阅读说明：本技术 一种低轨卫星面向高速终端的接入与切换方法 (Low earth orbit satellite high-speed terminal-oriented access and switching method ) 是由 黄家信 刘允 宋瑞良 郭蕾 卢宁宁 吴静 于 2020-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种低轨卫星面向高速终端的接入与切换方法,将用户呼叫区分为新呼叫和切换呼叫,对不同高速终端进行分类和特性分析,划定高速终端的优先级,使用STK(Satellite Tool Kit)配置低轨卫星系统和高速终端移动模型,根据移动模型仿真和计算高速终端在某时刻可视卫星的波束覆盖时间,并导出STK配置的移动覆盖信息到QualNet,在QualNet完成场景和协议栈配置。该方法能够很好的利用不同类别的高速终端(高铁、飞机、高速飞行器、低轨卫星)的自身位置和轨迹特性执行针对性的接入和切换方法,能够保证卫星系统有着更好的服务质量和信道资源利用率。(The invention provides a high-speed terminal-oriented access and switching method for a low-orbit satellite, which is characterized in that a user call is divided into a new call and a switching call, different high-speed terminals are classified and subjected to characteristic analysis, the priority of the high-speed terminals is defined, an STK (satellite Tool kit) is used for configuring a low-orbit satellite system and a high-speed terminal moving model, the beam coverage time of the high-speed terminal at a certain time for a visible satellite is simulated and calculated according to the moving model, the moving coverage information configured by the STK is exported to QualNet, and scene and protocol stack configuration are completed in QualNet. The method can well utilize self-position and track characteristics of different types of high-speed terminals (high-speed rails, airplanes, high-speed aircrafts and low-orbit satellites) to execute the targeted access and switching method, and can ensure that a satellite system has better service quality and channel resource utilization rate.)

一种低轨卫星面向高速终端的接入与切换方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种低轨卫星面向高速终端的接入与切换方法。

背景技术

5G时代的来临，以及空天地海一体化网络通信体系的提出，卫星通信的影响力正逐渐扩大。低轨卫星通信系统能够对地面实现无缝覆盖，且处于同一卫星覆盖区域内的终端用户只需经过卫星的一跳中继转发即可实现数据通信，卫星通信不受地理环境限制，通信网络的抗损毁能力强，系统具有较高的稳定性，在处置突发情况如地震、泥石流等地质灾害中能够保障可靠通信，能够实现与地面蜂窝移动网络的融合通信，为更多的用户提供服务。低轨卫星通信系统在具备多个地面蜂窝移动网不具备的优势的同时，也相对的具有有一定的局限性，主要包括以下几个方面：

①由于轨道高度的限制，中继转发数据的过程中会产生较大的传输时延和链路损耗。

②卫星的信道资源有限，在实际应用中要合理利用已有的信道资源。

③低轨卫星以大概3.6度每分钟的速度绕地高速运动，每颗卫星覆盖地面用户的时间一般在几分钟左右，终端用户利用卫星系统完成一次完整的通信过程需要在多颗卫星间执行切换，保证通信服务。

卫星轨道限制导致的时延和损耗很难改变，近些年来学者们主要研究集中在如何尽可能的提升卫星信道资源的利用率和卫星切换策略的研究上。

卫星的信道分配策略当前主要可以分为非优先策略、信道排队策略、信道借用策略和信道预留策略几种，其中信道预留策略和信道排队策略为当前研究的热点，文献[1](吴兆峰,胡谷雨,金凤林.移动卫星网络中卫星切换调度研究[J].北京邮电大学学报,2015,(z1):37-40)提出的经典基于时间的信道预留算法，利用卫星系统轨迹的相对确定性，以及当前用户终端大部分具有GPS(Global Positioning System)定位功能这一特点，可以计算出某一时刻卫星对用户服务的时间和执行切换的时间，提前为用户终端预留好信道资源，从而减少信道资源的闲置时间，提升信道资源的利用率。信道排队在卫星信道负载较重的情况下，当前主要是采用MBPS(Measurement Based Prioritization Scheme)、LUI(Last Useful Instant)和FIFO(First-In-First-Out)三种不同的排队策略决定用户呼叫接入顺序，降低呼叫掉话率。

