星历辅助灵活开关多星覆盖区异频测量切换装置的制作方法

1.本发明属于低轨卫星通信领域，具体涉及到一种星历辅助灵活开关多星覆盖区异频测量切换装置。
技术背景
2.在地面移动通信中，对相邻小区的测量是终端与基站建立良好通信的必不可少的过程。处于连接态的用户终端(ue)需要对服务小区和邻区进行测量，进而根据测量结果评估服务小区和邻区是否满足上报条件。基站依据ue的测量报告做出是否切换的决策。其中，邻区可以是同频小区，也可以是异频小区。所谓同频小区是指与ue的服务小区频率相同的相邻小区。所谓异频小区是指与ue的服务小区频率不同的相邻小区。异频是指两个相邻小区中心频点不一致。系统内的小区测量包括同频和异频两类测量，系统不同组网方式的小区测量类型也不相同。在同频组网的系统中，终端发起的小区测量均是同频测量；异频组网的系统中，终端发起的小区测量均是异频测量，终端在相邻小区之间的切换为异频切换。ue在测量同频小区时，可以在接收服务小区的信号的同时，接收同频小区的参考信号，以便评估同频小区的信号质量是否满足上报条件。异频测量相对同频测量，不具备双接收机的终端通常需要在通信时隙上留出异频测量间隙(gap)用于异频信号的测量，但在异频测量期间需中断通信数据传输，异频邻区测量需要启动gap，吞吐量会降低。ue在测量异频小区时，先在gap内调谐射频的中心频率至异频小区所在的频率，然后ue才能测量相应的异频小区。测量结束之后，ue需要再次调谐射频的中心频率至服务小区所在的频率，以便ue能够在服务小区接收信号。由于在异频测量gap内不能与服务小区进行通信，因此在对异频小区进行测量的过程中，ue的数据传输速率受到很大影响。
3.在低轨卫星通信系统中，常采用波束频分的方式对地组网覆盖，即为异频组网覆盖的系统。在低轨卫星通信系统中卫星终端对邻小区发起的邻小区测量均为异频测量。小区测量发起的频度主要受卫星终端的移动性影响，卫星终端移动性导致的测量gap相对卫星终端通信时隙资源调度频度而言影响不大。与地面移动通信系统相比，卫星通信系统中信道模型差异大，卫星通信较为依赖直射径信号成分，此外，卫星通信的卫星终端并不是一个全向天线。故在低轨卫星通信中卫星的高速移动和卫星终端运动中的颠簸，将导致卫星终端频繁触发邻小区测量，最恶劣的情况下可达50次/s，根据gap的配置，用户的通信速率将下降20％。
4.针对低轨卫星中的频繁异频测量，目前主要采用以下几种方式实现：一是拓宽卫星终端波束宽度以适应复杂路况，优点是采用相控阵天线，则可通过参数配置修改，简单易操作，缺点是波束增益下降，卫星终端eirp和g/t指标下降，用户通信速率下降；二是抬高异频测量触发门限适应当前小区信号质量小尺度波动，优点是通过参数配置修改，简单易操作，缺点是低轨卫星快速运动导致的定向切换过程中，用户向目标波束切换的进程滞后，卫星终端通信速率在一段时间下降；三是信关站侧通过测量配置信息将异频测量周期变长，有点是基于现有信令进行参数配置即可，缺点是不能适应低轨卫星高速运动带来的波束快
速滑动；四是基于星历计算和异频测量配合的方式进行，但目前均是将星历计算作为第一准则，异频测量作为第二准则，优点是避免不必要的异频测量，缺点是“一刀切”，未充分考虑单星单波束覆盖区、单星多波束交叠区、多星覆盖交叠区的差异。
5.卫星终端在连续通信过程中进行异频测量的目的主要是为了保证卫星终端在原小区链路质量降低时可有效探查邻区信号强度，进一步触发切换，保证通信连续性。在低轨卫星通信系统中，由于单星内单波束覆盖区域连接态用户仅能受到一个波束的有效覆盖，卫星终端无法切换到邻波束，故在该范围内因卫星终端动中通颠簸造成的链路质量抖动触发的异频测量是无意义的；在星内相邻波束交叠区域内，由于相邻波束信号在传播信道中的遮挡和衰减几乎同时发生，故连接态卫星终端即使频繁触发异频测量，也不能为卫星终端切换到相邻波束提供有效指导，此外，卫星终端颠簸到一定频度范围会导致“星内跨波束乒乓切换”；在多星覆盖交叠区域，相邻卫星信号在传播信道中的遮挡和衰减无关，故卫星终端的异频测量是可以较好指导切换的，但在卫星高速移动和卫星终端颠簸下，容易发生频繁的异频测量和“跨星乒乓切换”。
