CN110809292B - 一种低轨卫星通信中基于负载均衡的联合切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低轨卫星通信中基于负载均衡的联合切换方法，属于卫星通信切换技术领域。包括：1)判断是否存在过载卫星来决定是否触发切换，并由基于移动用户接收相邻卫星的信号强度，以及相邻卫星负载情况的多属性决策的目标卫星选择选择方法选择合适的目标卫星；2)判断源卫星与目标卫星的参考信号接收功率和参考信号接收质量满足切换触发条件的时间是否大于时间迟滞门限来决定是否触发切换；3)若步骤1)和2)满足切换触发条件，则通过本发明提出的星间切换信令流程执行切换。所述切换方法降低了切换失败率以及掉话率，也在一定程度上降低了乒乓切换发生的概率；且切换完成后，移动用户能够获得较好的服务质量。

Description

一种低轨卫星通信中基于负载均衡的联合切换方法

技术领域

本发明涉及一种低轨卫星通信中基于负载均衡的联合切换方法，尤其涉及一种低轨卫星通信中的切换方法、切换流程以及切换目标卫星的选择方法，属于卫星通信切换技术领域。

背景技术

卫星通信***中切换技术一直是研究的热点，在用户与网络处于连接状态时，由于卫星相对地面快速运动，移动用户原来的服务卫星可能因距离卫星星下点太远导致用户接收信号强度变弱。当移动用户接收到的信号强度不能满足服务要求时，为保证通信的连续，网络就要为用户选择另一颗合适的卫星，并将移动用户切换到该卫星并建立无线连接。若此时不进行切换，移动用户可能会因接收到的信号强度过弱而产生掉话。

卫星通信***切换过程分三个阶段：第一阶段是切换测量，由移动用户(UE)和服务卫星通过测量控制和测量报告的信令交互完成的。第二阶段是切换判决，指的是切换判决方法，在卫星中完成。第三阶段为切换完成阶段，指通过信令交互完成切换的过程，由UE、卫星、地面信关站共同完成。同频切换一般采用基于A3事件的切换方法，当UE测量的邻区信号强度大于当前小区信号强度，且差值大于一定门限值(Hyst)的时候，就会触发A3事件。如果触发A3事件后持续时间大于迟滞门限(TTT)，UE就会向卫星发送A3事件的测量报告，卫星根据测量报告进行切换判决，若满足条件则发起切换，执行整个的切换流程。

由于卫星相对于地面高速的运动，移动用户将面临频繁的波束间以及卫星间的切换，传统的基于A3事件的切换方法已经并不能满足低轨卫星***的要求。在传统的切换方法中仅以参考信号接收限号功率作为判决的条件，忽略了信道变化引起的噪声干扰。例如：当服务卫星RSRP较大，信道噪声也较大时，基于传统的切换方法此时并未发起切换，但受到噪声的影响，通信质量必定较差。另外卫星负载能力有限，传统方法另一明显缺陷就是未能考虑负载均衡的情况，例如当某卫星发生过载时，***未能及时进行负载调整，此时该卫星无线资源不能满足大量用户的需求，便会造成切换失败率和掉话率的提高。而相邻卫星可能接入用户较小，无线资源利用率较低，造成大量的资源浪费。

其中，参考信号接收限号功率，即Reference Signal Receiving Quality，简称RSRP。

传统的切换方法忽略了噪声干扰以及卫星负载均衡的情况，对***的整体性能有不小的影响，因此对传统方法的改进还有着较大的提升空间。本发明正是为了解决上述传统方法的两点缺陷，提出基于卫星负载均衡的联合切换判决方法，并提出了基于卫星负载与移动用户接收信号强度的多属性决策的切换目标卫星选择方法。

发明内容

本发明的目的在于解决传统切换方法未考虑信道噪声干扰和负载均衡无法适用于低轨卫星通信***的技术缺陷，提出了一种低轨卫星通信中基于负载均衡的联合切换方法，实现了基于移动用户接收相邻卫星的信号强度，以及相邻卫星负载情况的多属性决策的目标卫星选择。

