CN113242085B - 一种低轨卫星网络的终端位置管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低轨卫星网络的终端位置管理方法，属于低轨卫星通信领域，包括：终端位置更新：当终端的驻留波束不在系统分配的邻区列表时或者到达系统为其分配分配邻区列表的时间，终端进行新的位置更新；终端仰角预测：通过终端的地理位置信息，结合卫星在将来一段时间的位置信息，对终端仰角进行预测；终端邻区列表设计：通过对终端仰角的预测，结合卫星多波束天线拓扑模型，对终端的驻留波束进行分配，为终端设计出合适的邻区列表。本方法优化了将整个卫星作为一个邻区列表，最大限度地减少了位置管理总开销。

Description

一种低轨卫星网络的终端位置管理方法

技术领域

本发明属于低轨卫星通信领域，涉及一种低轨卫星网络的终端位置管理方法。

背景技术

低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星网络是未来空天地一体化网络的重要组成部分，是当前及未来移动通信领域研究的热点。低轨卫星的轨道高度一般在200～2000km，单颗卫星对地覆盖时间短，大约在10分钟左右。移动性管理是移动通信领域的一个具有挑战性的问题，它主要包括：切换管理和位置管理。位置管理涉及是否可以成功寻呼，在移动性管理中具有举足轻重的作用。

位置管理包括两个方面，位置更新(Location Update)和位置寻呼(Paging)。位置更新是指用户向系统上报自己的位置信息，系统进行登记存储；位置寻呼指的是系统将主叫用户的寻呼消息成功地传递给被呼用户，实现两者之间通信的建立。位置管理涉及到网络处理能力和网络通信能力。网络处理能力涉及到数据库的大小、查询的频度和响应速度等；网络通信能力涉及到传输位置更新和查询信息所增加的业务量和时延等。一个设计良好的位置管理策略可以有效地降低系统开发和信令成本，减少终端用户的能量消耗，显著提高系统性能。如何实现较高寻呼成功率，减少寻呼时延，平衡位置更新与位置寻呼的总开销是位置管理研究的主要问题。

目前，对于低轨卫星网络中的位置管理方面，大多数研究在于终端无自主定位能力，无星上处理能力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供具有自主定位能力的终端用户，卫星有一定星上处理能力，单信关站的低轨卫星网络，提出一种基于终端邻区列表的位置管理方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

在本发明中，低轨卫星网络具有较强的星历预测及纠正能力，例如系统对星座各卫星位置的预测能力，对位置信息的纠正及更新能力；

至少一颗卫星，卫星具有一定的星上处理能力，卫星除了第一轨道和最后一个轨道之外，其他轨道面上的卫星具有前后左右四条星间链路，卫星具有一定的信令处理能力；

终端可以定位自己的经纬度，亦可借助北斗导航系统等方法实现；

至少一个地面信关站，地面信关站同一时刻仅与一颗卫星相连，各信关站之间通过有线链路连接；

地面运控中心只有一个，位置管理数据库设置于运控中心，所有的信关站都与运控中心通过有线链路连接，位置更新和位置寻呼的信令都要发送到运控中心进行处理。

本发明提供的一种低轨卫星网络的终端位置管理方法，包括：

终端位置更新：当终端的驻留波束不在系统分配的邻区列表时或者到达系统为其分配分配邻区列表的时间，终端进行新的位置更新；

终端仰角预测：通过终端的地理位置信息，结合卫星在将来一段时间的位置信息，对终端仰角进行预测；

终端邻区列表设计：通过对终端仰角的预测，结合卫星多波束天线拓扑模型，对终端的驻留波束进行分配，为终端设计出合适的邻区列表。

进一步，所述终端位置更新，具体包括以下步骤：

S11：终端向系统上报自己的位置信息，其触发仅在于是否满足位置更新触发条件，而与用户所处在哪颗卫星、哪个波束没有关系；

S12：当终端的驻留波束不在系统分配的邻区列表时或者到达系统为其分配邻区列表的时间，终端进行新的位置更新。

进一步，所述终端仰角预测，具体包括以下步骤：

γ(t)表示当前时刻卫星星下点轨迹与终端U的角距离，ψ(t)是当前时刻星下点P与t时刻星下点Q的角距离，根据球面三角形PQU，有

cosγ(t)＝cosψ(t)×cosγ_m

γ(t)＝cos^-1(cosψ(t)×cosγ_m)

