CN115118324A - 基于星历追踪的星地融合网络切换方法 - Google Patents

基于星历追踪的星地融合网络切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于星历追踪的星地融合网络切换方法，包括：周期性获取卫星和UE的经纬度；卫星获取卫星未来的坐标；卫星获取卫星自身信号强度、最长服务时间及剩余可用信道数；找到最合适的卫星，作为待切换卫星；卫星根据UE和卫星的坐标得出UE所处的波束，存入卫星所在波束的待切换列表中；卫星计算卫星与UE的接收信号功率RSRP；判断是否符合切换条件；将符合切换要求的卫星保存UE属性中，等待切换；等到下一个切换周期，UE从属性中获取卫星和波束，完成切换。所述方法能够满足用户在卫星和地面基站之间的无缝切换，降低切换的实时复杂度，提高网络运行效率。

Description

基于星历追踪的星地融合网络切换方法
技术领域
本发明涉及卫星地面融合网络技术领域，具体涉及基于星历追踪的星地融合网络切换方法。
背景技术
随着当今用户需求的不断增长，移动通信网络技术也在高速发展，云计算、智慧城市等各种应用和技术的发展，大量的数据流量给当今网络带来了前所未有的压力，而卫星通信网络可以为全球个人移动用户提供通信服务。其中，低轨卫星(LEO)具有传输时延低、覆盖范围广、通信损耗低等优势，因此LEO更适用于为用户提供实时交互的多媒体服务。
移动性管理作为卫星通信网络中一个重要的子课题正在被广泛研究，而切换又是其中的一个重要研究点，由于卫星相对于地面具有高速的移动速率，地面用户需要不停地切换卫星，实时地选择合适的卫星为自己提供服务，如何保证卫星与终端进行无缝切换，持续为终端用户提供服务，是目前移动性管理的一个重要问题。
目前的切换方式分为两种：单属性切换和多属性切换，单属性切换的决策目标主要包括信号强度、距离、服务时间、剩余可用信道等，多属性切换是通过一些数学方法将多个决策目标整合起来，共同决定切换结果，单属性切换算法考虑因素较为单一，对切换情况的考虑有限，无法应对一些复杂的切换情况，而目前的多属性切换算法主要是实时性的算法，在触发切换条件之后才会发送导频，获取卫星与用户信息，如果算法较为复杂则会严重影响切换性能。
为了解决上述存在的问题，能够考虑多个属性的同时提高切换成功率降低算法复杂度，本发明提出了一种基于星历追踪的星地融合网络切换算法。
发明内容
本发明提出一种基于星历追踪的星地融合网络切换方法。
本发明采用以下技术方案：
一种基于星历追踪的星地融合网络切换方法，包括：
步骤1，地面CU控制中心通过TT&C测控装置周期性获取卫星和UE的经纬度；
步骤2，卫星利用星下点轨迹公式，通过卫星自身的倾斜角、升交角赤经、近地点幅角、真近地点的信息来获取卫星未来的坐标；
步骤3，卫星获取卫星自身信号强度、最长服务时间及剩余可用信道数；
步骤4，用户根据卫星自身信号强度、最长服务时间及剩余可用信道数，通过熵值法和TOPSIS法找到最合适的卫星，将其存入卫星列表中，作为待切换卫星；
步骤5，卫星根据UE和卫星的坐标得出UE所处的波束，存入卫星所在波束的待切换列表中；
步骤6，卫星计算卫星与UE的接收信号功率RSRP；
步骤7，用户通过卫星计算得到的RSRP信息，与门限值Qin和Qout进行比较，判断卫星是否符合切换条件，当RSRP大于门限值Qin时，即满足切换条件，进入步骤8，当RSRP小于门限值Qin值时，判断在一段限定时间内是否小于Qout值，若大于则可以重新进行步骤5，若RSRP小于Qout值，则切换失败，终止切换；
步骤8，将符合切换要求的卫星保存UE属性中，等待切换；
步骤9，等到下一个切换周期，UE从属性中获取卫星和波束，完成切换。
进一步地，步骤3中，在获取待切换卫星时，通过熵值法和TOPSIS法来进行建模，对信号强度、最长服务时间及剩余可用信道数三个属性进行处理，获得相对接近度最接近的卫星对象；
信号强度的计算如公式1-1所示：
PC＝Pserving-BS×Gpathloss×Gantenna……(1-1)；
其中，Pserving-BS为当前为用户提供服务的卫星的功率，Gpathloss为用户的路径损耗，Gantenna为卫星天线增益。
进一步地，步骤3中，Gpathloss天线增益由公式1-2表示：
Figure BDA0003672419290000031
其中，J1(x)是第一类贝塞尔函数，a为天线的圆形孔径半径，k＝2πf/c为波数，f为频率，c为真空中的光速，θ是从天线主波束的孔径视线测量的角度。
