卫星通信方法及系统与流程

本发明涉及航空航天，特别涉及一种卫星通信方法及系统。

背景技术：

1、在卫星移动通信系统（尤其是ntn架构）中，卫星沿预定轨道高速运行，其覆盖范围随星历动态变化，ue常需在不同卫星的覆盖区域间切换以维持通信。3gppr16标准针对切换场景提出了条件切换（cho）增强特性，核心逻辑是网络提前为ue配置目标小区切换参数，当ue满足预设触发条件时自主发起切换，相比传统实时切换机制，可有效降低切换时延、提升切换成功率。

2、传统卫星间切换主要采用两种方案，第一种是实时切换机制，即当ue即将脱离当前卫星覆盖时，网络实时下发切换信令，ue接收后执行切换；第二种是基于位置、业务类型等静态信息的分批实时切换方案，该方案通过预设规则将ue分组，分时段触发不同组别的ue执行切换流程，两种方案是应对卫星覆盖动态变化的常规技术手段。

3、上述两种传统方案均存在显著局限性，难以适配ntn场景下的高动态覆盖与高并发切换需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种卫星通信方法及系统，以解决现有的卫星间切换方式难以适配ntn场景下的高动态覆盖与高并发切换需求的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种卫星通信方法，包括：

3、按地面用户设备的qos标识符建立优先级切换队列；

4、使所述优先级切换队列根据gbr业务价值由高至低的顺序排列；以及

5、根据所述优先级切换队列进行gbr业务切换。

6、可选的，在所述的卫星通信方法中，还包括：

7、在gbr业务切换中，设置切换目标，在所述切换目标中引入目标波位剩余容量约束，运行目标波位容量感知选择算法，以增加gbr承载的切换成功率；

8、为gbr和non-gbr业务分别设置有效覆盖时间刷新阈值，比较两次切换时间间隔与有效覆盖时间刷新阈值，根据比较结果进行业务切换；以及

9、根据全部波位状态的完整位图的差分增量进行更新和传输。

10、可选的，在所述的卫星通信方法中，使星上基站的rrc层包括用户服务质量感知切换调度器模块，地面卫星控制设备的配置管理模块包括增量更新决策逻辑模块，所述卫星通信方法还包括：

11、由用户服务质量感知切换调度器模块切换调度多个用户服务质量感知优先级；以及

12、由所述增量更新决策逻辑模块进行全部波位状态的完整位图差分增量更新，以及运行含用户服务质量约束的增强版有效覆盖时间刷新算法；

13、由用户服务质量感知切换调度器模块选择切换目标波位时，在经覆盖时间刷新算法筛选后的候选波位集合中，增加目标波位容量约束。

14、可选的，在所述的卫星通信方法中，所述多个用户服务质量感知优先级包括：

15、紧急优先级，被配置为其判定条件为5qi∈{65,66,69,70}或紧急状态标志位置位，其用于用户mcptt集群通话、公共安全通信、急救，其切换策略为规避前预处理窗口开始后立即触发，优先抢占目标波位资源；

16、实时gbr优先级，被配置为其判定条件为 gbr>0且5qi∈{1,2,3,4}，其用于用户vonr语音、视频会议、实时游戏，其切换策略为规避前预处理窗口前60%时间内完成切换，超时则增加候选目标数重试；

17、交互non-gbr优先级，被配置为其判定条件为gbr=0且5qi∈{5,6,7,8,9}，其用于用户web浏览、流媒体，其切换策略为规避前预处理窗口内完成切换，实时gbr优先级之后；

18、后台non-gbr优先级，被配置为其判定条件为gbr=0且5qi≥10或尽力而为类，其用于用户文件下载、邮件同步；其切换策略为规避前预处理窗口剩余时间不足时，执行挂起动作以替代切换，规避结束后自动恢复。

