面向民航应用的超密集低轨卫星网络切换移动性管理方法

技术领域

本发明涉及基于超密集低轨卫星星座的民航应用移动性管理领域，主要涉及一种面向民航应用的超密集低轨卫星网络(UDLSN，Ultra-dense Low Earth Orbit SatelliteNetwork)切换移动性管理方法。

背景技术

伴随着全球经济的飞速增长以及互联网行业的迅猛发展，民航业务近年来呈指数形式增长，人们对在飞行途中接入互联网的愿望越来越强烈，提供机上联网服务已成为民航发展的必然趋势。目前，民航飞机上网的技术方案主要有两种:ATG通信和卫星通信。然而，与可以通过地面基站轻松访问网络的地面用户不同，飞机将飞越海洋、山脉和极地等地面基站建设困难的偏远地区。因此从长远来看，卫星通信方式更加灵活，是实现空域连续覆盖的有利手段。并且，作为6G不可缺少的技术手段，卫星通信布局进展迅速，SpaceX等高科技企业纷纷投资低轨卫星通信领域，提出了Starlink等规模庞大的超大规模地轨卫星系统方案，以实现全球互联网覆盖。因此，为了充分满足全球航空用户在飞行中接入互联网的需求，民航互联网将逐步由ATG通信向卫星转发接入过渡。

低轨(LEO，Low Earth Orbit)卫星通信网络具有大覆盖和海量连通性，能够为全球接入服务提供低延迟和高带宽服务。但与传统的地面网络不同，LEO卫星具有运动速度快、拓扑结构变化快的特点，导致飞机接入LEO卫星会发生频繁切换，可能会造成连接中断或网络拥塞。并且随着卫星数目的增多，频谱资源越来越紧张，卫星间存在干扰影响，无法保障链路可靠性，可能会导致连接中断，影响用户的接入体验。因此如何在超密集低轨卫星网络中，应对高度变化的拓补结构，更快、更高效地完成切换选择，保障服务连续性，满足用户通信需求，是一个巨大的挑战。

经过对现有文献的检索发现，H.Zhang等人于2020年9月发表了题为“QoE-DrivenIntelligent Handover for User-Centric Mobile Satellite Networks(移动卫星网络的QoS驱动智能切换机制)”的文章。该文章提出了一种以用户为中心的移动卫星网络的QoS驱动智能切换机制，通过预测服务时间和通信信道资源选择接入卫星。在此基础上，提出了空间关系耦合模型来预测移动终端与卫星之间的相对运动模式，以保证服务持续时间；为了提高切换的有效性，基于相邻卫星的移动模式建立了信道估计模型。最后，采用强化学习方法，通过预测切换因子，最大化用户体验质量。仿真结果表明，所提出的切换机制在切换时间、切换成功率和端到端时延方面具有良好的性能。

经过对现有文献的检索发现，Y.Wu等人于2019年3月发表了题为“ASatelliteHandover Strategy Based on the Potential Game in LEO Satellite Networks(一种基于势博弈的面向LEO卫星网络的卫星切换策略)”的文章。该文章提出了一种基于势博弈的卫星切换策略。在基于SDN的卫星网络体系结构中，将卫星拓扑看作是一个二分图。为了平衡卫星网络的负载，提出了一种基于用户空间最大化目标的终端随机访问算法。在典型的低轨卫星网络铱星上进行了仿真，验证了所提算法的有效性。

综上所述，现有工作大多是针对小规模卫星网络设计的。考虑到在超密低轨卫星网络中，节点的急剧增多，同信道干扰问题也逐渐显现，用户切换的决策同时还会影响其他用户的链路质量，这是目前的切换策略所没有考虑的，并且在现有的多指标切换策略中，同一时刻只能单用户进行决策切换卫星，无法满足现下大规模接入的场景，因此，有必要研究一种适用于超密集低轨卫星网络的灵活有效的多用户切换接入方案，以保证用户服务的连续性并且提升用户的服务质量。

发明内容

发明目的：随着低轨巨星座的部署与发展，超密集低轨卫星网络可以支持无处不在的全球网络连接，实现高带宽低延迟的传输服务，是未来6G技术愿景的重要组成部分。考虑到超密低轨卫星网络的大规模性、高动态性和资源有限性等不同于传统地面网络的特性，保障用户服务连续性提升用户服务体验是此超密低轨卫星网络亟需解决的问题。本发明目的设计一种灵活高效的面向民航应用的超密集低轨卫星网络切换移动性管理方法，以保证用户服务的连续性并且提升相互干扰的用户的服务质量。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种面向民航应用的超密集低轨卫星网络切换移动性管理方法，包括以下步骤：

定义民航用户切换选择标准，包括服务时间，链路可靠性以及卫星负载均衡，建立用户切换满意度模型；其中服务时间指标通过用户接入低轨卫星获得的剩余服务时间与用户可视卫星群中能够提供的最长服务时间的比值考量，链路可靠性指标通过用户接入低轨卫星并占用具体信道的信干噪比考量，卫星负载均衡指标通过用户接入低轨卫星的剩余信道数目与用户可视卫星群中能够提供的最大空闲信道数目的比值考量；

