CN114244419B - 一种用于低轨卫星的通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于低轨卫星的通信方法，将所述低轨卫星对地面的服务区域分成多个服务区域，所述方法包括：卫星在所有满足最小可视仰角条件且仰角有逐渐增大趋势的服务区域，选择其中仰角最小的服务区域作为凝视服务区域；根据运动的卫星信息，在凝视时间段中动态调整波束使其一直指向所选中的凝视服务区域直至服务区域切换。本发明的服务区域凝视多星协同覆盖方法，解决单星信令/业务波束数量不足以支撑可视服务区无缝覆盖的问题，实现低轨卫星系统对广域服务区域稳定覆盖，降低低轨用户终端的切换频次，提升用户业务服务质量。

Description

一种用于低轨卫星的通信方法
技术领域
本发明涉及低轨卫星通信领域，尤其涉及一种多星协同方法。
背景技术
卫星网络具有广域覆盖的特点，可以弥补地面5G移动通信系统对偏远地区、空域、海域、沙漠、灾区等区域难以覆盖的缺陷。因此，下一代6G无线通信系统拟通过引入卫星网络进行全球覆盖，目前，高轨道卫星频轨资源已经趋于饱和，而低轨道卫星的资源相对丰富，因此，国内外通信领域的研究人员提出引入低轨道卫星网络进行全球覆盖。但是，距离地面200-2000公里的低轨道卫星围绕地球快速运动，导致由低轨星座上的卫星节点构成的星上网络拓扑快速变化且对地面覆盖极不稳定。如图1(a)所示，由于卫星覆盖波束随着卫星快速运动，导致用户终端在不同卫星波束间频繁切换，业务传输体验差。为了减少用户的切换次数，提供相对稳定的服务，3GPP协议制定组织在3GPP 38821文档中提出卫星采用可变指向波束的概念，但是没有提出具体的实施方式。
如果使可变指向波束跟随用户，可以达到稳定覆盖和减少用户切换次数的效果，但是，要达到全球覆盖的效果，如图2所示，覆盖半张角可达40到50度左右，每颗卫星需要负责半径几百甚至上千公里的区域覆盖。宽带通信卫星天线包含多个波束，以当前低轨卫星通信载荷的承载能力，单颗卫星最多支持8到16个波束，为了提升每个波束的天线增益(覆盖半径越小，波束增益越高)，业务传输波束设计的半张角通常2到12度左右，业务传输波束的覆盖半径大概几十公里到一百多公里左右。如图2所示，现有的低轨卫星星座组网模式下，单颗星要对服务区域的所有波位进行覆盖，需要配置几百个业务波束才有可能无缝覆盖，对于当前技术水平下的小卫星承载能力来说显然不可能，因此，需要研究新的技术方案，保障卫星覆盖下的所有用户都可以被覆盖到。
发明内容
本发明针对上述问题，根据本发明的第一方面，提出一种用于低轨卫星的通信方法，将所述低轨卫星对地面的服务区域分成多个服务区域，所述方法包括：
卫星在所有满足最小可视仰角条件且仰角有逐渐增大趋势的服务区域，选择其中仰角最小的服务区域作为凝视服务区域；
根据运动的卫星信息，在凝视时间段中动态调整波束使其一直指向所选中的凝视服务区域直至服务区域切换。
在本发明的一个实施例中，其中，所述每个服务区域为蜂窝六边形方式，具有唯一编号，其半径为：
r＝SOHi×tan(θS)/L
其中，SOHi表示第i颗卫星的轨道高度，θS表示卫星可视区域的半张角，L表示每间隔1度经度的距离，单位是km。
在本发明的一个实施例中，其中，当γi,n,t-elvathreshold≤elvamin时进行凝视服务区域的切换，其中，elvathreshold表示SA切换预留的门限值，γi,n,t为时刻t的抑角，elvamin为星地链路最小可视仰角。
在本发明的一个实施例中，还包括：将卫星波束分为信令波束和业务波束，其中信令波束半张角大，天线增益低，对广域分散分布的用户进行覆盖，业务波束半张角小，天线增益高，对小范围分布的用户进行覆盖，
信令波束用于传输控制平面的数据，所有凝视当前服务区域的卫星的信令波束对整个服务区域进行完全重叠覆盖，或对整个服务区域进行波束轮询覆盖；
业务波束用于传输用户平面的数据，基于生成的波位，如果业务波束数量小于波位数量，则进行波束轮询覆盖，如果业务波束数量大于或等于波位数量，则在完成所有业务波束的公平分配后，剩余业务波束对繁忙波位进行重叠覆盖。