19、可选的，在所述的卫星通信方法中，还包括进行规避前预处理窗口时间资源分配；

20、其中规避前预处理窗口总时长t_paw由卫星控制设备在配置信息中指定；由用户服务质量感知切换调度器模块按以下比例分配时间配额：紧急优先级立即触发不占配额，实时gbr优先级占规避前预处理窗口总时长60%，交互non-gbr优先级占规避前预处理窗口总时长30%，后台non-gbr优先级使用剩余10%规避前预处理窗口总时长，不足则执行挂起；前一优先级若提前完成，剩余时间顺延给下一优先级；以及

21、所述卫星通信方法还包括后台non-gbr优先级的地面用户设备挂起后自动恢复；

22、其中由用户服务质量感知切换调度器模块向规避前预处理窗口内未能完成切换的后台non-gbr优先级地面用户设备发送rrc发布消息，地面用户设备进入暂停状态保留上下文；干扰规避时段结束后，由星上基站主动向挂起地面用户设备发送寻呼，触发rrc恢复流程，地面用户设备通过随机接入恢复连接，缓存数据续传。

23、可选的，在所述的卫星通信方法中，还包括：

24、对目标波位剩余容量进行定义为：c_margin=c_total-c_used-c_reserved；

25、其中c_total为目标波位总容量，c_used为当前已用容量，c_reserved为该波位已为其他待切入ue预留的容量；

26、若紧急优先级或实时gbr优先级的地面用户设备的目标波位c_margin＜gbr_i，则从候选集中剔除该目标波位；gbr_i为第i个用户的保证比特率需求

27、使交互non-gbr优先级或后台non-gbr优先级的地面用户设备无容量下限约束；

28、对满足约束的候选波位按以下评分降序排列，以将得分最高者作为切换目标：score=w1×ecd_normalized+w2×(c_margin/c_total)；

29、其中ecd_normalized为归一化有效覆盖时间，w1=0.7，w2=0.3；若所有候选波位容量均不足，则上报卫星控制设备，由卫星控制设备协调相邻卫星承接溢出用户。

30、可选的，在所述的卫星通信方法中，所述的增强版有效覆盖时间刷新算法包括：从原始覆盖时间段中剔除各干扰规避时段，各干扰规避时段边界向外扩展以防边界对齐误差，剩余得到若干个不连续有效覆盖子段；

31、执行gbr业务增强策略，包括：对紧急优先级或实时gbr优先级的地面用户设备，要求候选目标波位存在至少一个连续有效覆盖子段的时长满足保证最短连续覆盖时长要求，其中：gmcc=max(t_session_remain,gmcc_min)；gmcc是最短连续覆盖时长要求，t_session_remain为当前会话的估计剩余时长，gmcc_min为系统配置的最小连续覆盖保证；

32、执行选段策略，包括：按子段时长降序遍历，返回第一个满足有效覆盖时长不小于gmcc的子段作为有效覆盖时间参考；若所有子段均小于gmcc，则剔除该候选波位；

33、执行non-gbr业务策略以累计有效覆盖时长，包括：将交互non-gbr优先级或后台non-gbr优先级的地面用户设备的有效覆盖时间定义为所有有效子段时长之和，使gbr业务在干扰规避时段内短暂中断后续传，使累计有效覆盖时长最短non-gbr业务覆盖时长。

34、可选的，在所述的卫星通信方法中，所述全部波位状态的完整位图差分增量更新包括：

35、卫星控制设备在更新已下发的干扰规避配置时，统计本次更新中发生irl等级变化的波位数量changed_count：

36、若changed_count≤threshold_delta，则采用增量位图更新，生成增量更新命令；threshold_delta为增量更新阈值；

37、若changed_count>threshold_delta，则采用全量位图更新；

38、其中所述增量更新命令的数据包包括增量更新命令标识、与全量更新相同的分包控制字段、本次增量更新所基于的全量配置版本号、本次更新生效后的版本号、以及发生变化的波位总数。

39、可选的，在所述的卫星通信方法中，还包括执行版本一致性保障，包括：

40、星上基站接收所述增量更新命令后，校验本地生效版本号与基准配置版本号是否一致；

41、若一致则执行增量更新，将changed_count个变化波位的irl等级和paa模式更新至本地配置镜像，将本地生效版本号更新为新配置版本号；paa模式为功率调整动作模式；