所述联合切换方法，包括以下具体步骤：

步骤一：计算各卫星负载情况，判断是否存在过载卫星，若存在过载卫星则进入步骤二，若不存在过载卫星则跳至步骤八；

步骤二：按照过载卫星中移动用户接收到的信号强度由小到大的顺序生成切换用户列表；

步骤三：通过公式(1)计算移动用户接收到相邻卫星的信号强度：

P＝P_t-L_r(d)-L_s(d)-L_f(d)-L_Ra(d) (1)

其中，P_t为相邻卫星的发射功率，P为移动用户接受到的信号强度，L_r(d)为路径损耗，L_s(d)为阴影衰落，L_f(d)为快衰落，L_Ra(d)为雨衰，d为卫星到移动用户的直线距离；

其中，卫星到移动用户的直线距离d的计算过程，包括如下步骤：

3.A通过公式(2)计算卫星覆盖半径R：

R＝R_e·sinθ (2)

其中，R_e为地球半径，θ为地心角；

3.B再通过公式(3)计算卫星到移动用户的直线距离d：

其中，α是星下角，R为卫星覆盖半径；

步骤四：星间负载信息交互，具体为：卫星A向卫星B发送RESOURCE STATUSREQUEST消息触发负载信息交互过程，卫星B通过RESOURCE STATUS UPDATE消息周期性的向卫星A上报负载情况；

至此，通过上述步骤三和步骤四得到了移动用户接收到相邻卫星的信号强度以及相邻卫星的负载情况；

步骤五：以移动用户接收到相邻卫星的信号强度以及相邻卫星的负载情况为变量通过标准差离法计算其权值，再基于优劣解距离法选择最佳切换目标卫星，具体包括如下子步骤：

步骤5.1：通过标准差离法计算权值，假设待切换目标卫星有N个，对移动用户接收到的相邻卫星的信号强度以及相邻卫星的负载情况根据(4)式做标准化处理：

其中，b_ij表示第j颗相邻卫星的第i个变量的标准化处理值，x_ij表示第j颗相邻卫星的第i个变量的值，x_imin表示变量i中的最小值，x_imax表示变量i中的最大值，i＝1,2，j＝1,2,3…N，i＝1对应移动用户接收到相邻卫星的信号强度，i＝2对应相邻卫星的负载情况；

步骤5.2：计算两个变量的均值

其中，N为目标卫星个数；

步骤5.3：计算两个变量的标准差σ_i：

其中，

为步骤5.2计算的两个变量的均值；

步骤5.4：计算两个变量的权重ω_i：

其中，σ_i为(6)式计算得到的两个变量的标准差；

步骤5.5：优劣解距离法计算最佳切换目标，通过公式(8)计算加权后两个变量的值v_ij：

v_ij＝ω_i·b_ij (8)

步骤5.6：计算每颗卫星获取到的参数与最优值和最劣值的欧拉距离：

其中，D_max,j表示相邻卫星参数与最优值的欧拉距离，D_min,j表示相邻卫星参数与最劣值的欧拉距离，V_1,j为移动用户接收第j颗卫星的信号强度，V_1,max为移动用户接收相邻N颗卫星的信号强度的最优值，V_2,j为第j颗卫星的负载情况，V_2,max为相邻N颗卫星负载情况的最优值，V_1,min为移动用户接收相邻N颗卫星的信号强度的最劣值，V_2,min为相邻N颗卫星负载情况的最劣值；

步骤5.7：依据(11)计算各相邻卫星与最优值的相对距离L_j：

其中，D_max,j和D_min,j分别为公式(9)和(10)计算得到的相邻卫星参数与最优值和最劣值的欧拉距离；

步骤5.8：取与最优值相对距离L_j最小的卫星作为切换目标卫星；

步骤六：根据步骤二中生成的切换用户列表以及步骤五中选择的目标卫星，执行星间切换流程，依次将过载卫星中的移动用户切换到相邻的卫星；

步骤七：判断切换后的源卫星与目标卫星是否过载，若仍存在过载情况则进入步骤二，若不存在过载情况则进入步骤八；

步骤八：卫星接收移动用户发的测量报告，并获取源卫星与目标卫星的RSRP，并判断源卫星与目标卫星的RSRP是否满足A3事件的触发条件，若满足条件，跳入步骤十，若不满足条件，跳入步骤九；