在本发明的一个实施例中，其中，所述业务波束的波位根据由用户终端上传的用户终端位置信息、以及业务波束半张角、轨道位置、每个波束的最小用户数，执行聚类算法生成。
在本发明的一个实施例中，还包括，对服务区域中业务波束波位的频率进行复用，将每个波位抽象成图G中的顶点集合V，逐渐将图中距离比较近的顶点用边连接起来，保留可以存在染色方案的边，直到为每个顶点都增加了m-1条边，m为可分配频率的数量，将此时的染色方案中的颜色转换为频率，获得业务波束波位的频率分配方案。
在本发明的一个实施例中，其中，所述信令波束的波束轮询覆盖包括：
确定信令波束的半张角大小，根据卫星的轨道高度和波束半张角大小确定服务区波位六边形的大小，按层设计波位个数；
将波位均匀分配给每颗星中的每个波束；
波束按波位轮询，每个波束在每个波位上都驻留一段时间，完成驻留服务时间后，波束跳变到下一个波位；
对服务区域中信令波束波位的频率进行复用，频率复用因子fr为：
fr＝a2+ab+b2
其中，a，b为非负整数且不能同时等于0，通过以下步骤确定服务区域中相邻同频波位的位置：
第一步，沿着网络中任意波束六边形边的垂直线方向偏移a个小区；
第二步，在当前小区逆时针旋转60°再移动b个小区，所到达小区确定为相邻同频波位。
在本发明的一个实施例中，还包括：
步骤1：用户终端开机后，进行卫星搜索，建立可见卫星列表；
步骤2：用户终端在可见星列表中，选择信号最强的卫星进行天线校准跟星，并进行信令波束下行同步；
步骤3：用户终端在下行广播公共控制信道接受广播信息，并解析系统信息；
步骤4：用户终端进行上行同步和入围附着；
步骤5：当用户终端有业务传输需求时，向网络侧发起业务申请，申请信令中包括业务类型和传输速率需求；
步骤6：网络侧收到用户的业务传输需求后，进行资源配置，包括业务波束配置、业务波束对用户终端的服务时间段配置、上行和下行业务波束的功率、频率、带宽、载波等配置，并将资源重配置信令发送给用户终端。
步骤7：用户终端收到资源重配置信息后，对天线物理层的天线频率、功率、带宽、时隙进行配置，并在分配的上行资源中，发送资源重配置成功信息。
步骤8：网络侧收到用户终端的配置成功消息后，正常提供业务波束覆盖服务，用户终端在资源配置信息中指定的时间点检测业务波束的传输信道，完成信道的同步后可在配置的上行和下行业务波束对应的资源上传输数据。
步骤9：网络侧需根据用户终端的位置信息和卫星轨道信息提前进行预计算，对需要进行资源重配置的用户终端，提前发送资源重配置信息，并暂停下行业务传输，用户终端在收到切换资源重配置消息后，暂停上行业务传输，并执行步骤7，网络侧收到成功配置信息后，清理切换前的资源，并在新的资源上继续业务传输。
根据本发明的第二方面，提供一种计算机可读存储介质，其中存储有一个或者多个计算机程序，所述计算机程序在被执行时用于实现本发明的用于低轨卫星的通信方法。
根据本发明的第二方面，提供一种计算系统，包括：存储装置、以及一个或者多个处理器；其中，所述存储装置用于存储一个或者多个计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时用于实现本发明的用于低轨卫星的通信方法。
本发明的服务区域凝视多星协同覆盖方法，解决单星信令/业务波束数量不足以支撑可视服务区无缝覆盖的问题，实现低轨卫星系统对广域服务区域稳定覆盖，降低低轨用户终端的切换频次，提升用户业务服务质量。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1(a)示出了卫星波束固定式覆盖示意图；
图1(b)示出了本发明的低轨卫星服务区域凝视方法示意图；
图2示出了卫星波束与波位的示意图；
图3示出了本发明的全球服务区域分布图；
图4示出了本发明的服务区域中心可视抑角的示意图；
图5(a)示出了本发明的信令波束完全重叠覆盖示意图；
图5(b)示出了本发明的信令波束轮询覆盖示意图；
图6示出了本发明的服务区域中任意波位的相邻同频波位确定方法示意图；
图7示出了本发明根据用户分布数据进行聚类处理生成波位的示意图；
图8示出了本发明的用户终端与网络侧低轨卫星系统之间的交互流程图；
