用于GEO卫星通信的自适应波束切换方法及系统

本申请涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种用于GEO卫星通信的自适应波束切换方法及系统。

随着卫星通信领域的技术发展，我国通信卫星逐步由传统的C、Ku大波束卫星向Ku、Ka点波束卫星发展。多点波束对地球静止轨道GEO(Geostationary Orbit)卫星采用了多复用的技术，极大的提升了带宽频段的利用率，能够保证用户以更高的通信速率进行上网。

卫星通信系统中的移动性管理技术主要包括消除因移动带来的信号的多普勒频移、阴影效应和天气变化等因素的影响、移动终端在多波束中的切换策略、结合移动终端的无线资源管理机制以及移动IP管理等。其中，点波束切换为重要部分，波束切换管理是移动性管理技术中的一项关键技术。高速的移动终端在多点波束之间的移动，尤其是跨波束的移动，会带来天线的频繁调整，甚至在某些情况下会导致“乒乓效应”的出现，对于通信的稳定性保障是一个亟待解决的问题，因此波束切换管理也不容忽视，优秀的波束切换管理策略可保证正在通信中的移动用户从一个波束移动到另外一个波束时通信的连续性。

目前，波束切换策略包括基于地理位置的切换机制、基于移动终端导频信号强度的算法的切换机制等等。当传输特性、移动速度等系统参数在较大范围内发生变化时，上述波束切换策略均不具备良好的适应性，而且，在复杂环境下，单一的切换机制容易造成结果误差概率的增加。

有鉴于此，本申请的目的在于提出一种用于GEO卫星通信的自适应波束切换方法及系统。

基于上述目的，本申请提供了一种用于GEO卫星通信的自适应波束切换方法，包括：

获取移动终端的位置信息以及全部覆盖波束的数据信息；

基于所述移动终端的位置信息和所述覆盖波束的数据信息，从全部所述覆盖波束中选取与所述移动终端的行进方向一致的所述覆盖波束作为第一候选切换波束集合；

从所述第一候选切换波束集合中选取满足预设波束切换条件的所述覆盖波束作为目标切换波束；

所述移动终端向信关站发送波束切换申请并同时将所述目标切换波束发送至所述信关站；

响应于确定接收到所述波束切换申请和所述目标切换波束，所述信关站向所述移动终端发送目标波束资源配置；

响应于确定接收到所述目标波束资源配置，所述移动终端执行波束切换。

进一步的，所述数据信息包括所述覆盖波束的位置信息、信号强度和链路质量指标。

进一步的，基于所述移动终端的位置信息和所述覆盖波束的数据信息，从全部所述覆盖波束中选取与所述移动终端的行进方向一致的所述覆盖波束作为第一候选切换波束集合，包括：

基于相邻两次获取到的所述移动终端的位置信息以及所述覆盖波束的位置信息，确定所述移动终端的行进方向，从全部所述覆盖波束中选取与所述移动终端的行进方向一致的所述覆盖波束作为第一候选切换波束集合。

进一步的，所述从所述第一候选切换波束集合中选取满足预设波束切换条件的所述覆盖波束作为目标切换波束，包括：

响应于确定当前时刻所述第一候选切换波束集合中存在满足第一预设条件的所述覆盖波束，且该所述覆盖波束在触发时间内持续满足第二预设条件，则将该覆盖波束作为目标切换波束，

响应于确定在所述移动终端离开所述第一候选切换波束集合中的全部所述覆盖波束的重叠区域之前，所述第一候选切换波束集合中存在满足第一预设条件的所述覆盖波束，且该所述覆盖波束在触发时间内持续满足第二预设条件，则将该覆盖波束作为目标切换波束，

其中，所述第二预设条件基于所述数据信息确定。

进一步的，所述响应于确定当前时刻所述第一候选切换波束集合中存在满足第一预设条件的所述覆盖波束，且该所述覆盖波束在触发时间内持续满足第二预设条件，则将该覆盖波束作为目标切换波束，包括：

响应于确定在当前时刻所述移动终端的带宽需求小于等于所述第一候选切换波束集合中的其中一个所述覆盖波束的资源余量，且该覆盖波束在触发时间内持续满足第二预设条件，则将该覆盖波束作为目标切换波束。

进一步的，所述响应于确定在所述移动终端离开所述第一候选切换波束集合中的全部所述覆盖波束的重叠区域之前，所述第一候选切换波束集合中存在满足第一预设条件的所述覆盖波束，且该所述覆盖波束在触发时间内持续满足第二预设条件，则将该覆盖波束作为目标切换波束，包括：