考虑多个民航用户之间对卫星资源的共享以及信道干扰关系，将多用户切换问题建模为一个局部合作博弈，多用户进行局部合作最大化所有民航用户的满意度；所述局部合作博弈中，每个民航用户不仅考虑自己的切换满意度，还同时与其干扰邻居集内的民航用户协同合作；

求解局部合作博弈问题，得到博弈的均衡解。

作为优选，所述局部合作博弈表示为：

其中

其中S

民航用户n的干扰邻居集

作为优选，通过最佳响应算法或协同混合切换策略算法求解局部合作博弈问题。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的一种面向民航应用的超密集低轨卫星网络切换移动性管理方法的步骤。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种面向民航应用的超密集低轨卫星网络切换移动性管理方法的步骤。

有益效果：本发明提供了一种及时高效的超密集低轨卫星网络的多用户切换方案，以保证服务连续性，提升用户切换满意度。本发明在考虑服务时间、负载平衡和链路可靠性的前提下，研究了超密低轨卫星网络中以用户为中心的民航飞机卫星切换问题。特别地，将多架飞机的卫星切换问题表述为局部合作博弈。在本发明提出的局部合作博弈中，每架飞机通过与其他存在潜在干扰的飞机群合作来决定切换到哪颗卫星和信道，从而提高飞机切换满意度。通过证明局部合作博弈是严格势博弈，并进一步分别提出了收敛速度更快的改进分布式最佳响应算法和获得最优解可能性更大的协同混合切换策略迭代算法。数值仿真结果表明，所提出的方案能够保证民航服务质量要求，提升用户切换满意度以及移动性管理效率，并提高网络效用。

附图说明

图1是本发明所采用的基于超密集低轨卫星网络民航飞机切换场景图。

图2是本发明所提供的算法总体网络性能对比示意图。

图3是本发明所提供的算法切换接收速率性能对比示意图。

图4是本发明所提供的算法剩余服务时间性能对比示意图。

图5是本发明所提供的算法执行流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例在超密集低轨卫星网络场景中，基于局部合作博弈的方法，提出了一种以用户为中心的面向民航应用的超密集低轨卫星网络切换移动性管理方法。。

步骤一，定义民航用户切换选择标准，考虑服务时间，链路可靠性以及卫星负载均衡指标，建立超密低轨卫星网络中民航用户切换模型，包括网络模型和用户切换满意度模型。

本步骤中定义网络模型，建立面向民航应用的基于超密低轨卫星网络的空天综合网络架构，选定区域选定时间段内有低轨卫星集合、民航用户(民航客机)集合和卫星可用信道集合；并定义LEO卫星-民航客机下行链路通信模型，考虑同信道干扰，定义民航用户切换满意度模型衡量切换性能，考虑服务时间，链路可靠性以及卫星负载均衡等指标。具体介绍如下：

1、网络模型：考虑一个面向民航的超密低轨卫星网络UDLSN，包含LEO卫星集

2、用户切换满意度：为了确保在飞机执行飞行任务期间的无缝连接，满足飞机的通信服务质量需求，考虑将服务时间，链路可靠性以及负载均衡三个指标作为用户切换的判断指标。定义民航用户

1)服务时间：服务时间与服务的连续性紧密相连，定义

2)链路可靠性：同信道干扰问题会导致链路可靠性降低，严重时甚至会造成通信中断，考虑信干噪比SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)作为切换考量指标，定义

3)负载均衡：为了防止大量卫星过载导致网络拥塞，将空闲信道数量作为切换标准之一。定义

步骤二，提出超密低轨卫星网络中的多用户切换问题，考虑到多个民航用户之间对卫星资源的共享以及信道干扰关系，将所提多用户切换问题建模为一个局部合作博弈，多用户进行局部合作最大化所有民航用户的满意度。

首先，考虑低轨卫星到飞机下行链路之间的同信道影响，提出超密低轨卫星网络中的多用户切换问题，以最大化每个民航用户的满意度；定义所有民航用户的卫星选择和子信道接入策略集S＝{S

令优化目标为最大化网络效用

博弈论对于监控分布式网络/框架的特征特别有吸引力，因为它能够用交互策略描述个体决策者。接下来考虑到多个民航用户之间对卫星资源的共享以及信道干扰关系，将所提多用户切换问题建模为一个局部合作博弈，多用户进行局部合作最大化所有民航用户的满意度。

定义干涉图

基于上述干扰模型定义，将所提多用户切换问题转化为局部合作博弈

步骤三，局部合作博弈求解。在博弈论中，纳什均衡NE(Nash Equilibrium)是用来分析和表示多个决策者之间策略互动结果的重要概念，接下来分别定义纳什均衡与严格势博弈，设计势函数与效用函数，证明局部合作博弈

