CN111262616A - 一种低轨卫星信关站的用户数据切换装置及切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低轨卫星信关站的用户数据切换装置及切换方法，切换装置包括转发策略控制器和下行数据缓存单元，源信关站收到运控中心在HO_T1时间段后切换的消息，测量对应的目标的网络参数，在切换时延参数时间节点之前，对所有UE终端进行切换的GTP‑U报文中的下行IP数据报文，进行组播转发到目标信关站。本发明在信关站上部署的GGSN/PGW/UPF完成数据面DP的组播转发缓存预处理，非常好的解决了因为切换导致数据面DP的带宽/时延/抖动/丢包的问题，同时也大大改进在低轨卫星切换信关站的用户数据报文的时延，提升了用户体验。

Description

一种低轨卫星信关站的用户数据切换装置及切换方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种低轨卫星信关站的用户数据切换装置及切换方法。

背景技术

在当前的低轨卫星(LEO)通信解决方案中，通信制式部分采用蜂窝移动通信技术(基于3GPP标准的蜂窝移动通信规范技术，比如:3G-WCDMA/3G-TD-SCDMA/4G-TDD-LTE/4G-LTEFDD/5G)作为通信本身的实现方式。

其优点一是低轨卫星在地面移动蜂窝式***无法覆盖的区域，比如海洋，原始深林，边远的沙漠，高山等，人类活动稀少的区域，具有无线通信覆盖，弥补地面移动蜂窝式***无法覆盖的上述区域的缺点，作为地面移动蜂窝无线移动通信的非常好的补充。特别是目前民用航空飞行器，在载有大量普通乘客的环境下，进行跨国和跨洲际长途飞行过程，普通乘客无法与地面通信网络进行通信的情况下，LEO通信非常好的解决了该环境下的无线通信。二是，LEO通信采用民用蜂窝通信***作为通信的基本制式，非常友好的解决了与现有移动通信兼容的问题，特别是在核心网(core network，CN)与终端(Use Equipment，UE)实现与公共地面移动蜂窝式***的兼容，两个***之间相互兼容，大大的延伸了无线通信的覆盖范围，增强了低轨卫星LEO***的商业可用行。

在LEO低轨卫星通信***中，与高轨轨卫星或者静止卫星的区别在于：LEO涉及大量地面信关站的切换操作，该信关站之间的切换操作在2000km-5000km之间，并且涉及到跨国的网络传输，势必在网络的带宽/时延/抖动/丢包方面，要进行考虑，特别是在LEO低轨卫星在结合了遵循3GPP规范的蜂窝移动通信3G/4G/5G标准的GGSN/PGW/UPF切换。

根据3GPP规范TS23.501.4.3.5.1，在用户面功能网元UPF(以下简称：UPF)的切换场景中，保持UPF所支持的数据面连续性模型(Session continuity，SSC)，定义了三种场景，SSC mode1/2/3,用来分别满足的用户在不同的场景，UPF切换不同处理模型。

将Mode1/2/3的模型结合附图简单描述如下：

Model1：如图1所示，在3GPP的Release15定义SSC Molel1中，UE终端在注册的5GC核心网中，数据面PDN session建立的时候，UE终端如果采用Model1选择UPF_0的时候，在整个过程中，无论UE终端是否在本地还在在漫游状态，UE终端始终在该UPF_0建立相关的承载。即使UE终端在网络中漫游到多个基站，都是通过该UPF_0处理用户面的数据报文。

Model2：在3GPP的Release15定义SSC Molel2中，UE终端在注册的5GC核心网中，数据面PDN session建立的时候，UE终端如果采用Model2选择UPF_0的时候，在整个过程中，如果UE终端漫游到其他的区域，可以采用新的UPF_1来建立新的承载，首先与UPF_0断开连接，如图2步骤①所示，UE终端根据业务和漫游的需求，与新的UPF_1建立PDN Session连接，如图2步骤②所示，完成UPF数据面DP业务的切换，UE终端用户面的数据业务走UPF_1。

