划分虚拟小区和移动性管理方法及装置、卫星、地面终端和信关站与流程

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及一种划分虚拟小区和移动性管理方法及装置、卫星、地面终端和信关站。

背景技术

卫星通信系统以卫星作为中继站转发微波信号，在多个地面终端之间通信。基于卫星轨道的类型，一种较为成熟的卫星通信系统是利用地球同步卫星(GEO)，这种卫星能够在围绕赤道轨道上空3600千米左右的高度保持对地静止并提供无线接入服务。然而，由于轨道的限制，这种通信系统的系统容量受限、服务区域也无法覆盖到高维度地区。上个世纪提出过一种通过使用中低轨道(LEO/MEO)卫星组建星座的方式提供全球卫星通信覆盖的想法，并且在全世界范围内掀起一波建设热潮。然而，由于过于高昂的成本以及受限的数字信号处理技术，第一次尝试均以失败告终。近年来，随着商业航天技术的发展，发射成本得到了大幅度的降低。并且数字信号处理技术的成本和算力均得到了较大的进步。因此，基于中低轨道卫星的通信卫星星座计划再次被提出。尽管中低轨道卫星无法与地球保持相对静止，但是通过星座的方式能够理论上能够实现全球的覆盖。并且由于无线通信系统的容量由频率复用系数决定，离地球表面更近的中低轨道卫星能够提供相比GEO卫星更多的通信容量。

虽然利用中低轨道星座构建全球覆盖的、高容量的通信系统能够快速向欠发达地区提供无线接入能力。但是在高速移动的卫星和地面终端间建立无线链路也面临诸多技术上的挑战，并且这些挑战并不是传统地面蜂窝网络中存在的，因此在现有文献中也较少的被研究过。其中一个问题是由于中低轨道卫星相对地面高速移动和波束成形带来的。由于卫星通信频率在KA或KU波段，该频段的路径损耗较大，如果不使用相控阵天线对无线电波进行波束成形，则无法在地面端无法实现有效的信噪比。波束成形意味着卫星对地覆盖面积是一个以波束中心点为中心的圆形。在一个1000Km高度的低轨道上的卫星，其飞行速度能达到7km/s，在这个速度下，低轨卫星的轨道周期大概在1.45个小时左右。如果进一步考虑轨道的相对赤道面的仰角以及地面终端所处的高纬度地区，这意味着一个中低轨道卫星在地面终端的可见窗口(Visual Window)大概在20分钟左右。如果不使用波束跟踪而是使用固定波束，则只有在部分可见窗口内波束扫描到的时间区域内通信链路才能达到满意的水平，这样中低轨道卫星能服务一个地面终端的时间进一步缩小。在公开的Starlink测试数据中，披露的链路速率并不包含持续服务的时间，这意味着可能Starlink也尚未解决多颗卫星提供持续通信服务的问题。

解决上述问题的一种方式是利用中低轨道星座的方式，如图1所示，在一个轨道上部署多颗卫星，由不同卫星接力服务的方式实现持续不断的通信链路，中低轨道卫星星座庞大的成本意味着必须服务于大量的用户才能实现经济上的可行性，当地面终端数量不断增加后，必然需要提供一种类似传统蜂窝通信网络的移动性管理的方法，然而目前公开的文献中低轨卫星网络关注的仍然是单个卫星与地面终端之间的通信方案和性能测试。

在传统蜂窝通信系统里，基站固定不动而移动终端单方面进行移动，每个基站与一个或多个小区相关联，如图2所示，通信系统通过终端所关联的小区进行移动性管理。终端在非连接态(Idle Mode)或连接态(Connected Mode)下均能识别关联的小区并在必要时与网络侧的移动性管理单元(MME)进行通信和同步。