6.卫星星历是用于描述太空飞行体位置和速度的表达式两行式轨道数据系统。卫星星历以开普勒定律的6个轨道参数之间的数学关系确定飞行体的时间、坐标、方位、速度等各项参数，具有极高的精度。基于卫星星历可以提前预测卫星的飞行轨迹，终端再结合自身位置和卫星波束覆盖参数，可对卫星波束对卫星终端的覆盖起到预测作用，直接计算出未来一段时间内卫星终端处在星单波束覆盖区、单星多波束交叠区、多星覆盖交叠区的具体时间。卫通终端可以通过两种方式获取卫星星历，一是卫星通过广播的方式下发星历信息，卫通终端通过解析广播信号即可获取卫星星历信息；二是通过外置usb等方式注入卫通终端。


技术实现要素：

7.为解决低轨卫星系统中因卫星高速移动和卫星终端动中通颠簸导致的频繁异频测量问题，同时避免乒乓切换，本发明提出了一种星历辅助灵活开关多星覆盖区异频测量切换装置，该装置性能稳定，切换自如，使用方便，能够降低异频测量发生次数，避免乒乓切换，降低通信增益损失，达到良好的用户业务连续性体验。
8.为实现上述目的，本发明提出的一种星历辅助灵活开关多星覆盖区异频测量切换装置，包括：设置在卫星终端内，通过相控阵天线与卫星/信关站进行通信的星历处理单元和基带处理模块，其特征在于：星历处理单元根据星历、卫星波束覆盖参数和卫星终端自身位置，计算卫星终端进入当前卫星与相对运动方向上，未经过的相邻卫星的多星交叠区域和离开多星交叠区域的时间范围，以及卫星终端当前所在波束向相对运动方向上未经过的相邻波束切换的时刻，将解算结果的接口消息封装格式按接口消息格式封装，并发送给基带处理模块；基带处理单元根据接收的星历应用解算结果和从卫星/信关站接收到的测量配置，执行异频测量开关功能流程：在进入多星交叠区域和离开多星交叠区域的时间范围，通过异频测量开关打开异频测量，同时在多星覆盖区调整异频测量触发门限和rsrp测量上报条件；在单星覆盖区关闭异频测量，在单星覆盖区波束切换时刻填报相对运动方向上未经过的邻波束编号，并在其信道质量的伪测量报告中设置用于欺骗卫星/信关站侧的最佳信道质量，判决卫星终端向邻波束切换，在不改变测量切换机制前提下关闭异频测量；如果
卫星终端到达离开星间交叠范围时刻时，其仍未切换到下一颗卫星，则直接填充上报下一颗卫星波束的伪测量报告。
9.本发明相比于现有技术具有如下的有益效果：本发明采用设置在卫星终端内、通过相控阵天线与卫星/信关站进行通信的星历处理单元和基带处理模块组成星历辅助灵活开关多星覆盖区异频测量切换装置，充分考虑低轨卫通场景下单星单波束覆盖区、单星多波束交叠区、多星覆盖交叠区的差异，基于星历辅助计算，在多星覆盖交叠区打开异频测量，单星覆盖区关闭异频测量，不改变现有移动通信测量和切换流程机制，在卫星终端侧现有架构基础上增加软件功能和接口消息，具有兼容性和可操作性。在保证切换性能的情况下，能够降低异频测量发生次数，避免乒乓切换，降低通信增益损失，达到良好的用户业务连续性体验。
10.本发明针对动中通场景，单星覆盖区关闭异频测量功能，采用星历处理单元根据星历、卫星波束覆盖参数和自身位置，计算卫星终端进入当前卫星与相对运动方向上未经过的相邻卫星的多星交叠区域和离开多星交叠区域的时间范围，以及卫星终端当前所在波束向相对运动方向上未经过的相邻波束切换的时刻，在星历处理单元将将解算结果按接口消息格式封装，并发送给基带处理模块，可有效避免“星内波束间乒乓切换”，通过多星覆盖区调整异频测量触发门限和上报条件，可有效避免“星间乒乓切换”。保障了用户信号质量，有利于提升用户感知。
11.本发明针对低轨卫星系统中卫星终端动中通出现的频繁异频测量问题以及当前已有方案的不足和通过增加卫星终端星历应用单元、基带处理单元功能和单元之间的接口，实现星历和波束覆盖计算，在单星覆盖区关闭异频测量，在多星覆盖区开启异频测量，同时调整异频测量触发门限和rsrp测量上报触发条件，最终降低异频测量发生次数，避免乒乓切换，降低通信增益损失。
