CN112821939A - 一种低轨卫星通信***中的位置管理方法 - Google Patents

一种低轨卫星通信***中的位置管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低轨卫星通信***中的位置管理方法，属于低轨卫星通信领域。该方法包括：位置更新，在用户终端具有自主定位能力的***中，当需要进行位置更新的时候，用户终端通过定位***获取自己的地理位置信息，选择一颗合适的卫星及波束，将位置更新信息发送到卫星，卫星或通过星间链路将该信息转发至地面信关站的位置管理数据库；位置寻呼，当有寻呼到达时，地面信关站通过卫星及波束确定算法，将寻呼信息发送至被呼用户，完成寻呼。本发明平衡了位置更新开销和位置寻呼开销，最大限度地减少了位置管理总开销。

Description

一种低轨卫星通信***中的位置管理方法
技术领域
本发明属于低轨卫星通信领域，涉及移动性管理中的位置管理，位置更新及位置寻呼，例如寻呼卫星及寻呼波束的确定，通过确定寻呼卫星和波束，对被呼用户进行位置寻呼。
背景技术
低轨(Low Earth Orbit,LEO)卫星通信***是未来空天地一体化网络的重要组成部分，是当前及未来移动通信领域研究的热点。低轨卫星的轨道高度一般在200～2000km，单颗卫星对地覆盖时间短，大约在10分钟左右。移动性管理是移动通信领域的一个具有挑战性的问题，它主要包括：切换管理和位置管理。位置管理涉及是否可以成功寻呼，在移动性管理中具有举足轻重的作用。
位置管理包括两个方面，位置更新(Location Update)和位置寻呼(Paging)。位置更新是指用户向***上报自己的位置信息，***进行登记存储；位置寻呼指的是***将主叫用户的寻呼消息成功地传递给被呼用户，实现两者之间通信的建立。位置管理涉及到网络处理能力和网络通信能力。网络处理能力涉及到数据库的大小、查询的频度和响应速度等；网络通信能力涉及到传输位置更新和查询信息所增加的业务量和时延等。一个设计良好的位置管理策略可以有效地降低***开发和信令成本，减少终端用户的能量消耗，显著提高***性能。如何实现较高寻呼成功率，减少寻呼时延，平衡位置更新与位置寻呼的总开销是位置管理研究的主要问题。
目前，对于低轨卫星网络中的位置管理方面，大多数研究在于终端无自主定位能力，无星上处理能力，采用透明转发方式的，多地面信关站的***。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种低轨卫星通信***中的位置管理方法，针对具有自主定位能力的用户终端，卫星具有星上处理能力，单地面信关站的低轨卫星通信***(也适应于多信关站)，平衡位置更新开销和位置寻呼开销，最大限度减少位置管理总开销。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种低轨卫星通信***中的位置管理方法，包括：
1)位置更新
在用户终端具有自主定位能力的***中，当需要进行位置更新的时候，用户终端通过定位***获取自己的地理位置信息，选择一颗合适的卫星及波束，将位置更新信息发送到卫星，卫星(或通过星间链路)将该信息转发至地面信关站的位置管理数据库；
2)位置寻呼
当有寻呼到达时，地面信关站通过卫星及波束确定算法，将寻呼信息发送至被呼用户，完成寻呼。
进一步，所述位置更新具体包括：
(1)用户终端向***上报自己的位置信息，其触发仅在于是否满足位置更新触发条件，而与用户所处在哪颗卫星、哪个波束没有关系；
(2)卫星在收到用户终端的位置更新请求之后，判断信令的类型和自身的状态；若自身与地面信关站直接连接，则直接发送至地面信关站模块，由地面信关站模块转发至地面运控中心；若自身并没有和地面信关站相连接，则查找与地面信关站相连的最近一颗卫星，发送至星际路由模块，并通过星间最小跳数原则进行星间路由；