卫星运行轨迹由星历获取，星下点是地球上确定的点，设

和

是卫星在某个时刻的经纬度，γ_m由下式计算：

γ_m＝min{2sin^-1(Ω)}

其中，N为

和

的取点长度；

在地心固定ECF坐标中，ψ(t)由ω得到：

|ψ(t)|＝∫ωdt

ψ(t)＝-(ω_S-ω_Ecosi)t+ψ₀

γ(t)＝cos^-1(cos((ω_Ecosi-ω_S)t+ψ₀)×cosγ_m)

有

扩展得

变形得

将卫星的可视时间开始的瞬时时刻t定义为0，有

cosγ(0)＝cosψ(0)×cosγ_m

令卫星的最小通信仰角为θ_C，此时时间t＝0

结合各式得

仰角为

进一步，所述终端邻区列表设计，包括以下步骤：

S31：终端向系统上报自己的位置信息，终端收不到系统为其分配的驻留信息，发起新的位置更新；

S32：地面站结合卫星星历、终端地理位置以及多波束卫星天线拓扑模型，预测终端的仰角随时间的变化，并为终端分配一个邻区列表；

S33：终端每隔一定时间检查自己的驻留波束，若系统分配的邻区列表移动出终端所在位置，发起新的位置更新，系统为其分配新的邻区列表；

在一段时间T内，终端的驻留用下式表示：

其中，UE_i为终端的编号，CampSeq(UE_i)为该终端的驻留信息序列，第一列表示该段时间内驻留的波束信息，C表示波束，下标取值从1到N，分别表示波束信息，C₁表示驻留的第一个波束，C_N表示驻留的第N个波束；第二列表示各个波束驻留的起始时刻，t_si1为驻留第一个波束的起始时刻，t_siN为驻留第N个波束的起始时刻；第三列表示各个波束驻留的结束时刻，t_ei1为驻留第一个波束的结束时刻，t_eiN为驻留第N个波束的结束时刻，有t_si1<t_ei1≤t_si2<t_ei2≤…≤t_siN<t_eiN，终端将处于无缝覆盖中。

进一步，还包括终端位置更新是否成功的判定，包括：

终端进行位置更新之后，系统反馈一个信令告知终端；

终端在发起一次位置更新之后，自己的上报状态设置为未完成，当在一个时间间隔之内收到系统反馈的信令，上报状态才设置为已完成；当在这个时间间隔之内未收到系统反馈的信令，则终端再次进行位置更新上报。

进一步，还包括位置寻呼过程，包括以下步骤：

S31：主叫终端发起呼叫；

S32：主叫终端的服务卫星及波束处理该呼叫，为主叫终端预留资源，并向系统转发该呼叫；

S33：若主叫终端未收到卫星的信道分配消息，则选择新的一颗卫星，并跳转至步骤S31；

S34：地面站收到寻呼消息，根据系统存储的终端分配邻区列表信息，在当前的驻留波束中发起寻呼；

S35：被呼终端收到寻呼消息，给系统发送一个反馈；若系统未收到被呼终端的反馈，则进行二次寻呼，所述二次寻呼为：若一次寻呼失败，则再在邻区列表的其余波束内进行寻呼。

进一步，所述终端邻区列表设计，具体包括以下步骤：

首先令卫星广播导频；

步骤一：终端开机，测量卫星导频信号，将可以进行通信的卫星及波束信息、自己的位置信息选择导频信号最强波束上报，进行第一次位置更新，同时设定位置更新计时器T1；

步骤二：将步骤一的信息上报到源卫星；

步骤三：源卫星将步骤一的信息转发至地面站进行处理；

步骤四：地面站处理步骤一的信息，为终端设计合适的邻区列表；地面站查阅卫星星历信息得到卫星星历，选择合适的邻区列表的设计原则(最近卫星、最长服务时间、卫星负载等)，根据终端的上报信息、卫星星历为终端设计邻区列表(驻留的波束序列)；

步骤五：转发地面站信息，通知为该终端分配的驻留卫星，其中，源卫星与驻留卫星可能是同一颗卫星，也可能不是同一颗卫星；

步骤六：终端的驻留卫星根据分配的波束信息，发送给终端反馈信息；

步骤七：驻留卫星下发分配波束信息；

步骤八：若终端收到驻留信息，更新自己的位置更新计时器T1，更新自己的邻区列表和邻区列表驻留时间；若终端在T1定时器内未收到来自系统的更新反馈，则转至步骤一重新进行位置上报；

