CN115473569A - 一种面向高低轨卫星混合网络的链路切换方法 - Google Patents

一种面向高低轨卫星混合网络的链路切换方法 Download PDF

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CN115473569A CN202211076393.5A CN202211076393A CN115473569A CN 115473569 A CN115473569 A CN 115473569A CN 202211076393 A CN202211076393 A CN 202211076393A CN 115473569 A CN115473569 A CN 115473569A
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Abstract

本发明提供了一种面向高低轨卫星混合网络的链路切换方法，包括以下步骤：步骤1：指定UE；步骤2：判断是否有切换任务，如果有则进入下一步骤，否则继续执行步骤2；步骤3：判断Source sNB∈LEO是否成立，如是，执行步骤4，否则执行步骤a；步骤4：判断可选的LEO sNBs是否处于负荷超载状态，如是，则进入下一步骤，否则进行sNB选择与相关算法应用的处理，再执行步骤d；步骤5：GEO实现负载均衡；步骤6：判断业务类型是否为在线语音/视频服务，如是，则进入下一步骤，否则进行基于NIOL的硬切换，结束；步骤7。本发明的有益效果是：本发明能够提高GEO‑LEO切换的成功概率和服务地区的用户满意度。

Description

一种面向高低轨卫星混合网络的链路切换方法
技术领域
本发明涉及信息技术领域，尤其涉及一种面向高低轨卫星混合网络的链路切换方法。
背景技术
近年来，随着同步轨道(Geostationary Orbit,GEO)卫星及新一代大型低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星星座在全球范围内的日益兴起,国内GEO-LEO异构 卫星网络融合(Heterogeneous Satellite Network Integration,HSNI)组网的概念也进 一步发酵。此外，5G技术相关应用已日渐成熟，而高低轨卫星混合网络的构造目前还 仍处在理论设计和单颗试验星的实验室研究阶段，因此将地面通信系统架构如4G长期 演进技术(LongTerm Evolution,LTE)、5G新空口(New Radio,NR)等标准架构 应用于卫星通信系统中具有十分重要的研究意义。
对HSNI的研究中，切换是保证系统服务质量(Quality of Service,QoS)的关键之一。基于LEO卫星通信系统研究其切换具体流程的相关工作目前尚多，然而聚焦研 究设计GEO-LEO卫星链路切换具体流程的相关工作则十分缺乏。
发明内容
本发明提供了一种面向高低轨卫星混合网络的链路切换方法，包括以下步骤：
步骤1：指定UE；步骤2：判断是否有切换任务，如果有，则进入下一步骤，否 则继续执行步骤2；步骤3：判断Source sNB∈LEO是否成立，如果是，那么执行步 骤4，否则执行步骤a；步骤4：判断可选的LEO sNBs是否处于负荷超载状态，如果 是，则进入步骤5，否则进行sNB选择与相关算法应用的处理，再以LEO卫星为Source sNB和Target sNB执行步骤d；步骤5：GEO实现负载均衡；步骤6：判断业务类型 是否为在线语音/视频服务，如果是，则进入下一步骤，否则进行从LEO卫星到GEO 卫星的基于NIOL的硬切换，结束；步骤7：进行从LEO卫星到GEO卫星的基于NIOL 的软切换，结束；步骤a：Source sNB∈GEO，然后执行步骤b；步骤b：判断可选择 的LEO sNBs是否不处于负荷超载状态，如果是，则执行步骤c，如果否，继续执行步 骤b；步骤c：回归到LEO sNB链路，以GEO卫星为Source sNB、LEO卫星为Target sNB，然后执行步骤d；步骤d：基于IOL的软切换，然后结束。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤d中，Source sNB为GEO卫星、Target sNB为LEO卫星时，基于IOL的软切换包括：
步骤A1，切换准备阶段，包括：
步骤HP001，Source sNB在RRC层将测量控制信息通过RRC重配置消息发送给 UE，测量控制信息包括参考信号接收功率、参考信号接收质量和路径损耗。
步骤HP002，UE在RRC层接收到测量控制信息后返回RRC重配置完成的响应给Source sNB，并开始根据测量控制信息指示物理层执行相关测量操作。
步骤HP003，UE持续测量，当满足一定触发事件后上传测量报告给Source sNB， 报告中包含有相关RSRP、RSRQ的信息，Source sNB则根据测量报告的情况直接决定 切换操作请求的发起；触发事件分A、B两类，前者用于系统内切换，后者用于系统 间切换；测量报告根据上传的方式分周期型测量报告和触发型测量报告，前者每隔一 段时间上报最强小区，后者则只在达到所需条件时才进行上报。
步骤A2，切换执行阶段，包括：
步骤HE001，由Source sNB判断数据无线电承载配置并发起DAPS切换，向TargetsNB传达切换请求。
步骤HE002和步骤HE003，Target sNB做好资源的准备工作后直接向Source sNB返回确认响应，Source sNB通过RRC重配置消息告知UE端此时可以发起切换；
步骤HE004，Source sNB在执行步骤HE003的同时，通过Xn-AP接口进行提前的 状态转移，以此向Target sNB传达PDCP层第一个用户数据单元的下行计数，但用户 面的上行数据传输仍经Source sNB维持进行；而对于用户面的下行数据，Source sNB-Target sNB的下行数据转发隧道被完全打通，一部分用户面下行数据可以从原来 的GW-Source sNB-UE路径改由GW-Source sNB-Target sNB直接传输，并在Target sNB和UE建立下行数据信道之前，一直缓存在Target sNB中，而另一部分下行数据 仍然经过Source sNB的无线链路进行传输。
步骤HE005、步骤HE006和步骤HE007，UE采用基于RACH前导码的无竞争随 机接入方法接入Target sNB，在完成新节点的接入后，上行用户数据信道恢复为 UE-Target sNB-GW路径，Target sNB到UE端的下行用户数据信道也成功打通，此时 用户数据服务成功恢复，且此时GW侧的用户面数据仍然传输给Source sNB，Source sNB经Xn接口数据转发隧道直接传输给Target sNB，DAPS切换下接入Target sNB的 时刻发生在UE从Source sNB去附着之前，UE完成到Target sNB的随机接入意味着 用户层面的部分上下行数据传输可经Target sNB链路完成。
步骤HE008、步骤HE009，UE侧成功接入Target sNB后，Target sNB向Source sNB告知切换已成功，Source sNB通过sNB Status传输最后一个用户数据单元的下行计数， 随后执行其与UE侧的去附着过程，经Source sNB进行用户数据传输的相关链路到此 也完全中断。
步骤HE010、步骤HE011，Target sNB经GCC实现GW下行数据承载的转换任 务，经此阶段后下行数据传输直接经过Target sNB完成，不再由转发隧道间接完成。
步骤A3，资源释放阶段，包括：
步骤RR001，由Target sNB经Xn-AP接口通知Source sNB释放此前为完成切换 操作而分配的所有相关资源和UE上下文，并拆卸二者之间的数据转发隧道。
步骤RR002，Source sNB完成相关工作后返回响应。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤6中，基于NIOL的硬切换包括：
步骤B1，切换准备阶段：进行切换测量并将相关测量结果交给Source sNB，SourcesNB根据测量结果决定是否发起切换。
步骤B2，切换执行阶段：Source sNB和Target sNB之间通过中间媒介GCC间接 传达信令传输。
步骤B3，资源释放阶段：完成切换操作的收尾工作，在Source sNB侧和GW侧 释放相关信道资源。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤B1中，包括：
步骤HP1，Source sNB在RRC层将测量控制信息通过RRC重配置消息发送给UE， 测量控制信息包括参考信号接收功率、参考信号接收质量和路径损耗。
步骤HP2，UE在RRC层接收到测量控制信息后返回RRC重配置完成的响应给 SourcesNB，并开始根据测量控制信息指示物理层执行相关测量操作。
步骤HP3，UE持续测量，当满足一定触发事件后上传测量报告给Source sNB， 报告中包含有相关RSRP、RSRQ的信息，Source sNB则根据报告的情况直接决定切 换操作请求的发起；触发事件分A、B两类，前者用于系统内切换，后者用于系统间 切换；测量报告根据上传的方式分周期型测量报告和触发型测量报告，前者每隔一段 时间上报最强小区，后者则只在达到所需条件时才进行上报。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤B2中，还包括：
步骤HE1，Source sNB通过NG-AP接口向GCC发送切换请求消息，并附带Target sNB的基站ID。