Model3：在3GPP的Release15定义SSC Molel3中，UE终端在注册的5GC核心网中，数据面PDN session建立的时候，UE终端如果采用Model3选择UPF_0的时候，在整个过程中，如果UE终端漫游到其他的区域，可以采用新的UPF_1来建立新的承载，首先与UPF_1建立连接，如图3步骤①所示，UE终端根据业务和漫游的需求，与新的UPF_1建立PDN Session连接，如图3步骤②所示，同时UE终端与原来的UPF_0保持PDN Session连接断开，UE终端用户面数据走UPF_1，在Model3的模型下，UE终端的数据，可以非常好的保持用户数据面连续性。

现有技术的SSC Mode1/2/3在LEO低轨卫星切换时面临的问题在于：

(1)信关站的物理位置与地面2G/3G/4G/5G移动蜂窝式***差别巨大，在低轨卫星通信***中信关站之间的建设，一般都是跨时区，2000km—5000km的物理距离，而普通的地面2G/3G/4G/5G移动蜂窝式***，基站之间的距离一般10km以内，与配套的GGSN/PGW/UPF网元，一般在地市级汇聚局端，大约100km内。

(2)信关站部署式面向全球，面临地域与国家网络隔离

低轨卫星通信***，是面向一个全球化的部署，其地面信关站，按照全球区域的划分，在多个国家完成部署，从目前来看，全球多个国家的物联网出口有管控，对网络的带宽/内容/时延都有限制。

目前基于蜂窝移动通信技术的低轨卫星***中，地面信关站的数据面切换方法中，因为终端区域的变换/不同低轨卫星波束的切换，导致用户从当前的信关站的切换到新的信关站的时延，用户对应的信关站数据面切换也面临的时延/抖动/丢包/带宽/网络关口检查限制等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是解决信关站数据面切换在时延/抖动/丢包/带宽/网络关口检测等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

第一方面，本发明提供一种低轨卫星信关站的用户数据切换装置，设置在信关站核心网***中，包括转发策略控制器和下行数据缓存单元，所述的转发策略控制器预测本信关站GGSN/PGW/UPF到互联网中心的带宽参数，预测本信关站GGSN/PGW/UPF与临近的信关站的GGSN/PGW/UPF通过Gn/S8/N9之间的带宽参数；接受来自运控中心的切换时间预测；所述的下行数据缓存单元存储信关站切换时间表、本信关站与其他***接口的网络参数表，对UE终端数据报文进行预先组播转发与存储。

进一步的，所述的带宽参数包括但不限于带宽、时延、抖动、丢包率。

第二方面，本发明提供一种低轨卫星信关站的用户数据切换方法，包括以下步骤：

步骤1、运控中心将要发生切换的消息发给源信关站、目标信关站、源低轨卫星、目标低轨卫星和源低轨卫星所覆盖区域的UE终端，确定在HO_T1时间段后进行切换操作；

步骤2:源信关站的转发策略控制器收到切换消息后，确定目标信关站的编号，再从信关站切换时延表中，获得目标信关站的切换时延参数N9_Transfer_T；

步骤3:源信关站的转发策略控制器根据切换时延参数N9_Transfer_T的时间，在源信关站下行数据面上，经过HO_T1时间段后，将该信关站下行IP数据报文发送到所覆盖的UE终端设备，进行不同低轨卫星不同波束的切换操作，在切换时延参数N9_Transfer_T时间节点之前，对所有UE终端进行切换的GTP-U报文中的下行IP数据报文，进行组播转发到目标信关站；

步骤4：目标信关站收到来自源信关站的下行IP数据报文，其转发策略控制器根据HO_T1时间段和切换时延参数N9_Transfer_T的时间段，将接收到的下行IP数据报文缓存到其下行数据缓存单元，当UE终端从源低轨卫星的波束切换到目标低轨卫星的波束时候，该下行IP数据报文已经缓存到目标信关站，同时GGSN/PGW/UPF在完成信关站的切换后，GTP会话管理单元已重新建立会话连接,构建UE终端的上下行数据报文的GTP-U数据通道。

