一种低轨卫星系统的高机动用户位置区设计方法、系统及介质

技术领域

本发明涉及一种低轨卫星系统的高机动用户位置区设计方法、系统及介质，属于卫星通信技术领域。

背景技术

在卫星通信领域，位置管理技术作为低轨(Low Earth Orbit，LED)卫星移动通信系统的一项关键技术，关系着整个网络的性能。位置管理包括两个方面，位置更新和位置寻呼。位置更新是指用户向系统上报自己的位置信息，系统进行登记存储；而位置寻呼则指的是系统将主叫用户的寻呼消息成功地传递给被呼用户，实现两者之间通信的建立。

理论上，位置更新开销的增加将带来系统寻呼开销的减少，即位置更新次数的增多将使系统具有更为精确和实时的用户位置信息，从而减少了呼叫到达时进行寻呼的波束数，带来寻呼开销的降低；相反，较少的位置更新开销将导致系统寻呼开销的增大，即位置更新次数减少时，位置注册开销降低，但由于系统获得较少的用户实时位置信息，便会需要增加发送寻呼的区域，因而增加了寻呼开销。

目前，传统位置区的设计方法只有越区时进行位置更新，即只有移动终端确实在移动，并且移动到另一位置区时，才进行位置更新。并且主要分为以下两种情形：基于卫星覆盖范围的位置区由于LEO卫星运动很快，用户的位置更新的频率很高；基于信关站覆盖范围的位置区寻呼时需要在信关站连接的所有卫星所有波束中进行寻呼，有较大的寻呼开销。因此，保证用户的服务体验和卫星网络系统性能，降低系统对数据库的频繁访问以及减少网络中用于移动管理的信令开销则显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低轨卫星系统的高机动用户位置区设计方法、系统及介质，旨在通过降低高机动用户的位置更新频率及寻呼波束数，以实现位置管理总开销上的减少，提高系统总性能。

为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种低轨卫星系统的高机动用户位置区设计方法，其包括：

根据用户当前的速度，计算用户在当前位置区半径下的出区时间；

根据系统对用户的寻呼到达间隔，设定小于所述寻呼到达间隔且大于所述寻呼到达间隔的一半为周期更新时间；

通过比较所述出区时间及周期更新时间，判断用户的位置更新方式，并统计用户在系统服务时间内的位置更新次数；

根据寻呼时刻与位置更新时刻的时间差值，计算用户在所述时间差值下的移动距离；

根据所述移动距离及所述位置区对应的寻呼波束半径，确定用户跨越波束的概率，再根据所述用户跨越波束的概率计算寻呼波束数；

根据用户在当前位置区半径下的所述位置更新次数及寻呼波束数计算位置管理总开销；

通过设定不同的位置区半径，选择所述位置管理总开销最低对应的位置区半径作为用户在当前速度下的位置区半径；

通过设定不同的速度，得到用户在不同速度下相对应的最佳位置区半径。

本发明所提方法中，不同速度下的高机动用户分别通过在不同的位置区半径下统计计算位置更新频率和寻呼波束数，进而确定出用户在不同运行速度下的位置管理开销最低所对应的的最佳位置区半径。系统根据设计方法中得到的速度与半径关系，当高机动用户速度变化时，系统则适应性地动态改变当前位置区的半径，即相对应的得到当前速度下的最佳位置区半径，以保证位置管理总开销的最低水平。

