CN112887012B - 一种面向星地融合网络的星载基站切换管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及星地融合领域，具体涉及本发明涉及星地融合领域，具体涉及一种面向星地融合网络的星载基站切换管理方法，应用于星载基站、原主控卫星以及目标主控卫星之间，用于实现星载基站在不同卫星移动子网下的切换管理，所述切换管理方法包括星载基站的原主控卫星建立出切换选择的拍卖模型；所述原主控卫星向根据拍卖模型选择出的目标主控卫星发起切换申请，所述目标主控卫星分配资源，同时所述星载基站执行切换过程；所述星载基站与主控卫星完成上下行的数据转发。同时本发明基于卫星测量参数设计切换选择算法，可以降低星载基站切换频率以及实现卫星节点负载均衡，减少业务中断。

Description

一种面向星地融合网络的星载基站切换管理方法
技术领域
本发明涉及星地融合领域，具体涉及一种面向星地融合网络的星载基站切换管理方法。
背景技术
卫星网络能够覆盖到极限及边远区域，在重大自然灾害预防及救援工作中能够根据覆盖需求动态组网支撑应急服务，将卫星网络与地面网络进行融合构建天地一体信息网络支撑多样化的空间网络需求已成为空间信息网络发展的新趋势，然而，卫星通信***与地面移动通信***在部署环境、信道传播特征等方面存在很多差异，为两者的融合带来了许多挑战。
长期看来，将地面基站与核心网的部分或全部功能逐步迁移到星上是发展趋势，由星载基站和卫星核心网管控节点组网形成星上的移动核心子网，通过卫星子网内的主控卫星管理星载基站，能够有效降低处理延时、提高用户体验。地面移动通信网络基础设施基本固定，基站与终端的相对位置变化主要由终端的移动性产生；对于卫星网络来说，不止终端具有移动特征，卫星也沿其轨道处于高速运动状态。由于星载基站相对于地面的高速运动，会导致终端在星载基站之间进行切换，星载基站和主控卫星处于不同的轨道，相互之间也会发生相对移动，使得星地融合网络必须处理星载基站的移动性管理问题，否则难以保证正常的通信需求。因此，星载基站的切换管理成为星地融合过程中需要考虑的关键问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种面向星地融合网络的星载基站切换管理方法，主要可以用于应用于星载基站、原主控卫星以及目标主控卫星之间，用于实现星载基站在不同卫星移动子网下的切换管理。
本发明提供了一种面向星地融合网络的星载基站切换管理方法，包括星载基站的原主控卫星建立出切换选择的拍卖模型；所述原主控卫星向根据拍卖模型选择出的目标主控卫星发起切换申请，所述目标主控卫星分配资源，同时所述星载基站执行切换过程；所述星载基站与主控卫星完成上下行的数据转发。
优选的，在建立出进行切换选择的拍卖模型前还包括星载基站根据测量配置进行切换测量，并周期性地生成测量数据，将所述测量数据通过星间链路发送到原主控卫星，所述原主控卫星通过星载基站的测量数据和自身的测量数据结果，基于切换触发策略执行切换触发判断，当触发生效时则建立切换选择的拍卖模型，否则不执行切换。
本发明的有益效果：
1.本发明基于星间导频信号功率、星间链路生存时间以及卫星信道利用率进行切换触发和切换选择判断，能够降低星载基站切换频率以及实现网络***负载均衡，同时基于拍卖模型设计切换选择算法，能够实现切换决策属性的总体效益最大化。。
2.本发明通过对切换过程业务数据转发功能设计，降低星载基站切换过程对于基站下用户终端的业务影响，降低切换带来的业务中断和减少网络丢包。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明实施例的星载基站切换选择场景示意图；
图2为本发明实施例的一种面向星地融合网络的星载基站切换管理方法的流程图；
图3为本发明实施例中的切换触发判断流程图；
图4是本发明实施例中星载基站与主控卫星的切换测量过程图；
图5是本发明实施例中基于拍卖模型的切换选择算法的流程图；
图6是本发明实施例中切换过程中的上下行业务数据转发流程图；
图7为本发明实施例中一种面向星地融合网络的星载基站切换管理***架构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例的星载基站切换场景示意图，当星载基站运动到不同的移动子网的重叠覆盖区域，即面临不同子网下主控卫星的切换选择，整个切换场景由星载基站、星载基站连接的原主控卫星以及可能执行切换的目标主控卫星构成，具体的，图中所示包括一个原主控卫星和三个主控卫星，即主控卫星1、主控卫星2和主控卫星3，原主控卫星与当前的星载基站已经构建好连接，该星载基站作为待切换星载基站可能作出相应的切换动作，该待切换基站可能切换到主控卫星1、主控卫星2和主控卫星3。
