CN113872676A - 结合位置信息和信道测量信息实现的切换方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种结合位置信息和信道测量信息实现的切换方法及系统，该方法包括：位置服务器预估一段时间内终端的切换时刻与波束列表，接入网控制器判断当前时刻与最近切换时刻的时间差是否能够完成基于测量的切换流程；若能则进行信道测量；接入网控制器收到信道测量报告的时间与最近切换时刻的时间差是否小于阈值；如果小于利用切换时间与波束列表进行切换；如果大于则综合信道质量与波束列表决定切换时刻和目标波束。本发明结合终端位置信息和信道测量信息，提高了切换的效率和可靠性，根据当前时间与切换时间的差值灵活调整切换方式，增加切换成功的概率。在系统最优的原则下，将算力放在地面进行，减少卫星与网络的计算开销，减低商用成本。

Description

结合位置信息和信道测量信息实现的切换方法及系统
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种低轨卫星在通信过程中的星间及波束间切换方案设计，特别是一种基于位置信息和信道测量信息结合实现的切换方法及系统。
背景技术
为了保证通信中的用户到卫星的通信链路不随卫星或用户的移动而中断，用户数据能够顺利接入卫星，并在天基承载网与接入网之间可以顺利转换。当前低轨卫星切换实现流程研究主要分为基于测量的切换和基于位置的切换两种。铱星使用传统地面网络的基于测量的切换流程，虽然有成熟的标准协议和上下游产业链，但是在切换过程中至少需要通过4条信令交互，才能完成切换。网络下发测量配置，终端测量波束列表中的波束强度上报切换波束，网络判决切换波束触发切换，终端执行切换后发送切换完成信令。这种切换方法在低轨星座网络的产生的时延为百毫秒量级，不仅使用户体验感极差，且极易导致切换失败。而终端基于位置信息的切换，由测运控提供卫星星历信息，网络提前规划切换时刻及切换波束，由终端执行切换。由于在切换准备、切换判决等过程都在网络侧完成，基于位置信息的切换仅使用两条信令即可完成切换，时延较低。但是该切换方法不具备实时性，受卫星健康状态、卫星抖动及信道干扰等因素影响，仅依靠星历信息，无法保证切换的可靠性。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种基于位置信息和信道测量信息结合实现的切换方法及系统。
为实现上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种结合位置信息和信道测量信息实现的切换方法，其包括如下步骤：
位置服务器获取卫星星历信息；
位置服务器将卫星波束地面覆盖范围划分成多个单元格；
位置服务器获取终端位置并判断终端所在单元格；
位置服务器根据终端位置信息以及卫星星历信息预估一段时间T内终端的切换时刻，对切换时刻所对应的单元格中维护的波束进行排序，形成波束列表，将切换时刻及波束列表发送给接入网控制器；
接入网控制器判断当前时刻与最近切换时刻的时间差是否能够完成基于测量的切换流程；若不能完成，则利用位置服务器推送的切换时间与波束列表进行切换；若能够完成，则进行信道测量；
接入网控制器收到信道测量报告的时间与最近切换时刻的时间差是否小于阈值t；如果小于，则利用位置服务器推送的切换时间与波束列表进行切换；如果大于，则综合信道质量与位置服务器推送的波束列表决定切换时刻和目标波束。
基于以上技术方案，本发明的切换方法结合终端位置信息和信道测量信息，改进了基于测量的切换机制由于长时延导致的切换失败，以及位置信息不具备实时性和不可靠性，提高了切换的效率和可靠性。本发明还可根据当前时间与切换时间的差值灵活调整切换方式，增加切换成功的概率。在系统最优的原则下，将算力放在地面进行，减少卫星与网络的计算开销，减低商用成本。
根据本发明的一种优选实施方式，还包括具体切换的步骤：
接入网控制器将切换时刻和目标波束发送给服务卫星，服务卫星接收到该重配置命令并将其转发给终端，服务卫星发送重配置命令后立即停止发送下行数据；
终端接收到重配置消息，与目标波束的下行同步；根据目标波束ID和随机接入参数，向目标波束发起随机接入；
接入网在终端接收到随机接入消息后，通过目标波束向终端发送允许接入信道指示竞争解决，随后使用目标波束资源启动数据收发；
接入网释放服务卫星中的波束资源，切换成功。
基于以上技术方案，从而快速实现成功切换。
