基于时间的低轨卫星移动网络切换方法和装置与流程

本发明涉及低轨卫星技术领域，尤其涉及一种基于时间的低轨卫星移动网络切换方法和装置。

背景技术：

低轨卫星移动网络是指在距地较低高度（约1000km）轨道部署若干卫星，卫星通过无线电辐射地面形成的网络。覆盖区域内的终端可以通过卫星接入网络、获取数据，其功能与地面移动网络类似。如图1(a)所示，低轨卫星以等分轨道的方式部署，若干轨道的低轨卫星通过星间链路（虚线）形成全球性的网络。理想情况下，一个卫星的覆盖范围可以用圆形表示，这些圆形会彼此交叠，取圆的内接四边形为一个覆盖范围，称为小区。卫星移动网络切换管理基于软件定义网络（software-definednetwork，sdn）体制。如图1(b)所示，图中卫星和小区是投影模式，卫星是小区中的圆圈。投影外有一圆点、斜线填充，是卫星移动网络控制器，它是逻辑上唯一的，可以理解的是，物理上可能是多个，但有一个主控。该控制器通过逻辑上的控制信道，如点划线所示，与每一个卫星通信，逻辑上的控制信道是依靠卫星网络的天地链路和星间链路承载。

移动网络中的一个关键技术是切换控制，用户具有移动性，一个移动网络的接入节点（即基站）只能覆盖一定范围，当用户移出一个基站的覆盖范围时，若要无间断的通信，就需要切换到另一基站。在卫星移动网络中，卫星充当基站的功能，不同的是，地面网络中，用户相对于基站运动速度很低，故切换频率不高，而卫星移动网络中卫星移动速度高，用户接入卫星移动网络后，需要经历频繁的切换。目前地面移动网络的切换管理主要是基于事件进行相应的切换，但是，卫星移动网络在底层技术上无法做到像地面网络那样复杂，因而很难沿用这样复杂的切换触发技术。

卫星移动网络可基于时间根据预测的轨迹进行切换，但是，卫星会先于终端接入前存储该终端，这时候会有一定的暴露时间，暴露时间是指卫星收到要切换到本星星下的终端信息的时刻，到终端完成切换到本星时刻之间的时间。若有一个伪终端复刻该终端所有信息就可以在这个暴露时间趁机接入卫星网络，对网络进行攻击，且暴露时间是min级的。因此，如何设定一个切换时间策略，使得控制传递终端信息的时间既要在终端切换到本卫星前，又要尽可能降低或消除暴露时间，提高卫星移动网络切换准确性和安全性，成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明目的在于，提供一种基于时间的低轨卫星移动网络切换方法和装置，提高了卫星移动网络切换准确性和安全性。

根据本发明一方面，提供了一种基于时间的低轨卫星移动网络切换方法，包括:

判断确定时间调整参数模式是否为固定模式；

若是，则将所述时间调整参数的值设置为固定值；否则，获取当前预设的切换时间参数，确定所述时间调整参数，再实时获取预设的切换时间参数，基于所述实时的预设时间参数，判断是否有更小的时间调整参数生成，若有，则更新所述时间调整参数；

基于所述时间调整参数生成切换时序图，根据所述切换时序图进行卫星移动网络切换。

进一步的，所述方法还包括：确定所述时间调整参数的固定值，具体包括以下步骤：

设终端接入卫星的时刻是,向下一跳覆盖卫星发送剩余切换时序图的时刻是，卫星i收到切换时序图的时刻为，

时，为初始状态，将替换为；

时，

（1）

其中，是一颗卫星对终端的覆盖时间，设都相等，取值为；为卫星i的时间调整参数，是一个0到1之间的数值；是卫星到卫星切换时序图的传递时间，等于两卫星间星间链路的传播时延,若存在重传次，则等于；

是卫星收到切换时序图的时刻，这一时刻首先要早于终端接入星的时刻，则有;

（2）

（3）

其中，是一个随机数，终端发送信号到任何卫星的传播时间为，保持下限，由此可得：

（4）

令，，，结合式（1）(2)、(3)和(4),可以得到：

在上述范围内取任意值作为所述固定值。

进一步的，所述预设的切换时间参数包括：终端接入卫星的时刻、终端接入卫星的时刻、是卫星收到控制信息的时刻、向下一跳覆盖卫星发送剩余时序图的时刻，

所述获取当前预设的切换时间参数，确定所述时间调整参数包括：

时，为初始状态，将替换为；

时，

（5）

（6）

（7）

（8）

其中，是一颗卫星对终端的覆盖时间；为卫星i的时间调整参数，是一个0到1之间的数值；是卫星到卫星切换时序图的传递时间；

基于式(5)到式(8)，可得的绝对计算式为：

（9）

基于公式（10）通过平均方式确定所述时间调整参数：

（10）

或者，基于公式（11）通过最小方式确定所述时间调整参数：

（11）

其中是第次收集的信息计算出。

进一步的，所述基于所述时间调整参数生成切换时序图，包括：

基于所述时间调整参数确定向下一跳覆盖卫星发送剩余切换时序图的时刻，生成对应的切换时序图，所述切换时序图包括预设的切换轨迹和切换时间参数。

根据本发明另一方面，提供了一种基于时间的低轨卫星移动网络切换装置，包括:

