CN113596945B - 一种卫星通信系统中卫星的切换方法、系统、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星通信系统中卫星的切换方法、装置、设备及介质，属于通信领域，方法包括：信关站根据自身和终端的位置以及卫星运行的星历确定在第一阈值时间内需要切卫星的终端的身份标识；信关站生成非竞争的随机接入前导序列标识，并将其连同终端的身份标识和目标卫星的信息打包成切换指令发送给源卫星，将其连同终端的身份标识打包成验证指令发送给目标卫星；源卫星接收到切换指令后向对应的终端发送控制信道指令；目标卫星在接收到验证指令以及链接请求后，对链接请求中携带的信息进行验证，并在验证通过后完成卫星的切换。本发明通过非竞争的随机接入前导序列标识使终端与目标卫星形成链接以完成切换，从而提高切换速度。

Description

一种卫星通信系统中卫星的切换方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，特别涉及一种卫星通信系统中卫星的切换方法、系统、设备及介质。

背景技术

相比地面移动通信网络，卫星通信系统可以实现广域甚至全球覆盖，为全球用户提供无差别的通信服务。同时，地面第五代移动通信(5G)系统已具备完善的产业链、巨大的用户群体、灵活高效的应用服务模式等。因此，卫星通信与5G相互融合、取长补短，两者共同构成全球无缝覆盖的海、陆、空、天一体化综合通信网，满足用户无处不在的多种业务需求，是未来通信发展的重要方向。

5G系统的初衷是应用于地面通信，因此基本假设是基站不移动、终端用户可移动，当用户终端从一个基站覆盖区域移动到另一个基站覆盖区域时会通过5G小区切换流程维持用户通信业务的连续，相邻的5G小区具有不同的物理小区标识(Physical Cel l ID，简称为PCI)，用户终端的切换过程会通过一系列无线资源控制层(Radio Resource Control，简称为RRC)信令完成。

卫星通信系统(低轨卫星通信系统)中的卫星相对地面高速移动，对同一个用户终端来说，每个卫星的服务时间只有数百秒，然后就会切换到下一个卫星提供服务。但是，现有的基于5G技术的低轨通信卫星的切换方法沿用5G小区切换流程，也是通过一系列RRC信令完成切换，然而相比于地面上的通信，卫星通信的传输时延明显增加，过多的RRC信令会大大延长切换流程，影响终端用户通信业务的连续性。

发明内容

针对现有技术存在的卫星通信系统中地面终端切换卫星的流程复杂，进而导致延时增加以及通信业务不连续的问题，本发明的目的在于提供一种卫星通信系统中卫星的切换方法、系统、设备及介质。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种卫星通信系统中卫星的切换方法，所述卫星通信系统包括信关站和多个组网运行的卫星，所述方法包括以下步骤：

信关站根据自身和终端的位置以及卫星运行的星历，确定在第一阈值时间内需要将数据通信业务从源卫星切换到目标卫星的终端的身份标识；

信关站生成非竞争的随机接入前导序列标识，并将包含有所述非竞争的随机接入前导序列标识、所述终端的身份标识和所述目标卫星的信息的切换指令发送给所述源卫星，以及将包含有所述非竞争的随机接入前导序列标识和所述终端的身份标识的验证指令发送给所述目标卫星；

所述源卫星接收到所述切换指令后，根据其中携带的所述终端的身份标识向对应的终端发送控制信道指令，以便于所述终端在接收到所述控制信道指令后向所述目标卫星发送链接请求，其中，所述控制信道指令包括所述非竞争的随机接入前导序列标识和所述目标卫星的信息，所述链接请求包括所述终端的身份信息和所述非竞争的随机接入前导序列标识；

所述目标卫星在接收到所述验证指令以及由所述链接请求后，对所述链接请求中携带的终端的身份标识和非竞争的随机接入前导序列标识进行验证，并在验证通过后与所述终端形成数据通信链接以完成卫星的切换。

