面向低轨卫星系统的动态k步用户位置更新方法与流程

本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种应用于低轨卫星系统的动态k步用户位置更新方法。

背景技术：

相对于中高轨卫星系统，低轨卫星系统有其自己的优点：传输时延小，传输损耗低，更全面的覆盖率等。但是由于低轨卫星系统中卫星的运行速度快，用户可视时间少，而用户也在移动，这导致位置管理很复杂，位置管理的开销增大。另一方面，由于低轨卫星系统的用户种类增加，导致各种用户的需求不同，传统单一的位置管理策略已经无法满足多种用户的QoS(Quality of Service，服务质量)。因此如何降低低轨卫星系统的位置管理开销，并且保证用户整体的QoS，这对提高低轨卫星系统的运行效率具有重要的研究意义。

技术实现要素：

本发明涉及一种应用于低轨卫星系统的用户位置更新策略。针对现有低轨卫星系统的位置管理开销大，多种类型用户同时存在时，用户整体Qos较低的缺点，提出了一种面向低轨卫星系统的动态k步用户位置更新策略，在位置更新时根据用户特征以及用户优先级等特点，动态调整拜访位置寄存器更新指针链的长度，既减小总的位置管理开销，也保证各种用户的不同需求，提高用户整体QoS。

为达到上述目的，本发明提出的技术方案为面向低轨卫星系统的动态k步用户位置更新方法，包含以下步骤：

步骤1：用户终端开机，用户终端位置更新控制器中的三个bit位都置1，发起注册操作，向当前位置区所属的信关站中的VLR进行注册；

步骤2：当前VLR收到用户的注册，为用户随机分配一个临时的用户的身份证号，根据用户终端所在的卫星确定卫星的身份认证号，根据用户终端所在的卫星波束确定卫星波束的身份认证号，根据用户的实时速度参数V，频繁越区标志位F和用户优先级等级S，由以下公式算出k的值：

k＝f(S,V,F)＝V+F+S+1；

步骤3：当前的VLR向归属位置寄存器发送用户注册的信息，归属位置寄存器收到信息后对用户初始信息进行登记，填写用户的身份认证号UID，以及用户所在的拜访位置寄存器号VID；

步骤4：用户注册完毕后，将用户终端的位置更新控制器中的三个bit位都复位，即置0，进入循环；

步骤5：用户离开当前位置区时，即用户终端第一个bit位为1且第二个bit位和第三个bit位中至少有一个为1时，发起位置更新，向当前位置区所属的信关站中的VLR进行信息更新；

步骤6：当前VLR收到用户的信息，判断用户的UID是否已经存在，若用户的UID已经存在，则向VLR更新用户信息，即更新完毕，否则跳到步骤7；

步骤7：用户向新的当前VLR登记用户当前信息，将当前VLR中的前向指针PREV指向上一次更新的VLR，并删除前一个VLR中用户的信息，判断当前针链长度是否到达k，如果小于k则更新完毕，否则跳到步骤8；

步骤8：当前VLR指针链长度达到k，判断用户当前的速度参数V，以及当前的是否频繁越区标志位F是否改变，若改变则VLR根据当前的速度参数V，以及当前的是否频繁越区标志位F重新计算k的值，通过PREV指针指向上一次更新的VLR，并删除前一个VLR中用户的信息，当前VLR向归属位置寄存器进行用户信息更新；

步骤9：当前的VLR向归属位置寄存器发送用户注册的信息，归属位置寄存器收到信息后对用户初始信息进行登记，填写用户的身份认证号UID，以及用户所在的拜访位置寄存器号VID；

步骤10：完成循环，转到步骤4。

进一步，上述用户终端位置更新控制器，对于网络中的用户终端始终会收到分别由信关站和卫星广播发出的位置区识别码，当两个位置区识别码其中一个发生改变时，用户终端就进行位置更新操作，更新设置在在用户终端上的终端位置更新控制器。

