一种基于星历信息的低轨卫星星座系统小区切换方法及装置与流程

本发明是一种基于星历信息的低轨卫星星座系统小区切换方法及装置，属于移动通信系统中移动性管理领域。

背景技术：

低轨卫星通信系统具有低时延、高带宽利用率和移动终端低功耗等特点，是未来移动通信技术的发展方向之一。但同时，由于leo系统卫星轨道高度低，卫星相对地球高速运动，导致通信连接频繁地在卫星间或波束间发生切换，大大增加了系统控制信令的开销，并使得掉话率和通话中止概率显著提升。因此，移动性管理技术是低轨卫星通信系统的研究重点与热点。

目前，对低轨卫星通信系统切换技术的研究主要包括了网络层切换的研究和链路层切换的研究。网络层切换的研究主要是利用移动ip(mobileip，mip)技术对移动终端ip进行管理，链路层切换的研究主要是探讨不同切换准则对移动终端掉话率、呼叫阻塞率、网络利用率等指标的影响。根据切换波束与源波束卫星归属，链路层切换可以分为卫星间切换和波束间切换。卫星间切换指移动终端从一个卫星覆盖区域切换到另一个卫星的覆盖范围，波束间切换指移动终端在同一颗卫星的不同波束间进行切换。对低轨卫星通信系统，波束间切换的频繁性要求切换准则的设计需要着重考虑避免“乒乓切换”的出现。

目前，低轨卫星通信系统链路层切换的常见准则包括了最强信号准则、最长可视时间准则、最大仰角准则以及最小负载准则。对这些准则的研究通常以理想蜂窝状波束为基础进行，较少考虑到实际系统的需求以及实现的可行性。因此，本发明提出一种基于星历信息的低轨卫星星座系统小区切换方法及其装置。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题为：本发明针对低轨卫星通信系统的切换准则进行研究，提出一种基于星历轨迹预测的切换方法及其装置，对接收的广播星历信息进行预测，结合移动终端的地理位置信息，计算切换触发时刻的邻区列表，并根据波束可视时间与接收信号强度从邻区列表筛选最佳接入波束，从而降低了移动终端切换的频率，减少了“乒乓切换”的发生概率，提升了系统整体的网络利用率。

本发明的技术解决方案为：本发明采用的技术方案为：一种基于星历信息的低轨卫星星座系统小区切换方法，步骤如下：

(1)移动终端接收当前时刻t的当前服务小区的信号，判断接收的当前服务小区的信号强度是否小于任意一个相邻服务小区的信号强度测量阈值pthresh1，若是则继续执行步骤(2)；否则，当前服务小区不需要切换；

(2)移动终端接收时刻t的广播星历信息，根据时刻t的广播星历信息中时刻t的服务卫星位置，确定时刻t的星下点位置，根据时刻t的星下点位置，计算移动终端到服务卫星星下点距离dth(t)；

(3)移动终端根据移动终端到服务卫星星下点距离dth(t)，计算服务卫星的星下半张角及运动方向偏角μ(t)，并根据服务卫星的星下半张角及运动方向偏角μ(t)，计算理想接收信号功率sideal(t)；判断sideal(t)是否小于等于设置的理想通信门限值，若是，则继续执行步骤(4)，否则，时刻t增加间隔δt后的值赋给t，替换步骤(2)中的t并返回步骤(2)；

(4)移动终端根据时刻t的卫星位置，计算该移动终端的覆盖卫星集内所有波束的临界功率，将临界功率与步骤(3)理想接收信号功率sideal(t)比较，若大于等于，则将该临界功率对应的波束放到移动终端的邻区列表中，否则，舍弃该临界功率对应的波束；

(5)移动终端同时对当前服务小区的信号与邻区列表内波束的信号强度进行测量，判断当前服务小区接收信号强度是否小于设置的切换触发阈值pthresh2，若小于，则继续执行步骤(6)，否则，当前服务小区不需要切换；

(6)逐个计算邻区列表内的各波束对应的移动终端的波束可视时间；

(7)移动终端筛除邻区列表中小于设定的波束可视时间阈值tthresh的可视时间对应的波束，若筛除后的邻区列表为空，则将设定的波束可视时间阈值tthresh的大小减半，重新对原邻区列表进行筛除，直到邻区列表不为空；