步骤HE2，GCC接收到切换请求并从中获取Target sNB的基站ID后，通过NG-AP 接口告知Target sNB做好相关资源的预留工作。
步骤HE3，Target sNB做好资源的准备工作后返回切换确认的响应，响应消息中包含有Target sNB为UE分配的随机接入信道前导码、为GW分配的GTP-U接口IP 地址和隧道端点标识以及为Source sNB前向数据转发而分配的传输层IP地址和TEID。
步骤HE4，GCC收到Target sNB的响应后，将相关消息通过GTP-C接口告知GW。
步骤HE5，GW完成相关资源的分配工作后返回响应给GCC。
步骤HE6，GCC确认下行数据间接转发隧道建立后，通过NG-AP接口告知Source sNB相关资源的预留及分配工作已经完成，发起切换命令。
步骤HE7，Source sNB收到消息后将Target sNB的ID以及Target sNB为UE分 配的RACH前导码封装于RRC重配置消息中，并在RRC层发送给UE端。
步骤HE8和步骤HE9，Source sNB在执行步骤HE7的同时，在NG-AP接口上间 接通过GCC将状态转移消息发送给Target sNB，其中包含有用户数据包传输过程的序 列号码记录；此时，对于用户面的下行数据而言，Source sNB-GW-Target sNB的下行 数据转发隧道已完全打通，用户面下行数据从原来的GW-Source sNB-UE路径改由 GW-Source sNB-GW-Target sNB传输，并在Target sNB和UE建立下行数据信道之 前，一直缓存在Target sNB中；而对于用户面的上行数据而言，其仍然沿着UE-Source sNB-GW的路径进行传输，但当UE端接收到步骤HE7中的RRC重配置消息并解析 出切换执行的命令后，即刻便断开与SourcesNB在RRC层面上的连接，进入RRC Idle 状态，此时用户面数据的上行传输路径UE-SourcesNB-GW被迫中断。
步骤HE10、步骤HE11和步骤HE12，UE凭借从步骤HE7中获得的由Target sNB 为其专门分配的RACH前导码向Target sNB发起避免碰撞从而降低时延的无竞争随机 接入请求，Target sNB接收接入请求并调整预留的上行资源形成RACH响应，随后UE 回传RRC重配置完成消息，与Target sNB完成上行同步，由RRC Idle状态进入RRC Connected状态；在完成新节点的接入后，上行用户数据信道恢复为UE-Target sNB-GW 路径，Target sNB到UE端的下行用户数据信道也成功打通，此时用户数据服务成功 恢复，但是，此时GW侧的用户面数据仍然传输给Source sNB，随后Source sNB再 经数据转发隧道通过GW间接传输给Target sNB。
步骤HE13，Target sNB通过NG-AP告知GCC切换命令执行完毕。
步骤HE14和步骤HE15，GCC得知切换任务完成后通过GTP-C接口请求GW调 整用户数据承载，将下行用户数据路径由GW-Source sNB改至GW-Target sNB，GW 收到请求消息后立刻调整数据承载，将数据从面向Source sNB的GTP-U接口全部转 移至面向Target sNB的GTP-U接口传输，并返回承载调整响应，此时下行用户数据 路径成功调整为GW-TargetsNB-UE。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤B3中，还包括：
步骤RR1，GCC经NG-AP接口通知Source sNB释放此前为完成切换操作而分配 的所有相关资源和UE上下文。
步骤RR2，Source sNB完成相关释放工作后经NG-AP接口返回释放已完成的响 应。
步骤RR3，GCC经GTP-C接口通知GW拆除数据转发隧道，释放此前为实现Source sNB到Target sNB数据转发而分配的所有相关资源。
步骤RR4，GW完成相关释放工作后经GTP-C接口返回释放已完成的响应。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤7中，基于NIOL的软切换包括：
步骤C1，切换准备阶段，包括：
步骤HP0001，Source sNB在RRC层将测量控制信息通过RRC重配置消息发送给 UE，测量控制信息包括参考信号接收功率、参考信号接收质量和路径损耗。
步骤HP0002，UE在RRC层接收到测量控制信息后返回RRC重配置完成的响应 给Source sNB，并开始根据测量控制信息指示物理层执行相关测量操作。
步骤HP0003，UE持续测量，当满足一定触发事件后上传测量报告给Source sNB，报告中包含有相关RSRP、RSRQ的信息，Source sNB则根据测量报告的情况直接决 定切换操作请求的发起；触发事件分A、B两类，前者用于系统内切换，后者用于系 统间切换；测量报告根据上传的方式分周期型测量报告和触发型测量报告，前者每隔 一段时间上报最强小区，后者则只在达到所需条件时才进行上报。
步骤C2，切换执行阶段，包括：
步骤HE0001和步骤HE0002，由Source sNB判断DRB配置并发起DAPS切换， 间接通过GCC向Target sNB传达切换请求。
步骤HE0003，Target sNB做好资源的准备工作后向GCC返回确认响应。
步骤HE0004和步骤HE0005，GCC告知Source sNB，随之Source sNB告知UE， 当前状态可以执行切换操作。
步骤HE0006和步骤HE0007，Source sNB在执行步骤HE0005的同时，通过NG-AP 接口间接通过GCC向Target sNB进行提前的状态转移，以此向Target sNB传达PDCP 层第一个用户数据单元的下行计数，此时，用户面的上行数据传输仍经Source sNB维 持进行，而对于用户面的下行数据，Source sNB-GW-Target sNB的间接数据转发隧道 成功创建，一部分用户面下行数据可以从原来的GW-Source sNB-UE路径改由 GW-Source sNB-GW-TargetsNB间接传输，并在Target sNB和UE建立下行数据信 道之前，一直缓存在Target sNB中，而另一部分下行数据仍然经过Source sNB的无 线链路进行传输。
步骤HE0008、步骤HE0009和步骤HE0010，UE采用基于RACH前导码的无竞 争随机接入方法接入Target sNB，在完成新节点的接入后，上行用户数据信道恢复为UE-TargetsNB-GW路径，Target sNB到UE端的下行用户数据信道也成功打通，此时 用户数据服务成功恢复，且此时GW侧的用户面数据仍然传输给Source sNB，Source sNB经Xn接口数据转发隧道直接传输给Target sNB，DAPS切换下接入Target sNB 的时刻发生在UE从Source sNB去附着之前，UE完成到Target sNB的随机接入意味 着用户层面的部分上下行数据传输可经Target sNB链路完成。
步骤HE0011、步骤HE0012、步骤HE0013和步骤HE0014，UE侧成功接入Target sNB后，Target sNB通过GCC间接告知Source sNB切换已成功，Source sNB再通过 GCC间接向Target sNB传输最后一个用户数据单元的下行计数，随后执行其与UE侧 的去附着过程，经Source sNB进行用户数据传输的相关链路到此完全中断。
步骤HE0015和步骤HE0016，实现了GW下行数据承载的转换任务，经此阶段后 下行数据传输直接经过Target sNB完成。
步骤C3，资源释放阶段，包括：
步骤RR0001和步骤RR0002，实现UE侧上下文的释放，销毁步骤HE0006和步 骤HE0007提及的间接数据转发隧道。
本发明的有益效果是：1.本发明的链路切换方法能够提高GEO-LEO切换的成功概率和服务地区的用户满意度；2.本发明的链路切换方法为高低轨卫星网络提供了一种参考，对未来网络技术灵活性具有很大的支持力度。
附图说明
图1是本发明高低轨卫星混合网络的网络架构图；
图2是本发明基于NIOL的高低轨卫星链路硬切换流程图；
图3是本发明A3事件触发周期上报示意图；
图4是本发明高低轨卫星混合网络的虚拟化核心网结构；
图5是本发明基于NFV+IOL的高低轨卫星链路硬切换流程图；
图6是本发明DAPS-UE无缝切换的双连接示意图；
图7是本发明NFV+IOL+DAPS的高低轨卫星链路无缝切换流程；
图8是本发明DAPS无缝切换HE阶段的流程图；
图9是本发明NFV+NIOL+DAPS的高低轨卫星链路无缝切换流程；
图10是本发明GEO-LEO卫星混合网络的切换策略流程图；
图11是本发明基于SDN架构的高低轨卫星混合网络结构图；
图12是本发明SDSN架构下的HJ阶段流程图。
具体实施方式
本发明公开的一种面向高低轨卫星混合网络的链路切换方法基于高低轨卫星混合 的网络背景，围绕链路切换进行了下述具体工作：
设计了高低轨卫星混合网络GEO-LEO卫星链路切换的具体流程。结合地面蜂窝 通信网络架构的相关3GPP协议标准，以地面无线链路两种切换(S1/NR切换与X2/Xn 切换)为切入点，本发明考虑了轨间链路(Inter Orbit Link,IOL)的选择情况，并结 合网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization,NFV)和软件定义网络(Software DefineNetwork,SDN)技术对流程进行了理论上的改进和分析。随后，针对在实时语 音视频业务背景下由于负载均衡导致LEO卫星切换至GEO卫星场景的高服务中断时 间(HandoverInterruption Time,HIT)问题，增设多天线承载设备下的无缝切换机制 以优化HIT现状，在理论上给出了针对GEO-LEO卫星链路切换的有效策略。