图2为本发明实施例的一种面向星地融合网络的星载基站切换管理方法的流程图，该方法包括但不限于如下步骤：
101、星载基站的原主控卫星建立出切换选择的拍卖模型；
在本发明实施例中，在进行切换前，星载基站连接有一个原主控卫星，该原主控卫星将按照原主控卫星收到的切换测量参数，建立出切换选择的拍卖模型。
首先根据切换测量参数建立切换决策矩阵，将各切换测量参数作为影响切换决策的属性值，对于上述的3个切换决策属性，在存在m个备选主控卫星的情况下，初始的决策矩阵A如下所示：
Figure BDA0002916207890000031
其中，xij表示第i个备选主控卫星中的第j个属性的初始决策指标值。
由于各切换测量参数在量纲和数量级上具有差异性，所以无法直接作为影响切换判决的属性值，需要对所有测量参数进行归一化处理，本发明采用极差变换法对切换测量参数进行处理。
极差变换法的基本过程是对数据进行归一化处理时，将各属性的指标值统一映射到区间[0,1]上，也就是说最好的属性指标值为1，最差的属性指标值为0。
对于效益型属性的处理方式如下：
Figure BDA0002916207890000041
对于成本型属性的处理方式如下：
Figure BDA0002916207890000042
其中，
Figure BDA0002916207890000043
效益型属性即正向指标表现取值越大越好，如导频信号强度P、链路生存时间T，成本型属性即负向指标投入成本越大越不利表现为取值越小越好，如主控卫星的信道利用率α。
经过对切换判决属性进行的归一化处理，得到归一化决策矩阵B如下所示：
Figure BDA0002916207890000044
然后，计算切换决策属性的权重值，不同属性对于切换选择的影响程度是不同的，因此需要对不同的属性分配不同的权重系数，才能对切换决策属性的重要程度进行有效区分。
具体的，考虑融合网络中每个主控卫星所处状态的不同，本发明基于离差最大化算法来确定影响切换选择的每个决策属性的权重。
首先，设加权矩阵为C＝{w1,w2,w3}，
Figure BDA0002916207890000045
其中，wj表示每个切换决策属性的权重。对于归一化决策矩阵B经过权重向量加权，得到加权决策矩阵Ω＝[wjrij]：
Figure BDA0002916207890000051
然后基于离差最大化的基本思想，若对第j个决策属性的属性值存在很大差异，则该属性应予以高度重视，分配较大的权重值，由此可得离差最大化法确定权重的目标函数：
Figure BDA0002916207890000052
Figure BDA0002916207890000053
通过拉格朗日函数求上式的最优解，可得：
Figure BDA0002916207890000054
由上式可得，
Figure BDA0002916207890000055
为目标函数的唯一最优解。将wj归一化处理：
Figure BDA0002916207890000056
最后得到满足条件
Figure BDA0002916207890000057
的决策属性权重值：
Figure BDA0002916207890000058
针对如图1所示的星载基站的切换选择场景，本发明根据备选主控卫星的切换决策属性及其权重值，引入博弈论中的拍卖模型，来解决星载基站如何在多个备选主控卫星之间进行切换选择的问题。首先，给出以下定义：
拍卖方：即接入星载基站的原主控卫星；
竞拍方：即待切换的星载基站周围可视的相邻主控卫星；
拍卖商品：即运动到主控卫星重叠覆盖区域的星载基站；
买受方：即最终选择的切换目标主控卫星。
星载基站运动到卫星网络重叠覆盖的区域，当原主控卫星检测到多个可切换的主控卫星，并且达到切换触发条件时，便向他们发起拍卖过程，此时，原主控卫星成为拍卖方，对于m个符合星载基站切换的主控卫星作为竞拍方参与竞拍，定义备选主控卫星i作为竞拍方的成本函数为：
Figure BDA0002916207890000061
其中，rij为备选主控卫星i的第j个决策属性值，wj是第j个决策属性值的权重，通过上述离差最大化算法进行计算求得。
