一种VDES多星覆盖场景下的下行链路选择方法及系统与流程

本发明涉及卫星通信，具体而言，尤其涉及一种vdes多星覆盖场景下的下行链路选择方法及系统。

背景技术：

1、vdes是新一代的船舶通信系统，集成了ais（船舶自动识别系统）、asm（专用消息）、vde（甚高频数据交换）等功能，可有效缓解现有ais系统数据拥堵问题，并支持船-岸、船-船、船-星之间的高速数据交换。

2、在远海海域，由于没有岸基基站覆盖，vdes船载终端必须通过vdes卫星载荷与岸上的应用服务平台或其他船舶通信。随着低轨卫星星座的发展，多颗卫星载荷同时对同一海域（即同一船载终端）形成信号覆盖已属常态。

3、现有的下行链路选择方法较为简单，通常采用以下方式之一：

4、固定选星：预先指定某颗卫星作为转发节点，缺乏灵活性，当该卫星信号质量差时会导致通信失败或重传。

5、随机选星：核心网随机选择一个覆盖目标终端的卫星发送消息，无法保证通信质量和可靠性。

6、仅基于覆盖有无：核心网仅判断“是否有卫星覆盖”，只要有一颗卫星覆盖就通过该卫星发送，并不比较多星覆盖下的信号质量差异。

7、上述方法的主要问题是：在多星覆盖场景下，未能充分利用多颗卫星的信号质量差异来选择最优的下行链路，导致消息传输时延大、成功率低、频谱资源利用不充分，用户体验差。

技术实现思路

1、根据上述提出现有技术中核心网在给多星覆盖下的远海vdes船载终端发送vde点对点消息时，无法动态、智能地选择最佳下行卫星链路，导致通信质量差、成功率低的技术问题，提供一种vdes多星覆盖场景下的下行链路选择方法及系统。本发明主要利用 核心网预置船台上下文信息与卫星星历信息，在接收到下行消息后查询覆盖目标船舶的候选卫星列表；针对多星覆盖场景并行发起寻呼请求，收集各卫星载荷返回的信号强度、信噪比等多元参数；基于信号强度、信噪比、扇形覆盖区域内位置、卫星高度、覆盖稳定性及排队消息数等多元因素执行归一化选星算法，计算综合加权评分以选择最优下行链路；最后通过选定的最优卫星载荷向目标船载终端发送vde点对点消息，从而起到 在多星覆盖场景下动态、智能地选择最佳下行卫星链路，达到 提高通信成功率与可靠性、降低传输时延、优化频谱资源利用的技术效果。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种vdes多星覆盖场景下的下行链路选择方法，包括：

4、s1、vdes卫星核心网持续从vdes卫星载荷收集船舶的静态信息和动态信息，生成并缓存船台上下文信息，包括船台标识mmsi与最新位置的映射关系；同时从卫星网络运营商处获取并预存卫星星历信息；

5、s2、vdes卫星核心网接收需发送给目标vdes船载终端的vde点对点消息，消息携带目标船舶标识mmsi；

6、s3、vdes卫星核心网根据所述目标船舶标识mmsi查询本地缓存的船台上下文信息，获取目标船台的实时地理位置；基于实时地理位置及预存的星历信息，计算当前时刻覆盖目标船舶位置的所有vdes卫星载荷，得到候选卫星列表；

7、s4、判断所述候选卫星列表中的卫星数量：

8、若仅有一颗卫星，则直接通过该卫星向目标船台发送寻呼消息，收到寻呼响应后通过同一卫星发送点对点vde消息；

9、若有多颗卫星，则并行向列表中每一颗vdes卫星载荷发送携带目标船台mmsi的寻呼请求消息；

10、s5、各收到寻呼请求的vdes卫星载荷在各自的下行链路上发起寻呼流程；目标vdes船载终端接收到寻呼消息后向对应卫星载荷发送寻呼响应消息；各卫星载荷将收到的寻呼响应消息以及基于接收响应消息时测量得到的信号强度、信噪比信息转发给vdes卫星核心网；