进一步的，所述的HO_T1远大于切换时延参数N9_Transfer_T。

第三方面，本发明提供一种低轨卫星信关站，包括测控***、核心网***和对外接口单元，所述的核心网***包括上述第一方面所述的用户数据切换装置。

本发明的有益效果在于：

本发明在LEO低轨卫星上结合3G/4G/5G地面移动蜂窝通信***的条件下，不同LEO低轨卫星的不同波束之间完成切换的场景，在信关站上部署的GGSN/PGW/UPF完成数据面DP的组播转发缓存预处理，非常好的解决了因为切换导致数据面DP的带宽/时延/抖动/丢包的问题，同时也大大改进在低轨卫星切换信关站(IFGS)的用户数据报文的时延，提升了用户体验。

附图说明

图1为现有技术中UPF切换的Model1示意图；

图2为现有技术中UPF切换的Model2示意图；

图3为现有技术中UPF切换的Model3示意图；

图4为基于蜂窝移动通信技术的低轨卫星***架构图；

图5为低轨卫星***中信关站的架构图；

图6为利用本发明的切换装置的低轨卫星***切换卫星的原理图；

图7为本发明的低轨卫星信关站数据面切换的示意图；

图8为本发明的低轨卫星的信关站的用户数据切换方法流程图。

具体实施例

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

实施例一

基于蜂窝移动通信技术的低轨卫星***架构如图4所示，包括：

(1)低轨通信卫星：由卫星载荷，通信转发器，供电***等构成，一般数量在几十到几千颗。

(2)地面信关站，简称：信关站或者关口站。

主要包括：测控***、核心网***和对外接口单元。

测控***由波束控制单元和卫星通信控制单元构成。波束控制单元完成对所控制下的卫星进行波束的管理与控制，将所有的测试与控制信息与运控中心同步，并且接收来自运控中心的卫星波束/卫星运行参数的存储/转发和发送。卫星通信控制单元完成卫星与信关站之间的馈电链路资源管理与控制。

核心网***由3G/4G/5G核心网、用户管理与计费BOSS***、支持4G/5G语音VoLTE/VoNR功能的IMS多媒体子***、核心网设备的网络管理NMS***等构成。

3G***包括：MSC/SGSN/GGSN/HLR

4G***包括：MME/HSS/SGW/PGW/PCRF

5G***包括：AMF/SMF/UPF/UDM/AUSF/PCF

IMS***包括：P/I/S-CSCF/AS/BGCF/TMG/MGW/SMSC

BOSS***包括：BILLING/CRM

NMS***包括：各个网元的网关模块集成。

对外接口单元，包括与其他信关站通信的A1接口、与运控中心通信的A2接口、与其他运营商网络2G/3G/4G/5G网络或者PSTN网络通信的A3接口、与互联网连接的A4接口等。

(3)运控中心，是整个低轨卫星通信的核心***，负责整个***的状态监控。由综合运控、卫星状态、卫星测控、通信网络状态等基本子***构成。

在不同卫星不同波束的切换场景下，因为相邻信关站之间的物理距离大致在2000km-5000km，数据面的切换在这样的长物理距离切换，若按照基于3GPP普通蜂窝移动通信切换在数据面(DP)的切换处理过程，即使采用5G核心网UPF数据面的连续处理模型SSC3，也无法达到一个预期的效果。

本发明在切换的时间段中，通过在上述信关站的核心网***中增加转发策略控制器(FPC),来预先计算切换过程时延，在2000km-5000km的切换场景中，数据面(DP)预先转发组播的方法，达到用户数据面(DP)切换预处理，实现低时延/低抖动/少丢包的感知和平滑切换。

本发明的一种低轨卫星信关站的用户数据切换装置，就是在核心网***中增加转发策略控制器(FPC)和下行数据缓存单元(DDC)，5G数据面GGSN(网关GSN)/PGW(PDN网关)/UPF(用户面功能网元)切换时候，下行数据缓存单元(DDC)对UE终端数据报文进行预先组播转发与存储。