响应于确定在所述移动终端离开所述第一候选切换波束集合中的全部所述覆盖波束的重叠区域之前，所述移动终端的带宽需求小于等于所述第一候选切换波束集合中的其中一个所述覆盖波束的资源余量，且所述移动终端在所述重叠区域的飞行时间大于在该所述覆盖波束的波束资源中的排队时间，且该所述覆盖波束在触发时间内持续满足第二预设条件，则将该覆盖波束作为目标切换波束。

进一步的，所述第二预设条件，包括：

基于所述数据信息通过预设算法分别对所述第一候选切换波束集合中的每一个所述覆盖波束进行计算，得到计算结果，且所述计算结果大于预设阈值。

基于同一发明构思，本申请还提供了一种用于GEO卫星通信的自适应波束切换系统，包括：

移动终端，被配置为获取移动终端的位置信息以及全部覆盖波束的数据信息；基于所述移动终端的位置信息和所述覆盖波束的数据信息，从全部所述覆盖波束中选取与所述移动终端的行进方向一致的所述覆盖波束作为第一候选切换波束集合；从所述第一候选切换波束集合中选取满足预设波束切换条件的所述覆盖波束作为目标切换波束；向信关站发送波束切换申请并同时将所述目标切换波束发送至所述信关站；响应于确定接收到所述目标波束资源配置，所述移动终端执行目标波束切换；

信关站，被配置为响应于确定接收到所述波束切换申请和所述目标切换波束，所述信关站向所述移动终端发送目标波束资源配置。

进一步的，若所述第一候选切换波束集合中不存在满足所述预设波束切换条件的所述覆盖波束且所述移动终端满足第三预设条件，则由所述移动终端向所述信关站发起紧急切换请求。

进一步的，所述第三预设条件，包括：所述移动终端与当前进行通信的所述覆盖波束的中心的距离大于该所述覆盖波束的半径。

从上面所述可以看出，本申请提供的一种用于GEO卫星通信的自适应波束切换方法及系统，通过获取移动终端和其全部覆盖波束的地理信息和通信数据信息，并进行加权综合评估，以确定所述移动终端的目标切换波束，解决了基于单一变量判断目标波束切换时稳定性较差的问题，使得本申请的波束切换方法的应用场景更加灵活，鲁棒性更强。同时，本申请的波束切换方法通过预先对移动终端的行进方向进行预测，再对目标切换波束进行选择和判断，能够有效避免波束切换过程中产生的“乒乓效应”。

为了更清楚地说明本申请或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例的用于GEO卫星通信的自适应波束切换方法的流程示意图；

图2a为本申请实施例的移动终端行进方向和目标覆盖波束一致的示意图；

图2b为本申请实施例的移动终端行进方向和目标覆盖波束不一致的示意图。

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如背景技术所述，目前波束切换方法主要包括基于地理位置的波束切换方法、基于移动终端接收信号强度的波束切换方法和基于接收信号强度和移动终端速度的动态硬切换方法。其中，基于地理位置的波束切换方法是对切换请求遵循着先来先服务的原则，对于不同终端来说，这种方法不是最有效的，因为忽略了终端的速度、终端的移动方向等众多因素。而且，仅仅基于地理位置进行波束切换时，判断条件过于单一，地理位置不能完全代表通信质量。对于基于移动终端接收信号强度的波束切换方法，当传输特性、移动速度等系统参数在较大范围内发生变化时，此方法不具备良好的适应性。而在GEO卫星移动通信系统中，高速移动终端(飞机、弹载)的速度范围跨度很大，且当移动终端的速度在大范围内变化并且移动终端处于高速时，将导致移动终端在波束之间频繁切换，产生较大的延迟切换，进而导致切换性能的降低。传统算法中迟滞参数H和触发时间T的引入，虽然在一定程度上避免了乒乓效应，但迟滞参数H和触发时间T取值往往采用静态的数值，甚至采取了预置的方式。因此，这种固定且单一的切换判决方法在很大程度上增加了切换时延，降低了切换效率，也无法适应系统参数在较大范围的变化，并且不便于在各项优化设计准则间(包括链路质量、切换时延、呼叫质量、失败切换数和切换频率等)进行灵活的折衷。最后，对于基于接收信号强度和移动终端速度的动态硬切换方法，虽然本方法根据移动终端的速度和接收到的导频信号强度测量值，动态调整平均窗口的长度和磁滞余量，降低了链路劣化率和切换时延，避免了不必要的切换，对高速移动终端具有良好的适应性，但是该算法没有考虑位置因素，采用硬切换的方式容易造成通信中断。