11、s6、vdes卫星核心网收集所有返回的寻呼响应消息及关联信息，读取各卫星载荷接收寻呼响应消息时的信号强度、信噪比参数，同时读取各卫星载荷当前待发送消息队列长度；基于待发送消息计算发送所需时长，查询星历获取各vdes卫星载荷实时信号覆盖区域、卫星高度以及秒后的信号覆盖区域；基于上述多元参数执行选星算法，计算各候选卫星的综合加权评分，选择评分最高的vdes卫星载荷作为最优下行链路；

12、s7、vdes卫星核心网通过选定的最优卫星载荷，向目标vdes船载终端发送vde点对点消息。

13、进一步地，步骤s1，包括：

14、s11、vdes船载终端发送ais静态消息，其中，ais静态消息的消息id为5、19或24；

15、s12、当船舶处于vdes卫星网络覆盖范围内时，每颗覆盖船舶所在区域的vdes卫星载荷接收所述ais静态消息，并通过接口上报给vdes卫星核心网；

16、s13、vdes卫星核心网对从多个vdes卫星载荷处接收的ais静态消息进行解析去重处理，获取包括船舶标识mmsi和船舶名称的船舶静态信息；若本地未保存过该船载终端的信息，则新生成船载终端上下文信息并缓存到系统中；

17、s14、vdes船载终端发送ais动态消息，其中，ais动态消息的消息id为1、2、3、18或19；

18、s15、当船舶处于vdes卫星网络覆盖范围内时，每颗覆盖船舶所在区域的vdes卫星载荷接收所述ais动态消息，并通过接口上报给vdes卫星核心网；

19、s16、vdes卫星核心网对从多个vdes卫星载荷处接收的ais动态消息进行解析去重处理，获取包括船舶位置、航向和航速的船舶动态信息，更新船载终端上下文信息并缓存到系统中；

20、s17、vdes卫星核心网从卫星网络运营商处获取卫星星历信息，其中，卫星星历信息获取流程由每个卫星网络运营商自定义。

21、进一步地，步骤s2，包括：

22、s21、登录到vdes业务服务平台的操作员通过vdes业务服务平台给目标船舶发送vde点对点消息，或者连接到vdes业务服务平台的外部应用通过vdes业务服务平台给目标船舶发送vde点对点消息；

23、s22、vde点对点消息中携带目标船舶mmsi，由vdes业务服务平台转发给vdes卫星核心网；

24、s23、vdes卫星核心网给vdes业务服务平台发送确认消息，确认接收到点对点播发请求。

25、进一步地，步骤s3，包括：

26、s31、vdes卫星核心网解析接收到的消息中携带的目的mmsi；

27、s32、vdes卫星核心网查询本地缓存的船台上下文信息，获取目标船舶的当前位置；

28、s33、vdes卫星核心网基于目标船舶位置以及预存的星历信息，计算当前时刻覆盖目标船舶位置的所有vdes卫星载荷；

29、s34、将计算得到的所有覆盖目标船舶位置的vdes卫星载荷组成候选卫星列表。

30、进一步地，步骤s4，包括：

31、s41、vdes卫星核心网判断候选卫星列表中的卫星数量；

32、s42、若候选卫星列表中仅有一颗卫星，则vdes卫星核心网直接通过该卫星向目标船台发送寻呼消息；

33、s43、在单星覆盖情况下，收到寻呼响应后，立即通过同一卫星发送点对点vde消息；

34、s44、若候选卫星列表中有多颗卫星，则vdes卫星核心网依次向候选卫星列表中的每一颗vdes卫星载荷发送寻呼请求，其中，寻呼请求消息中携带目的船舶mmsi。

