CN112954665B - 一种基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法 - Google Patents

一种基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于卫星移动通信技术领域，公开了一种基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法，本发明提出服务域的概念，屏蔽了卫星天线足印方式、终端链路层选择接入卫星方式的差异，确保终端的接入卫星在服务域内；根据终端的移动速度选择不同数量的位置区域组成服务域，可以降低低速移动终端的移动性管理信令开销，减小高速移动终端的切换时延；数据包到达目的服务域边缘时，开始查找目的终端接入卫星，保证数据包到达服务域后按照最佳路由传输而非三角路由。

Description

一种基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法
技术领域
本发明属于卫星移动通信技术领域，尤其涉及一种基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法。
背景技术
在低轨卫星星座网络中，由于卫星相对地面高速运动，用户终端在不同波束、不同卫星之间的切换不可避免。因此移动性管理是低轨卫星通信中的关键技术。
目前链路层的移动性管理技术研究较为充分，对于网络层的移动性管理技术一般以移动IP协议(MIP)的改进为主。MIP协议的主要内容是，移动终端在其家乡代理处获得家乡地址，当移动终端移动到外部网络时，获得外部转交地址，并在家乡代理处配置移动终端的外部转交地址。当移动终端在家乡网络时，按照正常的路由转发方式通信；当移动终端进入外部网络时，获取外部转交地址并向家乡代理注册该地址，通信对端发送给移动终端的数据包通过正常路由转发方式到达移动终端的家乡网络，移动终端的家乡代理获取这些数据包，并根据外部转交地址封装数据包，使用隧道技术发送，而移动终端发送给通信对端节点的数据包则采用正常的路由方式。但由于低轨卫星通信网络覆盖范围广、服务终端多、卫星与终端之间相对高速运动，导致终端与卫星之间的切换十分频繁，终端外部转交地址不停变化，外部转交地址到家乡网络的更新注册过程十分频繁，产生大量管理负荷。
为解决终端外部转交地址更换频繁的问题，有一种独立于卫星切换的移动性管理技术，特点是将移动终端的地理位置编码后作为可路由地址。移动终端移动时根据其地理位置的改变，改变其可路由地址，实现与当前接入卫星切换的解耦，降低了注册更新的开销。但由于卫星支持的多波束天线技术以及链路层移动性切换技术的影响，根据移动终端地理位置不能准确找到终端接入的头顶星，数据无法正常下行到移动终端。同时在移动终端移动速度过快时，若地理位置无法及时告知家乡代理，仍按照原移动终端位置进行路由，可能导致丢包。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
现有的卫星网络移动性管理方法根据移动终端地理位置不能准确找到终端接入的头顶星，数据无法正常下行到移动终端。解决这一问题及缺陷的难度为：根据移动终端位置找到终端接入头顶星的通用办法是在链路层或物理层采用卫星支持地球足印技术，但该技术存在全网时钟同步、在相同最小仰角限值下覆盖区域较小等问题，增加了系统复杂度。而在网络层对该问题的研究较少。
同时，在移动终端移动速度过快时，若地理位置无法及时告知家乡代理，仍按照原移动终端位置进行路由，可能导致丢包。解决这一问题及缺陷的难度为：传统的解决方式是由终端原外部代理拦截后转发到终端最新外部代理处，但会造成非最佳路由的问题，数据包时延增大。因此急需一种新的方法解决以上问题。
解决以上问题及缺陷的意义为：可以彻底屏蔽卫星移动对于终端移动性管理的影响，同时保障高速运动终端的服务质量。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法。
本发明是这样实现的，一种基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法包括：
(1)地面划分为位置区域，卫星与位置区域实时地形成一对一映射；
(2)每个位置区域以自身为中心按照一定规则选择相邻位置区域组成服务域；
(3)终端接入卫星时向信关站注册，同时卫星维护该终端的物理资源和移动终端信息；
(4)服务域对应卫星互相交互自身所管理的属于该服务域的移动终端信息；
