CN113115394A - 基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法和核心网 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法和核心网，核心网通过地面基站获取第一切换请求，搜索出目标卫星，缓存第一上下文数据，向目标卫星请求将移动终端切换至与目标卫星连接，当目标卫星返回的切换结果为成功，核心网将移动终端的数据链路修改为与目标卫星连接，将缓存的第一上下文数据通过目标卫星发送至移动终端。本发明第一切换请求消息中携带了移动终端与地面基站原来通信过程产生的第一上下文数据，并且核心网将第一上下文数据缓存起来，可以减少切换的预准备和执行阶段的多次与目标卫星的数据通信，减少目标卫星的通信压力，同时可以保持第一上下文数据的连续性。本发明广泛应用于移动通信技术领域。

Description

基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法和核心网

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，尤其是一种基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法和核心网。

背景技术

随着移动通信技术的发展，现在已经不再满足于使用地面基站的信号进行移动设备的通信，移动通信技术开始进军卫星移动通信网络，因为卫星移动通信网络相对于基于地面基站的公用陆地通信网络拥有覆盖面广的优点，只有卫星数量足够，就算去到深山或者荒漠中也能收到卫星信号进行通信，或者由于某个地区的自然灾害原因，比如地震，造成地方基站破坏和断电情况，也能使用卫星移动网络进行通信。虽然卫星移动网络有覆盖面广和不惧怕自然灾害破坏的优点，但是相对于陆地公用移动网络，卫星移动网络的卫星数量有限，在空中和地面通信，距离远，时延高和带宽小等缺点。

一些通信技术采用了在地面移动网络和卫星移动网络之间进行切换的思路，能够综合利用地面移动网络和卫星移动网络的优点。但是其切换方式是直接断开原来的网络，再接入新的网络，容易造成通信中断等问题，严重影响有连续性数据要求的通信过程，甚至使得通信无法正常进行。

发明内容

针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法和核心网。

一方面，本发明实施例包括一种基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法，包括：

核心网通过与移动终端连接的地面基站，获取所述移动终端发出的第一切换请求；所述第一切换请求包括所述移动终端与所述地面基站之间产生的第一上下文数据；

响应于所述第一切换请求，所述核心网搜索出目标卫星；所述目标卫星是能与所述移动终端保持最长有效通信时间的通信卫星；

所述核心网缓存所述第一上下文数据；

所述核心网向所述目标卫星请求将所述移动终端与所述地面基站之间的连接切换至所述目标卫星；

当所述目标卫星返回的切换结果为成功，所述核心网将所述移动终端的数据链路修改为与所述目标卫星连接，将缓存的所述第一上下文数据通过所述目标卫星发送至所述移动终端。

进一步地，基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法还包括：

当所述目标卫星返回的切换结果为成功，所述核心网还向所述地面基站返回所述切换结果，指令所述地面基站释放所述第一上下文数据。

进一步地，基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法还包括：

当所述目标卫星返回的切换结果为失败，所述核心网向所述地面基站返回所述切换结果，将所述移动终端的数据链路维持为与所述地面基站连接，取消对所述第一上下文数据的缓存，将缓存的所述第一上下文数据通过所述地面基站发送至所述移动终端。

进一步地，所述第一切换请求还包括所述移动终端检测到的至少一个通信卫星的卫星标识。

进一步地，所述响应于所述第一切换请求，所述核心网搜索出目标卫星，包括：

所述核心网根据所述卫星标识，从本地读取相应通信卫星的运行轨迹和运行速度；

根据所述运行轨迹和所述移动终端的位置信息，确定相应通信卫星的有效通信轨迹；

根据所述有效通信轨迹与所述运行速度，确定相应通信卫星的有效通信时间；

将具有最长的所述有效通信时间的通信卫星确定为所述目标卫星。

进一步地，基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法还包括：

核心网通过所述目标卫星，获取所述移动终端发出的第二切换请求；所述第二切换请求包括所述移动终端与所述目标卫星之间产生的第二上下文数据；

响应于所述第二切换请求，所述核心网搜索出地面基站；

所述核心网缓存所述第二上下文数据；

所述核心网向所述地面基站请求将所述移动终端与所述地面基站之间的连接切换至所述地面基站；

当所述地面基站返回的切换结果为成功，所述核心网将所述移动终端的数据链路修改为与所述地面基站连接，将缓存的所述第二上下文数据通过所述地面基站发送至所述移动终端。

进一步地，基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法还包括：

当所述地面基站返回的切换结果为失败，所述核心网将所述移动终端强制切换至与所述地面基站连接。

进一步地，所述核心网将所述移动终端强制切换至与所述地面基站连接，包括：

所述核心网通过所述地面基站获取所述移动终端发出的注册请求信息；

响应于所述注册请求信息，所述核心网执行TS 3GPP 23502协议中的终端注册流程，接受所述移动终端的注册，释放所缓存的所述第二上下文数据。

另一方面，本发明实施例还包括一种核心网，所述核心网包括接入管理网元和数据面网元，所述核心网用于执行实施例中的基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法。

