一种卫星网络中的基于资源预留的切换控制方法及系统技术方案

本发明专利技术一种卫星网络中的基于资源预留的切换控制方法及系统，包括：1、根据终端的业务请求，确定业务统计性平均通信时长、带宽需求以及业务切换中断率；2、根据业务统计性平均通信时长与卫星网络波束小区信道持续时间的大小关系，按业务统计性平均通信时长将一个波束小区划分为多个子小区；3、计算获得该业务终端所接入卫星的波束子小区；4、利用卫星网络链路切换的可预测性以及终端的定位信息，设置终端在每个子小区内发起资源预留请求的时刻；5、根据下一波束子小区的实时资源状态，为新入网业务和待切换的业务实现不同方法的资源预留。

A switching control method and system based on resource reservation in a satellite network

The invention relates to a satellite network switching resource reservation system and control method based on, including: 1, according to the terminal service request, length, bandwidth requirement and business switching interrupt rate to determine the statistical average business communication; 2, according to statistics of average length and size of the satellite communication network channel continuous beam time, according to the statistics of the average business communication will be a long beam area is divided into several sub areas; 3, to calculate the beam sub cell to receive the service terminal access satellite; 4, the predictability and the terminal location information of satellite network link switch, set the terminal resource reservation request in each sub area in a moment; 5, according to the real-time resource state of beam sub district, reserved for different ways to achieve the new network business and business resources to be switched.

