CN112887005B - 一种消解卫星切换影响的全交换方法及装置 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种消解卫星切换影响的全交换方法及装置，属于卫星通信领域，特别是消解卫星切换影响的网络全交换方法。本发明针对透明/数采转发、DU上星两种架构并采用凝视覆盖方式的低轨卫星系统，设计了一种消解卫星切换影响的全交换网络。在射频处理和基带处理单元(BBU)或者射频和CU(集中单元)之间配置该设备，可建立全交换网络，通过在关系矩阵变化时同步更新全交换网络的交换矩阵，实现在信关站馈电波束持续跟踪卫星运动过程中，虚拟小区与基带处理单元(BBU)或者CU的绑定关系不变，消除卫星移动性对终端切换的影响，避免用户群切换发生。

Description

一种消解卫星切换影响的全交换方法及装置

技术领域

本发明属于卫星通信领域，特别是消解卫星切换影响的网络全交换方法。

背景技术

随着商业航天的飞速发展，各国竞相构建低轨卫星互联网，为用户提供全球无缝覆盖的宽带移动通信业务。低轨卫星高动态情况下，需要解决好用户移动性相关问题。

目前低轨卫星系统主要包括透明/数采转发、DU上星、基站上星三种架构。针对透明/数采转发卫星系统的设计，主要分两类方式：其一是卫星用户波束相对卫星固定，随着卫星移动，用户波束相对地面滑动；其二是卫星用户波束凝视覆盖固定地理范围，并周期性跳变凝视覆盖位置。在卫星移动中，信号通过馈电链路落回地面信关站进行处理。信关站在建设完成后，“馈电波束-射频处理单元-基带处理单元”连接固定，随着卫星对地面小区的覆盖跳变或者卫星馈电链路的切换，均会出现用户波束中小区用户群切换的情况，卫星移动性影响用户切换。针对DU上星卫星系统的设计，相似地，也存在随着卫星对地面小区的覆盖跳变或者卫星馈电链路的切换导致的群切换问题。针对基站上星的卫星系统，由于基站与卫星绑定，卫星移动性是地面终端切换的主要因素。

针对以上各类架构出现的移动性方面的问题，目前的技术方案主要是从终端无缝切换的维度去优化性能，具体包括用户分组、预切换等技术策略。在卫星用户波束凝视覆盖的系统架构下，卫星移动性导致周期性的大规模用户群切换问题。频繁的用户群切换将增加信令开销和基带处理单元/CU设备间数据传输压力，即使进行终端切换优化，仍不能从根本上解决问题。

发明内容

本发明针对背景技术中随着卫星对地面小区的覆盖跳变或者卫星馈电链路的切换导致的群切换等问题，设计了一种消解卫星切换影响的全交换网络装置。

本发明针对透明/数采转发、DU上星两种架构并采用凝视覆盖方式的低轨卫星系统，设计了一种消解卫星切换影响的全交换网络。在射频处理和基带处理单元(BBU)或者射频和CU(集中单元)之间配置该设备，可建立全交换网络，通过在关系矩阵变化时同步更新全交换网络的交换矩阵，实现在信关站馈电波束持续跟踪卫星运动过程中，虚拟小区与基带处理单元(BBU)或者CU的绑定关系不变，消除卫星移动性对终端切换的影响，避免用户群切换发生。具体方案如为一种消解卫星切换影响的全交换方法，该方法包括：

步骤1：信关站下辖N个虚拟小区，虚拟小区编号为{Cell₀,...,Cell_N-1}；信关站配置L个基带处理单元{BBU₀,...,BBU_L-1}或者L个CU单元{CU₀,...,CU_L-1}，将信关站管辖的N个虚拟小区划分给这L个基带处理单元或者CU单元对应处理；

步骤2：信关站的一个馈电波束跟踪一颗卫星，一颗卫星覆盖一个虚拟小区，故N个虚拟小区需N颗卫星覆盖，需N个馈电波束跟踪卫星；信关站提供最多M个馈电波束{FB₀,...,FB_M-1}，其中M≥N，满足对N颗卫星的跟踪需求；

