一种卫星网络中的基于资源预留的切换控制方法及系统与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明解决的技术方案是：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。

本发明的技术方案是：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长为整数关系，则每一个子小区时长均为业务统计性平均通信时长。

一种基于资源预留的卫星网络切换控制系统，包括信息获取模块、波束子小区划分模块、波束子小区计算模块、门限确定模块以及资源预留模块；

信息获取模块根据终端的业务请求，获取业务统计性平均通信时长、带宽需求以及业务切换中断率；

波束子小区划分模块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；

波束子小区计算模块计算获得该业务终端所接入卫星的波束子小区；

门限确定模块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；

资源预留模块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。

所述波束子小区划分模块的具体划分方法为：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。

所述门限确定模块的具体工作过程为：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。

所述资源预留模块的具体工作工程为：

步骤511：判断业务性质，如果是新入网的业务，则执行步骤521，否则如果为待切换的业务，则执行步骤531；

步骤521：根据新入网业务的位置信息，判断该用户是否在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541，否则执行步骤551；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541，否则执行步骤551；

步骤531：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541，否则执行步骤551；

步骤541：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551：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521或步骤531所述的资源需求，则进入步骤541；否则业务等待超时，进入步骤561；

步骤561：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。

本发明具有以下有益效果：

1)采用基于波束子小区模型的资源预留方法，充分利用了业务通信时间的统计特性和卫星星座运动规律的先验性知识，每次为业务预留一个波束子小区时长的资源，该方法可以在保证业务通信连续性的基础上，减少所需要预留的资源，该方法克服了传统基于资源预留的切换控制方法的资源浪费问题；

2)采用区分新入网业务和待切换业务优先级的方式，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，设计了不同的资源预留流程，该方法可以在保证新入网业务切换失败率要求的前提下，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，克服了传统不区分新入网业务和待切换业务方法的不足。

附图说明

图1为卫星波束覆盖示意图。

图2为现有资源预留技术的切换阈值示意图。

图3为现有技术下基于资源预留的切换控制方法。

图4为本发明的基于资源预留的切换控制方法。

图5为本发明的波束子小区分割示意图。

图6为本发明的子小区切换阈值示意图。

图7为本发明的erw算法与传统ddbhp算法的性能比较图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

参见图4，其为本发明的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，确定业务的统计性平均通信时长tu，带宽需求为bbps，业务切换中断率pf；

步骤2、划分子小区过程。根据卫星网络波束小区信道持续时间tcell与业务统计性平均通信时长tu之间的关系，该过程可以分为两种情况：(1)tcell＜tu，则以业务统计性平均通信时长tu作为一个子小区的长度，如图5将一个完整的卫星波束小区划分为多个子小区，考虑到tcell与tu之间可能的非整数关系，最后一个子小区的长度为业务统计性平均通信时长tu除波束小区长度tcell的余数；(2)tcell≥tu，则将一整个卫星网络波束小区作为一个子小区。

步骤3、根据定位装置确定业务终端接入网络时的具体位置和接入卫星，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，在保证用户服务质量的基础上，设置合理的终端在每个子小区内发起资源预留请求的时刻tth，最大化卫星网络的资源利用率，如图6所示，该步骤可具体为：

首先，推导发起资源预留请求的时刻tth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tth与业务在一整个波束小区内的切换中断率pf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pf时相应的发起资源预留请求的时间阈值的门限值tth，以保证系统资源利用率最大化；

步骤5、根据下一波束子小区的实时资源状态，为新业务和切换业务实现资源预留，该步骤可具体为：

步骤51：判断业务性质，如果是新入网业务，则执行步骤52，否则如果为待切换业务，则执行步骤53。

步骤52：根据业务位置信息，判断该新入网业务是否在步骤42所求得的时间阈值tth前接入波束子小区，即如果该用户在区域a接入子小区，进一步判断当前子小区是否有可用资源bbps为该用户预留，如果有，则执行步骤54，否则执行步骤55；否则如果该新入网业务在区域b接入子小区，进一步判断当前子小区和下一子小区是否均有可用资源bbps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：对于待切换业务，根据业务位置信息，当业务终端相对运动至子小区的时间阈值tth的时刻，发起切换资源预留请求，系统判断当前子小区和下一子小区是否均有可用资源bbps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，则系统成功为该业务预留资源，系统可用资源减去bbps，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，则业务进入排队等待状态，在业务到达当前子小区的区域b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所述的带宽需求bbps，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。

在上述切换过程完成后，若业务未自然终止，则迭代执行上述切换过程，直至业务自然终止，整个通信过程结束。

应用本发明的方法取得的性能效果如图7所示。图内性能曲线为本发明的erw算法和传统ddbhp方法的系统阻塞率pb和切换失败率pf随切换阈值tth变化的性能曲线。当业务的切换阈值tth占子小区最长信道服务时间的百分比变化从10％至90％变化时，本发明的erw算法相对于ddbhp算法均能保持较低的系统阻塞率pb，明显改善了系统的资源利用率性能，克服了传统方法中的资源预留浪费问题。这是由于erw算法为业务预留的时隙长度由通信的平均持续时间，而不是ddbhp所述的一整个波束小区的信道持续时间来决定，因此erw算法可以显著成倍降低为业务预留的资源量，从而保证有更多的资源可以被其它业务利用而不是被预留。然而，由于erw算法的资源预留时间比ddbhp方法短，因此对于通信持续时间长的业务终端而言，erw算法将增加资源预留请求的次数，而任何一次资源请求失败都会导致通话失败，因此这使得erw算法面临更高的切换失败风险，因此，如图所示，erw算法在系统切换失败率pf上的性能比ddbhp方案略差。然而，如果我们选择的适当切换阈值tth，可以将系统切换失败率pf控制在极小的值，从而消除这种影响。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使得修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神与范围。