【技术实现步骤摘要】
一种卫星网络中的基于资源预留的切换控制方法及系统
本专利技术涉及一种基于资源预留的卫星网络切换控制方法及系统，尤其是一种通过建立波束子小区机制来对卫星网络切换过程中的资源进行合理预留的方法。
技术介绍
中低轨道卫星通信系统由于星座的轨道高度相比静止轨道卫星通信系统具备传输时延低、轨道资源丰富和用户终端功耗低等优点，然而由于用户终端与中低轨道卫星星座的相对运动，且单星的单波束小区的覆盖面积有限，用户终端在通信过程中往往需要进行波束切换甚至是星间切换以保证业务的不间断通信。通常中低轨道卫星通信过程中的切换主要由卫星的绕地旋转和地面终端的移动而引起。根据Kepler第三定律，卫星的旋转速度与其轨道高度有关。轨道高度为5000～15000km的MEO卫星星下点速率约为14000～19000km/h，远大于任何地面用户终端的速率(一般不超过1000km/h)，因此在一般的通信过程中(约为几分钟)，用户的运动可以忽略不计，只考虑由卫星运动而引起的切换。如图1所示，每颗卫星的单个波束覆盖范围是有限的，随着卫星的移动，用户终端相对运动至当前波束的边界，其信道条件也逐渐恶化，因此，正在通信的地面终端必须在不同波束之间，甚至是不同卫星之间进行信道切换，以保证整个通信业务的连续性，由于用户对通信中断的容忍度极低，且波束切换发生较为频繁，因此波束切换问题是中低轨道卫星通信系统设计过程中必须解决的关键技术之一。针对中低轨道卫星通信系统中业务终端面临的波束切换问题，目前最有效的解决方法为采用资源预留的方式，即在待切换业务到达当前波束小区的切换阈值点前，向下一波束小区发送资源预留请求，从而为业务预留带宽资源，以保证业务通信的连续性。切换阈值点是现有基于资源预留的切换控制方法的关键概念之一，如图2所示，一个波束小区被切换阈值tTH分为区域A和区域B，当业务从区域A相对运动至区域B时，若到达该切换阈值点tTH，则向下一波束小区发起资源预留请求，这种方法可以在较好保证业务切换成功的基础上，提升系统资源利用率。现有的基于波束小区的资源预留方法中，如图3所示，其切换流程可以分为以下三个步骤：步骤1、业务在当前波束小区进行通信，根据定位装置，判断业务是否到达波束小区的阈值边界tTH；步骤2、当业务到达波束小区的阈值边界时，根据业务所需带宽需求，向下一波束小区发起资源预留请求；步骤3、判断下一波束小区是否有足够资源，如果有则为该业务在下一波束小区预留资源，若没有则进入信道预留请求排队，若在排队超时前下一小区有资源可预留，则可以为该业务预留资源，切换成功；否则排队超时，切换失败且业务被迫中断。切换控制方法的关键问题为：在保证切换业务的QoS需求的前提下，尽可能减少资源预留过程所带来的资源浪费，提升系统资源利用率。现有的这类基于波束小区的资源预留策略为业务预留的资源为下一波束小区的全部信道持续时间。考虑一个由轨道高度为8000km，轨道倾角为0°的六颗MEO卫星组成的卫星星座，其卫星覆盖时间约为1.3h，波束覆盖时间约为25min，以持续时间服从均值为10min的泊松分布的语音业务为例，现有的这类资源预留策略将为该业务在下一小区预留25min时长的带宽资源，由于业务平均持续时间为10min，显然这类资源预留机制会导致极大的资源浪费，而对于带宽资源极其有限且十分宝贵的卫星通信系统而言，资源浪费带来的代价十分巨大。
技术实现思路
本专利技术解决的技术方案是：克服现有技术的不足，提供一种基于资源预留的卫星网络切换控制方法，利用业务持续时间的统计性特性，通过建立波束子小区模型，确保系统所预留的资源与业务实际需求保持统计性一致，在保证业务QoS需求的基础上，极大减少预留过程带来的资源浪费。另外根据新入网业务和待切换业务对资源预留失败的容忍度不一致的特征，提出了一种区分新入网业务和待切换业务的资源预留方法，优先保证对切换失败率要求较严格的待切换业务资源预留成功的概率。本专利技术的技术方案是：一种基于资源预留的卫星网络切换控制方法，包括如下步骤：步骤1、根据终端的业务请求，确定业务统计性平均通信时长、带宽需求以及业务切换中断率；步骤2、根据业务统计性平均通信时长与卫星网络波束小区信道持续时间的大小关系，按业务统计性平均通信时长将一个波束小区划分为多个子小区；步骤3、计算获得该业务终端所接入卫星的波束子小区；步骤4、利用卫星网络链路切换的可预测性以及终端的定位信息，设置终端在每个子小区内发起资源预留请求的时刻；步骤5、根据下一波束子小区的实时资源状态，为新入网业务和待切换的业务实现不同方法的资源预留。所述步骤2具体方法为：如果业务统计性平均通信时长低于卫星网络波束小区信道持续时间，则将一个完整的卫星波束小区划分为多个子小区，每个子小区时长为业务统计性平均通信时长；如果业务统计性平均通信时长高于或等于卫星网络波束小区信道持续时间，则将一整个卫星网络波束小区作为一个子小区。所述步骤3计算获得该业务终端所接入卫星的波束子小区的具体方法为：根据GPS等定位装置，确定业务终端接入网络时的具体地理位置及其接入卫星，并根据步骤2中波束子小区与波束小区的划分关系，计算该业务终端所接入卫星的对应波束小区以及对应子小区内的具体位置。所述步骤4具体方法为：首先，推导发起资源预留请求的时刻与业务在一个子小区内的切换中断率之间的函数关系，然后根据步骤2中波束小区与子小区之间的分割关系，进一步推导资源预留请求的时刻与业务在一整个波束小区内的切换中断率之间的函数关系，最后根据该函数关系，通过多次迭代求解，得出满足业务切换中断率时相应的发起资源预留请求的时间阈值的门限值。所述步骤5具体方法为：步骤51：判断业务性质，如果是新入网的业务，则执行步骤52，否则如果为待切换的业务，则执行步骤53；步骤52：根据新入网业务的位置信息，判断该用户是否在步骤42所求得的时间阈值前接入子小区，如果该用户在时间阈值前接入波束子小区，进一步判断当前子小区是否有可用资源为该用户预留，如果有，则执行步骤54，否则执行步骤55；否则如果该用户在时间阈值后接入波束子小区，进一步判断当前子小区和下一子小区是否均有可用资源为该用户预留，如果均有，则执行步骤54，否则执行步骤55；步骤53：对于待切换的业务，根据业务位置信息，当业务终端相对运动至步骤42所求得的子小区的时间阈值的时刻，发起资源预留请求，系统判断当前子小区和下一子小区是否均有可用资源为该用户预留，如果均有，则执行步骤54，否则执行步骤55；步骤54：此时系统有足够资源为业务预留，则系统成功为该用户预留资源，并向用户返回资源预留成功信令；步骤55：此时系统没有足够资源为业务预留，则用户进入排队等待状态，在业务到达当前子小区的右边界前的时间内，如果系统可以满足该用户如步骤52或步骤53所述的资源需求，则进入步骤54；否则业务等待超时，进入步骤56；步骤56：此时资源预留失败，对于新入网业务，系统向用户返回资源预留失败信令；对于待切换业务，则该业务被迫中断。当业务统计性平均通信时长低于卫星网络波束小区信道持续时间时，若卫星网络波束小区时长与子小区时长为非整数关系，则最后一个子小区的时长为业务统计性平均通信时长除卫星网络波束小区时长的余数，若卫星网络波束小区时长与子小区时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于资源预留的卫星网络切换控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、根据终端的业务请求，确定业务统计性平均通信时长、带宽需求以及业务切换中断率；步骤2、根据业务统计性平均通信时长与卫星网络波束小区信道持续时间的大小关系，按业务统计性平均通信时长将一个波束小区划分为多个子小区；步骤3、计算获得该业务终端所接入卫星的波束子小区；步骤4、利用卫星网络链路切换的可预测性以及终端的定位信息，设置终端在每个子小区内发起资源预留请求的时刻；步骤5、根据下一波束子小区的实时资源状态，为新入网业务和待切换的业务实现不同方法的资源预留。