然而，对于中低轨道星座的方式，假如将一颗中低轨道卫星与一个小区(即该卫星的服务区域)相关联，如图3所示，由于中低轨道卫星围绕地球保持高速移动，若以地面终端为参照物，各个小区相对于地面终端高速移动。这样，从地面终端角度，小区的位置在不断的移动，无法使用传统蜂窝网络固定的小区边界的方案。例如，假设地面终端保持静止和非连接态，将进行不断的小区驻扎和重选流程(Cell Camping and Selection Procedure)，从地面终端角度这意味着过高的信令和功耗开销，并且无法从与自身关联的小区中获得有关自身移动性的信息；从卫星角度也意味着无法将地面终端进行小区化管理。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种划分虚拟小区和移动性管理方法及装置、卫星、地面终端和信关站，以解决现有技术中基于卫星的移动性管理方法所带来的系统开销大和时延高的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种划分虚拟小区的方法，包括：将中低轨道卫星环绕地球运行一周发送的波束所扫过的地面区域划分成若干个虚拟小区；为每个所述虚拟小区指定不同的虚拟小区ID；在所述卫星发送的波束处于所述虚拟小区内期间，控制所述卫星发送所述虚拟小区对应的虚拟小区ID。

可选地，所述卫星发送的波束在扫过所述虚拟小区期间对应发送至少一个数据帧，所述至少一个数据帧中的每一帧均包括所述虚拟小区对应的虚拟小区ID。

可选地，所述卫星为多颗，每颗所述卫星发送的波束在扫过所述虚拟小区期间，发送所述虚拟小区对应的虚拟小区ID。

可选地，所述卫星包括多个波束，所述卫星发送的每个波束在扫过所述虚拟小区期间，发送所述虚拟小区对应的虚拟小区ID。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理方法，适用于卫星，包括：在各个预定时间段或空间位置段内，向地面发送对应的虚拟小区ID；其中，在发送所述虚拟小区ID期间，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区。

可选地，在所述预定时间段或所述空间位置段期间发送至少一个数据帧，所述至少一个数据帧中的每一帧均包括所述虚拟小区对应的虚拟小区ID。

可选地，所述卫星为多颗，每颗所述卫星在各自的预定时间段或空间位置段内，向地面发送对应的虚拟小区ID。

可选地，所述卫星包括多个波束，所述卫星发送的每个波束在各自的预定时间段或空间位置段内，向地面发送对应的虚拟小区ID。

可选地，所述方法还包括：向与运动方向相反的方向旋转天线。

根据第三方面，本发明实施例提供了一种用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理方法，适用于地面终端，包括：在接入卫星服务链路时，接收所述卫星发送的虚拟小区ID，所述虚拟小区ID与所述卫星所处的时间段或空间位置段相对应，在所述时间段或空间位置段内，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区。

根据第四方面，本发明实施例提供了一种用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理方法，适用于信关站，包括：接收至少一个地面终端发送的虚拟小区ID，所述虚拟小区ID与所述地面终端所接入的卫星所处的时间段或空间位置段相对应，在所述时间段或空间位置段内，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区；将所发送的虚拟小区ID相同的所述地面终端划入所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区进行管理。

根据第五方面，本发明实施例提供了一种划分虚拟小区的装置，包括：划分单元，用于将中低轨道卫星环绕地球运行一周发送的波束所扫过的地面区域划分成若干个虚拟小区；指定单元，用于为每个所述虚拟小区指定不同的虚拟小区ID；控制单元，用于在所述卫星发送的波束处于所述虚拟小区内期间，控制所述卫星发送所述虚拟小区对应的虚拟小区ID。

根据第六方面，本发明实施例提供了一种用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理装置，适用于卫星，包括：发送单元，用于在各个预定时间段或空间位置段内，向地面发送对应的虚拟小区ID；其中，在发送所述虚拟小区ID期间，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区。

根据第七方面，本发明实施例提供了一种用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理装置，适用于地面终端，包括：接收单元，用于在接入卫星服务链路时，接收所述卫星发送的虚拟小区ID，所述虚拟小区ID与所述卫星所处的时间段或空间位置段相对应，在所述时间段或空间位置段内，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区。

根据第八方面，本发明实施例提供了一种用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理方法，适用于信关站，其特征在于，包括：接收单元，用于接收至少一个地面终端发送的虚拟小区ID，所述虚拟小区ID与所述地面终端所接入的卫星所处的时间段或空间位置段相对应，在所述时间段或空间位置段内，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区；划分单元，用于将所发送的虚拟小区ID相同的所述地面终端划入所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区进行管理。