35、进一步地，步骤s5，包括：

36、s51、每颗收到寻呼请求的vdes卫星载荷按照itu-r m.2092协议定义发起船舶寻呼流程；

37、s52、目标vdes船载终端在接收到卫星载荷的寻呼消息后，给对应的卫星载荷发送寻呼响应消息；

38、s53、各vdes卫星载荷收到寻呼响应后，基于接收响应消息的信道、时隙以及信号强度、信噪比信息生成与寻呼响应消息关联的关联信息；

39、s54、各vdes卫星载荷将寻呼响应消息和关联信息通过单条消息或两条消息发送给vdes卫星核心网，其中，关联信息包括接收寻呼响应消息时的信道、时隙、信号强度和信噪比参数。

40、进一步地，步骤s6，包括：

41、s61、vdes卫星核心网接收各卫星载荷返回的消息，从消息中解析出信号强度和信噪比信息；

42、s62、vdes卫星核心网读取每个卫星载荷接收寻呼响应消息时的信号强度，并进行归一化处理：

43、

44、其中，；；

45、s63、vdes卫星核心网读取每个卫星载荷接收寻呼响应消息时的信噪比，并进行归一化处理：

46、

47、其中，；；

48、s64、vdes卫星核心网读取每个卫星载荷当前待发送消息队列长度，并进行归一化处理：

49、

50、其中，；；

51、s65、vdes卫星核心网查询当前星历获取vdes卫星载荷实时信号覆盖区域、卫星高度，并进行归一化处理：

52、

53、其中，；；

54、s66、vdes卫星核心网基于待发送的消息计算发送消息需要的时长，vdes卫星核心网查询当前星历获取秒后的vdes卫星载荷信号覆盖区域，得到秒后是否覆盖船舶，并进行归一化处理：

55、

56、s67、vdes卫星核心网计算目标船舶距大圆半径距离与距小圆半径距离，得到扇形径向位置，并进行归一化处理：

57、

58、s68、vdes卫星核心网计算目标船舶距左扇边距离与距右扇边距离，得到扇形横向位置，并进行归一化处理：

59、

60、s69、vdes卫星核心网将扇形径向位置与扇形横向位置合并为位置评分，公式如下：

61、

62、s610、vdes卫星核心网基于归一化后的信号强度、信噪比、位置评分、卫星高度、覆盖稳定性、排队消息长度计算各候选卫星的综合加权评分：

63、

64、其中，表示信号强度权重，表示信噪比权重，表示扇形内位置权重，表示卫星高度权重，表示覆盖稳定性权重，表示排队消息长度权重；

65、s611、选择综合加权评分最大的vdes卫星载荷作为发送下行消息的最优卫星链路；

66、s612、若综合加权评分最大值小于预设阈值，则放弃本轮发送，等待下一次寻呼后重新选择卫星。

67、进一步地，步骤s7，包括：

68、s71、vdes卫星核心网给选定的最优卫星载荷发送vde业务消息发送请求，其中，请求消息中携带发送业务消息相关的属性；

69、s72、最优卫星载荷根据所述属性确定使用短消息或片段消息，其中短消息的消息id为14，片段消息的消息id为30至32；

70、s73、最优卫星载荷基于vde业务消息发送请求选择对应的消息id，发送vde业务消息；

71、s74、最优卫星载荷确认vde业务消息发送成功后，向vdes卫星核心网发送播发成功消息；

72、s75、vdes卫星核心网接收播发成功消息后，向vdes业务服务平台发送vde业务消息播发成功消息，通知vdes业务服务平台vde业务消息播发成功。

73、本发明还提供了一种vdes多星覆盖场景下的下行链路选择系统，包括：

74、vdes业务服务平台，用于发起或接收面向vdes船载终端的业务数据；

75、vdes卫星核心网，与所述vdes业务服务平台相连，用于存储船台上下文信息及星历信息，并执行链路选择决策；

76、vdes卫星载荷，与所述vdes卫星核心网相连，用于转发核心网与船载终端之间的消息，并上报收发消息的信号强度、信噪比信息；

77、vdes船载终端，用于接收和发送ais、asm、vde消息；

78、其中，所述vdes卫星核心网配置为执行上述vdes多星覆盖场景下的下行链路选择方法，具体包括：

79、船台上下文信息生成及星历信息预置模块，用于持续收集船舶静态信息和动态信息，生成并缓存包括船台标识mmsi与最新位置映射关系的船台上下文信息，并从卫星网络运营商处获取预存卫星星历信息；