其中，A3事件是指当UE测量的相邻卫星的信号强度大于当前服务卫星的信号强度，且差值大于一定门限值的时候，就会触发A3事件。

步骤九：并判断源卫星与目标卫星的RSRQ是否满足A3事件的切换触发条件，若满足条件则进入步骤十，若不满足条件，则跳至步骤八；

其中，RSRQ，即Reference Signal Receiving Quality，为参考信号接收质量；

步骤十：判断RSRP或RSRQ满足条件的时间是否大于时间迟滞门限TTT，若大于TTT，则触发星间切换，否则跳至步骤八；

其中，时间迟滞门限，即Time To Trigger，简称TTT。

有益效果

本发明所述的基于卫星负载均衡的联合切换判决方法与传统的基于A3事件的切换方法相比，具有如下有益效果：

1.所述联合切换方法在切换判决条件中加入了RSRQ，避免了在单一判决条件下由于信道环境变化导致噪声干扰较大，切换不及时，影响通信质量的问题；

2..所述联合切换方法加入负载均衡机制，降低了切换失败率以及掉话率，也在一定程度上降低了乒乓切换发生的概率；

3、所述联合切换方法通过多属性决策目标卫星的选择，综合考虑移动用户接收到目标卫星的信号强度，以及目标卫星的负载，提高了切换成功率；且切换完成后，移动用户能够获得较好的服务质量，在一定程度上降低了卫星发生过载的情况。

附图说明

图1是本发明一种低轨卫星通信中基于负载均衡的联合切换方法所依托的低轨卫星通信***架构图；

图2是本发明一种低轨卫星通信中基于负载均衡的联合切换方法的流程图；

图3是本发明一种低轨卫星通信中基于负载均衡的联合切换方法步骤六与步骤十对应的星间切换流程图；

图4是功率门限参数取1时，传统切换方法与本发明所述切换方法乒乓切换发生概率仿真结果对比图；

图5是功率门限参数取4时传统切换方法与本发明所述切换方法RLF换概率发生仿真结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种基于卫星负载均衡的联合切换判决方法及星间切换流程做进一步说明和详细描述。

实施例1

本实施例叙述了一种低轨卫星通信中基于负载均衡的联合切换方法在低轨卫星通信***中的具体实施，如图1所示，整个低轨卫星通信***分为空间段、地面段、用户段三部分。用户段为各种移动用户；地面段包括***控制中心、网络控制中心、信关站等；空间段由低轨卫星组成，低轨卫星之间通过通信链路进行通信。切换发生在空间段的低轨卫星之间，首先判断是否满足星间切换触发的条件，当满足切换触发条件时，通过本发明所述的多属性决策目标卫星的选择方法选择目标卫星，由移动终端、源卫星、目标卫星以及地面信关站通过信令交互完成切换过程。

星间切换触发的两个条件：

1、计算各卫星的负载情况，若存在过载卫星，则发起切换将过载卫星中接收信号强度较小的用户转移到相邻负载较小的卫星，重复该过程直到不存在过载卫星；

2、部署在低轨卫星上的基站通过地面移动用户上传来的测量报告，获取源卫星与目卫星站RSRP的值，比较源卫星与目标卫星的RSRP是否满足切换方法中切换触发的条件，在“是”的条件下，判断RSRP满足切换触发条件的持续时间是否大于设置好的时间迟滞门限，若持续时间大于TTT则执行切换，在“否”的条件下，比较源卫星与目标卫星的RSRQ是否满足切换方法中切换触发的条件，若RSRQ满足切换触发条件，判断RSRQ满足切换触发条件的持续时间是否大于设置好的时间迟滞门限，若满足则触发切换，否则等待下一次测量报告继续执行该方法流程；

