卫星互联网分布式移动性管理方法与系统

本发明涉及低轨卫星网络移动性管理，尤其涉及一种卫星互联网分布式移动性管理方法与系统。

背景技术：

1、随着全球第五代移动通信技术（5th generation mobile communicationtechnology，简称5g）网络和卫星通信技术的发展，卫星互联网成为实现全球无缝网络覆盖和广泛应用的关键手段之一。卫星互联网是通过在地球轨道上运行的卫星向地面提供互联网接入服务的一种通信方式。它能在全球范围内，特别是地面通信网络难以覆盖的偏远和海洋地区，提供互联网连接。根据3gpp tr 38.821标准，卫星通信可分为多种架构，其中包括通过卫星实现非地面网络（non-terrestrial network，简称ntn）的数据传输。卫星互联网主要由空间段、地面段和用户段几个连接组成。用户设备（user equipment，简称ue）直连卫星访问互联网是未来卫星互联网发展的趋势。数据上传时，ue将数据发送到卫星，卫星将数据转发到地面站，再由地面站发往互联网骨干网；数据下载时，数据从互联网骨干网经过地面站传输到卫星，再由卫星回传到ue。

2、现今，卫星互联网正从传统的地球同步轨道（geostationary earth orbit，简称geo）卫星向低地球轨道（low earth orbit，简称leo）卫星网络发展，主要得益于低轨卫星所具备的优势。leo卫星网络由于其低轨道高度较低，通常在200到2000公里之间，具备低延迟、全球覆盖和高带宽等优势。然而，由于低轨卫星移动速度快，ue需要频繁地切换连接的卫星，增加了通信协议的复杂性和切换延迟。因此卫星互联网在移动性管理面临诸多技术挑战，特别是在ue接入的卫星频繁切换的情况下，如何保证数据传输不中断是一个业界难题。

3、卫星网络的快速移动性，造成了传统基于ip地址的路由和转发机制在卫星网络通信中面临巨大的困难。ip地址具有与位置绑定的属性，在地面网络具有很好的可规划性、安全性，但是在高移动卫星网络中存在明显的缺陷，体现在如果将终端接入的网关设在卫星上，那么其ip地址的网段就应该是接入卫星的ip地址网段中的地址，卫星的快速移动会造成其网关地址段跟随接入卫星的切换而发生改变，同时由于终端接入的卫星发生变化，终端的主机路由需要重新洪泛，让所有卫星刷新接入终端的主机路由。因此，这种传统的ip路由机制极易造成路由的频繁震荡，影响卫星网络的稳定性和可用性。

4、现有5g的网络架构包括核心网（core network，简称cn）、接入网（radio accessnetwork，简称ran）、ip移动承载网（ip radio access network，简称ipran）和ue等组件。核心网包括接入与移动性管理功能（access and mobility management function，简称amf）、会话管理功能（session management function，简称smf）、统一数据管理（unifieddata management，简称udm）、用户平面功能（user plane function，简称upf）、策略控制功能（policy control function，简称pcf）等模块，ran负责连接ue，通过基站实现无线数据的传输，ipran负责连接基站和cn，各模块协同工作，实现接入和移动性管理、连接管理、会话管理和策略控制等功能。

5、在集中式移动性管理架构中， ue直连卫星，ue的注册和切换都需要通过地面核心网，尽管这种方式在一定程度上简化了网络设计，但是ue注册需要经过星地之间多次信令交互，造成用户注册时间非常长,卫星切换时ue与核心网交互信令多等问题，集中式移动性管理应用于卫星互联网暴露出了扩展性差和效率低等问题。

技术实现思路

1、发明目的：针对上述卫星互联网中，现有ip路由机制存在频繁震荡，集中式移动性管理面临用户注册时间长，卫星切换时ue与核心网交互信令多等问题，本发明公开了一种卫星互联网分布式移动性管理方法与系统。本发明基于5g核心网架构，提出一种基于虚拟集群网格（grid）与簇（cluster）路由管理机制，并将核心网功能部署到每颗卫星上，实现了在卫星移动时ue的ip地址可以保持不变，使得ue数据传输在接入卫星频繁切换时依然保持连接不中断。本发明提出的虚拟ip的管理机制，核心思想是通过cluster的聚合路由和子网路由的管理机制隐藏卫星的移动性，实现ue的ip地址在卫星频繁切换时依然保持不变，并将核心网的移动管理和会话管理部署到每颗卫星上，直接在卫星cluster的子网中为ue分配ip 地址，从而降低用户注册开销和卫星切换信令开销。

