CN114071629B - 一种星上upf锚点移动的切换控制方法及装置 - Google Patents

一种星上upf锚点移动的切换控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星上UPF锚点移动的切换控制方法及装置，当用户通过卫星基站初始接入网络时，地面核心网的SMF依据设置规则为用户选择虚拟家乡锚点S‑UPF并分配虚拟家乡标识，该用户当前接入的S‑UPF为其分配网络接入标识，地面SMF通过建立用户标识映射表，维护虚拟家乡标识与网络接入标识间的映射关系；当通信建立时，用户使用虚拟家乡标识发起通信，由SMF完成标识映射和通信建立过程；在通信建立后，由于当前接入的S‑UPF移动而触发切换时，地面核心网的SMF更新用户标识映射表的条目，将当前接入的S‑UPF更新为切换后接入的S‑UPF，网络接入标识更新为切换后接入的S‑UPF分配的新标识，实现无缝切换，保证星地融合网络中星上UPF锚点移动切换时的业务连续性。

Description

一种星上UPF锚点移动的切换控制方法及装置
技术领域
本发明涉及星地融合通信技术领域，尤其涉及一种星上UPF锚点移动的切换控制方法及装置。
背景技术
新一代无线通信网络将融合陆地无线移动通信、高中低轨卫星通信等技术，实现全球立体覆盖空、天、地的高速宽带移动通信。由于低轨卫星相对于地表的移动速度快，通信过程中一颗卫星的可视时间短，为用户提供通信服务的时间可能更短，因此移动切换的频度较高，移动性管理机制的实现难度和性能要求更高。
典型的星地融合组网场景如图1所示，用户(UE)/星上用户(S-UE)可以通过地面基站(gNB)/卫星基站(S-gNB)接入网络，低轨通信卫星采用再生(regenerative)方式实现星地融合通信。其中，卫星网络具备卫星基站(S-gNB)和星上用户面(S-UPF)功能，接入功能由卫星搭载的卫星基站(S-gNB)提供，用户面功能由卫星搭载的星上用户面(S-UPF)提供，S-gNB和S-UPF与3GPP 5G标准中gNB和UPF的技术体制一致。地面网络为3GPP 5G移动通信网络，其中，地面核心网包含5GC的所有网元(如：SMF、UPF、NACF等)，可以与星上用户面(S-UPF)互联互通。
在星地融合网络中，用户通过卫星基站(S-gNB)接入网络并建立通信服务。此时，用户建立通信时的初始S-UPF称为星上UPF锚点。由于在用户通信过程中，作为其星上UPF锚点的卫星处于不断移动中，且会引起星上UPF锚点迁移切换，导致通信过程中星上UPF锚点丢失，用户通信服务失败。为保证星上UPF锚点的有效更新和用户通信的连续性，需要设计星上UPF锚点的切换方法和装置，满足卫星高速移动状态下星上UPF锚点的移动性管理需求。
现有的地面移动通信系统中，网络侧网元的位置通常不会改变，移动切换主要是由用户移动引起的，相应的切换控制方法也是以这类场景为主设计的。
如CN105532035A公开的路径切换方法、移动锚点及基站，提供的路径切换方法，包括：移动锚点接收目标基站发送的路径切换请求消息；若所述移动锚点进行本地路径切换，所述移动锚点保持所述移动锚点和服务网关SGW间的用户面路径不变；所述移动锚点将与源基站间的用户面路径切换到所述目标基站。但在星地融合通信场景中，部署在低轨卫星上的UPF锚点会随卫星的移动，用户面路径会改变，将会导致用户通信服务失败。
再如CN102711202A公开的基于高层锚点的无线链路软切换处理方法及系统，包括高层锚点接收移动终端与无线网络之间的绑定关系信息。高层锚点根据策略，在绑定关系信息中选择无线网络向终端发送数据。当终端或高层锚点监测到连接发生变化后，高层锚点会更新绑定信息。该专利中的映射关系是终端与接入网间的映射关系，该映射关系由高层锚点维护，但在星地融合通信场景中，部署在低轨卫星上的UPF锚点会随卫星的移动，仅维护终端与接入网间的映射关系也会导致用户通信服务失败。
