一种低轨卫星网络卫星切换方法

本发明涉及一种低轨卫星网络的卫星切换法，属于卫星通信领域。

背景技术：

1、卫星通信是以通信技术或其他相关技术为基础，将信息通过卫星网络传输，从而实现地面端在任意位置接入通信网络的先进技术。过去对于卫星通信的研究，大多应用于军事方面，当卫星通信技术发展到一定程度后，将不再局限于应用在军事方面，也可以应用应急救灾、紧急通信等民用方面，甚至为全球用户提供卫星通信业务，例如，早期摩托摩拉公司设计的由66颗卫星组成的铱星网络，美国高通和劳拉公司倡导发起的全球星(globalstar)系统。spacex的starlink网络起初是由4425颗分布在1100km高度轨道的leo星座和7518颗分布在340km左右的 vleo(甚低轨)星座构成。2018年底spacex又向fcc提交了修改计划，2019年4月 26日fcc宣布批准spacex调低其宽带星座项目部分卫星轨道的请求。将原1600颗 1150km轨道卫星调整为1584颗550km的轨道卫星。通过降低部分卫星轨道，它所需卫星总数将可减少16颗，并将能让信号时延低至15毫秒。

2、随着5g(5th-generation，第五代通信技术)网络的快速发展，目前所采用的通信技术已逐渐无法适应日益增长的全覆盖的需求，远海、荒漠等地区无信号或通信不稳定等问题日益突出。

3、如今人类的活动范围越来越大，遍布地球的每一个角落，如何随时随地有效地提供通信已经成为一个重要话题。

4、传统地面通信网络存在着覆盖范围有限等不足。天基网络通信如 facebook的无人机wifi计划google的热气球wifi计划等在覆盖范围上相比传统的地面通信网络有了很大的提升，可以有效地解决传统地地面通信网络中存在地这些问题，但是仍然存在着无法实现任意时刻全覆盖的缺点。

5、天基网络通信中，无人机wifi应用最为广泛。无人机wifi是指无人机担当基站的角色，与地面基站不同的是，它具有移动性，并且覆盖范围更大。当无人机安装了太阳能电池板后便能够实现24小时的全天候在航和提供服务，如美国新墨西哥州泰坦航空公司titan aerospace的太阳号50无人机，可在在海拔20千米的高度以太阳能为动力保持连续飞行五年(蜻蜓形状的无人机。新机型两翼将采用太阳能面板充电，其小型号命名为solara50，机翼约164英尺，比普通波音 767稍大。)。该公司所产无人机可通过专业通信设备有效提升网速，在海拔20千米的高度提供wifi接入，从而实现每秒1千兆字节“飞一般”的速度。

6、相比于传统地面网络通信和天基网络通信，卫星通信具有更大的覆盖范围。通过合理地设计卫星网络的轨道面和卫星数量来实现全覆盖。卫星通信还可以用于紧急通信，救灾通信，和天基通信网络一样，应用于多种突发情形。

7、卫星通信的卫星按照其轨道高度可以大致分为三类，低轨道卫星、中轨道卫星、高轨道同步卫星。理论上三颗同步轨道卫星就可以实现地球南北纬55°之间区域的全覆盖，但是通信时延达到百毫秒级别，严重影响通信体验。同时远距离的通信对地面端的发射功率提出了极高的要求，地面大量的业务呼叫也会使得数量不多的同步轨道卫星负载过大。虽然相比于高轨同步卫星，中轨道卫星的通信时延仍然要高出于地面通信网络不少。低轨道卫星本身轨道通信时延在十毫米级别，能够满足人们的日常使用需求。虽然低轨道卫星单星覆盖面积不如中轨道卫星和高轨道同步卫星，但是数量足够多的低轨卫星也能够实现全覆盖，同时卫星数目的增加可以有效地增加接入节点数目，从而增加系统地容量，并且低轨卫星的成本要大大低于中轨道卫星网络和高轨道同步卫星。因此目前主流的卫星通信网络设计方案都是采用低轨道卫星或者低轨道卫星与中高轨道卫星混合进行组网。低轨道卫星的运行速度极快，对地面固定点的持续运行时间较短，需要频繁地进行接入卫星地切换。因而本发明重点研究的是一种低轨卫星网络的卫星切换方法。

