低轨卫星网络切换方法、设备及系统与流程

本发明涉及卫星网络的技术领域，尤其是涉及一种低轨卫星网络切换方法、设备及系统。

背景技术：

建立高效可靠的卫星通信网络是未来5g乃至6g发展的大势所趋。传统的卫星网络由于其广袤的覆盖区域、超大的时空跨度和高动态性的网络拓扑，带来了通信链路的传播时延大、传播效果差等问题，此外，与地面网络资源不同，卫星上网络计算能力差、网络资源受限。

由于低轨道卫星相对地球表面作高速运动，在通信过程中用户不能始终利用同一颗卫星或波束进行通信，需要频繁地完成从一颗卫星到另一颗卫星的用户数据链路切换。但是现有的卫星和基站的切换方式都是硬切换的方式，直接进行卫星和基站的切换导致网络产生时延且提高了丢包率。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提出一种低轨卫星网络切换方法，能够减小网络切换时的时延和丢包率。

本发明还提出一种卫星。

本发明还提出一种基站。

本发明还提出一种控制中心。

本发明还提出一种低轨网络切换系统。

第一方面，本发明的一个实施例提供了低轨卫星网络切换方法，由卫星执行，包括：

接收来自基站的数据请求；

检测自身流表是否存在原地址到目的地址的流表项；

若存在所述流表项则按照指定的所述流表项进行下一跳的数据转发。

本发明实施例的低轨卫星网络切换方法至少具有如下有益效果：设计的基于低轨卫星系统网络，对控制中心的切换模块功能进行了实现，高速运动的卫星与地面基站必然产生相对位置变化，因而低轨道卫星必须要解决与地面基站的切换问题并设计相应的切换功能及算法；其次，针对硬切换过程，在对传统方式下的硬切换过程进行详细分析的基础上，提出基于提前下发流表项的硬切换算法，减少了不必要的数据请求等工作流程，有效降低基站与卫星发生切换时带来的时延和丢包率。

根据本发明的另一些实施例的低轨卫星网络切换方法，还包括：

接收来自所述基站的数据包，并将所述数据包发送至控制中心；

接收来自所述控制中心的流表项，并按照所述流表项完成数据转发。

根据本发明的另一些实施例的低轨卫星网络切换方法，所述流表项包括：通信的持续时间、空闲超时时间、匹配优先级、数据输入端口、源端和目的端的mac和ip地址和动作集。

第二方面，本发明的一个实施例提供了低轨卫星网络切换方法，由基站执行，包括：

检测所在领域内的卫星的导频信号强度；

若未连接的卫星的导频信号强度超过预设的阈值和/或已连接的卫星的导频信号强度低于所述阈值，则发送切换请求至控制中心；

接收所述控制中心的切换命令，终止已连接的卫星通信和/或接入未连接的卫星的波束。

第三方面，本发明的一个实施例提供了低轨卫星网络切换方法，由控制中心执行，包括：

接收来自基站的切换请求并检测所述切换请求是否合理；

若所述切换请求合理则下达带有目标信息的切换命令至基站。

根据本发明的另一些实施例的低轨卫星网络切换方法，还包括：

接收来自所述卫星的数据包；

将所述数据包进行计算和分析以执行包含转发规则的流表项，并将所述流表项发送至卫星。

第四方面，本发明的一个实施例提供了一种卫星，第一接收模块，用于接收来自基站的数据请求、数据包和控制中心的流表项；

第一检测模块，用于检测自身流表是否存在原地址到目的地址的流表项；

执行模块，用于根据所述流表项执行数据转发；

第一发送模块，用于将所述数据包发送至控制中心。

本发明实施例的低轨卫星网络切换方法至少具有如下有益效果：针对卫星和基站的硬切换过程，在对传统方式下的硬切换过程进行详细分析的基础上，提出基于提前下发流表项的硬切换算法，减少了不必要的数据请求等工作流程，有效降低基站与卫星发生切换时带来的时延和丢包率。