80、下行消息接收模块，用于接收来源于vdes业务服务平台或另一船载终端、携带目标船舶标识mmsi的vde点对点消息；

81、候选卫星列表查询模块，用于根据目标船舶标识mmsi查询本地缓存的船台上下文信息获取目标船台实时地理位置，并基于实时地理位置及预存星历信息计算当前时刻覆盖目标船舶位置的所有vdes卫星载荷，得到候选卫星列表；

82、多星覆盖判断与寻呼控制模块，用于判断候选卫星列表中的卫星数量，在单星覆盖时直接通过该卫星发送寻呼消息，在多星覆盖时并行向列表中每一颗vdes卫星载荷发送携带目标船台mmsi的寻呼请求消息；

83、信号质量收集模块，用于收集各卫星载荷返回的寻呼响应消息及基于接收响应消息时测量得到的信号强度、信噪比信息；

84、最优链路选择模块，用于读取各卫星载荷的信号强度、信噪比参数及待发送消息队列长度，基于待发送消息计算发送所需时长，查询星历获取各vdes卫星载荷实时信号覆盖区域、卫星高度及秒后的信号覆盖区域，基于多元参数执行选星算法计算综合加权评分，选择评分最高的vdes卫星载荷作为最优下行链路；

85、下行消息发送模块，用于通过选定的最优卫星载荷向目标vdes船载终端发送vde点对点消息。

86、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

87、1、本发明提供的一种vdes多星覆盖场景下的下行链路选择方法，通过与多颗覆盖卫星并行发起寻呼并收集各卫星链路的信号强度、信噪比等多元参数，实现了在多星覆盖场景下对最优下行链路的动态、智能选择，从而显著提高了通信成功率与可靠性，降低了因选择劣质链路导致的丢包率和重传率。

88、2、本发明提供的一种vdes多星覆盖场景下的下行链路选择方法，通过基于信号强度、信噪比、扇形覆盖区域内位置、卫星高度、覆盖稳定性及排队消息数等多元因素的综合加权评分算法，实现了对候选卫星链路的量化评估与择优，从而确保了下行消息始终经由性能最优的链路传输，有效避免了因随机或固定选星导致的通信质量波动。

89、3、本发明提供的一种vdes多星覆盖场景下的下行链路选择方法，通过基于待发送消息长度计算发送所需时长x，并预判x秒后卫星是否仍覆盖目标船舶，实现了对链路持续稳定性的前瞻性评估，从而保证了vde点对点消息的完整传输，避免了因卫星移动出覆盖区域导致的消息发送中断。

90、4、本发明提供的一种vdes多星覆盖场景下的下行链路选择方法，通过引入卫星待发送消息队列长度作为选星参数之一，实现了对卫星载荷负载状态的考量，从而优先选择队列较短的卫星，避免了因卫星过载导致的传输时延增大，优化了系统整体的频谱资源利用效率。

91、5、本发明提供的一种vdes多星覆盖场景下的下行链路选择方法，通过采用先并行寻呼、再择优发送的两阶段流程，实现了寻呼覆盖发现与最优链路选择的解耦，既保证了能找到所有可能覆盖的卫星，又确保了最终发送链路的性能最优，从而形成了完善的兜底机制。

92、综上，应用本发明的技术方案，针对现有技术中固定选星缺乏灵活性、随机选星无法保证通信质量、仅基于覆盖有无未能充分利用多星信号质量差异等问题，本发明通过多元参数并行寻呼与综合加权选星算法，实现了多星覆盖场景下最优下行链路的动态智能选择。因此，本发明的技术方案解决了现有技术中在多星覆盖场景下无法动态、智能地选择最佳下行卫星链路，导致通信质量差、成功率低、传输时延大、频谱资源利用不充分的技术问题。

93、基于上述理由本发明可在vdes卫星通信、船舶远海通信、低轨卫星星座通信、海上物联网通信等领域广泛推广。