卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法技术

本发明专利技术公开了卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法，属于卫星通信技术领域。所述方法包括寻找可视卫星、构建二维移动模型并逐一计算每颗可视卫星的剩余服务时长、选择有空闲信道资源的剩余服务时长最长的可视卫星作为目标卫星、与新目标卫星建立通信链路的步骤。本发明专利技术提出的二维移动模型，不依赖用户的历史运动数据，因此不需要很大的存储空间；新提出的二维移动模型具有普适性，不仅适合于计算快速终端用户的剩余服务时长，还可以用于分析普通低速用户的剩余服务时长，满足两种类型用户的自适应切换需求；再者，提出的自适应切换策略不仅可以应用于单层卫星网络模型下，还可以用于双层卫星网络模型下，运动场景也更具有普适性。

An approach for fast terminal adaptive handover in satellite networks

The invention discloses an adaptive switching method for a fast terminal in a satellite network, which belongs to the field of satellite communication technology. The method includes searching for visible satellite, build a two-dimensional mobile model and one by one to calculate the remaining service every visible satellites visible satellites, long residual free service channel resource the longest as the target satellite, establish a communication link with the new target satellite steps. Two dimensional mobile model provided by the invention, the historical movement data does not depend on the user, so do not need a lot of storage space; two-dimensional movement of the proposed new model is universal, not only for the remaining service rapid calculation of the length of time the user terminal, can also be used for remaining service analysis of general low speed the length of time the user, to meet the adaptive switching two types of user demand; furthermore, the adaptive switching strategies can be applied not only to single layer satellite network model, but also can be used for double layered satellite network model, the sports scene is more universal.