图9示出了一个服务区域可视卫星数量变化的示意图。
具体实施方式
针对背景技术中提出的问题，发明人进行了研究,提出了一种基于低轨卫星服务区域凝视的多星协同覆盖方法，如图1(b)所示，在用户可视仰角范围内，卫星虽然在动，但是波束也在实时调整指向，一直服务指定用户，达到地面服务区域相对稳定的效果，提升用户传输体验。进一步地，由于控制平面数据传输量小，用户平面数据传输量大，本发明在服务区域内，对控制平面和用户平面采用不同的波束覆盖方法。
1.区域凝视
本发明以蜂窝六边形的方式对地面服务区域(service area,SA)进行划分并编号，如图3所示。假设不考虑地球区域形变，则蜂窝服务区域半径可表示为：
r＝SOHi×tan(θS)/L
其中，如图2所示，SOHi表示第i颗卫星的轨道高度，θS表示卫星可视区域的半张角，L表示每间隔1度经度的距离，单位是km，r表示六边形半径长度对应的经度/纬度的度数的数值。图3中服务区域的个数可表示为：
Figure BDA0003356835640000051
服务区域的编号n∈{1,2..NSA},编号方法例如图3所示，可以将东经0°，南纬90°作为第1个SA中心
Figure BDA0003356835640000052
按列从下至上(从南纬到北纬)方向对SA进行编号，同一列相邻的两个SA间的纬度差为：
Figure BDA0003356835640000053
每一列的SA数量为
Figure BDA0003356835640000061
相邻列的服务区域中心间的经度差为
Figure BDA0003356835640000062
则第n个服务区域的中心点坐标可用以下公式计算：
Figure BDA0003356835640000063
如图4所示，采用笛卡尔坐标系，原点R为地球球心，O为第n个服务区域中心，S为卫星i所在位置，定义第n个服务区域中心点的仰角为γi,n，该仰角为OS与通过O点的地球切面的夹角，计算方法如下：第n个SA的地心上垂直线OC与卫星i到区域中心的距离线OS的夹角为βi,n，下垂线OR与OS的夹角为αi,n。则卫星(坐标为(xi,yi,zi))到区域中心(坐标为
Figure BDA0003356835640000064
)的距离d1可表示为
Figure BDA0003356835640000065
卫星到地球球心的距离为d2，可表示为
Figure BDA0003356835640000066
则
Figure BDA0003356835640000067
公式中R表示地球半径，βi,n＝180°-αi,n，γi,n＝αi,n-90°。
定义星地链路最小可视仰角为elvamin，优选的，卫星服务区域的选择方法如下：卫星选择凝视SA时，选出所有满足最小可视仰角条件且该仰角有逐渐增大趋势的SA，选择其中仰角最小的SA作为凝视SA，即在时刻t,满足条件
Figure BDA0003356835640000068
的SA，γi,n,t为时刻t的抑角。当γi,n,t-elvathreshold≤elvamin时进行凝视服务区域的切换，其中，elvathreshold表示SA切换预留的门限值，可根据系统的能力进行设置。当卫星选中凝视SA后，卫星协议处理单元在系统广播中更新SA指示信息，告知用户终端当前卫星凝视的SA，并根据运动的卫星信息，动态调整波束使其一直指向所选中的凝视服务区域，直至服务区域切换。
2.控制平面与用户平面不同的波束覆盖方法
在卫星通信系统中，用户终端在网络中传输的数据分为两个部分，分别为控制平面的信令数据和用户平面的业务数据。系统广播、导频信号、控制信令、用户终端信道状态信息等都是通过信令传输，属于控制平面的数据，这些数据对传输速率的要求通常比较低，而用户平面的业务传输的数据量则很大，例如用户上网所需传输的数据量，对传输速率的要求比较高。因此本发明对两种数据采用不同的波束进行覆盖，用于传输控制平面数据的波束称为信令波束，用于传输用户平面数据的波束称为业务波束。根据传输数据的特点，信令波束设计为半张角大、覆盖范围广，可对广域分散分布的用户进行覆盖，其天线增益较低、传输速率低，通常只有几百kbps的传输速率，但是可以保障所覆盖区域的用户信令数据传输需求。而业务波束则相反，为增益高，覆盖范围小，传输速率高的点波束，以更好地对用户进行覆盖。