12.本发明通过星历应用单元基于星历辅助几何解算卫星终端到达交叠区域的位置时长为和离开交叠区域的位置时长，以及当前所在波束向相对运动方向上未经过的相邻波束切换的时刻，在多星覆盖交叠区通过异频测量开关打开异频测量，同时在多星覆盖区调整异频测量触发门限和rsrp测量上报条件，在单星覆盖区关闭异频测量，在填报邻波束编号以及其信道质量的伪测量报告中设置用于欺骗卫星/信关站侧的最佳信道质量，判决卫星终端向邻波束切换，在不改变测量切换机制前提下关闭异频测量，如果卫星终端到达离开星间交叠范围时刻时，其仍未切换到下一颗卫星，则直接填充上报下一颗卫星波束的伪测量报告。缓解了因频繁异频测量导致的通信时隙开销，可以实现全网级的异频切换优化，弥补了目前低轨卫星通信中基于测量切换和基于星历切换两种方案独立使用或粗糙地融合使用的问题，提高低轨卫星通信系统频繁异频切换的优化效率，并能够明显提高多星对冗余覆盖区域终端协同提供服务的效率。
附图说明
13.图1是本发明星历辅助灵活开关多星覆盖区异频测量切换装置的构造示意图；图2是卫星波束覆盖下卫星终端相对运动时刻示意图；图3是基带处理单元异频测量开关功能实现流程图；图4是星历应用单元解算结果的接口消息封装格式示意图；
图5是案例中低轨卫星系统卫星波束覆盖和卫星终端当前位置示意图；图6是仅传输星内波束切换时刻的接口信息填充示意图；图7是同时传输星内波束切换时刻和星间交叠区时间范围情况的接口信息填充示意图；图8是案例中基带处理单元异频测量开关功能处理流程。
14.下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
具体实施方式
15.参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种星历辅助灵活开关多星覆盖区异频测量切换装置，包括：设置在卫星终端内，通过相控阵天线与卫星/信关站进行通信的星历处理单元和基带处理模块。星历处理单元根据星历、卫星波束覆盖参数和卫星终端自身位置，计算卫星终端进入当前卫星与相对运动方向上，未经过的相邻卫星的多星交叠区域和离开多星交叠区域的时间范围，以及卫星终端当前所在波束向相对运动方向上未经过的相邻波束切换的时刻，将解算结果的接口消息封装格式按接口消息格式封装，并发送给基带处理模块；基带处理单元根据接收的星历应用解算结果和从卫星/信关站接收到的测量配置，执行异频测量开关功能流程：在进入多星交叠区域和离开多星交叠区域的时间范围，通过异频测量开关打开异频测量，同时在多星覆盖区调整异频测量触发门限和rsrp测量上报条件；在单星覆盖区关闭异频测量，在单星覆盖区波束切换时刻填报相对运动方向上未经过的邻波束编号，并在其信道质量的伪测量报告中设置用于欺骗卫星/信关站侧的最佳信道质量，判决卫星终端向邻波束切换，在不改变测量切换机制前提下关闭异频测量；如果卫星终端到达离开星间交叠范围时刻时，其仍未切换到下一颗卫星，则直接填充上报下一颗卫星波束的伪测量报告。
16.参阅图2。卫星终端进入多星交叠区域和离开多星交叠区域的时间范围，若当前时刻为t0，卫星终端沿着相对运动方向到达进入交叠区域的位置a点时长为data_time_a，到达离开交叠区域b点位置的时长为data_time_b，则进入交叠区时刻in_time＝t0+data_time_a，离开交叠区时刻out_time＝t0+data_time_b。
17.到达星内波束切换时刻时，星历应用单元解算当前所在波束向相对运动方向上未经过的相邻波束切换的时刻，若当前时刻为t0，则即将发生的最近一次跨波束切换的时刻handover_time＝t0+0.5
×
(beam_out_time+next_beam_in_time)，其中beam_out_time为计算得到的离开当前波束覆盖范围的时刻，next_beam_in_time为计算得到的进入相邻波束覆盖范围的时刻，送入基带处理单元进行异频测量。
