[發明專利]一種基于時變圖的低軌衛星星間切換預測方法

有效

• 申請號: 202111290032.6
• 申請日: 2021-11-02
• 公開（公告）號: CN114157337B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 白衛崗;曹琦軒;劉曉東;盛敏;周笛;李浩然;朱彥
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學;中國電子科技集團公司第五十四研究所
• 主分類號: H04B7/185
• 分類號: H04B7/185
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 黃偉洪

本發明屬于衛星通信技術領域，公開了一種基于時變圖的低軌衛星星間切換預測方法，低軌道衛星系統中，衛星對用戶的覆蓋性可以使用時變圖表征；所述時變圖中節點集表示一段時間內覆蓋用戶的衛星；衛星對用戶的覆蓋關系采用弧集表征；切換選擇關注的參數表征為權重值集合。相比于傳統的實時切換策略，本發明的預測切換路徑可以使用戶提前知道切換目標衛星，并在切換時直接選擇目標衛星，減少切換時信令開銷和切換時延。本發明提出了多用戶場景下空閑信道數的預測方法和基于貪婪算法的切換路徑選擇方法，提高了對未來一定時間段內衛星空閑信道數預測的準確性。本發明的路徑選擇方法相比于基于最短路徑的星間切換選擇方法，在均衡負載上可以表現出更好的性能。

技術領域

本發明屬于衛星通信技術領域，尤其涉及一種基于時變圖的低軌衛星星間切換預測方法。

背景技術

目前，衛星通信具有覆蓋范圍廣、通信距離遠、傳輸容量大以及不受地理環境的限制等突出特點，與地面通信系統形成互補，廣泛應用于地面通信系統不易覆蓋或建設成本過高的領域。相比于中高軌道衛星，低軌道衛星通信系統具有軌道低、時延低、傳輸損耗小等優點，在國家安全、航空航天、環境監測、交通管理、工農業等領域發揮著日益重要的作用。

低軌道衛星具有高速移動性，對指定區域的覆蓋時長只有幾分鐘。為了保證通話的連續性，用戶需要在衛星之間頻繁地切換。此外，衛星的時變拓撲、用戶高速移動以及信道資源的變化均會對用戶切換與信道資源管理帶來困難。

相比于實時星間切換方法，提前預測用戶的切換路徑的星間切換方法，可以減少信令開銷和切換時延。目前預測用戶切換路徑的方法有基于靜態圖的最短路徑方法和基于時間演進圖的最短路徑方法。使用靜態圖的切換預測的核心思想如下：使用有向圖中的節點和有向弧表征各衛星對用戶的覆蓋性，切換策略考慮的參數表征為有向圖中弧集的權重值。通過選擇有向圖中初始節點到末節點的最短路徑作為用戶在未來時間段內的星間切換路徑。區別于實時切換，該方法采用有向圖表征星間切換，將切換對未來時間段的影響考慮在內，有效實現了對于切換的預測。但是該方法只考慮了靜止的用戶，未考慮用戶移動導致拓撲時變性的影響。基于時間演進圖的切換預測模型在靜態圖的基礎上加入了對拓撲模型的周期性更新，可以提高切換時間預測的準確性。但是這兩種方法方法均存在以下兩個問題。其一在于，該類方法只考慮到了衛星覆蓋性、仰角等參數隨時間的變化，沒有考慮到衛星信道資源的時變性，缺少對空閑信道數的預測，無法有效進行基于空閑信道數準則的星間切換。其二在于，在靜態圖和時間演進圖模型中，各用戶拓撲圖之間沒有關聯性，沒有考慮到各用戶的切換選擇對彼此的影響，均衡負載的能力較差。因此，亟需一種新的低軌衛星星間切換預測方法。

通過上述分析，現有技術存在的問題及缺陷為：

(1)現有基于靜態圖的最短路徑方法只考慮了靜止的用戶，未考慮用戶移動導致拓撲時變性的影響。

(2)現有預測用戶切換路徑的方法只考慮到了衛星覆蓋性、仰角等參數隨時間的變化，沒有考慮到衛星信道資源的時變性，缺少對空閑信道數的預測，無法有效進行基于空閑信道數準則的星間切換。

(3)現有預測用戶切換路徑的方法中，在靜態圖和時間演進圖模型中，各用戶拓撲圖之間沒有關聯性，沒有考慮到各用戶的切換選擇對彼此的影響，均衡負載的能力較差。

解決以上問題及缺陷的難度為：

1.衛星業務可能不僅僅針對低速移動的行人，還可能針對高速移動的交通工具。如何降低終端的移動對于整體網絡拓撲的影響，需要根據終端歷史速度好方向建立預測模型。

2.各用戶在未來時間段內發生的切換均會對各衛星的信道數量產生影響。預測衛星信道資源的變化需要考慮未來時間段新接入用戶、斷開連接的用戶、切換接入用戶等。需要專門建立模型進行信道數量預測。

3.考慮衛星信道資源的約束，各用戶的切換會對其他用戶的接入和切換造成影響，因此如何將單用戶的切換與整體用戶的狀態相關聯需要建立相應的模型。