低轨卫星网络通常由不同轨道面上的大量卫星节点构成卫星星座，比如我国的卫星互联网鸿雁星座由300颗卫星组成、国外的Starlink星座由4000多颗卫星构成，OneWeb星座由720颗星构成。对于服务区域，在不同时间点最小仰角可视范围内可能存在多颗卫星对区域进行凝视，因此，根据本发明的一个实施例，对于广域服务区域，可采用多颗卫星协同覆盖弥补单颗卫星信令/业务波束数据传输及覆盖能力不足的缺陷。
2.1信令波束协同覆盖方法
信令波束的覆盖原则是对凝视服务区域的所有区域无缝覆盖，让用户终端在拓扑快变的低轨卫星环境中，能随时发送和接受各种信令消息。由于凝视服务区域的卫星可能不止一颗，因此，需要对信令波束的协同覆盖方法进行设计。
不同卫星系统使用的频段和资源各不相同，分别有L，S，C，X，Ka，Ku，V等波段，如表1所示，频段越低，资源越稀缺。因此针对不同使用环境，要采用不同的协同覆盖方法。
表1卫星通信系统频段划分
Figure BDA0003356835640000071
Figure BDA0003356835640000081
a)多星服务区域重叠覆盖方法
针对频谱资源富余的高频段低轨道星座，可以采用完全重叠覆盖的方式进行服务区域凝视覆盖，如图5(a)所示，所有凝视当前服务区域的卫星对整个区域进行覆盖，为了避免波束间信号干扰，在频率规划时，各波束使用互不重叠的频段，即服务区域中的x颗星中任意卫星i使用的频点fi和带宽BWi，以及卫星j使用的频点fj和带宽BWj,满足如下条件：
Figure BDA0003356835640000082
这种覆盖方法的优点是计算简单，只需要卫星选择凝视区，不需要集中控制单元计算多星覆盖的任务分工即可满足全服务区域的全时无缝覆盖。其不足是频谱利用效率低，资源浪费严重。
b)波位轮询扫描协同覆盖方法
针对频谱资源稀缺的系统，为了提升频谱利用效率，可以根据相控阵天线设计的能力(即旁瓣干扰抑制能力)采取低频率复用因子甚至同频复用的方式。本发明根据单星设计的信令波束数量及服务区域凝视卫星的数量进行波束轮询均匀覆盖，如图5(b)所示，具体设计如下：
步骤1：首先是确定信令波束的半张角大小，然后根据卫星的轨道高度和波束半张角大小确定服务区域波位六边形的大小，假设不考虑地球曲率，波位个数的设计原则是按层设计，如图5(b)所示，首先确立一个波位作为第一层，下一层围绕前一层进行波位部署，指定的层数包含的波位足够覆盖服务区域即可，由六边形几何尺寸规律可推导，层数n与总的波位数Sn的关系如下：
Sn＝3n(n-1)+1
步骤2：接下来进行多星波束负责轮询的波位分配，根据本发明的一个实施例，采取均衡波位分配原则，将波位均匀分配给每颗星中的每个波束。
步骤3：波束按波位轮询，每个波束在每个波位上都会驻留一段时间，定义为tduration,完成驻留服务时间后，波束跳变到下一个波位。
在跳变的过程中，波束按照新波位的频率配置天线，频率的确定方法如下：系统总带宽表示为BWtot，频率复用因子表示为fr，频率复用因子表示在进行频率复用后，整个服务区域需要的频率数量。为1时，整个服务区域的各个波位采用同一频率，为3时，整个服务区域的各个波位在3个频率中选择一个频率。基于频率复用技术，每波束的可用带宽可表示为BWi＝BWtot/fr，并且在频段上互相隔离。每波束的频率可以表示为
Figure BDA0003356835640000091
其中fi表示第i段频率，B表示网络中的波束集合。优选的，频率复用因子按照如下规则进行计算：
fr＝a2+ab+b2
其中，a、b为非负整数且不能同时等于0，如下表2所示，通过a、b二维度的取值，计算出频率复用因子fr的值。信令波束的频率复用因子的值可以根据需要从表2中选取。
表2频率复用因子取值表
(a,b) 0 1 2 3 4
1 1 3 7 13 21
2 4 7 12 19 28
3 9 13 19 27 37
4 16 21 28 37 48