本发明主要由以下三个部分组成：
一.GEO-LEO卫星链路硬切换流程的设计与分析
二.GEO-LEO卫星链路无缝切换流程的设计与分析
三.基于一和二的高低轨卫星链路切换策略的设计
●GEO-LEO卫星链路硬切换流程的设计与分析
此部分又分为两个子部分。首先是基于非轨道间链路(Non Inter Orbit Link,NIOL) 的硬切换流程设计及其分析。
高低轨卫星混合网络的网络架构如图1所示。该混合卫星网络架构下的接入网部分由GEO卫星和LEO卫星共同组成，地面控制中心(Ground Control Center,GCC) 可类比于4G LTE网络架构的移动管理实体(Mobile Management Entity,MME)和 5G NR网络架构的接入和移动性管理功能(Access and Mobility Management Function, AMF)，其与地面网关(Gateway,GW)部分一同构成卫星网络的核心网。
基于地面成熟的LTE S1切换和5G NR无线通信网络架构，不考虑GEO卫星基 站和LEO卫星基站之间的轨间链路(Inter Orbit Link,IOL)，将卫星基站作为基站组 件集成到蜂窝通信生态中，可以设计出如图2所示的基于NIOL的高低轨卫星链路硬 切换流程(简称基于NIOL的硬切换)。所示流程整体可分为三个阶段：切换准备 (Handover Preparation,HP)阶段、切换执行(Handover Execution,HE)阶段和资 源释放(Resources Release,RR)阶段。源卫星节点(Source satellite eNodeB,Source sNB)是切换流程的智能实体，切换的发起与否由其直接决定。
(1)阶段HP对应图2中步骤HP1到步骤HP3。该阶段的主要任务是进行切换测 量并将相关测量结果交给Source sNB，Source sNB根据测量结果决定是否发起切换。
步骤HP1：Source sNB在RRC层将测量控制信息通过RRC重配置消息发送给UE， 控制信息主要包括参考信号接收功率(Reference Signal Receiving Power,RSRP)、参 考信号接收质量(Reference Signal Receiving Quantity,RSRQ)和路径损耗等。
HP2：UE在RRC层接收到测量控制信息后返回RRC重配置完成的响应给Source sNB，并开始根据测量控制信息指示物理层执行相关测量操作。
HP3：UE持续测量，当满足一定触发事件(Trigger Event,TE)后上传测量报告(Measurement Report,MR)给Source sNB，报告中包含有相关RSRP、RSRQ等信 息，SourcesNB则根据报告的情况直接决定切换操作请求的发起。TE分A、B两类， 前者用于系统内切换，后者用于系统间切换，具体分有A1-A5、B1-B2事件；MR根 据上传的方式分周期型MR和触发型MR，前者每隔一段时间上报最强小区，后者则 只在达到某条件时才进行上报。
针对高低轨卫星网络的星地链路情况，设计选用触发型和周期型结合的触发周期型 上报方式，研究兼顾负载均衡要求的A3触发事件。该事件如式(1.1)所示：
Mn+Ofn+Ocn-Hys＞Ms+Ofs+Ocs+Off (1.1)
其中，Mn和Ms是UE物理层对目标卫星节点(Target satellite eNodeB,TargetsNB) 和Source sNB的RSRP或RSRQ测量结果；Ofn和Ofs是Target sNB和Source sNB的 频率特定偏置；Ocn和Ocs也是一个偏量置，但该偏置由Source sNB在HP1下发的测量 控制信息决定，Source sNB可以根据负载情况临时改写，用于触发负载均衡的切换；Hys表示迟滞参数；Off表示事件A3的偏置量，值越大触发的难度也越大，可以达到延迟 切换的目的。A3事件触发周期型上报的示意图如图3所示。
概括来说A3事件的触发公式可以如式(1.2)所示：
Mn+Offsetall＞Ms (1.2)
其中，Offsetall表示触发切换条件的所有偏移影响的偏移量之和，满足 Offsetall＝Ofn+Ocn-Hys-Ofs-Ocs-Off，Offsetall越大越早进入触发时刻，切换的难度 也越小。触发时间(Time To Triger,TTT)的设置则可以在一定程度上避免乒乓效应， 减少不必要的切换。因此，当Target sNB的RSRP或RSRQ高于Source sNB并持续 超过TTT时，UE便可以形成测量报告，执行周期型上报。
(2)阶段HE对应图中步骤HE1到步骤HE15。由于Source sNB和Target sNB 之间不存在IOL，因此二者之间的信令传输必须得通过中间媒介GCC间接传达。
步骤HE1：Source sNB通过NG-AP接口向GCC发送切换请求消息，并附带Target sNB的基站ID。
步骤HE2：GCC接收到切换请求并从中获取Target sNB的基站ID后，通过NG-AP 接口告知Target sNB做好相关资源的预留工作。
步骤HE3：Target sNB做好资源的准备工作后返回切换确认的响应，响应消息中包含有Target sNB为UE分配的随机接入信道(Random Access Channel Preamble, RACH)前导码、为GW分配的GTP-U接口IP地址和隧道端点标识(Tunnel Endpoint Identifier,TEID)以及为Source sNB前向数据转发而分配的传输层IP地址和TEID。
步骤HE4-HE5：GCC收到Target sNB的响应后，将相关消息通过GTP-C接口告 知GW，GW完成相关资源的分配工作后返回响应给GCC。
步骤HE6：GCC确认下行数据间接转发隧道建立后，通过NG-AP接口告知Source sNB相关资源的预留及分配工作已经完成，可以发起切换命令。
步骤HE7：Source sNB收到消息后将Target sNB的ID以及Target sNB为UE分 配的RACH前导码等相关信息封装于RRC重配置消息中，并在RRC层发送给UE端。
步骤HE8-HE9：Source sNB在执行步骤HE7的同时，在NG-AP接口上间接通过 GCC将状态转移(Status Transfer,ST)消息发送给Target sNB，其中包含有用户数据 包传输过程的序列号码(Sequence Number,SN)记录，该信息可以保证切换前后用 户层面数据的正确接续。此时，对于用户面的下行数据而言，Source sNB-GW-Target sNB的下行数据转发隧道已完全打通，用户面下行数据从原来的GW-Source sNB-UE 路径改由GW-Source sNB-GW-Target sNB传输，并在Target sNB和UE建立下行数 据信道之前，一直缓存在Target sNB中；而对于用户面的上行数据而言，其仍然沿着 UE-Source sNB-GW的路径进行传输，但当UE端接收到HE7中的RRC重配置消息 并解析出切换执行的命令后，即刻便断开与SourcesNB在RRC层面上的连接，进入 RRC Idle状态，此时用户面数据的上行传输路径UE-SourcesNB-GW被迫中断。需 要注意的是，步骤HE7控制信令到达UE端的那一时刻之前，UE端还能收到数据中断 前由Source-sNB发来的最后一个用户数据包，而在那一时刻之后，UE端才执行上行 用户数据信道的中断操作。因此，在UE端收到控制信令之后、执行中断操作之前的时刻，便是用户数据服务中断的时刻。
步骤HE10-HE12：UE凭借从步骤HE7中获得的由Target sNB为其专门分配的 RACH前导码向Target sNB发起避免碰撞从而降低时延的无竞争随机接入请求，而非 普通的基于竞争的随机接入请求。Target sNB接收接入请求并调整预留的上行资源形 成RACH响应，随后UE回传RRC重配置完成消息，与Target sNB完成上行同步， 由RRC Idle状态进入RRCConnected状态。需要说明的是，步骤HE10-12主要是对 UE端在RRC层接入Target sNB这个具体过程的简明描述，实际信令不止图中所示的 3条信令。在完成新节点的接入后，上行用户数据信道恢复为UE-Target sNB-GW路 径，Target sNB到UE端的下行用户数据信道也成功打通，此时用户数据服务成功恢 复。但是，此时GW侧的用户面数据仍然传输给SourcesNB，随后Source sNB再经 数据转发隧道通过GW间接传输给Target sNB。
步骤HE13：Target sNB通过NG-AP告知GCC切换命令已执行完毕。
步骤HE14-HE15：GCC得知切换任务完成后通过GTP-C接口请求GW调整用户 数据承载，将下行用户数据路径由GW-Source sNB改至GW-Target sNB。GW收到 请求消息后立刻调整数据承载，将数据从面向Source sNB的GTP-U接口全部转移至 面向Target sNB的GTP-U接口传输，并返回承载调整响应。此时下行用户数据路径 成功调整为GW-Target sNB-UE。
(3)阶段RR对应图中步骤RR1到RR4。该阶段的主要任务是完成切换操作的收 尾工作，在Source sNB侧和GW侧释放相关信道资源。
步骤RR1-RR2：GCC经NG-AP接口通知Source sNB释放此前为完成切换操作而 分配的所有相关资源和UE上下文，Source sNB完成相关释放工作后返回释放已完成 的响应。