转发策略控制器(FPC)主要的功能包括：

(a)预测本信关站GGSN/PGW/UPF到互联网中心的出口带宽参数，带宽参数包括但不限于带宽BandWidth(BW)、时延Delay(Delay)、抖动Jitter(Jiitter)、丢包率Loss(Loss)等。

(b)预测本信关站GGSN/PGW/UPF与临近的信关站的GGSN/PGW/UPF通过Gn/S8/N9网络接口之间的带宽BandWidth(BW)、时延Delay、抖动Jitter、丢包率Loss。

(c)接受来自运控中心的切换时间预测。

信关站的下行数据缓存单元(DDC)中存有信关站切换时延表，如表1所示，Next_IFGS_No为目标信关站的编号，CP_HO_T表示控制面切换时间，DP_HO_T表示用户数据面切换时间，N9_Transfer_T表示源信关站的数据报文转发到目标信关站所需的时间。

表1

在本发明的低轨卫星信关站中增加的转发策略控制器(FPC)和下行数据缓存单元(DDC)，周期性的检测与A1、A2、A3、A4接口之间的通信带宽(BW)/时延(Delay)/抖动(Jitter)/丢包(loss)等网络参数。在收到来自运控中心的切换指令后，源信关站(S_IFGS)的转发策略控制器(FPC)，根据信关站的各个接口网络情况参数，如表2，选择其中一个信关站作为目标信关站。

表2

实施例二

本实施例提供一种低轨卫星信关站的用户数据切换方法，基于实施例一的低轨卫星信关站来实现。

首先介绍一下具有蜂窝移动通信技术的低轨卫星通信***其切换过程：

低轨卫星在太空中一般是呈高速运行状态，按照一定的轨道运行，在低轨卫星结合了移动通信***后，相对地面移动蜂窝式通信***，在切换方面，有非常大的区别，低轨卫星通信切换情况包括：UE终端的位置变换/低轨卫星之间不同波束的变换，切换涉及到源低轨卫星和目标低轨卫星检查与判决，信关站的检测与判决，运控中心的检测与判决，以及UE终端用户与低轨卫星链路的传输时间/低轨卫星与信关站直接的馈电链路之间时间，其切换过程相对地面移动蜂窝式通信***在检测过程，决策复杂度大幅度增加，操作过程涉及更多的条件。综合所有上述情况，低轨卫星通信***，切换归结两大类：

(1)同一低轨卫星内不同波束之间的切换

在同一低轨卫星上，一般地设计是，在低轨卫星载荷上，有多个转发器和多个波束构成，为此将有多个基带池来支持多波束的转发和大用户的并发处理。因此在同一个低轨卫星中，涉及到同一个基带资源的切换和不同基带之间的切换。

a)同一个基带资源的切换

在同一个低轨卫星中，一个波束属于一个无线基站基带，在该场景切换，基础不需要处理，对应信关站的核心网的GGSN/PGW/UPF数据面DP也无需做处理，仅仅低轨卫星载荷完成不同波束之间的切换。

b)不同基带之间的切换

在同一个低轨卫星中，多个波束属于一个无线基站基带，一个低轨卫星有多个无线基站基带，那么波束之间的切换，涉及到不同基带之间的不同波束之间的切换，那么不同基带之间的切换，按照标准的切换流程完成，同时对应信关站中的核心网***，完成不同基带之间切换的流程支持。该方式中，因为不涉及GGSN/PGW/UPF数据面的通道信关站的变换，对实际的影响不大。

(2)不同低轨卫星不同波束之间的切换

不同低轨卫星之间的不同波束切换，涉及到不同波束、不同基带、不同信关站之间切换，因为不同临近信关站之间的物理距离2000km-5000km，信关站上的核心网***GGSN/PGW/UPF的用户数据面DP的时延等，是本发明所要解决的问题。