【技术实现步骤摘要】
卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法
本专利技术属于卫星通信
，具体涉及一种卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法。
技术介绍
在通信技术多元化发展的今天，卫星通信作为一种重要的通信方式，正发挥着越来越大的作用。卫星网络以其全球覆盖、组网灵活、抗干扰性强等优点，广泛应用于通信领域。LEO(LowEarthOribitSatellite，低轨道卫星)以较小时延和低功耗等优点，正成为未来卫星移动通信系统的一个重要发展方向。目前卫星通信系统中的终端大多是慢速终端。但是，随着科技的发展，全球化趋势的加强以及一些特殊行业的需求，势必需要进行长距离的空间通信，这时就需要速度非常快(时速上千公里)的移动终端来服务，例如航空业中洲际间的飞机、航天中的宇宙飞船、军事上的飞机、导弹等。在传统的关于LEO和用户终端之间的具有确定模型的移动卫星网络中，由于卫星覆盖区域内用户位置的不确定性和偶然性，导致对卫星网络中的相关参数估计值可靠性不高。参考文献[1](YounesSeyedi,SeyedMostafaSafavi.OntheAnalysisofRandomCoverageTimeinMobileLEOSatelliteCommunications[J].IEEECOMMUNICATIONSLETTERS,2012,16(5):612-615.)提出了一种用于预估卫星对用户的覆盖时间的统计模型，在该模型下，提出了一种适用于卫星对普通低速终端剩余服务时长的有效的估计方法。该模型在设计关于用户和卫星的移动通信系统时，具有一定的指导意义。该文献指出，卫星对终端的服务时长是用户和卫星间仰角由最小值变为最大值所经历时间的2倍。在参考文献[2](WuZ,HuG,SeyediY,etal.Asimplereal-timehandovermanagementinthemobilesatellitecommunicationnetworks[C]//NetworkOperationsandManagementSymposium.2015)中，首先使用GPS设施完成用户终端和卫星位置信息的测量估计工作，推导出了LEO卫星对普通低速终端的剩余服务时长的实时估计值。然后，以低轨卫星移动通信系统和普通低速终端之间可视卫星集合中的每颗卫星为研究对象，计算出每一颗卫星对普通低速终端的实时剩余服务时长估计值，然后又根据得到的关于所有可视卫星的实时剩余服务时长的集合，找出剩余服务时长最大的那颗星，作为下一次将要切换的目标卫星。接下来，又对论文提出关于剩余服务时长的估计策略，做了仿真估计工作，仿真环境使用了低轨卫星通信系统中铱星网络通信系统，完成仿真与比较分析的工作。在仿真工作中，分别选取了不同的用户和卫星迹角值，将LEO卫星对普通低速终端的剩余服务时长估计值与实际剩余服务时长做比较工作，同时，对二者的差值随实际剩余服务时长的变化规律做了研究与仿真工作。论文根据实时的参数估计，自适应普通低速终端位置信息的切换策略。然而，现阶段的相关文献大多针对普通低速终端，提出了LEO卫星对普通低速终端的剩余服务时长的估计值策略。但是，在实际通信业务中，面向快速终端业务呈现出愈来愈多，愈来愈复杂的趋势，研究一种面向快速终端的自适应切换技术具有重要的指导意义。在卫星移动通信网络中，由于快速终端的高速运动和无线资源的有限性，随时随地保证用户的服务质量是很有挑战性的。如果能够预知用户的通信需求，获取有效的QOS会容易很多。运动是用户终端与生俱来的特性，它在网络通信的移动管理和转发服务保证通信可靠性方面，会带来相当大的开销。在实际通信当中，移动用户频繁地改变它与卫星网络的接入点，即切换；在保证用户通信可靠性方面，切换是一个关键性的因素。提出合理准确的运动模型，在保证快速终端的服务质量方面可以起到很重要的作用。在过去十多年内，移动模型已经广泛地用在很多种类的无线网络中。首先分析终端的移动模型，提出可以预测用户移动特性的模型；根据用户的运动性评估或者预测用户未来的位置或者轨迹。常见的移动模型有随机步行、随机航路点、流体运动、马尔可夫过程的和基于规律性活动的模型。最简单的运动模型是随机步行和随机航路点模型，这些最初用于估计物理学中粒子不可预测的移动特性。其他的模型则用于预测用户的特性，例如用户运动路径的预测。由于用户的日常行程和运动模型的周期性等特点，许多研究学者都基于该理论定义预测用户移动性的模型。用户移动预测模型的一个重要的应用领域是针对个别用户移动性的预测模型，一些基本的模型通过引入位置、方向、时间、和条件概率等因子。考虑到用户移动的规律性，基于用户运动的方向和时间，预测用户下一次移动性的条件概率，概率值最高的就是下一次移动。然而，现阶段文献中的移动性预测模型具有(1)短暂性(比如说下一个小区)的用户移动性预测；(2)限制性的假设前提(例如，用户的运动遵循一定的特点)；(3)答案完全依赖于个别用户的历史运动特性；(4)需要很大的存储空间，开销大等特点。
技术实现思路
本专利技术为了提高剩余服务时长的准确度，减少用户通信过程中的切换次数，提高整个卫星网络通信网络系统性能，提出一种卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法。本专利技术结合快速终端的速度、位置、高度等信息，给出一种针对快速终端的二维移动模型，该二维移动模型不依赖快速终端的历史运动信息，所以不需要存储大量数据；不需要对快速终端的移动性做出给定的假设，可以根据快速终端的实时信息，估计快速终端的移动参数和切换参数；可以对快速终端的长期性运动给出相应的估计和预测。本专利技术提供一种卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法，包括两种切换场景，分别为LEO－飞行器切换场景和GEO－LEO切换场景，对于第一个LEO－飞行器切换场景，所述的飞行器作为快速终端，对于第二个GEO－LEO切换场景，LEO卫星作为快速终端，所述自适应切换方法包括如下步骤：第一步，寻找可视卫星：当快速终端在执行任务的过程中，到达当前服务卫星的覆盖区域边缘处时，为了保证快速终端的持续通信不发生中断，需判断有没有卫星覆盖当前快速终端，如果有卫星覆盖快速终端，则称该卫星为可视卫星，执行第二步至第五步；如果没有卫星覆盖快速终端，那么卫星－快速终端通信中断。第二步，构建二维移动模型并运算可视卫星的剩余服务时长：快速终端向一颗可视卫星发起切换请求之前，通过GPS设施提供的PNT服务获取快速终端和可视卫星的经纬度信息，构建关于卫星－快速终端的二维移动模型，在该二维移动模型下计算可视卫星和快速终端的迹角、快速终端－卫星的仰角等实时信息，同时推导并计算出当前二维移动模型中可视卫星的剩余服务时长。第三步，逐一计算每颗可视卫星的剩余服务时长：判断是否计算完所有可视卫星的剩余服务时长，如果没有计算完，则选择下一颗可视卫星；同时，重新构建卫星－快速终端的二维移动模型，在新构建的二维移动模型下，计算该颗可视卫星的剩余服务时长。第四步，选择剩余服务时长最长的可视卫星作为目标卫星：当计算完所有可视卫星的剩余服务时长时，从可视卫星集合中选取有空闲信道资源且剩余服务时长最长的那颗可视卫星，并把该颗可视卫星作为下一颗目标卫星。第五步，与新目标卫星建立通信链路：目标卫星为快速终端分配信道资本文档来自技高网...