图2为基于负载均衡的联合切换方法的流程图，具体步骤为：

步骤1：计算各卫星负载情况，判断是否存在过载卫星,在“是”的条件下进入步骤2，否则跳入步骤6；

步骤2：根据过载卫星中移动用户接受到的信号强度大小，生成待切换用户列表；

步骤3：根据发明内容中的多属性决策的目标卫星选择方法，选择合适的目标卫星；

步骤4：触发切换，根据步骤2与步骤3中生成的切换用户列表选择合适的目标卫星，执行切换流程，依次将过载卫星中的移动用户切换到相邻的卫星；

步骤5：判断切换后的源卫星与目标卫星是否过载，若仍旧存在过载情况则进入步骤2，直到不存在过载卫星进入步骤6。

步骤6：确定功率门限参数来判定源卫星与目标卫星的RSRP是否满足切换触发条件，确定时间迟滞参数用于判断RSRP与RSRQ满足切换触发条件的持续时间是否满足切换触发条件、接收信号质量门限参数(H)源卫星与目标卫星的RSRQ是否满足切换触发条件。三个参数的设定均是为了防止过早切换而产生乒乓效应；

步骤7：搭载在低轨卫星上的基站向地面移动用户下发“测量控制”消息，移动用户根据“测量控制”消息中的要求进行测量，并将测量结果生成测量报告。测量控制消息包括：测量信令、UE需要测量的量，如参考信号接收功率等，测量报告包含：源卫星标识号、目标卫星标识号、RSRP、RSSI、RSRQ等，其中RSRQ的计算方法如(12)式；

其中N为RSSI的测量带宽中的资源块RB的数量，RSSI是接收信号的强度指示，包括有用信号和干扰信号。

其中，RSSI，即Reference Signal Receiving Quality，为接收信号强度指示；

步骤8：移动用户将测量得到的测量报告上传到卫星；

M_t≥M_s+Hyst (13)

其中M_t为移动用户接收目标卫星RSRP，M_s移动用户接收源卫星的RSRP,Hyst为功率迟滞门限；

步骤9：卫星根据测量报告判断源卫星与目标卫星的RSRP是否满足(13)式的条件，若满足条件，则进入步骤11；若不满足条件，则进入步骤10；

RSRQ_j-RSRQ_i＞H (14)

