一种基于星地融合网络的用户终端网络切换接入方法技术

本发明专利技术属于移动通信技术领域，具体涉及一种基于星地融合网络的用户终端网络切换接入方法，包括：构建包括卫星、地面基站和用户的星地融合网络场景，构建用户的通信模型和运动模型；基于用户接收信号强度、小区服务时间、网络接入成本和通信时延建立多目标奖励函数，构建最大化奖励模型；最后，基于深度确定性策略梯度算法对优化问题进行求解；本发明专利技术通过最大化奖励函数，保证最优用户切换策略，有效提升地面用户通信服务质量。面用户通信服务质量。面用户通信服务质量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于星地融合网络的用户终端网络切换接入方法


[0001]本专利技术属于移动通信
，具体涉及一种基于星地融合网络的用户终端网络切换接入方法。

技术介绍

[0002]传统地面通信网络覆盖范围有限，且易受台风、地震等自然灾害的影响。为了克服地面网络的限制，卫星网络应运而生。卫星具有覆盖范围广、抗干扰能力强以及灵活性高等优点，卫星在无线通信领域的应用日益广益。但卫星网络的信号传输延迟和设计、发射和维护等成本较高，这也限制了卫星网络的普及和可用性。为了综合利用地面网络和卫星网络的优势，星地融合网络应运而生。星地融合网络结合了地面网络和卫星网络，通过地面基站与卫星之间的连接，实现了更广泛的覆盖和更可靠的通信。星地融合网络可以在地面网络无法覆盖的地区提供通信服务，并在地面网络受损时提供备用通信路径。然而，在星地融合网络场景中，网络的多样性和复杂性为地面用户切换带来了一系列挑战。
[0003]随着近年来机器学习的发展，切换策略与强化学习(Reinforcement Learning,RL)的结合成为新的研究热点。RL旨在让智能体通过与环境的交互来学习如何做出最优的决策，从而最大化累积奖励。强化学习的核心思想是智能体通过与环境的交互，不断地试错和调整策略，直到找到最优的策略。由于RL具有自主决策、适应性强等优点，RL适用于动态场景和长期优化问题。因此，RL被用于切换决策中解决多度量优化问题。RL通过用户与环境交互来调整自身的决策控制以获取更好的奖励回报。但是，传统学习框架采用固定学习率来训练神经网络，导致收敛差。因此，使用RL解决切换决策中多度量优化问题时，如何提供收敛的稳定性是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