根据成本函数的定义，影响切换选择的决策属性值越大，拍卖的星载基站对于竞拍方的价值就越大，主控卫星的成本就越高，主控卫星将根据成本函数进行报价，因此，此时给出的投标价格就更具竞争力。
本发明使用VCG准则设计切换选择的拍卖机制，VCG机制能够使得“投标真实估价”的策略是所有投标者的占优策略。参与竞拍的主控卫星根据自身网络属性值给出合适的估价，并以此作为竞标价，定义bi为备选主控卫星i作为竞拍方的出价，则竞拍者的最优策略就是真实报告自己的估价参与竞标，即bi＝ci。
在星载基站可切换的主控卫星中，根据参与竞拍的主控卫星给出的竞标价，选择竞标价最高的主控卫星赢得竞拍。为保证原主控卫星以及备选的主控卫星愿意参与到该拍卖机制中并且按照真实估价进行竞拍，本发明根据VCG准则设计买受方的支付如下：
Figure BDA0002916207890000062
其中第一项表示备选主控卫星i不参与拍卖时竞拍方的竞价和，第二项表示备选主控卫星i参与拍卖时其他竞拍方的竞价和。但是，当待切换的星载基站只有一个可切换的主控卫星时，按照该方式计算得到的pi的值为负，不满足拍卖机制的激励兼容的特性。为满足拍卖机制的这一特性，定义在该情况下pi值等于ci，即：
Figure BDA0002916207890000071
本发明所述的拍卖机制采用的是VCG支付准则，其机制设计是满足激励相容性以及个人理性的。
在一些实施例中，在建立出进行切换选择的拍卖模型前还可以包括步骤100、切换测量以及切换触发判断。
具体的，切换测量阶段主要为切换选择提供数据支撑，地面终端切换主要以移动终端的接受信号强度作为测量对象，对应到卫星场景，将星载基站接受到的周围主控卫星发出的导频信号强度作为切换测量参数，同时为了实现星间资源的负载均衡和减少切换发生频率，将主控卫星的信道利用率和星间链路生存时间也纳入测量对象。
图3给出了本发明优选实施例中的切换触发判断流程图，如图3所示，所述切换触发判断流程包括：
1001、星载基站根据测量配置进行切换测量，并周期性地生成测量数据；
1002、将所述测量数据通过星间链路发送到原主控卫星；
1003、所述原主控卫星通过星载基站的测量数据和自身的测量数据结果，基于切换触发策略执行切换触发判断；
1004、当触发生效时则进入步骤101，并建立切换选择的拍卖模型，否则不执行切换。
其中，所述切换测量信息包括星载基站可视范围内的主控卫星发出的导频信号强度P，与可视范围内的主控卫星星间链路生存时间T以及主控卫星自身的信道利用率α。
图4是本发明实施例中星载基站与主控卫星的切换测量过程示意图，如图4所示，导频信号强度的测量在星载基站上完成，星载基站需要向主控卫星周期性报告测量信息，主控卫星同时测量与星载基站的星间链路生存时间以及自身信道利用率并汇总测量数据，从而基于测量数据进行切换判决。
具体的，切换触发过程决定切换过程何时发生，基于测量汇总数据，导频信号强度反映了星间距离远近，信道利用率反映了主控卫星负载情况，星间链路生存时间决定了主控卫星的剩余服务时间，本发明提出的切换触发策略同时考虑星间距离、卫星负载以及链路生存时间，若当前服务主控卫星的导频信号功率低于门限值或者主控卫星的信道利用率低于门限值或者链路生存时间低于门限值时，星间切换被触发。因此，基于上述测量参数的切换触发策略包括
Figure BDA0002916207890000081
其中，Pi是星载基站可视的第i颗主控卫星发出的导频信号功率，Pcurrent是星载基站当前连接的主控卫星导频信号功率，ΔPmin是切换触发的门限导频信号功率，αcurrent是当前连接主控卫星的信道利用率，αmax是主控卫星的最大门限信道利用率，Tcurrent是星载基站与当前连接主控卫星的星间链路生存时间，Tmin是星间链路生存时间最小门限值。
102、所述原主控卫星向根据拍卖模型选择出的目标主控卫星发起切换申请；
在本实施例中，根据建立的模型进入拍卖流程，在星载基站可视的备选主控卫星中选出最优的目标主控卫星；原主控卫星则向选择出的最优的目标主控卫星发起切换申请。
图5是本发明实施例中基于拍卖模型的切换选择算法的流程图，如图5所示，所述切换选择过程包括：
1021、满足切换触发条件，进入拍卖流程；
其中，当星载基站运动到网络重叠覆盖区域，原主控卫星基于切换测量参数判断网络环境满足切换触发条件。
1022、拍卖方(原主控卫星)检测到多个竞拍方(备选主控卫星)；
