[發明專利]一種面向寬帶體驗的近海用戶接入切換方法

有效

• 申請號: 201710594811.2
• 申請日: 2017-07-20
• 公開（公告）號: CN107454571B
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 葛寧;肖藹玲;陶曉明;殷柳國;姜川傲
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H04W4/42
• 分類號: H04W4/42;H04W36/00;H04W36/08;H04L29/08;H04B7/185
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 樓艮基

1.一種面向寬帶體驗的近海用戶接入切換方法，其特征在于，是在衛星-地面移動通信協同的寬帶通信系統，簡稱系統中依次按以下步驟實現的：

步驟(1.1)，基于所述系統的海洋寬帶通信架構建立海洋寬帶通信網：

所述海洋寬帶通信架構由二種近海用戶和四類接入點構成，其中：

兩種用戶是指基站船與用戶船，其中：

基站船B_i,部署有：設有甚小孔徑衛星終端VSAT與船載基站BS_i,i＝1,2,3…N，N是總數，i是序號，

用戶船U_j,可接受地面蜂窩網絡服務、所述船載基站BS_i服務以及窄帶衛星NWS服務，j＝1,2,3…M，M是總數，j是序號，

四類接入點，包括：岸基基站BS_l，其中下標l表示岸基，船載基站BS_i，寬帶衛星BWS，窄帶衛星NWS，

在離岸15km以上的遠海區域：

所述基站船B_i，借助船載基站BS_i接入所述寬帶衛星BWS，

所述用戶船U_j，借助鄰近的船載基站接入寬帶衛星BWS，在沒有鄰近的船載基站BS_i時接入窄帶衛星NWS，

在離岸15km以內的近海區域，用戶船U_j與基站船B_i優先選擇岸基基站BS_l，

步驟(1.2)，構建所述的海洋寬帶通信網,

步驟(1.2.1)，設立v_k(t)為時刻t時用戶船U_j的與基站船B_i的速率，而坐標位置為[x_k(t),y_k(t)],k＝1,…,(N+M)，為用戶的序號，

U_max為單個船載基站BS_i能服務的用戶船U_j的最大數量，

為船載基站BS_i在t時刻已接入用戶船U_j的數量，

為岸基基站BS_l在t時刻已接入用戶的數量，

步驟(1.2.2)，定義所述海洋寬帶通信網的兩類性能參數：切換性能參數和切換性能評價指數，其中：

切換性能參數，是切換控制參數，包括：接收信號強度，用戶下行鏈路速率以及接入持續時間，其中：

A：接收信號強度，表示用戶從目標接入點收到的接收功率：

A₁：當用戶為用戶船U_j時：

A₁₁：若，以船載基站BS_i作為目標接入點，

則接收信號強度表示為

其中，

P₀為各船載基站BS_i的固定發射功率，

為t時刻船載基站BS_i與用戶船U_j之間的路徑損耗，

其中,

λ_i為船載基站BS_i的信號發射波長，h_j分別為船載基站BS_i和用戶船U_j的天線高度，為t時刻船載基站BS_i與用戶船U_j之間的直線距離，

A₁₂：若，以岸基基站BS_l作為目標接入點，

則接收信號強度表示為

其中，

為岸基基站BS_l的固定發射功率，

為t時刻岸基基站BS_l與用戶船U_j之間的路徑損耗，

其中，

為岸基基站BS_l的信號發射波長，h_j分別為岸基基站BS_l和用戶船U_j的天線高度，為t時刻岸基基站BS_l與用戶船U_j之間的直線距離，

A₂：當用戶為基站船B_i時：

A₂₁：若，以岸基基站BS_l作為目標接入點，

則接收信號強度表示為

其中，

為岸基基站BS_l的固定發射功率，

為t時刻岸基基站BS_l與船載基站BS_i之間的路徑損耗，其中，

為岸基基站BS_l的信號發射波長，h_i分別為岸基基站BS_l和船載基站BS_i的天線高度，為t時刻岸基基站BS_l與船載基站BS_i之間的直線距離，

A₂₂：若，以寬帶衛星BWS作為目標接入點，

則接收信號強度可表示為P_i←BWS(t)，為固定值，

B：用戶下行鏈路速率，

B₁：當用戶為用戶船U_j時：

B₁₁：若，以船載基站BS_i作為目標接入點時，

則用戶船U_j從接入的船載基站BS_i獲得的下行鏈路速率表示為：

其中，

為用戶船U_j從接入的船載基站BS_i獲得的接收功率信噪比，

其中，

為用戶從接入船載基站處獲得的信號接收功率，σ²表示噪聲，表示用戶船U_j接收到來自鄰區的同頻干擾，n表示除當前接入點之外的其他船載基站BS_i的序號，為用戶船U_j接收到來自岸基基站的同頻干擾，