进一步，上述终端位置更新控制器上设立三个bit位，第一个bit位表示用户终端是否收到了广播的位置区识别码，如果收到则置1，否则置0；第二个bit位表示卫星广播的位置区识别码是否改变，如果改变则置1，否则置0；第三个bit位表示信关站广播的位置区识别码是否改变，如果改变则置1，否则置0，只有当用户终端的位置更新控制器中，当第一个标志位为1，第二和第三个bit位至少有一个bit位为1时才发起位置更新操作。

对其中的速度参数V进行划分：当用户实时速度为0km/h～25km/h时，该用户为低速用户，V取0；当用户实时速度为25km/h～250km/h时，该用户为中速用户，V取1；当用户实时速度为250km/h以上时，该用户为高速用户，V取2。

标志位F为1表示用户是频繁越区用户，如果F为0表示用户不是频繁越区用户。

当用户为高优先级时S为0，当用户为中优先级时S为1，当用户为低优先级时S为2。

本发明的有益效果在于：

1，由于低轨卫星相对于地面运行速度快，导致用户终端对卫星的可视时间短等问题，所以低轨卫星系统的位置管理相对于中高轨卫星更加复杂，位置管理的开销也更大。本发明提出的拜访位置寄存器指针链长度动态可变的位置更新策略，不仅解决了传统的位置更新策略中，每次更新都要从VLR更新到HLR，远距离传输的信令开销很大的问题。又改善了固定拜访位置寄存器指针链长度的位置更新策略中，限定了用户位置更新的频率，无法动态调整各种不同类型用户位置更新需求，不能保证用户整体的QoS需求的问题。

2，本发明针对传统位置更新方法的位置更新开销大的问题，提出了动态k步更新策略。根据不同用户的不同特性，以及用户优先级等参数，进行动态调整更新的指针链长度，不仅进一步优化了位置更新的开销，又兼顾了不同用户的不同需求，提高了总的用户QoS。

附图说明

图1是跨位置区示意图。

图2是当k为4时的位置更新示意图。

图3是体系结构示意图。

图4是动态k步位置更新策略的流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步详细的说明。

关于位置区的选择：

对于低轨卫星的位置区的划分，主要分为静态位置区和动态位置区。静态位置区选择主要有按用户地理位置区域划分，按卫星覆盖区域划分，按信关站覆盖区域划分，按信关站和卫星相结合的覆盖区域划分这四种方式。动态的位置区域划分主要有基于移动的位置区划分，基于时间的位置区划分，基于移动和时间相结合的位置区划分，基于距离的位置区划分这四种方式。

本发明主要针对低轨卫星系统位置管理中的位置更新策略进行优化，由于动态的位置区需要用户终端本身引入定时器，计数器等功能，这会加重用户终端的负担，降低用户终端的灵活性，并且也会使位置管理的复杂度加大，实现难度大，所以本发明的考虑采用静态的位置区。而静态的位置区中，按用户地理位置区域的划分，需要知道用户的经纬度，需要引入GPS等进行辅助更新，加大位置管理开销和复杂度。基于卫星覆盖区域划分的位置区，寻呼时需要寻呼卫星覆盖范围内的所有信关站覆盖区域，寻呼开销很大。基于信关站覆盖区域划分的位置区，寻呼时需要寻呼信关站对应所有的卫星覆盖区域，寻呼开销依然很大。所以本发明考虑使用按信关站和卫星相结合的覆盖区域划分方式，寻呼时只要寻呼一个信关站和一个卫星覆盖区域，在保证了寻呼开销的基础上，也满足位置管理复杂度低的要求。基于信关站和卫星相结合的覆盖区域划分方式如图1所示，从A到B为服务用户的当前卫星改变而引起用户所属位置区的改变，而从B到C为服务用户的当前信关站改变而引起用户所属位置区的改变。