当一个卫星进入信关站范围时，信关站调用固定馈电波束持续跟踪，直到将该卫星送出信关站范围；根据信关站馈电波束跟踪卫星的计划和卫星用户波束凝视覆盖地面虚拟小区的计划，获得馈电波束与信关站下辖虚拟小区关系；

设t时刻，第m个馈电波束对第n个虚拟小区的关系为a_m,t,n∈{0,1}，a_m,t,n＝1表示t时刻第m个馈电波束跟踪的卫星正在凝视覆盖第n个虚拟小区，否则a_m,t,n＝0；t时刻，信关站M个馈电波束对信关站下辖N个虚拟小区的关系矩阵为：

其中，关系矩阵满足以下约束：

rank(A_t)＝N

其中，rank(·)表示矩阵的秩；

步骤3：设置K个远端端口{f₁,…,f_K}，Q个近端端口{p₁,…,p_Q}，其中K≥M，Q≥N；远端端口与信关站馈电波束满足映射关系FB_m-1→f_m,m∈{1,…,M}，近端端口与虚拟小区满足映射关系Cell_n-1→p_n,n∈{1,…,N}；将近端端口与基带处理单元固定连接，建立起虚拟小区与基带处理单元的绑定关系；

全交换网络的交换矩阵S为：

其中，s_ij∈{0,1}，s_ij＝0表示f_i端口与p_j端口内部断开，s_ij＝1表示f_i端口与p_j端口内部联通；矩阵S_e满足以下约束：

rank(S_e)＝N

在t时刻，虚拟小区与信关站固定基带处理单元绑定关系保持不变，矩阵S_e满足如下约束：

其中，I_N×N表示N×N的单位矩阵；根据关系矩阵A_t和矩阵S_e约束，得

则t时刻全交换网络交换矩阵为：

步骤4：在信关站馈电波束跟踪卫星过程中，卫星用户波束凝视覆盖地面小区变化，关系矩阵A_t变化，全交换网络的交换矩阵进行同步变化；

根据卫星和信关站工作计划，提前计算关系矩阵变化时刻[t₀,t₁,…,t_e]，以及相应的关系矩阵

和全交换网络的交换矩阵

运行中，到达关系矩阵变化时刻t_x∈[t₀,t₁,…,t_e]，全交换网络同步将交换矩阵更新为

保证系统运行全时段虚拟小区与信关站固定基带处理单元绑定关系保持不变。

进一步的，所述一种消解卫星切换影响的网络全交换装置，该装置设置于卫星通信系统的射频单元和基带处理单元之间或者设置于射频单元和CU之间；该装置包括K个远端端口{f₁,…,f_K}和Q个近端端口{p₁,…,p_Q}；近端端口与基带处理单元固定连接，建立虚拟小区与基带处理单元的绑定关系；该装置内部具备全交换特点：通过交换矩阵的配置，实现远端任一端口到近端某一端口的连通；同时与外部设备连接过程中优先使用角标较小的远端端口和近端端口，空缺角标较大的端口。

本发明通过全交换网络同步更新交换矩阵，实现在信关站馈电波束持续跟踪卫星运动过程中，虚拟小区与基带处理单元绑定关系不变，消除卫星移动性对终端切换的影响，避免用户群切换发生。

本发明中的BBU、CU和DU，不仅限于指代地面移动通信4G和5G中的专用设备，可广泛指代通信中的基带及协议处理类设备、非实时协议处理类设备和基带实时处理类设备。本发明中的全交换方法及装置可推广适用在无人机、巡航弹等空中运动设施覆盖系统中。

附图说明

图1为现有卫星通信链路示意图。

图2为本发明一种消解卫星切换影响的全交换方法中交换矩阵计算方法的流程图。

图3为本发明实施例一全交换装置设置方式示意图。

图4为本发明实施例一全交换装置外接口示意图。

图5为本发明实施例一0时刻的虚拟小区与基带处理单元绑定关系示意图。

图6为本发明实施例一T时刻的虚拟小区与基带处理单元绑定关系示意图。

图7为本发明实施例二全交换装置设置方式示意图。

图8为本发明实施例二全交换装置外接口示意图。

图9为本发明实施例二0时刻的虚拟小区与基带处理单元绑定关系示意图。

图10为本发明实施例二T时刻的虚拟小区与基带处理单元绑定关系示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例方案架构如图3所示；全连接方法如下：