(3)地面运控中心在收到用户终端的位置更新请求之后，将用户的地理位置信息进行存储，并给用户终端发送一个位置更新反馈；该反馈沿着原位置更新请求路由线路的相反方向逐次传递，以减少***的处理次数，减轻***负担；
(4)用户终端在收到地面运控中心的反馈之后，调整自己的状态为已进行位置更新状态，并将此刻的位置作为用户的初始位置点，同时将自己的计时器清0。
进一步，用户终端在发起一次位置更新之后，隔一个时间间隔之后，若没有收到来自***的位置更新完成反馈，则再发起一次位置更新；若收到来自***的位置更新反馈消息，则调整自己的位置更新状态为已完成位置更新状态。
进一步，用户终端自身地理位置信息的动态位置区划分方法，具体为：用户终端超出了自己的位置更新半径R，或者超过强制更新时间，达到两个条件其中的一个条件，用户终端都将发起位置更新请求。
进一步，所述位置寻呼具体包括：
(1)用户终端向***发送自己的寻呼请求；
(2)卫星收到终端的寻呼请求，若有资源供分配，则给用户终端分配信道资源并发送应答消息，同时将寻呼消息发送至地面运控中心(与位置更新相同)；
(3)若用户终端未收到卫星的信道分配消息，则选择一颗新的卫星，并跳转至(1)；
(4)地面运控中心收到寻呼消息，根据寻呼消息和卫星及点波束确定算法将此寻呼消息发送至被呼用户终端所在卫星及波束；
(5)被呼用户终端收到寻呼消息，给***一个反馈；若***未收到反馈，则进行二次寻呼。
进一步，所述二次寻呼包括：若一次寻呼失败，则再在前次寻呼波束的周围一圈的波束进行寻呼。
进一步，卫星及点波束确定算法，具体包括：通过计算距离得到卫星及用户终端的位置；通过转换坐标系求出用户终端相对于被呼卫星的方位角，然后确定最有可能寻呼成功的波束，该方法将传统的寻呼范围从地面的位置区转移到了多波束卫星的波束。
进一步，在确定了寻呼卫星之后，得到寻呼卫星的经纬度，根据卫星和用户的地理信息，计算出用户终端相对于被呼卫星的方位角θ为：
Figure BDA0002898379540000031
Δλ＝λ2-λ1
其中，λ2为用户的经度，λ1为卫星的经度，
Figure BDA0002898379540000032
为用户的纬度，
Figure BDA0002898379540000033
为卫星的纬度。
进一步，适用于所述位置管理方法的卫星通信***，该***包括：
具有信令处理能力的M颗卫星，其中M≥1；
具有定位功能的用户终端；
N个地面信关站，地面信关站同一时刻仅与一颗卫星相连，各地面信关站之间通过有线链路连接，N≥1；
一个地面运控中心，位置管理数据库设置于运控中心，所有的地面信关站都与运控中心通过有线链路连接，位置更新和位置寻呼的信令都发送到运控中心进行处理。
本发明的有益效果在于：
1)本发明能够基于用户自身位置信息进行动态位置区划分，用户具有自主定位的能力：用户可以通过全球定位***知道自己的经纬度信息。
2)本发明提出了一种基于终端自身地理位置信息的动态位置区划分，在该位置区划分方法下，终端超出了自己的位置更新半径R，或者终端超过一定的时间(强制更新时间)未更新，达到两个条件其中的一个条件，终端都将发起位置更新请求。
3)本发明提出了通过计算距离求寻呼卫星的方法，得到卫星及用户的位置，通过转换坐标系求出用户相对于被呼卫星的方位角，然后确定最有可能寻呼成功的波束，该方法将传统的寻呼范围从地面的位置区转移到了多波束卫星的波束。
4)本发明提出了一种位置更新方法，具有自主定位能力的终端用户，在进行位置更新时，将自己的经纬度信息上报至地面站，地面站位置信息数据库进行存储更新。
5)本发明提出了一种寻呼流程与方法，更新计算好的卫星及点波束进行寻呼，如果未寻呼到，则在寻呼波束的周围波束内同时发起寻呼。
6)本发明的位置管理方法平衡了位置更新开销和位置寻呼开销，最大限度地减少了位置管理总开销。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1是低轨卫星通信***示意图；
