一种支持协同切换的低轨卫星通信系统及其切换方法与流程

本发明属于卫星通信领域，特别是支持协同切换的低轨卫星通信系统。

背景技术：

在低轨卫星通信系统中，随着卫星高速运动，卫星相对终端快速运动，卫星用户侧波束对终端的覆盖情况也将频繁变化。因此，解决好低轨卫星场景下用户移动性的相关问题，对系统用户无感体验具有巨大的好处。

低轨卫星通信系统中，与用户终端切换密切相关的主要是卫星星上载荷的模式和用户侧波束覆盖的模式。

目前，低轨卫星通信系统可分为透明转发、数字采样转发、du上星、bbu上星几种卫星模式。其中，载荷为透明转发模式的卫星，针对接收信号仅作变频处理即进行发送，星上不做其它处理，用户切换主要看卫星波束和信关站的关系是否发生变化；载荷为数字采样转发模式的卫星，针对接收信号进行数字采样，将采样数据重新编码调整生成新的信号再转发给信关站，用户切换情况与透明转发相同；du上星模式的卫星针对接收的用户信号直接在卫星进行处理，需要cu单元进行处理的信息再发送到信关站进行处理，故用户层3切换主要看卫星波束和信关站的关系是否发生变化，层一切换主要看是否跨不同频率的波束；bbu上星模式的卫星针对接收到的用户信号进行完整的基带及协议处理，用户切换主要与卫星波束覆盖情况相关，与地面信关站无关。

当前，用户波束的覆盖主要有滑动和凝视两种覆盖方式。其中滑动覆盖，用户波束相对卫星固定；凝视覆盖即用户波束在一段时间保持对地覆盖地理范围不变，然后周期性跳变对地覆盖位置。在滑动覆盖模式下，用户切换的周期与波束覆盖范围和卫星波束移动速度相关，其中特别的当卫星载荷为透明转发、数字采样转发、du上星模式时，卫星跨信关站将发生星下用户群切换问题。在凝视覆盖模式下，用户切换主要受用户移动性影响，在透明转发、数字采样转发、du上星、bbu上星几种卫星模式下，当凝视波束跳变或者卫星馈电波束跳变时，均存在星下用户群切换问题。

综上，就用户移动性情况而言，最佳的方案是通过设计系统架构使用户切换主要受用户移动性影响，并且避免群切换发生，则整个低轨卫星系统的用户切换无感体验较好。当前，消解卫星移动性对用户终端切换影响较好的方法是卫星对地采用凝视覆盖，但不能避免群切换的出现；针对用户群切换问题主要是采用用户分组、预切换等策略对群切换进行优化，可实现在用户波束覆盖跳变或者卫星馈电链路跳变下的用户无感体验，但需要大量切换信令开销。

技术实现要素：

本发明设计一种支持协同切换的低轨卫星通信系统，利用相控阵波束快速指向的能力，通过卫星用户链路与馈电链路协同跳变，实现地面固定虚拟小区子集与信关站固定bbu子集或者cu子集关系绑定，消除透明转发/数字采样转发模式或者du上星模式的卫星的移动性对用户切换的影响，避免卫星切换时虚拟小区用户群切换，可满足用户通信连续性的需求。

本发明应用于低轨卫星通信系统，设计信关站通过全空域相控阵与卫星建立馈电链路，地面虚拟小区用户数据通过卫星透明转发/数字采样转发或者星上du设备处理后，经馈电链路到信关站，送入bbu或者cu进行处理。涉及的信关站、全空域相控阵、馈电链路、bbu、cu、透明转发、数字采样转发、du上星等专业名词，其解释如下：