本申请提供的一种用于GEO卫星通信的自适应波束切换方法及系统，通过对地理位置信息和通信质量的参数进行加权综合评估，解决了单一变量判断进行波束切换的稳定性差的问题。同时，提出了多层分级判断机制，能够使得波束切换方法应用场景更加灵活，鲁棒性更强。

以下结合附图来详细说明本申请的实施例。

本申请提供了一种用于GEO卫星通信的自适应波束切换方法，参考图1，包括以下几个步骤：

步骤S101、获取移动终端的位置信息以及全部覆盖波束的数据信息。通过对移动终端设备的传感器进行采样和解算以及基于交互式协议利用卫星终端设备的GPS定位功能和信号强度检测功能获取移动终端的位置信息和覆盖波束的数据信息。本实施例中的位置信息和数据信息的获取是实时进行、持续不间断获取的。

步骤S102、基于所述移动终端的位置信息和所述覆盖波束的数据信息，从全部所述覆盖波束中选取与所述移动终端的行进方向一致的所述覆盖波束作为第一候选切换波束集合。

具体的，所述移动终端可能位于多个覆盖波束的通信范围内，当前与所述移动终端进行通信的覆盖波束位于所述多个覆盖波束中。当所述移动终端需要进行波束切换时，需要选取与移动波束行进方向一致的覆盖波束作为目标切换波束的候选波束，也即从多个覆盖波束中确定第一候选切换波束集合。通过预先对移动终端的行进方向进行预测，可以有效避免波束切换过程中产生的“乒乓效应”，防止移动终端频繁进行波束切换。

步骤S103、从所述第一候选切换波束集合中选取满足预设波束切换条件的所述覆盖波束作为目标切换波束。本实施例中的预设波束切换条件采用多层分级判断机制，同时结合不同的变量对波束切换过程进行判断，可以针对多种波束切换场景(至少包括两波束重叠区)进行场景分析，能够使得该波束切换策略应用场景更加灵活，鲁棒性更强。

步骤S104、所述移动终端向信关站发送波束切换申请并同时将所述目标切换波束发送至所述信关站。具体的，在在卫星移动通信系统设计中，信关站确定系统网络结构及组网形式。移动终端向信关站发起波束切换申请，同时告知信关站目标切换波束号，再由信关站向卫星资源管控系统申请目标切换波束频率、功率、时隙资源。

步骤S105、响应于确定接收到所述波束切换申请和所述目标切换波束，所述信关站向所述移动终端发送目标波束资源配置。

信关站收到波束切换申请和目标切换波束后，向卫星资源管控系统申请目标切换波束频率、功率、时隙资源，申请成功后向移动终端进行下发，同时约定切换的时隙，信关站通过备份接入单元提前在该时隙进行值守，防止切换过程中数据丢失。

步骤S106、响应于确定接收到所述目标波束资源配置，所述移动终端执行波束切换。移动终端接受到目标波束资源配置后，依据约定时隙进行目标波束切换，以完成整个波束切换流程，并在新的覆盖波束范围内向信关站更新自身状态。

在上述步骤中，移动终端负责计算和选择目标切换波束，确定了目标切换波束后向信关站进行波束切换申请，申请成功后再执行目标波束切换。移动终端对于不断获取到的位置信息和数据信息持续进行计算，计算结果只要符合预设切换条件就向信关站发起波束切换申请。

在一些实施例中，所述数据信息包括所述覆盖波束的位置信息、信号强度和链路质量指标。对移动终端设备的传感器信息进行采样和解算，基于交互式协议利用卫星终端设备的GPS定位功能和信号强度检测功能等得到移动终端的位置信息以及全部覆盖波束的位置信息、信号强度RSSI(received signal strength indication)和链路质量指示LQI(link quality indicator)。

在一些实施例中，基于所述移动终端的位置信息和所述覆盖波束的数据信息，从全部所述覆盖波束中选取与所述移动终端的行进方向一致的所述覆盖波束作为第一候选切换波束集合，包括：