第二方面，本发明还提供一种卫星通信系统中卫星的切换方法，所述卫星通信系统包括信关站和多个组网运行的卫星，所述方法包括以下步骤：

信关站根据自身和终端的位置以及卫星运行的星历，确定在第一阈值时间内需要将数据通信业务从源卫星切换到目标卫星的终端的身份标识；

信关站将包含有所述终端的身份标识以及所述目标卫星的信息的切换指令发送给源卫星；

源卫星接收到所述切换指令后生成非竞争的随机接入前导序列标识，并向所述目标卫星发送包含有所述非竞争的随机接入前导序列标识和所述终端的身份标识的验证指令，以及根据所述终端的身份标识向对应的终端发送控制信道指令，以便于所述终端在接收到所述控制信道指令后向所述目标卫星发送链接请求，其中，所述控制信道指令包括所述非竞争的随机接入前导序列标识和所述目标卫星的信息，所述链接请求包括所述终端的身份信息和所述非竞争的随机接入前导序列标识；

所述目标卫星在接收到所述验证指令以及由所述终端发送的链接请求后，对所述链接请求中携带到终端的身份标识和非竞争的随机接入前导序列标识进行验证，并在验证通过后与所述终端形成数据通信链接以完成卫星的切换。

优选的，所述目标卫星的信息包括但不限于所述目标卫星的方位信息、所述目标卫星的业务波束的频点信息、所述终端到所述目标卫星的传输时延信息和所述终端在发送所述非竞争的随机接入前导序列标识时需要进行的多普勒频偏预补偿值。

优选的，所述信关站为服务区域内的全部终端赋予统一的物理小区标识。

优选的，所述信关站确定在第一阈值时间内需要将数据通信业务从源卫星切换到目标卫星的终端的步骤包括：

根据卫星的星历，确定源卫星在所述第一时间阈值内的预测位置；

再根据终端、信关站、源卫星的预测位置，计算终端与源卫星的连线与信关站与源卫星的连线构成的夹角的预测角度值；

将所述预测角度值与设定的正常角度阈值相对比，判断所述预测角度值超出所述正常角度阈值的终端，为需要将数据通信业务从源卫星切换到目标卫星的终端。

第三方面，本发明还提供一种卫星通信系统中卫星的切换装置，包括

监控模块，所述监控模块用于监控在第一时间阈值内需要将数据通信业务从源卫星切换到目标卫星的终端，并获取所述终端的身份标识；

生成模块，所述生成模块用于生成非竞争的随机接入前导序列标识；

切换指令模块，所述切换指令模块用于生成切换指令，以便于源卫星接收到所述切换指令后生成并向终端发送控制信道指令，所述切换指令至少包括终端的身份标识以及目标卫星的信息；

验证指令模块，所述验证指令模块用于生成验证指令，以便于目标卫星接收到所述验证指令后对终端发送的链接请求进行验证，所述验证指令包括终端的身份标识和非竞争的随机接入前导序列标识；

控制指令模块，所述控制指令模块用于生成控制信道指令，以便于终端在接收到所述控制信道指令后向所述目标卫星发送链接请求，所述控制信道指令包括所述非竞争的随机接入前导序列标识和所述目标卫星的信息，所述链接请求包括所述终端的身份信息和所述非竞争的随机接入前导序列标识；

以及验证模块，所述验证模块用于对链接请求进行验证，并在验证通过后使终端与目标卫星之间形成数据通信链接。

优选的，所述切换指令还包括非竞争的随机接入前导序列标识。

第四方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储有可执行程序代码的存储器；以及与存储器耦合的处理器；其中，处理器调用存储器中存储的可执行程序代码，执行如上所述的方法。

第五方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如上所述的方法。

采用上述技术方案，基于信关站对其服务区域内终端的掌握以及使卫星按照固定轨迹飞行的卫星星历的掌握，从而能够使信关站及时获取需要切换卫星的终端，再通过生成非竞争的随机接入前导序列标识，并通过有限次数的数据通信(信关站向源卫星和目标卫星发送非竞争的随机接入前导序列标识，源卫星向终端转发非竞争的随机接入前导序列标识，终端向目标卫星发送非竞争的随机接入前导序列标识，共三次数据通信发送)，即可使终端和目标卫星通过上述的非竞争的随机接入前导序列标识进行匹配，从而使终端与目标卫星形成链接，完成卫星的切换流程。相比于传统技术，不需要更改PCI，从而避免了一些列RRC信令的处理，从而大大降低了流程耗时，提高了数据通信的连续性。

附图说明

图1为本发明方法的使用场景示意图；

图2为本发明实施例一的方法流程图；

图3为本发明实施例二的方法流程图；

图4为本发明实施例三的结构示意图；

图5为本发明实施例四的结构示意图。

图中:1-信关站、2源卫星、3-目标卫星、4-终端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，在本发明的描述中，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对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，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，因此不能理解为对本发明的限制。