当前针对低轨卫星切换策略的研究主要是基于最长剩余时间切换策略，最小负荷切换策略、最短路径切换策略等几种经典切换策略，但这些卫星切换策略大多都没有考虑终端用户自身的速度特性以及位置特性，但是在实际生活中很多的用户终端如高铁、民用飞机、高速飞行器和低轨卫星的自身速度、高度特性会对卫星的切换产生较大的影响，导致系统的稳定性降低、信道利用率下降。文献[2](徐广涵,杨斌,何峰,靳瑾,LEO卫星通信系统覆盖时间和切换次数分析[J].电子与信息学报,2014,36(09):79-82.)针对性的对高速终端在低轨卫星下的覆盖性能进行了相关研究，同时通过配置几种不同的切换定时器，对高速终端在低轨卫星同构网络中的切换技术进行了相关研究。还有学者采用基于多普勒预测的方法来分析高速终端的实时位置信息，并提出了一种适用于高速终端切换的策略。

然而实际生活中的高速终端如高铁、民用飞机和低轨卫星等都具备各自的特性，现阶段的研究都没有很好的利用不同高速终端的自身速度、轨迹等特性，如何更好的利用不同类别高速终端的自身特性，并以此为依据执行相应的卫星切换可以提升卫星系统的稳定性和信道资源利用率，在实际应用中具备较大的意义。

发明内容

本发明为了解决传统的卫星切换策略对高速终端的不适用性问题，提出了一种基于高速终端自身特性的接入与切换策略，充分利用不同地区信道资源使用情况的特点，既保证了对终端用户的服务水平，又提升了卫星信道资源的利用率。

本发明从实际应用场景出发，对当前常见的高速终端进行分类，主要包括高铁、民用飞机、高速飞行器和低轨卫星这几种，对不同高速终端类型的自身特性进行细致的梳理分析，在决策执行切换策略时通过对终端进行数据先验匹配获取高速终端的具体类别、当前位置和终端运行轨迹，提出基于终端自身位置的接入方法和基于终端轨迹的切换策略，解决低轨卫星与这几种高速终端的接入与切换问题，所述的方法具体步骤如下：

步骤1，高速终端接入时，获取高速终端的位置信息、类型和运行轨迹；

步骤2，定义新呼叫和切换呼叫优先级配置；

步骤3，对终端申请位置进行信道资源评估，根据评估获取的信道等级选取接入卫星，完成新呼叫的接入；

步骤4，对终端轨迹进行分段信道资源评估，根据不同轨迹段的信道评估等级，选取切换卫星预留信道执行切换；

步骤5，切换卫星服务性能评估。

进一步的，步骤1中所述的高速终端类别包括高铁、民用飞机、高速飞行器和低轨卫星。

进一步的，步骤1中，通过GPS获取高速终端的位置信息，包括经纬度和高度信息；

获取高速终端具体类型后，记录高速终端的申请时间T₀，将T₀与具体类型终端的轨迹信息数据集进行数据匹配，获取高速终端的运行轨迹，在STK上根据终端轨迹进行用户的运动模型配置。

进一步的，步骤3的具体实现方式如下，

(31)通过步骤2获取高速终端的类型和接入位置，利用STK仿真获取高速终端此时的可视卫星数量M；

(32)若M＝0，即当前用户无卫星覆盖时，新呼叫接入失败；

(33)若M＝1，即用户当前只有一颗卫星覆盖时，判断当前卫星是否存在空闲信道，若存在空闲信道则新呼叫直接接入信道；若当前卫星暂时无空闲信道，则将新呼叫加入卫星信道排队队列，信道排队策略如下：用户呼叫加入信道队列后，计算卫星对当前终端的最长服务时间T_max；

配置排队定时器t，当可视卫星空出信道资源且此时t＜T_max，根据队列中的呼叫优先级依次接入卫星信道，若当前呼叫没有成功接入，则更新此时卫星的最大服务时间T_max，并重新配置排队定时器t，重复上述操作，当t＞T_max时丢弃呼叫；