模式判断模块，配置为判断确定时间调整参数模式是否为固定模式；

参数确定模块，配置为若是固定模式，则将所述时间调整参数的值设置为固定值；否则，获取当前预设的切换时间参数，确定所述时间调整参数，再实时获取预设的切换时间参数，基于所述实时的预设时间参数，判断是否有更小的时间调整参数生成，若有，则更新所述时间调整参数；

网络切换模块，配置为基于所述时间调整参数生成切换时序图，根据所述切换时序图进行卫星移动网络切换。

进一步的，所述参数确定模块包括第一参数确定单元，用于确定所述时间调整参数的固定值，具体配置为：

设终端接入卫星的时刻是,向下一跳覆盖卫星发送剩余切换时序图的时刻是，卫星i收到切换时序图的时刻为，

时，为初始状态，将替换为；

时，

（1）

其中，是一颗卫星对终端的覆盖时间，设都相等，取值为；为卫星i的时间调整参数，是一个0到1之间的数值；是卫星到卫星切换时序图的传递时间，等于两卫星间星间链路的传播时延,若存在重传次，则等于；

是卫星收到切换时序图的时刻，这一时刻首先要早于终端接入星的时刻，则有;

（2）

（3）

其中，是一个随机数，终端发送信号到任何卫星的传播时间为，保持下限，由此可得：

（4）

令，，，结合式（1）(2)、(3)和(4),可以得到：

在上述范围内取任意值作为所述固定值。

进一步的，所述预设的切换时间参数包括：终端接入卫星的时刻、终端接入卫星的时刻、是卫星收到控制信息的时刻、向下一跳覆盖卫星发送剩余时序图的时刻，

所述参数确定模块包括第二参数确定单元，配置为：

时，为初始状态，将替换为；

时，

（5）

（6）

（7）

（8）

其中，是一颗卫星对终端的覆盖时间；为卫星i的时间调整参数，是一个0到1之间的数值；是卫星到卫星切换时序图的传递时间；

基于式(5)到式(8)，可得的绝对计算式为：

（9）

基于公式（10）通过平均方式确定所述时间调整参数：

（10）

或者，基于公式（11）通过最小方式确定所述时间调整参数：

（11）

其中是第次收集的信息计算出。

进一步的，所述网络切换模块包括时序图生成单元，配置为

基于所述时间调整参数确定向下一跳覆盖卫星发送剩余切换时序图的时刻，生成对应的切换时序图，所述切换时序图包括预设的切换轨迹和切换时间参数。

根据本发明又一方面，提供一种控制器，其包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现所述方法的步骤。

根据本发明又一方面，提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述程序在由一计算机或处理器执行时实现所述方法的步骤。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明一种基于时间的低轨卫星移动网络切换方法和装置可达到相当的技术进步性及实用性，并具有产业上的广泛利用价值，其至少具有下列优点：

本发明使得控制传递终端信息的时间既在终端切换到本卫星前，降低了暴露时间，提高了卫星移动网络切换准确性和安全性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1(a)为现有技术中低轨卫星覆盖范围和小区示意图；

图1(b)为现有技术中低轨卫星控制体制示意图；

图2(a)为基于时序切换的切换控制过程示意图；

图2(b)为周期型切换时序图示意图；

图2(c)为国际型切换时序图示意图；

图3为本发明实施例提供的基于时间的低轨卫星移动网络切换方法逻辑示意图；

图4为本发明实施例所述的两种切换时间策略示意图；

图5为本发明实施例提供的基于时间的低轨卫星移动网络切换装置示意图。

【符号说明】

1：模式判断模块2：参数确定模块

3：网络切换模块。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于时间的低轨卫星移动网络切换方法和装置的具体实施方式及其功效，详细说明如后。