信关站：信关站是连接卫星与地面网络的桥梁，通常具备射频、基带处理、路由和数据协议处理的能力。一般建设在地面固定位置，也有少数为车载信关站，其具备机动性。

全空域相控阵：由多平面阵拼接而成的半球形阵，可同时产生多个波束、每个波束指向范围涵盖整个空域。

馈电链路：卫星和地面信关站之间的通信链路。

用户链路：用户终端和卫星之间的通信链路。

bbu：室内基带处理单元，主要实现信号的基带及协议处理单元，通常为地面移动通信4g和5g专用设备，在本发明中泛指通信中的基带及协议处理类设备。

cu：集中单元，主要实现信号的mac上层协议非实时处理，通常为地面移动通信5g专用设备，在本发明中可泛指通信中的非实时协议处理类设备。

du：分布式单元，主要实现信号的基带实时部分的处理，通常为地面移动通信5g专用设备，在本发明中可泛指通信中的基带实时处理类设备。

透明转发：指卫星对接收到的信号(来自终端/信关站)除了变频和放大不做任何处理地转发给第三方。

数字采样转发：指卫星对接收到的终端信号进行数字采样，将采样后的数据重新编码调制生成新的传输信号，通过馈电链路下发给地面信关站。

du上星模式：指整个基带及协议处理的实时处理部分设备搭载在卫星上，用户信号先在卫星载荷进行处理，然后非实时的协议部分的处理再传输到地面cu设备进行处理。

本发明通信系统的技术方案为：一种支持协同切换的低轨卫星通信系统，该系统包括信关站、卫星，其特征在于：所述卫星用户侧和馈电侧均设置有相控阵天线，所述地面信关站设置有全空域相控阵天线。

进一步的，馈电链路与用户链路的协同切换通过如图2所示流程予以实现；技术方案为一种低轨卫星通信的馈电链路与用户链路协同切换方法，该方法中卫星采用透明转发/数字采样转发模式或者du上星模式，卫星信号通过馈电链路回传到地面信关站进行基带及协议处理或者星上du进行基带处理后再通过馈电链路回传到地面信关站进行相关协议处理；卫星移动过程中用户波束一段时间内对固定地理区域进行覆盖；卫星对地覆盖周期性跳变；该方法步骤具体包括：

步骤1：提前构建“地面虚拟小区子集-馈电波束子集-信关站bbu或cu子集”的映射关系；

步骤2：卫星用户波束周期性跳变，凝视覆盖地面虚拟小区，卫星用户链路跳变凝视覆盖目标虚拟小区前，卫星提前基于星历和信关站坐标解算卫星馈电侧波束指向，基于星历和目标虚拟小区地理位置区域解算用户侧波束指向和波束宽度；信关站在目标虚拟小区所在子集对应的馈电波束子集中选择一个馈电波束，并提前基于星历和信关站坐标解算该馈电波束指向；到卫星用户链路跳变时刻，卫星调整用户波束指向目标虚拟小区，同时调整卫星馈电波束指向信关站；信关站同时调整信关站馈电波束指向卫星；

步骤2.1：第i个信关站根据卫星用户波束对虚拟小区覆盖的计划列表，得到虚拟小区celln一段时间内对其进行覆盖的相应卫星的列表，celln∈ωk，ωk表示第k个由虚拟小区构成的子集；列表包含卫星用户波束跳变覆盖小区celln的时刻和跳离的时刻，以及卫星覆盖的上一个小区和下一个小区是否属于ωk；

步骤2.2：卫星satellite_next上一个小区不属于ωk，信关站调度ψk中馈电波束fbn0接力卫星satellite_next；当卫星satellite_next跳变覆盖小区celln前，第i个信关站基于该卫星星历解算跳入时刻卫星的位置，并提前解算馈电波束fbn0对应的全空相控阵波束指向和赋型相关配置参数；该卫星也需提前根据星历和第i个信关站位置，解算卫星馈电波束相控阵波束的指向和赋型参数；

步骤2.3：卫星波束跳入时刻到达，卫星波束覆盖虚拟小区celln，同时卫星馈电波束指向第i个信关站，第i个信关站修改全空域相控阵参数，调度ψk中的波束fbn0指向卫星，卫星和第i个信关站建立馈电链路；

