CN115474253B - 一种卫星网络用户跨星跨波束无缝移动切换方法 - Google Patents

一种卫星网络用户跨星跨波束无缝移动切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种卫星网络用户跨星跨波束无缝移动切换方法，涉及卫星网络通信领域。该方法通过将无线资源分配、卫星终端入退网、路由控制等流程统一设计，在控制面、数据面、资源面等方面进行多维切换协同，可以保障无线资源与端到端路径的平滑切换，满足高优先级端到端业务服务质量要求、降低切换时丢包率，缓解切换时的包乱序。该方法支持FDMA、TDMA等多种传输体制下的统一切换流程，适用于星上资源受限、链路频繁切换的卫星网络。

Description

一种卫星网络用户跨星跨波束无缝移动切换方法
技术领域
本发明涉及卫星网络通信技术领域，特别涉及一种卫星网络用户跨星跨波束无缝移动切换方法。
背景技术
卫星网络是以不同轨道、种类、特征的卫星、星座及相应地面基础设施所组成的信息网络，它们通过星间、星地链路连接在一起，可实现全球无缝覆盖，主要用于地面网络的延伸和扩展，可为地面网络提供流量分担、恶略环境下的通信保障、全球化通信传输等功能。
其中，高轨、低轨卫星网络中均存在用户跨星跨波束移动切换的使用场景，高轨卫星网络中的移动切换主要发生在卫星终端的移动中，比如装配有卫星终端的高铁、飞机、轮船在长距离行进过程中均会发生跨星跨波束的切换，而军事飞机、超音速导弹、高速无人机的高速移动时更容易发生短时间的跨星跨波束切换。在低轨卫星网络中，由于低轨卫星相对对面的高速运动，低轨卫星终端普遍存在频繁的跨星跨波束切换。在卫星终端移动切换过程中，如何保障业务的连续性，尽可能降低移动切换对业务的影响，提高业务的用户体验，是关键的技术问题。目前的移动切换技术主要聚集于低轨卫星过境预测的算法，或侧重于无线资源的移动切换控制上，针对基于星上处理的卫星网络的端到端移动切换流程研究并不常见。
发明内容
本发明提供了一种卫星网络用户跨星跨波束无缝移动切换方法，该方法通过将无线资源分配、卫星终端入退网、路由控制等流程统一设计，在控制面、数据面、资源面等方面进行多维切换协同，可以保障无线资源与端到端路径的平滑切换，满足高优先级端到端业务服务质量要求，降低切换时丢包率，缓解切换时的包乱序。
为了实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：
一种卫星网络用户跨星跨波束无缝移动切换方法，包括以下步骤：
（1）卫星终端的接入控制根据信道强度、过顶卫星星历进行判决，选择接入的目的切换卫星，并发起跨星跨波束的下行切换，获取切换后所属的卫星号和下行端口号信息，然后向源切换卫星的无线资源控制发送切换申请消息；
（2）源切换卫星的无线资源控制将切换申请消息透传给目的切换卫星的无线资源控制，目的切换卫星的无线资源控制进行卫星终端预入网操作，为卫星终端预留切换后的非实时无线链路资源，并向源切换卫星的卫星资源控制响应切换许可消息，源切换卫星的无线资源控制将切换许可消息透传给卫星终端的接入控制；
（3）卫星终端接入控制收到切换许可消息后，向路由控制发送位置更新上报消息，位置更新上报消息包含切换后所属的卫星号和下行端口号信息；
（4）路由控制向全网卫星终端发送位置更新扩散消息，将卫星终端的位置更新信息全网扩散给其他卫星终端，包括与它正在进行通信的对端卫星终端；
（5）对端卫星终端收到位置更新消息后，采用新的位置标签信息封装向该卫星终端发送的业务数据；
（6）星间网络根据数据中的位置标签信息进行单星或多星间的标签路由交换，将数据转发至通信对端的卫星终端。
进一步地，还包括以下过程：
（7）卫星终端在切换过程中，对接收到的业务数据流进行缓存，对乱序的数据包进行重排序，当检测到接收的业务数据流使用的是更新后的位置标签信息时，再等待不小于单向路径的传输时间，判定接收数据流已经完成切换，此时发起上行切换，向目的切换卫星发送无线资源申请，通过目的切换卫星向通信对端的卫星终端发送业务数据，并在业务数据中携带切换标识；
