CN114614881A - 一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法，属于卫星通信系统中移动性管理领域。本发明通过判断是否存在过载卫星，决定是否触发切换；基于移动用户接收相邻卫星的信号强度、质量以及相邻卫星的覆盖时间和负载情况进行多属性的加权决策选择方法，选择合适的目标卫星；以源卫星与目标卫星的参考信号接收强度和参考信号接收质量，满足切换触发条件的时间是否大于时间迟滞门限来决定是否执行切换，优化卫星过载情况；通过星间切换信令流程执行切换。本发明适用于卫星通信领域，用于降低切换失败率以及掉话率，也能够在一定程度上降低乒乓切换发生的概率；为移动用户提供更优的通话质量。

Description

一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法

技术领域

本发明涉及一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法，属于卫星通信系统中移动性管理领域。

背景技术

由于卫星相对地面高速运动，用户会面临频繁的切换，因此切换技术是卫星通信系统的关键技术之一。为了让用户能够快速顺利的接入通话，并在切换时避免掉话，提升用户体验，采用合理的切换方法和切换流程来提升切换的质量，是研究的重点和热点。

传统的切换方法仅以参考信号强度、卫星仰角等单一变量作为判决依据，忽略了信道突变所引起的噪声干扰以及异构卫星过顶时间相差甚远的情况，存在部分卫星负载过高、信道资源紧缺或信道环境恶化而导致切换失败的风险，影响系统的整体性能。因此传统方法还存在着较大的改进提升空间。

发明内容

针对传统卫星切换方法未考虑异构卫星过顶时间相差甚远和信道突变所引起的噪声干扰无法适用于低轨卫星通信系统的技术缺陷，本发明主要目的是提供一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法，能够降低卫星通信过程中的切换失败率以及掉话率，提高通讯质量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明公开的一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法，基于移动用户接收相邻卫星的信号强度、质量、卫星负载以及相邻卫星覆盖时间的多属性联合决策的目标卫星选择及切换方案，首先进行切换准备，确定参数指标体系并完成信息收集测量工作，然后通过各项指标，结合本发明所提的判决方法判断是否触发切换，若触发切换，则根据目标卫星选择方法选择合适的目标卫星作为切换对象，执行切换过程，与目标卫星建立通信链路并完成用户数据迁移工作直至切换结束。

本发明公开的一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法，包括以下步骤：

步骤一：切换测量，确定参数指标体系，收集各卫星的负载、星历信息，同时地面移动用户开始测量各卫星的参考信号的接收强度和质量；

地面移动用户接收到相邻卫星的信号强度(RSRP)计算方法如式：

P_r＝P_t-L_r(d)-L_s(d)-L_f(d)-L_ra(d) (1)

其中，P_r为地面移动终端接收到的信号强度，用功率表示；P_t为相邻卫星的发射功率；L_r(d)为信号从卫星传播到地面移动终端的路径损耗；L_s(d)为阴影衰落；L_f(d)为快衰落；L_ra(d)为雨衰；d为低轨卫星到地面移动终端的直线距离。

接收参考信号质量(RSRQ)的计算方法如式：

其中N为RSSI的测量带宽中的资源块RB的数量；RSSI是接收信号的强度指示，包括有用信号和干扰信号。

步骤二：切换判决，当地面移动用户处于卫星覆盖重叠区域时，需要实时测量卫星负载、参考信号强度和质量，并根据相应的切换触发条件判决是否需要进行切换；

地面信关站通过信令交互向移动用户发送卫星负载情况和卫星星历；通过星历，结合HPOP方法，计算卫星速度矢量和星下点位置，再根据几何关系计算卫星对移动用户的覆盖时间。

确定功率门限参数来判定源卫星与目标卫星的RSRP是否满足切换触发条件，确定时间迟滞参数用于判断RSRP与RSRQ满足切换触发条件的持续时间是否足够。三个参数的设定均是为了防止过早切换而产生乒乓效应以及过晚切换而导致的无线链路失效；