在星地融合通信网络环境中，用户在静止不动或低速移动时可看作处于相对静止状态，低轨通信卫星处于高速移动状态，为用户服务的星上用户面(S-UPF)也会随低轨卫星一起移动，移动切换可能会由部署在星上的网元引起，需要设计对应的切换控制方法。尤其是，当星上用户面(S-UPF)作为用户通信时的UPF锚点时，该星上用户面(S-UPF)的移动将会导致用户通信服务失败。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种星上UPF锚点移动的切换控制方法及装置，保证星地融合网络中的星上UPF锚点移动切换时的业务连续性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明首先提供了一种星上UPF锚点移动的切换控制方法，包括四个步骤：初始接入、通信建立、切换执行和结束退出，其中，当用户通过卫星基站初始接入网络时，地面核心网的SMF依据设置规则为用户选择虚拟家乡锚点S-UPF、并分配虚拟家乡标识，该用户当前接入的S-UPF为其分配网络接入标识，地面SMF通过建立用户标识映射表，维护虚拟家乡标识与网络接入标识间的映射关系；当通信建立时，用户使用虚拟家乡标识发起通信，并由地面SMF完成标识映射和通信建立过程；在通信建立后，由于当前接入的S-UPF移动而触发切换时，地面核心网的SMF更新用户标识映射表的条目，其中，虚拟家乡锚点S-UPF保持不变，用户虚拟家乡标识保持不变，将当前接入的S-UPF更新为切换后接入的S-UPF，网络接入标识更新为切换后接入的S-UPF分配的新标识。
进一步地，虚拟家乡锚点S-UPF由地面核心网的SMF依据设置规则为该用户选择，并分配虚拟家乡标识，地面SMF通过建立用户标识映射表，维护虚拟家乡标识与网络接入标识间的映射关系，虚拟家乡锚点S-UPF依据网络部署需求设置一个或多个。
本发明中，当存在多个虚拟家乡锚点S-UPF时，每个虚拟家乡锚点S-UPF与卫星网络的S-UPF的管理和映射区域，可依据网络部署需求设置。原则上，在不同虚拟家乡锚点S-UPF的管理和映射区域间，不发生S-UPF间的迁移切换。当用户通过地面基站(gNB)接入网络时，地面网络的SMF不需要分配虚拟家乡锚点。当用户通过卫星基站(S-gNB)接入网络时，地面网络的SMF需要为其分配虚拟家乡锚点S-UPF。
进一步地，用户标识映射表包括但不限于：用户名称、虚拟家乡锚点S-UPF的名称、用户的虚拟家乡标识、用户当前接入的S-UPF的名称、用户的网络接入标识等信息。
进一步地，用户通过卫星基站(S-gNB)初始接入网络,包括以下步骤：
S101、用户选择可接入的S-gNB并发起接入请求，S-gNB向SMF发起接入请求，地面SMF为用户选择虚拟家乡锚点S-UPF，分配虚拟家乡标识，并将虚拟家乡锚点S-UPF的名称与虚拟家乡标识写入用户标识映射表中；
S102、地面SMF向S-UPF发起请求，该S-UPF为用户分配网络接入标识，并将该S-UPF名称、分配给用户的网络接入标识传给地面SMF；
S103、地面SMF将传入的S-UPF名称、分配给用户的网络接入标识写入用户标识映射表中，建立该用户的网络接入标识与虚拟家乡标识的映射关系；
S104、地面SMF向用户将要接入的S-gNB发送接入响应消息，回传虚拟家乡标识，该S-gNB向用户回传虚拟家乡标识。
进一步地，当用户通过卫星基站(S-gNB)初始接入网络后，该用户与其他已经接入网络的用户建立通信，包括以下步骤：
S201、用户使用虚拟家乡标识向S-gNB发起通信建立请求，S-gNB向地面SMF发起通信建立请求；