(34)若M>1，即用户处于多颗可视卫星的共同覆盖下时，涉及到接入卫星的选取问题；将用户接入位置的信道资源评估等级定为两级，分别是信道资源充足(G₁)和信道资源不足(G₂)，定义D₀表示用户分布密度，信道评估界限值用U₀表示，若D₀＜U₀，表示信道资源充足，此时等级为G₁，否则定义等级为G₂；在信道资源充足的G₁区域，选取当前服务时间最长的卫星完成接入；在信道资源不足的G₂区域，选取当前可视卫星中空闲信道资源最多的卫星完成接入。

进一步的，(33)中用户最长服务时间的计算公式为，

其中，γ₀和w是同卫星网络相关的常数，γ_m是终端轨迹的“迹角”，γ(t)表示当前终端在卫星覆盖范围内的点弧距，定义T_c表示卫星对此终端的最长波束覆盖时间。

进一步的，步骤4的具体实现方式如下，

(41)获取终端运行轨迹后，根据卫星的轨道参数配置和天线基本参数计算终端运行轨迹中的可视卫星及卫星覆盖具体信息；

(42)对终端运行的轨迹进行综合信道资源评估，根据评估结果将高速终端的轨迹划分为多个不同的轨迹段，在不同轨迹段根据信道评估结果选取服务时间最长或者信道空闲最多的卫星作为切换卫星；

(43)若切换卫星信道空闲，则计算切换时间并提前预留信道资源；

(44)若卫星信道不空闲，则将切换呼叫加入排队队列，按照步骤3的信道排队策略，以切换呼叫的优先级从高到低的顺序依次完成卫星的切换工作。

进一步的，(42)的具体实现方式如下，

①参数定义；定义终端运动轨迹的用户分布密度为D_k,i，信道评估的界值为U_i,其中i＝1,2,3,…I，轨迹分段数量为K，K值作为输入变量，第k段轨迹的信道评估等级定义为G_k，i，k的取值范围为[1,K]，其中i值越大，用户的分布越密集；定义最长剩余时间切换(MRTS)的权值系数为μ_k，i，负载均衡切换策略(LBS)的权值系数为η_k，i，信道评估等级越高，卫星的信道资源越紧张，相应的η_k，i值越大，μ_k，i值越小；最强信号强度切换策略(MSSH)的权值系数为ξ_k，μ_k+η_k,i+ξ_k＝1，三种切换的概率系数分别为P_k0,P_k1,P_k2；用户接收的卫星信号强度等级定义为E_j，j＝0,1,2,3,4，不同接收信号强度等级对应不同的κ值，定义κ为MSSH策略的相关系数；

②确定轨迹段评估等级G_k，i；若U_i+1＞D_k,i＞U_i，则信道评估等级为G_k，i，从而确定μ_k，i和η_k，i值；

③选取切换卫星；不同轨迹段按照评估等级确定切换策略概率系数P_{ki，i＝1,2,3}，选取最大概率系数对应的卫星执行切换。

进一步的，(43)中信道预留的步骤如下，

①新用户呼叫接入阶段；基于时间预留策略场景图，用户U为在T时刻正处于卫星0的波束覆盖范围内，此时用户U向卫星发起新用户接入的申请，卫星接收到用户的接入申请后，在时间[T,T+T₀+δ(t)]内为用户预留信道，其中T₀表示当前卫星能对用户提供的最大服务时间，δ(t)表示错误差量，此时向下个服务的卫星发出一个请求，卫星1在[T+T₀-δ(t),T+T₀+T₁+δ(t)]时刻预留下信道资源；T₁表示切换卫星能够为用户提供的最大服务时间；

②卫星切换阶段；当用户U完成从源卫星到目标卫星的切换，当前为用户提供服务的卫星同样向下一个服务卫星发送一个预留信道的请求，下个服务卫星在时间[T_ho+T₁-δ(t),T_ho+T₁+T₂+δ(t)]的时间内为用户预留一个信道，其中T_ho表示卫星执行切换的时间，T₂为下颗卫星提供服务的时间；