M_t≥M_s+Hyst_p (3)

其中M_t为移动用户接收目标卫星RSRP，M_s移动用户接收源卫星的RSRP，Hyst_p为功率迟滞门限；

RSRQ_j-RSRQ_i＞Hyst_q (4)

其中RSRQ_j为移动用户接收目标卫星RSRQ，RSRQ_i移动用户接收源卫星的RSRQ，Hyst_q为质量迟滞门限。

步骤三：目标卫星选择，根据地面移动用户接收到的相邻卫星的负载、对移动用户的覆盖时间以及信号强度、信号质量作为输入变量，通过距离标准差离法计算各个输入变量的权值，再基于TOPSIS法选择最优的切换目标，作为地面移动用户的切换对象。

步骤3.1：通过标准差离法计算各个输入变量的权值，假设待切换目标卫星有N个，对移动用户接收到的相邻卫星的信号强度、信号质量指标以及相邻卫星对终端的覆盖时间指标进行指标正向化处理，卫星的负载指标进行指标负向化处理，同时，为了消除不同指标量纲差异的影响，需要根据以下公式做标准化处理：

其中，b_i，j表示第j颗相邻低轨卫星的第i个输入变量进行标准化处理后的值，X_i，j表示第j颗相邻低轨卫星的第i个输入变量指标的值，X_i，min表示第i种输入变量指标中的最小值，X_i，max表示第i种输入变量指标中的最大值，i＝1，2，3，4，j＝1，2，3，…，N；

步骤3.2：分别计算输入变量指标的均值

其中，N为待切换目标卫星的个数。

步骤3.3：计算输入变量的标准差σ_i：

其中，

为步骤3.2中计算的输入变量指标的均值；

步骤3.4：计算输入变量指标的权重w_i：

其中，σ_i为步骤3.3中计算得到的输入变量指标的标准差；

步骤3.5：采用优劣解距离法计算卫星切换最优目标，通过以下公式计算输入变量指标加权后的值V_i，j：

V_i，j＝w_i·b_i，j (9)

步骤3.6：计算所有相邻卫星中每颗低轨卫星相应参数与最优值和最劣值的欧拉距离：

其中，D_max，j表示相邻低轨卫星相应参数与最优值的欧拉距离，D_min，j表示相邻低轨卫星相应参数与最劣值的欧拉距离，V_i，j表示与第j颗卫星相关的第i个参数测量指标，V_i，max表示移动用户接收到邻区列表中N颗低轨卫星的第i个参数测量指标的最优值，V_i，min为移动用户接收到邻区列表中N颗低轨卫星的第i个参数测量指标的最劣值；

步骤3.7：根据上式计算邻区列表中各相邻卫星与最优值的相对距离L_j：

其中，D_max，j和D_min，j分别为公式中计算得到的相邻低轨卫星相应参数的最优值与最劣值的相对欧拉距离；

步骤3.8：从待切换的邻区列表中选取与最优值相对距离L_j最小的卫星作为系统切换的目标卫星；

步骤四：切换执行。移动用户断开与原卫星的通信链路，释放与其相关的系统资源，并与目标卫星建立通信链路，将用户面的数据从源卫星迁移到目标卫星上；

步骤五：判断切换后的原卫星与目标卫星上是否存在过载情况，若存在，继续执行切换和负载迁移过程；

步骤六：测量原卫星与目标卫星的参考信号强度并判断是否满足切换触发条件，若满足，继续执行切换过程；若不满足，则切换结束。达到降低卫星通信过程中的切换失败率以及掉话率，提高通讯质量的目的。

有益效果：

1.本发明公开的一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法，在切换判决条件中考虑卫星负载情况，引入负载均衡机制，避免因卫星负载过高、系统资源紧缺而导致的切换失败，降低切换失败率以及掉话率。