42、若不一致则返回版本不一致错误响应与本地生效版本号，卫星控制设备收到后立即发送最新全量配置，覆盖星上基站当前配置，后续继续使用增量更新；

43、其中所述新配置版本号为所述本次更新生效后的版本号，所述基准配置版本号为所述本次增量更新所基于的全量配置版本号；

44、星上基站维护当前生效配置镜像，按波位索引直接访问，增量更新仅修改对应条目。

45、本发明还提供一种卫星通信系统，包括：

46、队列建立模块，被配置为按地面用户设备的5g qos标识符建立优先级切换队列；

47、优先级排序模块，被配置为使所述优先级切换队列根据gbr业务价值由高至低的顺序排列；以及

48、业务切换模块，被配置为根据所述优先级切换队列进行gbr业务切换。

49、在本发明提供的卫星通信方法及系统中，按地面用户设备的qos标识符建立优先级切换队列，根据gbr业务价值由高至低的顺序排列后进行gbr业务切换，优先保障了完成高价值gbr业务的切换，同时避免低价值业务强占切换资源，更好地适配ntn场景下的高动态覆盖与高并发的切换需求。

50、进一步的，本发明在切换目标选择中引入目标波位剩余容量约束，提升gbr承载的切换成功率；以及为gbr和non-gbr业务分别制定有效覆盖时间刷新策略，减少切换乒乓效应；本发明设计了增量差分位图更新机制，在少量波位状态变化时大幅降低s-c1接口传输开销。

51、本发明涉及卫星通信技术领域，特别是涉及一种在5g ntn（非地面网络）低轨（leo）卫星通信系统中，当干扰规避导致业务波束关断时，依据用户的服务质量（qos）等级进行分优先级切换调度的方法，以及干扰规避配置信息的增量差分更新方法。

52、本发明的发明人通过研究发现，现有技术存在以下问题：

53、5g ntn切换机制：在3gpp release 17及后续版本定义的ntn再生载荷架构中，星上基站（s-gnb）负责管理地面用户设备（ue）的无线接入和切换。当业务波束因干扰规避需要在时刻start完全关断时，s-gnb须在start之前完成对该波位上所有在网ue的切换，以避免业务中断。3gpp ts 23.501定义了5qi（5g qos标识符）体系，将数据无线承载按业务类型分类：gbr（保证比特率）承载（如5qi=1语音、5qi=2视频会议）须保证最低比特率；non-gbr（非保证比特率）承载（如5qi=9后台数据）对中断相对容忍。

54、配置信息传输机制：地面卫星控制设备（scf）通过s-c1接口向s-gnb分包上注干扰规避配置信息，目前采用全量发送方式：每次更新均发送包含全部波位状态的完整位图（bitmap）。对于随遇波束的三层复合bitmap（a-bitmap + ns-bitmap + sl-bitmap），全量发送约192字节/次，无论实际变化的波位数量多少。

55、覆盖时间刷新算法（原有版本）：原有方案从原始覆盖时间段[a1, a2]中剔除干扰规避时段，取最长连续有效子段[t1, t2]作为有效覆盖时间，用于切换目标选择，对所有ue统一处理，无qos感知。

56、综上所述，现有最接近技术方案的缺点：

57、切换无优先级区分：s-gnb对规避波位所有ue统一触发切换，未考虑业务qos等级，在切换资源有限的场景下，高价值gbr业务（语音、视频）可能因排队等待而在规避开始时仍未完成切换，导致中断；

58、切换目标选择未考虑目标波位的剩余容量：即使覆盖时间满足要求，若目标波位已近满载，新切入的gbr承载ue无法获得所需资源，切换失败率偏高；

59、覆盖时间刷新算法无qos约束：对gbr业务ue，仅以总覆盖时长为依据可能选中覆盖时间碎片化的目标波位，导致切换后不久再次被规避时段打断，产生切换乒乓效应；

60、配置全量更新传输开销大：在少量波位规避状态变化（如仅10~20个波位的irl等级更新）的场景下，仍需重传全套192字节bitmap，在多星并发管理场景下s-c1链路带宽压力大，配置更新时延长。