1、纳什均衡定义：一个LEO卫星接入和信道选择策略集合

2、严格势博弈定义：如果一个博弈是严格势博弈，那么当

3、严格势博弈证明：在所提局部合作博弈

势函数Φ(S

因为

为了得到博弈的均衡解，设计了两个算法，一个是收敛速度更快的最佳响应BR(Best Response)算法，另一个是更加逼近或实现全局最优解的协同混合切换策略算法CMHS(Collaborative Mixed Handover Strategy Algorithm)；

1、最优对策算法：如果一个势博弈拥有有限的策略集，它便具有有限改进特性FIP(Finite Improvement Property)。所提局部合作博弈

1)初始化迭代轮次r＝0，用户集

2)更新迭代轮次r＝r+1；

3)在新的轮次中，随机选取一组非干扰用户C(r)，计算得到每个用户的切换满意度；C(r)中任意两个用户不属于对方的交互邻居集，即

4)

5)除了C(r)以外的用户保持之前的策略不变，即

6)如果所有用户均完成了一次策略探索，则停止，否则重复步骤2)-5)。

因为所提局部用户合作博弈

2、协同混合切换策略CMHS算法：CMHS算法主要采用混合迭代概率更新思想来达到优化目标，每个玩家在决策时都有相应的策略选择概率。定义

1)初始化迭代轮次r＝0，初始化算法参数β，按照均匀分布原则定义用户集N中每个用户n对于其策略集S

2)用户集

3)更新迭代轮次r＝r+1；

4)在新的轮次中，随机选取一组非干扰用户C(r)，其中

5)

6)被选择的用户n更新自己的策略选择概率函数通过以下原则：

7)用户n按照其策略选择概率向量P

8)除了C(r)以外的用户保持之前的策略不变，即

9)重复步骤3)-9)直至满足算法停止标准(例如，所有用户策略选择概率向量中的某个值充分接近1，或者已经达到最大迭代)。

本发明实施例中我们采用在印度洋上方执行到欧洲北部美国东海岸飞行航线的真实民航客机以及他们的过顶LEO卫星所组成的星地一体化网络区域。参考低轨巨星座设计，模拟上万颗LEO卫星的轨迹以得到星间距离和连接信息；其他仿真参数设置如表1。

表1仿真参数设置

图2比较了BR算法与CMHS算法的收敛过程，并将常用的最大剩余时间(MRT)算法、最大速率(MR)算法、最大空闲通道(MIC)算法等单指标算法进行比较。从图2可以看出，CMHS和BR算法得到的收敛效用函数值都远高于其他算法，证明了所提算法的优越性。此外，CMHS算法的收敛速度比BR算法慢，但最终收敛性能优于IDBR算法。这是因为CMHS算法采用了逐步迭代的概率更新，有更多的探索空间，所以CMHS算法比IDBR算法获得了更高的效用。

图3展示了CMHS算法、BR算法、MRT算法和MR算法得到的民航客机接收速率。获得的接收速率的大小由高到低依次为MR算法、CMHS算法、BR算法、MRT算法。在四种算法中，由于MR算法只考虑了飞机的接收速率，所以得到的接收速率最高，但用户的需求具有多样性，同时还要考虑频繁切换带来了切换时延等影响，因此MR算法考虑单一，无法保障服务的连续性以及网络均衡，而CMHS算法仅略低于最优解，但同时CMHS算法又能较好地兼顾用户需求的多样性，同时考虑了链路可靠性，负载均衡以及服务连续性等多维度用户互联需求。这表明所提出的算法能够保证链路的可靠性，更适用于超密低轨卫星网络。

图4展示了四种不同算法对所有飞机剩余可见时间的仿真结果。所提的CMHS算法以及BR算法两种算法虽然在切换数上不如单一性能指标最优解MRT算法，但差异较小。并且，本发明提出的两种算法在其他性能方面都远远优于MRT算法，MRT算法无法兼顾到链路可靠性问题，如果很可能出现干扰严重情况，大大降低用户的互联体验，并且也无法预防网络拥塞，当存在大量用户存在互联需求时，极容易导致卫星超载，出现更大网络隐患，而所提算法同时兼顾了用户层面和网络层面需求，能给用户提供良好的互联体验并保障网络均衡。

图5展示了在全局协调机制的保障下所提算法的作用流程图，包括切换测量、切换决策以及切换执行三步骤。如图5所示，在切换测量阶段，需要切换接入卫星的用户发送包含用户ID、位置等信息的测量报告给当前接入的卫星以及可见范围内的切换候选卫星。切换候选卫星收到切换请求后收集周围存在干扰影响的卫星的观测信息返回给要切换需求的用户。在切换决策阶段，每个切换用户自身执行本发明所提算法进行切换选择，并将切换请求发送给当前接入卫星以及目标接入卫星。目标接入卫星收到切换请求后，为用户预留接入资源，并发送切换请求Ack回应用户。进入到切换执行阶段，收到切换请求回复的用户执行切换操作，接入到目标卫星，并告知原接入卫星切换成功，原接入卫星收到信息后将原占用资源释放，完成用户切换流程。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现上述面向民航应用的超密集低轨卫星网络切换移动性管理方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述面向民航应用的超密集低轨卫星网络切换移动性管理方法的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。