步骤RR3-RR4：GCC经GTP-C接口通知GW拆除数据转发隧道，释放此前为实 现Source sNB到Target sNB数据转发而分配的所有相关资源，GW完成相关释放工作 后返回释放已完成的响应。
步骤RR4中GCC收到GW响应标志着基于NIOL的硬切换流程完全结束。
如图2所示，从Source sNB触发切换并决定通过NG-AP接口向GCC发送切换请 求信令的那一时刻开始，切换定时器开始计时，直到步骤RR4的完成标志着切换的完 全结束，定时器停止计时，整段时间即为切换操作的切换时延(Handover Latency,HL)。 而切换中的服务中断时间(Handover Interruption Time,HIT)可以定义为UE中断与 Source sNB数据传输的时刻到UE恢复与Target sNB数据传输的时刻之间的持续时间， 更具体一点，HIT其实指的是UE在Source sNB收到的最后一个用户数据包和在Target sNB收到的第一个用户数据包之间的时间间隔。在无线网络的链路切换中，HL和HIT 是两个十分重要的性能评价指标，前者越大意味着完成这一切换操作的耗时越长，切 换成功的概率也随之降低，而后者则直接影响用户满意度，3GPP TS 22.278协议在关 于EPS核心网服务的要求中，提出了对于话音业务连续性的中断时间建议，建议指出 中断时间不得超过300ms，否则用户层面便会明显感觉到通话的中断。
对于地面无线通信网络架构，UE到基站的接口为空中接口，电磁波在空中的传播速度近3×108m/s，光纤有线连接其传播速度也有2×108m/s，因此相较于地面各实体 之间控制信令的处理时延，其传播时延一般都可以忽略不计。而对于高低轨卫星通信 网络架构，由于卫星基站到UE端和GCC端之间的接口均为空中接口，考虑范艾伦带 的影响，将LEO卫星星地最小距离限制在200-1600km之间，但GEO卫星到地面的最 小距离达35768km，相较于处理时延，此时传播时延将无法忽略，且对于与GEO卫星 有关的信令过程，其传播时延更是在总时延中占据主导地位。基于此，考虑将传播时 延作为切换过程信令优化的主要考量，得出基于NIOL的总
Figure BDA0003831634150000101
和
Figure BDA0003831634150000102
如式 (1.3)和式(1.4)所示：
Figure BDA0003831634150000111
Figure BDA0003831634150000112
式中各项分别表示某节点到其它节点之间的传播时延。
LEO卫星网络链路切换的研究工作已有不少。在高低轨卫星混合网络中，资源充足情况下一般优先考虑使用LEO卫星进行通信，对于一般的GEO卫星向LEO卫星切 换的场景，LEO卫星将作为Target sNB，在步骤HE10-13中UE接入Target sNB将涉 及3条以上的控制信令，但由于光速传播，LEO卫星星地传播所带来的单程传播时延 最大也不会超过15ms，因此从用户层面上看仍然可以接受。而由于对未来卫星互联网 的多业务大容量要求，考虑当前无线传输业务负荷量较大急需GEO卫星协助LEO卫 星实现负载均衡的情况下，LEO卫星向GEO卫星切换的触发便很可能会出现，此时 GEO卫星作为Target sNB，即使考虑GEO卫星的最小星地距离35786km，一条信令的 单程传播延迟也将至少增加110ms，这将极大提高性能指标HL和HIT的值，从而导 致更高的切换失败概率和更低的用户满意度。
为压缩切换操作的总信令过程，降低GEO-LEO卫星整体切换流程的传播延迟并且兼顾到为完成切换操作而消耗的信令负载资源，第二个子部分，考虑应用目前5G商用 关键技术中的NFV技术，并结合考量目前星链(Starlink)计划中已经实现的IOL技术， 对基于NIOL的切换流程进行理论性改进，以求进一步提高GEO-LEO切换的成功概率 和服务地区的用户满意度。
NFV是一种基于软硬件完全解耦技术的网络架构概念，它能够基于通用硬件对几乎所有网络功能节点实现软件化操作，利用到所有网络实体的硬件设备资源。更具体 的是，它能够使得传统意义上通过专有硬件实现的网络实体被虚拟机(Virtual Machine，VM)所取代，多个VM可以共享单个物理机上的共享资源，而软件则可以在VM上运 行从而提供与之相同的功能。NFV技术可以打破网络专用硬件的诸多限制，不仅可以 大大提高硬件的资源利用率，还能大大降低网络运营商在网络构建和设备维护等方面 的资本支出(Capital Expenditures，CAPEX)和运营支出(Operating Expenditures，OPEX)。 此外，在网络中采用NFV技术，还可以方便有效地扩展和修改网络，较传统网络而言 具有更低的复杂性和更大的网络弹性。业界共识是，当前仍在搭建的5G网络必是高度 具备自动化的智能网络，NFV技术已然成为5G的发挥主场，虽然当前相关大型运营 商其网络架构功能节点的虚拟化程度还未达到100％，但NFV技术也还同样在不断地 发展和进步当中。
对于本发明讨论的高低轨混合网络背景下的网络实体GW和GCC，同样可以采用NFV技术通过虚拟化提供优化的控制平面和数据平面，用单台物理机上的不同虚拟机 进行相应节点的替代，实现网络功能节点的融合，尽可能减少物理网络上发生的事务， 降低网络控制流量，从而优化基于NIOL的链路切换流程，在一定程度上降低成本、 功耗和网络复杂性。因此，鉴于地面移动网络虚拟化的趋势，基于NFV技术的高低轨 卫星混合网络的地面核心网可虚拟化如图4所示。图中左侧为采用分布式硬件组织的 传统核心网架构，右侧是基于弹性网络服务(Elastic Compute Service，ECS)，即云服 务器设计的虚拟化核心网(Virtual Core Network，VCN)架构。
传统核心网的各个节点功能均基于专有硬件实现，各节点之间通过有线连接进行数 据传输，所示节点仅为真实核心网中的主要部分，实际涉及的功能节点众多，因此核 心网中的专有设备也十分庞杂。VCN则完全基于通用服务器硬件，打破了专有硬件的 限制，且能灵活分配虚拟硬件资源，各节点可以根据自身的资源需求协调进行资源的 释放和扩展，当涉及大数据量业务传输时尽可能增加在用户平面的资源可以带来更高 的传输速率，从而进一步提高用户的满意度。而由于VCN网络节点在云服务器的聚集 性，原先地面各节点之间的传播延迟便可不再纳入考虑，式(1.3)所表示的HL可优化如 式(1.5)所示：
Figure BDA0003831634150000121
相较于传统的核心网架构，由于GCC和GW的聚合，GCC和GW之间几乎不存 在有线链路的连接传播，因此VCN架构可以在图4的基础上基于传播延迟角度删减步 骤HE4-HE5、步骤HE14-HE15和步骤RR3-RR4，有效降低控制信令层面的流量负载， 将涉及地面段网络节点之间的传播延迟实现理论上的最佳优化。但对于卫星通信网络， 传播延迟方面仍需将星地之间的通信作为主要考虑。
参考地面成熟网络架构的LTE X2切换和NR Xn切换，考虑GEO卫星和LEO卫 星之间存在可用的IOL，在虚拟化核心网的基础上，可以改进出如图5所示的基于NFV 和IOL的高低轨卫星链路硬切换流程(简称基于IOL的硬切换)。
相较于图2，考虑IOL的情况下意味着Source sNB和Target sNB之间可以直接建链并传输数据。基于IOL的链路的硬切换有以下这些关键特点：
·考虑Source sNB与Target sNB均由同一个GCC服务，那么整个切换流程基本 由两个sNB来直接执行；
·GCC只参与GW侧至Target sNB侧的用户下行路径交换，负责交换路径相关信 令的转发，与Source sNB之间将不存在信令的直接往来；
·用户层面下行数据间接转发的隧道需求不再，切换完成后Source sNB资源的释放工作也不再经过GCC的控制来完成，相关触发和执行的信令传输全权交由Target sNB负责。
切换过程中Source sNB仍是切换智能实体，切换的发起决策直接取决于它。切换的整体流程除HE阶段外变化不大。
(1)阶段HP没有变化，对应图中步骤HP01到步骤HP03。
(2)阶段HE对应图中步骤HE01到步骤HE09。考虑到Source sNB和Target sNB 之间存在IOL，二者之间的信令传输不需要再通过中间媒介GCC间接传达，下行数据 转发隧道可以直接建立并进行数据传输缓存。
步骤HE01：Source sNB直接通过Xn-AP接口向Target sNB发送切换请求消息， 通知其做好相关资源的预留工作。
步骤HE02：Target sNB做好资源的准备工作后直接向Source sNB返回确认响应，响应消息中包含有为UE分配的RACH Preamble，告知Source sNB相关资源的预留及 分配工作已经完成，可以通知UE执行相关切换操作。
步骤HE03：Source sNB收到消息后将包括Target sNB的ID以及Target sNB为 UE分配的RACH前导码相关信息封装于RRC重配置消息中，并在RRC层发送给UE 端。
步骤HE04：Source sNB在执行HE3的同时，直接通过Xn-AP接口将ST消息发 送给Target sNB，其中包含有用户数据包传输过程的序列号码SN记录。此外，与此前 不同的是，对于用户面的下行数据而言，Source sNB-Target sNB的下行数据转发隧道 被完全打通，用户面下行数据可以从原来的GW-Source sNB-UE路径改由GW-Source sNB-Target sNB直接传输，并在Target sNB和UE建立下行数据信道之前，一直缓存 在Target sNB中。