2.本发明公开的一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法，在切换判决条件中加入了参考信号质量，避免在单一判决条件下由于信道环境变化导致噪声干扰较大，切换不及时，影响通信质量的问题。

3.本发明公开的一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法，在目标卫星选择中通过联合多重属性综合加权择优，考虑移动用户接收到目标卫星的参考信号强度、质量，以及目标卫星的覆盖时间和负载，提高切换成功率；优化卫星过载情况，提高通信质量。

附图说明

图1是本发明一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法的流程图；

图2是本发明一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法的星间切换流程图；

图3是本发明一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法的低轨卫星运行轨迹仿真图；

图4是本发明一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法所依托的低轨卫星通信系统架构图；

图5是本发明一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法中24h内低轨卫星星下点轨迹预测与实际位置误差仿真结果图；

图6是功率门限参数取1时，传统切换方法与本发明所述切换方法乒乓切换发生概率仿真结果对比图；

图7是功率门限参数取4时传统切换方法与本发明所述切换方法RLF换概率发生仿真结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法。

实施例1

本实施例公开一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法在低轨卫星通信系统中的具体实施，如图3所示，整个低轨卫星通信系统分为空间段、地面段、用户段三部分。用户段为各种移动用户；地面段包括系统控制中心、网络控制中心、信关站等；空间段由低轨卫星组成，低轨卫星之间可以通过通信链路进行通信。切换发生在空间段的相邻低轨卫星之间，首先判断是否满足星间切换触发的条件，当满足切换触发条件时，通过本发明所述的多属性联合切换方法选择目标卫星，由移动终端、源卫星、目标卫星以及地面信关站通过信令交互完成切换过程。

图1为基于星历的多属性联合切换方法的流程图，本实施例公开的一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法，具体实现步骤为：

步骤1：地面移动用户开始测量参考信号的接收强度和质量，地面移动用户接收到相邻卫星的信号强度(RSRP)计算方法如式：

P_r＝P_t-L_r(d)-L_s(d)-L_f(d)-L_ra(d) (13)

其中，P_r为地面移动终端接收到的信号强度(用功率表示)，P_t为相邻卫星的发射功率，L_r(d)为信号从卫星传播到地面移动终端的路径损耗，L_s(d)为阴影衰落，L_f(d)为快衰落，L_ra(d)为雨衰，d为低轨卫星到地面移动终端的直线距离；

接收参考信号质量(RSRQ)的计算方法如式：

其中N为RSSI的测量带宽中的资源块RB的数量，RSSI是接收信号的强度指示，包括有用信号和干扰信号。

步骤2：切换判决，当地面移动用户处于卫星覆盖重叠区域时，需要实时测量卫星负载、参考信号强度和质量，并根据相应的切换触发条件判决是否需要进行切换；

地面信关站通过信令交互向移动用户发送卫星负载情况和卫星星历；通过星历，结合HPOP方法，计算卫星速度矢量和星下点位置，再根据几何关系计算卫星对移动用户的覆盖时间。

确定功率门限参数来判定源卫星与目标卫星的RSRP是否满足切换触发条件，确定时间迟滞参数用于判断RSRP与RSRQ满足切换触发条件的持续时间是否足够。三个参数的设定均是为了防止过早切换而产生乒乓效应以及过晚切换而导致的无线链路失效；

M_t≥M_s+Hyst_p (15)

其中M_t为移动用户接收目标卫星RSRP，M_s移动用户接收源卫星的RSRP，Hyst_p为功率迟滞门限；

RSRQ_j-RSRQ_i＞Hyst_q (16)

其中RSRQ_j为移动用户接收目标卫星RSRQ，RSRQ_i移动用户接收源卫星的RSRQ，Hyst_q为质量迟滞门限；

步骤3：根据步骤1、步骤2收集到的信息作为输入变量，通过距离标准差离法计算各个输入变量的权值，再通过TOPSIS算法选择最优的切换目标，作为移动用户的切换对象，具体包括以下子步骤：