(5)当卫星从一个位置区域移入新位置区域时，如果终端服务域不再包含卫星所在的位置区域，删除该终端信息；
(6)当终端从一个位置区域移入新位置区域时或移动情况发生改变时，需立即向信关站报告当前服务域；终端没有移入新位置区域，移动情况没有发生改变时，需要定期向信关站报告当前服务域；
(7)获取目的终端服务域，构建卫星帧发出；
(8)卫星帧经过卫星网络向目的终端路由转发。
进一步，步骤(1)中，地面划分为位置区域，卫星与位置区域实时地形成一对一映射的过程为：
地面按照卫星个数划分位置区域，位置区域与卫星可以形成一一对应关系，卫星移动时会根据卫星当前所在位置实时地与地面位置区域映射，卫星的位置区域编号为卫星星下点当前时刻的位置区域编号。
进一步，步骤(2)中，每个位置区域以自身为中心按照一定规则选择相邻位置区域组成服务域的过程为：
每一个位置区域以自身为中心按照一定规则选择相邻位置区域组成服务域，服务域成交叠状态，服务域编号为中心位置区域编号与规则编号共同组成。
进一步，步骤(3)中，终端接入卫星，向信关站注册，卫星维护该终端的物理资源和移动终端信息的过程为：
终端拥有唯一的终端标识，终端首先通过定位系统获取当前所在位置区域，判断目前自身移动情况(高速、低速)，得到自身所处服务域，然后选择要接入的卫星；接入卫星维护一个物理资源映射表，维护终端对应的空口资源如波束、频率、时隙等，从而进行下行数据的发送；同时卫星需要维护移动终端信息如终端标识、终端位置区域、终端移动情况、终端接入头顶星，在终端成功接入卫星后，由终端或者接入卫星向信关站注册终端标识、终端服务域；信关站收到终端注册信息，记录终端标识及终端对应服务域，告知移动终端注册完成。
进一步，步骤(4)中，服务域对应卫星互相交互自身所管理的属于该服务域的移动终端信息的过程为：
当卫星有移动终端接入或移动终端断开连接时，立即向其所在的所有服务域包含的卫星发送新增终端信息；在没有新增终端接入及断开时，卫星周期性地与服务域内卫星共享属于服务域的终端信息。
进一步，步骤(7)中，获取目的终端服务域，构建卫星帧发出的过程为：
发送终端直接将数据包发送至接入卫星，由接入卫星向信关站查询目的终端服务域后，将数据包封装成卫星帧；
或由发送终端向信关站查询目的终端服务域后，由发送终端封装成卫星帧，发送给接入卫星。
进一步，步骤(8)中，卫星帧经过卫星网络向目的终端路由转发的过程为：
交换卫星终端收到卫星帧，向服务域编号为目的终端所在位置区域号的方向转发。当交换卫星终端已经位于目标服务域但非服务域中心位置区时，查找自身保存的移动终端信息，如果包含目的终端信息将终端接入卫星标识填入数据帧目的地址处，向目的终端的接入卫星转发；如果没有找到目的终端信息则向服务域中心转发；
当交换卫星终端已经位于目标服务域中心区域时，查找自身保存的移动终端信息，如果还没有目的终端信息则丢弃该数据包；
当卫星帧已经发送到接入卫星时，接入卫星保存了目的终端的空口资源，将数据包下发至目的终端。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提出服务域的概念，屏蔽了卫星天线足印方式、终端链路层选择接入卫星方式的差异，确保终端的接入卫星在服务域内；本发明根据终端的移动速度选择不同数量的位置区域组成服务域，可以降低低速移动终端的移动性管理信令开销，减小高速移动终端的切换时延。本发明数据包到达目的服务域边缘时，开始查找目的终端接入卫星，保证数据包到达服务域后按照最佳路由传输而非“三角路由”。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法的流程图。
图2是本发明实施例提供的位置区域规划方法图。
图3是本发明实施例提供的卫星与位置区域映射图。
图4是本发明实施例提供的服务域构建方法图。
图5是本发明实施例提供的终端接入卫星网络流程图。
图6是本发明实施例提供的卫星发送终端信息帧的流程图。
图7是本发明实施例提供的卫星接收终端信息帧的流程图。
图8是本发明实施例提供的卫星交换转发处理的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法包括以下步骤：
S101，地面划分为位置区域，卫星与位置区域实时地形成一对一映射；
S102，每个位置区域以自身为中心按照一定规则选择相邻位置区域组成服务域；
S103，终端接入卫星时向信关站注册，同时卫星维护该终端的物理资源和移动终端信息；
S104，服务域对应卫星互相交互自身所管理的属于该服务域的移动终端信息；