根据本发明的另一种优选实施方式，位置服务器根据终端位置信息以及卫星星历信息预估一段时间T内终端的切换时刻，对切换时刻所对应的单元格中维护的波束进行排序，形成波束列表的步骤为：
确定切换时刻：每个单元格具有当前服务波束对应的功率值，终端进入该波束时间大于t1且所经历的单元格的功率值低于阈值P时，该单元格设为n，则终端进入该单元格的时刻作为切换时刻；
单元格n上除当前服务波束，将其他波束按能够为该终端提供最长服务时间排序，形成波束列表。
基于以上技术方案，本方案采用信道系数调整切换波束列表，以系统最优为原则，综合目标波束提供服务时间与信号值形成波束列表有效提高了切换机制的可靠性。
根据本发明的再一种优选实施方式，所述功率阈值P的确定方法为：
设Pmin为能够为终端提供服务的最小功率值，其对应的单元格序号为nmin；设终端从单元格nHO到单元格nmin的时间能且刚能完成切换信令的交互，单元格nHO对应的功率值为PHO，则P＞PHO。
基于以上技术方案，设置功率阈值P实现切换时间的确定。
根据本发明的再另一种优选实施方式，接入网控制器判断当前时刻与最近切换时刻的时间差是否能够完成基于测量的切换流程，若能够完成，则进行信道测量，具体为：设当前时刻为T0，若当前时刻与最近切换时刻的时间差T1-T0时间内无法完成测量上报和切换信令的交互，则不进行信道测量，仅依靠位置信息执行切换；若T1-T0时间内能够完成信令交互，则进行信道测量。
基于以上技术方案，设置进行信道测量的条件，增加了切换机制的可靠性。
根据本发明的再另一种优选实施方式，接入网控制器收到信道测量报告的时间与最近切换时刻的时间差大于阈值t，综合信道质量与位置服务器推送的波束列表决定切换时刻和目标波束，具体为：接入网控制器将终端上报的波束序号j与位置服务器推送的波束序号k综合取值，最终的序号值mαk+βj，将m按大小顺序排列形成波束列表，其中α+β＝1，β取值与信道质量有关。
通过设置阈值t，有效防止乒乓效应。另外，本发明根据切换时间灵活选择切换方式，考虑乒乓效应设计切换时间，综合信号质量与服务时间规划切换波束列表，有效增加了切换机制的可靠性。
为实现上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种结合位置信息和信道测量信息实现的切换系统，包括位置服务器和接入网控制器，所述位置服务器和接入网控制器执行本发明的波束切换方法。
本发明的切换系统可灵活调整切换方式，增加切换成功的概率和可靠性，在系统最优的原则下，将算力放在地面进行，减少卫星与网络的计算开销，减低商用成本。
为实现上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种通信系统，包括位置服务器、接入网控制器、终端和至少一颗卫星，位置服务器和接入网控制器执行本发明的波束切换方法，实现终端在不同波束上的切换。
本发明的通信系统结合终端位置信息和信道测量信息，根据当前时间与切换时间的差值灵活调整切换方式，增加切换成功的概率和可靠性，在系统最优的原则下，将算力放在地面进行，减少卫星与网络的计算开销，减低商用成本。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一种优选实施方式中切换方法的流程图；
图2是本发明一种优选实施方式中波束下单元格划分示意图；
图3是本发明一种优选实施方式中终端波束切换时经历单元格的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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。
本发明设计了一种切换判决机制，该机制将基于终端位置信息判决出的切换时间、切换波束和信道测量上报的最大信号准则判决的切换时间、切换波束相结合，得到工程可实现的最优切换时刻与切换波束。本发明结合基于终端位置信息和信道测量上报两种切换方案，考虑实际系统需求，给出具体实现途径，结合最长服务时间和最大信号准则两种切换算法实现系统最优。
本发明提供了一种结合位置信息和信道测量信息实现的切换方法，如图1所示，其包括如下步骤：