步骤3.1：通过标准差离法计算各个输入变量的权值，假设待切换目标卫星有N个，对移动用户接收到的相邻卫星的信号强度、信号质量指标以及相邻卫星对终端的覆盖时间指标进行指标正向化处理，卫星的负载指标进行指标负向化处理，同时，为了消除不同指标量纲差异的影响，需要根据以下公式做标准化处理：

其中，b_i，j表示第j颗相邻低轨卫星的第i个输入变量进行标准化处理后的值，X_i，j表示第j颗相邻低轨卫星的第i个输入变量指标的值，X_i，min表示第i种输入变量指标中的最小值，X_i，max表示第i种输入变量指标中的最大值，i＝1，2，3，4，j＝1，2，3，…，N；i＝1表示第一种输入变量指标，对应移动用户接收到相邻卫星的信号强度，i＝2表示第二种输入变量指标，对应移动用户接收到相邻卫星的信号质量，i＝3表示第三种输入变量指标，对应相邻卫星的负载情况，i＝4表示第四种输入变量指标，对应相邻低轨卫星对移动用户的覆盖时间；

步骤3.2：分别计算四个输入变量指标的均值

其中，N为待切换目标卫星的个数。

步骤3.3：计算四个变量的标准差σ_i：

其中，

为步骤3.2中计算的输入变量指标的均值；

步骤3.4：计算四个输入变量指标的权重w_i：

其中，σ_i为步骤3.3中计算得到的输入变量指标的标准差；

步骤3.5：采用优劣解距离法计算卫星切换最优目标，通过以下公式计算四个输入变量指标加权后的值V_i，j：

V_i，j＝w_i·b_i，j (21)

步骤3.6：计算所有相邻卫星中每颗低轨卫星相应参数与最优值和最劣值的欧拉距离：

其中，D_max，j表示相邻低轨卫星相应参数与最优值的欧拉距离，D_min，j表示相邻低轨卫星相应参数与最劣值的欧拉距离，V_1，j为移动用户接收到第j颗卫星的信号强度指标，V_1，max为移动用户接收到邻区列表中N颗低轨卫星的信号强度指标的最优值，V_1，min为移动用户接收到邻区列表中N颗低轨卫星的信号强度指标的最劣值，V_2，j为移动用户接收到第j颗卫星的信号质量指标，V_2，max为移动用户接收到邻区列表中N颗低轨卫星的信号质量指标的最优值，V_2，min为移动用户接收到邻区列表中N颗低轨卫星的信号质量指标的最劣值，V_3，j为第j颗低轨卫星的负载情况指标，V_3，max为移动用户接收到邻区列表中N颗低轨卫星负载情况指标的最优值，V_3，min为移动用户接收到邻区列表中N颗低轨卫星负载情况指标的最劣值，V_4，j为第j颗低轨卫星对地面终端覆盖时间指标，V_4，max为移动用户接收到邻区列表中N颗低轨卫星对地面移动终端覆盖时间指标的最优值，V_4，min为移动用户接收到邻区列表中N颗低轨卫星对地面移动终端覆盖时间指标的最劣值；

步骤3.7：根据上式计算邻区列表中各相邻卫星与最优值的相对距离L_j：

其中，D_max，j和D_min，j分别为公式中计算得到的相邻低轨卫星相应参数的最优值与最劣值的相对欧拉距离；

步骤3.8：从待切换的邻区列表中选取与最优值相对距离L_j最小的卫星作为系统切换的目标卫星；

步骤4：移动用户断开与源卫星的通信链路，释放与其相关的系统资源，并与目标卫星建立通信链路，同时将用户面的数据从源卫星迁移到目标卫星上，具体星间切换信令流程如图2；