③呼叫结束阶段；当用户U在第i个卫星的服务下完成完整通信过程，则当前服务卫星释放当前用户占用的信道，并取消之前发往下个卫星预留信道的请求。

进一步的，步骤5的具体实现方式如下，

确定评估时间t₀，在评估时间内统计丢包率P，端到端时延S，卫星服务等级Q＝σP+ωS，其中σ与ω分别表示两者对服务性能的影响因子；定义性能评估阈值为Q_os，若Q＜＝Q_os，表明当前卫星服务质量良好，若Q＞Q_os，当前卫星服务质量较差，选取步骤4中概率系数较低的卫星执行切换，若切换的卫星性能评估阈值仍然高于Q_os，保持当前状态，不继续执行切换。

本发明的优势在于：

①从低轨卫星通信系统未来应用实际场景出发，对不同高速终端进行分类和特性分析，充分利用高速终端的自身位置、轨迹等特性执行接入与切换。

②根据终端的业务和类型特点进行优先级配置，保证了高优先级用户优先接入。

③数据先验获取终端的类型、位置和轨迹信息，对终端位置和轨迹区域进行信道资源评估，充分利用不同区域的信道特性。

附图说明

图1是本发明中高速终端用户接入和切换框架设计图。

图2是本发明中基于终端位置的接入方法流程图。

图3是本发明中信道排队接入方法流程图。

图4是本发明的基于终端轨迹的切换方法流程图。

图5是本发明中基于时间预留策略场景图。

具体实施方式

本发明首先根据低轨卫星星座基本参数配置获取卫星的移动模型和对地覆盖模型，并在STK上完成相应的配置，然后对高速终端进行分类，针对不同终端类型配置用户移动模型，将STK配置的移动模型导出到QualNet完成相应的场景配置和协议栈配置，在高速终端接入过程中进行数据先验匹配获取终端类型和运行轨迹，区分用户呼叫为新呼叫和切换呼叫并进行优先级设计，对终端位置和轨迹区域进行信道资源评估，根据评估结果完成新呼叫的接入和切换呼叫的切换。

步骤1：数据先验获取高速终端类型和运行轨迹。终端发起呼叫接入申请时，通过终端的GPS定位功能获取终端的位置(经纬度、高度)信息，同时记录终端发起申请的时间T₀，将终端的位置信息与终端站台信息数据集进行数据匹配，获取终端的具体终端类型，并从高速终端轨迹数据集中获取终端的运行轨迹。如图1所示为高速终端用户接入和切换框架设计图，数据先验的具体方法如下：

(1)高速终端通过GPS获取经纬度和高度信息(Lat,Lon,H)；

(2)若H远低于低轨卫星高度，相对可忽略，则终端类型为高铁、民用飞机或者高速飞行器，将终端发起申请时的经纬度信息与统计的站台位置信息数据集进行数据匹配确定终端的具体类型；

(3)若H近似于低轨卫星高度，相对不可忽略，则终端类型为卫星；

(4)获取高速终端具体类型后，记录高速终端的申请时间T₀，将T₀与具体类型终端的轨迹信息数据集进行数据匹配，从而获取高速终端的运行轨迹。

步骤2：新呼叫和切换呼叫优先级配置。将用户呼叫区分为新呼叫和切换呼叫，通过步骤1的数据先验匹配获取终端类型，定义新呼叫和切换呼叫的优先级配置分别用N和N₁表示，优先级配置方法遵循实时业务>非实时业务，终端速度越快优先级越高的原则。