8、当地面业务端接入低轨卫星网络或者进行接入卫星地切换时，头顶上方将会有多颗卫星可见，不同卫星的剩余可见时间、用户接入仰角，剩余空闲信道数目是不一样的。地面业务端可以根据这些条件来筛选接入的卫星。由于卫星运行轨迹的可预测性，卫星的剩余可见时间可以通过星历来计算获得。传统的只考虑单一因素的卫星切换策略都是为提升系统的某一方面性能，如最大用户接入角策略是为了尽可能降低通信的时延和提高通信的质量，但是平均切换次数过高，导致切换失败率也较高；最长卫星剩余可见时间策略是为了尽可能降低业务的平均切换次数，但是带来了业务平均时延的增加；卫星最多剩余空闲信道数策略是为了尽可能使业务均匀分布，避免使得单颗卫星信道资源紧张，负荷过大，但是会带来平均切换次数和平均时延的增加。虽然这些策略在单一性能方面都获得了较大的提升，但是都是以忽略其他性能为代价的，使得系统的整体性能不佳。基于多因素加权求和获得卫星品质因数的方法则综合考虑用户接入角大小、卫星剩余可见时长、卫星剩余空闲信道数等因素，相较于只考虑单一因素的卫星切换策略，实现了系统整体性能的均衡提升，但由于不同类型业务具有不同的特征与业务需求，所有业务采用统一加权方式的策略很难获得理想的效果。

技术实现思路

1、为了进一步降低系统的业务接入失败率和切换失败率，提升系统的整体性能，提出了一种低轨卫星网络的卫星切换方法。

2、具体步骤如下：

3、步骤一，设定卫星切换的场景，建立低轨卫星通信系统的模型。对业务进行类型的划分，每种类型所需要的带宽一定，只占用一个信道，所有类型的业务到达服从于泊松分布，业务的类型服从于离散随机分布。每种业务的持续时间服从于泊松分布，不同类型业务的期望持续时间不同。每颗卫星只拥有一个小区。

4、步骤二，为不同类型业务根据自身特点设置不同的加权系数。加权系数采用层次分析法(ahp)生成，根据卫星剩余可见时间、用户接入仰角、卫星剩余空闲信道数目三要素之间彼此重要性的不同生成判断矩阵，从而生成三要素之间的加权系数。同时根据不同类型的业务的不同特征针对特定的要素设定一定的阈值。

5、步骤三，地面端用户根据星历查找此刻头顶可见的卫星，并计算自己与其剩余可见时间和接入仰角信息，并发出接入请求，获得卫星剩余空闲信道数目信息，构建可见卫星接入表。

6、步骤四，在可见接入卫星表中根据业务类型对特定要素的阈值进行筛选，将满足阈值条件的卫星设置为备选接入卫星。若当前时刻所有可见卫星都不满足特定阈值条件，则将阈值要素最佳的卫星设定为备选接入卫星。

7、步骤五，通过归一化计算各备选卫星的品质因子。假设有m颗备选接入卫星，则生成一个行数为m，列数为3的矩阵，3列分别为卫星剩余可见时间、用户接入仰角、卫星剩余空闲信道数目。记此矩阵为a，将归一化处理后的矩阵为b。

8、矩阵a与b中的元素满足如下的关系：

9、

10、步骤六，加权系数乘以归一化的品质因子得到每颗备选卫星的品质因数。地面业务端会优先选择品质因数最大的卫星接入，若无空闲信道时则选择品质因子次最大的卫星接入，若仍然无空闲信道则判定接入失败。

11、本方法的有益效果为：

12、1、本方法综合考虑不同业务类型的卫星选择问题，提出了基于不同类型业务特征的综合加权方案。他使得系统在不同负载下自动调节，增加业务分布均匀度，可以平滑业务量变化时导致的业务失败率的变化，保证了整体性能的均衡性。

13、2、不同类业务的加权系数差异化和针对不同类型业务的特定因素设置阈值使得业务的整体接入失败率和切换失败率得到了明显的降低，获取了更好的系统性能。