进一步地，步骤3中，Gpathloss为基本路径损耗，是由自由空间路损、阴影衰落和传播损耗组成，用公式1-3表示：
PLb＝FSPL(l,f0)+SF……(1-3)；
其中，FSPL(l,f0)为自由空间路损，SF为阴影衰落，由正态分布生成的随机数表示，
Figure BDA0003672419290000032
FSPL(l,f0)由公式1-4表示：
FSPL(l,f0)＝32.45+20log10(f0)+20log10(l)……(1-4)；
其中，l表示间隔距离，f0为频率，由此，能够求出卫星的信号强度值如公式1-5所示：
r＝PC……(1-5)。
进一步地，步骤3中，卫星服务时间由公式1-6表示：
Figure BDA0003672419290000041
其中，考虑卫星和用户之间的位置关系，通过三角关系计算出卫星能为用户提供最长服务的距离L，然后除以卫星的移动速度v，得出卫星的最长服务时间。
进一步地，步骤3中，剩余可用信道数表示为公式1-7：
n＝N0-Nu……(1-7)；
根据用户接入卫星的数量，能够得出卫星当前的信道使用数为Nu，NTN平台中对卫星信道设定为N0。
进一步地，步骤7中，若无卫星符合切换条件，在用户属性中存入一个空值，表示用户下一周期无卫星能够提供服务。
与现有技术相比，本发明的优越效果在于：
本发明所述的基于星历追踪的星地融合网络切换方法，通过卫星的星历数据对卫星的位置进行追踪，然后利用熵值法对信号强度、剩余服务时间以及剩余信道容量进行综合考量，提前确定卫星在某一时刻的准确卫星，从而估测出卫星是否能够为用户提供服务，能够满足用户在卫星和地面基站之间的无缝切换，降低切换的实时复杂度，提高网络运行效率。
附图说明
图1为本发明实施例中基于星历追踪的星地融合网络切换方法的流程图；
图2为本发明实施例中卫星切换算法的信令交互图；
图3为本发明实施例中卫星与用户相对关系示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例
本实施例所述切换方法基于卫星星历，对卫星的位置进行全程追踪，利用熵值法提前确定待切换卫星是否符合切换要求，从而达到提高切换成功率的目的。
在本实施例中，总共包括两种切换情况，卫星间切换和波束间切换；场景中采用集中单元-分布单元(DU-CU)的分布式架构模式，CU位于地面，起核心控制管理的作用，DU为LEO卫星，沿着轨道进行高速移动，同时每颗卫星还有19个波束，主要起对频率进行复用，减少干扰的作用；
所述切换方法需要提前获取卫星的位置，因此首先要通过卫星的星历数据，通过公式提前计算出卫星的位置，进而推算出卫星的星下点位置，同时根据用户终端的移动速度，推算出在未来的某个时刻的坐标，根据推算得到的卫星星下点坐标和用户终端的坐标，选出用户终端在下一个切换周期内待切换卫星列表，将其存入终端的属性中；
在选取卫星时，通过熵值法和TOPSIS法来进行建模，对信号强度、卫星剩余服务时间以及卫星剩余信道数量三个属性进行标准化处理，然后通过TOPSIS法来评估各个样本的优劣等级，最后得出一个相对接近度，选择最接近最优值的卫星对象；
用户从自己的属性中获取之前保存的待切换卫星列表，按照卫星列表顺序逐个判断该卫星是否能够为用户终端提供通信服务，根据卫星星下点与终端坐标得出终端属于卫星的哪一个波束，然后求出当前用户终端与卫星之间的RSRP，与门限值Qin和Qout进行比较，判断该卫星该波束是否能够为用户提供服务，符合要求，将该卫星和波束的序列值存入用户终端的属性中，等到下一个切换周期，用户直接获取其待切换的卫星，完成切换；不符合要求，则终端继续选择列表中的下一个卫星，重复上述操作，列表中的卫星都不符合切换要求，则在用户属性中存入一个空值，表示该用户下一周期无卫星能够提供服务，减少了切换带来的开销和成本；
在下一个切换周期时，用户终端查看自己的属性，从中选出待切换的卫星与波束，进行切换执行阶段，经过切换的三个阶段，判断该卫星是否符合切换的要求，如果符合则进行切换，并通过统计量对切换结果进行统计，如果不符合则将其划为切换失败的情况，由于在之前的切换准备阶段，用户已经提前对切换卫星能否切换成功进行了判断，能够提前避免很多切换失败的情况，从而提高了切换成功率。
具体的，如图1所示，所述切换方法包括：
步骤1，周期性获取卫星和UE的经纬度；
步骤2，利用星历公式获取卫星坐标；
步骤3，获取卫星信号强度、最长服务时间及剩余可用信道数；
步骤4，用户根据切换策略获得待切换卫星的列表；
步骤5，根据列表获取下一个卫星，根据UE和卫星的坐标得出UE所处的波束；