基于相邻两次获取到的所述移动终端的位置信息以及所述覆盖波束的位置信息，确定所述移动终端的行进方向，从全部所述覆盖波束中选取与所述移动终端的行进方向一致的所述覆盖波束作为第一候选切换波束集合。

具体的，参考图2a和图2b，本实施例针对目标切换波束与移动终端行进方向的关系进行判断。图2a和图2b中展示的是包含两种覆盖波束的情况，此时与移动终端进行通信的是中心点为A的覆盖波束，目标切换波束暂定为中心点为O的覆盖波束。假设在时刻t时，通过位置信息确定的移动终端的位置坐标为(x,y,z)，在t+Δt时刻移动终端的位置坐标为(x+Δx,y+Δy,z+Δz)，则移动终端当前的行进方向为c＝(Δx，Δy，Δz)，行进方向在图2a和图2b中表示为向量当覆盖重叠区域由两个覆盖波束组成时，可以根据以下规则进行判断。由两个覆盖波束的位置信息和移动终端的位置信息，可以得到移动终端与两个覆盖波束的交点的向量和如果向量在AO和或者AO和形成角内，则可以判断目标切换波束与移动终端的行进方向一致。图2a中向量不在AO和或者AO和形成角内，则表示中心点为O的覆盖波束与移动终端的行进方向不一致。图2b中向量在AO和形成角内，则表示中心点为O的覆盖波束与移动终端的行进方向一致，可以将中心点为O的覆盖波束作为目标切换波束。如果覆盖波束的重叠区域由三个及以上覆盖波束组成，可以采用上述同样的方法确定与移动终端行进方向相同的覆盖波束作为目标切换波束的候选波束，将全部候选波束组成为第一候选切换波束集合。

在一些实施例中，所述从所述第一候选切换波束集合中选取满足预设波束切换条件的所述覆盖波束作为目标切换波束，包括：

响应于确定当前时刻所述第一候选切换波束集合中存在满足第一预设条件的所述覆盖波束，且该所述覆盖波束在触发时间内持续满足第二预设条件，则将该覆盖波束作为目标切换波束，

或响应于确定在所述移动终端离开所述第一候选切换波束集合中的全部所述覆盖波束的重叠区域之前，所述第一候选切换波束集合中存在满足第一预设条件的所述覆盖波束，且该所述覆盖波束在触发时间内持续满足第二预设条件，则将该覆盖波束作为目标切换波束，

其中，所述第二预设条件基于所述数据信息确定。

具体的，若当前时刻在第一候选切换波束集合中存在满足第一预设条件的覆盖波束，则将将该覆盖波束作为目标切换波束，若存在多个满足第一预设条件的覆盖波束，则通过预设算法对每一个满足第一预设条件的覆盖波束进行计算，将计算结果的最大值对应的覆盖波束作为目标切换波束。若在当前时刻第一候选切换波束集合中不存在满足第一预设条件的覆盖波束，但是在移动终端离开重叠区域之前出现了满足第一预设条件的覆盖波束，则将该覆盖波束作为目标切换波束，若存在多个满足第一预设条件的覆盖波束，则通过预设算法对每一个满足第一预设条件的覆盖波束进行计算，将计算结果的最大值对应的覆盖波束作为目标切换波束。经由上述两种方法确定的目标切换波束均需要在触发时间内同时满足第二预设条件。其中，所述触发时间是指满足触发条件的持续时间，在这段持续时间内持续满足波束切换的触发条件，设置触发时间能够有效避免频繁波束切换，避免乒乓效应。

在一些实施例中，所述第二预设条件，包括：

基于所述数据信息通过预设算法分别对所述第一候选切换波束集合中的每一个所述覆盖波束进行计算，得到计算结果，且所述计算结果大于预设阈值。

具体的，所述预设算法的计算公式如下所示

其中，d0表示移动终端与当前进行通信的覆盖波束的中心的距离，di表示移动终端与覆盖波束i的中心的距离，LQI0表示当前与移动终端进行通信的覆盖波束的信号链路质量，LQIi表示覆盖波束i的信号链路质量，RSSI0表示当前与移动终端进行通信的覆盖波束的信号强度，RSSIi表示覆盖波束i的信号强度，α，β，γ表示加权系数，且α+β+γ＝1，本实施例中预设阈值设置为1，预设阈值的具体数值可以根据实际需求进行调整。