（8）通信对端卫星终端对接收到的携带切换标识的业务数据流进行缓存排序，对乱序的数据包进行重排序，当检测到接收的数据携带切换标志时，判定上行已经完成切换，向源卫星终端发送切换完成消息；
（9）卫星终端接收到所有通信对端卫星终端的切换完成消息后，清除业务流的切换标识，并向目的切换卫星的无线资源控制发送切换完成，目的切换卫星的无线资源控制维护卫星终端状态，并向卫星终端回复确认切换消息。
进一步地，卫星终端在切换过程中，对需要进行缓存重排序的数据流在发送时封装数据流标识和包序号，接收端根据数据流标识和包序号对该数据流的数据包进行缓存重排序，对于没有封装数据流标识的数据流则直接进行转发。
一种卫星网络用户跨星跨波束无缝移动切换方法，包括以下步骤：
（1）卫星终端的接入控制根据信道强度、过顶卫星星历进行判决，选择接入的目的切换卫星，并发起跨星跨波束的下行切换，获取切换后所属的卫星号和下行端口号信息，然后向源切换卫星的无线资源控制发送切换申请消息；
（2）源切换卫星的无线资源控制将切换申请消息透传给目的切换卫星的无线资源控制，目的切换卫星的无线资源控制进行卫星终端预入网操作，为卫星终端预留切换后的非实时无线链路资源，并向源切换卫星的卫星资源控制响应切换许可消息，源切换卫星的无线资源控制将切换许可消息透传给卫星终端的接入控制；
（3）卫星终端接入控制收到切换许可消息后，若存在需要端到端资源保障的任务，则向源切换卫星的无线资源控制发送保障资源切换申请消息；源切换卫星的无线资源控制将保障资源切换申请消息透传给目的切换卫星的无线资源控制，目的切换卫星的无线资源控制为卫星终端预留切换后的实时无线链路资源，并向源切换卫星的卫星资源控制响应保障资源切换响应消息，源切换卫星的无线资源控制将保障资源切换响应消息透传给卫星终端接入控制；
（4）卫星终端接入控制收到切换许可消息后，若存在需要端到端资源保障的任务，则向路由控制发送星间路径接入请求消息；星间路径接入请求消息包含需要保障端到端业务流的特征信息、保障需求、请求路径的源卫星、源端口、目的卫星、目的端口的信息；
（5）路由控制接收到星间路径接入请求消息后，采用资源约束的最优路由算法进行端到端的路径计算；若计算后可以保障，则向卫星终端回复星间路径接入响应消息，若为双向通信，则还需向通信对端的卫星终端发送星间路径接入响应消息，星间路径接入响应消息包含端到端资源保障业务数据封装所需要的保障业务标签或标签路径，并对端到端路径上涉及的卫星进行资源预留和流表配置；
（6）卫星终端接收到星间路径接入响应消息后，采用新的保障业务标签或标签路径进行保障业务数据封装；星间网络根据封装在数据中的新的保障业务标签或标签路径进行单星或多星间的标签路由交换，将数据转发至目的卫星终端。
进一步地，还包括以下过程：
（7）卫星终端在切换过程中，对接收到的业务数据流进行缓存，对乱序的数据包进行重排序，当检测到接收的业务数据流使用的是更新后的位置标签信息时，再等待不小于单向路径的传输时间，判定接收数据流已经完成切换，此时发起上行切换，向目的切换卫星发送无线资源申请，通过目的切换卫星向通信对端的卫星终端发送业务数据，并在业务数据中携带切换标识；
（8）通信对端卫星终端对接收到的携带切换标识的业务数据流进行缓存排序，对乱序的数据包进行重排序，当检测到接收的数据携带切换标志时，判定上行已经完成切换，向源卫星终端发送切换完成消息；
（9）卫星终端接收到所有通信对端卫星终端的切换完成消息后，清除业务流的切换标识，并向目的切换卫星的无线资源控制发送切换完成，目的切换卫星的无线资源控制维护卫星终端状态，并向卫星终端回复确认切换消息。