步骤3：对终端申请位置进行信道资源评估，根据评估获取的信道等级选取接入卫星，完成新呼叫的接入。流程图如图2所示，具体步骤如下：

(1)通过步骤2获取高速终端的具体类型和接入位置，利用STK仿真获取高速终端此时的可视卫星数量M；

(2)若M＝0，即当前用户无卫星覆盖时，新呼叫接入失败；

(3)若M＝1，即用户当前只有一颗卫星覆盖时，判断当前卫星是否存在空闲信道，若存在空闲信道则新呼叫直接接入信道；若当前卫星暂时无空闲信道，则将新呼叫加入卫星信道排队队列，信道排队策略流程如图3所示，用户呼叫加入信道队列后，计算卫星对当前终端的最长服务时间T_max，用户最长服务时间公式为：

其中，γ₀和w是同卫星网络相关的常数，γ_m是终端轨迹的“迹角”，γ(t)表示当前终端在卫星覆盖范围内的点弧距，定义T_c表示卫星对此终端的最长波束覆盖时间。配置排队定时器t，当可视卫星空出信道资源且此时t＜T_max，根据队列中的呼叫优先级依次接入卫星信道，若当前呼叫没有成功接入，则更新此时卫星的最大服务时间T_max，并重新配置排队定时器t，重复上述操作，当t＞T_max时丢弃呼叫。

(4)若M>1，即用户处于多颗可视卫星的共同覆盖下时，涉及到接入卫星的选取问题。将用户接入位置的信道资源评估等级定为两级，分别是信道资源充足(G₁)和信道资源不足(G₂)，定义D₀表示用户分布密度，信道评估界限值用U₀表示。若D₀＜U₀，表示信道资源充足，此时等级为G₁，否则定义等级为G₂。信道资源评估等级与接入卫星选取的关系如表1所示。

表1信道资源评估表

在信道资源充足的G₁区域，选取当前服务时间最长的卫星完成接入；在信道资源不足的G₂区域，选取当前可视卫星中空闲信道资源最多的卫星完成接入。

步骤4：对终端轨迹进行分段信道资源评估，根据不同轨迹段的信道评估等级，选取切换卫星预留信道执行切换，切换流程如图4所示，具体步骤如下：

(1)数据先验获取终端运行轨迹，根据卫星的轨道参数配置和天线基本参数计算终端运行轨迹中的可视卫星及卫星覆盖具体信息；

(2)对终端运行的轨迹进行综合信道资源评估，根据评估结果将高速终端的轨迹划分为多个不同的轨迹段，在不同轨迹段根据信道评估结果选取服务时间最长或者信道空闲最多的卫星作为切换卫星；

④参数定义。定义终端运动轨迹的用户分布密度为D_k,i，信道评估的界值为U_i,其中i＝1,2,3,…I，轨迹分段数量为K，K值作为输入变量，第k段轨迹的信道评估等级定义为G_k，i，k的取值范围为[1,K]，其中i值越大，用户的分布越密集；定义最长剩余时间切换(MRTS)的权值系数为μ_k，i，负载均衡切换策略(LBS)的权值系数为η_k，i，信道评估等级越高，卫星的信道资源越紧张，相应的η_k，i值越大，μ_k，i值越小。最强信号强度切换策略(MSSH)的权值系数为ξ_k，μ_k+η_k,i+ξ_k＝1，三种切换的概率系数分别为P_k0,P_k1,P_k2。用户接收的卫星信号强度等级定义为E_j，j＝0,1,2,3,4，不同接收信号强度等级对应不同的κ值，定义κ为MSSH策略的相关系数。

表2信号接收等级与相关系数

⑤确定轨迹段评估等级G_k，i。若U_i+1＞D_k,i＞U_i，则信道评估等级为G_k，i，从而确定μ_k，i和η_k，i值，不同轨迹段的信道资源评估结果如表3所示。

表3轨迹分段评估表

⑥选取切换卫星。不同轨迹段按照评估等级确定切换策略概率系数P_{ki，i＝1,2,3}，选取最大概率系数对应的卫星执行切换。

(3)若切换卫星信道空闲，则计算切换时间并提前预留信道资源，信道预留的步骤如下：

④新用户呼叫接入阶段。如图5所示为基于时间预留策略场景图，用户U为在T时刻正处于卫星0的波束覆盖范围内，此时用户U向卫星发起新用户接入的申请，卫星接收到用户的接入申请后，在时间[T,T+T₀+δ(t)]内为用户预留信道，其中T₀表示当前卫星能对用户提供的最大服务时间，δ(t)表示错误差量，此时向下个服务的卫星发出一个请求，卫星1在[T+T₀-δ(t),T+T₀+T₁+δ(t)]时刻预留下信道资源。T₁表示切换卫星能够为用户提供的最大服务时间，通过步骤1在STK上配置卫星和用户移动模型和覆盖模型可以获取T₀、T₁值。

