CN113765573B - 一种5g核心设备连接高低轨卫星并动态切换系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种5G核心设备连接高低轨卫星并动态切换系统和方法，方法包括：当SMF与UPF建立偶联后，SMF向UPF发起低轨卫星链路状态订阅请求；UPF收到低轨卫星链路状态订阅请求消息后，检测并记录低轨卫星链路的当前状态，向SMF返回携带有低轨卫星链路的当前状态的响应消息；SMF提取并记录低轨卫星链路的当前状态，当UE上线后，SMF为UE创建初始的PDU会话，并根据低轨卫星链路的当前状态，为创建PDU会话选择相应的NWI，UE将通过所选择NWI对应的低轨或高轨卫星链路与公网进行数据交换。本发明属于信息技术领域，能实现低轨卫星链路状态的自动检测，并根据低轨卫星链路状态来自动连接和动态切换高低轨卫星链路。

Description

一种5G核心设备连接高低轨卫星并动态切换系统和方法

技术领域

本发明涉及一种5G核心设备连接高低轨卫星并动态切换系统和方法，属于信息技术领域。

背景技术

第五代移动通信技术(英文全称：5th-generation，简称：5G)在5G星地移动通信融合组网中，有一类组网方式为户面功能实体(英文全称：user plane function，简称：UPF)靠近用户设备(英文全称：user equipment，简称：UE)的接入访问点，UE通过会话管理功能实体(英文全称：session management function，简称：SMF)选择UPF后接入卫星终端，UPF通过高轨或低轨卫星路径与公网进行数据包交互。中国卫通提供的高轨卫星可提供24小时覆盖，低轨卫星在一天24小时中部分时间段内提供网络覆盖。高轨卫星存在时延大，费用较高的问题，相比之下，低轨卫星的时延要小，也相对便宜。

图1示出了现有技术实现船载卫星通信时的一个实施例的网络架构图。如图1所示，包括5G UE、5G船载基站、UPF、船载卫星终端、高轨卫星、低轨卫星、5G专网(包括卫星地面站、5G核心网)、公网数据网络(英文全称：Data Network，简称DN)，5G核心网(英文全称：5G core，简称5GC)中进一步包括SMF，在UE注册上5G网络、并通过UPF实现上网后，目前只能通过高轨卫星或低轨卫星的单一路径与公网实现数据包的交互，或者只能通过手动修改配置完成路径切换。但是首先低轨卫星路径的链路连通性检查需要额外设备完成，检查结果也需要人工干预做修改才能完成切换(或在每天的固定时间进行人工操作)，其次低轨每天能够使用的时间一般很短，人工干预时及时性存在问题。

因此，如何实现低轨卫星链路状态的自动检测，并根据低轨卫星链路状态来自动连接和动态切换高低轨卫星链路，已成为现有技术中亟待解决的技术问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种5G核心设备连接高低轨卫星并动态切换系统和方法，能实现低轨卫星链路状态的自动检测，并根据低轨卫星链路状态来自动连接和动态切换高低轨卫星链路。

为了达到上述目的，本发明提供了一种5G核心设备连接高低轨卫星并动态切换系统，预先在SMF和UPF中分别为高、低轨卫星链路配置相应的网络实例信息，即高轨卫星链路NWI和低轨卫星链路NWI，SMF包括有：

高低轨选路装置，用于在与UPF建立偶联后，向UPF发起低轨卫星链路状态订阅请求，所述低轨卫星链路状态订阅请求中携带有低轨卫星链路的网络标识，然后从UPF返回的响应消息中提取、并记录低轨卫星链路的当前状态，当5G用户设备UE上线后，为上线UE创建初始的PDU会话，并根据所记录的低轨卫星链路的当前状态，为创建的PDU会话选择相应的NWI，上线UE将通过所选择NWI对应的低轨或高轨卫星链路与公网进行数据交换，

UPF包括有：

卫星链路检测装置，用于接收SMF发来的低轨卫星链路状态订阅请求消息，检测、并记录低轨卫星链路的当前状态，然后向SMF返回响应消息，所述响应消息中携带有低轨卫星链路的当前状态，当前状态的值是可用或不可用。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种5G核心设备连接高低轨卫星并动态切换方法，预先在SMF和UPF中分别为高、低轨卫星链路配置相应的网络实例信息，即高轨卫星链路NWI和低轨卫星链路NWI，包括有：