步骤2.4：卫星运动中，持续覆盖虚拟小区celln，信关站馈电波束持续跟踪保持不变；若卫星覆盖的下一个小区celln+q仍然满足celln+q∈ωk，则信关站馈电波束持续跟踪卫星；若则当卫星馈电波束跳变凝视覆盖下一个小区时，信关站ψk中的波束fbn0结束对卫星的跟踪，同时被调度去跟踪新跳入覆盖的卫星；

步骤3：信关站与卫星建立新的馈电链路；

步骤4：在卫星用户链路和馈电链路切换前后，固定虚拟小区与固定bbu或cu子集的连接关系保持不变，小区内用户持续正常通信。

进一步的，所述步骤1的具体方法为：

步骤1.1：根据卫星轨道高度、全空域相控阵波束通信仰角约束和第i个信关站全空域相控阵数量mi，划定第i个信关站管辖的地面区域；如图3所示。

步骤1.2：将第i个信关站的地面区域划分为ni个虚拟小区，虚拟小区编号为

步骤1.3：第i个信关站配置li个bbu或者cu，将第i个信关站管辖的ni个虚拟小区划分给这li个bbu或者cu对应处理；根据bbu或者cu处理能力和虚拟小区容量，分别将虚拟小区和bbu或者cu划分为ki个子集，则满足如下约束：

或者

ki＝min{ni,li}

其中，ωk为虚拟小区ki个子集中的任意一个，υk为信关站bbu或者cu的ki个子集中的任意一个；

步骤1.4：建立虚拟小区子集与bbu或者cu子集的对应关系如下：

ωk→υk,k＝1,...,ki

上述关系表示子集ωk中的虚拟小区用户由子集υk中的bbu或者cu设备处理，建立起虚拟小区与信关站bbu或者cu的绑定关系；

步骤1.5信关站的一个馈电波束跟踪一颗卫星，一颗卫星覆盖一个虚拟小区，故ni个虚拟小区需ni颗卫星覆盖，需ni个馈电波束跟踪卫星，这ni个馈电波束由信关站的mi个全空域相控阵提供；ni个馈电波束信号由ki个bbu或者cu子集对应处理；将信关站馈电波束划分为ki个子集，则每个子集与bbu或者cu子集的对应关系如下：

ψk→υk,k＝1,...,ki

其中，ψk为第k个bbu或者cu子集对应的馈电波束子集，fbn为第n个馈电波束；则虚拟小区子集与馈电波束子集满足ωk→ψk,k＝1,...,ki的对应关系。

采用以上支持协同切换的架构设计，通过卫星用户链路与馈电链路协同跳变，虚拟小区子集与信关站内bbu或者cu子集对应关系实现绑定，直接消除卫星移动性对用户终端切换的影响，避免了因卫星切换引起的用户群切换，减少信令开销。本发明中的bbu、cu和du，不仅限于指代地面移动通信4g和5g中的专用设备，可广泛指代通信中的基带及协议处理类设备、非实时协议处理类设备和基带实时处理类设备。本发明中的系统设计可推广适用在利用无人机、巡航弹等空中运动设施对地覆盖的情况中。

附图说明

图1为一种支持协同切换的低轨卫星通信系统架构示意图。

图2为馈电链路与用户链路协同切换流程示意图。

图3为信关站管辖的地面区域示意图。

图4为支持协同切换的透明/数字采样转发低轨卫星通信系统架构示意图。

图5为信关站管辖的区域内的虚拟小区划分及编号情况示意图。

图6为支持协同切换的du上星低轨卫星通信系统架构示意图。

图7为信关站管辖的区域内的虚拟小区划分及编号情况示意图。

具体实施方式

该系统架构具备以下特点：

(1)卫星采用透明转发/数字采样转发模式或者du上星模式，卫星信号通过馈电链路回传到地面信关站进行基带及协议处理或者星上du进行基带处理后再通过馈电链路回传到地面信关站进行相关协议处理；