位置服务器获取卫星星历信息。具体卫星将自身信息以六根数的格式提前通过测运控系统发送，位置服务器接收该信息并通过坐标转换成ECI坐标(earth centeredinertial，地心惯性坐标系，即XYZ直角坐标系)和UTC时间(Coordinated Universal Time，世界统一时间)的形式，如图2和图3所示，将卫星波束地面覆盖划分成多个体积相同的单元格(每个单元格为一个立方体)，位置服务器记录每个单元格(优选为单元格中心)到卫星的距离、覆盖的卫星波束ID以及对应的波束功率，一个单元格可能有多个波束覆盖，则需要记录多个波束ID及波束功率。具体每个单元格可以用(ρ，θ，ψ，BeamId[N]，PBeamId[N])表示，N为波束序号，ρ，θ，ψ，BeamId[N]，PBeamId[N]分别为单元格到卫星的距离、俯仰角、水平角、波束标识、波束归一化功率，由于每个单元格可能有多个波束覆盖，因此，每个单元格可能会有多个Beam ID和PBeamId，具体多个波束可以为不同卫星的波束，也可以为同一卫星的波束。
位置服务器获取终端位置并判断终端所在单元格。接入网通过RRC ConnectionRequest消息(终端向网络发送的连接请求，一般会携带终端标识、终端位置、接入原因等)、Measurement Report消息(当终端完成测量后，会依照测量报告配置对报告条件进行评估，当设定条件满足时，终端会将测量结果填入MeasurementReport消息，测试结果中含有终端位置)或终端GeoInfoTransfer消息获取终端位置并发送给位置服务器。位置服务器根据获得的终端经度、纬度、高位置信息，以及卫星星历信息，计算出以卫星为中心的终端球坐标。结合基于波束的单元格划分能够判断终端所在单元格。
位置服务器根据终端位置信息以及卫星星历信息预估一段时间T内终端的切换时刻，对切换时刻所对应的单元格中维护的波束进行排序，形成波束列表，将切换时刻及波束列表发送给接入网控制器。
具体位置服务器根据终端位置信息以及卫星星历信息预估一段时间T内终端的切换时刻，依次排序为T1，T2，T3……，其中T1为最近的切换时刻，T2，T3为第二切换时刻，第三切换时刻，根据最大服务时间准则对切换时刻所对应的单元格中维护的波束进行排序，形成波束列表，将切换时刻及波束列表发送给接入网控制器。
在本实时方式中，具体形成波束列表的步骤为：确定切换时刻T1：每个单元格具有当前服务波束对应的功率值，终端进入该波束时间大于t1(防止乒乓效应，预设的时间阈值)，且所经历的单元格的功率值低于阈值P时，该单元格设为n，则终端进入该单元格的时刻作为切换时刻；单元格n上除当前服务波束，将其他波束按能够为该终端提供最长服务时间排序，形成波束列表。其中，功率阈值P的确定方法为：设Pmin为能够为终端提供服务的最小功率值，其对应的单元格序号为nmin；设终端从单元格nHO到单元格nmin的时间能且刚能完成切换信令的交互，单元格nHO对应的功率值为PHO，则P＞PHO。
接入网控制器判断当前时刻与最近切换时刻的时间差是否能够完成基于测量的切换流程；若不能完成，则利用位置服务器推送的切换时间与波束列表进行切换；若能够完成，则开启测量上报(切换)开关，进行信道测量。具体为设当前时刻为T0，若当前时刻与最近切换时刻的时间差T1-T0时间内无法完成测量上报和切换信令的交互，则不进行信道测量，仅依靠位置信息执行切换；若T1-T0时间内能够完成信令交互，则进行信道测量。
进行信道测量时接入网控制器收到信道测量报告的时间与最近切换时刻的时间差是否小于阈值t，设t为刚好能够完成信令交互的时间；如果小于，即T1-Tmeas＜t，，则利用位置服务器推送的切换时间与波束列表进行切换；如果大于，即T1-Tmeas＞t，则综合信道质量与位置服务器推送的波束列表决定切换时刻和目标波束。具体为：接入网控制器将终端上报的波束序号j与位置服务器推送的波束序号k综合取值，最终的序号值m＝αk+βj，将m按大小顺序(优选升序)排列形成波束列表，其中，α和β为权重参数，0〈β〈1，α+β＝1，β取值与信道质量有关，信道质量越差(比如噪声高等)，则β取值越小，也就是选取这个波束的可能性越小。
接入网控制器将切换时刻和目标波束发送给服务卫星，服务卫星接收到该RRC重配置命令(包含移动控制信元)并将其转发给终端，服务卫星发送重配置命令后立即停止发送下行数据，将数据缓存至网络。
终端接收到重配置命令(包括测量配置、移动控制信元、无线资源配置、NAS层(Non-Access Stratum，非接入层)及安全的相关信元)，与目标波束的下行同步；根据该消息进行无线资源、安全等配置；根据目标波束ID和随机接入参数，向目标波束发起随机接入。
接入网在终端接收到随机接入消息后，通过目标波束向终端发送允许接入信道指示竞争解决，随后使用目标波束资源启动数据收发。具体可以为网络在终端接收到随机接入消息后，通过目标波束向终端发送AGCH(Access Grant Channel，允许接入信道)指示竞争解决，此时用户平面在有RACH(Random Access Channel，即随机接入信道)的场景下，在RACH完成之后立即使用目标波束资源启动数据收发。