图2是基于用户地理位置信息的动态位置区划分；
图3是多波束卫星48点波束示意图；
图4是被呼用户与地球之间的距离示意图；
图5是用户方位角示意图；
图6点波束确定流程图；
图7是低轨卫星位置更新流程图；
图8是用户判断是否进行位置更新图；
图9是用户越过更新半径示意图；
图10是低轨卫星位置寻呼流程图；
图11是多波束卫星寻呼示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，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发明的其他优点与功效。本发明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，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，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。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参阅图1～图11，图1所示为低轨卫星通信***，对卫星运行到某时刻的位置有比较精确的计算能力，例如，计算某时刻，某卫星运行到哪个位置，其地理位置信息如何。该***具有：
至少一颗卫星，卫星具有一定的星上处理能力，卫星除了第一轨道和最后一个轨道之外，其他轨道面上的卫星具有前后左右四条星间链路，卫星具有一定的信令处理能力；
用户终端，支持北斗等导航***，其可以自己定位自己的经纬度；
至少一个地面信关站，地面信关站同一时刻仅与一颗卫星相连，各信关站之间通过有线链路连接；
地面运控中心只有一个，位置管理数据库设置于运控中心，所有的信关站都与运控中心通过有线链路连接，位置更新和位置寻呼的信令都要发送到运控中心进行处理。
图2显示了基于用户地理位置信息的动态位置区划分，当用户自身越过了自己的位置更新半径或者计时器到了强制更新时间，就发起一次位置更新，例如，某用户的位置更新半径为R，过了某段时间之后，用户此刻的位置距离上次更新的距离超过了R，此时的用户需要发起一次位置更新，并将自己的计时器更新，此刻的位置信息作为初始位置信息。
图3是多波束卫星48点波束示意图，首先在STK中做覆盖特性仿真建模，然后在OPNET中用EMA建模的方法实现。
图4是被呼用户与地球之间的距离示意图，知道地球上两个点的经纬度，根据经纬表的含义，计算出这两个点之间的弧线距离。
设用户处于A，经度为lon_A,纬度为lat_A,卫星处于S经度为lon_i,纬度为lat_i,卫星的经纬度和星下点经纬度相同，R是地球半径，引入中间变量α，β，γ，θ，Di为用户与卫星的距离。则有：
Figure BDA0002898379540000061
Figure BDA0002898379540000062
Figure BDA0002898379540000063
利用三角函数及其推导公式，可得
cosθ＝sinαsinγ+cosαcosβcosγ
Di＝R×arccos(sinαsinγ+cosαcosβcosγ)
图5是用户方位角示意图，在两个点之间，求一个点相对于另一个点的方位角，其中，方位角指的是这两个点的连线与相对点指向北极的方向所形成的角。
图6点波束确定流程图，此为确定被呼用户所在点波束的流程图，在确定了寻呼卫星之后，得到了寻呼卫星的经纬度，根据卫星和用户的地理信息，计算出用户相对于寻呼卫星的方位角为：
Figure BDA0002898379540000064
Δλ＝λ2-λ1
其中，λ2为用户的经度，λ1为卫星的经度，
Figure BDA0002898379540000065
为用户的纬度，
Figure BDA0002898379540000066
为卫星的纬度。
在计算得出了寻呼卫星和用户方位角之后，根据图6所示的点波束确定流程选定一个波束作为寻呼波束，其中，D1，D2，D3的大小与具体的波束设计有关。