可选的，所述根据用户当前的速度，计算用户在当前位置区半径下的出区时间，表示为：

其中，t

可选的，所述周期更新时间表示为：

其中，t

可选的，所述通过比较出区时间及周期更新时间，判断用户的位置更新方式，包括：

若所述出区时间t

可选的，所述根据寻呼时刻与位置更新时刻的时间差值，计算用户在所述时间差值下的移动距离，表示为：

t

d＝v·t

其中，t

可选的，用户在某次位置更新后处于相距寻呼波束中心点距离为x的一点，根据所述移动距离及所述位置区对应的寻呼波束半径，确定用户跨越波束的概率，表示为：

若0≤d≤R，所述用户跨越寻呼波束的概率表示为：

若0≤d≤2R，所述用户跨越寻呼波束的概率表示为：

设参数ξ＝d/R表示为用户的移动性，所述用户跨越寻呼波束的概率表示为：

其中，P

进一步的，根据所述用户跨越波束的概率计算寻呼波束数，表示为：

其中，N

可选的，所述根据用户在当前位置区半径下的所述位置更新次数及所述平均寻呼波束数计算位置管理总开销，表示为：

C＝N

其中，C表示为位置管理总开销，N

第二方面，本发明提供一种适用于高机动用户位置区设计方法的通信系统，其包括：

具有信令处理能力的M颗卫星，其中M≥1；

具有定位功能的高机动用户终端；

N个地面信关站，所述地面信关站同一时刻仅与一颗卫星相连，各地面信关站之间通过有线链路连接，其中，N≥1；

一个网络控制中心，位置管理数据库设置于所述控制中心，所述地面信关站均与所述控制中心通过有线链路连接，位置更新和位置寻呼的信令都发送到所述控制中心进行处理。

第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，执行如第一方面所述的高机动用户位置区设计方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

(1)周期更新机制的创新式增设，通过考虑寻呼到达间隔的影响，使得本发明相较现有技术增加了少量的位置更新次数，提高了位置时效性，寻呼的精度得到了一定程度的保证，寻呼波束数也处于一较低水平，位置更新与位置寻呼的开销显著性地得以平衡；

(2)本发明采用一次寻呼的方式，通过运用用户的寻呼时刻与用户自身更新时刻的时间差，巧妙地推导出用户跨越波束的相对概率，进而综合计算出寻呼波束数。

附图说明

图1为本发明用户于一定时间差内移至波束之外的概率示意图；

图2为本发明方法下的一种实施例的框架示意图；

图3为本发明方法中用户在固定速度下半径与开销的关系示意图；

图4为本发明方法中用户在不同速度下与不同速度对应最佳位置区半径的关系示意图；

图5为本发明对比传统方法的位置更新次数示意图；

图6为本发明对比传统方法的寻呼波束数示意图；

图7为本发明对比传统方法的位置管理总开销示意图。

具体实施方式

本发明的技术构思为：移动用户离开原有位置更新区(Location Area)，进入新LA时，需要进行位置更新操作，标记其在网络中位置。当有呼叫需要传递到移动用户时，网络进行位置寻呼以确定移动用户准确位置。现有的静态位置区在设置好位置区半径后便不再改变，本发明所提设计方法下的系统会根据得到的半径与速度的关系，当高机动用户速度变化时，动态地改变位置区的半径，以降低位置管理整体总开销，针对性强。

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例介绍了一种低轨卫星系统的高机动用户位置区设计方法，如图2所示，其包括以下步骤：

根据用户当前的速度，计算用户在当前位置区半径下的出区时间；

根据系统对用户的寻呼到达间隔，设定小于所述寻呼到达间隔且大于所述寻呼到达间隔的一半为周期更新时间；

通过比较所述出区时间及周期更新时间，判断用户的位置更新方式，并统计用户在系统服务时间内的位置更新次数；

根据寻呼时刻与位置更新时刻的时间差值，计算用户在所述时间差值下的移动距离；

根据所述移动距离及所述位置区对应的寻呼波束半径，确定用户跨越波束的概率，再根据所述用户跨越波束的概率计算寻呼波束数；

根据用户在当前位置区半径下的所述位置更新次数及寻呼波束数计算位置管理总开销；

通过设定不同的位置区半径，选择所述位置管理总开销最低对应的位置区半径作为用户在当前速度下的位置区半径；

通过设定不同的速度，得到用户在不同速度下相对应的最佳位置区半径。

本实施例在具体应用时，网络控制中心获取用户的位置信息及速度信息，根据上述信息设置一位置区半径，此时计时器相应的开始计时。计时过程中，本发明创新式地根据系统服务时间以及系统对用户的寻呼到达间隔增设了一周期更新时间，并将该周期更新时间与常规方法中计算得到的出区时间进行比较，以消耗较少时间的方式作为用户的主要更新方式，进而确定服务时间内的更新次数；同时还根据寻呼时刻与更新时刻的时间差及寻呼波束半径，相继予以确定出寻呼波束数；最后，综合更新开销以及寻呼开销，即可得到当前速度下位置管理总开销。