步骤一、当SMF与UPF建立偶联后，SMF向UPF发起低轨卫星链路状态订阅请求，所述低轨卫星链路状态订阅请求中携带有低轨卫星链路的网络标识；

步骤二、UPF收到低轨卫星链路状态订阅请求消息后，检测、并记录低轨卫星链路的当前状态，然后向SMF返回响应消息，所述响应消息中携带有低轨卫星链路的当前状态，当前状态的值是可用或不可用；

步骤三、SMF从响应消息中提取、并记录低轨卫星链路的当前状态，当5G用户设备UE上线后，SMF为上线UE创建初始的PDU会话，并根据所记录的低轨卫星链路的当前状态，为创建的PDU会话选择相应的NWI，上线UE将通过所选择NWI对应的低轨或高轨卫星链路与公网进行数据交换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中的UPF新增对DN网络链路可用性的检测能力，并通过RESTFUL订阅/通知形式能力开放接口提供给SMF调用，SMF基于该能力可以实时感知低轨卫星链路是否可用，并当低轨卫星链路的可用性发生改变时，修改会话NWI参数，从而完成链路动态切换功能，这样5G终端用户接入卫星终端、经由UPF后，其上网数据可以通过高轨和低轨卫星两种不同卫星链路与公网进行数据交换，从而有效缩减时延，并降低费用；本发明不仅可以应用于船载卫星通信，还可以应用于机载、无运营商基础设施的偏远地区、远海深海、高山极地、应急维稳、抗震灾后等任何卫星通信场景中。

附图说明

图1是本发明应用于船载卫星通信的一个实施例的网络架构图。

图2是本发明一种5G核心设备连接高低轨卫星并动态切换方法的流程图。

图3是UPF根据SMF发来的低轨卫星链路状态订阅请求，定时检测低轨卫星链路的当前状态，当发现其状态发生变化时，主动通知SMF，从而实现高轨卫星链路和低轨卫星链路这两种数据链路的动态切换的具体流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1是本发明应用于船载卫星通信的一个实施例的网络架构图。如图1所示，本发明一种5G核心设备连接高低轨卫星并动态切换系统，主要涉及到对5G核心网中SMF和UPF这两个网元的功能扩展，其中，预先在SMF和UPF中分别为高、低轨卫星链路配置相应的网络实例信息(即高轨卫星链路NWI和低轨卫星链路NWI)，NWI的英文全称是：Network Interface，SMF包括有：

高低轨选路装置，用于在与UPF建立偶联后，向UPF发起低轨卫星链路状态订阅请求，所述低轨卫星链路状态订阅请求中携带有低轨卫星链路的网络标识，然后从UPF返回的响应消息中提取、并记录低轨卫星链路的当前状态，当5G用户设备UE上线后，为上线UE创建初始的PDU(英文全称是：Protocol Data Unit)会话，并根据所记录的低轨卫星链路的当前状态，为创建的PDU会话选择相应的NWI，上线UE将通过所选择NWI对应的低轨或高轨卫星链路与公网进行数据交换，

UPF包括有：

卫星链路检测装置，用于接收SMF发来的低轨卫星链路状态订阅请求消息，检测、并记录低轨卫星链路的当前状态，然后向SMF返回响应消息，所述响应消息中携带有低轨卫星链路的当前状态，当前状态的值可以是可用或不可用。

SMF的高低轨选路装置可以进一步包括有：

高低轨自动连接单元，判断所记录的低轨卫星链路的当前状态是否是可用，如果是，则为创建的PDU会话选择低轨卫星链路NWI；如果否，则为创建的PDU会话选择高轨卫星链路NWI。

本发明中，UPF还可以根据SMF发来的低轨卫星链路状态订阅请求，定时检测低轨卫星链路的当前状态，当发现其状态发生变化时，主动通知SMF，从而实现高轨卫星链路和低轨卫星链路这两种数据链路的动态切换。SMF的高低轨选路装置还可以包括有：

高低轨链路切换单元，用于从UPF发送来的链路状态变化报告中提取低轨卫星链路的当前状态，然后将所提取的当前状态和所记录的当前状态进行对比，并根据当前状态的变化，为所有处于持续状态的PDU会话向UPF逐一发送PFCP Session ModificationRequest会话修改操作请求，从而指示UPF将对应PDU会话的上行数据转发规则FAR修改为相应的NWI，