图7是低轨卫星位置更新流程图，所示为用户的位置更新流程。
采用动态位置更新方案，其位置更新流程如图所示，其位置更新步骤如下：
Step0：用户开机；
Step1：卫星的波束模块以一定的频率向地面发送导频信息；
Step2：用户终端在收到卫星的导频信息之后，以一定的准则(最强信号、最大仰角等)选择一个卫星波束进行位置更新；
Step3：卫星波束模块收到用户终端的位置更新信息，转发至卫星的中央处理器；
Step4：卫星的中央处理器将对该信令进行处理并查看是否与地面信关站直接连接；若与地面信关站直接连接，则将该信令发送至地面信关站；若没有与地面信关站直接连接，则通过星级链路将该信令发送至与地面信关站相连的卫星，与地面信关站相连的卫星把该信令转发至地面信关站；
Step5：地面信关站收到来自用户终端的位置更新信令，转发至运控中心；
Step6：地面运控中心对用户终端的位置更新信令处理，若数据库中无此用户终端，则存储该用户终端信息；若有，则更新；
Step7：存储、更新完成之后，***将对该用户终端的位置更新发送一个反馈信息告知用户终端已完成位置更新；
Step8～9：位置更新反馈信令将原路返回至用户终端；
Step10：用户终端在收到位置更新反馈之后，将自己的更新状态调整为已更新状态，并每隔一定的时间检查一次自己的状态，查看是否需要发起新的位置更新，至此，用户终端完成一次位置更新。
在Step10中，若由于一些原因，用户终端在一定的时间间隔后没有收到来自运控中心的反馈信令，则重新发起一次位置更新，直到收到位置更新反馈。
图8是终端用户判断是否进行位置更新图，用户众终端进行位置更新的依据：终端用户超出了自己的位置更新半径R，或者超过强制更新时间，达到两个条件其中的一个条件，用户终端都将发起位置更新请求，满足其中一个即发起位置更新。
图9是终端用户越过更新半径示意图。
图10是低轨卫星位置寻呼流程图，所示为用户的位置寻呼流程。
假设主叫用户的服务卫星为A，被叫用户的服务卫星为B，则寻呼流程如下步骤：
Step0：用户摘机，准备发起寻呼，选择一个合适的卫星上报自己的请求；
Step1：卫星收到请求，若自身的状态(信道是否可以分配、波束是否要即将关闭等)满足该用户的请求，则发送确认消息；若不满足，则发送资源不可用消息；
Step2：主叫用户发起呼叫，并在确认的卫星及波束内进行上报请求；
Step3：卫星给主叫用户分配一个信道；
Step4：卫星收到用户的呼叫，若该卫星与信关站直接连接，将此信息传递至地面信关站，若不是，则查看哪颗卫星与地面信关站连接，并将此消息通过星间链路传送至于地面信关站连接卫星；
Step5：地面信关站收到主叫用户的呼叫请求，将其转发至地面运控中心，运控中心处理该请求，通过卫星及波束算法选定寻呼卫星及波束，并选用一种寻呼策略(广播寻呼、一次寻呼、二次寻呼、多波束同时寻呼等)，将寻呼发出；
Step6：地面运控中心将寻呼消息发送至确定的寻呼卫星；
Step7：给被呼用户分配信道；
Step8：在确定的寻呼波束内发起寻呼；
Step9：若被呼用户收到来自地面运控中心的寻呼，给地面运控中心发送一个确认消息，用以告知地面运控中心收到了来自的地面运控中心的寻呼请求；
Step10：被叫用户在完成Step5之后，给主叫用户发送信息，表明收到了主叫用户的请求，可以建立通信链路，至此，一个寻呼完成。
其中，在Step2之后的计时器之内，若没有收到被叫用户的反馈，则表明第一次寻呼失败，***将根据采用寻呼策略的不同采取不同的应对措施，如采用二次寻呼策略，***将在第一次确定的寻呼波束的周围同时发起寻呼。
图11是多波束卫星寻呼示意图，若在第一寻呼失败之后，在其周围的一圈进行二次寻呼，例如，当在5号波束未寻呼到被呼用户时，将在1、2、4、6、14、15号波束同时发起寻呼。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种低轨卫星通信***中的位置管理方法，其特征在于，该方法包括：