其中，RSRQ_j为移动用户接收目标卫星RSRQ，RSRQ_i移动用户接收源卫星的RSRQ,H迟滞门限；

步骤10：卫星根据测量报告判断源卫星与目标卫星的RSRQ是否满足(14)条件，若满足条件，则进入步骤11；若不满足条件，则等待下次测量报告；

步骤11：判断源卫星与目标卫星的RSRP与RSRQ满足条件的持续时间是否大于时间迟滞参数；在“是”的条件下，触发切换；反之等待下次测量报告；

图3为星间切换信令流程图，具体步骤如下：

步骤(1)：服务卫星向移动用户下发测量控制消息，要求移动用户进行相关参数的测量；

步骤(2)：移动用户根据测量控制消息完成测量，并上报测量报告；

步骤(3)：服务向相邻卫星发送RESOURCE STATUS REQUEST消息触发负载信息交互过程；

步骤(4)：若相邻卫星能够顺利完成相应的测量，则向服务卫星发送资源状态响应确认消息；

步骤(5)：若相邻卫星未能完成测量，则向服务卫星发送资源状态响应失败消息；

步骤(6)：相邻卫星向服务卫星发送资源状态响应确认消息后，通过RESOURCESTATUS UPDATE消息周期性的向服务卫星上报负载情况；

步骤(7)：服务卫星执行切换判决，判决条件分为两种：a服务卫星是否过载、b服务卫星与目标卫星的RSRP与RSRQ是否满足方法要求的切换条件；

步骤(8)：根据上文提到的多属性决策的目标卫星的选择方法选择合适的目标卫星发起切换请求；

步骤(9)：目标卫星进行接纳控制，判断是否允许移动用户接入该卫星；

步骤(10)：如果目标卫星允许移动用户接入该卫星，则向服务卫星发送切换请求确认消息。

步骤(11)：服务卫星向移动用户发送包含RRC连接重配置消息的切换命令；

步骤(12)：服务卫星发送序列号状态传输消息到目标卫星；

其中，序列号，即Sequence Number，简称SN；

步骤(13)：移动用户从服务卫星中去附着，并执行与目标卫星的同步；

步骤(14)：目标卫星返回移动用户上行资源分配和定时信息；

步骤(15)：移动用户向目标卫星确认切换过程完成；

步骤(16)：目标卫星向信关站发送路径转换请求，告之信关站移动用户切换到了另一颗卫星；

步骤(17)：目标卫星向信关站发送用户平面更新请求，请求将下行的用户面数据路径切换到目标卫星；

步骤(18)：信关站转换下行数据路径，不再向源卫星发送用户面数据，将下行的数据发送到目标卫星；

步骤(19)：信关站向目标卫星发送用户平面更新响应，确认完成用户平面更新；

步骤(20)：信关站向目标卫星发送路径转换请求确认消息，告之目标卫星已完成路径转换；

步骤(21)：目标卫星通知服务卫星释放用户上下文相关的控制平面资源；

步骤(22)：服务卫星收到目标卫星发送的用户上下文释放消息后，释放无线承载以及与用户相关的资源。

为了更好的展现改进后的方法与原方法的对比效果，选取乒乓切换概率与无线链路失效发生概率变化最为明显的功率门限参数进行仿真。两种方法乒乓切换概率对比结果仿真中选取功率门限参数为1dB，在RLF概率对比结果仿真中选取功率门限参数为4dB。得出两种方法乒乓切换发生概率与RLF发生概率的对比结果分别如图4和图5所示。

其中，乒乓效应是指移动用户从源卫星切换到目标卫星后在短时间内又切换回到源卫星，甚至在目标卫星与源卫星之间来回多次切换的情况。无线链路失效，即Radio LinkFailure，简称RLF，是指由于某些原因通信中断的现象，若发起切换过迟使得UE与源卫星间的信号质量过差，便会导致无线链路失效。

图4为改进后的方法与传统方法关于乒乓切换概率的仿真结果对比图，本文在方法的改进中添加了RSRQ以及负载均衡的判断条件，从而降低了乒乓切换发生的概率。由图中结果可以看出改进后的方法相较于传统方法乒乓切换的概率大约降低6-8个百分点。

图5为改进后的方法与传统方法关于RLF概率的仿真结果对比图，两种方法乒乓切换概率对比结果仿真中选取功率门限参数为4dB，本文添加了负载均衡的判决条件，并设计多属性决策的目标卫星的选择方法，在切换目标卫星的选择上综合考虑了接收信号强度以及目标卫星的负载情况，从而避免了目标卫星因过载而造成的拒绝接入，因此能够降低RLF发生的概率，仿真结果也证实了这一点。由图中结果可以看出随着时间迟滞参数的增加，RLF发生的概率也不断提高，改进的方法对RLF发生概率的改善越为明显。在时间迟滞参数取240ms时，RLF的概率最大，此时改进的方法大约能降低17％的RLF发生的概率。

综合上述两点来看，基于卫星负载均衡的联合切换判决方法相较于传统的切换方法同时降低了乒乓切换发生的概率与RLF发生的概率，同时通过负载均衡技术提高了资源利用率，提升了***的整体性能。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种低轨卫星通信中基于负载均衡的联合切换方法，其特征在于：

步骤一：计算各卫星负载情况，判断是否存在过载卫星，若存在过载卫星则进入步骤二，若不存在过载卫星则跳至步骤八；

步骤二：按照过载卫星中移动用户接收到的信号强度由小到大的顺序生成切换用户列表；

步骤三：通过公式(1)计算移动用户接收到相邻卫星的信号强度：

P＝P_t-L_r(d)-L_s(d)-L_f(d)-L_Ra(d) (1)

其中，P_t为相邻卫星的发射功率，P为移动用户接受到的信号强度，L_r(d)为路径损耗，L_s(d)为阴影衰落，L_f(d)为快衰落，L_Ra(d)为雨衰，d为卫星到移动用户的直线距离；

其中，卫星到移动用户的直线距离d的计算过程，包括如下步骤：

3.A通过公式(2)计算卫星覆盖半径R：

R＝R_e·sinθ (2)