步骤HE05-步骤07：UE同样采用基于RACH前导码的无竞争随机接入方法接入Target sNB。在完成新节点的接入后，上行用户数据信道恢复为UE-Target sNB-GW 路径，Target sNB到UE端的下行用户数据信道也成功打通，此时用户数据服务成功 恢复。但此时GW侧的用户面数据仍然传输给Source sNB，Source sNB经Xn接口数 据转发隧道直接传输给Target sNB。
步骤HE08-步骤09：Target sNB通过NG-AP接口与GCC完成路径承载切换的任 务。
(3)阶段RR对应图中步骤RR1到步骤RR2。由于没有下行数据间接转发隧道的 需求，该阶段也无需针对此信道进行拆卸工作。
步骤RR1-步骤RR2：由Target sNB经Xn-AP接口通知Source sNB释放此前为 完成切换操作而分配的所有相关资源和UE上下文，并拆卸二者之间的数据转发隧道， SourcesNB完成相关工作后返回响应。
步骤RR2中Target sNB收到Source sNB的响应便标志着该切换流程已完全结束。
图5所示考虑IOL存在的切换流程在切换信令数量上，即控制信令的流量负载上，明显有了一定程度上的优化，但其整体传播时延的改善效果还需根据高低轨卫星的不 同切换场景来判断。式(1.5)优化后如式(1.6)所示：
Figure BDA0003831634150000141
空间场景考虑GCC位于我国粤港澳地区某处，与赤道垂直直线距离约2500km， 参考我国于2020年发射的首颗LEO宽带卫星所处1200km的轨道高度，以离珠江口某 船舰终端最近的地球静止卫星(Geostationary Orbit，GSO)为例，考虑到其与船舰正 上方LEO卫星的星地距离差异，可忽略其与LEO卫星、UE、GCC之间的角度偏差， 应用简单的数学运算可得GEO卫星星地约35800km，为方便计算，认为GEO卫星星 地距离36000km，LEO卫星星地距离1200km，两距之差作为两卫星之距。该空间场景 下不同切换场景的优化效果如表1所示。表中diffT表示时间差异，diffD表示距离差异， e为理论优化效果的体现。
表1基于NFV结合IOL的GEO(LEO)切LEO(GEO)优化效果
Figure BDA0003831634150000142
对于从GEO卫星切换到LEO卫星的切换场景，在上述空间场景的背景下，可以 降低260ms左右的传播时延，而对于因为负载均衡要求导致的LEO卫星切换到GEO 卫星的切换场景，虽然整体网络的信令流量负载有了明显降低，但传播延迟方面却增 加了大约320ms，而这也正是因为高低轨卫星混合网络的高低轨卫星其巨大的星地距 离差异所直接导致的。基于此，以HL的优化为主要角度，针对高低轨卫星混合网络的 链路硬切换设计，考虑GEO卫星切换到LEO卫星时优先采用基于IOL的切换策略， 而LEO卫星切换到GEO卫星时则优先采用基于NIOL的切换策略。
●GEO-LEO卫星链路无缝切换流程的设计与分析
在实时语音视频业务的背景下，对于LEO卫星切换到GEO卫星的场景，考虑到 硬切换“先断后接”的特性以及上述针对链路硬切换的设计和改进均无法优化HIT的 现状，并鉴于GEO卫星星地距离的极端特性，考虑在该网络架构中增加设计“先接后 断”的软切换，即无缝切换方式。
无缝切换方式与硬切换方式的特质完全相反，它能够在切换的过程中使UE与Source sNB继续保持链路的数据传输，只有在UE和Target sNB建立稳定通信后，UE 与Source sNB之间的链路传输才被中断。因此，无缝切换体制下的UE有双连接的需 求，需要硬件支持，装置上应具备至少两根天线，并且在用户协议栈方面，UE侧一般 还应需具有双激活协议栈(Dual Active Antenna Stack,DPAS)的特点。
在地面通信网络中，4G LTE和早期的5G NR采用的切换机制均为硬切换机制， UE必须得先从源小区释放链路，才能执行建立链路并接入目标小区的操作。因此，在 UE释放源小区链路之后接入目标小区之前，用户层面和基站之间的通信必然会导致一 定程度上的中断，而这种用户层面的中断对于使用5G的高可靠低时延通信(Ultra Reliable LowLatency Communication，URLCC)的用例应用而言非常致命。因此，3GPP 在Release 16中提出了DAPS技术，该技术会使得UE与源小区一直保持在连接传输状 态，当UE与目标小区成功建立稳定的链路传输后，再执行UE与源小区的链路释放。
因此，针对高低轨卫星混合网络的实时语音视频业务，对于LEO卫星切换到GEO 卫星的高HIT现状场景，考虑在UE侧采取DAPS技术，具备双协议栈的UE及其双 连接通信的示意图如图6所示。
其中RLC_S表示UE与Source sNB之间的RLC层，RLC_T表示UE与Target sNB 之间的RLC层，其它同理。由于UE在切换过程需要从Source sNB和Target sNB中同 时接收用户层面的数据，具备双协议栈的UE其PDCP层被重配置为一个公共PDCP 实体，在切换过程中严格保持PDCP序列号即SN的连续性，即可确保用户数据的传输 严格依照既定顺序。
基于DAPS的思想，考虑UE侧具备双协议栈，可以设计出如图7所示的理论HIT 为0ms的无缝切换流程。相较于硬切换，无缝切换在硬件层面提出了双天线要求，提 高了一定的复杂度和成本代价，在资源层面也提出了同时占用两条信道的资源需求， 增强了信道资源的占用力度。
相较于图5，考虑UE侧具备DAPS的情况下意味着UE可以与Source sNB和TargetsNB同时建链并进行数据传输，具体的流程变化仍然集中在HE阶段。更详细的基于 DAPS的链路无缝切换流程(简称基于IOL的软切换)如下：
步骤HE001：由Source sNB判断数据无线电承载(Date Radio Bearer，DRB)配 置并发起DAPS切换，向Source sNB传达切换请求。
步骤HE002-HE003：Target sNB做好资源的准备工作后直接向Source sNB返回 确认响应，Source sNB通过RRC重配置消息告知UE端此时可以发起切换。
步骤HE004：Source sNB在执行步骤HE003的同时，通过Xn-AP接口进行提前 的状态转移，以此向Target sNB传达PDCP层第一个用户数据单元的下行计数。此外， 与此前不同的是，用户面的上行数据传输仍经Source sNB维持进行；而对于用户面的 下行数据，Source sNB-Target sNB的下行数据转发隧道被完全打通，一部分用户面下 行数据可以从原来的GW-Source sNB-UE路径改由GW-Source sNB-Target sNB直接 传输，并在TargetsNB和UE建立下行数据信道之前，一直缓存在Target sNB中，而 另一部分下行数据仍然经过Source sNB的无线链路进行传输。
步骤HE005-HE007：以此前对应内容相比基本没有变化，唯一的不同在于，DAPS 切换下接入Target sNB的时刻发生在UE从Source sNB去附着之前，而非去附着之后。 这也正是DAPS实现无缝切换的直接体现。UE完成到Target sNB的随机接入意味着 用户层面的部分上下行数据传输可经Target sNB链路完成。
步骤HE008-HE009：UE侧成功接入Target sNB后，Target sNB向Source sNB 告知切换已成功，Source sNB通过sNB Status传输最后一个用户数据单元的下行计数， 随后执行其与UE侧的去附着过程，经Source sNB进行用户数据传输的相关链路到此 也完全中断。
步骤HE010-HE011：此步骤同样由Target sNB经GCC实现GW下行数据承载的 转换任务。经此阶段后下行数据传输直接经过Target sNB完成，不再由转发隧道间接 完成。
其HE阶段如图8所示。
由图可见，基于DAPS的链路无缝切换的关键特点可总结如下：
·硬件层面有额外要求，UE侧需要具备双天线和双协议栈的基本配置；
·完成切换所需要的信道资源也有额外要求，相比于链路硬切换，链路无缝切换需要占用更多的信道资源，控制信令层面的复杂度和系统成本及负荷均有所提高；
·由于不存在用户层面数据传输的中断，理论HIT为0ms。
因此，针对硬切换方式下LEO卫星切换到GEO卫星存在的高HIT问题，为了避 免用户层面感受到很明显的通话中断，进而直接降低用户满意度，我们可以优先采用 基于DAPS的无缝切换方式。
最后，结合第一部分内容的分析结论，对于上述所讨论的实时语音视频业务，LEO卫星切换到GEO卫星时，本发明采取基于NIOL的切换策略。由此，根据图7的基于 IOL的无缝切换流程，结合第一部分内容，可设计基于NFV+NIOL+DAPS的高低轨卫 星链路无缝切换流程(简称基于NIOL的软切换)如图9所示，更详细的HE阶段易由 图8推出。
基于NIOL的软切换包括：
步骤C1，切换准备阶段，包括：
步骤HP0001，Source sNB在RRC层将测量控制信息通过RRC重配置消息发送给 UE，测量控制信息主要包括参考信号接收功率(Reference Signal Receiving Power, RSRP)、参考信号接收质量(Reference Signal Receiving Quantity,RSRQ)和路径损 耗。
步骤HP0002，UE在RRC层接收到测量控制信息后返回RRC重配置完成的响应 给Source sNB，并开始根据测量控制信息指示物理层执行相关测量操作。
