发生切换的场景，然而，随着网络技术的发展，用户量和业务量都在急速增长，低轨卫星会逐渐面临密集用户场景，存在这样的问题：当较多的地面用户在一定范围密布时，会出现大量用户同时向卫星发送切换请求消息的情况，对于资源有限的卫星通信系统，同时发生切换管理业务会引起有限资源上的竞争和冲突，造成大量的系统开销。同时，频繁的切换会产生大量的请求报文，造成网络拥塞，引起切换中断、切换时延增大等问题。

综上所述，现有技术存在的问题是：在热点区域常常用以群体用户的形式进行切换，频繁切换会会带来切换时延，造成传输数据的大量丢失，所以，需要设计合理的切换策略来解决密集用户场景带来的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种密集用户场景下低轨卫星通信系统切换管理方法，降低切换决策的成本，对用户分组，然后为组内用户统一制定切换决策，设计符合低轨卫星网络移动用户的特征的分群技术和群组切换流程。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种密集用户场景下低轨卫星通信系统切换管理方法，包括以下步骤：

S1：分群属性预测；用户终端不断测量卫星发射的导频信号强度，当触发分群操作后，用户终端进行分群属性预测；

S2：成员选择；服务卫星根据分群属性，挑选出在切换触发时刻下，处于切换边缘的一组用户，即同一群组内的成员；

S3：群组切换准备，服务卫星与目的卫星通过Group Handover Init消息和GroupHandover Back消息进行接纳控制，无线资源预留和信道分配；

S4：切换执行，服务卫星向用户终端发送切换命令，执行切换；

S5：资源释放，服务卫星和目的卫星释放为切换用户保留的资源。

进一步，步骤S1中，所述分群属性预测具体包括以下步骤：

S11：计算切换时刻；当信号强度低于分群触发阈值y_threshold2时，用户终端根据历史接收信息，通过预测接收信号强度RSSI_t＝y_t，根据切换触发阈值y_threshold1，得到切换触发时刻t_HO；

S12：计算邻区候选集；用户终端根据广播的星历信息，计算单星最大覆盖半径r_max和切换触发时刻t_HO时星下点与终端的距离l_HO，得到切换触发时刻的卫星覆盖情况，即邻区候选集

其中N为单星内的波束数目，m分别为卫星候选集中卫星个数；

S13：最佳波束选择；根据邻区候选集内所有邻区波束，计算各波束空间关系值P_us，选择空间关系值最大的波束为最佳波束

用户终端将自身ID、切换时刻t_HO和最佳波束

等属性封装在USER_INFORMATION中，发送给当前服务卫星。

进一步，步骤S11中，使用非线性回归的二次曲线模型对接收信号进行拟合预测，并采用最小二乘法估计出当前时刻服务波束的RSRP预测值为RSRP_t＝y_t；设切换触发阈值为y_threshold1,若y(t)≥y_threshold1，继续计算y(t+Δt)，直到y(t+kΔt)＜y_threshold1，Δt为快照间隔，k＝1，2，3，…，此时，估计切换触发时刻为t_HO＝t+kΔt。

进一步，步骤S12中，用户终端根据广播星历预测信息，得到卫星的星下点位置(s_j，s_w)，同时根据GPS获取自身位置信息(u_j，u_w)，分别计算临近卫星的星下点与终端的距离为：

其中，R_E为地球半径；对于l[i]≤r_max的卫星进入卫星候选集S，记为S＝{S₁，S₂，…，S_m}。

进一步，步骤S13中，卫星各波束采用圆波束模型，波束空间关系值P_us的计算公式为：

其中，u_s、u_u分别表示用户和波束运动速度，L_us表示用户与波束中心点的连接线，|θ|表示卫星运动方向与L_us延长线之间的夹角，|φ|表示用户运动方向与L_us之间的夹角，以卫星运动方向顺时针为正，逆时针为负；u_us为在L_us方向上用户与波束速度的投影差u_us＝u_scosθ-u_ucosφ；R代表波束覆盖半径。

进一步，步骤S2中，所述成员选择具体包括以下步骤：

S21：设N为分群扫描间隔Δt时间内收到USER_INFORMATION包的个数，称为成员集合，其中扫描间隔定义为Δt＝τ(t_{ho_fist}-t_{sim_time})，t_{sim_time}为收到第一个USER_INFORMATION包的时刻，t_{ho_fist}为用户终端的切换时刻，τ为调节参数，取值范围为0＜τ＜1；