对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。

另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

一种卫星通信系统中卫星的切换方法，如图1所示该方法的使用场景示意图，其中，卫星通信系统包括信关站1和多个组网运行的卫星(正在提供服务的源卫星2以及即将提供服务的目标卫星3)，终端4的数据通过源卫星2转发到信关站1，再由信关站1联网与服务器进行链接。该方法运行在信关站、卫星或者是与信关站通过网络连接的服务器上均可，本实施例以该方法运行在信关站为例进行说明。如图2所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1，信关站1根据自身的位置、位于其服务区域内的终端4的位置、以及卫星运行的星历，确定在第一阈值时间内需要将数据通信业务从源卫星2切换到目标卫星3的终端4的身份标识。

其中，终端4为具有通信能力的设备，例如手机、平板、笔记本等。终端4通常在进入到信关站1的服务区域内后，信关站1即获取到终端4的身份标识，并存储，同时，信关站1还为其服务区域内的全部终端4赋予统一的物理小区标识(PCI)。信关站1自身的位置以及卫星运行的星历事先存储在信关站1中，并且通常是不变的。

系统工作时，终端4向源卫星2发送数据业务，源卫星2接收到该数据业务后，再向信关站1转发该数据业务，信关站1则通过网络(例如因特网)访问服务器，实现终端4的联网需求，反之，终端4也接收服务器的数据业务，从而实现终端4的入网连接。

但是，卫星是高速运动的，一个卫星通常只能够为地面上的终端4提供数百秒的数据通信服务，因此，需要在该卫星(源卫星2)的服务时间结束之前(即第一阈值时间内，例如2秒，源卫星2便无法继续提供服务，原因在于随着源卫星2的飞行，其数据信号的收发角度无法继续保持朝向信关站1的服务区域的状态)，为终端4切换另一个卫星(目标卫星3)，从而保证通信业务的连续性。

本实施例中，信关站1确定在第一阈值时间内需要将数据通信业务从源卫星2切换到目标卫星3的终端4的步骤具体包括有：

信关站1根据事先存储的卫星的星历，确定源卫星2在第一时间阈值内的预测位置，即信关站1预测源卫星2在第一时间阈值内(例如2秒后)的位置；

信关站1再根据终端4的位置、信关站1的位置以及源卫星2的预测位置，计算终端4与源卫星2的连线与信关站1与源卫星2的连线构成的夹角的预测角度值，即，计算第一时间阈值后，源卫星2的角度；

将上述获得的预测角度值与设定的正常角度阈值相对比，判断出该预测角度值超出正常角度阈值的终端4即为需要将数据通信业务从源卫星2切换到目标卫星3的终端，即，判断在第一阈值时间后，对应某个终端4来说，如果该终端4、源卫星2、信关站1依次连线后构成的夹角小于正常角度阈值(事先设定的角度)，则源卫星2在第一时间阈值后无法继续为该终端4提供通信服务，该终端4需要将数据通信业务从源卫星2切换到目标卫星3。可以理解的是，信关站1是通过身份标识来确定需要切换卫星的终端4。

步骤S2，信关站1生成非竞争的随机接入前导序列标识，并将包含有该非竞争的随机接入前导序列标识、终端4的身份标识和目标卫星3的信息的切换指令发送给源卫星2，以便于源卫星2在接收到该切换指令后执行步骤S3的内容；同时，信关站1将包含有非竞争的随机接入前导序列标识和终端4的身份标识的验证指令发送给目标卫星3，以便于目标卫星3在接收到该验证指令后执行步骤S4的内容。

其中，信关站1通过卫星星历能够实时掌握各个卫星(源卫星2和目标卫星3)的信息(包含方位信息、业务波束的频点信息、信关站1各个卫星的传输时延信息、信关站1在发送数据时需要进行的多普勒频偏预补偿值等等)，从而使信关站1能够分别向源卫星2和目标卫星3发送步骤2中所称的信息。

步骤S3，源卫星2在接收到切换指令后，根据切换指令中携带的终端4的身份标识向对应的终端4发送控制信道指令，以便于终端4在接收到控制信道指令后向目标卫星3发送链接请求，其中，控制信道指令包括非竞争的随机接入前导序列标识和目标卫星3的信息，而链接请求包括终端4的身份信息和非竞争的随机接入前导序列标识。