(2)卫星用户侧和馈电侧均采用相控阵天线，地面信关站采用全空域相控阵天线；

(3)卫星移动过程中用户波束一段时间内对固定地理区域进行覆盖，即卫星凝视覆盖地面；

(4)一颗卫星覆盖的固定地理区域为一个虚拟小区；

(5)卫星对地覆盖周期性跳变。

系统架构设计原理：

低轨卫星系统中卫星相对地面快速运动，在以上的系统架构下，在卫星持续凝视覆盖某个固定虚拟小区的时间段内，已经实现该小区与信关站某个bbu或者某个cu对应关系保持不变。随着卫星运动，会出现以下三种情况：

情况一：卫星馈电链路不变，同时卫星用户波束跳变到下一个虚拟小区进行覆盖，新虚拟小区与bbu或者cu建立对应关系，新虚拟小区内的用户同时群切换至上述的bbu或者cu；

情况二：卫星用户波束持续凝视覆盖当前虚拟小区，同时卫星馈电链路从当前信关站切换到目标信关站，当前虚拟小区与目标信关站某个bbu或者cu建立对应关系，当前虚拟小区内的用户从当前信关站群切换到目标信关站；

情况三：卫星用户波束从当前虚拟小区跳变到目标虚拟小区，同时卫星馈电链路从当前信关站切换到目标信关站，当前虚拟小区与目标信关站独立，目标虚拟小区与当前信关站独立。

情况三说明卫星馈电链路切换与卫星用户链路跳变同时进行时，虚拟小区与信关站的对应关系可实现绑定，避免出现用户跨信关站的群切换。基于以上架构，通过如下协同方案，可进一步实现小区与信关站内bbu或者cu对应关系实现绑定，避免出现用户跨小区的群切换。

实施例一

步骤1：以相邻的两个信关站为案例，每个信关站配置1个相控阵天线，信关站1配置17个bbu，信关站2配置20个bbu，构建支持协同切换的透明/数字采样转发低轨卫星通信系统架构，如图4所示。

步骤2：根据信关站相控阵覆盖范围、多波束波束能力和配置的bbu情况，划定两个信关站管辖的地面区域，并将每个信关站管辖的区域内的虚拟小区进行编号，如图5所示。

其中，信关站1下辖17个虚拟小区，信关站2下辖20个虚拟小区。

步骤3：配置1个bbu处理1个虚拟小区，信关站1中bbu与虚拟小区建立对应关系cell1,l→bbul,l＝1,...,17；信关站2中bbu与虚拟小区建立对应关系cell2,k→bbuk,k＝1,...,20。

步骤4：信关站1相控阵形成17个馈电波束，每个波束与bbu建立对应关系fbl→bbul,l＝1,...,17；

信关站2相控阵形成20个馈电波束，每个波束与bbu建立对应关系fbk→bbuk,k＝1,...,20；

相应地，信关站1每个波束与虚拟小区对应关系为cell1,l→fbl,l＝1,...,17；

信关站2每个波束与虚拟小区对应关系为cell2,k→fbk,k＝1,...,20。

一个bbu对应一个馈电波束对应一个小区，故ωk和ψk中均只有一个元素。

步骤5：针对虚拟小区cell1,l,l∈{1,...,17}，信关站1根据卫星用户波束对虚拟小区cell1,l覆盖的计划列表，得到虚拟小区cell1,l一段时间内对其进行覆盖的相应卫星的列表：