步骤5：移动用户通过与信关站的信令交互获取卫星负载信息，判断切换后的源卫星与目标卫星上是否存在过载情况，若存在，继续执行切换和负载迁移过程；

步骤6：移动用户继续测量源卫星与相邻卫星的RSRP和RSRQ，判断是否满足切换条件，若满足条件，则继续执行卫星切换过程，若不满足条件，则等待下次测量结果；

为了更好的展现一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法与原方法的对比效果，选取乒乓切换概率与无线链路失效发生概率变化最为明显的功率门限参数进行仿真。两种方法乒乓切换概率对比结果仿真中选取功率门限参数为1dB，在RLF概率对比结果仿真中选取功率门限参数为4dB。得出两种方法乒乓切换发生概率与RLF发生概率的对比结果分别如图6和图7所示。

其中，乒乓效应是指移动用户从源卫星切换到目标卫星后在短时间内又切换回到源卫星，甚至在目标卫星与源卫星之间来回多次切换的情况。无线链路失效，即Radio LinkFailure，简称RLF，是指由于某些原因通信中断的现象，若发起切换过迟使得移动用户与源卫星间的信号质量过差，便会导致无线链路失效。

图6为一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法与传统方法关于乒乓切换概率的仿真结果对比图，本发明公开的方法中添加了基于星历的卫星覆盖时间、RSRQ以及负载均衡作为判断条件，从而降低了乒乓切换发生的概率。由图中结果可以看出本发明公开的方法相较于传统算法乒乓切换的概率大约降低3-8个百分点。

图7为一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法与关于RLF概率的仿真结果对比图，两种方法乒乓切换概率对比结果仿真中选取功率门限参数为4dB，本发明公开的方法添加了负载均衡作为起始判决条件，并设计多属性联合决策的目标卫星的选择方法，在切换目标卫星的选择上综合考虑接收信号强度、信号质量、卫星覆盖时间以及目标卫星的负载情况，从而避免目标卫星因过载而造成的拒绝接入，因此能够降低RLF发生的概率。由图中结果可以看出随着时间迟滞参数的增加，RLF发生的概率也不断提高，本发明公开的方法对RLF发生概率的改善越为明显。在时间迟滞参数取240ms时，RLF的概率最大，此时改进的算法大约能降低10％的RLF发生的概率。

综合上述两点来看，基于星历的多属性联合切换方法相较于传统切换方法同时降低乒乓切换发生的概率与RLF发生的概率，同时通过负载均衡技术提高资源利用率，降低卫星通信过程中的切换失败率以及掉话率，提高通讯质量，提升系统的整体性能。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：切换测量，确定参数指标体系，收集各卫星的负载、星历信息，同时地面移动用户开始测量各卫星的参考信号的接收强度和质量；

步骤二：切换判决，当地面移动用户处于卫星覆盖重叠区域时，需要实时测量卫星负载、参考信号强度和质量，并根据相应的切换触发条件判决是否需要进行切换；

步骤三：目标卫星选择，根据地面移动用户接收到的相邻卫星的负载、对移动用户的覆盖时间以及信号强度、信号质量作为输入变量，通过距离标准差离法计算各个输入变量的权值，再基于TOPSIS法选择最优的切换目标，作为地面移动用户的切换对象；

步骤四：切换执行，移动用户断开与源卫星的通信链路，释放与其相关的系统资源，并与目标卫星建立通信链路，将用户面的数据从源卫星迁移到目标卫星上；

步骤五：判断切换后的源卫星与目标卫星上是否存在过载情况，若存在，继续执行切换和负载迁移过程；

步骤六：测量源卫星与目标卫星的参考信号强度并判断是否满足切换触发条件，若满足条件，继续执行切换过程；若不满足，则切换结束；达到降低卫星通信过程中的切换失败率以及掉话率，提高通讯质量的目的。

2.如权利要求1所述的一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法，其特征在于：步骤一实现方法为，

地面移动用户接收到相邻卫星的信号强度(RSRP)计算方法如式：

P_r＝P_t-L_r(d)-L_s(d)-L_f(d)-L_ra(d) (1)