S105，当卫星从一个位置区域移入新位置区域时，如果终端服务域不再包含卫星所在的位置区域，删除该终端信息；
S106，当终端从一个位置区域移入新位置区域时或移动情况发生改变时，需立即向信关站报告当前服务域；终端没有移入新位置区域，移动情况没有发生改变时，需要定期向信关站报告当前服务域；
S107，获取目的终端服务域，构建卫星帧发出；
S108，卫星帧经过卫星网络向目的终端路由转发。
本发明提供的基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法仅仅是一个具体实施例而已。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。
本发明实施例提供的基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法具体包括以下步骤：
(1)地面划分为位置区域，卫星与位置区域实时地形成一对一映射。
地面按照卫星个数划分位置区域，位置区域与卫星可以形成一一对应关系，卫星移动时会根据卫星当前所在位置实时地与地面位置区域映射，卫星的位置区域编号为卫星星下点当前时刻的位置区域编号。
本实例中使用的卫星星座参数如表1所示：
表1卫星星座参数
轨道面数 6
轨道内卫星数 12
卫星总数 72
轨道高度/km 780km
轨道倾角/deg 90
如图2所示，位置区域规划方法，在实现本发明实例的过程中，该方法包括：
(a)位置区划分为矩形形式；
(b)经度平分为2*轨道面数即12等份；
(c)纬度平分为轨道内卫星数/2即6等份；
(d)对于0号区域来说，采用(-180°，-90°)、(-150°，-90°)、(-180°，-60°)、(-150°，-60°)经纬度坐标围成的区域作为0号位置区域。
卫星与位置区域实时地形成一对一映射的方法，在实现本发明实例的过程中，该方法为：
如图3所示，根据卫星星下点的所处的位置区域编号作为卫星当前的位置区域编号，卫星拥有自己的卫星标识SAT_101和卫星位置区40。
(2)每个位置区域以自身为中心按照一定规则选择相邻位置区域组成服务域；
每一个位置区域以自身为中心按照一定规则选择相邻位置区域组成服务域，服务域成交叠状态，服务域编号为中心位置区域编号与规则编号共同组成。
如图4所示，位置区域40与相邻位置区域组成服务域，低速服务域的邻居区域选择方式为相邻一个位置区域，服务域编号为40L；高速服务域的邻居区域选择方式为相邻两个位置区域，服务域编号为40H。
(3)终端接入卫星时向信关站注册，同时卫星维护该终端的物理资源和移动终端信息。
终端拥有唯一的终端标识，终端首先通过定位系统获取当前所在位置区域，判断目前自身移动情况(高速、低速)，得到自身所处服务域，然后选择要接入的卫星，发起连接请求；接入卫星维护一个物理资源映射表，维护终端对应的空口资源如波束、频率、时隙等，从而进行下行数据的发送；同时卫星需要维护移动终端信息如终端标识、终端服务域、终端接入头顶星；在终端成功接入卫星后，由终端或者接入卫星向信关站注册终端标识、终端服务域；信关站收到终端注册信息，记录终端标识及终端对应服务域，告知移动终端注册完成。
详细流程如图5所示，本案例中移动性管理的注册、查询及切换信令信息等由移动终端和信关站共同完成，因此由移动终端发起向信关站注册的信令。
本实例中，终端标识为低速运动的U_0的终端，其服务域为40L，通过卫星SAT_101接入卫星网络。
卫星维护的物理资源映射表如表2所示。
表2物理资源映射表格式
终端标识 对应空口资源
U_0 对应波束、频率、时隙
卫星维护的终端信息表及填充内容如表3所示。
表3卫星维护的移动终端信息表格式及填充内容
终端标识 终端服务域 接入头顶星
U_0 40L SAT_101
信关站接收到终端的注册请求，需要记录终端标识、终端位置区域及终端类型等信息。信关战保存的移动终端信息表及填充内容如表4所示。
表4信关站保存的移动终端信息表格式及填充内容
终端标识 终端服务域
U_0 40L
(4)服务域对应卫星互相交互自身所管理的属于该服务域的移动终端信息；
卫星有移动终端接入或移动终端断开连接，需要立即向其所在的所有服务域包含的卫星发送新增/删除终端信息；在没有终端接入及断开时，卫星周期性地与服务域内卫星共享属于服务域的终端信息。
如图6所示，卫星SAT_101向其他卫星发送终端信息的流程是获取要共享的终端信息、获取到终端对应服务域包含的位置区集合对应的全部卫星编号、封装终端信息、向位置区集合对应的全部卫星发送封装好的终端信息。