UPF的卫星链路检测装置进一步包括有：

链路状态通知单元，用于按照一定频率定时检测低轨卫星链路的当前状态，并判断所检测的当前状态和所记录的当前状态是否相同，如果否，则将低轨卫星链路的当前状态记录更新为所检测的当前状态，并向SMF发送链路状态变化报告，所述链路状态变化报告中携带有低轨卫星链路的当前状态，链路状态通知单元可以采用现有的网络连通性检查方法对低轨卫星链路进行连通性检测，从而判断低轨卫星链路的当前状态是可用或不可用，

UPF还包括有：

链路切换装置，用于根据SMF发送来的会话修改操作请求，修改PDU会话的上行数据转发规则FAR，然后按照上行数据转发规则FAR中所指示的NWI转发PDU会话的后续上行数据包。

SMF的高低轨选路装置的高低轨链路切换单元可以进一步包括有：

链路状态比较部件，用于从UPF发送来的链路状态变化报告中提取低轨卫星链路的当前状态，然后将所提取的当前状态和所记录的当前状态进行对比：若所提取的当前状态是可用、且所记录的当前状态是不可用时，则将低轨卫星链路的当前状态记录更新为可用，然后查找当前所有处于持续状态的PDU会话，并针对查找到的所有PDU会话向UPF逐一发送PFCP Session Modification Request会话修改操作请求，所述会话修改操作请求中指示UPF将对应PDU会话的上行数据转发规则FAR修改为低轨卫星链路NWI；若所提取的当前状态是不可用、且所记录的当前状态是可用时，则将高轨卫星链路的当前状态记录更新为不可用，然后查找当前所有处于持续状态的PDU会话，并针对查找到的所有PDU会话向UPF逐一发送PFCP Session Modification Request会话修改操作请求，所述会话修改操作请求中指示UPF将对应PDU会话的上行数据转发规则FAR修改为高轨卫星链路NWI。

这样，通过本发明在图1所示船载卫星通信的实施例上的应用，可以有效实现UPF对低轨卫星链路状态的自动检测，并根据低轨卫星链路状态来自动连接和动态切换高、低轨卫星链路。

如图2所示，本发明一种5G核心设备连接高低轨卫星并动态切换方法，预先在SMF和UPF中分别为高、低轨卫星链路配置相应的网络实例信息(即高轨卫星链路NWI和低轨卫星链路NWI)，包括有：

步骤一、当SMF与UPF建立偶联后，SMF向UPF发起低轨卫星链路状态订阅请求，所述低轨卫星链路状态订阅请求中携带有低轨卫星链路的网络标识；

步骤二、UPF收到低轨卫星链路状态订阅请求消息后，检测、并记录低轨卫星链路的当前状态，然后向SMF返回响应消息，所述响应消息中携带有低轨卫星链路的当前状态，当前状态的值可以是可用或不可用；

步骤三、SMF从响应消息中提取、并记录低轨卫星链路的当前状态，当5G用户设备UE上线后，SMF为上线UE创建初始的PDU会话，并根据所记录的低轨卫星链路的当前状态，为创建的PDU会话选择相应的NWI，上线UE将通过所选择NWI对应的低轨或高轨卫星链路与公网进行数据交换。

其中，SMF根据所记录的低轨卫星链路的当前状态，为创建的PDU会话选择相应的NWI，还可以进一步包括有：

SMF判断所记录的低轨卫星链路的当前状态是否是可用，如果是，则为创建的PDU会话选择低轨卫星链路NWI；如果否，则为创建的PDU会话选择高轨卫星链路NWI。

本发明中，UPF还可以根据SMF发来的低轨卫星链路状态订阅请求，定时检测低轨卫星链路的当前状态，当发现其状态发生变化时，主动通知SMF，从而实现高轨卫星链路和低轨卫星链路这两种数据链路的动态切换。如图3所示，本发明还包括有：

步骤A、UPF按照一定频率定时检测低轨卫星链路的当前状态，并判断所检测的当前状态和所记录的当前状态是否相同，如果否，则将低轨卫星链路的当前状态记录更新为所检测的当前状态，并向SMF发送链路状态变化报告，所述链路状态变化报告中携带有低轨卫星链路的当前状态，然后转向步骤B；如果是，则转向步骤A，继续定时检测低轨卫星链路的当前状态；