进一步地，卫星终端在切换过程中，对需要进行缓存重排序的数据流在发送时封装数据流标识和包序号，接收端根据数据流标识和包序号对该数据流的数据包进行缓存重排序，对于没有封装数据流标识的数据流则直接进行转发。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1、本发明可以保障用户业务无线资源与端到端路径的平滑切换，满足高优先级端到端业务服务质量要求，降低切换时丢包率，缓解切换时的包乱序。
2、本发明支持FDMA、TDMA等多种传输体制下的统一切换流程，适用于星上资源受限、链路频繁切换的卫星网络。
附图说明
图1是本发明的时序图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种卫星网络用户跨星跨波束无缝移动切换方法，包括以下步骤：
（1）卫星终端的接入控制根据信道强度、过顶卫星星历等多种因素判决后选择接入的目的切换卫星，并发起跨星跨波束的下行切换，获取切换后所属的卫星号和下行端口号信息，然后向源切换卫星的无线资源控制发送切换申请消息；
（2）源切换卫星的无线资源控制将切换申请消息透传给目的切换卫星的无线资源控制，目的切换卫星的无线资源控制进行卫星终端预入网操作，为卫星终端预留切换后的非实时无线链路资源，并向源切换卫星的卫星资源控制响应切换许可消息，源切换卫星的无线资源控制将切换许可消息透传给卫星终端的接入控制；
（3）卫星终端接入控制收到切换许可消息后，向路由控制发送位置更新上报消息，位置更新上报消息包含切换后所属的卫星号和下行端口号信息；
（4）路由控制向全网卫星终端发送位置更新扩散消息，将卫星终端的位置更新信息全网扩散给其他卫星终端，包括与它正在进行通信的对端卫星终端；
（5）对端卫星终端收到位置更新消息后，采用新的位置标签信息封装向该卫星终端发送的业务数据；
（6）星间网络根据数据中的位置标签信息进行单星或多星间的标签路由交换，将数据转发至通信对端的卫星终端；
上述方法的步骤（3）~（6）也可采用如下方式：
（3）卫星终端接入控制收到切换许可消息后，若存在需要端到端资源保障的任务，则向源切换卫星的无线资源控制发送保障资源切换申请消息；源切换卫星的无线资源控制将保障资源切换申请消息透传给目的切换卫星的无线资源控制，目的切换卫星的无线资源控制为卫星终端预留切换后的实时无线链路资源，并向源切换卫星的卫星资源控制响应保障资源切换响应消息，源切换卫星的无线资源控制将保障资源切换响应消息透传给卫星终端接入控制；
（4）卫星终端接入控制收到切换许可消息后，若存在需要端到端资源保障任务，同时向路由控制发送星间路径接入请求消息；星间路径接入请求消息包含需要保障端到端业务流的特征信息、保障需求、请求路径的源卫星、源端口、目的卫星、目的端口等信息；
（5）路由控制接收到星间路径接入请求消息后，采用资源约束的最优路由算法进行端到端的路径计算；若计算后可以保障，则向卫星终端回复星间路径接入响应消息，若为双向通信，则还需向通信对端的卫星终端发送星间路径接入响应消息，星间路径接入响应消息包含端到端资源保障业务数据封装所需要的保障业务标签或标签路径，并对端到端路径上涉及的卫星进行资源预留和流表配置；
（6）卫星终端接收到星间路径接入响应消息后，采用新的保障业务标签或标签路径进行保障业务数据封装；星间网络根据封装在数据中的新的保障业务标签或标签路径进行单星或多星间的标签路由交换，将数据转发至目的卫星终端；
此外，步骤（6）之后还可包括以下过程：
（7）卫星终端在切换过程中，对接收到的业务数据流进行缓存，对乱序的数据包进行重排序，当检测到接收的业务数据流使用的是更新后的位置标签信息时，再等待不小于单向路径的传输时间，判定接收数据流已经完成切换，此时发起上行切换，向目的切换卫星发送无线资源申请，通过目的切换卫星向通信对端的卫星终端发送业务数据；并在业务数据中携带切换标识；
（8）通信对端卫星终端对接收到的携带切换标识的业务数据流进行缓存排序，对乱序的数据包进行重排序，当检测到接收的数据携带切换标志时，则判定上行已经完成切换，向源卫星终端发送切换完成消息；