例如采用(a,b)＝(2,1)组网模式，对应频率复用因子为fr＝7，如图6所示，通过二步即可确定服务区域中任意波位的相邻同频波位的位置。第一步，沿着网络中任意波位六边形边的垂直线方向偏移a个小区；第二步，在当前小区逆时针旋转60°再移动b个波位即为相邻同频波位。
2.2业务波束协同覆盖方法
业务波束与信令波束区别较大，为了支持高速率数据传输，业务波束的半张角通常设计比较小，如表3所示，只能小范围覆盖，要完成服务区域的无缝覆盖，需要几百甚至上千个点波束，以目前小卫星的功率水平，很难支持如此多数量的波束。因此只能利用多星凝视同一服务区域的方法增加服务区域可用业务波束数量，并按时间在波位间进行跳波束服务，对波束资源进行复用，以弥补服务区域可用业务波束不足的缺陷。
表3信令波束与业务波束的半张角及覆盖范围参数
Figure BDA0003356835640000101
每个信令波束最多负责几个波束的轮询，就可以做到全区覆盖，对业务传输速率影响不大，与信令波束轮询跳变不同，业务波束覆盖范围小，如需全服务区域覆盖，每个业务波束需负责几十个波位跳变，会极大地降低用户终端业务传输速率，因此，本发明提出一种按用户分布进行波位生成，然后多星协同跳波束覆盖方法，通过减少跳变波束波位实现提升业务波束速率。根据本发明的一个实施例，所述方法如下：
步骤1：用户终端通过信令波束接入网络，上传用户终端位置信息，运行控制中心统计每个SA区域用户的位置分布中心。
步骤2：对用户分布数据进行聚类处理，按分布密度生成波位，如图7(a)所示，系统如果采用相控阵天线，则可以支持不同尺寸的点波束，由系统设计人员根据需求配置，令波束半张角为α，α∈[αmin,αmax]，根据本发明的一个实施例，可取αmin＝2°,αmax＝12°，波位的半径为r，可由波束半张角和轨道位置的配置计算得出，令每个聚类波束需容纳的最小用户数为minUes，执行DBScan算法(一种聚类算法)，直到所有用户均有波位覆盖。
步骤3：根据当前时间点，服务区域的凝视卫星数量和波位数量，分配波束进行覆盖。如果业务波束数量小于业务波位数量，则进行轮询跳波束分配。如果业务波束数量大于或等于业务波位数量，则在完成所有业务波束的公平分配后(即一个波位对应一个波束)，剩余业务波束对繁忙业务波位进行重叠覆盖。
本发明在为业务波束确定了波位后，将进一步为各波位分配频率。每个波位都有其中心点位置，利用此位置将每个波位抽象成图G中的顶点集合V，将可用的频率范围分为m等份，距离较近的波位为了减少组网干扰需使用不同的频率，将每一段频率范围看作一种颜色，波位的频率分配问题就转换成了如何对图G中的顶点进行m着色的问题。有研究发现业务波束波位的频率复用因子应在2、4、7中选取,因此m的取值应为2、4、或7。
图G在初始时没有边，只有顶点，在寻找频率分配方案的过程中，逐渐将图中距离比较近的顶点用边连接起来，有边相连的两个顶点在染色时需要用不同的颜色，即为它们分配不同的频率，每个顶点代表的是服务区域的中心，两个顶点的距离就是它们所代表的服务区域中心的距离。两个顶点之间如果没有边相连接，这两个顶点可以使用相同或不同的颜色。两个顶点之间如果有边相连，则这两个顶点相邻，两个顶点之间只能有一条边。
本发明对图G中的顶点逐一进行增边和染色尝试的处理，可以以任意的顺序对这些顶点进行处理，对每一个顶点vi的处理方法如下：对图G中的除vi和已与vi有边相连的顶点之外的顶点，按与vi的距离由小到大排序，按此顺序依次建立与Vi的边，每增加一条边，要判断这条边是否可以保留，保留的条件是在增加了这条边的图中，存在一种染色方案使对该图可以进行m染色，直到为vi增加了m-1条边。如果为vi增加的边少于m-1条，则频率分配失败。
以图7(c)的4染色为例，可以以顶点的序号的顺序对v1,v2,..v7进行处理，以v1为例，与其距离由近至远的顶点为v2、v4、v3…,先在v1和v2间建立边，对此图判断是否存在一个染色方案，再在v1和v4间建立边，对此图判断是否存在一个染色方案，如此依次处理。
在v1和v2间建立边时，图中只有一条边，v1和v2的颜色不同即可，其它顶点可以任意染色，存在一种染色方案，v1与v2之间的边可以保留。再在v1和v4间建立边，图中有2条边，v1和v2的颜色不能相同，且v1和v4的颜色不能相同，此时也是存在很多染色方案的，因此v1和v4之间的边也可以保留。