关于用户类型和用户优先级划分：

用户类型主要分为低速用户、中速用户、高速用户、频繁越区用户。其中低速用户是相对于地面速度几乎为0的用户，或者只在本身所在信关站覆盖范围内活动的用户，如固定终端用户、小范围移动的终端用户等。中速用户是中等速度的用户，如公共汽车、摩托车、电动车等。高速用户为相对于地面高速运动的用户，并且方向几乎不发生大的改变，如飞机、高铁、导弹等。频繁越区用户指在两个信关站覆盖范围的交界处，并且频繁进行往复运动的用户，如往返公交车、往返运动的移动终端等。

用户的优先等级划分为三个等级：高优先级用户、中优先级用户和低优先级用户。其中高优先级用户，必须保证其更新的实时性，如军事武器、飞机、灾难紧急通信终端等。中优先级用户主要为一些普通的移动终端，如移动手机、公共汽车网络终端等。低优先级的用户为对时延要求很低的用户，如智能运动手环等。

关于位置更新的数据库模型：

在本发明中，位置更新数据库模型采用两层数据库模型，总的归属位置寄存器(HLR,Home Location Register)，以及拜访位置寄存器(VLR,Visitor Location Register)。这两个寄存器全都放置在具体的信关站上，整个系统设置一个HLR，而每一个信关站设置一个VLR。

HLR中存储着所有用户的原始的位置信息，包括用户是否已经开机注册，用户的身份证号(UID,User Identification)，用户所在拜访寄存器的身份证号(VID,Visitor Identification)。

VLR中存储着用户所在信关站的具体信息，包括用户的UID，所在卫星的身份认证号(SID,Satellite Identification)，以及用户所在卫星内的具体卫星波束的身份认证号(BID,Beam Identification)。由所在卫星的SID，以及所在卫星波束的BID组合构成了用户实时位置信息，这也将存储器所能标志的最细粒度的用户位置信息精确到了波束的范围。

关于位置更新策略：

传统的两层数据库的位置更新策略：当用户进行更新的时候，先向当前所在的VLR进行更新，如果VLR没有改变则向HLR更新，如果VLR已经改变，那么当前VLR向HLR进行更新以后，HLR再通知之前的VLR对用户信息进行删除。这样导致每次更新的时候都要从VLR到HLR长距离的信令传输，位置更新的开销很大。

固定拜访位置寄存器更新指针链长度的用户位置更新策略：用户向VLR进行位置更新时，如当指针链长度为4时，如图2所示，当用户所属的VLR从VLR0移动到VLR1时，只需向VLR1进行更新，然后VLR1的前向指针PREV指向VLR0，而不需要每次都从所属的VLR向HLR进行长途传输更新。当更新指针链长度达到4时，从VLR0移动到VLR3的时候(VLR0->VLR1->VLR2->VLR3)才需要进行，从所属的VLR即VLR3向HLR进行更新，即当前的指针链头节点就变为VLR3。只有当达到更新指针链长度时，才需要从当前所属的VLR向HLR更新，大大减小了位置更新的开销，但是固定的拜访位置寄存器更新指针链长度，限定了用户信息到达归属位置寄存器时跨越拜访位置寄存器的个数，导致不同用户的建立呼叫的时延不能根据用户的特性灵活改变，不利于不同特性和优先级需求不同的用户的QoS需求的平衡，如图2所示。

传统两层数据库位置更新策略位置更新开销大，而固定拜访位置寄存器更新指针链长度的位置更新策略无法满足不同特性用户的QoS需求。本发明提出一种动态改变拜访位置寄存器更新指针链长度的用户更新策略，根据用户特性的改变，来动态的改变更新的指针链长度的值。在满足不同用户QoS需求的情况下，降低了位置更新的开销。