S202、地面SMF根据用户的虚拟家乡标识查找用户标识映射表，查找其当前接入的S-UPF，计算建立星上数据传输路径，并上注至卫星网络，完成数据面传输路径配置；
S203、地面SMF向S-gNB发送通信建立响应消息，S-gNB向用户发送通信建立响应消息，用户通信建立成功。
进一步地，当通信双方通过卫星网络建立通信后，由于用户当前接入的S-UPF的移动触发S-UPF的切换，包括以下步骤：
S301、当前接入的S-UPF通过测量信息，判断由于其移动将要引发切换，向将要切换到的S-UPF发送切换通知消息；
S302、将要切换到的S-UPF收到切换通知消息后，为该用户分配新的网络接入标识，并向地面SMF发送切换通知消息，发送新的网络接入标识和将要切换到的S-UPF的名称；
S303、地面SMF确认迁移切换后，更新用户标识映射表中该用户的条目，将对应的当前接入的S-UPF名称变更为将要切换到的S-UPF名称，网络接入标识更新为将要切换到的S-UPF预分配的网络接入标识，虚拟家乡锚点S-UPF的保持不变，虚拟家乡标识保持不变；地面SMF计算建立星上数据传输路径，并上注至卫星网络，完成数据面路径重定向配置；
S304、地面SMF向将要切换到的S-UPF回复切换完成消息，转发切换完成消息给当前接入的S-UPF。
本发明还提供了上述的星上UPF锚点移动的切换控制装置，包括：
至少一个无线网络接口单元，用于与对应的无线网路建立无线连接；
虚拟家乡锚点管理单元，用于为用户选择虚拟家乡锚点S-UPF，并分配虚拟家乡标识，该用户当前接入的S-UPF为其分配网络接入标识，地面SMF通过建立用户标识映射表，维护虚拟家乡标识与网络接入标识间的映射关系；当通信建立时，用户使用虚拟家乡标识发起通信，并由地面SMF完成标识映射和通信建立过程；当发生切换时，更新用户标识映射表的条目，其中，虚拟家乡锚点S-UPF保持不变，虚拟家乡标识保持不变，将当前接入的S-UPF更新为切换后接入的S-UPF，网络接入标识更新为切换后接入的S-UPF分配的新标识；
切换控制单元，与无线网络接口单元连接，用于触发星上UPF锚点之间的切换时，以实现上述的控制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明面向星地融合组网场景，提供的一种星上UPF锚点移动的切换控制方法和装置，通过引入虚拟家乡锚点和扩展相关信令流程，解决低轨卫星网络中锚点S-UPF移动的切换问题，可以保证在星地融合网络中星上UPF锚点移动切换时的业务连续性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的星地融合通信网络场景图。
图2为本发明实施例提供的星上UPF锚点移动的切换控制方法的主要步骤。
图3为本发明实施例提供的初始接入网络的信令流程。
图4为本发明实施例提供的用户通信建立的信令流程。
图5为本发明实施例提供的星上UPF锚点移动的切换执行的信令流程。
具体实施方式
为了更好地理解本技术方案，下面结合附图对本发明的方法做详细的说明。
本发明提供了一种星上UPF锚点移动的切换控制方法，面向的星地融合组网场景如图1所示，用户(UE/S-UE)可以通过地面基站(gNB)或卫星基站(S-gNB)接入网络，低轨通信卫星采用再生(regenerative)方式实现星地融合通信。其中，卫星网络具备卫星基站(S-gNB)和星上用户面(S-UPF)功能，接入功能由卫星搭载的卫星基站(S-gNB)提供，用户面功能由卫星搭载的星上用户面(S-UPF)提供，S-gNB和S-UPF与3GPP5G标准中gNB和UPF的技术体制一致。S-gNB与S-UPF可以合设于同一个卫星，也可以分开设置于不同的卫星。地面网络为3GPP 5G移动通信网络，其中，地面核心网包含5GC的所有网元(如：SMF、UPF、NACF等)，可以与星上用户面(S-UPF)互联互通。