S22：提取出用户终端信息Uⁿ，依次比较用户终端信息中的最佳波束，如果切换用户终端的最佳波束与Uⁿ中的一致，则保留该用户；否则，将该用户排除在外；

S23：切换时刻的相似程度可以通过计两两数据之间的距离来衡量，用户i与成员集合中所有节点的时间相似度总和(Time Similarity，TS)可以定义为

则用户i相对于成员集合的群体相似值(Group Similarity，GS)为

其中N为成员集合的总个数，分别计算所有保留用户的GS值，并进行比较直到选出GS值最小的用户，该用户被声明为群首(Group Leader，GL)，其G值设为该用户ID；

S24：计算剩余所有保留用户与GL之间的切换时间差，并按差值从小到大划分到以其为群首的群中，G值设为GL的ID，直到群成员数达到上限。

进一步，步骤S3中，所述群组切换准备具体包括以下步骤：

S31：当卫星A收到来自群首的切换申请后，向目的卫星B发送群组切换初始化(Group Handover Init，GHInit)信息，包含该群中所有用户终端信息；

S32：对于可接受用户，目的卫星B会为用户进行接纳控制、无线资源预留和信道分配，同时根据user_id对应更新接收用户状态信息中的next_sat和preserved_channel，并将state设置为“link”状态；而将拒绝用户的state设置为“init”状态；最后将上述切换准备的结果信息封装成群组切换回复(Group Handover Back，GHBack)信息发送给卫星A。

进一步，步骤S4中，所述切换执行具体包括以下步骤：

S41：当A收到GHBack信息时，立即解析出可接受的群成员和空口信道资源，将对应用户的state字段从“link”更新为“in_group_handover”；

S42：A将相关的切换接入信息封装在切换命令中，表示切换请求被满足，通过用户链路发送给群成员，执行切换。

进一步，步骤S5中，所述资源释放具体包括以下步骤：

S51：B向A发送群组确认消息(Group Acknowledge，GAck)，携带所有切换成功的用户标识符，同时释放为没有按期切换的用户终端保留的资源；

S52：当A收到GAck时，进行资源释放，清除为切换成功的群成员分配的信道，同时清除分群信息。

本发明的有益效果在于：本发明根据密集用户的应用场景，将地面若干用户在逻辑上组成一个群组，用群内一个用户即群首的切换更新取代群内多个用户的切换更新，减少需要发送的信令数量，从而达到避免造成网络拥塞，降低信令开销的目的。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明提供的基于用户分群技术的切换方法流程图；

图2为本发明提供的分群属性预测流程图；

图3为本发明提供的用户状态信息图；

图4为本发明提供的用户与波束的相对运动关系示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图4，图1所示为本发明提供的基于分群技术的切换方法，包括以下步骤：

步骤1：分群属性预测。用户终端不断测量卫星发射的导频信号强度，当触发分群操作后，用户终端会进行分群属性预测，如图2所示，分群属性预测流程具体包含以下步骤：

步骤11：计算切换时刻。用户终端完成随机接入后，周期性的接收并测量当前服务波束的信号强度，当信号强度低于分群触发阈值y_threshold2时，用户根据历史接收信息，通过预测接收信号强度RSSI_t＝y_t，根据切换触发阈值为y_threshold1，得到切换触发时刻t_HO。

步骤12：计算邻区候选集。终端根据广播的星历信息，计算t_HO时刻星下点位置及其各波束中心点位置，进一步分别计算单星最大覆盖半径r_max和切换触发时刻t_HO时终端-星下点距离l_HO，得到切换触发时刻的卫星覆盖情况，即邻区候选集

步骤13：最佳波束选择。根据邻区候选集内所有邻区波束，计算各波束空间关系值P_us，选择空间关系值最大的波束为最佳波束

用户终端将自身ID、切换时刻t_HO，最佳波束

等属性封装在USER_INFORMATION中，发送给当前服务卫星。

步骤2：成员选择。服务卫星根据分群属性，挑选出在切换触发时刻下，处于切换边缘的一组用户，即同一群组内的成员。设N为分群扫描间隔Δt时间内收到USER_INFORMATION包的个数，称为成员集合，分别含有N个用户ID，以及对应的切换时刻和最佳波束，其中扫描间隔定义为Δt＝τ(t_{ho_fist}-t_{sim_time})，t_{sim_time}为收到第一个USER_INFORMATION包的时刻，t_{ho_fist}为该用户的切换时刻，τ为调节参数，取值范围为0＜τ＜1。定义Uⁿ＝(Iⁿ，Tⁿ，Bⁿ，Gⁿ)为扫描间隔Δt内第n个用户USER_INFORMATION包中的值，其中Iⁿ是用户ID的集合，Tⁿ是切换时刻的集合，Bⁿ是最佳波束的集合，Gⁿ是群首ID的集合，详细的成员选择如下：