[0004]为解决以上现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种基于星地融合网络的用户终端网络切换接入方法，该方法包括：
[0005]S1：构建星地融合网络，星地融合网络包括卫星、地面基站以及用户终端；
[0006]S2：基于星地融合网络构建用户接入地面基站的通信模型和用户接入卫星的通信模型；
[0007]S3：用户终端向源小区的地面基站上报数据信息，其中数据信息包括位置信息、移动速度以及移动方向；
[0008]S4：地面基站根据用户终端上报的数据信息采用用户接入地面基站的通信模型和用户接入卫星的通信模型预测下一时间段内覆盖用户的卫星和地面基站，并将预测结果发送给用户终端；
[0009]S5：用户终端根据预测结果构建切换策略，采用DDPG算法对切换策略进行优化，得到最优切换路径；
[0010]S6：用户终端向目标小区地面基站上报最优切换路径信息，并发送接入请求；
[0011]S7：目标小区地面基站根据接入请求为用户终端分配接入资源，并向用户终端发送条件接入响应；
[0012]S8：用户终端根据条件接入响应向目标小区的地面基站进行切换。
[0013]本专利技术的有益效果：
[0014]本专利技术提出了一种星地融合网络基于深度强化学习的地面用户条件切换方法，首先，构建包括卫星、地面基站和用户的星地融合网络场景，再建模用户的通信模型和运动模型；其次，基于用户接收信号强度、小区服务时间、网络接入成本和通信时延建立多目标奖励函数，构建最大化奖励模型；最后，基于深度确定性策略梯度算法对优化问题进行求解；本方案通过最大化奖励函数，保证最优用户切换策略，有效提升地面用户通信服务质量。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的星地融合网络架构图；
[0016]图2为本专利技术的基于DDPG算法的切换决策流程图；
[0017]图3为本专利技术的基于DDPG算法的条件切换流程图。
具体实施方式
[0018]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0019]一种基于星地融合网络的用户终端网络切换接入方法，该方法包括：
[0020]S1：构建星地融合网络，星地融合网络包括卫星、地面基站以及用户终端；
[0021]S2：基于星地融合网络构建用户接入地面基站的通信模型和用户接入卫星的通信模型；
[0022]S3：用户终端向源小区的地面基站上报数据信息，其中数据信息包括位置信息、移动速度以及移动方向；
[0023]S4：地面基站根据用户终端上报的数据信息采用用户接入地面基站的通信模型和用户接入卫星的通信模型预测下一时间段内覆盖用户的卫星和地面基站，并将预测结果发送给用户终端；
[0024]S5：用户终端根据预测结果构建切换策略，采用DDPG算法对切换策略进行优化，得到最优切换路径；
[0025]S6：用户终端向目标小区地面基站上报最优切换路径信息，并发送接入请求；
[0026]S7：目标小区地面基站根据接入请求为用户终端分配接入资源，并向用户终端发送条件接入响应；
[0027]S8：用户终端根据条件接入响应向目标小区的地面基站进行切换。
[0028]图1给出了本专利技术实施例所涉及的通信系统的一种可能的结构示意图。如图1所示，该通信网络由N个卫星、K个gNB和M个用户构成。卫星集合为S＝{s1,s2,
…
,s
N
}，gNB集合为G＝{g1,g2,
…
,g
K
}。用户集合为U＝{u1,u2,
…
,u
M
}。用户可以通过GPS获取自身速度、位置信息，每一个用户都配备了一个天线，可以连接卫星和gNB。但用户同一时刻只能接入一个
卫星或gNB。卫星可以通过网络获取地面TN小区的信息。卫星结合用户上报信息及星历信息预测后续时间内可能覆盖用户的卫星以及地面基站。卫星和gNB都与地面网关连接，地面网关作为中继连接核心网。核心网负责处理连接和移动性管理任务。
[0029]在本实施例中，公开了一种星地融合场景下条件切换方法，如图2所示，具体包括：
[0030]S101：构建包括用户、gNB和卫星的星地融合通信网络场景；
[0031]该场景中，卫星结合用户上报信息及星历信息预测后续时间内可能覆盖用户的卫星以及地面基站。当用户仅在单一网络(例如卫星网络)的覆盖范围内时，用户将连接该网络。当用户被两个网络同时覆盖时，用户需要根据用户接收信号强度、小区剩余服务时间、网络接入成本和传输时延指标做出决策，选择接入其中一个网络。
[0032]S102：在星地融合场景中，构建用户接入地面基站的通信模型和用户接入卫星的通信模型，分别计算用户接入地面基站和卫星的接收信号强度、小区剩余服务时间、网络接入成本和传输时延。
[0033]用户的接入地面基站和卫星接收信号强度为：
[0034][0035]其中，P
g
为gNB的发射功本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于星地融合网络的用户终端网络切换接入方法，其特征在于，包括：S1：构建星地融合网络，星地融合网络包括卫星、地面基站以及用户终端；S2：基于星地融合网络构建用户接入地面基站的通信模型和用户接入卫星的通信模型；S3：用户终端向源小区的地面基站上报数据信息，其中数据信息包括位置信息、移动速度以及移动方向；S4：地面基站根据用户终端上报的数据信息采用用户接入地面基站的通信模型和用户接入卫星的通信模型预测下一时间段内覆盖用户的卫星和地面基站，并将预测结果发送给用户终端；S5：用户终端根据预测结果构建切换策略，采用DDPG算法对切换策略进行优化，得到最优切换路径；S6：用户终端向目标小区地面基站上报最优切换路径信息，并发送接入请求；S7：目标小区地面基站根据接入请求为用户终端分配接入资源，并向用户终端发送条件接入响应；S8：用户终端根据条件接入响应向目标小区的地面基站进行切换。2.根据权利要求1所述的一种基于星地融合网络的用户终端网络切换接入方法，其特征在于，构建星地融合网络包括N个卫星、K个gNB和M个用户终端；用户通过GPS获取自身速度、位置信息，每个用户配备一个天线，用于连接卫星和gNB；卫星和gNB均与地面网关连接，地面网关作为中继连接核心网，核心网负责处理连接和移动性管理任务。3.根据权利要求1所述的一种基于星地融合网络的用户终端网络切换接入方法，其特征在于，用户接入地面基站的通信模型和用户接入卫星的通信模型用于计算用户接入地面基站和卫星的接收信号强度、小区剩余服务时间、网络接入成本和传输时延。4.根据权利要求1所述的一种基于星地融合网络的用户终端网络切换接入方法，其特征在于，预测下一时间段内覆盖用户的卫星和地面基站包括：获取卫星发射功率、卫星天线增益、用户天线增益、自由空间传输损耗、地面基站发射功率以及地面基站天线增益；根据卫星发射功率、卫星天线增益、用户天线增益以及自由空间传输损耗采用用户接入卫星的通信模型计算用户终端接入卫星的接收信号强度；根据地面基站发射功率、地面基站天线增益、用户天线增益以及自由空间传输损耗采用用户接入地面基站的通信模型计算用户终端接入地面基站的接收信号强度；获取地面基站的覆盖范围，根据用户的移动速度、移动方向以及地面基站的覆盖范围计算地面基站的服务时间；获取卫星的运动速度和覆盖范围，根据卫星的运动速度和覆盖范围计算卫星的服务时间；根据用户终端的位置信息、移动速度、移动方向、用户终端接入卫星的接收信号强度、用户终端接入地面基站的接收信号强度、地面基站的服务时间以及卫星的服务时间得到下一时间段内覆盖用户的卫星和地面基站。5.根据权利要求1所述的一种基于星地融合网络的用户终端网络切换接入方法，其特征在于，构建切换策略包括：基于接收信号强度、地面基站剩余服务时间、卫星剩余服务时间、网络接入成本和传输时延构建奖励函数；设置约束条件，构建基于约束条件的最大化系统奖励优化模型，其中约束条件包括最小接收信号强度约束、小区剩余服务时间约束、卫星和gNB最大连接数约束以及用户连接数数约束。
6.根据权利要求4所述的一种基于星地融合网络的用户终端网络切换接入方法，其特征在于，基于最大化系统奖励的优化模型包括：征在于，基于最大化系统奖励的优化模型包括：u
m
∈U,R
m
∈R,t∈[0,T]C1:P＞P

【专利技术属性】
技术研发人员：黄晓舸，聂子超，黎文静，陈前斌，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：