第五方面，本发明的一个实施例提供了一种基站，包括：

第二检测模块，用于检测所在领域内的卫星的导频信号强度；

比较模块，用于将检测到的卫星的导频信号强度与预设的阈值比较以得到比较结果；

第二发送模块，用于根据所述比较结果发送切换请求至控制中心；

第二接收模块，用于接收来自所述控制中心的切换命令；

控制模块，用于切断已连接的卫星或接入未连接的卫星的波束。

第六方面，本发明的一个实施例提供了一种控制中心，包括：

第三接收模块，用于接收来自基站的切换请求；

第三检测模块，用于检测所述切换请求是否合理；

第三发送模块，用于将带有目标信息的切换命令发送至基站。

第七方面，本发明的一个实施例提供了一种低轨卫星网络切换系统，包括：

上述的一种卫星；

上述的一种基站；

上述的一种控制中心。

附图说明

图1是本发明实施例中低轨卫星网络切换方法的一具体实施例流程示意图；

图2是本发明实施例中低轨卫星网络切换方法的一具体实施例流程示意图；

图3是本发明实施例中低轨卫星网络切换方法的一具体实施例流程示意图；

图4是本发明实施例中低轨卫星网络切换方法的一具体实施例卫星对地切换过程示意图；

图5是本发明实施例中低轨卫星网络切换方法的一具体实施例网络环境开始时各节点分布；

图6是本发明实施例中低轨卫星网络切换方法的一具体实施例网络环境结束时各节点分布；

图7是多次试验下两个基站之间在发生切换过程时的时延的对比情况；

图8是多次试验下两个基站之间在发生切换过程时的丢包率对比情况；

图9是本发明实施例中低轨网络切换系统的一具体实施例模块框图；

图10是本发明实施例中一种基站的一具体实施例模块框图；

图11是本发明实施例中一种控制中心的一具体实施例模块框图；

图12是本发明实施例中一种卫星的一具体实施例模块框图。

附图标记：100、卫星；110、第一接收模块；120、第一检测模块；130、执行模块；140、第一发送模块；200、基站；210、第二检测模块；220、比较模块；230、第二发送模块；240、第二接收模块；250、控制模块；300、控制中心；310、第三接收模块；320、第三检测模块；330、第三发送模块。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。如果某一特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个特征，它可以直接设置、固定、连接在另一个特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个特征上。

在本发明实施例的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上，如果涉及到“多个”，其含义是两个以上，如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数，如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”，应当理解为用于区分技术特征，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

实施例一：参照图1，示出了本发明实施例中低轨卫星网络切换方法的流程示意图。本发明实施例公开了一种低轨卫星网络切换方法，由基站执行，其具体包括步骤：

s11、检测所在领域内的卫星的导频信号强度；

由于卫星时刻处于高速运动中，但是基站的位置是保持变的。因此，随着卫星的高速运动，卫星和基站的距离也在发生变化。若一开始地面两个基站连接同一颗低轨卫星完成通信数据传输，随着卫星的高速运动，则其中一个基站进入到另一颗卫星的信号覆盖范围，则该基站检测到卫星的导频信号强度增强，同时接收到原来卫星的导频信号强度减少。

s12、若未连接的卫星的导频信号强度超过预设的阈值和/或已连接的卫星的导频信号强度低于阈值，则发送切换请求至控制中心；通过预设阈值和检测到的卫星的导频信号强度进行比较来判断是否发送切换请求至控制中心，以保证基站进行卫星切换更加准确，而不是随意切换卫星，是根据卫星的导频信号强度去切换，以保证基站的通信强度高。

s13、接收控制中心的切换命令，终止已连接的卫星通信和/或接入未连接的卫星的波束。

通过发送切换请求至控制中心后，控制中心会根据发送的切换请求进行判断，判断切换请求合格后接收来自控制中心的切换请求。若未连接的卫星的导频信号强度超过预设的阈值时，根据切换请求接入未连接的卫星的波束；若已连接的卫星的导频信号强度低于预设且未连接的卫星的导频信号强度超过预设的阈值，则断开已连接的卫星通信同时接入未连接的卫星的波束，从而保证基站能够以最强的通信强度进行数据交互。