(8)计算筛除后的邻区列表中所有波束的波束切换权值，选择邻区列表中具有最大波束切换权值的波束作为目标波束，将当前波束切换至目标波束。

优选的，所述步骤(1)中，服务小区的接收信号强度pmeas(t)的计算公式为：

其中，n是采样窗口的长度，δt是测量的间隔，αn是不同采样时刻接收功率的权值，p(t-nδt)代表t-nδt时刻的实际接收功率；

优选的，星下点位置(sj,sw)的计算公式为：

其中，(xr,yr,zr)是低轨卫星在地心惯性坐标系下的坐标，gast表示当前时刻的格林尼治恒星时，在数值上等于格林尼治平恒星时gmst，gmst的计算公式为：

其中，参数c4、c5的值分别为一个太阳日所包含的秒数以及太阳日与恒星日的转换系数，参数ut的计算公式为：

ut＝mod(jd+0.5,1)[公式4]

其中，jd表示当天对应的儒略日，计算公式为：

其中，参数y、m、d表示当天对应的年份、月份和日期，

gmst0代表世界时0点时的格林尼治平恒星时，计算公式为：

gmst0＝c0+c1t+c2t²-c3t³[公式6]

其中，参数c0、c1、c2和c3的值分别为24110.54841、8640184.812866、0.093104和6.2*10^-6，t＝(jd-2451545.0-ut)/36525.0。

优选的，终端-星下点距离的计算公式为：

其中，(uj,uw)表示移动终端当前的位置，(sj,sw)代表星下点当前的位置，re代表地球半径。

星下半张角计算公式为：

其中，dth(t)代表t时刻的终端-星下点距离，re代表地球半径，h代表轨道高度。

运动方向偏角计算公式为：

其中，re代表地球半径，参量dtq(t)计算公式为：

参量dhq(t)计算公式为：

优选的，理想接收信号功率的计算公式为：

sideal(t)＝10logδ²-lr(t)[公式12]

其中，δ代表t时刻的信号场值，计算公式为：

δ＝h(u,v)[公式13]

其中，δ＝h(u,v)代表与移动终端对应的星上天线的uv坐标系坐标-场值映射关系。lr(t)为信号相对路损，计算公式为：

其中，re代表地球半径，h代表轨道高度，代表t时刻的星下半张角。

波束可视的条件为：

sideal(t)>sthresh[公式15]

其中，sthresh代表波束可视临界功率值，其计算公式为：

sthresh＝sguarantee+soff[公式16]

其中，sguarantee是保障移动终端通信的最小相对接收功率，由链路预算确定。soff代表移动终端因信号衰落产生的强度下降值，其计算公式为：

其中，pideal(thandover)代表切换触发时刻thandover的理想接收功率，pmeas(thandover)代表切换触发时刻的实际测量信号强度值。

优选的，波束可视时间计算公式为：

其中，thandover为切换触发时刻，t是首次不满足波束可视条件的时刻，δt是计算间隔。

优选的，最佳接入小区beam[i][j]的筛选准则为：

beam[i][j]＝argmax{w[i][j]}

s.t.tvisble[i][j]≥tthresh[公式19]

其中，w[i][j]代表邻区列表内i号卫星j号波束的波束切换权值，其计算公式为：

其中，pmeas(thandover)[i][j]代表邻区列表内i号卫星j号波束切换触发时刻的测量信号强度，m是表示判断波束是否与源波束处于同一颗星下的常量，同星下值为1，不同星下若存在j号卫星与i号卫星的某波束功率值，可视时间相同的情况下，m为0，其作用是减少星间切换的概率，在计算最大值时，保证优先选择同星下波束切换。tvisble[i][j]代表移动终端对邻区列表内i号卫星j号波束的可视时间，t代表所有邻区波束中波束可视时间最大值，p代表所有邻区波束中切换触发时刻接收信号强度最大值，tthresh代表波束可视时间阈值。

如图2所示，优选的，本发明所述的一种基于星历信息的低轨卫星星座系统小区切换装置，包括：

信号测量模块，用于测量服务小区在业务信道上的信号强度，邻区导频信号的信号强度；

星历信息接收模块，用于接收星载基站下行广播的星历信息；

移动终端定位模块，用于获取移动终端实时位置信息；

星历预测及星下点计算模块，根据接收的最新星历信息，预测当前时刻的星历信息，并计算低轨星座星下点位置；

信号场值存储模块，根据天线设计情况，预先存储每个波束内部分点的uv坐标系下坐标与信号场值对；

邻区列表计算模块，根据星下点信息、移动终端位置信息及信号场值，计算并保存移动终端在切换触发时刻的邻区列表；

波束可视时间计算模块，用于切换触发时刻，根据星下点信息、移动终端位置信息及信号场值，计算邻区列表内所有波束小区的波束可视时间；

筛选与判决模块，对邻区列表中的波束小区，根据波束可视时间与接收信号强度筛选出最佳接入波束小区。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