步骤HP0003，UE持续测量，当满足一定触发事件(Trigger Event,TE)后上传 测量报告(Measurement Report,MR)给Source sNB，Source sNB则根据测量报告的 情况直接决定切换操作请求的发起；测量报告中包含有相关RSRP、RSRQ等信息；触 发事件TE分A、B两类，前者用于系统内切换，后者用于系统间切换，具体分有A1-A5、 B1-B2事件；MR根据上传的方式分周期型MR和触发型MR，前者每隔一段时间上报 最强小区，后者则只在达到所需条件时才进行上报。
步骤C2，切换执行阶段，包括：
步骤HE0001和步骤HE0002，由Source sNB判断DRB配置并发起DAPS切换， 间接通过GCC向Target sNB传达切换请求。
步骤HE0003，Target sNB做好资源的准备工作后向GCC返回确认响应。
步骤HE0004和步骤HE0005，GCC告知Source sNB，随之Source sNB告知UE， 当前状态可以执行切换操作。
步骤HE0006和步骤HE0007，Source sNB在执行步骤HE0005的同时，通过NG-AP 接口间接通过GCC向Target sNB进行提前的状态转移，以此向Target sNB传达PDCP 层第一个用户数据单元的下行计数，此时，用户面的上行数据传输仍经Source sNB维 持进行，而对于用户面的下行数据，Source sNB-GW-Target sNB的间接数据转发隧道 成功创建，一部分用户面下行数据可以从原来的GW-Source sNB-UE路径改由 GW-Source sNB-GW-TargetsNB间接传输，并在Target sNB和UE建立下行数据信 道之前，一直缓存在Target sNB中，而另一部分下行数据仍然经过Source sNB的无 线链路进行传输。
步骤HE0008、步骤HE0009和步骤HE0010，UE采用基于RACH前导码的无竞 争随机接入方法接入Target sNB，在完成新节点的接入后，上行用户数据信道恢复为 UE-TargetsNB-GW路径，Target sNB到UE端的下行用户数据信道也成功打通，此时 用户数据服务成功恢复，且此时GW侧的用户面数据仍然传输给Source sNB，Source sNB经Xn接口数据转发隧道直接传输给Target sNB，DAPS切换下接入Target sNB 的时刻发生在UE从Source sNB去附着之前，UE完成到Target sNB的随机接入意味 着用户层面的部分上下行数据传输可经Target sNB链路完成。
步骤HE0011、步骤HE0012、步骤HE0013和步骤HE0014，UE侧成功接入Target sNB后，Target sNB通过GCC间接告知Source sNB切换已成功，Source sNB再通过 GCC间接向Target sNB传输最后一个用户数据单元的下行计数，随后执行其与UE侧 的去附着过程，经Source sNB进行用户数据传输的相关链路到此完全中断。
步骤HE0015和步骤HE0016，实现了GW下行数据承载的转换任务，经此阶段后 下行数据传输直接经过Target sNB完成。
步骤C3，资源释放阶段，包括：步骤RR0001和步骤RR0002，实现UE侧上下文 的释放，销毁步骤HE0006和步骤HE0007提及的间接数据转发隧道。阶段RR基本没 有变化。但由于此前创建了下行数据间接转发隧道，该阶段也需针对此信道进行拆卸 工作。
●基于一和二的高低轨卫星链路切换策略的设计
综上，结合第一部分和第二部分的内容，针对高低轨卫星混合网络的有效策略可总结如图10的流程图所示。
此外，考虑到完全使用现有的地面互联网技术构建卫星混合网络仍存在以下这些困难：
(1)卫星节点的整体资源相对有限；(2)卫星网络具有封闭性，维护升级和扩展 方面存在很大的成本和挑战；(3)由于LEO卫星的相对移动性，混合网络的拓扑结构 动态变化，卫星网络的稳定性维持也存在不少技术难题。
为应对上述高低轨卫星混合网络自有的高维护难度、强封闭性、强动态性和资源有限性问题，考虑结合SDN技术。SDN技术是一种通过编程配置转发规则的方式为特 定网络提供灵活流量控制的先进网络体制，它允许网络运营商和服务提供商通过SDN 控制器直接调整逻辑控制策略，通过南向接口，即与数据转发单元之间的专用控制链 路，SDN控制器常采用OpenFlow协议转发调整信令并直接作用于各用户数据转发单 元，以此更改用户数据平面的转发规则，从而实现网络流量负载的动态优化。SDN架 构下要求每颗LEO卫星的数据平面和控制平面实现解耦，并将控制层面汇聚到额外的 GEO卫星中。虽然增加了额外的GEO卫星相关成本，但也为卫星网络提供了高效且 精准的的控制，对未来网络技术灵活性具有很大的支持力度。
同时，SDN将网络控制平面与数据转发平面相分离有助于新协议及新思想的引入和快速测试，其所提供的网络抽象，可以实现灵活的网络控制、配置和快速创新，这 使我们更加接近动态网络的最终目标。展望未来，引入基于预测的算法如神经网络等 来自动感知整个网络的变化，或许可以实现真正的智能网络。结合前述内容，考虑在 高低轨卫星混合网络的背景下引入SDN体制，所设计的软件定义卫星网络(Software Defined satelliteNetwork,SDSN)的理论架构如图11所示。
SDSN架构下各卫星节点的控制层均被剥离并集中至部署于ECS的地面控制器上，该网络架构中任何会引发上层策略变动的事件如GEO卫星对LEO卫星的负载均衡动 作、LEO卫星间链路切换涉及的卫星选择问题等，均由SDSN控制器全权控制并处理。 SDSN控制器需要根据星地网络现状和获取的即时信息动态调整路由策略，通过 OpenFlow通道传输相关信令至卫星转发设备并对其进行流表更新。需要补充说明的 是，该设想架构中的GEO卫星除了和LEO卫星一样均作为用户数据转发的设备之外， 其还需作为SDSN控制器传输策略信令到LEO卫星的中转设备。
此外，对于图11中所展示的LEO卫星选择问题的现有讨论，是因此前的切换流 程研究均默认目标卫星为邻近卫星，但随着LEO卫星规模不断地扩大，某时段内UE 可视范围内的LEO卫星可能存有多颗，这时将要在HP阶段和HE阶段之间加以考虑 切换判决(Handover Judgement,HJ)阶段。在这一阶段中，源卫星需要执行卫星选择 算法进行目标卫星的决策，卫星决策采用的算法同样关乎系统整体的性能表现，因此 这也是切换流程研究中的研究重点之一，常独立于其他阶段进行研究分析。基于图11， SDSN架构下HJ阶段的简略示意图如图12所示。其中，上半部分为图10中展示的负 载均衡情况，此时LEO卫星用户承载繁忙，LEO卫星自适应选择某些用户交由GEO 卫星进行流量均衡，产生链路从LEO卫星到GEO卫星的切换情况；下半部分表示最 佳策略问题，此时某个用户进入因LEO卫星移动性导致的正常移交过程，但链路范围 内存在多颗可以接入的LEO卫星，由此产生卫星选择问题，针对此抽象出数学规划问 题并制定好规划指标后，可以采取多种优化算法进行相应指标的优化。
考虑卫星规模扩大化和SDN架构融合，基于IOL的软切换的所述步骤A1和所述 步骤A2之间还包括切换判决阶段，所述切换判决阶段包括：
步骤HJ001，Source sNB通过Xn-AP接口向同时作为Target sNB和中继卫星的 GEO卫星上传负载均衡类型的状态报告。
步骤HJ002，Target sNB通过NG-AP接口向地面SDSN控制器转移状态报告。
步骤HJ003，地面SDSN控制器响应Target sNB并通过OpenFlow通道传输相关 信令至Target sNB，对其进行流表更新。
步骤HJ004，兼顾中继卫星作用的Target sNB通过Xn-AP接口向Source sNB传 递相关自身信息，并同时对其和其它相关sNB进行流表更新。
在所述步骤4中以LEO卫星为Source sNB和Target sNB执行步骤d时，考虑卫 星规模扩大化和SDN架构融合，基于IOL的软切换其切换判决阶段包括：
步骤HJ00001，Source sNB通过Xn-AP接口向只作为中继卫星的GEO卫星上传 最优策略类型的状态报告；
步骤HJ00002，控制器中继GEO卫星通过NG-AP接口向地面SDSN控制器转移 状态报告。
步骤HJ00003，地面SDSN控制器响应中继并向其转发最新流表状态；
步骤HJ00004，中继卫星GEO卫星通过Xn-AP接口向Source sNB传输Target sNB 参数信息，并同时对其和其它候选sNB进行更新流表。
SDSN架构的挑战及其方案展望：
(1)可靠性：在传统网络中，当一个或多个网络设备发生故障时，网络流量可以 通过附近其他节点设备进行路由转发，从而保持流量的可靠传输，但在SDSN架构下， 如果没有备用控制器，当中央控制器出现故障时，整个网络便可能崩溃，多控制器部 署是目前较为主流的解决方案之一；
(2)扩展性：当网络卫星节点规模不断扩大时，更多的请求在控制器中进行排队，而控制器的处理能力有限，因此此时控制器可能成为一个关键瓶颈；
(3)控制器部署问题：控制器的部署问题影响解耦控制平面的方方面面，从流量设置延迟到网络可靠性，到容错性，再到性能指标。因此寻找最优的控制器部署是目 前SDN研究中的热点之一，特别是对于大规模网络下的多控制器部署问题；
(4)卫星节点延迟问题：相较于地面网络，SDSN架构中卫星节点的延迟特殊性 会对信令层面的稳健传输带来更多挑战。对于挑战a)和挑战b)，可以通过增设GEO卫 星和地面控制器部署点来取得一定缓解效果，尽管这会增加一定的额外成本。对于挑 战c)和挑战d)，则可以预设MEO卫星进行GEO卫星的部分替代，尽管MEO卫星的 相对移动性会带来模型及其算法复杂度的提高，但卫星移动路径可预测，且模型优化 的收益可期。