在本发明的数据切换方法中，源低轨卫星(S_LEO)、目的低轨卫星(T_LEO)、源信关站(S_IFGS)、目的信关站之间(T_IFGS)、所覆盖的UE终端用户收到来自运控中心的切换指令，准备进行不同低轨卫星之间的切换，源信关站(S_IFGS)的核心网***的转发策略控制器TFC，根据切换HO_T1时间，发起与目的信关站(T_IFGS)之间的时间检测，获得数据报文转发到目标信关站(T_IFGS)的时间参数N9_Transfer_T，在该时刻，源信关站(S_IFGS)的转发策略控制器FPC开始将其核心网的GGSN/PGW/UPF的用户数据面DP报文组播到目的信关站(T_IFGS)的转发策略控制器FPC，目的信关站(T_IFGS)的转发策略控制器FPC收到来自源信关站(S_IFGS)的GGSN/PGW/UPF用户数据面DP的数据报文，根据HO_T1时间计算，将该数据报文存储在下行数据缓存单元。当HO_T1时间到之后，源低轨卫星(S_LEO)、目的低轨卫星(T_LEO)之间的不同波束完成切换后，所在的UE终端用户，重新请求用户数据面的下行数据报文，目的信关站(T_IFGS)的转发策略控制器FPC将在下行数据缓存单元的UE终端用户的下行数据报文按照基带口空网络报文进行封装，发送刚切换过来的UE终端用户。

在该场景中，特别是为不同卫星/不同波束提供基带服务的基带处理单元，在切换处理过程，与3GPP定义的过程有非常大的差别，因为该场景下基带在不同信关站，对应的核心网***在不同的信关站，特别是信关站的核心网数据面单元GGSN/PGW/UPF处理的流程，是跨信关站的过程，无论是在UPF中定义的SSC1/2/3模式，均无法支持在该场景下的数据面切换，让UE终端用户在应用的时候无感知。

本发明将不同低轨卫星不同波束之间的切换，UE终端用户数据面DP延迟N9_Transfer_T提前，大大提升了用户的体验，减少了用户对低轨卫星切换的感知。

在本场景中，因为涉及到不同卫星、不同波束、不同基带、不同信关站的之间的切换，从空口的卫星馈电链路、用户链路、基带与信关站的核心网之间接口等。

如图7所示，UE终端设备通过当前信关站0所连接的基带下的低轨卫星1(S_LEO)波束进行连接。当为该UE终端设备提供服务的低轨卫星1(S_LEO)因为运动轨迹的原因或者UE自身的运行而物理位置变换，UE终端要进行不同低轨卫星之间的波束切换，从低轨卫星1(S_LEO)的波束n,切换到低轨卫星2(T_LEO)波束m。发生本次切换的有2种情况：

(a)因为低轨卫星的运动轨迹变换，发生所覆盖接入UE终端的切换。

(b)因为UE终端的移动位置变换，发生本UE终端的切换。

其主要切换流程如图8所示，切换步骤如下：

步骤1、运控中心将要发生切换的消息发给源信关站(S_IFGS)、目标信关站(T_IFGS)、源低轨卫星0(S_LEO)、目标低轨卫星0(T_LEO),以及源低轨卫星1(S_LEO)所覆盖区域的UE终端，确定在HO_T1时间段后进行切换操作。

步骤2:源信关站(S_IFGS)的转发策略控制器单元FPC收到切换消息后，确定目标信关站(T_IFGS)的编号No，再从信关站切换时延表中，获得目标信关站的切换时延参数CP_HO_T，DP_HO_T，N9_Transfer_T。

步骤3:源信关站(S_IFGS)的PFC根据N9_Transfer_T时间，在源信关站(S_IFGS)下行数据面(DP)上，经过HO_T1时间段后，将该信关站下行IP数据报文发送到所覆盖的UE终端设备，进行不同低轨卫星不同波束的切换操作，在N9_Transfer_T时间节点之前，对所有UE终端进行切换的GTP-U报文中的下行IP数据报文，进行组播转发到目标信关站(T_IFGS)。