步骤九：导频发送；

步骤十：终端在邻区列表设计的波束内更换驻留波束，若达到邻区列表中设定的时间，则发起新的位置更新；若检测不到邻区列表中的信息，则表明邻区列表预测失效，发起新的位置更新。

本发明的有益效果在于：本方法优化了将整个卫星作为一个邻区列表，最大限度地减少了位置管理总开销。

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是低轨卫星网络示意图；

图2是终端卫星空间关系示意图；

图3是卫星48点波束示意图

图4是终端迹角示意图；

图5是波束仰角示意图；

图6是邻区列表设计示意图；

图7是终端邻区列表；

图8是邻区列表实现流程图。

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。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，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的具体含义。

请参阅图1～图8。

图2是终端卫星空间关系示意图，在LEO卫星通信系统中，终端相对于星座内可访问的任何卫星都有不同的仰角，其具体值可由卫星位置信息和终端位置信息确定，而卫星又具有一定的规律性，因此可以计算出终端仰角随时间的变化情况，进而预测覆盖终端波束随时间的变化情况。图2显示了卫星地球终端三者之间的几何。其中，O为地心，U是终端所在位置，Re是地球半径，S是t时刻卫星位置，P为卫星在t时刻瞬时星下点，θ(t)是t时刻仰角，i是轨道倾角。

图3是多波束卫星48点波束示意图，首先在STK中做覆盖特性仿真建模，然后在OPNET中用EMA建模的方法实现。

图4是终端迹角示意图，其中P为当前卫星星下点，U为终端位置，Q为U离卫星星下点最近的点。

γ(t)表示当前时刻卫星星下点轨迹与终端U的角距离，ψ(t)是当前时刻星下点P与t时刻星下点Q的角距离，根据球面三角形PQU，有

cosγ(t)＝cosψ(t)×cosγ_m

γ(t)＝cos^-1(cosψ(t)×cosγ_m)

卫星运行轨迹可以由星历获取，星下点是地球上确定的点，设

和

是卫星在某个时刻的经纬度，γ_m的值可以由式

γ_m＝min{2sin^-1(Ω)}

其中，N为

和

的取点长度，我们将t的步长设置为1，在铱星星座下，N的值设置为600左右即可达到要求。

在地心固定(ECF)坐标中，ψ(t)可由ω得到

|ψ(t)|＝∫ωdt

ψ(t)＝-(ω_S-ω_Ecosi)t+ψ₀

γ(t)＝cos^-1(cos((ω_Ecosi-ω_S)t+ψ₀)×cosγ_m)

在图4中的三角形OHS中，有

扩展得

变形，得

将卫星的可视时间开始的瞬时时刻t定义为0，有

cosγ(0)＝cosψ(0)×cosγ_m

假设卫星的最小通信仰角为θ_C，此时时间t＝0

结合各式得

仰角为

图5是波束仰角示意图。

图6邻区列表设计示意图，终端在同一时刻仅有一颗卫星或者波束驻留，且驻留的卫星及波束是相互独立的。终端上报自己的信息(位置信息、驻留信息等)，由卫星来决定是否服务于终端。在一段时间T内，终端的驻留可以用下式表示：

其中，UE_i为终端的编号，CampSeq(UE_i)为该终端的驻留信息序列，第一列表示该段时间内驻留的波束信息，C表示波束，下标取值从1到N，分别表示波束信息，C₁表示驻留的第一个波束，C_N表示驻留的第N个波束；第二列表示各个波束驻留的起始时刻，t_si1为驻留第一个波束的起始时刻，t_siN为驻留第N个波束的起始时刻；第三列表示各个波束驻留的结束时刻，t_ei1为驻留第一个波束的结束时刻，t_eiN为驻留第N个波束的结束时刻。为了使终端仅被一个波束服务，有t_si1<t_ei1≤t_si2<t_ei2≤…≤t_siN<t_eiN，终端将处于无缝覆盖中。

图7终端邻区列表，其中，UE_Id表示终端的标识号；Cur_Inf表示当前的驻留信息，包括驻留卫星及波束；Time_2是系统给终端分配的当前驻留波束的时长；Next_Inf是系统给终端分配的下一阶段的驻留信息，主要信息为驻留卫星及波束；Time_3是系统分配的下一波束驻留时长；i_Inf表示第i阶段的驻留信息，Time_i为i阶段的驻留时长。。