18.参阅图3。基带处理单元根据收到星历应用单元的解算结果消息，判断当前是否在星间交叠时间范围，是则，根据接收的测量配置信息和信道质量统计时长data_time_con内当前波束信号强度波动情况，调整跨星异频测量触发门限和参考信号接收功率rsrp测量上报条件，降低跨星异频测量门限s_nonintrasearch，将测量报告上报条件设置为“当前小区质量低于异频测量门限持续时长大于持续监测时长data_time_th上报测量报告”，判断卫星终端异频测量是否已经开启，如果已开启，判断当前波束信号强度是否触发跨星测量门限，如果未开启，则打开异频测量功能，然后判断当前波束信号强度是否触发跨星测量门限，如果达到跨星测量门限，触发邻星异频测量，如果未达到跨星测量门限，判断当前是否
到达星内波束间切换时刻，是则填充并上报伪测量报告；否则，重新开始判断卫星终端异频测量是否已经开启，如果已开启，则关闭异频测量功能，判断当前是否到达星内波束间切换时刻，是则填充并上报伪测量报告，结束程序。
19.所述的伪测量报告中填报的内容为邻波束编号以及其信道质量，其信道质量设置为最佳，用于欺骗卫星/信关站侧，判决卫星终端向邻波束切换，达到不改变测量切换机制前提下关闭异频测量功能的目的。如果卫星终端到达离开星间交叠范围时刻时，其仍未切换到下一颗卫星，则直接填充上报下一颗卫星波束的伪测量报告。
20.所述的降低跨星异频测量门限s_nonintrasearch，通过如下公式实现：s_nonintrasearch＝s_nonintrasearch－α
×
(s_nonintrasearch－min_demthreshold)，其中min_demthreshold为卫星终端最低解调门限，α取值范围为0～1，信道质量统计时长data_time_con内当前波束信号强度波动越剧烈α取值越大。
21.参阅图4。上述传输解算结果的接口消息封装格式，如图4所示：传输解算结果的接口消息包括：消息类型、子类标识、时刻数和解算时刻四个字段，其中，消息类型字段由8比特表示，取值00001111表示接口消息为辅助异频测量的解算信息；子类标识字段由2比特表示，取值00表示星间交叠区时间类，取值01表示星内波束切换时刻类，取值11表示混合时刻类；时刻数字段由6比特表示解算时刻部分填充的时刻个数，如果子类标识取值00，则时刻数字段取值转换为十进制数为偶数，如果子类标识取值11，则时刻数字段前2比特表示星间交叠区时间范围解算时刻数，时刻数字段后4比特表示星内波束切换时刻解算时刻数；解算时刻字段由“时刻数*27”比特表示，其中，每一个时刻由27比特表示时分秒毫秒，从前到后，5比特表示0～23小时，6比特表示0～59分钟，6比特表示0～59秒，10比特表示0～999毫秒。
22.图2所述的解算结果按图4所述的接口消息格式封装时，如果子类标识设置为00，则按顺利依次填充第一个星间交叠区进入时刻in_time、第一个星间交叠区离开时刻out_time、第二个星间交叠区进入时刻in_time、第二个星间交叠区离开时刻out_time，直至填充完卫星终端0.5
×
(时刻数)个交叠区的解算结果；如果子类标识为01，则按顺利依次填充第一次跨波束切换时刻handover_time、第二次跨波束切换时刻handover_time，直至填充完解算结果；如果子类标识为11，则先填充星间交叠区时间范围解算时刻，再填充星内波束切换解算时刻。
23.实施例1参阅图5。为卫星终端提供服务的低轨卫星高度为1200km，卫星波束覆盖由8个波束一字排开，运动方向上，每个波束的3db波束宽度为8度，卫星对地覆盖张角为
±
25
°
；卫星终端以60km/h的速度运动，由于卫星波束滑动速度远大于卫星终端运动速度，故在星历应用单元解算中会忽略卫星终端移动速度；卫星终端通过自带导航模块得到当前所在精确位置并转换得到(e102.910
°
，n30.333
°
，h500m)，星历应用单元根据最新的星历数据换算得到卫星s1当前位置(e102.910
°
，n31.901
°
，h1200000m)、卫星s2当前位置(e102.910
°
，n38.088
°
，h1200000m)。