进一步地，所述接入管理网元为MME网元、AMF网元，所述数据面网元为SGW网元、PGW网元、UPF网元。

本发明的有益效果是：实施例中的基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法和核心网，在移动终端从地面基站切换至目标卫星的整个通信流程中，经过核心网转发上下文数据，陆地移动网络的基站和卫星基站没有直接通信，避免为了在地面基站和卫星之间建立通信而增加的资源消耗，例如陆地基站增加的卫星通信的天线和资源以及基站能耗增加等，从而避免造成基站的成本增加；由于第一切换请求消息中携带了移动终端与地面基站原来通信过程产生的第一上下文数据，并且核心网将第一上下文数据缓存起来，可以减少切换的预准备和执行阶段的多次与目标卫星的数据通信，减少目标卫星的通信压力，同时可以保持第一上下文数据的连续性，使得有连续性数据要求的通信过程也能适用地面移动网络和卫星移动网络之间的切换。

附图说明

图1为应用实施例中基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法的通信网络系统示意图；

图2为实施例中移动终端从地面基站切换至与通信卫星连接的过程中，各端的数据处理流程示意图；

图3为实施例中计算有效通信轨迹的原理图；

图4为实施例中移动终端从通信卫星切换至与地面基站连接的过程中，各端的数据处理流程示意图；

图5为实施例中强制移动终端切换到地面基站的流程示意图。

具体实施方式

本实施例中，基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法被应用于如图1所示的通信网络系统。参照图1，通信网络系统包括地面移动网络、卫星移动网络、核心网和移动终端。为保持图1的简洁性，只示出了地面移动网络中的各个基站，未示出地面移动网络中的服务器和光纤网络等其他组成部分，同理图1中只示出了卫星移动网络的低轨卫星、中轨卫星、同步卫星等卫星，以及独立或集成在一起的卫星信号接收站和地面基站，未示出卫星移动网络的其他组成部分。核心网主要包括接入管理网元和数据面网元，当核心网是4G核心网，接入管理网元可以是MME网元，数据面网元可以是SGW网元、PGW网元；当核心网是5G核心网，接入管理网元可以是AMF网元，数据面网元可以是UPF网元，由于本实施例中的通信方法不依赖核心网的种类，因此可以应用4G核心网、5G核心网或者其他更先进的核心网。

本实施例中的通信方法的原理是：用户持有手机、平板电脑等移动终端，移动终端支持接入地面移动网络，也支持接入卫星移动网络。移动终端选择接入地面移动网络或者接入卫星移动网络的算法逻辑是：当能够获得良好的地面移动网络基站信号时，优先选择接入地面移动网络；当检测不到地面移动网络信号或者能够检测到的地面移动网络信号质量很差时，选择接入卫星移动网络。如果移动终端接入了卫星移动网络，而检测到地面移动网络具有良好的信号质量，并且地面移动网络的良好的信号能够持续一段时间(例如至少10秒)，那么移动终端可以选择接入地面移动网络，因为通过地面移动网络进行通信的成本更低，而且地面移动网络具有更强的性能、更高的稳定性和更强的用户承载能力。

因此，地面移动网络和卫星移动网络中的一个网络作为当前服务网络，向移动终端提供通信链路服务，供移动终端接入至通信网络，另一个网络不作为当前服务网络，相当于处于闲置状态。例如，当移动终端接入地面移动网络，那么地面移动网络就是当前服务网络，而另一个网络即卫星移动网络就不是当前服务网络；当移动终端接入卫星移动网络，那么卫星移动网络就是当前服务网络，而另一个网络即地面移动网络就不是当前服务网络。

移动终端定时进行无线信号质量测量。在移动终端与地面基站连接的情况下，当移动终端测量到所有的地面移动网络的基站信号都不能保证网络数据传输，而检测到几个通信卫星的无线信号能够支持数据传输，则会向公用陆地移动网络的地面基站发出切换到卫星移动网络请求消息。在移动终端与通信卫星连接的情况下，当移动终端测量到所有的通信卫星信号都不能保证网络数据传输，而检测到地面基站的无线信号能够支持数据传输，则会向所连接的通信卫星发出切换到地面移动网络请求消息。