其中，前后两颗卫星对虚拟小区celln的覆盖在时间上无缝，“0”表示不属于ωk，“1”表示属于ωk；列表中，所有卫星的上一个虚拟小区和下一个虚拟小区均不属于当前小区cell1,l对应的子集(子集中仅有一个元素)。故馈电波束fbl,l∈{1,...,17}不断接力覆盖当前小区cell1,l的卫星，过程如下：

t0时刻前：信关站1基于卫星satellite_next的星历解算跳入时刻t0卫星的位置，解算馈电波束fbl对应的全空相控阵波束指向和赋型相关配置参数；卫星satellite_next根据星历和信关站1位置，解算卫星馈电波束相控阵波束的指向和赋型参数。

t0时刻：卫星satellite_next用户波束覆盖虚拟小区cell1,l，同时卫星satellite_next馈电波束指向信关站1，同时信关站1修改全空域相控阵参数，调度fbl指向卫星，卫星satellite_next和信关站1建立馈电链路。

t0～t1时刻：馈电波束fbl持续跟踪卫星satellite_next；信关站1基于卫星satellite_next+1的星历解算跳入时刻t1卫星的位置，解算馈电波束fbl对应的全空相控阵波束指向和赋型相关配置参数；卫星satellite_next+1根据星历和信关站1位置，解算卫星馈电波束相控阵波束的指向和赋型参数。

t1时刻：卫星satellite_next+1用户波束覆盖虚拟小区cell1,l，同时卫星satellite_next+1馈电波束指向信关站1，同时信关站1修改全空域相控阵参数，调度fbl指向卫星，卫星satellite_next+1和信关站1建立馈电链路。

t1～t2时刻：馈电波束fbl持续跟踪卫星satellite_next+1；信关站1基于卫星satellite_next+2的星历解算跳入时刻t2卫星的位置，解算馈电波束fbl对应的全空相控阵波束指向和赋型相关配置参数；卫星satellite_next+2根据星历和信关站1位置，解算卫星馈电波束相控阵波束的指向和赋型参数。

t2时刻：卫星satellite_next+2用户波束覆盖虚拟小区cell1,l，同时卫星satellite_next+2馈电波束指向信关站1，同时信关站1修改全空域相控阵参数，调度fbl指向卫星，卫星satellite_next+2和信关站1建立馈电链路。

……

以上过程中，馈电波束fbl始终在跟踪凝视覆盖虚拟小区cell1,l的卫星，实现了卫星透明化，建立“地面虚拟小区-馈电波束-信关站bbu”全过程绑定关系，避免发生用户群切换。

信关站2处理过程相同。

由于虚拟小区与信关站绑定，卫星跨信关站时，也不会发生用户群切换。

实施例一的技术效果

该方案通过构建支持协同切换的透明/数字采样转发低轨卫星通信系统架构，支持“地面虚拟小区-馈电波束-信关站bbu”一一对应绑定关系的建立，在低轨卫星运行全过程，通过协同切换流程维持绑定关系不变，避免卫星馈电链路的切换影响，防止卫星运动过程中因馈电或者用户链路跳变出现的用户跨小区群切换。

实施例二

步骤1：以相邻的两个信关站为案例，每个信关站配置1个相控阵天线，信关站1配置8个cu，信关站2配置10个cu，构建支持协同切换的du上星低轨卫星通信系统架构，如图6所示。

步骤2：根据信关站相控阵覆盖范围、多波束波束能力和配置的cu情况，划定两个信关站管辖的地面区域，并将每个信关站管辖的区域内的虚拟小区进行编号，如图7所示。

其中，信关站1下辖16个虚拟小区，信关站2下辖20个虚拟小区。

步骤3：配置1个cu处理2个虚拟小区，信关站1中cu与虚拟小区建立对应关系信关站2中bbu与虚拟小区建立对应关系其中，表示上取整。

步骤4：信关站1相控阵形成16个馈电波束，每个波束与cu建立对应关系

信关站2相控阵形成20个馈电波束，每个波束与cu建立对应关系

相应地，信关站1每个波束与虚拟小区对应关系为cell1,n→fbn,n＝1,...,16；

信关站2每个波束与虚拟小区对应关系为cell2,l→fbl,l＝1,...,20。

一个cu对应2个馈电波束对应2个小区，故ωk和ψk中均有2个元素。

步骤5：针对虚拟小区cell1,n,n∈{1,...,16}，信关站1根据卫星用户波束对虚拟小区cell1,n覆盖的计划列表，得到虚拟小区cell1,n一段时间内对其进行覆盖的相应卫星的列表：