在一些实施例中，所述响应于确定当前时刻所述第一候选切换波束集合中存在满足第一预设条件的所述覆盖波束，且该所述覆盖波束在触发时间内持续满足第二预设条件，则将该覆盖波束作为目标切换波束，包括：

响应于确定在当前时刻所述移动终端的带宽需求小于等于所述第一候选切换波束集合中的其中一个所述覆盖波束的资源余量，且该覆盖波束在触发时间内持续满足第二预设条件，则将该覆盖波束作为目标切换波束。

具体的，当前时刻在所述第一候选切换波束集合中存在一个覆盖波束，该覆盖波束的资源余量Bi大于等于所述移动终端的带宽需求Bflight，说明所述移动终端可以切换至该覆盖波束进行通信，并且在触发时间内该覆盖波束持续满足所述第二预设条件，也即通过公式(1)计算得到的数值持续大于预设阈值1，则将该覆盖波束作为目标切换波束。

在一些实施例中，所述响应于确定在所述移动终端离开所述第一候选切换波束集合中的全部所述覆盖波束的重叠区域之前，所述第一候选切换波束集合中存在满足第一预设条件的所述覆盖波束，且该所述覆盖波束在触发时间内持续满足第二预设条件，则将该覆盖波束作为目标切换波束，包括：

响应于确定在所述移动终端离开所述第一候选切换波束集合中的全部所述覆盖波束的重叠区域之前，所述移动终端的带宽需求小于等于所述第一候选切换波束集合中的其中一个所述覆盖波束的资源余量，且所述移动终端在所述重叠区域的飞行时间大于在该所述覆盖波束的波束资源中的排队时间，且该所述覆盖波束在触发时间内持续满足第二预设条件，则将该覆盖波束作为目标切换波束。

具体的，当前时刻在所述第一候选切换波束集合中不存在满足所述第一预设条件的所述覆盖波束，但是在所述移动终端离开所述重叠区域之前，出现了满足第一预设条件的所述覆盖波束，也即移动终端在重叠区域的飞行时间tflight大于在该覆盖波束中的排队时间twait，且该覆盖波束的资源余量Bi大于等于所述移动终端的带宽需求Bflight，说明所述移动终端可以切换至该覆盖波束进行通信，并且在触发时间内该覆盖波束持续满足所述第二预设条件，也即通过公式(1)计算得到的数值持续大于预设阈值1，则将该覆盖波束作为目标切换波束。

基于同一发明构思，本申请还提供了一种用于GEO卫星通信的自适应波束切换系统，包括：

移动终端，被配置为获取移动终端的位置信息以及全部覆盖波束的数据信息；基于所述移动终端的位置信息和所述覆盖波束的数据信息，从全部所述覆盖波束中选取与所述移动终端的行进方向一致的所述覆盖波束作为第一候选切换波束集合；从所述第一候选切换波束集合中选取满足预设波束切换条件的所述覆盖波束作为目标切换波束；向信关站发送波束切换申请并同时将所述目标切换波束发送至所述信关站；响应于确定接收到所述目标波束资源配置，所述移动终端执行目标波束切换；

信关站，被配置为响应于确定接收到所述波束切换申请和所述目标切换波束，所述信关站向所述移动终端发送目标波束资源配置。

在一些实施例中，若所述第一候选切换波束集合中不存在满足所述预设波束切换条件的所述覆盖波束且所述移动终端满足第三预设条件，则由所述移动终端向所述信关站发起紧急切换请求。

具体的，在当前时刻第一候选切换波束集合中不存在满足第一预设条件的覆盖波束，且在所述移动终端离开所述重叠区域之前在第一候选切换波束集合中也未出现满足第一预设条件的覆盖波束，同时移动终端满足第三预设条件，则需要由移动终端向所述信关站发起紧急切换请求，由移动终端根据历史经验确定一个覆盖波束作为目标切换波束，并向所述信关站发送所述目标切换波束，信关站接收到所述波束切换申请和所述目标切换波束，所述信关站向所述移动终端发送目标波束资源配置，响应于确定接收到所述目标波束资源配置，所述移动终端执行波束切换。

在一些实施例中，所述第三预设条件，包括：所述移动终端与当前进行通信的所述覆盖波束的中心的距离d0大于该所述覆盖波束的半径R，也即当移动终端即将离开当前时刻与之通信的覆盖波束的通信范围时需要发出紧急切换请求。

需要说明的是，上述对本申请的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

尽管已经结合了本申请的具体实施例对本申请进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例本申请实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。