终端信息帧格式和本实例的内容填充如表5所示。
表5终端信息帧格式及填充内容
Figure BDA0002978825070000091
本实例中，终端信息帧将被发往当前时刻39、41、52、28号位置区域对应的卫星SAT_601、SAT_201、SAT_102、SAT_112。
如图7所示，卫星接收到其他卫星发送的终端信息帧的流程是先判断终端信息帧中的目的位置区是否与当前位置区相同，如果相同则查看终端信息，不同则丢弃该终端信息帧；如果终端信息中服务域包含卫星所在位置区，则保存终端信息，否则丢弃该终端信息帧。
(5)当卫星从一个位置区域移入新位置区域时，删除不包含当前卫星的服务域的终端信息；
当卫星移入新位置区域后，遍历自身保存的所有终端信息，如果终端服务域已经不包含在卫星所在的位置区域时，则删除该终端信息。
本实例中，卫星SAT_101在位置区域40处，保存有40L、40H、39L、39H、28L、28H、41L、41H、52L、52H、38H、27H、16H、29H、42H、53H、64H、51H服务域内的终端信息。当卫星运行到区域52时，将不再38H、27H、16H、29H、42H、39L、41L、28L服务域内，终端信息表中终端服务域标识为上述服务域的终端信息将被删除。
(6)当终端从一个位置区域移入新位置区域时或移动情况发生改变时，需立即向信关站报告当前服务域；终端没有移入新位置区域，移动情况没有发生改变时，需要定期向信关站报告当前服务域；
本实例中，终端U_0进入位置区域39，与SAT_101断开连接，通过SAT_601接入卫星，移动情况为低速。需向信关站汇报当前的服务区域39L；信关站更新U_0的终端信息表，如表6所示。
表6信关站保存的移动终端信息表格式及填充内容
终端标识 终端服务域
U_0 39L
同时，卫星SAT_101和SAT_601都将执行步骤(4)。
位置区域40、52、41、28、39都将在终端信息表中删除U_0表项。
位置区域51、38、39、40、27都将得到最新的终端信息表，如表7所示。
表7卫星维护的移动终端信息表格式及填充内容
终端标识 终端服务域 接入头顶星
U_0 39L SAT_601
(7)获取目的终端服务域，构建卫星帧发出；
发送终端直接将数据包发送至接入卫星，由接入卫星向信关站查询目的终端服务域后，将数据包封装成卫星帧；
或由发送终端向信关站查询目的终端服务域后，由发送终端封装成卫星帧，发送给接入卫星。
本实例中，接入卫星为SAT_402，源服务域为55L的终端U_1，将向U_0发送数据，终端U_1先向位于服务域20L，信关站标识为gate_0的信关站发起位置查询帧，帧格式及填充内容如表8所示。
表8位置查询帧格式及填充内容
源地址 目的地址 帧类型 源终端标识 目的终端标识 待查询终端标识
55L 20L QUERY U_1 gate_0 U_0
信关站收到位置查询帧，解析待查询终端标识U_0，在终端信息表中，查找是否包含此终端。包含U_0终端，且U_0终端的服务域为39L。信关站构造位置回复帧，发往发送终端U_1。帧格式及填充内容如表9所示。
表9信关站位置回复帧格式及填充内容
Figure BDA0002978825070000111
源终端收到信关站位置回复帧后，解析终端标识及终端服务域，构造卫星数据帧，并发出。卫星数据帧帧格式及填充内容如表10所示。
表10卫星数据帧格式及填充内容
源地址 目的地址 帧类型 源终端标识 目的终端标识 Payload
20L 39L DATA U_1 U_0 IP报文
(8)卫星帧经过卫星网络向目的终端路由转发。
如图8所示，是卫星的交换转发处理流程图。交换卫星终端收到卫星帧，目的地址是服务域编号，向服务域编号为目的终端所在位置区域号的方向转发。当交换卫星终端已经位于目标服务域但非中心区域时，查找自身保存的移动终端信息，如果包含目的终端信息则将终端接入卫星标识填入数据帧目的地址处，向目的终端的接入卫星转发；如果没有找到目的终端信息则继续向服务域中心转发。当交换卫星终端已经位于目标服务域中心区域时，查找自身保存的移动终端信息，如果还没有目的终端信息则丢弃该数据包。当卫星帧已经发送到接入卫星时，接入卫星保存了目的终端的空口资源，将数据包下发至目的终端。
在到达区域内部的转发是向卫星节点的转发，可以屏蔽卫星节点运动导致的卫星位置区域编号变换，可以直接路由到接入卫星。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法，其特征在于，所述基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法包括：