进一步的，通过设置不同位置区半径，重复上述位置管理总开销得以确定所运行的步骤，即可得到当前速度下位置管理总开销最低时所对应的最佳位置区半径；再进一步的，改变用户的运行速度，重复上述最佳半径得到确定所运行的步骤，即可相应得到不同速度下所对应的最佳位置区半径。

实施例2

参考图1及图2，设定用户的速度为600km/h，当前位置区半径为400km，相应的更新次数及寻呼波束数的确定过程具体如下:

假设高机动用户在位置区中心处沿直线运动，根据用户的速度，计算在当前位置区半径下的出区时间：

其中，t

为了避免高机动用户长时间无更新而不确知用户的终端位置，相应的更新率不应小于呼叫到达率,因此设置小于寻呼到达间隔时间且大于寻呼到达间隔时间的一半作为周期更新时间，

其中，所述呼叫到达率表示为：

式中，N

所述更新率相对应的周期更新时间表示为：

其中，t

进一步的，通过比较出区时间t

其中，所述通过比较所述出区时间及周期更新时间，判断用户的位置更新方式，包括：

若所述出区时间t

所述根据寻呼时刻与位置更新时刻的时间差值，计算用户在所述时间差值下的移动距离，表示为：

t

d＝v·t

其中，t

用户在某次位置更新后处于相距寻呼波束中心点距离为x的一点，所述根据移动距离及所述位置区对应的寻呼波束半径，确定用户跨越波束的概率，表示为：

图1分别展示了0≤d≤R以及0≤d≤2R时用户跨越波束的概率示意图。

具体的，如图1中(a)所示，若0≤d≤R，所述用户跨越寻呼波束的概率表示为：

如图1中的(b)所示，若0≤d≤2R，所述用户跨越寻呼波束的概率表示为：

设参数ξ＝d/R表示为用户的移动性，所述用户跨越寻呼波束的概率表示为：

其中，P

进一步的，所述根据用户跨越波束的概率计算寻呼波束数，表示为：

其中，N

值得说明的是，如果高速终端没有离开当前波束，则寻呼只会在当前波束进行；如果已经离开，则寻呼会在位置区范围内的所有波束进行。

所述根据用户在当前位置区半径下的所述位置更新次数及所述平均寻呼波束数计算位置管理总开销，表示为：

C＝N

其中，C表示为位置管理总开销，N

本实施例通过设置不同位置区半径，根据不同位置区半径对应的总位置管理开销，选择开销C

实施例3

本实施例以基于LEO覆盖范围的位置区、基于信关站覆盖范围的位置区以及本发明中基于用户速度的动态位置区三种不同的位置区设计方法为实验对象，设置系统服务时间为2小时，平均呼叫间隔为1小时一次，分别统计在呼叫到达率为2时的各位置区下的位置更新次数、寻呼波束数以及位置管理总开销，参考图3至图7，以下具体介绍仿真实验的实现过程。

一、实验场景

低轨卫星绕地运行过程中，由于卫星的星下区域并非一成不变，卫星在运行过程中与地面的用户终端以及地面站之间需要不断切换。典型的，当卫星轨道高度为1000公里时，卫星与地面站之间的单次连接时长仅能持续10分钟左右。为了保持网络连接，终端用户需要在不同的服务卫星之间频繁切换，卫星也需要在不同地面站之间频繁切换。

本实施例中，设定LEO卫星高度550km(低轨卫星的轨道高度一般在200～2000km)，每个卫星覆盖范围为半径450km，每个卫星中包括7个波束，波束半径R为150km，每个卫星对地平均覆盖时间为6分钟；信关站覆盖范围半径1168km；单次位置更新开销1108bit，单次寻呼开销168bit。

二、实验内容

首先，如图3所示，对于一个速度为600km/h的高机动用户而言，如飞机或高铁，随着相应位置区半径的增加，位置管理的总开销呈先下降后上升的趋势。

具体的，在半径较小时，由于高机动用户极易移动到相应的位置区外，使得位置更新过于频繁，进而带来大量的不必要开销；随着半径的增大，高机动用户的出区频率因半径的增大而得到相应的下降，位置更新次数随之相应得到降低，开销也进而相对减少；然而，随着半径的进一步增大，相应位置区内包含的波束也越多，寻呼时如果在最近的一次位置更新的波束中寻呼不到，就会对范围内其他波束进行寻呼，因此寻呼开销也会越来越大，位置管理总开销大幅上升。