步骤1：信关站下辖6个虚拟小区，虚拟小区编号为{Cell₀,...,Cell₅}。信关站配置6个基带处理单元(BBU)，一个基带处理单元处理一个小区，配置7个馈电波束{FB₀,...,FB₆}。

步骤2：配置远端9个接口、近端9个接口的全交换网络设备，并构建全交换网络，如图4所示；

步骤3：若根据卫星和信关站工作计划，提前计算得的关系矩阵变化时刻序列[0,T,2T]，和相应的关系矩阵为

步骤4：根据关系S_t＝A_t，得到全交换网络设备中交换矩阵参数为

步骤5：0时刻，全交换网络设备中的交换矩阵参数配置为

虚拟小区与基带处理单元绑定关系如图5所示，虚拟小区与基带处理单元绑定关系为Cell_n-1→BBU_n-1,n∈{1,…,6}。

步骤6：T时刻到达时，全交换网络设备中的交换矩阵参数更新为

虚拟小区与基带处理单元绑定关系如图6所示；虚拟小区与基带处理单元绑定关系仍然为Cell_n-1→BBU_n-1,n∈{1,…,6}，与0～T时间段绑定关系保持不变。

步骤7：2T时刻到达时，同理，虚拟小区与基带处理单元绑定关系仍然为Cell_n-1→BBU_n-1,n∈{1,…,6}。故0～2T时间段内虚拟小区与基带处理单元绑定关系不变，不受卫星运动影响。

本实施例通过在信关站配置该全交换网络设备后，信关站下辖的6个虚拟小区与信关站配置的6个BBU对应绑定，消解卫星移动性对用户切换的影响。

施例二

本实施例方案架构如图7所示；全连接方法如下：

步骤1：信关站下辖4个虚拟小区，虚拟小区编号为{Cell₀,...,Cell₃}。信关站配置2个CU单元，配置6个馈电波束{FB₀,...,FB₅}。

步骤2：配置远端7个接口、近端7个接口的全交换网络设备，并构建全交换网络如图8所示；

步骤3：若根据卫星和信关站工作计划，提前计算得的关系矩阵变化时刻序列[0,T,2T]，和相应的关系矩阵为

步骤4：根据关系S_t＝A_t，得到全交换网络设备中交换矩阵参数为

步骤5：0时刻，全交换网络设备中的交换矩阵参数配置为

虚拟小区与CU单元绑定关系如如9所示，虚拟小区与CU单元绑定关系为：

Cell₀,Cell₁→CU₀、Cell₂,Cell₃→CU₁。

步骤6：T时刻到达时，全交换网络设备中的交换矩阵参数更新为

虚拟小区与CU单元绑定关系如图10所示，虚拟小区与CU单元绑定关系仍然为：

Cell₀,Cell₁→CU₀、Cell₂,Cell₃→CU₁，与0～T时间段绑定关系保持不变。

步骤7：2T时刻到达时，同理，虚拟小区与CU单元绑定关系仍然为Cell₀,Cell₁→CU₀、Cell₂,Cell₃→CU₁。故0～2T时间段内虚拟小区与CU单元绑定关系不变，不受卫星运动影响。

本实施例通过在信关站配置该全交换网络设备后，信关站下辖的4个虚拟小区与信关站配置的2个CU对应绑定，消解卫星移动性对用户层3切换的影响。

本发明设计了一种消解卫星切换影响的全交换网络设备。可在射频处理和基带处理单元(或者CU)之间建立起全交换网络，通过全交换网络与关系矩阵变化同步更新交换矩阵，实现在信关站馈电波束持续跟踪卫星运动过程中，虚拟小区与基带处理单元(或者CU)绑定关系不变，消除卫星移动性对终端切换的影响，避免用户群切换发生。