【技术保护点】
卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法，其特征在于：所述自适应切换方法包括如下步骤：第一步，寻找可视卫星：当快速终端在执行任务的过程中，到达当前服务卫星的覆盖区域边缘处时，为了保证快速终端的持续通信不发生中断，需判断有没有卫星覆盖当前快速终端，如果有卫星覆盖快速终端，则称该卫星为可视卫星，执行第二步至第五步；如果没有卫星覆盖快速终端，那么卫星－快速终端通信中断；第二步，构建二维移动模型并运算可视卫星的剩余服务时长：快速终端向一颗可视卫星发起切换请求之前，通过GPS设施提供的PNT服务获取快速终端和可视卫星的经纬度信息，构建关于卫星－快速终端的二维移动模型，在该二维移动模型下计算可视卫星和快速终端的迹角、快速终端－卫星的仰角实时信息，同时推导并计算出当前二维移动模型中可视卫星的剩余服务时长；第三步，逐一计算每颗可视卫星的剩余服务时长；第四步，选择有空闲信道资源且剩余服务时长最长的可视卫星作为目标卫星：当计算完所有可视卫星的剩余服务时长时，从可视卫星集合中选取有空闲信道资源且剩余服务时长最长的那颗可视卫星，并把该颗可视卫星作为下一颗目标卫星；第五步，与新目标卫星建立通信链路：新的目标卫星为快速终端分配信道资源，建立通信连接；快速终端释放原服务卫星的信道资源，旧的通信链路断开；完成整个卫星－快速终端通信的切换过程；快速终端在新目标卫星的覆盖下，完成通信业务服务。...

【技术特征摘要】
1.卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法，其特征在于：所述自适应切换方法包括如下步骤：第一步，寻找可视卫星：当快速终端在执行任务的过程中，到达当前服务卫星的覆盖区域边缘处时，为了保证快速终端的持续通信不发生中断，需判断有没有卫星覆盖当前快速终端，如果有卫星覆盖快速终端，则称该卫星为可视卫星，执行第二步至第五步；如果没有卫星覆盖快速终端，那么卫星－快速终端通信中断；第二步，构建二维移动模型并运算可视卫星的剩余服务时长：快速终端向一颗可视卫星发起切换请求之前，通过GPS设施提供的PNT服务获取快速终端和可视卫星的经纬度信息，构建关于卫星－快速终端的二维移动模型，在该二维移动模型下计算可视卫星和快速终端的迹角、快速终端－卫星的仰角实时信息，同时推导并计算出当前二维移动模型中可视卫星的剩余服务时长；第三步，逐一计算每颗可视卫星的剩余服务时长；第四步，选择有空闲信道资源且剩余服务时长最长的可视卫星作为目标卫星：当计算完所有可视卫星的剩余服务时长时，从可视卫星集合中选取有空闲信道资源且剩余服务时长最长的那颗可视卫星，并把该颗可视卫星作为下一颗目标卫星；第五步，与新目标卫星建立通信链路：新的目标卫星为快速终端分配信道资源，建立通信连接；快速终端释放原服务卫星的信道资源，旧的通信链路断开；完成整个卫星－快速终端通信的切换过程；快速终端在新目标卫星的覆盖下，完成通信业务服务。2.根据权利要求1所述的卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法，其特征在于：所述的可视卫星，对于LEO－快速终端切换场景，快速终端为飞行器，可视卫星为LEO卫星；对于GEO－LEO切换场景，可视卫星为GEO卫星，快速终端为LEO卫星。3.根据权利要求1所述的卫星网络中一种面向快速终端的自适应切换方法，其特征在于：所述的可视卫星的剩余服务时长，通过如下方法获得：建立卫星-快速终端二维移动模型：假定卫星S都是轨道倾角为i、高度为h的圆轨道卫星，快速终端T即飞行器的飞行高度为h1，从快速终端T到卫星S的仰角为θ(t)，当前快速终端T到卫星S的星下点弧距γ(t),地球半径为Re，卫星覆盖区域内的快速终端记为T，以地心O为球心，半径为Re+h1的球面记为B；把快速终端速度记为vt，然后对vt进行正交分解，分解后的速度一个记为vx，vx方向沿卫星运动方向，另一个速度记为vy，vy方向垂直卫星运动方向，其中vx和vt的夹角记为j，vx分量对应的角速度为ωtx＝vx/(Re+h1)；γm表示卫星－快速终端的迹角，即是快速终端到卫星星下点轨迹最短的弧距；是辅助角，ωs是卫星的角速度，ωt是快速终端的角速度；根据该二维移动模型，有，γm(t)表示t时刻卫星－快速终端的迹角；根据余弦定律有：由式(1)知，由式(2)知，γm(t)＝tωtsinj+γm0(5)其中，为辅助角在0时刻的初始值，γm0为0时刻的可视卫星-快速终端的迹角；假定在t＝0时，即一颗卫星刚进入快速终端视野的时刻，有辅助角快速终端和可视卫星的迹角γm(t)在t＝0时的取值分别为γm(0)＝γm0；由式(3)得，又根据二维场景模型和几何关系有，(Re+h)cos(γ(t)+θ(t))＝(Re+h1)cosθ(t)(7)由式(7)得由式(8)得当卫星开始出现在快速终端的视野中时，即t＝0时刻，有下列等式成立：(Re+h)cos(γ0+θc)＝(Re+h1)cosθc(10)其中，γ0为快速终端和服务卫星之间的仰角最小时对应的地球中心角；在t＝0时刻，使用GPS分别获取卫星和快速终端的准确的经纬度位置信息...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡鹤飞，林蒙，刘元安，冉静，袁东明，高锦春，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11