根据第九方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，以执行如下方法步骤：将中低轨道卫星环绕地球运行一周发送的波束所扫过的地面区域划分成若干个虚拟小区；为每个所述虚拟小区指定不同的虚拟小区ID；在所述卫星发送的波束处于所述虚拟小区内期间，控制所述卫星发送所述虚拟小区对应的虚拟小区ID。

根据第十方面，本发明实施例提供了一种中低轨道卫星，包括：天线，用于在各个预定时间段或空间位置段内，向地面发送对应的虚拟小区ID；其中，在发送所述虚拟小区ID期间，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区。

根据第十一方面，本发明实施例提供了一种地面终端，包括：天线，用于在接入卫星服务链路时，接收所述卫星发送的虚拟小区ID，所述虚拟小区ID与所述卫星所处的时间段或空间位置段相对应，在所述时间段或空间位置段内，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区。

根据第十二方面，本发明实施例提供了一种信关站，包括：天线，用于接收至少一个地面终端发送的虚拟小区ID，所述虚拟小区ID与所述地面终端所接入的卫星所处的时间段或空间位置段相对应，在所述时间段或空间位置段内，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区；存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，以将所发送的虚拟小区ID相同的所述地面终端划入所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区进行管理。

根据本发明实施例的划分虚拟小区和移动性管理方法及装置、卫星、地面终端和信关站，将中低轨道卫星环绕地球运行一周发送的波束所扫过的地面区域划分成若干个虚拟小区，在卫星发送的波束处于虚拟小区内期间，控制该卫星发送该虚拟小区对应的虚拟小区ID，使得所划分出的虚拟小区相对地面具有固定的位置和边界，从而能够利用现有的蜂窝通信技术，对地面终端进行小区化管理。

根据本发明实施例的划分虚拟小区和移动性管理方法及装置、卫星、地面终端和信关站，大大提升了小区规划和星座规划的便捷性，运营商只需要将绝对的物理区域划分成不同的虚拟小区即可，卫星制造商或运营商将服务区域输入至信关站或星座系统，即可实现相关轨道内的卫星在该区域实现一个虚拟小区，而在该区域内的地面终端将在所有卫星的可视窗口内驻扎或接入该虚拟小区。

根据本发明实施例的划分虚拟小区和移动性管理方法及装置、卫星、地面终端和信关站，与传统的蜂窝通信技术需要对服务区域内的所有地面终端更新配置相比，本发明实施例的方案只需要使卫星周期性的更新自身发送的虚拟小区ID以及相关联的收发配置即可，极大地降低了系统开销和时延。

根据本发明实施例的划分虚拟小区和移动性管理方法及装置、卫星、地面终端和信关站，与现有的基于卫星的移动性管理方法需要不间断的进行小区切换相关的业务相比，本发明实施例的方案即使地面终端不断的增长，也可以有效的将所有终端划入不同的静态区域进行管理，并且由于各个虚拟小区具有固定的位置和边界，移动性管理单元将无需处理静止的地面终端。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例的中低轨道卫星星座的示意图；

图2示出了传统蜂窝通信系统中小区与移动终端的示意图；

图3示出了中低轨道卫星通信系统中卫星服务区域与地面终端的示意图；

图4示出了根据本发明实施例的划分虚拟小区的方法的流程图；

图5示出了根据本发明实施例的划分虚拟小区的方法中卫星发送虚拟小区ID以标识相应的虚拟小区的示意图；

图6示出了根据本发明实施例的划分虚拟小区的方法中数据帧与所划分的虚拟小区的示意图；

图7示出了根据本发明实施例的多颗卫星标识虚拟小区的示意图；

图8示出了根据本发明实施例的具有多个波束的卫星标识虚拟小区的示意图；

图9示出了根据本发明实施例的卫星调整天线方向以稳定虚拟小区边界的示意图；

图10示出了现有的基于卫星的移动性管理方法中卫星与地面终端之间的高速相对移动的示意图；

图11示出了采用本发明实施例的基于虚拟小区的移动性管理方法，各个虚拟小区具有固定的位置和边界的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如背景技术部分所述，在一个1000Km高度的低轨道上的卫星，其飞行速度能达到7km/s，这个速度并不是传统地面蜂窝通信系统所考虑的速度范围。地面蜂窝通信系统所考虑的极限是500km/h的高速列车，两者的速度差异约为50倍，难以将传统地面蜂窝通信系统的小区管理技术应用于中低轨道卫星通信系统。然而，本发明的发明人通过不断研究后发现，中低轨道卫星星座具有如下特点：每颗中低轨道卫星在围绕地球转动时，其运行轨道是确定的，在轨道各处的时间也是确定的，这是由牛顿力学定律决定的。由于中低轨道卫星星座具有上述特点，使得中低轨道卫星通信系统的移动性管理成为可能。