本实施例中，当移动终端根据其算法逻辑，需要切换当前服务网络时，移动终端生成切换请求。

参照图2，移动终端当前与地面基站连接，移动终端通过信号测量确定需要切换至通信卫星，移动终端此时生成的切换请求为第一切换请求。移动终端还将其与地面基站之间通信产生的第一上下文数据、通过信号质量检测识别出的信号质量最好的几个通信卫星的卫星标识与第一切换请求打包在一起，即第一切换请求中包括第一上下文数据以及信号质量最好的几个通信卫星的卫星标识。

移动终端将第一切换请求发送至地面基站，地面基站将第一切换请求转发至核心网中的接入管理网元。接入管理网元接收到第一切换请求后，解析出卫星标识，根据卫星标识，从本地读取相应通信卫星的运行轨迹和运行速度，例如根据卫星标识1读取相应的通信卫星1的运行轨迹1和运行速度1，根据卫星标识2读取相应的通信卫星2的运行轨迹2和运行速度2。参照图3，接入管理网元根据运行轨迹和移动终端的位置信息，确定相应通信卫星的有效通信轨迹，具体地，接入管理网元通过移动终端和卫星有效通信距离(能够维持卫星与移动终端通信的距离)，和卫星位置计算出卫星与终端有效通信轨迹对应的角度，然后根据卫星与终端有效通信轨迹的对应的卫星飞行轨迹的地心角和卫星的在轨角速度，计算出卫星在有效轨迹角度下经过的有效通信时间。最后，接入管理网元将具有最长的有效通信时间的通信卫星确定为目标卫星，所搜索到的目标卫星是能与移动终端保持最长有效通信时间的通信卫星。

接入管理网元将从第一切换请求中解析出的第一上下文数据发送至数据面网元，由数据面网元将第一上下文数据缓存起来。

接入管理网元向目标卫星请求将移动终端与地面基站之间的连接切换至目标卫星，具体地，接入管理网元向目标卫星发送第一切换请求，目标卫星接收到第一切换请求后，向接入管理网元返回切换结果应答信息，用来表示目标卫星返回的切换结果是成功还是失败。

当目标卫星返回的切换结果为成功，核心网中的数据面网元将移动终端的数据链路修改为与目标卫星连接，将缓存的第一上下文数据通过目标卫星发送至移动终端。接入管理网元还向地面基站返回切换结果，指令地面基站释放第一上下文数据。

当目标卫星返回的切换结果为失败，核心网中的接入管理网元向地面基站返回切换结果，将移动终端的数据链路维持为与地面基站连接，取消对第一上下文数据的缓存，将缓存的第一上下文数据通过地面基站发送至移动终端。

在移动终端从地面基站切换至目标卫星的整个通信流程中，相对于3GPP的切换流程做了一系列的优化，在这个通信流程中，经过核心网转发上下文数据，陆地移动网络的基站和卫星基站没有直接通信，避免为了在地面基站和卫星之间建立通信而增加的资源消耗，例如陆地基站增加的卫星通信的天线和资源以及基站能耗增加等，从而避免造成基站的成本增加。由于第一切换请求消息中携带了移动终端与地面基站原来通信过程产生的第一上下文数据，并且核心网将第一上下文数据缓存起来，可以减少切换的预准备和执行阶段的多次与目标卫星的数据通信，减少目标卫星的通信压力，同时可以保持第一上下文数据的连续性。

当移动终端现在服务的基站为目标卫星时，如果移动终端识别到存在信号良好的公用陆地移动网络的地面基站，并且地面基站的信号良好情况持续时间超过一个规定时间(例如10秒)，则启动从目标卫星切换到地面基站流程。切换的原因是卫星在空中距离终端远所以无线性能相对陆地基站的无线性能较弱，以及卫星移动网络的传输链路上的卫星数量有限，一个卫星信号覆盖面广，性能有限，承载用户能力有限，所以在拥有良好的地面基站信号时，优先选择地面基站接入。

移动终端从目标卫星切换到地面基站流程如图4所示，其包括：

核心网通过目标卫星，获取移动终端发出的第二切换请求；第二切换请求包括移动终端与目标卫星之间产生的第二上下文数据；

响应于第二切换请求，核心网搜索出地面基站；

核心网缓存第二上下文数据；

核心网向地面基站请求将移动终端与地面基站之间的连接切换至地面基站；

当地面基站返回的切换结果为成功，核心网将移动终端的数据链路修改为与地面基站连接，将缓存的第二上下文数据通过地面基站发送至移动终端。

参照图4，移动终端从目标卫星切换到地面基站流程，与移动终端从地面基站切换到目标卫星流程即图2所示的过程相反，并且免去了核心网的接入管理网元在多个通信卫星中选择目标卫星的过程，核心网的接入管理网元可以直接选择信号最强的基站作为所要连接的地面基站。