【技术特征摘要】
1.一种基于资源预留的卫星网络切换控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、根据终端的业务请求，确定业务统计性平均通信时长、带宽需求以及业务切换中断率；步骤2、根据业务统计性平均通信时长与卫星网络波束小区信道持续时间的大小关系，按业务统计性平均通信时长将一个波束小区划分为多个子小区；步骤3、计算获得该业务终端所接入卫星的波束子小区；步骤4、利用卫星网络链路切换的可预测性以及终端的定位信息，设置终端在每个子小区内发起资源预留请求的时刻；步骤5、根据下一波束子小区的实时资源状态，为新入网业务和待切换的业务实现不同方法的资源预留。2.根据权利要求1所述的一种基于资源预留的卫星网络切换控制方法，其特征在于：所述步骤2具体方法为：如果业务统计性平均通信时长低于卫星网络波束小区信道持续时间，则将一个完整的卫星波束小区划分为多个子小区，每个子小区时长为业务统计性平均通信时长；如果业务统计性平均通信时长高于或等于卫星网络波束小区信道持续时间，则将一整个卫星网络波束小区作为一个子小区。3.根据权利要求1所述的一种基于资源预留的卫星网络切换控制方法，其特征在于：所述步骤3计算获得该业务终端所接入卫星的波束子小区的具体方法为：根据GPS等定位装置，确定业务终端接入网络时的具体地理位置及其接入卫星，并根据步骤2中波束子小区与波束小区的划分关系，计算该业务终端所接入卫星的对应波束小区以及对应子小区内的具体位置。4.根据权利要求1所述的一种基于资源预留的卫星网络切换控制方法，其特征在于：所述步骤4具体方法为：首先，推导发起资源预留请求的时刻与业务在一个子小区内的切换中断率之间的函数关系，然后根据步骤2中波束小区与子小区之间的分割关系，进一步推导资源预留请求的时刻与业务在一整个波束小区内的切换中断率之间的函数关系，最后根据该函数关系，通过多次迭代求解，得出满足业务切换中断率时相应的发起资源预留请求的时间阈值的门限值。5.根据权利要求4所述的一种基于资源预留的卫星网络切换控制方法，其特征在于：所述步骤5具体方法为：步骤51：判断业务性质，如果是新入网的业务，则执行步骤52，否则如果为待切换的业务，则执行步骤53；步骤52：根据新入网业务的位置信息，判断该用户是否在步骤42所求得的时间阈值前接入子小区，如果该用户在时间阈值前接入波束子小区，进一步判断当前子小区是否有可用资源为该用户预留，如果有，则执行步骤54，否则执行步骤55；否则如果该用户在时间阈值后接入波束子小区，进一步判断当前子小区和下一子小区是否均有可用资源为该用户预留，如果均有，则执行步骤54，否则执行步骤55；步骤53：对于待切换的业务，根据业务位置信息，当业务终端相对运动至步骤42所求得的子小区的时间阈值的时刻，发起资源预留请求，系统判断当前子小区和下一子小区是否均有可用资源为该用户预留，如果均有，则执行步骤54，否则执行步骤55；步骤54：此时系统有足够资源为业务预留，则系统成功为该用户预留资源，并向用户返回资源预留成功信令；步骤55：此时系统没有足够资源为业务预留，则用户进入排队等待状态，在业务到达当前子小区的右边界前的时间内，如果系统可以满足该用户如步骤52或步骤53所述的资源需求，则进入步骤54；否则业务等待超时，进入步骤56；步骤56：此时资源预留失败，对于新入网业务，系统向用户返回资源预留失败信令；对于待切换业务，则该业务被迫中断。6.根据权利要求1-5任意所述的一种基于资源预留的卫星网络切换控制方法，其特征在于：当业务统计性平均通信...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶滢，覃落雨，高梓贺，王厚天，李明，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11