实施例二：参照图2，本发明实施例公开了一种低轨卫星网络切换方法，由控制中心执行，包括：

s21、接收来自基站的切换请求并检测切换请求是否合理；在基站未切换卫星之前接收来自基站发出的切换请求，需要对切换请求进行判断。由于控制中心收集着全局网络视图和基站原本连接卫星的转发关系也即流表项，所以接收到切换请求后需要判断基站和卫星之间的流表项。

若切换请求合理则下达带有目标信息的切换命令至基站。切换请求合理后发送带有目标信息的切换命令至基站，以便于基站根据带有目标信息的切换命令能够直接接入未连接的卫星的波束。

s22、接收来自卫星的数据包；卫星连接到基站后，接收基站发送给卫星的数据包，且数据包可以替换为数据流的头部片段和bufferid。

s23将数据包进行计算和分析以执行包含转发规则的流表项，并将所述流表项发送至卫星。其中通过路由模块等计算和分析数据包后指定包含转发规则的流表项，然后执行好的流表项发送至已连接的卫星，以便于已连接的卫星根据流表项提前“告知”对应的转发节点如何尽快进行下一步的转发任务，从而完成卫星和基站的通信。

实施例三：参照图3，本发明实施例公开了一种低轨卫星网络切换方法，由卫星执行，包括：

s31、接收来自基站的数据请求；当基站开始切换卫星后接入未连接的卫星的波束，同时数据流也从原通信链路转移到新的通信链路中，则接收来自基站的数据请求。

s32、检测自身流表是否存在原地址到目的地址的流表项；

s33、若存在流表项则按照指定的流表项进行下一跳的数据转发。

接收到数据请求后，首先查询自身的流表中是否存在原地址到目的地址的流表项。且流表项包括：通信的持续时间、空闲超时时间、匹配优先级、数据输入端口、源端和目的端的mac和ip地址和动作集。通过分析流表项的变化可以得到系统中数据的交互情况。且切换前后流表的变化情况如下所述：参照图4，a为卫星，b为控制中心，c为基站。假设第一卫星为未连接的卫星，而第二卫星为已连接的卫星，切换前第二卫星存在数据转发过程的流表，此时第一基站和第二基站之间通过第二卫星端口1和端口2进行通信；切换之后，第一卫星、第二卫星和控制中新均存在相关流表，第一基站和第二基站之间通过第二卫星的转发关系，在接收到第一基站的切换请求，经过判断并下达同意切换的命令至第一基站和第一卫星。第一卫星对应的流表，提前“告知”对应转发节点如何尽快进行下一步的转发任务。

一种低轨卫星网络切换方法还包括：

s34、接收来自基站的数据包，并将数据包发送至控制中心；

s35、接收来自控制中心的流表项，并按照流表项完成数据转发。

当卫星连接基站后与基站进行数据互发，由于根据对控制中心功能模块的设置，流表项在卫星上根据预设存储时间进行存储，且在本实施例中存储时间为6分钟。由于卫星上存储流表项时间短，所以卫星上一般情况下不会保存该地面基站相应的转发规则，从而接收来自基站的数据包发送至控制中心进行分心以制定成流表项，以便于根据流表完成数据转发工作，已完成卫星和基站之间的通信。