其中，R_e为地球半径，θ为地心角；

3.B再通过公式(3)计算卫星到移动用户的直线距离d：

其中，α是星下角，R为卫星覆盖半径；

步骤四：星间负载信息交互，具体为：卫星A向卫星B发送RESOURCE STATUS REQUEST消息触发负载信息交互过程，卫星B通过RESOURCE STATUS UPDATE消息周期性的向卫星A上报负载情况；

至此，通过上述步骤三和步骤四得到了移动用户接收到相邻卫星的信号强度以及相邻卫星的负载情况；

步骤五：以移动用户接收到相邻卫星的信号强度以及相邻卫星的负载情况为变量通过标准差离法计算其权值，再基于优劣解距离法选择最佳切换目标卫星，具体包括如下子步骤：

步骤5.1：通过标准差离法计算权值，假设待切换目标卫星有N个，对移动用户接收到的相邻卫星的信号强度以及相邻卫星的负载情况根据(4)式做标准化处理：

其中，b_ij表示第j颗相邻卫星的第i个变量的标准化处理值，x_ij表示第j颗相邻卫星的第i个变量的值，x_imin表示变量i中的最小值，x_imax表示变量i中的最大值，i＝1,2，j＝1,2,3…N，i＝1对应移动用户接收到相邻卫星的信号强度，i＝2对应相邻卫星的负载情况；

步骤5.2：计算两个变量的均值

其中，N为目标卫星个数；

步骤5.3：计算两个变量的标准差σ_i：

其中，

为步骤5.2计算的两个变量的均值；

步骤5.4：计算两个变量的权重ω_i：

其中，σ_i为(6)式计算得到的两个变量的标准差；

步骤5.5：优劣解距离法计算最佳切换目标，通过公式(8)计算加权后两个变量的值v_ij：

v_ij＝ω_i·b_ij (8)

步骤5.6：计算每颗卫星获取到的参数与最优值和最劣值的欧拉距离：

其中，D_max,j表示相邻卫星参数与最优值的欧拉距离，D_min,j表示相邻卫星参数与最劣值的欧拉距离，V_1,j为移动用户接收第j颗卫星的信号强度，V_1,max为移动用户接收相邻N颗卫星的信号强度的最优值，V_2,j为第j颗卫星的负载情况，V_2,max为相邻N颗卫星负载情况的最优值，V_1,min为移动用户接收相邻N颗卫星的信号强度的最劣值，V_2,min为相邻N颗卫星负载情况的最劣值；

步骤5.7：依据(11)计算各相邻卫星与最优值的相对距离L_j：

其中，D_max,j和D_min,j分别为公式(9)和(10)计算得到的相邻卫星参数与最优值和最劣值的欧拉距离；

步骤5.8：取与最优值相对距离L_j最小的卫星作为切换目标卫星；

步骤六：根据步骤二中生成的切换用户列表以及步骤五中选择的目标卫星，执行星间切换流程，依次将过载卫星中的移动用户切换到相邻的卫星；

步骤七：判断切换后的源卫星与目标卫星是否过载，若仍存在过载情况则进入步骤二，若不存在过载情况则进入步骤八；

步骤八：卫星接收移动用户发的测量报告，并获取源卫星与目标卫星的RSRP，并判断源卫星与目标卫星的RSRP是否满足A3事件的触发条件，若满足条件，跳入步骤十，若不满足条件，跳入步骤九；

其中，A3事件是指当UE测量的相邻卫星的信号强度大于当前服务卫星的信号强度，且差值大于一定门限值的时候，就会触发A3事件；

步骤九：并判断源卫星与目标卫星的RSRQ是否满足A3事件的切换触发条件，若满足条件则进入步骤十，若不满足条件，则跳至步骤八；

步骤十：判断RSRP或RSRQ满足条件的时间是否大于时间迟滞门限TTT，若大于TTT，则触发星间切换，否则跳至步骤八。

2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星通信中基于负载均衡的联合切换方法，其特征在于：RSRQ，即Reference Signal Receiving Quality，为参考信号接收质量；时间迟滞门限，即Time To Trigger，简称TTT。

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