本发明面向星地融合组网场景，提出的星上UPF锚点移动的切换控制方法，主要包括四个步骤：初始接入，通信建立，切换执行和结束退出，如图2所示。
用户发起初始接入，在完成初始接入后，可以发起通信。在用户通信过程中，可能触发星上UPF锚点移动的切换。当用户离开网络时，触发用户结束退出。
本发明提出引入的虚拟家乡锚点S-UPF，用于为用户分配虚拟家乡标识，该用户当前接入的S-UPF为其分配网络接入标识，地面SMF通过建立用户标识映射表，维护虚拟家乡标识与网络接入标识间的映射关系；当通信建立时，用户使用虚拟家乡标识发起通信，并由地面SMF完成标识映射和通信建立过程；当发生切换时，更新用户标识映射表的条目，其中，虚拟家乡锚点S-UPF保持不变，用户虚拟家乡标识保持不变，将用户当前接入的S-UPF更新为切换后接入的S-UPF，网络接入标识更新为切换后接入的S-UPF分配的新标识。
本发明中，虚拟家乡锚点S-UPF可依据网络部署需求设置一个或多个，当存在多个虚拟家乡锚点S-UPF时，每个虚拟家乡锚点S-UPF与卫星网络的S-UPF的管理和映射区域，可依据网络部署需求设置，地面核心网的SMF依据设置规则为用户分配虚拟家乡锚点S-UPF。原则上，在不同虚拟家乡锚点S-UPF的管理和映射区域间，不发生S-UPF间的迁移切换。
对应于图1场景，本发明提出的用户标识映射表的示例如表1所示。用户标识映射表由地面核心网的SMF建立，并维护虚拟家乡标识与网络接入标识间的映射关系。用户标识映射表的应映射条目包括但不限于：用户名称、虚拟家乡锚点S-UPF的名称、用户的虚拟家乡标识、用户当前接入的S-UPF的名称、用户的网络接入标识等信息。
表1地面SMF中用户标识映射表
Figure BDA0003354354770000071
在表1中，用户UE1和UE2通过地面基站(gNB)接入网络，地面网络的SMF不需要分配虚拟家乡锚点。用户S-UE1、S-UE2、S-UE3、S-UE4通过卫星基站(S-gNB)接入网络，地面网络的SMF需要为其分配虚拟家乡锚点S-UPF，其中，S-UE1、S-UE3和S-UE4分配了相同的虚拟家乡锚点vUPF1，S-UE2分配了虚拟家乡锚点vUPF2。
本发明提出的初始接入网络的信令流程如图3所示。
以下为用户(如图1中的S-UE1)通过卫星基站(如图1中的S-gNB1)初始接入网络的信令流程：
(1a)S-UE1向S-gNB1发起接入请求，S-gNB1向地面SMF发起接入请求；
(1b)地面SMF为用户选择虚拟家乡锚点S-UPF，为用户分配虚拟家乡标识，将虚拟家乡锚点S-UPF的名称(如表1中的vUPF1)与虚拟家乡标识(如表1中的vUPF1_Addr_1)写入用户标识映射表中；
(2a)地面SMF向S-UPF1发起请求，S-UPF1为S-UE1分配网络接入标识。
(2b)S-UPF1将S-UPF1名称(如表1中的S-UPF1)、分配给用户的网络接入标识(如表1中的S-UPF1_Addr1)传给地面SMF；
(3)地面SMF将传入的S-UPF1名称、分配给用户的网络接入标识写入用户标识映射表中，建立S-UE1的虚拟家乡标识与网络接入标识的映射关系。
(4)地面SMF向S-gNB1发送接入响应消息，回传虚拟家乡标识，S-gNB1向S-UE1回传虚拟家乡标识。
本发明提出的通信建立的信令流程如图4所示。当用户(如图1中的S-UE1)通过卫星基站(如图1中的S-gNB1)初始接入网络后，S-UE1可以与其他已经接入网络的用户(如图1中的S-UE2)建立通信，信令流程如下：