步骤21：初始状态时，任意用户还未加入任意一个群组，所有的G设为-1。

步骤22：提取出用户信息Uⁿ，依次比较用户信息中的最佳波束，如果该用户的最佳波束与Uⁿ中的一致，则保留该用户；否则，将该用户排除在外。

步骤23：切换时刻的相似程度可以通过计两两数据之间的距离来衡量，用户i与成员集合中所有节点的时间相似度总和(Time Similarity，TS)可以定义为

则用户i相对于成员集合的群体相似值(Group Similarity，GS)为

其中N为成员集合的总个数，GS的值越低说明该用户与成员集合内的其他用户的切换时刻相似度越高。分别计算所有保留用户的GS值，并进行比较直到选出GS值最小的用户，该用户被声明为群首(Group Leader，GL)，其G值设为该用户ID。

步骤24：计算剩余所有保留用户与GL之间的切换时间差，并按差值从小到大划分到以其为群首的群中，G值设为GL的ID，直到群成员数达到上限。

步骤25：判断成员集合中所有用户的G是否都不为-1，若是则分群结束，若否则回到步骤22。

步骤26：判断用户信息Uⁿ中Iⁿ与Gⁿ是否相等，若是，则卫星向该群首用户下发GROUP_LEAD_NOTIFY，开启切换测量功能，继续进行切换流程，承担起整个切换过程，而群成员用户则等待服务卫星下发的相关指令。

步骤3：群组切换准备。服务卫星与目的卫星通过Group Handover Init消息和Group Handover Back消息进行接纳控制、无线资源预留和信道分配。如图3所示，卫星会记录用户的状态信息(USER_INF)，表明用户所处的切换状态，随着切换的进行不断更新，为方便描述，A指当前服务卫星，B指目的卫星。

步骤31：当卫星A收到来自群首的切换申请后，向B发送群组切换初始化(GroupHandover Init，GHInit)信息，包含该群中所有用户终端信息，其中用户信息根据切换时间差的降序排列。

步骤32：B收到GHInit信息后，考虑到卫星目前的容量，B可以完全接受或者部分拒绝GHInit中的终端申请，通过用户状态信息中的切换时间差(difference_time)顺序来截断申请终端申请列表，保证卫星的服务。对于可接受用户，B会为用户进行接纳控制、无线资源预留和信道分配，同时根据user_id对应更新接收用户状态信息中的next_sat和preserved_channel，并将state设置为“link”状态；而将拒绝用户的state设置为“init”状态；最后将上述切换准备的结果信息封装成群组切换回复(Group Handover Back，GHBack)信息发送给A。

步骤4：切换执行，服务卫星向用户终端发送切换命令，执行切换。

步骤41：当A收到GHBack信息时，立即解析出可接受的群成员和空口信道资源，将对应用户的state字段从“link”更新为“in_group_handover”。

步骤42：A将相关的切换接入信息封装在切换命令中，表示切换请求被满足，通过用户链路发送给群成员，群成员用户通过切换命令中的信息，扫描信道以检查B的存在，执行切换。

步骤5：资源释放，服务卫星和目的卫星释放为切换用户保留的资源。

步骤51：经过一段时间后，B相信所有可执行的切换都必须完成，等待时间由参数GH_ACK_Interval控制，该参数在B发送GHBack时进行初始化，一旦定时器到达触发时刻，B向A发送群组确认消息(Group Acknowledge，GAck)，携带所有切换成功的用户标识符，同时释放为没有按期切换的终端保留的资源。

步骤52：当A收到GAck时，进行资源释放，清除为切换成功的群成员分配的信道，同时清除分群信息。A将成功切换的用户状态信息state从“in_group_handover”更新为“leave”；对于那些未成功接入B的用户，如果与卫星仍存在链接，则将state从“in_group_handover”更新为“init”；若链接已经断开，则删除该用户的相关信息。