(1)本发明提出了一种基于星历信息的低轨卫星星座系统小区切换方法及装置，根据接收的广播星历信息，计算邻区列表，同时测量服务小区与邻区的信号强度，确定切换触发时刻，随后根据星历信息计算理想接收功率，与邻区波束的临界功率对比，确定邻区的可视时间，最后从波束可视时间及接收信号强度两个维度筛选出最佳接入小区。这种切换准则从实际低轨卫星系统的需求出发，降低了移动终端切换的频率。

(2)本发明同时适用于星间切换和星内切换，具备较强的可操作性；

(3)本发明同时从功率和时间两个维度进行判决，优选出的切换目标真实，可信度高

(4)本发明有效的减少了星间切换时带来的控制信令开销。

附图说明

图1为本方法的方法流程图；

图2为本方法提供的一种可能的装置示意图；

图3为本方法提供的一种可能的星内波束切换信令传输流程图；

图4为本方法提供的一种可能的星间波束切换信令传输流程图；

图5为本方法的应用场景图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附发明要求所限定的范围。

本发明公开了一种基于星历信息的低轨卫星星座系统小区切换方法及装置。移动终端根据接收服务卫星信号强度，判决切换触发时刻，随后，再根据接收的卫星星历参数，预测低轨卫星的星下点位置，根据预测的星下点位置计算切换触发时刻的覆盖卫星集合，将移动终端与覆盖卫星集合内各卫星所有波束的波束特征点集合比较，得到邻区列表。移动终端计算邻区列表内每一个波束的可视时间，筛除可视时间小于波束可视时间阈值的波束，选择筛除后的邻区列表中切换权值最大的波束作为目标波束，最后将切换至目标波束的请求发送至源波束。该方法具有提升波束小区切换可靠性，降低乒乓切换概率，减少系统控制信令数目，提升网络效率的特点。

如图1所示，本发明的一种基于星历信息的低轨卫星星座系统小区切换方法，步骤如下：

(1)移动终端接收当前时刻t的当前服务小区的信号，判断接收的当前服务小区的信号强度是否小于任意一个相邻服务小区的信号强度测量阈值pthresh1，若是则继续执行步骤(2)；否则，当前服务小区不需要切换；

(2)移动终端接收时刻t的广播星历信息，根据时刻t的广播星历信息中时刻t的服务卫星位置，确定时刻t的星下点位置，根据时刻t的星下点位置，计算移动终端到服务卫星星下点距离dth(t)；

(3)移动终端根据移动终端到服务卫星星下点距离dth(t)，计算服务卫星的星下半张角及运动方向偏角μ(t)，并根据服务卫星的星下半张角及运动方向偏角μ(t)，计算理想接收信号功率sideal(t)；判断sideal(t)是否小于等于设置的理想通信门限值，若是，则继续执行步骤(4)，否则，时刻t增加间隔δt后的值赋给t，替换步骤(2)中的t并返回步骤(2)；

(4)移动终端根据时刻t的卫星位置，计算该移动终端的覆盖卫星集内所有波束的临界功率，将临界功率与步骤(3)理想接收信号功率sideal(t)比较，若大于等于，则将该临界功率对应的波束放到移动终端的邻区列表中，否则，舍弃该临界功率对应的波束；

(5)移动终端同时对当前服务小区的信号与邻区列表内波束的信号强度进行测量，判断当前服务小区接收信号强度是否小于设置的切换触发阈值pthresh2，若小于，则继续执行步骤(6)，否则，当前服务小区不需要切换；

(6)逐个计算邻区列表内的各波束对应的移动终端的波束可视时间；

(7)移动终端筛除邻区列表中小于设定的波束可视时间阈值tthresh的可视时间对应的波束，若筛除后的邻区列表为空，则将设定的波束可视时间阈值tthresh的大小减半，重新对原邻区列表进行筛除，直到邻区列表不为空；