在卫星网络场景中，卫星相对于终端作运动，在预设时间段内，若干卫星将先后覆盖终端，如图2(a)所示。在卫星网络场景中，终端大概可以分为两种类型，一种是相对于卫星的高速运动（10⁴km/h量级）几乎不动，如人或车的运动速度，在10¹～10²km/h之间；另一种是速度较快，10³km/h量级，如飞机，在短时间内可能会飞出覆盖区。这两种情况会使得覆盖终端的卫星形成两种形式的切换时序图，一种是周期时序图，称为循环时序图，如图2(b)所示，对应相对静止的终端，另一种轨迹型时序图，如图2(c)所示，有始有终对应于交通工具上的终端。基于sdn控制体制，切换控制过程可以简述为，sdn控制器将时序图发给最初接入的卫星，卫星按照时序图的下一表项发送剩余时序图，所述剩余时序图即去掉已经完成终端接入或切入的卫星信息，而发送的触发条件有很多种，比如收到时序图立即分发，再如先发下一跳，等到终端接入下一跳卫星时，下一跳卫星再把剩余时序图发送到再下一跳卫星。但以上两种策略有一定的安全性问题，卫星会先于终端接入前存储该终端，这时候会有一定的暴露时间，假设有一个伪终端复刻该终端所有信息就可以在这个暴露时间趁机接入卫星网络，对网络进行攻击，且而暴露时间是min级的，由此可知，按照切换时序图传递终端信息的策略要设定恰当的时间，既要在终端切换到本卫星前，又要尽可能降低或消除暴露时间，基于此，本发明实施例提供了一种基于时间的低轨卫星移动网络切换方法，逻辑示意图如图3所示，包括:

步骤s1、判断确定时间调整参数模式是否为固定模式；

步骤s2、若是，则将所述时间调整参数的值设置为固定值；否则，获取当前预设的切换时间参数，确定所述时间调整参数，再实时获取预设的切换时间参数，基于所述实时的预设时间参数，判断是否有更小的时间调整参数生成，若有，则更新所述时间调整参数；

步骤s3、基于所述时间调整参数生成切换时序图，根据所述切换时序图进行卫星移动网络切换。

作为一种示例，所述方法还包括步骤s20、确定所述时间调整参数的固定值，具体包括以下步骤，如图4所示：

设终端接入卫星的时刻是,向下一跳覆盖卫星发送剩余切换时序图的时刻是，卫星i收到切换时序图的时刻为，

时，为初始状态，将替换为；

时，

（1）

其中，是一颗卫星对终端的覆盖时间，设都相等，取值为；为卫星i的时间调整参数，是一个0到1之间的数值；是卫星到卫星切换时序图的传递时间，等于两卫星间星间链路的传播时延,若存在重传次，则等于；

是卫星收到切换时序图的时刻，这一时刻首先要早于终端接入星的时刻，则有;

（2）

（3）

其中，是一个随机数，终端发送信号到任何卫星的传播时间为，保持下限，由此可得：

（4）

令，，，结合式（1）(2)、(3)和(4),可以得到：

在上述范围内取任意值作为所述固定值。该策略中是固定的，一旦确定就不再改变，比较适合循环切换时序图。但需要说明的是，循环切换时序图采用固定优选实施例，并不仅限于此，轨迹时序图也适用于此，且循环切换时序图也可采用自适应策略不断更新。

另一种时间策略是动态策略，即自适应策略，如图4所示，依靠控制器收集时序图覆盖上的时间信息，不断更新，这种更新可以是离线的方式，因而适合与具有重用轨迹的终端接入，即轨迹时序图。但可以理解的是，轨迹时序图采用动态策略为优选实施例，轨迹时序图亦可采用固定策略。在这一策略中，所有时间变量都不再相等，具体地，步骤s2中，如图4所示，所述预设的切换时间参数包括：终端接入卫星的时刻、终端接入卫星的时刻、是卫星收到控制信息的时刻、向下一跳覆盖卫星发送剩余时序图的时刻，可以理解的是，所述预设的切换时间参数均为已知量，是可以直接测量得到，并将测量的结果放入信息中进行收发。

步骤s2中，所述获取当前预设的切换时间参数，确定所述时间调整参数包括：

时，为初始状态，将替换为；

时，

（5）

（6）

（7）

（8）

其中，是一颗卫星对终端的覆盖时间；是一个0到1之间的数值；是卫星到卫星切换时序图的传递时间；

基于式(5)到式(8)，可得的绝对计算式为：

（9）

基于公式（10）通过平均方式确定所述时间调整参数：

（10）

或者，基于公式（11）通过最小方式确定所述时间调整参数：

（11）

其中是第次收集的信息计算出。

对于公式（10）的平均策略来说，通常可获得最短的暴露时间，但需要不断更新，而对于公式（11）的最小策略来说，它基于最差情况，可能会增大暴露时间，但它更新频率更低，控制器可根据实际性能选择对应的策略。

可以理解的是，实时获取预设的切换时间参数，基于所述实时的预设时间参数，通过同样通过上述过程计算出对应的时间调整参数，仅仅更换其中对应的预设时间参数即可，在此不再赘述。