UPF可以采用现有的网络连通性检查方法对低轨卫星链路进行连通性检测，从而判断低轨卫星链路的当前状态是可用或不可用；

步骤B、SMF从UPF发送来的链路状态变化报告中提取低轨卫星链路的当前状态，然后将所提取的当前状态和所记录的当前状态进行对比，并根据当前状态的变化，为所有处于持续状态的PDU会话向UPF逐一发送PFCP Session Modification Request会话修改操作请求，从而指示UPF将对应PDU会话的上行数据转发规则FAR修改为相应的NWI；

步骤C、UPF根据SMF发送来的会话修改操作请求，修改PDU会话的上行数据转发规则FAR，然后按照上行数据转发规则FAR中所指示的NWI转发PDU会话的后续上行数据包。

步骤B可以进一步包括有：

SMF从UPF发送来的链路状态变化报告中提取低轨卫星链路的当前状态，然后将所提取的当前状态和所记录的当前状态进行对比：若所提取的当前状态是可用、且所记录的当前状态是不可用时，则将低轨卫星链路的当前状态记录更新为可用，然后查找当前所有处于持续状态的PDU会话，并针对查找到的所有PDU会话向UPF逐一发送PFCP SessionModification Request会话修改操作请求，所述会话修改操作请求中指示UPF将对应PDU会话的上行数据转发规则FAR修改为低轨卫星链路NWI；若所提取的当前状态是不可用、且所记录的当前状态是可用时，则将高轨卫星链路的当前状态记录更新为不可用，然后查找当前所有处于持续状态的PDU会话，并针对查找到的所有PDU会话向UPF逐一发送PFCPSession Modification Request会话修改操作请求，所述会话修改操作请求中指示UPF将对应PDU会话的上行数据转发规则FAR修改为高轨卫星链路NWI。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (8)

1.一种5G核心设备连接高低轨卫星并动态切换系统，其特征在于，预先在SMF和UPF中分别为高、低轨卫星链路配置相应的网络实例信息，即高轨卫星链路NWI和低轨卫星链路NWI，SMF包括有：

高低轨选路装置，用于在与UPF建立偶联后，向UPF发起低轨卫星链路状态订阅请求，所述低轨卫星链路状态订阅请求中携带有低轨卫星链路的网络标识，然后从UPF返回的响应消息中提取、并记录低轨卫星链路的当前状态，当5G用户设备UE上线后，为上线UE创建初始的PDU会话，并根据所记录的低轨卫星链路的当前状态，为创建的PDU会话选择相应的NWI，上线UE将通过所选择NWI对应的低轨或高轨卫星链路与公网进行数据交换，

UPF包括有：

卫星链路检测装置，用于接收SMF发来的低轨卫星链路状态订阅请求消息，检测、并记录低轨卫星链路的当前状态，然后向SMF返回响应消息，所述响应消息中携带有低轨卫星链路的当前状态，当前状态的值是可用或不可用。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，SMF的高低轨选路装置进一步包括有：

高低轨自动连接单元，判断所记录的低轨卫星链路的当前状态是否是可用，如果是，则为创建的PDU会话选择低轨卫星链路NWI；如果否，则为创建的PDU会话选择高轨卫星链路NWI。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，SMF的高低轨选路装置包括有：

高低轨链路切换单元，用于从UPF发送来的链路状态变化报告中提取低轨卫星链路的当前状态，然后将所提取的当前状态和所记录的当前状态进行对比，并根据当前状态的变化，为所有处于持续状态的PDU会话向UPF逐一发送PFCP Session Modification Request会话修改操作请求，从而指示UPF将对应PDU会话的上行数据转发规则FAR修改为相应的NWI，

UPF的卫星链路检测装置包括有：

链路状态通知单元，用于按照一定频率定时检测低轨卫星链路的当前状态，并判断所检测的当前状态和所记录的当前状态是否相同，如果否，则将低轨卫星链路的当前状态记录更新为所检测的当前状态，并向SMF发送链路状态变化报告，所述链路状态变化报告中携带有低轨卫星链路的当前状态，

UPF还包括有：

链路切换装置，用于根据SMF发送来的会话修改操作请求，修改PDU会话的上行数据转发规则FAR，然后按照上行数据转发规则FAR中所指示的NWI转发PDU会话的后续上行数据包。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，SMF的高低轨选路装置的高低轨链路切换单元进一步包括有：