a_n(t)表示除當前接入的船載基站之外其余船載基站的狀態，a_n(t)＝1表示船載基站BS_n開，a_n(t)＝0表示船載基站BS_n關，

B₁₂：若，以岸基基站BS_l作為目標接入點時，

則用戶船U_j從接入的岸基基站BS_l獲得的下行鏈路速率表示為：

其中，

為用戶船U_j從接入的岸基基站BS_l獲得的接收功率信噪比，

其中，

σ²表示噪聲，表示用戶船U_j接收到來自鄰區的同頻干擾，n表示船載基站BS_i的序號，

a_n(t)表示各船載基站的狀態，a_n(t)＝1表示船載基站BS_n開，a_n(t)＝0表示船載基站BS_n關，

B₂：當用戶為基站船B_i時：

B₂₁：若，以岸基基站BS_l作為目標接入點，

則下行鏈路速率為為固定值，

B₂₂：若，以寬帶衛星BWS作為目標接入點，

則下行鏈路速率為R_i←BWS(t)，為固定值，

C：接入持續時間，表示從某一時刻t開始，用戶估計能保持持續接入目標點的理論時間，

C₁：當用戶為用戶船U_j時：

C₁₁：若，以船載基站BS_i作為目標接入點，

則接入持續時間表示為

，單位為秒，

r為所有船載基站BS_i信號覆蓋半徑，屬于已知值，

表示時刻t時船載基站BS_i和用戶船U_j在水平方向上的距離，

表示時刻t時船載基站BS_i和用戶船U_j在垂直方向上的距離，

表示時刻t時船載基站BS_i和用戶船U_j在水平方向上的相對速度分量，

表示時刻t時船載基站BS_i和用戶船U_j在垂直方向上的相對速度分量，

α(t)和β(t)分別表示船載基站BS_i和用戶船U_j各自的航行方向與水平方向的夾角，

C₁₂：若，以岸基基站BS_l作為目標接入點，

則接入持續時間表示為

，單位為秒，

R為岸基基站BS_l信號覆蓋半徑，屬于已知值，由于岸基基站BS_l位置固定，因此：

表示時刻t時岸基基站BS_l和用戶船U_j在水平方向上的距離，

表示時刻t時岸基基站BS_l和用戶船U_j在垂直方向上的距離，

表示時刻t時岸基基站BS_l和用戶船U_j在水平方向上的相對速度分量，

表示時刻t時岸基基站BS_l和用戶船U_j在垂直方向上的相對速度分量，

β(t)表示用戶船U_j的航行方向與水平方向的夾角，

C₂：當用戶為船載基站BS_i時：

C₂₁：若，以岸基基站BS_l作為目標接入點，

則接入持續時間表示為

，單位為秒，

R為岸基基站BS_l信號覆蓋半徑，屬于已知值，由于岸基基站BS_l固定，因此：

表示時刻t時岸基基站BS_l和基站船B_i在水平方向上的距離，

表示時刻t時岸基基站BS_l和基站船B_i在垂直方向上的距離，

表示時刻t時基站船B_i在水平方向上的相對速度分量，

表示時刻t時基站船B_i在垂直方向上的相對速度分量，

β(t)表示基站船B_i的航行方向與水平方向的夾角，

C₂₂：若，以寬帶衛星BWS作為目標接入點，

則接入持續時間表示為為固定值，且

以下設定，接入持續時間AET(s)與經實際優化得出的切換觸發時間TTT的對照表：

AET(s)≥150s時，TTT＝160ms，

100≤AET(s)<150s時，TTT＝100ms，

60≤AET(s)<100s時，TTT＝80ms，

30≤AET(s)<60s時，TTT＝64ms，

AET(s)<30s時，TTT＝40ms，

切換性能評價指數，用于對切換性能參數使用權重方法進行綜合評價的，表示為計算各候選目標接入點e的切換性能評價指數的效用公式UF，

當用戶為用戶船U_j時，

若：候選的目標接入點為船載基站則：

若：候選的目標接入點為岸基基站BS_l，則：

當用戶為基站船B_i時，

若：候選的目標接入點為岸基基站BS_l，則：

若：候選的目標接入點為寬帶衛星BWS時，則：

其中，

分別為用戶是用戶船U_j，侯選的接入點為船載基站BS_i時的權重分配系數，且

分別為用戶是用戶船U_j，侯選的接入點為岸基基站BS_l時的權重分配系數，且

分別為用戶是基站船B_i，侯選的接入點為岸基基站BS_l時的權重分配系數，且

分別為用戶是基站船B_i，侯選的用戶接入點為寬帶衛星BWS時的權重分配系數，且