因此，相应位置区的半径不是越大越好，而是存在一个最佳的位置区半径使位置管理的总开销得以最低。

图4所示为高机动用户在不同速度下的最佳位置区半径，在呼叫到达率为2的情况下接近正比。最佳位置区半径随着用户速度的增加整体呈上升趋势，其中，结合图3所示，在高机动用户速度为600km/h时，相应的最佳位置区半径为560km，即在该速度以及位置区半径状态下，系统的位置管理总开销为最低。

其次，对于三种不同位置区设计方法下的位置更新、寻呼波束数以及位置管理总开销作以下具体说明：

(1)位置更新次数

如图5所示，随着高机动用户速度的增加，各位置区设计方法下的位置更新次数都是有所上升的，本发明所提出的动态位置区设计方法的位置更新次数相比于基于卫星覆盖范围的位置区设计方法大幅减少，但略高于基于信关站覆盖范围的位置区设计方法。

(2)寻呼波束数

理论上，位置寻呼时会对高机动用户最近一次位置更新所处的波束进行寻呼，如果寻呼不到用户，则会采取对周围波束进行二次寻呼。对于高机动用户，随着用户速度的增加，其在短时间内移动距离也越大，用户跨越波束的概率大大提高，如果寻呼时刻离位置更新的时刻间隔较长，则会导致寻呼的精度下降，即会产生在多个波束中进行多次寻呼的情况。

具体可参考图6所示，基于LEO覆盖范围的位置区寻呼波束最少，因为其位置更新频繁，寻呼时更容易找到用户，精度最佳；基于信关站覆盖范围的位置区寻呼波束最多，因为其位置更新次数低，位置的时效性差，造成寻呼时普遍会在多个波束内寻呼用户；而本发明中所提供的基于用户速度的动态位置区由于加入了周期更新的机制，不仅增加了少量的位置更新次数，以获得较好的位置时效性，让寻呼的精度得到了一定程度的保证，同时还使得寻呼波束数整体处于一个较低的水平。

值得说明的是，寻呼波束波动的原因在于受寻呼到达时刻和位置更新时刻的影响，如果新到达的寻呼与最近一次位置更新的时间差较小，表明终端的位置变动小，则寻呼的精度高，进行寻呼的波束数也少，反之亦然。

(3)位置管理总开销

如图7所示，基于LEO覆盖范围的位置区由于位置更新次数较多，导致位置管理开销较大；而基于信关站覆盖范围的位置区和基于用户速度的位置区由于更新次数较少，因此整体开销明显较低。另外，由于基于信关站覆盖范围的位置区的位置区半径较大，且对高机动用户位置更新时效性差，寻呼时精度较低，往往需在整个位置区内对大多数的波束进行寻呼，因此其位置管理总开销高于本发明的位置管理总开销。

三、实验结论

综上所述，相较于现有技术中基于LEO覆盖范围的位置区以及基于信关站覆盖范围的位置区，本发明所提设计方法下的动态位置区能够对位置更新次数和位置寻呼的开销进行适应性的平衡，以实现地轨卫星系统的整体性能最佳。

实施例4

本实施例提供了一种适用于高机动用户位置区设计方法的通信系统，其包括：具有信令处理能力的M颗卫星，其中M≥1；

具有定位功能的高机动用户终端；

N个地面信关站，所述地面信关站同一时刻仅与一颗卫星相连，各地面信关站之间通过有线链路连接，其中，N≥1；

一个网络控制中心，位置管理数据库设置于所述控制中心，所述地面信关站均与所述控制中心通过有线链路连接，位置更新和位置寻呼的信令都发送到所述控制中心进行处理。

上述通信系统可执行上述实施例1或2或3中所介绍的高机动用户位置区设计方法，该通信系统的具体实现过程不予赘述。

实施例5

本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现如实施例1或2中所述的高机动用户位置区设计方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。