(8)计算筛除后的邻区列表中所有波束的波束切换权值，选择邻区列表中具有最大波束切换权值的波束作为目标波束，将当前波束切换至目标波束。

移动终端，是指卫星终端

邻区测量阈值pthresh1，是指移动终端开启邻区测量的信号强度，邻区根据系统需求确定；

广播星历信息，包括：当前时刻t的服务卫星经纬度位置，还包括卫星的时间、运行速度、运行方位、卫星号、波束号等信息。

设置的理想通信门限值，是保障移动终端通信的最小相对接收功率值，根据链路预算确定。

覆盖卫星集，是指t时刻，移动终端可接收到信号的卫星集合。

设置的切换触发阈值pthresh2，是指需要切换时的功率判定值，由当前接入波束的发射功率(天线设计值)、星下点距离功率传输损失(星下点位置的路径功率损耗)及移动终端的最小接收功率(移动终端设计值)确定。

各波束对应的移动终端波束可视时间，是指移动终端可测量到各波束对应的信号的时间。

则将设定的波束可视时间阈值tthresh的大小减半，重新对原邻区列表进行筛除，直到邻区列表不为空；是指波束可视时间阈值下筛除的列表为空时，将该时间的值缩至一半，并重新将此值设定为波束可视时间阈值

波束切换权值，是指判断切换目标波束的数值，该值由覆盖移动终端的各波束的可视时间，切换时刻覆盖移动终端的各波束测量功率，以及覆盖移动终端的各波束是否与当前接入波束处于同星下的常量之和的最大值。

当前波束切换至目标波束，实现了小区切换。

该移动终端的覆盖卫星集内所有波束的临界功率，是指移动终端的接收功率，该值根据卫星天线的发射功率确定。

如图5所示为本发明的优选方案所公开的低轨卫星通信系统基于星历轨迹预测的切换方法的应用场景示意图。本实例采用的低轨星座共包括6个轨道，轨道升交点的经度差固定，每个轨道均匀分布10颗卫星，系统具体参数如下表1所示，阈值以及常值如表2所示，其中阈值的具体取值可根据仿真结果和系统需要做适当调整，图3和图4示意了星间切换和星内波束切换的流程，在本发明中的切换方法同时适用于两种情况，在卫星星历信息中包含了当前波束是否与测量波束处于同星的信息。

表1系统参数表

表2阈值及常值表

本发明的一种基于星历信息的低轨卫星星座系统小区切换方法的进一步优选方案，步骤如下：：

第一步：移动终端接收当前服务小区的信号,判断服务小区信号强度是否小于邻区测量阈值。

本步骤中，移动终端接收业务信道上服务小区信号，连续接收n个子帧，优选根据以下公式：

得到当前时刻t的接收信号强度值pmeas(t)，其中，p(t-nδt)是t-nδt时刻接收到的子帧的功率，αn是功率权值。下一个时隙到达后，将前n-1个时隙接收到的子帧与当前时隙接收到的子帧的功率加权平均，得到该时刻的接收信号强度pmeas(t+δt)，以此类推。当：

pmeas(t)≤pthresh1

时，移动终端开启邻区测量，如图3和图4。其中，pthresh1是邻区测量阈值，是移动终端开启邻区测量的临界服务小区信号强度，根据系统需求确定。

第二步：移动终端计算终端-星下点距离。首先接收控制信道上广播星历信息，通过轨道外推得到当前时刻服务卫星在地心惯性坐标系下的坐标(xr,yr,zr)。优选根据以下公式：

ut＝mod(jd+0.5,1)[公式4]

计算得到服务卫星的星下点坐标(sj,sw)。其中，c0、c1、c2、c3和c4分别为参数，gmst0代表世界时0时的格林尼治平恒星时，gmst代表当前时刻的格林尼治平恒星时，数值上等于格林尼治恒星时gast，jd代表当天对应的儒略日，y、m、d代表当天对应的年份、月份和日期。

优选根据以下公式：

计算时刻t的终端-星下点距离dth(t)，其中，(sj,sw)是根据星历推算得到的星下点位置，(uj,uw)是移动终端从内部定位模块获取的当前位置。

第三步：移动终端通过计算对服务小区的理想相对接收信号功率sideal(t)，预测切换触发时刻，从而进行邻区列表的计算。

优选根据以下公式：

计算移动终端对服务卫星的星下半张角其中，dth(t)代表t时刻的终端-星下点距离，re代表地球半径，h代表轨道高度。

优选根据以下公式：

计算移动终端对服务卫星的运动方向偏角μ(t)。

优选根据以下公式：

sideal(t)＝10logδ²-lr(t)[公式12]

δ＝h(u,v)[公式13]