（9）卫星终端接收到所有通信对端卫星终端的切换完成消息后，清除业务流的切换标识，并向目的切换卫星的无线资源控制发送切换完成，目的切换卫星的无线资源控制维护卫星终端状态，并向卫星终端回复确认切换消息。
进一步地，卫星终端在切换过程中，对需要进行缓存重排序的数据流在发送时封装数据流标识和包序号，接收端根据数据流标识和包序号对该数据流的数据包进行缓存重排序，对于没有封装数据流标识的数据流则直接进行转发。
图1所示为该方法的一个具体实施例，图中通信实体包括为2台卫星终端、1台路由控制、若干卫星节点。卫星节点具有无线资源控制与路由交换的功能，卫星终端具有接入控制功能。
其中，在软切换场景中，卫星终端A具有双收功能，可以同时接收两颗卫星的信号。当卫星终端A中的接入控制综合信号强度、卫星星历等因素发起下行链路切换时，首先与源切换卫星和目的切换卫星的无线资源控制进行交互获得切换许可；然后与路由控制进行交互，将卫星终端A的位置更新信息全网扩散给其他卫星终端；卫星终端B收到位置更新消息后，采用新的位置标签信息封装向该卫星终端发送的业务数据。
若卫星终端A存在需要端到端资源保障的任务，则同时会与源切换卫星和目的切换卫星的无线资源控制进行交互提前预留目的切换卫星上的实时资源；同时与路由控制交互对星间路径的资源进行预留，并为通信双方的卫星终端A和卫星终端B分配新的保障路径和标识；卫星终端A在切换过程中，会进行IP数据流的缓存和重排序过程。
总之，本发明通过将无线资源分配、卫星终端入退网、路由控制等流程统一设计，在控制面、数据面、资源面等方面进行多维切换协同，可以保障无线资源与端到端路径的平滑切换，满足高优先级端到端业务服务质量要求、降低切换时丢包率，缓解切换时的包乱序。该方法支持FDMA、TDMA等多种传输体制下的统一切换流程，适用于星上资源受限、链路频繁切换的卫星网络。采用该方法，当卫星网络用户发生跨星跨波束切换时，可以实现无线资源与路由的联合切换控制。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种卫星网络用户跨星跨波束无缝移动切换方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）卫星终端的接入控制根据信道强度、过顶卫星星历进行判决，选择切换后接入的目的卫星，并发起跨星跨波束的下行切换，获取切换后所属的卫星号和下行端口号信息，然后向源切换卫星的无线资源控制发送切换申请消息；
（2）源切换卫星的无线资源控制将切换申请消息透传给目的切换卫星的无线资源控制，目的切换卫星的无线资源控制进行卫星终端预入网操作，为卫星终端预留切换后的非实时无线链路资源，并向源切换卫星的卫星资源控制响应切换许可消息，源切换卫星的无线资源控制将切换许可消息透传给卫星终端的接入控制；
（3）卫星终端接入控制收到切换许可消息后，向路由控制发送位置更新上报消息，位置更新上报消息包含切换后所属的卫星号和下行端口号信息；
（4）路由控制向全网卫星终端发送位置更新扩散消息，将卫星终端的位置更新信息全网扩散给其他卫星终端，包括与它正在进行通信的对端卫星终端；
（5）对端卫星终端收到位置更新消息后，采用新的位置标签信息封装向该卫星终端发送的业务数据；
（6）星间网络根据封装在数据中的标签进行单星或多星间的标签路由交换，将数据转发至通信对端的卫星终端；
（7）卫星终端在切换过程中，对接收到的业务数据流进行缓存，对乱序的数据包进行重排序，当检测到接收的业务数据流使用的是更新后的位置标签信息时，再等待不小于单向路径的传输时间，判定接收数据流已经完成切换，此时发起上行切换，向目的切换卫星发送无线资源申请，通过目的切换卫星向通信对端的卫星终端发送业务数据，并在业务数据中携带切换标识；
（8）通信对端卫星终端对接收到的携带切换标识的业务数据流进行缓存排序，对乱序的数据包进行重排序，当检测到接收的数据携带切换标志时，判定上行已经完成切换，向源卫星终端发送切换完成消息；
（9）卫星终端接收到所有通信对端卫星终端的切换完成消息后，清除业务流的切换标识，并向目的切换卫星的无线资源控制发送切换完成，目的切换卫星的无线资源控制维护卫星终端状态，并向卫星终端回复确认切换消息。