步骤6，计算卫星与UE的RSRP，与门限值Qin和Qout进行比较，判断该卫星是否能够为用户提供服务；
步骤7，用户判断卫星是否符合切换条件，符合进入步骤8，不符合返回步骤5；
步骤8，将符合切换要求的卫星保存UE属性中，等待切换；
步骤9，等到下一个切换周期，UE从属性中获取卫星和波束，完成切换。
在本实施例中，如图2所示，卫星切换算法的信令交互包括下述流程：
(1)卫星的星历信息存在地面CU处，CU将卫星的星历信息传给源接入卫星，然后源接入卫星将信息传给当前接入的用户终端UE。
(2)UE通过获取的星历信息，计算得到下一时刻各个卫星的坐标位置，然后根据切换策略得出待切换卫星。
(3)UE收到测量报告后将其发给源卫星，源卫星通过上行无线资源控制层(简称RRC)链路进行传递，再将报告发送给CU，CU得到报告后，向目的卫星发送UE上下文，从而建立连接。
(4)目的卫星利用UE上下文对CU进行响应，CU在收到响应后再向源卫星发送一个请求信息，其中包括RRCConnectionReconfiguration消息，则阻止了UE继续向源卫星发送数据。
(5)源卫星在收到请求信息后，将RRCConnectionReconfiguration消息发送给UE，同时也对CU发来的UE上下文进行了响应，发送给了CU。
(6)UE与目标卫星完成随机接入过程，目标卫星将数据传输状态发送给CU。
(7)CU向源卫星发送了UE上下文释放命令的消息，源卫星响应CU，并释放上下文，断开了UE的连接。
在本实施例的步骤3中，信号强度的计算如公式1-1所示：
PC＝Pserving-BS×Gpathloss×Gantenna……(1-1)；
其中，Pserving-BS为当前为用户提供服务的卫星的功率，Gpathloss为用户的路径损耗，Gantenna为卫星天线增益；
Gpathloss天线增益由公式1-2表示：
Figure BDA0003672419290000081
其中，J1(x)是第一类贝塞尔函数，a为天线的圆形孔径半径，k＝2πf/c为波数，f为频率，c为真空中的光速，θ是从天线主波束的孔径视线测量的角度；
Gpathloss为基本路径损耗，是由自由空间路损、阴影衰落和传播损耗组成，用公式1-3表示：
PLb＝FSPL(l,f0)+SF……(1-3)；
其中，FSPL(l,f0)为自由空间路损，SF为阴影衰落，由正态分布生成的随机数表示，
Figure BDA0003672419290000082
FSPL(l,f0)由公式1-4表示：
FSPL(l,f0)＝32.45+20log10(f0)+20log10(l)……(1-4)；
其中，l表示间隔距离，f0为频率，由此，能够求出卫星的信号强度值如公式1-5所示：
r＝PC……(1-5)；
卫星服务时间由公式1-6表示：
Figure BDA0003672419290000083
其中，考虑卫星和用户之间的位置关系，通过三角关系计算出卫星能为用户提供最长服务的距离L，然后除以卫星的移动速度v，得出卫星的最长服务时间。
为了计算卫星的服务时间，需要找到卫星与用户的相对位置，也就是卫星星下点与用户的相对位置关系，如图3所示，S点表示卫星节点，正方形节点表示地面UE，以当前用户节点为圆心，卫星的服务半径为半径画一个圆，圆内的卫星节点即为用户可以选择接入的卫星，从圆心向每条轨道做垂线，垂点为A，圆与轨道的交点为B，表示卫星能为该用户提供服务的最远位置，要考虑卫星剩余服务时间，其实就是考虑卫星离开用户所处卫星覆盖圆的时间，从图中可得，S4和S5两个卫星能够为用户提供服务，因此分别将用户向卫星轨道作垂线，根据用户和卫星节点的经纬度，可以得出高的长度和用户到卫星的长度，再加上卫星服务半径的长度，可以分别得出A1S4、A1B1、A2S5和A2B2，其中A1S4表示A1点到S4点之间的距离，然后根据和的角度，最终得出B1S4和B2S5；
剩余可用信道数表示为公式1-7：
n＝N0-Nu……(1-7)；
卫星剩余可用信道数也是目前实际切换策略中的一个考虑因素，由于卫星的服务用户数量由卫星自己的信道数量决定，因此剩余可用信道也被应用到本节的卫星切换策略中，根据用户接入卫星的数量，能够得出卫星当前的信道使用数为Nu，NTN平台中对卫星信道设定为N0。
本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。

Claims (6)

1.一种基于星历追踪的非地面网络切换方法，其特征在于，包括：