本发明的有益效果是：1.本发明的链路切换方法能够提高GEO-LEO切换的成功概率和服务地区的用户满意度；2.本发明的链路切换方法为高低轨卫星网络提供了一种参考，对未来网络技术灵活性具有很大的支持力度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本 发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向高低轨卫星混合网络的链路切换方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：指定UE；
步骤2：判断是否有切换任务，如果有，则进入下一步骤，否则继续执行步骤2；
步骤3：判断Source sNB∈LEO是否成立，如果是，那么执行步骤4，否则执行步骤a；
步骤4：判断可选的LEO sNBs是否处于负荷超载状态，如果是，则进入步骤5，否则进行sNB选择与相关算法应用的处理，再以LEO卫星为Source sNB和Target sNB执行步骤d；
步骤5：GEO实现负载均衡；
步骤6：判断业务类型是否为在线语音/视频服务，如果是，则进入下一步骤，否则进行从LEO卫星到GEO卫星的基于NIOL的硬切换，结束；
步骤7：进行从LEO卫星到GEO卫星的基于NIOL的软切换，结束；
步骤a：Source sNB∈GEO，然后执行步骤b；
步骤b：判断可选择的LEO sNBs是否不处于负荷超载状态，如果是，则执行步骤c，如果否，继续执行步骤b；
步骤c：回归到LEO sNB链路，以GEO卫星为Source sNB、LEO卫星为Target sNB，然后执行步骤d；
步骤d：基于IOL的软切换，然后结束。
2.根据权利要求1所述的链路切换方法，其特征在于，在所述步骤d中，Source sNB为GEO卫星、Target sNB为LEO卫星时，基于IOL的软切换包括：
步骤A1，切换准备阶段，包括：
步骤HP001，Source sNB在RRC层将测量控制信息通过RRC重配置消息发送给UE，测量控制信息包括参考信号接收功率、参考信号接收质量和路径损耗；
步骤HP002，UE在RRC层接收到测量控制信息后返回RRC重配置完成的响应给SourcesNB，并开始根据测量控制信息指示物理层执行相关测量操作；
步骤HP003，UE持续测量，当满足一定触发事件后上传测量报告给Source sNB，报告中包含有相关RSRP、RSRQ的信息，Source sNB则根据测量报告的情况直接决定切换操作请求的发起；触发事件分A、B两类，前者用于系统内切换，后者用于系统间切换；测量报告根据上传的方式分周期型测量报告和触发型测量报告，前者每隔一段时间上报最强小区，后者则只在达到所需条件时才进行上报；
步骤A2，切换执行阶段，包括：
步骤HE001，由Source sNB判断数据无线电承载配置并发起DAPS切换，向Target sNB传达切换请求；
步骤HE002和步骤HE003，Target sNB做好资源的准备工作后直接向Source sNB返回确认响应，Source sNB通过RRC重配置消息告知UE端此时可以发起切换；
步骤HE004，Source sNB在执行步骤HE003的同时，通过Xn-AP接口进行提前的状态转移，以此向Target sNB传达PDCP层第一个用户数据单元的下行计数，但用户面的上行数据传输仍经Source sNB维持进行；而对于用户面的下行数据，Source sNB-Target sNB的下行数据转发隧道被完全打通，一部分用户面下行数据可以从原来的GW-Source sNB-UE路径改由GW-Source sNB-Target sNB直接传输，并在Target sNB和UE建立下行数据信道之前，一直缓存在Target sNB中，而另一部分下行数据仍然经过Source sNB的无线链路进行传输；
步骤HE005、步骤HE006和步骤HE007，UE采用基于RACH前导码的无竞争随机接入方法接入Target sNB，在完成新节点的接入后，上行用户数据信道恢复为UE-Target sNB-GW路径，Target sNB到UE端的下行用户数据信道也成功打通，此时用户数据服务成功恢复，且此时GW侧的用户面数据仍然传输给Source sNB，Source sNB经Xn接口数据转发隧道直接传输给Target sNB，DAPS切换下接入Target sNB的时刻发生在UE从Source sNB去附着之前，UE完成到Target sNB的随机接入意味着用户层面的部分上下行数据传输可经Target sNB链路完成；
步骤HE008、步骤HE009，UE侧成功接入Target sNB后，Target sNB向Source sNB告知切换已成功，Source sNB通过sNB Status传输最后一个用户数据单元的下行计数，随后执行其与UE侧的去附着过程，经Source sNB进行用户数据传输的相关链路到此也完全中断；
步骤HE010、步骤HE011，Target sNB经GCC实现GW下行数据承载的转换任务，经此阶段后下行数据传输直接经过Target sNB完成，不再由转发隧道间接完成；
步骤A3，资源释放阶段，包括：
步骤RR001，由Target sNB经Xn-AP接口通知Source sNB释放此前为完成切换操作而分配的所有相关资源和UE上下文，并拆卸二者之间的数据转发隧道；
步骤RR002，Source sNB完成相关工作后返回响应。
3.根据权利要求1所述的链路切换方法，其特征在于，在所述步骤6中，基于NIOL的硬切换包括：
步骤B1，切换准备阶段：进行切换测量并将相关测量结果交给Source sNB，Source sNB根据测量结果决定是否发起切换；
步骤B2，切换执行阶段：Source sNB和Target sNB之间通过中间媒介GCC间接传达信令传输；
步骤B3，资源释放阶段：完成切换操作的收尾工作，在Source sNB侧和GW侧释放相关信道资源。
4.根据权利要求3所述的链路切换方法，其特征在于，在所述步骤B1中，包括：
步骤HP1，Source sNB在RRC层将测量控制信息通过RRC重配置消息发送给UE，测量控制信息包括参考信号接收功率、参考信号接收质量和路径损耗；
步骤HP2，UE在RRC层接收到测量控制信息后返回RRC重配置完成的响应给Source sNB，并开始根据测量控制信息指示物理层执行相关测量操作；
步骤HP3，UE持续测量，当满足一定触发事件后上传测量报告给Source sNB，报告中包含有相关RSRP、RSRQ的信息，Source sNB则根据报告的情况直接决定切换操作请求的发起；触发事件分A、B两类，前者用于系统内切换，后者用于系统间切换；测量报告根据上传的方式分周期型测量报告和触发型测量报告，前者每隔一段时间上报最强小区，后者则只在达到所需条件时才进行上报。
5.根据权利要求3所述的链路切换方法，其特征在于，在所述步骤B2中，还包括：
步骤HE1，Source sNB通过NG-AP接口向GCC发送切换请求消息，并附带Target sNB的基站ID；
步骤HE2，GCC接收到切换请求并从中获取Target sNB的基站ID后，通过NG-AP接口告知Target sNB做好相关资源的预留工作；
步骤HE3，Target sNB做好资源的准备工作后返回切换确认的响应，响应消息中包含有Target sNB为UE分配的随机接入信道前导码、为GW分配的GTP-U接口IP地址和隧道端点标识以及为Source sNB前向数据转发而分配的传输层IP地址和TEID；
步骤HE4，GCC收到Target sNB的响应后，将相关消息通过GTP-C接口告知GW；
步骤HE5，GW完成相关资源的分配工作后返回响应给GCC；
步骤HE6，GCC确认下行数据间接转发隧道建立后，通过NG-AP接口告知Source sNB相关资源的预留及分配工作已经完成，发起切换命令；
步骤HE7，Source sNB收到消息后将Target sNB的ID以及Target sNB为UE分配的RACH前导码封装于RRC重配置消息中，并在RRC层发送给UE端；
步骤HE8和步骤HE9，Source sNB在执行步骤HE7的同时，在NG-AP接口上间接通过GCC将状态转移消息发送给Target sNB，其中包含有用户数据包传输过程的序列号码记录；此时，对于用户面的下行数据而言，Source sNB-GW-Target sNB的下行数据转发隧道已完全打通，用户面下行数据从原来的GW-Source sNB-UE路径改由GW-Source sNB-GW-Target sNB传输，并在Target sNB和UE建立下行数据信道之前，一直缓存在Target sNB中；而对于用户面的上行数据而言，其仍然沿着UE-Source sNB-GW的路径进行传输，但当UE端接收到步骤HE7中的RRC重配置消息并解析出切换执行的命令后，即刻便断开与Source sNB在RRC层面上的连接，进入RRC Idle状态，此时用户面数据的上行传输路径UE-Source sNB-GW被迫中断；
步骤HE10、步骤HE11和步骤HE12，UE凭借从步骤HE7中获得的由Target sNB为其专门分配的RACH前导码向Target sNB发起避免碰撞从而降低时延的无竞争随机接入请求，TargetsNB接收接入请求并调整预留的上行资源形成RACH响应，随后UE回传RRC重配置完成消息，与Target sNB完成上行同步，由RRC Idle状态进入RRC Connected状态；在完成新节点的接入后，上行用户数据信道恢复为UE-Target sNB-GW路径，Target sNB到UE端的下行用户数据信道也成功打通，此时用户数据服务成功恢复，但是，此时GW侧的用户面数据仍然传输给Source sNB，随后Source sNB再经数据转发隧道通过GW间接传输给Target sNB；
步骤HE13，Target sNB通过NG-AP告知GCC切换命令执行完毕；