移动终端在切换过程中，是优先选择地面基站，所以当移动终端从目标卫星切换到地面基站流程中失败时，将启动强制移动终端切换到地面基站的流程。参照图5，核心网通过地面基站获取移动终端发出的注册请求信息，执行TS 3GPP 23502协议中的终端注册流程，接受移动终端的注册，并且在核心网的数据面网元建立数据面数据传输通道。当完成移动终端在核心网的注册后，则会向卫星和核心网接入管理网元发出释放上下文和终端资源的请求，并且释放卫星和核心网数据面网元的数据通道，待旧的卫星端分配的移动终端资源释放完成后，整个强制切换流程完成。

通过执行图5所示强制移动终端切换到地面基站的流程，可以使移动终端在拥有良好的地面基站信号时，始终能优先选择地面基站进行通信，减少通信卫星的压力，保证更良好的通信体验。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法，其特征在于，包括：

核心网通过与移动终端连接的地面基站，获取所述移动终端发出的第一切换请求；所述第一切换请求包括所述移动终端与所述地面基站之间产生的第一上下文数据；

响应于所述第一切换请求，所述核心网搜索出目标卫星；所述目标卫星是能与所述移动终端保持最长有效通信时间的通信卫星；

所述核心网缓存所述第一上下文数据；

所述核心网向所述目标卫星请求将所述移动终端与所述地面基站之间的连接切换至所述目标卫星；

当所述目标卫星返回的切换结果为成功，所述核心网将所述移动终端的数据链路修改为与所述目标卫星连接，将缓存的所述第一上下文数据通过所述目标卫星发送至所述移动终端。

2.根据权利要求1所述的基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法，其特征在于，还包括：

当所述目标卫星返回的切换结果为成功，所述核心网还向所述地面基站返回所述切换结果，指令所述地面基站释放所述第一上下文数据。

3.根据权利要求1或2所述的基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法，其特征在于，还包括：

当所述目标卫星返回的切换结果为失败，所述核心网向所述地面基站返回所述切换结果，将所述移动终端的数据链路维持为与所述地面基站连接，取消对所述第一上下文数据的缓存，将缓存的所述第一上下文数据通过所述地面基站发送至所述移动终端。

4.根据权利要求1所述的基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法，其特征在于，所述第一切换请求还包括所述移动终端检测到的至少一个通信卫星的卫星标识。

5.根据权利要求4所述的基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法，其特征在于，所述响应于所述第一切换请求，所述核心网搜索出目标卫星，包括：

所述核心网根据所述卫星标识，从本地读取相应通信卫星的运行轨迹和运行速度；

根据所述运行轨迹和所述移动终端的位置信息，确定相应通信卫星的有效通信轨迹；

根据所述有效通信轨迹与所述运行速度，确定相应通信卫星的有效通信时间；

将具有最长的所述有效通信时间的通信卫星确定为所述目标卫星。

6.根据权利要求1所述的基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法，其特征在于，还包括：

核心网通过所述目标卫星，获取所述移动终端发出的第二切换请求；所述第二切换请求包括所述移动终端与所述目标卫星之间产生的第二上下文数据；

响应于所述第二切换请求，所述核心网搜索出地面基站；

所述核心网缓存所述第二上下文数据；

所述核心网向所述地面基站请求将所述移动终端与所述地面基站之间的连接切换至所述地面基站；

当所述地面基站返回的切换结果为成功，所述核心网将所述移动终端的数据链路修改为与所述地面基站连接，将缓存的所述第二上下文数据通过所述地面基站发送至所述移动终端。

7.根据权利要求6所述的基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法，其特征在于，还包括：

当所述地面基站返回的切换结果为失败，所述核心网将所述移动终端强制切换至与所述地面基站连接。

8.根据权利要求7所述的基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法，其特征在于，所述核心网将所述移动终端强制切换至与所述地面基站连接，包括：

所述核心网通过所述地面基站获取所述移动终端发出的注册请求信息；

响应于所述注册请求信息，所述核心网执行TS 3GPP 23502协议中的终端注册流程，接受所述移动终端的注册，释放所缓存的所述第二上下文数据。

9.一种核心网，所述核心网包括接入管理网元和数据面网元，其特征在于，所述核心网用于执行如权利要求1-8任一项所述的基于地面移动网络和卫星移动网络切换的通信方法。

10.根据权利要求9所述的核心网，其特征在于，所述接入管理网元为MME网元、AMF网元，所述数据面网元为SGW网元、PGW网元、UPF网元。

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