（1）地面划分为位置区域，卫星与位置区域实时地形成一对一映射；
（2）每个位置区域以自身为中心按照一定规则选择相邻位置区域组成服务域；
（3）终端接入卫星时向信关站注册，同时卫星维护该终端的物理资源和移动终端信息；
（4）服务域对应卫星互相交互自身所管理的属于该服务域的移动终端信息；
（5）当卫星从一个位置区域移入新位置区域时，如果终端服务域不再包含卫星所在的位置区域，删除该终端信息；
（6）当终端从一个位置区域移入新位置区域时或移动情况发生改变时，需立即向信关站报告当前服务域；终端没有移入新位置区域，移动情况没有发生改变时，需要定期向信关站报告当前服务域；
（7）获取目的终端服务域，构建卫星帧发出；
（8）卫星帧经过卫星网络向目的终端路由转发。
2.如权利要求1所述的基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法，其特征在于，步骤（1）中，地面划分为位置区域，卫星与位置区域实时地形成一对一映射的过程为：
地面按照卫星个数划分位置区域，位置区域与卫星可以形成一一对应关系，卫星移动时会根据卫星当前所在位置实时地与地面位置区域映射，卫星的位置区域编号为卫星星下点当前时刻的位置区域编号。
3.如权利要求1所述的基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法，其特征在于，步骤（2）中，每个位置区域以自身为中心按照一定规则选择相邻位置区域组成服务域的过程为：
每一个位置区域以自身为中心按照一定规则选择相邻位置区域组成服务域，服务域成交叠状态，服务域编号为中心位置区域编号与规则编号共同组成。
4.如权利要求1所述的基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法，其特征在于，步骤（3）中，终端接入卫星，向信关站注册，卫星维护该终端的物理资源和移动终端信息的过程为：
终端拥有唯一的终端标识，终端首先通过定位系统获取当前所在位置区域，判断目前自身移动情况高速或低速，得到自身所处服务域，然后选择要接入的卫星；接入卫星维护一个物理资源映射表，维护终端对应的空口资源包括波束、频率、时隙，从而进行下行数据的发送；同时卫星需要维护移动终端信息包括终端标识、终端位置区域、终端移动情况、终端接入头顶星，在终端成功接入卫星后，由终端或者接入卫星向信关站注册终端标识、终端服务域；信关站收到终端注册信息，记录终端标识及终端对应服务域，告知移动终端注册完成。
5.如权利要求1所述的基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法，其特征在于，步骤（4）中，服务域对应卫星互相交互自身所管理的属于该服务域的移动终端信息的过程为：
当卫星有移动终端接入或移动终端断开连接时，立即向其所在的所有服务域包含的卫星发送新增终端信息；在没有新增终端接入及断开时，卫星周期性地与服务域内卫星共享属于服务域的终端信息。
6.如权利要求1所述的基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法，其特征在于，步骤（7）中，获取目的终端服务域，构建卫星帧发出的过程为：
发送终端直接将数据包发送至接入卫星，由接入卫星向信关站查询目的终端服务域后，将数据包封装成卫星帧；
或由发送终端向信关站查询目的终端服务域后，由发送终端封装成卫星帧，发送给接入卫星。
7.如权利要求1所述的基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法，其特征在于，步骤（8）中，卫星帧经过卫星网络向目的终端路由转发的过程为：
交换卫星终端收到卫星帧，向目的地址中的服务域中心位置区转发。
8.如权利要求7所述的基于动态服务域的卫星网络移动性管理方法，其特征在于，当交换卫星终端已经位于目标服务域但非服务域中心位置区时，查找自身保存的移动终端信息，如果包含目的终端信息则将终端接入卫星标识填入数据帧目的地址处，向目的终端的接入卫星转发；如果没有找到目的终端信息则向服务域中心位置区转发；
当交换卫星终端已经位于目标服务域中心区域时，查找自身保存的移动终端信息，如果还没有目的终端信息则丢弃数据包；
当卫星帧已经发送到接入卫星时，接入卫星保存了目的终端的空口资源，将数据包下发至目的终端。
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