N(·)為切換性能參數的歸一化函數：

步驟(1.3)，依次按照以下步驟分別實施當用戶從遠海進入近海時基站船B_i或用戶船U_j的切換接入方法，

步驟(1.3.1)，當用戶為基站船B_i時，依次按照以下步驟分別在切換到作為目標接入點的岸基基站BS_l或者當前接入點寬帶衛星BWS時做出選擇性切換，

步驟(1.3.1.1)，船載基站BS_i主機初始化，

設定：滯后參數H是指候選的目標接入點的性能評價指數與當前接入點的性能評價指數之差，在本系統中H取值相同，取值范圍是0.05<H<0.2，為設定值，

當船載基站BS_i切換到岸基基站BS_l時，所述船載基站BS_i的接入持續時間的下限閾值為設定值取值范圍是0-20min，下同，

船載基站BS_i接入目標接入點岸基基站BS_l的性能評價指數

步驟(1.3.1.2)，作為用戶的基站船B_i的船載基站BS_i依次按照以下步驟在優先切換到岸基基站BS_l和維持在作為當前接入點的寬帶衛星BWS之間進行選擇性切換：

步驟(1.3.1.2.1)，船載基站BS_i判定準則有：

有用戶船U_j接入否：

若：有，則轉入步驟(1.3.1.2.3)，

若：沒有，則轉到步驟(1.3.1.2.2)，

步驟(1.3.1.2.2)，判定本船載基站BS_i是否接入岸基基站BS_l：

若：沒有，則返回步驟(1.3.1.2.1)，

若：已接入，則關閉本船載基站BS_i，結束，

步驟(1.3.1.2.3)，判定：滿足切換到所述目標接入點岸基基站BS_l的條件

若：不滿足，則返回步驟(1.3.1.2.1)，

若：滿足，則轉入步驟(1.3.1.2.4)，

步驟(1.3.1.2.4)，在滿足(1.3.1.2.3)已經提出的目標接入點的性能評價指數高于當前接入點的性能評價指數與滯后參數之和后，計算所述船載基站BS_i與岸基基站BS_l的當前接入持續時間再根據所述對照表求出切換持續時間

步驟(1.3.1.2.5)，判斷：在內，作為目標接入點的岸基基站BS_l是否滿足步驟(1.3.1.2.3)的條件：

若：不滿足，則轉入步驟(1.3.1.2.1)，

若：滿足，則計算船載基站BS_i與目標接入點岸基基站BS_l的當前接入持續時間則轉入步驟(1.3.1.2.6)，

步驟(1.3.1.2.6)，判斷：

若：滿足則船載基站BS_i切換至岸基基站BS_l，

若：不滿足，則返回步驟(1.3.1.2.1)，不執行切換，

步驟(1.3.2)，當用戶為用戶船U_j時，自遠海海域進入近海海域時，按當前接入點的類別，在優先接入岸基基站BS_l的原則下，分別按照以下步驟在岸基基站BS_l以及船載基站BS_i之間做出選擇性切換：

步驟(1.3.2.1)，判斷：用戶船U_j的當前接入點為窄帶衛星NWS還是船載基站BS_i：

若：用戶船U_j的當前接入點是窄帶衛星NWS，則轉(1.3.2.2)，

若：用戶船U_j的當前接入點是船載基站BS_i，則轉(1.3.2.3)，

步驟(1.3.2.2)，用戶船U_j的當前接入點為窄帶衛星NWS時，按以下的步驟進行接入點切換：

步驟(1.3.2.2.1)，用戶船主機初始化：

在用戶船U_j進入近海海域的時刻t：

用戶船U_j切斷窄帶通信衛星NWS，并確定：

用戶船U_j，各船載基站BS_i,i＝1,2,3,4…N與岸基基站BS_l的位置坐標信息，

用戶船U_j接入岸基基站BS_l的接入持續時間以及下限閾值取值范圍是0-20min，下同，

用戶船U_j接入船載基站BS_i的接入持續時間以及下限閾值取值范圍是0-20min，下同，

用戶船U_j在檢測到自己處于作為候選目標接入點岸基基站BS_l的信號覆蓋半徑之內以后，

步驟(1.3.2.2.2)，找出用戶船U_j切換到船載基站BS_i時切換性能評價指數較大且又滿足的若干個船載基站BS_i，轉到步驟(1.3.2.2.3)，

步驟(1.3.2.2.3)，計算用戶船U_j分別接入N個船載基站BS_i,i＝1,2,3,4…N時各自的切換性能評價指數按數值大小從大到小排列，轉到步驟(1.3.2.2.4)，