其中，P_r为地面移动终端接收到的信号强度，用功率表示；P_t为相邻卫星的发射功率；L_r(d)为信号从卫星传播到地面移动终端的路径损耗；L_s(d)为阴影衰落；L_f(d)为快衰落；L_ra(d)为雨衰；d为低轨卫星到地面移动终端的直线距离。

接收参考信号质量(RSRQ)的计算方法如式：

其中N为RSSI的测量带宽中的资源块RB的数量；RSSI是接收信号的强度指示，包括有用信号和干扰信号。

3.如权利要求1所述的一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法，其特征在于：步骤二实现方法为，

地面信关站通过信令交互向移动用户发送卫星负载情况和卫星星历；通过星历，结合HPOP方法，计算卫星速度矢量和星下点位置，再根据几何关系计算卫星对移动用户的覆盖时间。

确定功率门限参数来判定源卫星与目标卫星的RSRP是否满足切换触发条件，确定时间迟滞参数用于判断RSRP与RSRQ满足切换触发条件的持续时间是否足够。三个参数的设定均是为了防止过早切换而产生乒乓效应以及过晚切换而导致的无线链路失效；

M_t≥M_s+Hyst_p (3)

其中M_t为移动用户接收目标卫星RSRP，M_s移动用户接收源卫星的RSRP，Hyst_p为功率迟滞门限；

RSRQ_j-RSRQ_i＞Hyst_q (4)

其中RSRQ_j为移动用户接收目标卫星RSRQ，RSRQ_i移动用户接收源卫星的RSRQ，Hyst_q为质量迟滞门限。

4.如权利要求1所述的一种低轨卫星通信系统中基于星历的多属性联合切换方法，其特征在于：步骤三实现方法为，

步骤3.1：通过标准差离法计算各个输入变量的权值，假设待切换目标卫星有N个，对移动用户接收到的相邻卫星的信号强度、信号质量指标以及相邻卫星对终端的覆盖时间指标进行指标正向化处理，卫星的负载指标进行指标负向化处理，同时，为了消除不同指标量纲差异的影响，需要根据以下公式做标准化处理：

其中，b_i，j表示第j颗相邻低轨卫星的第i个输入变量进行标准化处理后的值，X_i，j表示第j颗相邻低轨卫星的第i个输入变量指标的值，X_i，min表示第i种输入变量指标中的最小值，X_i，max表示第i种输入变量指标中的最大值，i＝1，2，3，4，j＝1，2，3，…，N；

步骤3.2：分别计算输入变量指标的均值

其中，N为待切换目标卫星的个数。

步骤3.3：计算输入变量的标准差σ_i：

其中，

为步骤3.2中计算的输入变量指标的均值；

步骤3.4：计算输入变量指标的权重w_i：

其中，σ_i为步骤3.3中计算得到的输入变量指标的标准差；

步骤3.5：采用优劣解距离法计算卫星切换最优目标，通过以下公式计算输入变量指标加权后的值V_i，j：

V_i，j＝w_i·b_i，j (9)

步骤3.6：计算所有相邻卫星中每颗低轨卫星相应参数与最优值和最劣值的欧拉距离：

其中，D_max，j表示相邻低轨卫星相应参数与最优值的欧拉距离，D_min，j表示相邻低轨卫星相应参数与最劣值的欧拉距离，V_i，j表示与第j颗卫星相关的第i个参数测量指标，V_i，max表示移动用户接收到邻区列表中N颗低轨卫星的第i个参数测量指标的最优值，V_i，min为移动用户接收到邻区列表中N颗低轨卫星的第i个参数测量指标的最劣值；

步骤3.7：根据上式计算邻区列表中各相邻卫星与最优值的相对距离L_j：

其中，D_max，j和D_min，j分别为公式中计算得到的相邻低轨卫星相应参数的最优值与最劣值的相对欧拉距离；

步骤3.8：从待切换的邻区列表中选取与最优值相对距离L_j最小的卫星作为系统切换的目标卫星。

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