⑤卫星切换阶段。当用户U完成从源卫星到目标卫星的切换，当前为用户提供服务的卫星同样向下一个服务卫星发送一个预留信道的请求，下个服务卫星在时间[T_ho+T₁-δ(t),T_ho+T₁+T₂+δ(t)]的时间内为用户预留一个信道，其中T_ho表示卫星执行切换的时间，T₂为下颗卫星提供服务的时间，以此类推。

⑥呼叫结束阶段。当用户U在第i个卫星的服务下完成完整通信过程，则当前服务卫星释放当前用户占用的信道，并取消之前发往下个卫星预留信道的请求。

(4)若卫星信道不空闲，则将切换呼叫加入排队队列，按照步骤3的信道排队算法，以切换呼叫的优先级从高到低的顺序依次完成卫星的切换工作。

步骤5：切换卫星服务性能评估。确定评估时间t₀，在评估时间内统计系统的丢包率P，端到端时延S，卫星服务等级Q＝σP+ωS，其中σ与ω分别表示两者对服务性能的影响因子；定义性能评估阈值为Q_os，若Q＜＝Q_os，表明当前卫星服务质量良好，若Q＞Q_os，当前卫星服务质量较差，选取步骤4中概率系数较低的卫星执行切换，若切换的卫星性能评估阈值仍然高于Q_os，保持当前状态，不继续执行切换。

以类铱星系统对某高速移动终端提供服务为例做方法演示，表4为类铱星星座基本参数。

步骤1：数据先验获取高速终端类型和运行轨迹。高速移动终端通过GPS定位功能获取终端的经纬度信息，同时记录终端发起申请的时间T₀，将记录的位置信息与表5终端站台信息数据集进行数据匹配可以获取终端站台类型为飞机站台，将时间T₀与表6进行数据匹配可以获取飞机的轨迹为北京飞往乌鲁木齐的航班，从而确定终端运行轨迹信息。

表4类铱星星座基本参数

星系类别	低轨卫星系统
		卫星数目(颗)	66
轨道面(个)	6
		每颗轨道卫星数量(颗)	11
轨道高度(km)	1100
		轨道倾角(度)	81

表5站台位置信息数据集

表6民航信息数据集

步骤2：新呼叫和切换呼叫优先级配置。优先级配置方法遵循实时业务>非实时业务，终端速度越快优先级越高的原则。优先级配置如表7所示，当前终端类型为飞机，其优先级为4、5级。

表7优先级配置

步骤3：对终端申请位置进行信道资源评估，根据评估获取的信道等级选取接入卫星，完成新呼叫的接入。终端接入位置为北京机场，当前位置信道评估等级为G₂，且当前可视卫星数量M>1，选取信道资源空闲的卫星完成接入。

步骤4，对终端轨迹进行分段信道资源评估，根据不同轨迹段的信道评估等级，选取切换卫星预留信道执行切换。终端轨迹为北京到乌鲁木齐站，将轨迹划分为6段，即K＝6，对不同轨迹段进行信道资源评估和接收信号强度评估，得到相应的切换概率系数P_ki,i＝0,1,2如表8所示，在不同轨迹段按照最大概率系数对应的卫星切换方案执行切换。

表8不同轨迹区域切换概率系数

步骤5：切换卫星服务性能评估。切换完成后，在时间t₀内统计系统的丢包率与端到端时延，比较与卫星服务阈值Q_os之间关系，当高于卫星服务阈值时，触发卫星切换，为避免出现循环切换，此类切换只触发一次。低于服务阈值时，卫星服务质量良好，不执行切换。