具体的，步骤1中，切换时刻是用户终端收到服务波束的接收信号强度低于阈值的时刻。定义Y＝{y₀，y₁，y₂…，y_n}为t₀到t_n时间段内终端接收服务波束小区的接收强度值，使用非线性回归的二次曲线模型对接收信号进行拟合预测：

采用广泛使用的最小二乘法估计参数，当

可得到最小二乘估计

表示为：

通过计算拟合系数{β₀，β₁，β₂}求得拟合函数，据此，当前服务波束的RSRP预测值为RSRP_t＝y_t。设切换触发阈值为y_threshold1,若y(t)≥y_threshold1，继续计算y(t+Δt)，直到y(t+kΔt)＜y_threshold1，Δt为快照间隔，k＝1，2，3，…，此时，估计切换触发时刻为t_HO＝t+kΔt。

具体的，步骤1中，邻区候选集是切换触发时刻下终端的卫星覆盖情况。设单星的最大星下半俯仰角为

地球半径为R_E，卫星高度为h，可以推出单星最大覆盖半径：

用户终端根据广播星历预测信息，得到卫星的星下点位置(s_j，s_w)，同时根据GPS获取自身位置信息(u_j，u_w)，分别计算临近卫星的星下点与终端的距离：

对于l[i]≤r_max的卫星进入卫星候选集S，记为S＝{S₁，S₂，…，S_m}，故总邻区候选集

N为单星内的波束数目。

具体的，步骤1中，最佳波束是候选波束的空间关系值的最大者。如图4所示，卫星各波束采用圆波束模型，u_s、u_u分别表示用户和波束运动速度与方向，L_us表示用户与波束中心点的连接线，|θ|表示卫星运动方向与L_us延长线之间的夹角，|φ|表示用户运动方向与L_us之间的夹角，以卫星运动方向顺时针为正，逆时针为负。为了将θ，φ归一化，定义：

为了表示用户与波束相对方位角的变化情况，定义

定义u_us为在L_us方向上用户与波束速度的投影差u_us＝u_scosθ-u_ucosφ，将u_us转换成正值，定义距离变化值

其中R为波束覆盖半径。

为了表示用户是否处于波束覆盖范围，用P_D表示归一化有效相对距离。

结合上式，可表示用户与波束相对距离变化值P_d＝P_ΔD×P_D。

为了对波束空间关系进行全面评估，定义P_us为空间关系值，该值结合了用户与波束中心点相对方位角变化情况和相对距离变化情况：

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种密集用户场景下低轨卫星通信系统切换管理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：分群属性预测；用户终端不断测量卫星发射的导频信号强度，当触发分群操作后，用户终端进行分群属性预测；具体包括以下步骤：

S11：计算切换时刻；当信号强度低于分群触发阈值y_threshold2时，用户终端根据历史接收信息，通过预测接收信号强度RSSI_t＝y_t，根据切换触发阈值y_threshold1，得到切换触发时刻t_HO；

S12：计算邻区候选集；用户终端根据广播的星历信息，计算单星最大覆盖半径r_max和切换触发时刻t_HO时星下点与终端的距离l_HO，得到切换触发时刻的卫星覆盖情况，即邻区候选集

其中N为单星内的波束数目，m分别为卫星候选集中卫星个数；

S13：最佳波束选择；根据邻区候选集内所有邻区波束，计算各波束空间关系值P_us，选择空间关系值最大的波束为最佳波束

用户终端将自身ID、切换时刻t_HO和最佳波束

封装在USER_INFORMATION中，发送给当前服务卫星；

S2：成员选择；服务卫星根据分群属性，挑选出在切换触发时刻下，处于切换边缘的一组用户，即同一群组内的成员；具体包括以下步骤：

S21：设K为分群扫描间隔ΔT时间内收到USER_INFORMATION包的个数，称为成员集合的个数，其中扫描间隔定义为ΔT＝τ(t_{ho_fist}-t_{sim_time})，t_{sim_time}为收到第一个USER_INFORMATION包的时刻，t_{ho_fist}为用户终端的切换时刻，τ为调节参数，取值范围为0＜τ＜1；