2、本发明首先提供一种卫星互联网分布式移动性管理方法，该方法通过虚拟集群cluster/grid聚合路由（虚拟集群cluster/grid聚合路由简称vip）和子网路由（子网路由简称subvip）管理机制来隐藏卫星的移动性，老卫星向新卫星实时同步已上线用户的连接管理信息和卫星路由，使得用户在卫星切换前后能够保持相同的ip地址，该方法具体包括如下步骤：

3、s1.基于簇的卫星节点拓扑管理与路由管理，路由管理包括vip管理与subvip管理以及vip网段路由加载及发布；

4、s2.用户注册，从subvip地址池中为ue分配ip地址（把为ue分配ip地址简称ueip），为卫星网关分配浮动ip地址/网络前缀长度和vmac地址，其中浮动ip地址/网络前缀长度简称sip，卫星网关分配浮动ip地址/网络前缀长度和vmac地址为subvip网段；

5、s3.星载路由器的ue主机路由及卫星网关sip子网加载，星载路由器通过sip向地面核心网中的用户平面功能模块，即upf建立分组无线服务隧道协议隧道（分组无线服务隧道协议隧道简称gtp隧道）；

6、s4.星载udm与地面udm的信息同步：星载udm中的ue连接管理信息、卫星ssp信息和路由信息同步到地面udm；

7、s5. ue数据通过地面upf访问互联网：ue与星载基站建立连接，星载基站接收来自ue的射频信号转换为ip分组报文传递到星载路由器，ue采用分配的ueip作为源ip地址，将星载路由器sip作为下一跳网关地址，vmac作为网关的mac地址发送报文；星载路由器接收到ue分组报文后，通过gtp隧道发送到地面upf访问互联网，其中，星载路由器通过空间ip网络传输数据到ntn网关；

8、s6.互联网数据返回：互联网报文借助vip网段路由到达ntn网关，ntn网关查找sip获得波束信道，将分组报文路由到与之连接的卫星，星载路由器查找ueip主机路由将报文回传到ue；

9、s7.基于预测组网控制的卫星切换。

10、进一步地，步骤s1所述基于簇的卫星节点拓扑管理与路由管理，是基于簇的卫星节点拓扑管理通过将卫星轨道按空间分布拓扑和覆盖范围划分为若干类似蜂窝的簇实现路由聚合，具体包括：

11、1）将卫星轨道按空间分布拓扑和覆盖范围划分为若干类似蜂窝的簇（把类似蜂窝的簇称之为cluster），为每个cluster分配簇唯一标识符（唯一标识符简称cid）；

12、2）vip聚合路由管理与subvip子网路由管理：地球表面按照经纬度划分为多个网格，每个网格称之为grid，每个grid拥有唯一标识符（gid）和一个vip地址池（vip地址池也称为vip网段），vip网段进一步细分为若干子网（称之为subvip地址池或者subvip网段），用于用户注册时分配ip地址；每个grid映射到一个卫星cluster，包含该grid内一个时间周期内可见的所有卫星，cluster获得相应的vip网段并分配subvip网段给各卫星，同时每个cluster还拥有一个虚拟媒体访问控制地址（虚拟媒体访问控制地址简称vmac），如此建立地面grid与天上卫星cluster之间的映射关系；

13、3）vip网段路由加载及发布：ntn网关向所有卫星加载cluster的vip地址池和subvip地址池组，存储到星载udm中，同时ntn网关将cluster的vip网段发布到互联网。

14、进一步地，步骤s2所述用户注册，具体包括：

15、ue将注册请求消息发送到星载核心网中的接入与移动性管理功能模块（星载核心网中的接入与移动性管理功能模块即星载amf）；星载amf登记ue信息，然后向星载核心网中的会话管理功能模块，即星载smf发送会话请求；

16、星载smf从星载核心网中的统一数据管理系统（星载核心网中的统一数据管理系统即星载udm）存储的subvip地址池中为ue分配一个ip地址（为ue分配一个ip地址称为ueip），为卫星分配虚拟媒体访问控制地址，虚拟媒体访问控制地址包括vmac和一个ip地址，这里的ip地址称为sip，然后携带ueip、sip、vmac信息向星载amf返回注册应答消息；

17、星载amf确认注册后返回给ue，ue获得分配给它的ueip地址和星载路由器的网关sip和vmac地址。

18、进一步地，步骤s7所述基于预测组网控制的卫星切换，首先基于星历进行卫星切换的信息同步，将老卫星上的路由信息和用户连接信息同步到新卫星，当卫星移出当前cluster时，将触发切换过程，老卫星将其udm中的sip、vmac、ueip主机路由、ue的稳态连接管理信息同步到新卫星的udm，做到在卫星切换后新卫星上的路由信息和用户连接信息与老卫星保持一致，用户连接不中断。