2.根据权利要求1所述的一种卫星网络用户跨星跨波束无缝移动切换方法，其特征在于，卫星终端在切换过程中，对需要进行缓存重排序的数据流在发送时封装数据流标识和包序号，接收端根据数据流标识和包序号对该数据流的数据包进行缓存重排序，对于没有封装数据流标识的数据流则直接进行转发。
3.一种卫星网络用户跨星跨波束无缝移动切换方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）卫星终端的接入控制根据信道强度、过顶卫星星历进行判决，选择切换后接入的目的卫星，并发起跨星跨波束的下行切换，获取切换后所属的卫星号和下行端口号信息，然后向源切换卫星的无线资源控制发送切换申请消息；
（2）源切换卫星的无线资源控制将切换申请消息透传给目的切换卫星的无线资源控制，目的切换卫星的无线资源控制进行卫星终端预入网操作，为卫星终端预留切换后的非实时无线链路资源，并向源切换卫星的卫星资源控制响应切换许可消息，源切换卫星的无线资源控制将切换许可消息透传给卫星终端的接入控制；
（3）卫星终端接入控制收到切换许可消息后，若存在需要端到端资源保障的任务，则向源切换卫星的无线资源控制发送保障资源切换申请消息；源切换卫星的无线资源控制将保障资源切换申请消息透传给目的切换卫星的无线资源控制，目的切换卫星的无线资源控制为卫星终端预留切换后的实时无线链路资源，并向源切换卫星的卫星资源控制响应保障资源切换响应消息，源切换卫星的无线资源控制将保障资源切换响应消息透传给卫星终端接入控制；
（4）卫星终端接入控制收到切换许可消息后，若存在需要端到端资源保障的任务，则向路由控制发送星间路径接入请求消息；星间路径接入请求消息包含需要保障端到端业务流的特征信息、保障需求、请求路径的源卫星、源端口、目的卫星、目的端口的信息；
（5）路由控制接收到星间路径接入请求消息后，采用资源约束的最优路由算法进行端到端的路径计算；若计算后可以保障，则向卫星终端回复星间路径接入响应消息，若为双向通信，则还需向通信对端的卫星终端发送星间路径接入响应消息，星间路径接入响应消息包含端到端资源保障业务数据封装所需要的保障业务标签或标签路径，并对端到端路径上涉及的卫星进行资源预留和流表配置；
（6）卫星终端接收到星间路径接入响应消息后，采用新的保障业务标签或标签路径进行保障业务数据封装；星间网络根据封装在数据中的新的保障业务标签或标签路径进行单星或多星间的标签路由交换，将数据转发至目的卫星终端。
4.根据权利要求3所述的一种卫星网络用户跨星跨波束无缝移动切换方法，其特征在于，还包括以下过程：
（7）卫星终端在切换过程中，对接收到的业务数据流进行缓存，对乱序的数据包进行重排序，当检测到接收的业务数据流使用的是更新后的位置标签信息时，再等待不小于单向路径的传输时间，判定接收数据流已经完成切换，此时发起上行切换，向目的切换卫星发送无线资源申请，通过目的切换卫星向通信对端的卫星终端发送业务数据，并在业务数据中携带切换标识；
（8）通信对端卫星终端对接收到的携带切换标识的业务数据流进行缓存排序，对乱序的数据包进行重排序，当检测到接收的数据携带切换标志时，判定上行已经完成切换，向源卫星终端发送切换完成消息；
（9）卫星终端接收到所有通信对端卫星终端的切换完成消息后，清除业务流的切换标识，并向目的切换卫星的无线资源控制发送切换完成，目的切换卫星的无线资源控制维护卫星终端状态，并向卫星终端回复确认切换消息。
5.根据权利要求4所述的一种卫星网络用户跨星跨波束无缝移动切换方法，其特征在于，卫星终端在切换过程中，对需要进行缓存重排序的数据流在发送时封装数据流标识和包序号，接收端根据数据流标识和包序号对该数据流的数据包进行缓存重排序，对于没有封装数据流标识的数据流则直接进行转发。
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