在这个过程中，原主控卫星通过搜索发现当前卫星移动子网中可提供切换的m个备选主控卫星，这些m个备选主控卫星都可以作为竞拍方进行拍卖；当然，在一些优选实施例中，可以采用一些筛选方法剔除部分的备选主控卫星。
在这个过程中，原主控卫星根据待切换星载基站的测量信息，提出对将要切换的主控卫星的网络要求(限制信息)，具体表现为：目标主控卫星的导频信号强度，主控卫星与星载基站的星间链路生存时间以及主控卫星的信道利用率等。此时，原主控卫星成为拍卖方。
1023、拍卖方将所有拍卖信息发送给所有竞拍方；
其中，拍卖方(原主控卫星)将拍卖信息发送给所有的m个符合切换条件的备选主控卫星。
1024、判断竞拍方是否收到消息；
1025、若备选主控卫星没有收到拍卖信息，则进入由定时器控制的等待过程，并返回步骤1023等待拍卖方下一次发送拍卖信息。
1026、若备选主控卫星收到拍卖信息则进入竞拍环节，竞拍方根据成本函数出价并发送给拍卖方；
其中，备选主控卫星根据成本函数公式计算出进行本次切换的***格，将该消息再发送给拍卖方。此时的备选主控卫星成为竞拍方。
1027、选择报价最高的竞拍方作为切换目标并根据支付规则进行支付；
其中，原主控卫星(拍卖方)收到来自备选主控卫星(竞拍方)的报价，选择报价最高的作为切换目标，并根据上述支付规则进行支付。
支付完成中，原主控卫星与选定的目标主控卫星进入切换执行流程。
103、所述目标主控卫星分配资源，同时所述星载基站执行切换过程；
其中，原主控卫星向目标主控卫星发起切换申请后，目标主控卫星为允许的星载基站分配信道资源，并通过原主控卫星向星载基站发送切换请求消息，同时原主控卫星停止发送下行业务数据，暂存至原主控卫星存储器；星载基站接收切换请求，并停止发送基站上行业务数据，暂存至星载基站存储器，同时与目标主控卫星建立连接。
104、所述星载基站与主控卫星完成上下行的数据转发。
在该技术方案中，星载基站完成在目标主控卫星下的连接建立，向原主控卫星发送切换成功消息，同时将暂存的上行业务数据转发至目标主控卫星；原主控卫星接收到切换成功消息，释放与所述星载基站的连接资源，同时将原主控卫星侧余留的下行业务数据转发至目标主控卫星。
图6是本发明实施例中切换过程中的上下行业务数据转发流程图，如图6所示，所述数据转发流程包括：
1041、原主控卫星传递目标主控卫星切换请求，缓存下行业务数据；
1042、星载基站接收切换请求，缓存上行业务数据；
1043、星载基站切换成功，创建与目标主控卫星的数据转发隧道，转发切换过程中缓存的上行业务数据；
1044、原主控卫星收到切换成功消息，创建与目标主控卫星的数据转发隧道，转发切换过程中缓存的下行业务数据；
1045、数据传输完毕，目标主控卫星关闭与星载基站和原主控卫星的数据转发隧道。
另一方面，为了实现本发明的面向星地融合网络的星载基站切换管理方法，本发明还提供一种面向星地融合网络的星载基站切换管理***，基于5G核心网管理功能设计，如图7所示，所述***包括：
切换管理功能(HOMF)，主要功能有对星载基站切换流程的管理、切换过程中状态转移维护、星载基站切换信息管理、与星载基站管理功能通信接口以及与用户面功能通信接口。切换管理模块主要负责对切换消息的具体处理实现。在切换过程中，保证星载基站的状态正确，处理流程完整，维护星载基站的切换信息。同时，在切换过程中会涉及到星载基站余留数据的转发，因此需要实现HOMF与UPF之间的接***互；
星载基站管理功能(SGMF)，主要功能是管理星载基站的接入和退出、与星载基站的连接保持以及切换控制面消息的处理与转发。SGMF基于星载基站存活列表维护当前连接的基站状态，用于管理基站信息。同时SGMF解析星载基站发送到主控卫星的切换消息并将其发送到HOMF进行处理以及将来自HOMF处理完的数据发送到星载基站或者发送到目的主控卫星；
改进的用户平面功能(UPF)，基于5G用户平面功能进行修改，在承担原有5G用户面功能的同时，用于实现基站切换时的余留终端业务数据转发过程，在星载基站的切换过程中，有一部分终端上行业务数据已经发送到了星载基站，但此时星载基站正在与目的主控卫星建立通信链路，因此需要通过星间链路转发这部分数据到目的卫星，为了转发这部分数据，需要建立一个临时从星载基站到目的主控卫星的数据隧道。同时另一部下行业务数据需要从原主控卫星发送到星载基站，同样建立从原主控卫星到目的主控卫星的数据隧道进行转发。通过这一设计，有助于减少切换过程对星载基站下接入终端的影响，降低业务中断和网络丢包率。