接入网释放服务卫星中的波束资源，切换成功。
本发明还提供了一种结合位置信息和信道测量信息实现的切换系统，包括位置服务器和接入网控制器，所述位置服务器和接入网控制器执行本发明的切换方法实现终端在不同波束上的切换。
本发明还提供了一种通信系统，包括位置服务器、接入网控制器、终端和至少一颗卫星，所述位置服务器和接入网控制器执行本发明的切换方法，实现终端在不同波束上的切换。
在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种结合位置信息和信道测量信息实现的切换方法，其特征在于，包括如下步骤：
位置服务器获取卫星星历信息；
位置服务器将卫星波束地面覆盖范围划分成多个单元格；
位置服务器获取终端位置并判断终端所在单元格；
位置服务器根据终端位置信息以及卫星星历信息预估一段时间T内终端的切换时刻，对切换时刻所对应的单元格中维护的波束进行排序，形成波束列表，将切换时刻及波束列表发送给接入网控制器；
接入网控制器判断当前时刻与最近切换时刻的时间差是否能够完成基于测量的切换流程；若不能完成，则利用位置服务器推送的切换时间与波束列表进行切换；若能够完成，则进行信道测量；
接入网控制器收到信道测量报告的时间与最近切换时刻的时间差是否小于阈值t；如果小于，则利用位置服务器推送的切换时间与波束列表进行切换；如果大于，则综合信道质量与位置服务器推送的波束列表决定切换时刻和目标波束。
2.根据权利要求1所述的结合位置信息和信道测量信息实现的切换方法，其特征在于，还包括具体切换的步骤：
接入网控制器将切换时刻和目标波束发送给服务卫星，服务卫星接收到该重配置命令并将其转发给终端，服务卫星发送重配置命令后立即停止发送下行数据；
终端接收到重配置消息，与目标波束的下行同步；根据目标波束ID和随机接入参数，向目标波束发起随机接入；
接入网在终端接收到随机接入消息后，通过目标波束向终端发送允许接入信道指示竞争解决，随后使用目标波束资源启动数据收发；
接入网释放服务卫星中的波束资源，切换成功。
3.根据权利要求1所述的结合位置信息和信道测量信息实现的切换方法，其特征在于，位置服务器根据终端位置信息以及卫星星历信息预估一段时间T内终端的切换时刻，对切换时刻所对应的单元格中维护的波束进行排序，形成波束列表的步骤为：
确定切换时刻：每个单元格具有当前服务波束对应的功率值，终端进入该波束时间大于t1且所经历的单元格的功率值低于阈值P时，该单元格设为n，则终端进入该单元格的时刻作为切换时刻；
单元格n上除当前服务波束，将其他波束按能够为该终端提供最长服务时间排序，形成波束列表。
4.根据权利要求3所述的结合位置信息和信道测量信息实现的切换方法，其特征在于，所述功率阈值P的确定方法为：
设Pmin为能够为终端提供服务的最小功率值，其对应的单元格序号为nmin；设终端从单元格nHO到单元格nmin的时间能且刚能完成切换信令的交互，单元格nHO对应的功率值为PHO，则P＞PHO。
5.根据权利要求1所述的结合位置信息和信道测量信息实现的切换方法，其特征在于，
接入网控制器判断当前时刻与最近切换时刻的时间差是否能够完成基于测量的切换流程，若能够完成，则进行信道测量，具体为：
设当前时刻为T0，若当前时刻与最近切换时刻的时间差T1-T0时间内无法完成测量上报和切换信令的交互，则不进行信道测量，仅依靠位置信息执行切换；若T1-T0时间内能够完成信令交互，则进行信道测量。
6.根据权利要求1所述的结合位置信息和信道测量信息实现的切换方法，其特征在于，若接入网控制器收到信道测量报告的时间与最近切换时刻的时间差大于阈值t，综合信道质量与位置服务器推送的波束列表决定切换时刻和目标波束，具体为：
接入网控制器将终端上报的波束序号j与位置服务器推送的波束序号k综合取值，最终的序号值mαk+βj，将m按大小顺序排列形成波束列表，其中α+β＝1，β取值与信道质量有关。
7.一种结合位置信息和信道测量信息实现的切换系统，其特征在于，包括位置服务器和接入网控制器，所述位置服务器和接入网控制器执行权利要求1-6之一所述的切换方法。
8.一种通信系统，其特征在于，包括位置服务器、接入网控制器、终端和至少一颗卫星，所述位置服务器和接入网控制器执行权利要求1-6之一所述的切换方法，实现终端在不同波束上的切换。
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