61、基于以上问题，本发明构建delta-bitmap增量更新命令（duc）数据结构，并配套版本一致性校验与全量回退机制。具体而言，duc指令涵盖基准配置版本号（rcv）、新配置版本号（new_ver）、变化波位总数（changed_count）以及逐波位的变化描述字段（含beam_index、new_irl、new_paa_mode及保留位）；s-gnb接收指令后，优先比对本地生效版本号（local_ver）与rcv，若两者一致则按changed_count指引原子性更新对应波位的irl等级与paa模式，并同步升级local_ver；若版本不一致则触发错误响应，促使scf下发最新全量配置覆盖本地镜像，后续恢复增量模式。鉴于ntn回传链路带宽受限且时延较高，该手段在仅少量波位状态发生变更时，可将传输数据量压缩55%至91%以上，大幅降低信令开销；同时，得益于版本比对与全量回退的双重校验，杜绝了因信令丢包或乱序导致的配置状态撕裂，确保s-gnb侧波位配置镜像的准确性与实时性。

62、本发明依据差分解码原理，通过仅传输变更条目而非全量bitmap，实现数据体积的显著缩减；由于s-gnb维护按波位索引直接访问的当前生效配置镜像，delta更新仅针对特定条目执行替换，故而执行效率高且能保持全部波位变化同时生效的原子特性；此外，rcv与local_ver的严格匹配机制构成了状态同步的基准锚点，一旦链路传输出现版本断层，系统随即启动全量覆盖以重建一致性，从而闭环保障配置下发的可靠性。

63、本发明采用qos感知的分级切换调度策略，依据ue的5qi与gbr参数划分p1至p4优先级队列，并在预定的准备窗口（paw）内按优先级比例动态分配时间配额。通过差异化时间资源分配，保障高优先级业务（如mcptt与vonr）在干扰规避触发初期即可快速完成切换，避免语音与集群通话中断；反之，低优先级数据业务仅分配剩余窗口期，防止低优先级任务挤占高优先级业务的切换资源。

64、技术原理：依据实时业务对时延与抖动敏感的特性，将总paw时长按预设权重切分；由于高优先级队列优先调度且配额充足，故而能在窗口期内完成信令交互与资源预留；该机制本质上是基于业务sla要求的资源抢占与时间切片管理，从而在有限规避窗口内实现多业务qos的差异化保障。

65、本发明引入cats目标波位优选算法，在候选波位集中施加gmcc最小覆盖时间约束，并综合最长连续覆盖时间占比与剩余容量（c_margin）计算综合得分，择优选定切换目标。剔除覆盖碎片化或容量枯竭的劣质波位，确保切换目标在未来规避时段内具备持续稳定的覆盖能力与充足的承载资源，进而降低切换后再次中断的概率。依据多目标加权决策原理，gmcc约束作为硬门槛直接过滤不满足基础连通性的候选项；随后通过线性加权公式量化波位质量，由于得分高低直接映射综合可用性，故而系统能客观筛选出兼顾时延连续性与负载均衡的最优波位，该算法依托于星历预测与实时负载反馈的联合评估。

66、本发明针对paw窗口期内未能完成切换的低优先级用户，下发携带suspendconfig的rrcrelease指令使其进入挂起状态；待干扰规避时段结束后，由s-gnb主动发起寻呼触发rrc（无线资源控制）恢复流程，并利用本地缓存数据实现业务续传；避免了因切换超时直接释放用户连接而导致的会话强制中断，使得终端在规避期间维持注册态，规避结束后无缝恢复数据业务，用户侧无感知会话中断。依据5g nr rrc休眠与恢复机制，挂起状态保留ue上下文与安全密钥，从而省去完整的初始接入与鉴权流程；由于s-gnb在切换失败前已缓存下行数据，一旦终端通过随机接入完成rrc恢复，网络侧随即从断点处继续下发缓存数据，该过程依托于控制面状态的冻结与用户面数据的暂存技术，故而大幅缩短业务恢复时延。