可以为v1建立3条边:v1v2、v1v4、v1v3。接下来为v2建立2条边:v2v3、v2v4，对于v2，已经存在一条v1v2，v2已有3条边，因此再建立2条边即可。图7(c)中v2与v5的边是在处理v5时建立的，为了使在处理v5时，保证v5有3条边。
当为最后一个顶点增加了m-1条边时，该图的染色方案也就是所求解的频率分配方案，如果有多种染色方案，则有多种频率分配方案。
确定是否存在染色方案的方法如下：在当前的图中，从任意一个顶点开始以任意的顺序对这些顶点逐一进行染色，对一个顶点，它的颜色不能与和其相邻的顶点已染颜色相同。如果相同则换一种颜色，如果m种颜色中任一种都不能使它与和其相邻的顶点已染颜色不同，则退回到上一个被染色的顶点，改变它所染颜色，再继续本染色过程，如果上一个被染色的顶点改变颜色还是不能成功染色，则退回上上顶点改变其染颜色，直至退回到开始的顶点。如果可以为所有的顶点染上颜色，则该图存在一种染色方案。找到一种染色方案后，也可以退回上一个被染色的顶点，改变它所染颜色，再继续本染色过程，直到在当前顶点染色顺序下，尝试了所有的染色方法，并找出其中所有可行的染色方案。
以图7(b)为例，其示出了一种2染色方案，假设其染色顺序为顶点序号顺序，为了找出所有染色方案，改变v7的颜色，则与v6相同，v6v7相邻，退回上一染色顶点v6,改变颜色，则找到了一种新的染色方案。可以继续退回到v5改变其颜色，继续寻找染色方案，直至退回到v1改变其颜色寻找染色方案。
根据找到的染色方案，构建波位拓扑结构图，并使每一个频率范围对应每一种颜色，即得到波位频率分配图。分别令m＝2，4，7，对图7(a)的波位分别进行2，4，7色复用波位频率分配，顶点集合V＝{v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7}，其中2色复用中频率被分为f1,f2，4色复用中频率被分为f1,f2,f3,f4，7色复用中频率被分为f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7，分配结果如图7(b)(c)(d)。
以下为本发明的m着色问题的算法示意：
符号说明：
Figure BDA0003356835640000131
Figure BDA0003356835640000132
Figure BDA0003356835640000141
回溯法：
在主程序中，使用DFS(0)对图G进行求解。
Figure BDA0003356835640000151
Figure BDA0003356835640000161
3.多星协同覆盖方案下用户终端与低轨卫星通信系统信息交互方法
本发明不仅设计了多星协同覆盖下的控制平面和用户平面的凝视方法，还设计了用户终端与网络侧低轨卫星系统之间的控制面信令和用户面业务数据的交互方法。根据本发明的一个实施例，所述交互方法的具体流程如图8所示，包括如下：
步骤1：进行卫星搜索，用户终端开机后，根据本地存储的星历信息表查找当前时间点用户终端最小可视仰角范围内的卫星数量及方位，获取方位后，用户终端调整天线指向可视范围内的卫星方位，并测量卫星发送的信标信号的强度，测量过程中不断调整信号直到信号强度达到最大，步骤1重复完成星历信息中所有可见卫星的信号测量，并建立可见卫星列表。图9示出了一个服务区域可视卫星数量变化的示意图。
步骤2：进行信令波束同步，在可见星列表中，选择信号最强的卫星进行天线校准跟星，并尝试进行信令波束下行同步，即搜索信令波束的导频信号或设计的专用已知信号，进行信号同步和物理层帧同步，如果同步失败，说明当前卫星在空间上可见，但是并没有服务(凝视)用户终端所在区域，则将该星从可见列表中删除，并重复步骤2直到完成信令波束下行同步。
步骤3：接受系统广播消息，完成信令波束下行同步后，用户终端在下行广播公共控制信道接受广播信息(通信协议体制通常在物理层帧的固定位置设计广播公共控制信道，并周期性发送消息)，并解析系统信息，如小区ID，频率分配，上行帧结构、信道等关键信息。