步骤s3中，所述基于所述时间调整参数生成切换时序图，包括：

步骤s31、基于所述时间调整参数，以及公式（1）或公式（5）确定向下一跳覆盖卫星发送剩余切换时序图的时刻，生成对应的切换时序图，所述切换时序图包括预设的切换轨迹和切换时间参数。

本发明实施例还提供了一种基于时间的低轨卫星移动网络切换装置，如图5所示，包括模式判断模块1、参数确定模块2和网络切换模块3，其中，模式判断模块1配置为判断确定时间调整参数模式是否为固定模式。参数确定模块2配置为若是固定模式，则将所述时间调整参数的值设置为固定值；否则，获取当前预设的切换时间参数，确定所述时间调整参数，再实时获取预设的切换时间参数，基于所述实时的预设时间参数，判断是否有更小的时间调整参数生成，若有，则更新所述时间调整参数。网络切换模块3，配置为基于所述时间调整参数生成切换时序图，根据所述切换时序图进行卫星移动网络切换。

作为一种示例，所述参数确定模块2包括第一参数确定单元，用于确定所述时间调整参数的固定值，具体配置为：

设终端接入卫星的时刻是,向下一跳覆盖卫星发送剩余切换时序图的时刻是，卫星i收到切换时序图的时刻为，

时，为初始状态，将替换为；

时，

（1）

其中，是一颗卫星对终端的覆盖时间，设都相等，取值为；为卫星i的时间调整参数，是一个0到1之间的数值；是卫星到卫星切换时序图的传递时间，等于两卫星间星间链路的传播时延,若存在重传次，则等于；

是卫星收到切换时序图的时刻，这一时刻首先要早于终端接入星的时刻，则有;

（2）

（3）

其中，是一个随机数，终端发送信号到任何卫星的传播时间为，保持下限，由此可得：

（4）

令，，，结合式（1）(2)、(3)和(4),可以得到：

在上述范围内取任意值作为所述固定值。该策略中是固定的，一旦确定就不再改变，比较适合循环切换时序图。但需要说明的是，循环切换时序图采用固定优选实施例，并不仅限于此，轨迹时序图也适用于此，且循环切换时序图也可采用自适应策略不断更新。

另一种时间策略是动态策略，即自适应策略，如图4所示，依靠控制器收集时序图覆盖上的时间信息，不断更新，这种更新可以是离线的方式，因而适合与具有重用轨迹的终端接入，即轨迹时序图。但可以理解的是，轨迹时序图采用动态策略为优选实施例，轨迹时序图亦可采用固定策略。在这一策略中，所有时间变量都不再相等，具体地，作为一种示例，所述预设的切换时间参数包括：终端接入卫星的时刻、终端接入卫星的时刻、是卫星收到控制信息的时刻、向下一跳覆盖卫星发送剩余时序图的时刻，可以理解的是，所述预设的切换时间参数均为已知量，是可以直接测量得到，并将测量的结果放入信息中进行收发。

所述参数确定模块2包括第二参数确定单元，配置为：

时，为初始状态，将替换为；

时，

（5）

（6）

（7）

（8）

其中，是一颗卫星对终端的覆盖时间；为卫星i的时间调整参数，是一个0到1之间的数值；是卫星到卫星切换时序图的传递时间；

基于式(5)到式(8)，可得的绝对计算式为：

（9）

基于公式（10）通过平均方式确定所述时间调整参数：

（10）

或者，基于公式（11）通过最小方式确定所述时间调整参数：

（11）

其中是第次收集的信息计算出。

对于公式（10）的平均策略来说，通常可获得最短的暴露时间，但需要不断更新，而对于公式（11）的最小策略来说，它基于最差情况，可能会增大暴露时间，但它更新频率更低，控制器可根据实际性能选择对应的策略。

可以理解的是，实时获取预设的切换时间参数，基于所述实时的预设时间参数，通过同样通过上述过程计算出对应的时间调整参数，仅仅更换其中对应的预设时间参数即可，在此不再赘述。

作为一种示例，所述网络切换模块3包括时序图生成单元，配置为基于所述时间调整参数确定向下一跳覆盖卫星发送剩余切换时序图的时刻，生成对应的切换时序图，所述切换时序图包括预设的切换轨迹和切换时间参数。

本发明实施例还提供一种控制器，其包括存储器与处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述程序在被所述处理器执行时能够实现所述方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述程序在由一计算机或处理器执行时实现所述方法的步骤。

本发明实施例使得控制传递终端信息的时间既在终端切换到本卫星前，降低了暴露时间，提高了卫星移动网络切换准确性和安全性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。