图8是邻区列表实现流程图。

其实现流程如下：

Step0:卫星广播导频；

Step1:终端开机，测量卫星导频信号，将可以进行通信的卫星及波束信息、自己的位置信息等选择导频信号最强波束上报，进行第一次位置更新，同时设定位置更新计时器T1；

Step2～3:将此信息转发至地面站进行处理；

Step4:地面站处理该信息，为终端设计合适的邻区列表。地面站查阅卫星星历信息得到卫星星历，选择一个合适的邻区列表的设计原则(最近卫星、最长服务时间、卫星负载等)，根据终端的上报信息、卫星星历为终端设计邻区列表(驻留的波束序列)；

Step5:转发地面站信息，通知为该终端分配的驻留卫星，其中，源卫星与驻留卫星可能是同一颗卫星，也可能不是同一颗卫星；

Step6:终端的驻留卫星根据分配的波束信息，发送给终端反馈信息；

Step7:驻留卫星下发分配波束信息；

Step8:若终端收到驻留信息，更新自己的位置更新计时器T1，更新自己的邻区列表和邻区列表驻留时间；若终端在T1定时器内未收到来自系统的更新反馈，则转至Step1重新进行位置上报；

Step9:导频发送；

Step10:终端在邻区列表设计的波束内更换驻留波束，若达到邻区列表中设定的时间，则发起新的位置更新；若检测不到邻区列表中的信息，则表明邻区列表预测失效，发起新的位置更新。

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 (7)

1.一种低轨卫星网络的终端位置管理方法，其特征在于：包括：

终端位置更新：当终端的驻留波束不在系统分配的邻区列表时或者到达系统为其分配邻区列表的时间，终端进行新的位置更新；

终端仰角预测：通过终端的地理位置信息，结合卫星在将来一段时间的位置信息，对终端仰角进行预测；所述终端仰角预测，具体包括以下步骤：

γ(t)表示当前时刻卫星星下点轨迹与终端U的角距离，ψ(t)是当前时刻星下点P与t时刻星下点Q的角距离，根据球面三角形PQU，有

cosγ(t)＝cosψ(t)×cosγ_m

γ(t)＝cos^-1(cosψ(t)×cosγ_m)

卫星运行轨迹由星历获取，星下点是地球上确定的点，设

和

是卫星在某个时刻的经纬度，γ_m由下式计算：

γ_m＝min{2sin^-1(Ω)}

其中，N为

和

的取点长度；

在地心固定ECF坐标中，ψ(t)由ω得到：

|ψ(t)|＝∫ωdt

ψ(t)＝-(ω_S-ω_E cosi)t+ψ₀

γ(t)＝cos^-1(cos((ω_E cosi-ω_S)t+ψ₀)×cosγ_m)