19、进一步地，所述基于星历进行卫星切换的信息同步，是一个grid对应的cluster中的卫星每若干分钟切换一次，通过预设的时间节点和切换节奏，从而获得1天24小时的cluster集合时间图，形成可预测的卫星切换集合，即星历，基于该星历进行卫星切换的信息同步的控制，具体包括：

20、卫星状态定义：为卫星切换处理定义了四个状态，即初始状态、路由同步状态、切换状态和切换完成状态，实现卫星切换时的用户数据和卫星路由的同步控制；

21、路由同步：路由同步分为cluster 位置感知、cluster星历周期感知、cluster预切换开始、路由同步、数据包转发，路由信息和连接管理信息的删除，实现卫星的平滑切换。

22、进一步地，所述的卫星状态定义，包括：

23、初始状态：卫星即将进入新的cluster时，卫星将路由标记为同步状态，该状态不影响当前连接用户的数据传输和会话；

24、路由同步状态：在这个状态下，卫星不接纳新用户注册，但是接纳用户下线，同时将用户的主机路由信息和数据包同步给即将进入当前cluster的新卫星；

25、切换状态：在这个状态下，卫星实际开始执行cluster切换操作，将当前用户迁移至新卫星，新卫星可以接纳新用户，具体包括将用户的上下文和会话信息注册到新卫星上。

26、切换完成状态：在这个状态下，卫星已经成功完成cluster切换操作，所有用户已经迁移到新卫星，旧卫星删除之前cluster中的信息，释放资源。

27、进一步地，所述的路由同步，具体流程包括：

28、cluster 位置感知：cluster内的旧卫星感知当前地理位置（当前地理位置即ssp）；

29、cluster星历周期感知：旧卫星感知当前cluster的星历周期（当前cluster的星历周期即tle）；

30、cluster预切换开始：旧卫星开始预切换，与即将进入cluster的新卫星进行路由同步；

31、路由同步：在星载核心网中和地面核心网中的udm进行路由同步，同步的数据包括：ue连接管理信息<location,mac,ueip>，ueip主机路由，卫星<ssp,sip,vmac>，sip /网络前缀长度和vmac地址，gtp隧道信息；

32、路由信息和连接管理信息的删除：旧卫星删除上一个cluster的已经同步过去的数据。

33、本发明还提供一种卫星互联网分布式移动性管理系统，该系统用于运行上述的卫星互联网分布式移动性管理方法，所述系统包括星载基站、星载路由器、星载核心网、ntn网关和地面核心网，其中：

34、星载基站（简称gnb），使用无线资源控制协议，简称rrc协议来管理ue的接入；

35、星载路由器，负责建立与地面核心网中的upf之间的gtp隧道，转发ip数据报文；

36、星载核心网，包括amf、smf、udm功能，amf负责用户的注册和移动性管理，smf负责用户和卫星ip地址分配和连接管理，udm负责存储vip地址池，subvip地址池，cluster和grid的位置信息和用户连接管理信息；

37、ntn网关，通常设在地面站上，负责包括地面核心网在内的地面网络和包括星载核心网在内的卫星网络之间的接口和数据转换；

38、地面核心网，负责移动互联网数据传输。

39、有益效果：

40、1、本发明提供了一种卫星互联网分布式移动性管理方法，基于cluster的移动性管理方案，通过卫星虚拟集群技术，实现聚合路由和子网路由分配机制，为卫星分配浮动ip网关地址，从而隐藏卫星的移动性，转化为固定的cluster。根据这种方法所有的通信数据均会根据vip分配到对应cluster的卫星，并且可以在cluster内部进行快速的ip地址解析和数据转发，提高了数据传输的效率和稳定性。

41、2、由于每个grid及其映射的cluster的vip网段是固定的，卫星始终继承地面grid的vip，卫星发生切换时，该grid中的ue的网关地址段不会跟随接入卫星的切换而发生改变，那么所分配的ip地址就是固定的，从而实现了ue只在该grid范围内漫游时，ip地址可以保持不变，减少了ip冲突和切换过程中的ip重分配风险，保证了数据传输的持续不中断。

42、3、所述方法通过预测组网及时控制卫星切换时的用户信息和路由同步，通过预设的时间节点和切换节奏，形成可预测的卫星切换集合，提高了服务的可靠性。且ue接入的卫星发生变化时，主机路由已经同步完成，无需重新洪泛，所有卫星无需刷新接入ue的主机路由，不会造成路由的频繁震荡，提高了卫星网络的稳定性和可用性。

43、4、在每颗卫星上分布amf、smf、udm等核心网功能，ue的注册和切换不需要通过地面核心网，大大缩短了用户的注册时间和移动用户上线时延，减少了卫星切换时ue与地面核心网的交互信令，同时核心网功能部署在每颗卫星上提高了卫星互联网的可扩展性，可以灵活应对卫星互联网的动态性。