在本场景要求时延条件：HO_T1>>CP_HO_T，DP_HO_T，N9_Transfer_T。

步骤4：目标信关站(T_IFGS)收到来自源信关站(S_IFGS)的下行IP报文数据，其转发策略控制器FPC，根据HO_T1切换时间和N9_Transfer_T时间(HO_T1>>N9_Transfer_T)，对从源信关站(S_IFGS)转发的下行数据缓存到下行数据缓存单元，当UE终端从低轨卫星0(S_LEO)的波束n切换到低轨卫星1(T_LEO)的波束m时候，该UE下行数据报文已经缓存到完成切换的目标信关站(T_IFGS)，同时GGSN/PGW/UPF在完成信关站的切换后，GTP会话管理单元，重新建立Session,获取行的APN,构建UE的上下行数据报文的GTP-U数据通道。

上述的方法，将有效降低了在切换过程中，用户数据包从从一个源信关站的GGSN/PGW/UPF的数据面(DP)到另外要给目标信关站数据面的时间N9_Transfer_T，使之在HO_T1时间完成不同低轨卫星的波束切换后，有效的减少切换过程中数据面(DP)的时延，大大提升了用户的无感知。本发明的方案，解决了在不同低轨卫星的不同波束之间切换场景下，数据面处理单元在3G/4G/5G无线网络制式下GGSN/PGW/UPF的处理方法。本方法是在每个信关站中增加转发策略装置器(FPC)和下行数据缓存单元(DDC)，达到不同低轨卫星不同波束之间的数据面(DP)平滑切换的效果。

以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低轨卫星信关站的用户数据切换装置，其特征在于：设置在信关站核心网***中，包括转发策略控制器和下行数据缓存单元，所述的转发策略控制器预测本信关站GGSN/PGW/UPF到互联网中心的带宽参数，预测本信关站GGSN/PGW/UPF与临近的信关站的GGSN/PGW/UPF通过Gn/S8/N9网络接口之间的带宽参数；接受来自运控中心的切换时间预测；所述的下行数据缓存单元存储信关站切换时间表、本信关站与其他***接口的网络参数表，对UE终端数据报文进行预先组播转发与存储。

2.根据权利要求1所述的一种低轨卫星信关站的用户数据切换装置，其特征在于：所述的带宽参数包括但不限于带宽、时延、抖动、丢包率。

3.一种低轨卫星信关站的用户数据切换方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、运控中心将要发生切换的消息发给源信关站、目标信关站、源低轨卫星、目标低轨卫星和源低轨卫星所覆盖区域的UE终端，确定在HO_T1时间段后进行切换操作；

步骤2:源信关站的转发策略控制器收到切换消息后，确定目标信关站的编号，再从信关站切换时延表中，获得目标信关站的切换时延参数N9_Transfer_T；

步骤3:源信关站的转发策略控制器根据切换时延参数N9_Transfer_T的时间，在源信关站下行数据面上，经过HO_T1时间段后，将该信关站下行IP数据报文发送到所覆盖的UE终端设备，进行不同低轨卫星不同波束的切换操作，在切换时延参数N9_Transfer_T时间节点之前，对所有UE终端进行切换的GTP-U报文中的下行IP数据报文，进行组播转发到目标信关站；

步骤4：目标信关站收到来自源信关站的下行IP数据报文，其转发策略控制器根据HO_T1时间段和切换时延参数N9_Transfer_T的时间段，将接收到的下行IP数据报文缓存到其下行数据缓存单元，当UE终端从源低轨卫星的波束切换到目标低轨卫星的波束时候，该下行IP数据报文已经缓存到目标信关站，同时GGSN/PGW/UPF在完成信关站的切换后，GTP会话管理单元已重新建立会话连接,构建UE终端的上下行数据报文的GTP-U数据通道。

4.根据权利要求3所述的一种低轨卫星信关站的用户数据切换方法，其特征在于：所述的HO_T1远大于切换时延参数N9_Transfer_T。

5.一种低轨卫星信关站，包括测控***、核心网***和对外接口单元，其特征在于：所述的核心网***包括权利要求1所述的用户数据切换装置。

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