关于动态的拜访位置寄存器更新指针链长度计算：

假设拜访位置寄存器的更新指针链的长度为k，设置k值主要是为了解决原始两层数据库更新模型位置更新开销大的问题。当k越大时，用户需要向HLR更新的频率就越低，更新的开销也就越小。而k越小时，用户需要向HLR更新的频率就越高，更新的开销也就越大。但是k值过大时，虽然更新的开销很小，但是会导致用户建立呼叫的时延过大。不同用户对时延的要求是不同的，所以应该权衡各种因素来确定k的值。

下面给出k值计算公式：

k＝f(S,V,F)＝V+F+S+1

其中V为速度参数，根据实际速度划分。当用户实时速度为0km/h～25km/h时，该用户为低速用户，V取0；当用户实时速度为25km/h～250km/h时，该用户为中速用户，V取1；当用户实时速度为250km/h以上时，该用户为高速用户，V取2。标志位F用来表示用户是否是频繁越区用户，如果F等于1表示用户是频繁越区用户，如果F为0表示用户不是频繁越区用户。S为用户的优先级，当用户为高优先级时S为0，当用户为中优先级时S为1，当用户为低优先级时S为2。

关于位置模型存储结构：

在本发明中，HLR中存储着所有用户的原始的位置信息，包括用户是否开机注册标志位TS，以及用户的UID，用户所在拜访寄存器的VID。TS＝1时表示用户终端已经开机并注册，TS＝0时表示用户处于未注册状态。

VLR中存储着用户所在信关站的具体信息，包括用户临时的UID，所在卫星的SID，以及所在卫星对应的卫星波束的BID。由所在卫星的SID，以及所在卫星波束的BID组合构成了存储器所能标志的最细粒度的用户实时位置信息，精确到了波束的范围。为了实现动态的k步更新策略，每个VLR中还有两个指针表示具体VLR的地址，分别用PREV和NEXT表示，用来指向用户终端最近更新过的VLR的，NEXT用来指向用户下一个要更新的VLR。

在网络中的用户终端始终会收到广播的位置区识别码，分别由信关站和卫星广播发出。当两个位置区识别码其中一个发生改变时，用户终端就要进行位置更新操作。考虑在用户终端上设置一个终端位置更新控制器，控制器上设立三个bit位。第一个bit位表示用户终端是否收到了广播的位置区识别码，如果收到则置1，否则置0。第二个bit位表示卫星广播的位置区识别码是否改变，如果改变则置1，否则置0。第三个bit位表示信关站广播的位置区识别码是否改变，如果改变则置1，否则置0。只有当用户终端的位置更新控制器中，当第一个标志位为1，第二和第三个bit位至少有一个bit位为1时才发起位置更新操作。

面向低轨卫星系统的动态k步用户位置更新策略是基于低轨卫星系统的，而低轨卫星系统的体系结构包括卫星段、空中段、地面段。卫星段包括各个卫星组成的星际链路，空中段包括民用飞机、军用飞机、军用导弹等。地面段包括民用信关站、军用信关站、个人终端、车载终端、船载终端等。如图3所示。

本发明提出面向低轨卫星系统的动态k步用户位置更新策略，针对不同用户不同特性和不同优先级，动态的改变拜访位置寄存器更新指针链的长度，既能减小位置更新的总开销，也能保证各种不同特性用户的QoS，具体的更新流程如图4所示。

步骤1：用户终端开机，用户终端的位置更新控制器中的三个bit位都置1，发起注册操作，向当前位置区所属的信关站中的VLR进行注册。

步骤2：当前VLR收到用户的注册，为用户随机分配一个临时的用户UID，根据用户终端所在的卫星确定SID，根据用户终端所在的卫星波束确定BID。根据用户的实时速度参数V，频繁越区标志位F和用户优先级等级S由公式算出k的值。计算公式如下：

k＝f(S,V,F)＝V+F+S+1

步骤3：当前的VLR向HLR发送用户注册的信息，HLR收到信息后对用户初始信息进行登记，填写用户的身份认证号UID，以及用户所在的拜访位置寄存器号VID。

步骤4：用户注册完毕后，将用户终端的位置更新控制器中的三个bit位都复位，即置0，进入循环。

步骤5：用户离开当前位置区时，即用户终端第一个bit位为1且第二个bit位和第三个bit位中至少有一个为1时，发起位置更新，向当前位置区所属的信关站中的VLR进行信息更新。