在本发明实施例中，星载基站的原主控卫星建立出切换选择的拍卖模型需要星载基站管理功能(SGMF)与切换管理功能(HOMF)共同实现，星载基站管理功能(SGMF)根据测量配置进行切换测量，并周期性地生成测量数据，将所述测量数据通过星间链路发送到原主控卫星；切换管理功能(HOMF)基于切换触发策略执行切换触发判断，当触发生效时则建立切换选择的拍卖模型，否则不执行切换。同时，切换管理功能(HOMF)控制原主控卫星向根据拍卖模型选择出的目标主控卫星发起切换申请，所述目标主控卫星分配资源，同时所述星载基站执行切换过程；改进的用户平面功能(UPF)控制所述星载基站与主控卫星完成上下行的数据转发。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”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，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，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在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种面向星地融合网络的星载基站切换管理方法，其特征在于：所述切换管理方法包括星载基站的原主控卫星建立出切换选择的拍卖模型；所述原主控卫星向根据拍卖模型选择出的目标主控卫星发起切换申请，所述目标主控卫星分配资源，同时所述星载基站执行切换过程；所述星载基站与主控卫星完成上下行的数据转发；
基于切换测量信息，建立星载基站切换选择的决策矩阵；
基于极差变换法对切换测量参数进行归一化处理，得到归一化决策矩阵；
根据离差最大化算法来确定影响切换选择的每个决策属性的权重；
基于博弈论中的拍卖模型，根据备选主控卫星的切换决策属性及权重值，设计竞拍方的成本函数以及拍卖方的支付规则；
所述切换选择的拍卖模型的表示为：
Figure FDA0003661549750000011
其中，pi表示备选主控卫星i的拍卖价格；ck表示第k个备选主控卫星的出价，
Figure FDA0003661549750000012
表示备选主控卫星i不参与拍卖时第k个备选主控卫星的竞价；
Figure FDA0003661549750000013
表示备选主控卫星i参与拍卖时其他第k个备选主控卫星的竞价和；ci表示第i个备选主控卫星的出价；m表示备选主控卫星个数；
所述备选主控卫星的出价即竞拍方的成本函数表示为：
Figure FDA0003661549750000014
其中，rij为备选主控卫星i的第j个决策属性值，wj是第j个决策属性值的权重，通过所述离差最大化算法进行计算求得。
2.根据权利要求1所述的一种面向星地融合网络的星载基站切换管理方法，其特征在于：在建立出进行切换选择的拍卖模型前还包括星载基站根据测量配置进行切换测量，并周期性地生成测量数据，将所述测量数据通过星间链路发送到原主控卫星，所述原主控卫星通过星载基站的测量数据和自身的测量数据结果，基于切换触发策略执行切换触发判断，当触发生效时则建立切换选择的拍卖模型，否则不执行切换。
3.根据权利要求2所述的一种面向星地融合网络的星载基站切换管理方法，其特征在于：所述切换触发策略包括：
Figure FDA0003661549750000021
其中，Pi是星载基站可视的第i颗主控卫星发出的导频信号功率，Pcurrent是星载基站当前连接的主控卫星导频信号功率，ΔPmin是切换触发的门限导频信号功率，αcurrent是当前连接主控卫星的信道利用率，αmax是主控卫星的最大门限信道利用率，Tcurrent是星载基站与当前连接主控卫星的星间链路生存时间，Tmin是星间链路生存时间最小门限值。
4.根据权利要求1所述的一种面向星地融合网络的星载基站切换管理方法，其特征在于，所述数据转发的过程包括以下步骤：
原主控卫星传递目标主控卫星切换请求，缓存下行业务数据；
星载基站接收切换请求，缓存上行业务数据；
星载基站切换成功，创建与目标主控卫星的数据转发隧道，转发切换过程中缓存的上行业务数据；
原主控卫星收到切换成功消息，创建与目标主控卫星的数据转发隧道，转发切换过程中缓存的下行业务数据；
数据传输完毕，目标主控卫星关闭与星载基站和原主控卫星的数据转发隧道。
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