有

扩展得

变形得

将卫星的可视时间开始的瞬时时刻t定义为0，有

cosγ(0)＝cosψ(0)×cosγ_m

令卫星的最小通信仰角为θ_C，此时时间t＝0

结合各式得

仰角为

终端邻区列表设计：通过对终端仰角的预测，结合卫星多波束天线拓扑模型，对终端的驻留波束进行分配，为终端设计出合适的邻区列表。

2.根据权利要求1所述的低轨卫星网络的终端位置管理方法，其特征在于：所述终端位置更新，具体包括以下步骤：

S11：终端向系统上报自己的位置信息，其触发仅在于是否满足位置更新触发条件；

S12：当终端的驻留波束不在系统分配的邻区列表时或者到达系统为其分配邻区列表的时间，终端进行新的位置更新。

3.根据权利要求1所述的低轨卫星网络的终端位置管理方法，其特征在于：所述终端邻区列表设计，包括以下步骤：

S31：终端向系统上报自己的位置信息，终端收不到系统为其分配的驻留信息，发起新的位置更新；

S32：地面站结合卫星星历、终端地理位置以及多波束卫星天线拓扑模型，预测终端的仰角随时间的变化，并为终端分配一个邻区列表；

S33：终端每隔一定时间检查自己的驻留波束，若系统分配的邻区列表移动出终端所在位置，发起新的位置更新，系统为其分配新的邻区列表；

在一段时间T内，终端的驻留用下式表示：

其中，UE_i为终端的编号，CampSeq(UE_i)为该终端的驻留信息序列，第一列表示该段时间内驻留的波束信息，C表示波束，下标取值从1到N，分别表示波束信息，C₁表示驻留的第一个波束，C_N表示驻留的第N个波束；第二列表示各个波束驻留的起始时刻，t_si1为驻留第一个波束的起始时刻，t_siN为驻留第N个波束的起始时刻；第三列表示各个波束驻留的结束时刻，t_ei1为驻留第一个波束的结束时刻，t_eiN为驻留第N个波束的结束时刻，有t_si1<t_ei1≤t_si2<t_ei2≤…≤t_siN<t_eiN，终端将处于无缝覆盖中。

4.根据权利要求1所述的低轨卫星网络的终端位置管理方法，其特征在于：还包括终端位置更新是否成功的判定，包括：

终端进行位置更新之后，系统反馈一个信令告知终端；

终端在发起一次位置更新之后，自己的上报状态设置为未完成，当在一个时间间隔之内收到系统反馈的信令，上报状态才设置为已完成；当在这个时间间隔之内未收到系统反馈的信令，则终端再次进行位置更新上报。

5.根据权利要求1所述的低轨卫星网络的终端位置管理方法，其特征在于：还包括位置寻呼过程，包括以下步骤：

S31：主叫终端发起呼叫；

S32：主叫终端的服务卫星及波束处理该呼叫，为主叫终端预留资源，并向系统转发该呼叫；

S33：若主叫终端未收到卫星的信道分配消息，则选择新的一颗卫星，并跳转至步骤S31；

S34：地面站收到寻呼消息，根据系统存储的终端分配邻区列表信息，在当前的驻留波束中发起寻呼；

S35：被呼终端收到寻呼消息，给系统发送一个反馈；若系统未收到被呼终端的反馈，则进行二次寻呼，所述二次寻呼为：若一次寻呼失败，则再在邻区列表的其余波束内进行寻呼。

6.根据权利要求1所述的低轨卫星网络的终端位置管理方法，其特征在于：所述终端邻区列表设计，具体包括以下步骤：

首先令卫星广播导频；

步骤一：终端开机，测量卫星导频信号，将可以进行通信的卫星及波束信息、自己的位置信息选择导频信号最强波束上报，进行第一次位置更新，同时设定位置更新计时器T1；

步骤二：将步骤一的信息上报到源卫星；

步骤三：源卫星将步骤一的信息转发至地面站进行处理；

步骤四：地面站处理步骤一的信息，为终端设计合适的邻区列表；地面站查阅卫星星历信息得到卫星星历，根据最近卫星、最长服务时间、卫星负载信息，根据终端的上报信息、卫星星历为终端设计邻区列表；

步骤五：转发地面站信息，通知为该终端分配的驻留卫星，其中，源卫星与驻留卫星可能是同一颗卫星，也可能不是同一颗卫星；

步骤六：终端的驻留卫星根据分配的波束信息，发送给终端反馈信息；

步骤七：驻留卫星下发分配波束信息；

步骤八：若终端收到驻留信息，更新自己的位置更新计时器T1，更新自己的邻区列表和邻区列表驻留时间；若终端在T1定时器内未收到来自系统的更新反馈，则转至步骤一重新进行位置上报；

步骤九：导频发送；

步骤十：终端在邻区列表设计的波束内更换驻留波束，若达到邻区列表中设定的时间，则发起新的位置更新；若检测不到邻区列表中的信息，则表明邻区列表预测失效，发起新的位置更新。

7.根据权利要求1所述的低轨卫星网络的终端位置管理方法，其特征在于：所述低轨卫星网络具有星历预测及纠正能力；包括：

至少一颗卫星，卫星具有星上处理能力，卫星除第一轨道和最后一个轨道外，其他轨道面上的卫星具有前后左右四条星间链路，卫星具有信令处理能力；

终端能定位自己的经纬度；

至少一个地面信关站，地面信关站同一时刻仅与一颗卫星相连，各信关站之间通过有线链路连接；

一个地面运控中心，位置管理数据库设置于所述地面运控中心，所有的信关站都与所述地面运控中心有线连接，位置更新和位置寻呼的信令均发送到地面运控中心进行处理。

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