计算移动终端对服务小区在时刻t的理想相对接收信号功率sideal(t)。其中，δ代表t时刻的信号场值，δ＝h(u,v)代表与移动终端对应的星上天线的uv坐标系坐标-场值映射关系，与天线的设计情况相关。lr(t)代表信号相对路损，re代表地球半径，h代表轨道高度，代表移动终端对服务卫星的星下半张角，μ(t)代表移动终端对服务卫星的运动方向偏角。

优选当：

sideal(t)≤sguarantee

时，预测时刻t为切换触发时刻；否则，需要令t＝t+δt，并跳转至第二步。其中，sguarantee是保障移动终端通信的最小相对接收功率，根据链路预算确定。

第四步：移动终端进行邻区列表的计算。首先计算t时刻移动终端对星座内其他卫星的星下半张角，优选根据以下公式：

判决i号卫星进入覆盖卫星集，其中，是i号卫星的理想临界星下半张角，代表移动终端对i号卫星的星下半张角，优选的计算公式：

其中，dth(t)[i]代表移动终端与i号卫星星下点距离，re代表地球半径，h代表轨道高度，(uj,uw)代表移动终端位置，(sj[i],sw[i])代表i号卫星星下点位置。

再优选根据以下公式：

计算移动终端对i号卫星的运动方向偏角μ(t)[i]。dth(t)[i]代表移动终端与i号卫星星下点距离，参量dtq(t)[i]的优选计算公式：

参量

参量dhq(t)[i]的优选计算公式：

移动终端将μ(t)[i]与i号卫星内所有波束的临界功率进行比较，计算得到移动终端的邻区列表。波束的临界功率由天线设计决定。

第五步：同时对服务小区与邻区列表内波束小区的信号强度进行测量。若服务小区接收信号强度小于pthresh2，则判决切换触发。pthresh2是切换触发阈值，优选计算公式：

pthresh2＝10logpbeam-ploss+sguarantee

其中，ploss代表服务卫星星下点路损，λ代表工作波长，h代表轨道高度，pbeam代表单波束发射功率，sguarantee代表保障移动终端通信的最小相对接收功率。

第六步：移动终端通过快照法对预筛选后的波束逐个计算可视时间，优选根据以下公式：

其中，δt是快照的间隔，r代表快照的张数，优选满足：

sideal(t+rδt)≤sthresh[i][j]

sideal(t+rδt)代表移动终端在t+rδt时刻对i号卫星j号波束的理想相对接收信号功率，sthresh[i][j]代表i号卫星j号波束可视临界功率值，其优选的计算公式为：

sthresh[i][j]＝sguarantee+soff[i][j][公式16]

其中，sguarantee是保障移动终端通信的最小相对接收功率，soff[i][j]代表移动终端因信号衰落产生的强度下降值，pideal(t)[i][j]代表移动终端在切换触发时刻t对i号卫星j号波束理想接收功率，pmeas(t)[i][j]代表切换触发时刻t对i号卫星j号波束的实际测量信号强度值。

第七步：将邻区列表中的波束小区按照波束可视时间进行筛选优选根据以下式：

其中，w[i][j]代表邻区列表内i号卫星j号波束的波束切换权值，其优选的计算公式为：

其中，pmeas(thandover)[i][j]代表邻区列表内i号卫星j号波束切换触发时刻的测量信号强度，m是表示判断波束是否与源波束处于同一颗星下的常量，同星下值为1，不同星下若存在j号卫星与i号卫星的某波束功率值，可视时间相同的情况下，m为0，其作用是减少星间切换的概率，在计算最大值时，保证优先选择同星下波束切换。tvisble[i][j]代表移动终端对邻区列表内i号卫星j号波束的可视时间，t代表所有邻区波束中波束可视时间最大值，p代表所有邻区波束中切换触发时刻接收信号强度最大值，tthresh代表波束可视时间阈值。

若筛选后的邻区列表为空，则将tthresh的大小折半，重新对原邻区列表进行筛选。直到筛选后的邻区列表不为空。

选择筛除后的邻区列表中具有最大接收信号强度的波束小区成为新的服务小区并接入。

本发明提出了一种基于星历信息的低轨卫星星座系统小区切换方法及装置，根据接收的广播星历信息，计算邻区列表，同时测量服务小区与邻区的信号强度，确定切换触发时刻，随后根据星历信息计算理想接收功率，与邻区波束的临界功率对比，确定邻区的可视时间，最后从波束可视时间及接收信号强度两个维度筛选出最佳接入小区。这种切换准则从实际低轨卫星系统的需求出发，降低了移动终端切换的频率。