(1)S-UE1使用虚拟家乡标识S-gNB1发起通信建立请求，S-gNB1向地面SMF发起通信建立请求。
(2)地面SMF根据S-UE1的虚拟家乡标识查找用户标识映射表，查找到S-UE1当前接入的S-UPF(如表1中的S-UPF1)；计算建立星上数据传输路径，并上注至卫星网络，完成数据面传输路径配置。
(3)地面SMF向S-gNB1发送通信建立响应消息,S-gNB1向S-UE1发送通信建立响应消息，S-UE1通信建立成功。
本发明提出的星上UPF锚点移动的切换执行的信令流程如图5所示。当通信双方(如图1中的S-UE1和S-UE2)建立通信后，由于S-UE1当前接入的S-UPF(如图1中的S-UPF1)的移动，触发S-UPF的切换，信令流程如下。
(1)S-UPF1通过测量信息，判断由于其移动将要引发切换，并向将要切换到的S-UPF(如图1中的S-UPF3)发送切换通知消息。
(2)S-UPF3收到切换通知消息后，为S-UE1分配新的网络接入标识；S-UPF3向地面SMF发送切换通知消息，并发送新的网络接入标识和S-UPF3的名称。
(3)地面SMF确认迁移切换后，更新用户标识映射表中S-UE1的条目，当前接入的S-UPF名称S-UPF1变更为S-UPF3名称S-UPF3，网络接入标识更新为S-UPF3预分配的网络接入标识，虚拟家乡锚点S-UPF的名称保持为vUPF1，虚拟家乡标识保持为vUPF1_Addr1。地面SMF计算建立星上数据传输路径，并上注至卫星网络，完成数据面路径重定向配置；
(4)地面SMF向S-UPF3回复切换完成消息，转发切换完成消息给S-UPF1。
此外，本发明还提供了上述的星上UPF锚点移动的切换控制装置，包括：
至少一个无线网络接口单元，用于与对应的无线网路建立无线连接；
虚拟家乡锚点管理单元，用于为用户选择虚拟家乡锚点S-UPF，并分配虚拟家乡标识，该用户当前接入的S-UPF为其分配网络接入标识，地面SMF通过建立用户标识映射表，维护虚拟家乡标识与网络接入标识间的映射关系；当通信建立时，用户使用虚拟家乡标识发起通信，并由地面SMF完成标识映射和通信建立过程；当发生切换时，更新用户标识映射表的条目，其中，虚拟家乡锚点S-UPF保持不变，虚拟家乡标识保持不变，将当前接入的S-UPF更新为切换后接入的S-UPF，网络接入标识更新为切换后接入的S-UPF分配的新标识。
切换控制单元，与无线网络接口单元连接，用于触发星上UPF锚点之间的切换时，以实现上述的控制方法。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种星上UPF锚点移动的切换控制方法，其特征在于，包括四个步骤：初始接入、通信建立、切换执行和结束退出，其中，当用户通过卫星基站初始接入网络时，地面核心网的SMF依据设置规则为用户选择虚拟家乡锚点S-UPF，虚拟家乡锚点S-UPF为用户分配虚拟家乡标识，该用户当前接入的S-UPF为用户分配网络接入标识，地面核心网的SMF通过建立用户标识映射表，维护虚拟家乡标识与网络接入标识间的映射关系；用户标识映射表包括：用户名称、虚拟家乡锚点S-UPF的名称、用户的虚拟家乡标识、用户当前接入的S-UPF的名称、用户的网络接入标识；当通信建立时，用户使用虚拟家乡标识发起通信，并由地面核心网的SMF完成标识映射和通信建立过程；在通信建立后，由于当前接入的S-UPF移动而触发切换时，地面核心网的SMF更新用户标识映射表的条目，其中，虚拟家乡锚点S-UPF保持不变，虚拟家乡标识保持不变，将当前接入的S-UPF更新为切换后接入的S-UPF，网络接入标识更新为切换后接入的S-UPF分配的新标识；
用户通过S-gNB初始接入网络，包括以下步骤：