步骤HE14和步骤HE15，GCC得知切换任务完成后通过GTP-C接口请求GW调整用户数据承载，将下行用户数据路径由GW-Source sNB改至GW-Target sNB，GW收到请求消息后立刻调整数据承载，将数据从面向Source sNB的GTP-U接口全部转移至面向Target sNB的GTP-U接口传输，并返回承载调整响应，此时下行用户数据路径成功调整为GW-Target sNB-UE。
6.根据权利要求3所述的链路切换方法，其特征在于，在所述步骤B3中，还包括：
步骤RR1，GCC经NG-AP接口通知Source sNB释放此前为完成切换操作而分配的所有相关资源和UE上下文；
步骤RR2，Source sNB完成相关释放工作后经NG-AP接口返回释放已完成的响应；
步骤RR3，GCC经GTP-C接口通知GW拆除数据转发隧道，释放此前为实现Source sNB到Target sNB数据转发而分配的所有相关资源；
步骤RR4，GW完成相关释放工作后经GTP-C接口返回释放已完成的响应。
7.根据权利要求1所述的链路切换方法，其特征在于，在所述步骤7中，基于NIOL的软切换包括：
步骤C1，切换准备阶段，包括：
步骤HP0001，Source sNB在RRC层将测量控制信息通过RRC重配置消息发送给UE，测量控制信息包括参考信号接收功率、参考信号接收质量和路径损耗；
步骤HP0002，UE在RRC层接收到测量控制信息后返回RRC重配置完成的响应给SourcesNB，并开始根据测量控制信息指示物理层执行相关测量操作；
步骤HP0003，UE持续测量，当满足一定触发事件后上传测量报告给Source sNB，报告中包含有相关RSRP、RSRQ的信息，Source sNB则根据测量报告的情况直接决定切换操作请求的发起；触发事件分A、B两类，前者用于系统内切换，后者用于系统间切换；测量报告根据上传的方式分周期型测量报告和触发型测量报告，前者每隔一段时间上报最强小区，后者则只在达到所需条件时才进行上报；
步骤C2，切换执行阶段，包括：
步骤HE0001和步骤HE0002，由Source sNB判断DRB配置并发起DAPS切换，间接通过GCC向Target sNB传达切换请求；
步骤HE0003，Target sNB做好资源的准备工作后向GCC返回确认响应；步骤HE0004和步骤HE0005，GCC告知Source sNB，随之Source sNB告知UE，当前状态可以执行切换操作；
步骤HE0006和步骤HE0007，Source sNB在执行步骤HE0005的同时，通过NG-AP接口间接通过GCC向Target sNB进行提前的状态转移，以此向Target sNB传达PDCP层第一个用户数据单元的下行计数，此时，用户面的上行数据传输仍经Source sNB维持进行，而对于用户面的下行数据，Source sNB-GW-Target sNB的间接数据转发隧道成功创建，一部分用户面下行数据可以从原来的GW-Source sNB-UE路径改由GW-Source sNB-GW-Target sNB间接传输，并在Target sNB和UE建立下行数据信道之前，一直缓存在Target sNB中，而另一部分下行数据仍然经过Source sNB的无线链路进行传输；
步骤HE0008、步骤HE0009和步骤HE0010，UE采用基于RACH前导码的无竞争随机接入方法接入Target sNB，在完成新节点的接入后，上行用户数据信道恢复为UE-Target sNB-GW路径，Target sNB到UE端的下行用户数据信道也成功打通，此时用户数据服务成功恢复，且此时GW侧的用户面数据仍然传输给Source sNB，Source sNB经Xn接口数据转发隧道直接传输给Target sNB，DAPS切换下接入Target sNB的时刻发生在UE从Source sNB去附着之前，UE完成到Target sNB的随机接入意味着用户层面的部分上下行数据传输可经Target sNB链路完成；
步骤HE0011、步骤HE0012、步骤HE0013和步骤HE0014，UE侧成功接入Target sNB后，Target sNB通过GCC间接告知Source sNB切换已成功，Source sNB再通过GCC间接向TargetsNB传输最后一个用户数据单元的下行计数，随后执行其与UE侧的去附着过程，经SourcesNB进行用户数据传输的相关链路到此完全中断；
步骤HE0015和步骤HE0016，实现了GW下行数据承载的转换任务，经此阶段后下行数据传输直接经过Target sNB完成；
步骤C3，资源释放阶段，包括：
步骤RR0001和步骤RR0002，实现UE侧上下文的释放，销毁步骤HE0006和步骤HE0007提及的间接数据转发隧道。
8.根据权利要求1所述的链路切换方法，其特征在于，该链路切换方法还涉及基于IOL的硬切换的设计，所述基于IOL的硬切换包括：
步骤D1，切换准备阶段，包括：
步骤HP01，Source sNB在RRC层将测量控制信息通过RRC重配置消息发送给UE，测量控制信息包括参考信号接收功率、参考信号接收质量和路径损耗；
步骤HP02，UE在RRC层接收到测量控制信息后返回RRC重配置完成的响应给SourcesNB，并开始根据测量控制信息指示物理层执行相关测量操作；
步骤HP03，UE持续测量，当满足一定触发事件后上传测量报告给Source sNB，报告中包含有相关RSRP、RSRQ的信息，Source sNB则根据报告的情况直接决定切换操作请求的发起；触发事件分A、B两类，前者用于系统内切换，后者用于系统间切换；测量报告根据上传的方式分周期型测量报告和触发型测量报告，前者每隔一段时间上报最强小区，后者则只在达到所需条件时才进行上报；
步骤D2，切换执行阶段，Source sNB和Target sNB之间的下行数据转发隧道直接建立并进行数据传输缓存；
步骤HE01，Source sNB直接通过Xn-AP接口向Target sNB发送切换请求消息，通知其做好相关资源的预留工作；
步骤HE02，Target sNB做好资源的准备工作后直接向Source sNB返回确认响应，响应消息中包含有为UE分配的RACH前导码，告知Source sNB相关资源的预留及分配工作已经完成，可以通知UE执行相关切换操作；
步骤HE03，Source sNB收到消息后将包括Target sNB的ID以及Target sNB为UE分配的RACH前导码相关信息封装于RRC重配置消息中，并在RRC层发送给UE端；
步骤HE04，Source sNB在执行步骤HE03的同时，直接通过Xn-AP接口将ST消息发送给Target sNB，其中包含有用户数据包传输过程的序列号码SN记录，此外，对于用户面的下行数据而言，Source sNB-Target sNB的下行数据转发隧道被完全打通，用户面下行数据可以从原来的GW-Source sNB-UE路径改由GW-Source sNB-Target sNB直接传输，并在TargetsNB和UE建立下行数据信道之前，一直缓存在Target sNB中；步骤HE05、步骤HE06和步骤HE07，UE采用基于RACH前导码的无竞争随机接入方法接入Target sNB，在完成新节点的接入后，上行用户数据信道恢复为UE-Target sNB-GW路径，Target sNB到UE端的下行用户数据信道也成功打通，此时用户数据服务成功恢复，但此时GW侧的用户面数据仍然传输给Source sNB，Source sNB经Xn接口数据转发隧道直接传输给Target sNB；
步骤HE08和步骤HE09，Target sNB通过NG-AP接口与GCC完成路径承载切换的任务。
步骤D3，资源释放阶段，包括：
步骤RR01和步骤RR02，由Target sNB经Xn-AP接口通知Source sNB释放此前为完成切换操作而分配的所有相关资源和UE上下文，并拆卸二者之间的数据转发隧道，Source sNB完成相关工作后返回响应。
9.根据权利要求2所述的链路切换方法，其特征在于，考虑卫星规模扩大化和SDN架构融合，基于IOL的软切换的所述步骤A1和所述步骤A2之间还包括切换判决阶段，所述切换判决阶段包括：
步骤HJ001，Source sNB通过Xn-AP接口向同时作为Target sNB和中继卫星的GEO卫星上传负载均衡类型的状态报告；
步骤HJ002，Target sNB通过NG-AP接口向地面SDSN控制器转移状态报告；
步骤HJ003，地面SDSN控制器响应Target sNB并通过OpenFlow通道传输相关信令至Target sNB，对其进行流表更新；
步骤HJ004，兼顾中继卫星作用的Target sNB通过Xn-AP接口向Source sNB传递相关自身信息，并同时对其和其它相关sNB进行流表更新。
10.根据权利要求9所述的链路切换方法，其特征在于，在所述步骤4中以LEO卫星为Source sNB和Target sNB执行步骤d时，考虑卫星规模扩大化和SDN架构融合，基于IOL的软切换其切换判决阶段包括：
步骤HJ00001，Source sNB通过Xn-AP接口向只作为中继卫星的GEO卫星上传最优策略类型的状态报告；
步骤HJ00002，控制器中继GEO卫星通过NG-AP接口向地面SDSN控制器转移状态报告；
步骤HJ00003，地面SDSN控制器响应中继并向其转发最新流表状态；
步骤HJ00004，中继卫星GEO卫星通过Xn-AP接口向Source sNB传输Target sNB参数信息，并同时对其和其它候选sNB进行更新流表。
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