步骤S4，目标卫星3在接收到上述的验证指令以及由终端4发送的链接请求后，以验证指令中携带的非竞争的随机接入前导序列标识和终端4的身份标识为依据，对链接请求中携带的终端的身份标识和非竞争的随机接入前导序列标识进行验证，并在验证通过后与终端4形成数据通信链接以完成卫星的切换。

其中，目标卫星3的信息包括但不限于目标卫星3的方位信息、目标卫星3的业务波束的频点信息、终端4到目标卫星3的传输时延信息和终端4在发送非竞争的随机接入前导序列标识时需要进行的多普勒频偏预补偿值，基于这些信息，使上述方法的步骤能够更加准确的执行。

实施例二

其与实施例一的区别在于：上述的生成非竞争的随机接入前导序列标识的过程可以由源卫星2执行，因此在此基础上，如图3所示，上述的方法的步骤具体为：

步骤S11，信关站1根据自身的位置、终端4的位置以及卫星运行的星历，确定在第一阈值时间内需要将数据通信业务从源卫星2切换到目标卫星3的终端4的身份标识。

步骤S12，信关站1将包含有终端4的身份标识以及目标卫星3的信息的切换指令发送给源卫星2,以便于源卫星2在收到切换指令后执行步骤S13。

步骤S13，源卫星2接收到上述的切换指令后，生成非竞争的随机接入前导序列标识，并向目标卫星3发送包含有非竞争的随机接入前导序列标识和终端4的身份标识的验证指令，以便于目标卫星3接收到该验证指令后执行步骤S14的内容；同时，源卫星2根据切换指令中携带的终端4的身份标识向对应的终端4发送控制信道指令，以便于终端4在接收到控制信道指令后向目标卫星3发送链接请求。其中，控制信道指令包括非竞争的随机接入前导序列标识和目标卫星3的信息，链接请求包括终端4的身份信息和非竞争的随机接入前导序列标识。

步骤S14，目标卫星3在接收到上述的验证指令以及由终端4发送的链接请求后，以验证指令中携带的非竞争的随机接入前导序列标识和终端4的身份标识为依据，对链接请求中携带的终端的身份标识和非竞争的随机接入前导序列标识进行验证，并在验证通过后与终端4形成数据通信链接以完成卫星的切换。

实施例三

一种卫星通信系统中卫星的切换装置，如图4所示，包括

监控模块，监控模块用于监控在第一时间阈值内需要将数据通信业务从源卫星切换到目标卫星的终端，并获取终端的身份标识；

生成模块，生成模块用于生成非竞争的随机接入前导序列标识；

切换指令模块，切换指令模块用于生成切换指令，以便于源卫星接收到切换指令后生成并向终端发送控制信道指令，切换指令至少包括终端的身份标识以及目标卫星的信息；

验证指令模块，验证指令模块用于生成验证指令，以便于目标卫星接收到验证指令后对终端发送的链接请求进行验证，验证指令包括终端的身份标识和非竞争的随机接入前导序列标识；

控制指令模块，控制指令模块用于生成控制信道指令，以便于终端在接收到控制信道指令后向目标卫星发送链接请求，控制信道指令包括非竞争的随机接入前导序列标识和目标卫星的信息，链接请求包括终端的身份信息和非竞争的随机接入前导序列标识；

以及验证模块，验证模块用于对链接请求进行验证，并在验证通过后使终端与目标卫星之间形成数据通信链接。

其中，切换指令还包括非竞争的随机接入前导序列标识，以便于实施例一所述的方法的执行。

实施例四

一种电子设备，如图5所示，包括存储有可执行程序代码的存储器；以及与存储器耦合的处理器；其中，处理器调用存储器中存储的可执行程序代码，执行如上的卫星通信系统中卫星的切换方法。

实施例五

一种计算机存储介质，计算机存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器运行时执行如上的卫星通信系统中卫星的切换方法。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种卫星通信系统中卫星的切换方法，所述卫星通信系统包括信关站和多个组网运行的卫星，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

信关站根据自身和终端的位置以及卫星运行的星历，确定在第一时间阈值内需要将数据通信业务从源卫星切换到目标卫星的终端的身份标识；

信关站生成非竞争的随机接入前导序列标识，并将包含有所述非竞争的随机接入前导序列标识、所述终端的身份标识和所述目标卫星的信息的切换指令发送给所述源卫星，以及将包含有所述非竞争的随机接入前导序列标识和所述终端的身份标识的验证指令发送给所述目标卫星；