图4示出了根据本发明实施例的划分虚拟小区的方法，该方法可以包括如下步骤：

S11.将中低轨道卫星环绕地球运行一周发送的波束所扫过的地面区域划分成若干个虚拟小区。

为了便于理解，在本实施例中只考虑一颗中低轨道卫星的情况。一颗中低轨道卫星环绕地球运行一周发送的波束所扫过的地面区域为环绕地球一周的带状区域，为了便于图示，在图5中由一条具有起点和终点的平面带状区域来表示，可以理解为上述环绕地球一周的环形带状区域的平面展开。在图5的示例中，卫星环绕地球运行一周发送的波束所扫过的地面区域被划分成N个虚拟小区。本领域技术人员可以根据实际情况合理划分虚拟小区，例如，当地面区域为海洋或沙漠等人烟稀少的区域时，可以将虚拟小区的面积设置得较大；当地面区域为平原等人口密集的区域时，可以将虚拟小区的面积设置得较小，以便实现精细化管理。

S12.为每个虚拟小区指定不同的虚拟小区ID。

在图5的示例中，卫星环绕地球运行一周所扫过的地面区域包括虚拟小区1、虚拟小区2、虚拟小区3、……以及虚拟小区N。当然，虚拟小区ID并不限于顺序增大的数字，虚拟小区ID的作用在于唯一标识对应的虚拟小区，本领域技术人员可以为各个虚拟小区任意设置虚拟小区ID，只要各个虚拟小区具有不同的虚拟小区ID即可。

S13.在卫星发送的波束处于虚拟小区内期间，控制该卫星发送该虚拟小区对应的虚拟小区ID。

如图5所示，卫星发送的波束处于虚拟小区1内期间持续发送ID1，在处于虚拟小区2内期间持续发送ID2，在处于虚拟小区3内期间持续发送ID3，以此类推，在处于虚拟小区N内期间持续发送IDN。从而对虚拟小区1所处的地面区域而言，该地面区域的卫星信号构成了一个由ID1覆盖的区域，该地面区域可以映射为虚拟小区1；对虚拟小区2所处的地面区域而言，该地面区域的卫星信号构成了一个由ID2覆盖的区域，该地面区域可以映射为虚拟小区2；以此类推，对虚拟小区N所处的地面区域而言，该地面区域的卫星信号构成了一个由IDN覆盖的区域，该地面区域可以映射为虚拟小区N，通过上述步骤实现了虚拟小区的划分。

如上文所述，每颗中低轨道卫星在围绕地球转动时，其运行轨道是确定的，在轨道各处的时间也是确定的，如果中低轨道卫星在固定的位置或时间持续发送ID1，则虚拟小区1在地面的位置将得到固定，以此类推，中低轨道卫星在固定的位置或时间持续发送IDN，则虚拟小区N在地面的位置也将得到固定。当地面终端处于某个虚拟小区时，地面终端根据所接收到的卫星信号所包括的虚拟小区ID，能够获得自身所处的虚拟小区。由于中低轨道卫星的轨道是通过测控站持续矫正的，因此其轨道时间具有较高的精度，因此可以确保在相同空间位置发送虚拟小区ID。此时可以看到，虚拟小区与蜂窝通信系统的小区实现了统一，也就是相对地面具有固定的位置和边界，从而能够利用现有的蜂窝通信技术，对地面终端进行小区化管理。

作为本发明实施例的一种可选实施方式，卫星发送的波束在扫过虚拟小区期间对应发送至少一个数据帧，该至少一个数据帧中的每一帧均包括该虚拟小区所对应的虚拟小区ID。如图6所示，卫星发送的波束在扫过虚拟小区1期间对应发送M个数据帧，即虚拟小区1是由帧#1到帧#M对应的时间段中低轨道卫星信号覆盖的区域；同样地，在帧#M 1到帧#2M对应的时间段，中低轨道卫星信号覆盖的区域为虚拟小区2。在图6的示例中，一个虚拟小区对应的信号周期为M个数据帧，然而本发明并不限于此，如上文所述本领域技术人员可以根据实际情况合理划分虚拟小区，因此各个虚拟小区对应的信号周期可以是不同的。