步骤6：当前VLR收到用户的信息，判断用户的UID是否已经存在，若用户的UID已经存在，则向VLR更新用户信息，即更新完毕。否则跳到步骤7。

步骤7：用户向新的当前VLR登记用户当前信息，将当前VLR中的前向指针PREV指向上一次更新的VLR，并删除前一个VLR中用户的信息，判断当前针链长度是否到达k，如果小于k则更新完毕，否则跳到步骤8。

步骤8：当前VLR指针链长度达到k，判断用户当前的速度参数V，以及当前的是否频繁越区标志位F是否改变，若改变则VLR根据当前的速度参数V，以及当前的是否频繁越区标志位F重新计算k的值。通过PREV指针指向上一次更新的VLR，并删除前一个VLR中用户的信息。当前VLR向HLR进行用户信息更新。

步骤9：当前的VLR向HLR发送用户注册的信息，HLR收到信息后对用户初始信息进行登记，填写用户的身份认证号UID，以及用户所在的拜访位置寄存器号VID。

步骤10：完成循环，转到步骤4。

本发明提出了一种面向低轨卫星系统的动态k步用户位置更新策略，在位置更新时根据用户特征以及用户优先级等特点，动态调整拜访位置寄存器更新指针链的长度，既减小总的位置管理开销，也保证各种用户的不同需求，提高用户整体QoS。

步骤1：用户终端开机，用户终端的位置更新控制器中的三个bit位都置1，发起注册操作，向当前位置区所属的信关站中的VLR进行注册。

步骤2：当前VLR收到用户的注册，为用户随机分配一个临时的用户UID，根据用户终端所在的卫星确定SID，根据用户终端所在的卫星波束确定BID。根据用户的实时速度参数V，频繁越区标志位F和用户优先级等级S由公式算出k的值。计算公式如下：

k＝f(S,V,F)＝V+F+S+1

步骤3：当前的VLR向HLR发送用户注册的信息，HLR收到信息后对用户初始信息进行登记，填写用户的身份认证号UID，以及用户所在的拜访位置寄存器号VID。

步骤4：用户注册完毕后，将用户终端的位置更新控制器中的三个bit位都复位，即置0，进入循环。

步骤5：用户离开当前位置区时，即用户终端第一个bit位为1且第二个bit位和第三个bit位中至少有一个为1时，发起位置更新，向当前位置区所属的信关站中的VLR进行信息更新。

步骤6：当前VLR收到用户的信息，判断用户的UID是否已经存在，若用户的UID已经存在，则向VLR更新用户信息，即更新完毕。否则跳到步骤7。

步骤7：用户向新的当前VLR登记用户当前信息，将当前VLR中的前向指针PREV指向上一次更新的VLR，并删除前一个VLR中用户的信息，判断当前针链长度是否到达k，如果小于k则更新完毕，否则跳到步骤8。

步骤8：当前VLR指针链长度达到k，判断用户当前的速度参数V，以及当前的是否频繁越区标志位F是否改变，若改变则VLR根据当前的速度参数V，以及当前的是否频繁越区标志位F重新计算k的值。通过PREV指针指向上一次更新的VLR，并删除前一个VLR中用户的信息。当前VLR向HLR进行用户信息更新。

步骤9：当前的VLR向HLR发送用户注册的信息，HLR收到信息后对用户初始信息进行登记，填写用户的身份认证号UID，以及用户所在的拜访位置寄存器号VID。

步骤10：完成循环，转到步骤4。