随着时间推移，针对虚拟小区cell1,n的凝视覆盖和馈电链路协同跳变的过程如下：

t0时刻前：信关站1基于卫星satellite_next的星历解算跳入时刻t0卫星的位置，若由馈电波束fbn接力该卫星，解算馈电波束fbn对应的全空域相控阵波束指向和赋型相关配置参数；卫星satellite_next根据星历和信关站1位置，解算卫星馈电波束相控阵波束的指向和赋型参数。t0时刻：卫星satellite_next用户波束覆盖虚拟小区cell1,n，同时卫星satellite_next馈电波束指向信关站1，同时信关站1修改全空域相控阵参数，调度fbn指向卫星，卫星satellite_next和信关站1建立馈电链路。

t0～t1时刻：馈电波束fbn持续跟踪卫星satellite_next；信关站1基于卫星satellite_next+1的星历解算跳入时刻t1卫星的位置，通过覆盖列表发现卫星satellite_next+1覆盖的上一个小区与当前小区cell1,n同属于则保持跟踪卫星satellite_next+1的全空相控阵波束不变(n为偶数，该波束fbn′为fbn-1；n为奇数，该波束fbn′为fbn+1)；卫星satellite_next+1馈电相控阵波束保持跟踪信关站1不变。

t1时刻：卫星satellite_next+1用户波束覆盖虚拟小区cell1,n，信关站馈电波束fbn′不变，卫星馈电波束不变。

t1～t2时刻：馈电波束fbn′持续跟踪卫星satellite_next+1；信关站1基于卫星satellite_next+2的星历解算跳入时刻t2卫星的位置，解算馈电波束fbn′对应的全空相控阵波束指向和赋型相关配置参数；卫星satellite_next+2根据星历和信关站1位置，解算卫星馈电波束相控阵波束的指向和赋型参数。

t2时刻：卫星satellite_next+2用户波束覆盖虚拟小区cell1,n，同时卫星satellite_next+2馈电波束指向信关站1，同时信关站1修改全空域相控阵参数，调度fbn′指向卫星，卫星satellite_next+2和信关站1建立馈电链路。

……

以上过程中，跟踪凝视覆盖虚拟小区cell1,n的卫星的馈电波束fbn或者fbn′均是中的波束，实现了卫星透明化，建立“地面虚拟小区-馈电波束-信关站cu”全过程绑定关系，避免发生用户群切换。

信关站2处理过程相同。

由于虚拟小区与信关站绑定，卫星跨信关站时，也不会发生用户群切换。

实施例二的技术效果

该方案通过构建支持协同切换的du上星低轨卫星通信系统架构，支持“地面虚拟小区子集-馈电波束子集-信关站cu”对应绑定关系的建立，在低轨卫星运行全过程，通过协同切换流程维持绑定关系不变，避免卫星馈电链路的切换影响，防止卫星运动过程中因馈电或者用户链路跳变出现的用户跨小区群切换。

本发明优势：

本发明利用相控阵波束快速指向的能力，构建了一种低轨卫星通信系统架构，支持卫星用户链路与馈电链路协同跳变，以实现地面固定虚拟小区子集与信关站固定bbu或者cu子集关系的绑定，消除透明转发/数字采样转发或者du上星模式的卫星移动性对用户切换的影响，避免卫星切换时虚拟小区用户群切换，可满足用户通信连续性的需求。

相比利用正常的解决群切换问题的算法来保证用户通信连续性，大大较少bbu间或者cu间信令和数据的交换，减少因群切换引起的空口信令开销。