步骤4：完成上行同步和入围附着，根据接收到系统信息，进行上行同步，并在随机接入信道发起建立链路申请，建立起控制面连接后，发起入网、安全鉴定和当前服务区域驻留等过程。
步骤5：发起业务申请，当用户终端有业务传输需求时(如语言、视频、文件、短信等)，用户终端在上行随机接入信道发起控制面建链申请，建立好链路后，在新的链路上发送业务申请，申请信令中携带业务类型，传输速率需求等基本信息。
步骤6：网络进行资源分配，网络侧收到用户的业务传输需求后，进行资源配置，包括业务波束配置，业务波束对用户终端的服务时间段配置，上行和下行业务波束的功率，频率、带宽、载波等配置，配置好资源后，通过建立好的控制链路信道将资源重配置信令发送用户终端。
步骤7：用户终端上行和下行配置，用户终端收到资源重配置信息后，对天线物理层的天线频率、功率、带宽、时隙等关键信息进行配置，并在分配的上行资源中，发送资源重配置成功信息。
步骤8：业务数据传输，网络侧收到用户终端的配置成功消息后代表业务传输前的所有工作已完成，正常提供业务波束覆盖服务，用户终端可以在资源配置信息中指定的时间点检测业务波束的传输信道，完成信道的同步后可在配置的上行和下行业务波束对应的资源上传输数据。
步骤9：卫星切换和资源重配置，由于低轨卫星高速运动，卫星服务区域凝视方法只能相对维持几分钟的稳定覆盖，减少用户终端的切换频率。但是，在卫星移出服务区域可视范围或有新的卫星对区域凝视后，仍需进行资源重新配置。为了降低业务切换过程中的中断，网络侧需根据用户终端的位置信息和卫星轨道信息提前进行预计算，对需要进行资源重配置的用户终端，提前发送资源重配置信息，并暂停下行业务传输，用户终端在收到切换资源重配置消息后，暂停上行业务传输，并执行步骤7，网络侧收到成功配置信息后，清理切换前的资源，并在新的资源上继续业务传输。
需要说明的是，虽然上文按照特定顺序描述了各个步骤，但是并不意味着必须按照上述特定顺序来执行各个步骤，实际上，这些步骤中的一些可以并发执行，甚至改变顺序，只要能够实现所需要的功能即可。
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以包括但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。
为使本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本公开内容，上面围绕本公开内容进行了描述。对于本领域普通技术人员来说，对本公开内容进行各种修改是显而易见的，并且，本文定义的通用原理也可以在不脱离本公开内容的精神或保护范围的基础上适用于其它变型。此外，除非另外说明，否则任何方面和/或实施例的所有部分或一部分可以与任何其它方面和/或实施例的所有部分或一部分一起使用。因此，本公开内容并不限于本文所描述的例子和设计方案，而是与本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

Claims (9)

1.一种用于低轨卫星的通信方法，将所述低轨卫星对地面的服务区域分成多个服务区域，所述方法包括：
卫星在所有满足最小可视仰角条件且仰角有逐渐增大趋势的服务区域，选择其中仰角最小的服务区域作为凝视服务区域；
根据运动的卫星信息，在凝视时间段中动态调整波束使其一直指向所选中的凝视服务区域直至服务区域切换；
将卫星波束分为信令波束和业务波束，其中，所述业务波束的波位根据由用户终端上传的用户终端位置信息、以及业务波束半张角、轨道位置、每个波束的最小用户数，执行聚类算法生成。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述每个服务区域为蜂窝六边形方式，具有唯一编号，其半径为：
r＝SOHi×tan(θS)/L
其中，SOHi表示第i颗卫星的轨道高度，θS表示卫星可视区域的半张角，L表示每间隔1度经度的距离，单位是km。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，当γi,n,t-elvathreshold≤elvamin时进行凝视服务区域的切换，其中，elvathreshold表示SA切换预留的门限值，γi,n,t为时刻t的抑角，elvamin为星地链路最小可视仰角。