所述源卫星接收到所述切换指令后，根据其中携带的所述终端的身份标识向对应的终端发送控制信道指令，以便于所述终端在接收到所述控制信道指令后向所述目标卫星发送链接请求，其中，所述控制信道指令包括所述非竞争的随机接入前导序列标识和所述目标卫星的信息，所述链接请求包括所述终端的身份信息和所述非竞争的随机接入前导序列标识；

所述目标卫星在接收到所述验证指令以及由所述链接请求后，对所述链接请求中携带的终端的身份标识和非竞争的随机接入前导序列标识进行验证，并在验证通过后与所述终端形成数据通信链接以完成卫星的切换。

2.一种卫星通信系统中卫星的切换方法，所述卫星通信系统包括信关站和多个组网运行的卫星，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

信关站根据自身和终端的位置以及卫星运行的星历，确定在第一时间阈值内需要将数据通信业务从源卫星切换到目标卫星的终端的身份标识；

信关站将包含有所述终端的身份标识以及所述目标卫星的信息的切换指令发送给源卫星；

源卫星接收到所述切换指令后生成非竞争的随机接入前导序列标识，并向所述目标卫星发送包含有所述非竞争的随机接入前导序列标识和所述终端的身份标识的验证指令，以及根据所述终端的身份标识向对应的终端发送控制信道指令，以便于所述终端在接收到所述控制信道指令后向所述目标卫星发送链接请求，其中，所述控制信道指令包括所述非竞争的随机接入前导序列标识和所述目标卫星的信息，所述链接请求包括所述终端的身份信息和所述非竞争的随机接入前导序列标识；

所述目标卫星在接收到所述验证指令以及由所述终端发送的链接请求后，对所述链接请求中携带到终端的身份标识和非竞争的随机接入前导序列标识进行验证，并在验证通过后与所述终端形成数据通信链接以完成卫星的切换。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述目标卫星的信息包括但不限于所述目标卫星的方位信息、所述目标卫星的业务波束的频点信息、所述终端到所述目标卫星的传输时延信息和所述终端在发送所述非竞争的随机接入前导序列标识时需要进行的多普勒频偏预补偿值。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述信关站为服务区域内的全部终端赋予统一的物理小区标识。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述信关站确定在第一时间阈值内需要将数据通信业务从源卫星切换到目标卫星的终端的步骤包括：

根据卫星的星历，确定源卫星在所述第一时间阈值内的预测位置；

再根据终端、信关站、源卫星的预测位置，计算终端与源卫星的连线与信关站与源卫星的连线构成的夹角的预测角度值；

将所述预测角度值与设定的正常角度阈值相对比，判断所述预测角度值超出所述正常角度阈值的终端，为需要将数据通信业务从源卫星切换到目标卫星的终端。

6.一种卫星通信系统中卫星的切换装置，其特征在于：包括

监控模块，所述监控模块用于监控在第一时间阈值内需要将数据通信业务从源卫星切换到目标卫星的终端，并获取所述终端的身份标识；

生成模块，所述生成模块用于生成非竞争的随机接入前导序列标识；

切换指令模块，所述切换指令模块用于生成切换指令，以便于源卫星接收到所述切换指令后生成并向终端发送控制信道指令，所述切换指令至少包括终端的身份标识以及目标卫星的信息；

验证指令模块，所述验证指令模块用于生成验证指令，以便于目标卫星接收到所述验证指令后对终端发送的链接请求进行验证，所述验证指令包括终端的身份标识和非竞争的随机接入前导序列标识；

控制指令模块，所述控制指令模块用于生成控制信道指令，以便于终端在接收到所述控制信道指令后向所述目标卫星发送链接请求，所述控制信道指令包括所述非竞争的随机接入前导序列标识和所述目标卫星的信息，所述链接请求包括所述终端的身份信息和所述非竞争的随机接入前导序列标识；

以及验证模块，所述验证模块用于对链接请求进行验证，并在验证通过后使终端与目标卫星之间形成数据通信链接。

7.根据权利要求6所述的卫星通信系统中卫星的切换装置，其特征在于：所述切换指令还包括非竞争的随机接入前导序列标识。

8.一种电子设备，其特征在于：包括存储有可执行程序代码的存储器；以及与存储器耦合的处理器；其中，处理器调用存储器中存储的可执行程序代码，执行如权利要求1-5任一项所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1-5任一项所述的方法。