Claims (2)

1.一种消解卫星切换影响的全交换方法，该方法包括：

步骤1：信关站下辖N个虚拟小区，虚拟小区编号为{Cell₀,...,Cell_N-1}；信关站配置L个基带处理单元{BBU₀,...,BBU_L-1}或者L个CU单元{CU₀,…,CU_L-1}，将信关站管辖的N个虚拟小区划分给这L个基带处理单元或者CU单元对应处理，CU单元表示集中单元；

步骤2：信关站的一个馈电波束跟踪一颗卫星，一颗卫星覆盖一个虚拟小区，故N个虚拟小区需N颗卫星覆盖，需N个馈电波束跟踪卫星；信关站提供最多M个馈电波束{FB₀,…,FB_M-1}，其中M≥N，满足对N颗卫星的跟踪需求；

当一个卫星进入信关站范围时，信关站调用固定馈电波束持续跟踪，直到将该卫星送出信关站范围；根据信关站馈电波束跟踪卫星的计划和卫星用户波束凝视覆盖地面虚拟小区的计划，获得馈电波束与信关站下辖虚拟小区关系；

设t时刻，第m个馈电波束对第n个虚拟小区的关系为a_m,t,n∈{0,1}，a_m,t,n＝1表示t时刻第m个馈电波束跟踪的卫星正在凝视覆盖第n个虚拟小区，否则a_m,t,n＝0；t时刻，信关站M个馈电波束对信关站下辖N个虚拟小区的关系矩阵为：

其中，关系矩阵满足以下约束：

rank(A_t)＝N

或1,m∈{1,…,M}

其中，rank(·)表示矩阵的秩；

步骤3：设置K个远端端口{f₁,…,f_K}，Q个近端端口{p₁,…,p_Q}，其中K≥M，Q≥N；远端端口与信关站馈电波束满足映射关系FB_m-1→f_m,m∈{1,…,M}，近端端口与虚拟小区满足映射关系Cell_n-1→p_n,n∈{1,…,N}；将近端端口与基带处理单元或者CU单元固定连接，建立起虚拟小区与基带处理单元或者CU单元的绑定关系；

全交换网络的交换矩阵S为：

其中，s_ij∈{0,1}，s_ij＝0表示f_i端口与p_j端口内部断开，s_ij＝1表示f_i端口与p_j端口内部联通；矩阵S_e满足以下约束：

rank(S_e)＝N

或1,i∈{1,…,M}

在t时刻，虚拟小区与信关站固定基带处理单元或者CU单元绑定关系保持不变，矩阵S_e满足如下约束：

其中，I_N×N表示N×N的单位矩阵；根据关系矩阵A_t和矩阵S_e约束，得

则t时刻全交换网络交换矩阵为：

步骤4：在信关站馈电波束跟踪卫星过程中，卫星用户波束凝视覆盖地面小区变化，关系矩阵A_t变化，全交换网络的交换矩阵进行同步变化；

根据卫星和信关站工作计划，提前计算关系矩阵变化时刻[t₀,t₁,…,t_e]，以及相应的关系矩阵

和全交换网络的交换矩阵

运行中，到达关系矩阵变化时刻t_x∈[t₀,t₁,…,t_e]，全交换网络同步将交换矩阵更新为

保证系统运行全时段虚拟小区与信关站固定基带处理单元或者CU单元的绑定关系保持不变。

2.一种应用权利要求1所述方法的网络全交换装置，其特征在于，该装置设置于卫星通信系统的射频单元和基带处理单元之间或者设置于射频单元和CU之间；该装置包括K个远端端口{f₁,…,f_K}和Q个近端端口{p₁,…,p_Q}；近端端口与基带处理单元或者CU单元固定连接，建立虚拟小区与基带处理单元或者CU单元的绑定关系；该装置内部具备全交换特点：通过交换矩阵的配置，实现远端任一端口到近端某一端口的连通；同时与外部设备连接过程中优先使用角标最小的远端端口和近端端口，空缺角标最大的端口。

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