步骤1，地面CU控制中心通过TT&C测控装置周期性获取卫星和UE的经纬度；
步骤2，卫星利用星下点轨迹公式，通过卫星自身的倾斜角、升交角赤经、近地点幅角、真近地点的信息来获取卫星未来的坐标；
步骤3，卫星获取卫星自身信号强度、最长服务时间及剩余可用信道数；
步骤4，用户根据卫星自身信号强度、最长服务时间及剩余可用信道数，通过熵值法和TOPSIS法找到最合适的卫星，将其存入卫星列表中，作为待切换卫星；
步骤5，卫星根据UE和卫星的坐标得出UE所处的波束，存入卫星所在波束的待切换列表中；
步骤6，卫星计算卫星与UE的接收信号功率RSRP；
步骤7，用户通过卫星计算得到的RSRP信息，与门限值Qin和Qout进行比较，判断卫星是否符合切换条件，当RSRP大于Qin时，即满足切换条件，进入步骤8，当RSRP小于Qin值时，判断在一段限定时间内是否小于Qout值，若大于则可以重新进行步骤5，若RSRP小于Qout值，则切换失败，终止切换；
步骤8，将符合切换要求的卫星保存UE属性中，等待切换；
步骤9，等到下一个切换周期，UE从属性中获取卫星和波束，完成切换。
2.根据权利要求1所述的基于星历追踪的非地面网络切换方法，其特征在于，步骤3中，在获取待切换卫星时，通过熵值法和TOPSIS法来进行建模，对信号强度、最长服务时间及剩余可用信道数三个属性进行处理，获得相对接近度最接近的卫星对象；
信号强度的计算如公式1-1所示：
PC＝Pserving-BS×Gpathloss×Gantenna……(1-1)；
其中，Pserving-BS为当前为用户提供服务的卫星的功率，Gpathloss为用户的路径损耗，Gantenna为卫星天线增益。
3.根据权利要求2所述的基于星历追踪的非地面网络切换方法，其特征在于，步骤3中，Gpathloss为基本路径损耗，是由自由空间路损、阴影衰落和传播损耗组成，用公式1-3表示：
PLb＝FSPL(l,f0)+SF……(1-3)；
其中，FSPL(l,f0)为自由空间路损，SF为阴影衰落，由正态分布生成的随机数表示，
Figure FDA0003672419280000021
FSPL(l,f0)由公式1-4表示：
FSPL(l,f0)＝32.45+20log10(f0)+20log10(l)……(1-4)；
其中，l表示间隔距离，f0为频率，由此，能够求出卫星的信号强度值如公式1-5所示：
r＝PC……(1-5)。
4.根据权利要求2或3所述的基于星历追踪的非地面网络切换方法，其特征在于，步骤3中，卫星服务时间由公式1-6表示：
Figure FDA0003672419280000022
其中，考虑卫星和用户之间的位置关系，通过三角关系计算出卫星能为用户提供最长服务的距离L，然后除以卫星的移动速度v，得出卫星的最长服务时间。
5.根据权利要求2或3所述的基于星历追踪的非地面网络切换方法，其特征在于，步骤3中，剩余可用信道数表示为公式1-7：
n＝N0-Nu……(1-7)；
根据用户接入卫星的数量，能够得出卫星当前的信道使用数为Nu，NTN平台中对卫星信道设定为N0。
6.根据权利要求1所述的基于星历追踪的非地面网络切换方法，其特征在于，步骤7中，若无卫星符合切换条件，在用户属性中存入一个空值，表示用户下一周期无卫星能够提供服务。
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PENG WANG: "Convergence of Satellite and Terrestrial Networks: A Comprehensive Survey", 《IEEE ACCESS》 *
刘梁靖蓉: "星地协同网络下的缓存与内容分发的研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
沈俊;陈曦;赵新胜;: "低轨卫星通信系统中的一种波束小区切换算法", 电讯技术, no. 04 *
熊丹妮;李屹;: "星地融合网络中基于Q学习的切换算法研究", 通信学报, no. 09 *
王元君: "星地混合网络中的计算资源分配和负载均衡", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
胡欣;宋航宇;刘帅军;李秀华;王卫东;汪春霆;: "基于时间演进图的LEO星间切换实时预测及更新方法", 通信学报, no. 10 *

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