1)位置更新
在用户终端具有自主定位能力的***中，当需要进行位置更新的时候，用户终端通过定位***获取自己的地理位置信息，选择一颗卫星及波束，将位置更新信息发送到卫星，卫星或通过星间链路将该信息转发至地面信关站的位置管理数据库；
2)位置寻呼
当有寻呼到达时，地面信关站通过卫星及波束确定算法，将寻呼信息发送至被呼用户，完成寻呼。
2.根据权利要求1所述的位置管理方法，其特征在于，所述位置更新具体包括：
(1)用户终端向***上报自己的位置信息；
(2)卫星在收到用户终端的位置更新请求之后，判断信令的类型和自身的状态；若自身与地面信关站直接连接，则直接发送至地面信关站模块，由地面信关站模块转发至地面运控中心；若自身并没有和地面信关站相连接，则查找与地面信关站相连的最近一颗卫星，发送至星际路由模块，并通过星间最小跳数原则进行星间路由；
(3)地面运控中心在收到用户终端的位置更新请求之后，将用户的地理位置信息进行存储，并给用户终端发送一个位置更新反馈；该反馈沿着原位置更新请求路由线路的相反方向逐次传递；
(4)用户终端在收到地面运控中心的反馈之后，调整自己的状态为已进行位置更新状态，并将此刻的位置作为用户的初始位置点，同时将自己的计时器清0。
3.根据权利要求1或2所述的位置管理方法，其特征在于，用户终端在发起一次位置更新之后，隔一个时间间隔之后，若没有收到来自***的位置更新完成反馈，则再发起一次位置更新；若收到来自***的位置更新反馈消息，则调整自己的位置更新状态为已完成位置更新状态。
4.根据权利要求1或2所述的位置管理方法，其特征在于，用户终端自身地理位置信息的动态位置区划分方法，具体为：用户终端超出了自己的位置更新半径R，或者超过强制更新时间，用户终端都将发起位置更新请求。
5.根据权利要求1所述的位置管理方法，其特征在于，所述位置寻呼具体包括：
(1)用户终端向***发送自己的寻呼请求；
(2)卫星收到终端的寻呼请求，若有资源供分配，则给用户终端分配信道资源并发送应答消息，同时将寻呼消息发送至地面运控中心；
(3)若用户终端未收到卫星的信道分配消息，则选择一颗新的卫星，并跳转至(1)；
(4)地面运控中心收到寻呼消息，根据寻呼消息和卫星及点波束确定算法将此寻呼消息发送至被呼用户终端所在卫星及波束；
(5)被呼用户终端收到寻呼消息，给***一个反馈；若***未收到反馈，则进行二次寻呼。
6.根据权利要求5所述的位置管理方法，其特征在于，所述二次寻呼包括：若一次寻呼失败，则再在前次寻呼波束的周围一圈的波束进行寻呼。
7.根据权利要求5所述的位置管理方法，其特征在于，卫星及点波束确定算法，具体包括：通过计算距离得到卫星及用户终端的位置；通过转换坐标系求出用户终端相对于被呼卫星的方位角，然后确定最有可能寻呼成功的波束。
8.根据权利要求7所述的位置管理方法，其特征在于，在确定了寻呼卫星之后，得到寻呼卫星的经纬度，根据卫星和用户的地理信息，计算出用户终端相对于被呼卫星的方位角θ为：
Figure FDA0002898379530000021
Δλ＝λ2-λ1
其中，λ2为用户的经度，λ1为卫星的经度，
Figure FDA0002898379530000022
为用户的纬度，
Figure FDA0002898379530000023
为卫星的纬度。
9.适用于权利要求1～8中任意一项所述位置管理方法的通信***，其特征在于，该***包括：
具有信令处理能力的M颗卫星，其中M≥1；
具有定位功能的用户终端；
N个地面信关站，地面信关站同一时刻仅与一颗卫星相连，各地面信关站之间通过有线链路连接，N≥1；
一个地面运控中心，位置管理数据库设置于运控中心，所有的地面信关站都与运控中心通过有线链路连接，位置更新和位置寻呼的信令都发送到运控中心进行处理。
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