S22：提取出用户终端信息Uⁿ，依次比较用户终端信息中的最佳波束，如果切换用户终端的最佳波束与Uⁿ中的一致，则保留该用户；否则，将该用户排除在外；

S23：切换时刻的相似程度通过计两两数据之间的距离来衡量，用户i与成员集合中所有节点的时间相似度总和(Time Similarity，TS)定义为

则用户i相对于成员集合的群体相似值(Group Similarity，GS)为

其中K为成员集合的总个数，分别计算所有保留用户的GS值，并进行比较直到选出GS值最小的用户，该用户被声明为群首(Group Leader，GL)，其GS值设为该用户ID；

S24：计算剩余所有保留用户与GL之间的切换时间差，并按差值从小到大划分到以其为群首的群中，GS值设为GL的ID，直到群成员数达到上限；

S3：群组切换准备，服务卫星与目的卫星通过Group Handover Init消息和GroupHandover Back消息进行接纳控制，无线资源预留和信道分配；

S4：切换执行，服务卫星向用户终端发送切换命令，执行切换；

S5：资源释放，服务卫星和目的卫星释放为切换用户保留的资源。

2.根据权利要求1所述的低轨卫星通信系统切换管理方法，其特征在于，步骤S12中，计算单星最大覆盖半径r_max，表达式为：

其中，

为单星的最大星下半俯仰角，R_E为地球半径，h为卫星高度。

3.根据权利要求2所述的低轨卫星通信系统切换管理方法，其特征在于，其特征在于，步骤S11中，使用非线性回归的二次曲线模型对接收信号进行拟合预测，并采用最小二乘法估计出当前时刻服务波束的RSRP预测值为RSRP_t＝y_t；设切换触发阈值为y_threshold1，若y(t)≥y_threshold1，继续计算y(t+Δt)，直到y(t+kΔt)＜y_threshold1，Δt为快照间隔，k＝1，2，3，…，此时，估计切换触发时刻为t_HO＝t+kΔt。

4.根据权利要求2所述的低轨卫星通信系统切换管理方法，其特征在于，其特征在于，步骤S12中，用户终端根据广播星历预测信息，得到卫星的星下点位置(s_j，s_w)，同时根据GPS获取自身位置信息(u_j，u_w)，分别计算临近卫星的星下点与终端的距离为：

其中，R_E为地球半径；对于l≤r_max的卫星进入卫星候选集S，记为S＝{S₁，S₂，…，S_m}。

5.根据权利要求2所述的低轨卫星通信系统切换管理方法，其特征在于，其特征在于，步骤S13中，卫星各波束采用圆波束模型，波束空间关系值P_us的计算公式为：

其中，u_s、u_u分别表示用户和波束运动速度，L_us表示用户与波束中心点的连接线，|θ|表示卫星运动方向与L_us延长线之间的夹角，|φ|表示用户运动方向与L_us之间的夹角，以卫星运动方向顺时针为正，逆时针为负；u_us为在L_us方向上用户与波束速度的投影差u_us＝u_scosθ-u_ucosφ；R代表波束覆盖半径。

6.根据权利要求1所述的低轨卫星通信系统切换管理方法，其特征在于，步骤S3中，所述群组切换准备具体包括以下步骤：

S31：当卫星A收到来自群首的切换申请后，向目的卫星B发送群组切换初始化(GroupHandover Init，GHInit)信息，包含该群中所有用户终端信息；

S32：对于可接受用户，目的卫星B会为用户进行接纳控制、无线资源预留和信道分配，同时根据user_id对应更新接收用户状态信息中的next_sat和preserved_channel，并将state设置为“link”状态；而将拒绝用户的state设置为“init”状态；最后将上述切换准备的结果信息封装成群组切换回复(Group Handover Back，GHBack)信息发送给卫星A。

7.根据权利要求6所述的低轨卫星通信系统切换管理方法，其特征在于，步骤S4中，所述切换执行具体包括以下步骤：

S41：当A收到GHBack信息时，立即解析出可接受的群成员和空口信道资源，将对应用户的state字段从“link”更新为“in_group_handover”；

S42：A将相关的切换接入信息封装在切换命令中，表示切换请求被满足，通过用户链路发送给群成员，执行切换。

8.根据权利要求7所述的低轨卫星通信系统切换管理方法，其特征在于，步骤S5中，所述资源释放具体包括以下步骤：

S51：B向A发送群组确认消息(Group Acknowledge，GAck)，携带所有切换成功的用户标识符，同时释放为没有按期切换的用户终端保留的资源；

S52：当A收到GAck时，进行资源释放，清除为切换成功的群成员分配的信道，同时清除分群信息。

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