链路状态比较部件，用于从UPF发送来的链路状态变化报告中提取低轨卫星链路的当前状态，然后将所提取的当前状态和所记录的当前状态进行对比：若所提取的当前状态是可用、且所记录的当前状态是不可用时，则将低轨卫星链路的当前状态记录更新为可用，然后查找当前所有处于持续状态的PDU会话，并针对查找到的所有PDU会话向UPF逐一发送PFCP Session Modification Request会话修改操作请求，所述会话修改操作请求中指示UPF将对应PDU会话的上行数据转发规则FAR修改为低轨卫星链路NWI；若所提取的当前状态是不可用、且所记录的当前状态是可用时，则将高轨卫星链路的当前状态记录更新为不可用，然后查找当前所有处于持续状态的PDU会话，并针对查找到的所有PDU会话向UPF逐一发送PFCP Session Modification Request会话修改操作请求，所述会话修改操作请求中指示UPF将对应PDU会话的上行数据转发规则FAR修改为高轨卫星链路NWI。

5.一种5G核心设备连接高低轨卫星并动态切换方法，其特征在于，预先在SMF和UPF中分别为高、低轨卫星链路配置相应的网络实例信息，即高轨卫星链路NWI和低轨卫星链路NWI，包括有：

步骤一、当SMF与UPF建立偶联后，SMF向UPF发起低轨卫星链路状态订阅请求，所述低轨卫星链路状态订阅请求中携带有低轨卫星链路的网络标识；

步骤二、UPF收到低轨卫星链路状态订阅请求消息后，检测、并记录低轨卫星链路的当前状态，然后向SMF返回响应消息，所述响应消息中携带有低轨卫星链路的当前状态，当前状态的值是可用或不可用；

步骤三、SMF从响应消息中提取、并记录低轨卫星链路的当前状态，当5G用户设备UE上线后，SMF为上线UE创建初始的PDU会话，并根据所记录的低轨卫星链路的当前状态，为创建的PDU会话选择相应的NWI，上线UE将通过所选择NWI对应的低轨或高轨卫星链路与公网进行数据交换。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，SMF根据所记录的低轨卫星链路的当前状态，为创建的PDU会话选择相应的NWI，进一步包括有：

SMF判断所记录的低轨卫星链路的当前状态是否是可用，如果是，则为创建的PDU会话选择低轨卫星链路NWI；如果否，则为创建的PDU会话选择高轨卫星链路NWI。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括有：

步骤A、UPF按照一定频率定时检测低轨卫星链路的当前状态，并判断所检测的当前状态和所记录的当前状态是否相同，如果否，则将低轨卫星链路的当前状态记录更新为所检测的当前状态，并向SMF发送链路状态变化报告，所述链路状态变化报告中携带有低轨卫星链路的当前状态，然后转向步骤B；如果是，则转向步骤A，继续定时检测低轨卫星链路的当前状态；

步骤B、SMF从UPF发送来的链路状态变化报告中提取低轨卫星链路的当前状态，然后将所提取的当前状态和所记录的当前状态进行对比，并根据当前状态的变化，为所有处于持续状态的PDU会话向UPF逐一发送PFCP Session Modification Request会话修改操作请求，从而指示UPF将对应PDU会话的上行数据转发规则FAR修改为相应的NWI；

步骤C、UPF根据SMF发送来的会话修改操作请求，修改PDU会话的上行数据转发规则FAR，然后按照上行数据转发规则FAR中所指示的NWI转发PDU会话的后续上行数据包。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤B进一步包括有：

SMF从UPF发送来的链路状态变化报告中提取低轨卫星链路的当前状态，然后将所提取的当前状态和所记录的当前状态进行对比：若所提取的当前状态是可用、且所记录的当前状态是不可用时，则将低轨卫星链路的当前状态记录更新为可用，然后查找当前所有处于持续状态的PDU会话，并针对查找到的所有PDU会话向UPF逐一发送PFCP SessionModification Request会话修改操作请求，所述会话修改操作请求中指示UPF将对应PDU会话的上行数据转发规则FAR修改为低轨卫星链路NWI；若所提取的当前状态是不可用、且所记录的当前状态是可用时，则将高轨卫星链路的当前状态记录更新为不可用，然后查找当前所有处于持续状态的PDU会话，并针对查找到的所有PDU会话向UPF逐一发送PFCPSession Modification Request会话修改操作请求，所述会话修改操作请求中指示UPF将对应PDU会话的上行数据转发规则FAR修改为高轨卫星链路NWI。

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