实施例四，参照图4、图5、图6，设置两个基站且定义为第一基站和第二基站，卫星设置两个且定义为第一卫星和第二卫星。通过多次对两个基站之间的平均通信延迟进行对比，通过图中可以看出，在基站切换卫星之前，两个基站通过同一颗低轨卫星直接进行数据传输，相互之间的时延在60ms左右。数据传输，相互之间的时延在60ms左右。由于卫星对基站不断进行着相对位置变化，其中第一基站在11s时进入第一卫星和第二卫星的信号强度值相等的位置，此时经过信号强度判断、请求切换等一系列过程之后，在12s左右时基站完成在不同的卫星之间的切换过程。可以发现，基于提前下发流表项的切换方式比直接采用硬切换的方法所带来的时延低。其中，硬切换的平均时延为188.4ms，提前下发相关规则流表项的切换方式的平均时延为128.2ms。切换时延平均降低60.2ms，这是因为在基于提前下发流表项的切换方式下，卫星st1避免了直接硬切换模式下卫星向地面站请求数据转发规则时的等待时间。切换完成之后，两个基站之间的时延稳定在124ms左右。

参照图7和图8，且图7是多次试验下两个基站之间在发生切换过程时的时延的对比情况；图8是多次试验下两个基站之间在发生切换过程时的丢包率对比情况。可以看出，在0～10s时，两种切换方法的丢包率均在3％上下波动，由于在11s左右基站bs1在卫星st1和卫星st2之间发生切换，此时两种切换算法下的丢包率均有不同程度的增大，采用硬切换算法时，发生切换时的丢包率约为30％，而采用基于提前下发流表项的硬切换算法的丢包率约为18％，切换完成之后，在基站1和基站2之间重新建立起新的通信链路丢包率逐渐稳定在10％左右。由两个基站之间的丢包率与时间的关系可以看出，基站和卫星在发生切换的时间节点，两个基站之间的丢包率最大，这是因为硬切换模式下基站首先与原卫星断开连接后再与新的卫星建立通信链路，此过程中会产生较为严重的丢包现象；其次，通过两种算法下切换过程时间点的丢包率，可知基于流表项提前下发切换方法在切换时的丢包率低于硬切换，这是因为卫星对地面基站的请求数据直接进行数据转发，能够在一定程度上减少因为等待地面控制中心下达指令而丢失数据包。

实施例五，参照图9和图10，本发明实施例公开了一种基站，包括：第二检测模块210、比较模块220、第二发送模块230、第二接收模块240以及控制模块250；第二检测模块210用于检测所在领域内的卫星100的导频信号强度；比较模块220用于将检测到的卫星100的导频信号强度与预设的阈值比较以得到比较结果；第二发送模块230用于根据比较结果发送切换请求至控制中心300；第二接收模块240用于接收来自控制中心300的切换命令；控制模块250用于切断已连接的卫星100或接入未连接的卫星100的波束。

一种基站的执行步骤具体惨遭实施例一，此处不再赘诉。

实施例六：参照图9和图11，本发明实施例公开了一种控制中心，包括：第三接收模块310、第三检测模块320、第三发送模块330；第三接收模块310用于接收来自基站200的切换请求；第三检测模块320用于检测切换请求是否合理；第三发送模块330用于将带有目标信息的切换命令发送至基站200。

一种控制中心的执行步骤具体参数实施例二，此处不再赘述。

实施例七：参照图9和图12，本发明实施例公开了一种卫星，包括：第一接收模块110、第一检测而模块、执行模块130以及第一发送模块140；第一接收模块110，用于接收来自基站200的数据请求、数据包和控制中心300的流表项；第一检测模块120，用于检测自身流表是否存在原地址到目的地址的流表项；执行模块130，用于根据所述流表项执行数据转发；第一发送模块140，用于将数据包发送至控制中心300。

一种卫星的执行步骤如实施例三所述，此处不再赘述。

实施例八：参照图9，本发明实施例公开了一种低轨卫星100网络切换系统，包括：卫星100、基站200、控制中心300，且基站200的执行步骤参照实施例一，控制中心300的执行步骤参照实施例二，卫星100的执行步骤参照实施例三。通过基站200切换卫星100前发送流表项至控制中心300后再进行切换，不仅降低了基站200的时延且降低了基站200的丢包率。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。