4.根据权利要求1所述的方法，其中信令波束半张角大，天线增益低，对广域分散分布的用户进行覆盖，业务波束半张角小，天线增益高，对小范围分布的用户进行覆盖，
信令波束用于传输控制平面的数据，所有凝视当前服务区域的卫星的信令波束对整个服务区域进行完全重叠覆盖，或对整个服务区域进行波束轮询覆盖；
业务波束用于传输用户平面的数据，基于生成的波位，如果业务波束数量小于波位数量，则进行波束轮询覆盖，如果业务波束数量大于或等于波位数量，则在完成所有业务波束的公平分配后，剩余业务波束对繁忙波位进行重叠覆盖。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括，对服务区域中业务波束波位的频率进行复用，将每个波位抽象成图G中的顶点集合V，逐渐将图中距离比较近的顶点用边连接起来，保留可以存在染色方案的边，直到为每个顶点都增加了m-1条边，m为可分配频率的数量，将此时的染色方案中的颜色转换为频率，获得业务波束波位的频率分配方案。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述信令波束的波束轮询覆盖包括：
确定信令波束的半张角大小，根据卫星的轨道高度和波束半张角大小确定服务区波位六边形的大小，按层设计波位个数；
将波位均匀分配给每颗星中的每个波束；
波束按波位轮询，每个波束在每个波位上都驻留一段时间，完成驻留服务时间后，波束跳变到下一个波位；
对服务区域中信令波束波位的频率进行复用，频率复用因子fr为：
fr＝a2+ab+b2
其中，a，b为非负整数且不能同时等于0，通过以下步骤确定服务区域中相邻同频波位的位置：
第一步，沿着网络中任意波束六边形边的垂直线方向偏移a个小区；
第二步，在当前小区逆时针旋转60°再移动b个小区，所到达小区确定为相邻同频波位。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
步骤1：用户终端开机后，进行卫星搜索，建立可见卫星列表；
步骤2：用户终端在可见星列表中，选择信号最强的卫星进行天线校准跟星，并进行信令波束下行同步；
步骤3：用户终端在下行广播公共控制信道接受广播信息，并解析系统信息；
步骤4：用户终端进行上行同步和入围附着；
步骤5：当用户终端有业务传输需求时，向网络侧发起业务申请，申请信令中包括业务类型和传输速率需求；
步骤6：网络侧收到用户的业务传输需求后，进行资源配置，包括业务波束配置、业务波束对用户终端的服务时间段配置、上行和下行业务波束的功率、频率、带宽、载波配置，并将资源重配置信令发送给用户终端；
步骤7：用户终端收到资源重配置信息后，对天线物理层的天线频率、功率、带宽、时隙进行配置，并在分配的上行资源中，发送资源重配置成功信息；
步骤8：网络侧收到用户终端的配置成功消息后，正常提供业务波束覆盖服务，用户终端在资源配置信息中指定的时间点检测业务波束的传输信道，完成信道的同步后可在配置的上行和下行业务波束对应的资源上传输数据；
步骤9：网络侧需根据用户终端的位置信息和卫星轨道信息提前进行预计算，对需要进行资源重配置的用户终端，提前发送资源重配置信息，并暂停下行业务传输，用户终端在收到切换资源重配置消息后，暂停上行业务传输，并执行步骤7，网络侧收到成功配置信息后，清理切换前的资源，并在新的资源上继续业务传输。
8.一种计算机可读存储介质，其中存储有一个或者多个计算机程序，所述计算机程序在被执行时用于实现如权利要求1-7任意一项所述的方法。
9.一种计算系统，包括：
存储装置、以及一个或者多个处理器；
其中，所述存储装置用于存储一个或者多个计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时用于实现如权利要求1-7任意一项所述的方法。
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