S101、用户选择可接入的S-gNB并发起接入请求，S-gNB向地面核心网的SMF发起接入请求，地面核心网的SMF为用户选择虚拟家乡锚点S-UPF，分配虚拟家乡标识，并将虚拟家乡锚点S-UPF的名称与虚拟家乡标识写入用户标识映射表中；
S102、地面核心网的SMF向S-UPF发起请求，该S-UPF为用户分配网络接入标识，并将该S-UPF名称、分配给用户的网络接入标识传给地面核心网的SMF；
S103、地面核心网的SMF将传入的S-UPF名称、分配给用户的网络接入标识写入用户标识映射表中，建立该用户的网络接入标识与虚拟家乡标识的映射关系；
S104、地面核心网的SMF向用户将要接入的S-gNB发送接入响应消息，回传虚拟家乡标识，该S-gNB向用户回传虚拟家乡标识；
当用户通过S-gNB初始接入网络后，该用户与其他已经接入网络的用户建立通信，包括以下步骤：
S201、用户使用虚拟家乡标识向S-gNB发起通信建立请求，S-gNB向地面核心网的SMF发起通信建立请求；
S202、地面核心网的SMF根据用户的虚拟家乡标识查找用户标识映射表，查找用户当前接入的S-UPF，计算建立星上数据传输的路径，并上注至卫星网络，完成数据面传输路径配置；
S203、地面核心网的SMF向S-gNB发送通信建立响应消息，S-gNB向用户发送通信建立响应消息，用户通信建立成功；
当通信双方通过卫星网络建立通信后，由于用户当前接入的S-UPF的移动触发S-UPF的切换，包括以下步骤：
S301、当前接入的S-UPF通过测量信息，判断由于当前接入的S-UPF移动将要引发切换，向将要切换到的S-UPF发送切换通知消息；
S302、将要切换到的S-UPF收到切换通知消息后，为该用户分配新的网络接入标识，并向地面核心网的SMF发送切换通知消息，发送新的网络接入标识和将要切换到的S-UPF的名称；
S303、地面核心网的SMF确认迁移切换后，更新用户标识映射表中该用户的条目，将当前接入的S-UPF名称变更为将要切换到的S-UPF名称，网络接入标识更新为将要切换到的S-UPF预分配的网络接入标识，虚拟家乡锚点S-UPF保持不变，虚拟家乡标识保持不变；地面核心网的SMF计算建立星上数据传输的路径，并上注至卫星网络，完成数据面路径重定向配置；
S304、地面核心网的SMF向将要切换到的S-UPF回复切换完成消息，转发切换完成消息给当前接入的S-UPF。
2.根据权利要求1所述的星上UPF锚点移动的切换控制方法，其特征在于，设置虚拟家乡锚点S-UPF，由地面核心网的SMF依据设置规则为用户选择虚拟家乡锚点S-UPF，并分配虚拟家乡标识，地面核心网的SMF通过建立用户标识映射表，维护虚拟家乡标识与网络接入标识间的映射关系，虚拟家乡锚点S-UPF依据网络部署需求设置一个或多个。
3.一种星上UPF锚点移动的切换控制装置，其特征在于，包括：
至少一个无线网络接口单元，用于与对应的无线网路建立无线连接；
虚拟家乡锚点管理单元，用于为用户选择虚拟家乡锚点S-UPF，虚拟家乡锚点S-UPF为用户分配虚拟家乡标识，该用户当前接入的S-UPF为用户分配网络接入标识，地面核心网的SMF通过建立用户标识映射表，维护虚拟家乡标识与网络接入标识间的映射关系；当通信建立时，用户使用虚拟家乡标识发起通信，并由地面核心网的SMF完成标识映射和通信建立过程；当发生切换时，更新用户标识映射表的条目，其中，虚拟家乡锚点S-UPF保持不变，虚拟家乡标识保持不变，将当前接入的S-UPF更新为切换后接入的S-UPF，网络接入标识更新为切换后接入的S-UPF分配的新标识；
切换控制单元，与无线网络接口单元连接，用于触发星上UPF锚点之间的切换时，以实现权利要求1或2所述的控制方法。
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