24.经星历应用单元解算卫星终端未来到达位置c1、c2、c3、c4、c5、c6、c7、c8、c9、c10、a、b所需时长预估为：
若当前时刻t0为1时23分11秒120毫秒，则星历应用单元解算得未来第1次到第5次星内波束间切换时刻为未来第一个星间交叠区时间范围为星历应用单元根据解算结果进行接口消息填充。
25.实施例2参考图6。如果生成的接口消息仅传输星内波束切换时刻，则根据消息接口定义填充接口消息为0000111101000101000010101110101011001010110000010101111010100100011111000010110000000101111010000000010110000110000010000001000010110001011100011111110。
26.实施例3参考图7。如果生成的接口消息需同时传输星内波束切换时刻和星间交叠区时间范围情况，则根据消息接口定义填充接口消息为0000111111100101000010110000011010111101101000010110010011100001000110000010101110101011001010110000010101111010100100011111000010110000000101111010000000010110000110000010000001000010110001011100011111110。
27.实施例4参阅图8。基带处理模块收到解算结果消息后，解析得到解算结果，并根据新获取的信息进行异频测量开关控制，当到达1时23分21秒598毫秒时，判断满足当前时刻t0＝1时23分21秒598毫秒与第一次波束间切换时刻handover1_time相等，填充并上报伪测量报告，该伪测量报告内容为邻波束编号s1_b4及信道质量最大值30，卫星/信关站收到该伪测量报告后，发起向邻波束切换流程，卫星终端切换到邻波束s1_b4；当到达1时23分42秒287毫秒时，判断满足当前时刻t0＝1时23分42秒287毫秒与第二次波束间切换时刻handover2_time相等，填充并上报伪测量报告，该伪测量报告内容为邻波束编号s1_b5及信道质量最大值30，卫星/信关站收到该伪测量报告后，发起向邻波束切换流程，卫星终端切换到邻波束s1_b5；当到达1时24分2秒976毫秒时，判断满足当前时刻t0＝1时24分2秒976毫秒与第三次波束间切换时刻handover3_time相等，填充并上报伪测量报告，该伪测量报告内容为邻波束编号s1_b6及信道质量最大值30，卫星/信关站收到该伪测量报告后，发起向邻波束切换流程，卫星终端切换到邻波束s1_b6；当到达1时24分13秒493毫秒时，判断满足当前时刻t0＝1时24分13秒493毫秒在1时24分13秒493毫秒到1时25分14秒70毫秒时间范围内，根据前5s(基带参数配置默认data_time_con＝5s)卫星终端通信链路的信号强度波动情况确定α取值，并调整跨星异频测量门限s_nonintrasearch＝s_nonintrasearch－α
×
(s_nonintrasearch－min_demthreshold)，将测量报告上报条件设置为“当前小区质量低于s_nonintrasearch持续时长大于2秒上报测量报告”，判断异频测量未开启，打开异频测量开关，判断是否触发跨星测量门限，如果没有触发门限，判断也未到达星内波束间切换时刻1时24分24秒129毫秒，则持续监测当前波束信号强度，在到达1时24分24秒129毫秒之前，一
旦触发门限，则执行邻星异频测量过程；卫星终端如果切换到邻星后，星历处理单元针对邻星计算卫星终端当前所在波束向相对运动方向上未经过的相邻波束切换的时刻，并重复上述流程；当到达1时25分14秒70毫秒时，如果卫星终端仍由卫星s1提供服务，则直接填充上报卫星s2波束s2_b3的伪测量报告。
28.以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。