步驟(1.3.2.2.4)，在步驟(1.3.2.2.2)中找到若干個切換性能評價指數值較大的船載基站BS_i后，刪除其中的船載基站，得到若干個切換性能評價指數較大且滿足的船載基站BS_i集合，稱為用戶船U_j接入船載基站BS_i的所述候選接入點集合，在所有候選船載基站接入點當中尋找性能評價指數最大的接入點max{BS_i}作為當前接入點，同時用戶船U_j接入該接入點，轉到步驟(1.3.2.2.5)，

步驟(1.3.2.2.5)，判斷：切換條件否，其中，為用戶船U_j接入其目標接入點岸基基站BS_l時的的切換性能評價指數，為用戶船U_j接入其作為當前接入點船載基站BS_i時的切換性能評價指數，

若：不成立，則，不切換到岸基基站BS_l，即仍以當前船載基站max{BS_i}為目標接入點，結束，

若：成立，則轉入步驟(1.3.2.2.6)，

步驟(1.3.2.2.6)，根據用戶船U_j接入岸基基站BS_l時的接入持續時間查找所述對照表得到切換觸發時間

步驟(1.3.2.2.7)，判斷內步驟(1.3.2.2.5)所述切換條件仍否成立：

若，不成立，則不切換到岸基基站BS_l，結束，

若，成立，則轉步驟(1.3.2.2.8)，

步驟(1.3.2.2.8)，判斷是否成立，

若：不成立，則，仍以當前船載基站max{BS_i}為目標接入點，結束，

若：成立，則：用戶船U_j接入岸基基站BS_l，結束，

步驟(1.3.2.3)，用戶為用戶船U_j，當前接入點為船載基站BS_i，依次按以下步驟進行切換接入，

步驟(1.3.2.3.1)，用戶船主機初始化，在近海海域中用戶船U_j在時刻t確定：

各船載基站BS_i,i＝1,2,3,4…N以及岸基基站BS_l的坐標位置，

用戶船U_j接入岸基基站BS_l的接入持續時間的下限閾值

用戶船U_j接入其他船載基站BS_i的接入持續時間的下限閾值

H為系統的滯后系數，其中，為用戶船U_j接入最佳船載基站切換性能評價指數，為用戶船U_j接入當前船載基站BS_i的切換性能評價指數，

步驟(1.3.2.3.2)，按照步驟(1.3.2.2.5)至步驟(1.3.2.2.8)共4個步驟中所述的方法，依次按照切換條件切換觸發時間內本切換條件是否成立以及是否大于下限閾值共三個條件判斷：

若：上述三個條件全部滿足，則：用戶船U_j切換至岸基基站BS_l，結束，

若：不滿足，轉步驟(1.3.2.3.3)，

步驟(1.3.2.3.3)，按照步驟(1.3.2.2.2)至步驟(1.3.2.2.4)中所述的方法，從除當前接入點BS_i之外的N-1個候選中繼船載基站中找出性能最佳船載基站max{BS_n}_N-1,n≤N,n≠i，轉到步驟(1.3.2.3.3)，

步驟(1.3.2.3.3)，判斷：是否成立，

若：不成立，則不執行切換，即仍以當前船載基站BS_i為接入點，結束，

若：成立，則轉入步驟(1.3.2.3.4)，

步驟(1.3.2.3.4)，根據用戶船U_j接入船載基站max{BS_n}_N-1時的接入持續時間查找所述對照表得到切換觸發時間轉到步驟(1.3.2.3.5)，

步驟(1.3.2.3.5)，判斷內步驟(1.3.2.3.3)所述切換條件仍否成立：

若，不成立，則不執行切換，結束，

若，成立，并選擇該基站max{BS_n}_N-1,n≤N,n≠i作為最終的目標船載基站接入點，同時用戶船U_j接入該船載基站接入點，轉到步驟(1.3.2.4)，

步驟(1.3.2.4)結束。