如上文所述，中低轨道卫星在固定的位置或时间发送帧#1和帧#M，使得虚拟小区1在地面的位置得到固定，以此类推，中低轨道卫星在固定的位置或时间发送各个数据帧，从而能够使得各个虚拟小区在地面的位置得到固定，各个虚拟小区相对地面具有固定的位置和边界，从而能够利用现有的蜂窝通信技术，对地面终端进行小区化管理。

在一种可选实施方式中，中低轨道卫星中为多颗，每颗卫星发送的波束在扫过某个虚拟小区期间，发送该虚拟小区对应的虚拟小区ID。如图7所示，卫星S1在预定时间段或空间位置段发送ID1，从而形成虚拟小区1；同时，其相同轨道临近卫星S2发送ID2，从而形成虚拟小区2。此时，卫星S1和卫星S2各自形成具有一个虚拟边界的小区。若卫星S1和卫星S2均向左方移动，当卫星S2移动至虚拟小区边界处时，发送虚拟小区1对应的虚拟小区ID，即卫星S2将发送的虚拟小区ID＝2更新为ID＝1。这样就实现了虚拟小区的连续覆盖。

在一种可选实施方式中，卫星包括多个波束，卫星发送的每个波束在扫过虚拟小区期间，发送该虚拟小区对应的虚拟小区ID。如图8所示，卫星S1的第一波束B1和第二波束B2处于虚拟小区1的区域内，发送虚拟小区ID＝1，而同一卫星S1的第三波束B3由于处于虚拟小区2的区域内，则发送虚拟小区ID＝2。如前所述，虚拟小区ID与卫星ID不存在一一对应关系，图8中进一步展示虚拟小区ID与卫星的波束ID也不存在一一对应关系，在图8的示例中，虚拟小区2是由不同卫星和不同波束构成的。

通过采用本发明实施例的划分虚拟小区的方法，除了虚拟小区相对地面具有固定的位置和边界，从而能够利用现有的蜂窝通信技术，对地面终端进行小区化管理，在移动性管理方面有了较大的提升以外，也大大提升了小区规划和星座规划的便捷性。运营商只需要将绝对的物理区域划分成不同的虚拟小区即可，卫星制造商或运营商将服务区域输入至信关站或星座系统，即可实现相关轨道内的卫星在该区域实现一个虚拟小区。而在该区域内的地面终端将在所有卫星的可视窗口(Visual Window)内驻扎或接入该虚拟小区。例如，一个覆盖北京城区的虚拟小区大概需要一个120km的波束，北京城区的地面终端将始终识别到一个虚拟小区ID为1的标识信号，而能够持续接收到该标识信号取决于相关轨道上已经部署的卫星数量。

本发明实施还提供了一种用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理方法，该方法适用于卫星，可以包括如下步骤：

在各个预定时间段或空间位置段内，向地面发送对应的虚拟小区ID。

如图4所示的实施例所述，将中低轨道卫星环绕地球运行一周发送的波束所扫过的地面区域划分成若干个虚拟小区，各个虚拟小区相对地面具有固定的位置和边界，而且中低轨道卫星的轨道是通过测控站持续矫正的，因此其轨道时间或空间位置具有较高的精度，能与虚拟小区一一对应，即一个虚拟小区能够对应卫星在其运行轨道上的某个时间段或某个空间位置段，卫星在发送虚拟小区ID期间发送的波束所扫过的地面区域即为该虚拟小区ID所对应的虚拟小区，卫星通过在该预定时间段或空间位置段内发送该虚拟小区对应的虚拟小区ID，从而标识了该虚拟小区。由于卫星在各个时刻所处的位置是可以精确预测的，所以能够提前预知各个预定时间段或空间位置段所需要发送的虚拟小区ID，卫星只需要执行预存的指令，在各个预定时间段或空间位置段发送对应的虚拟小区ID即可。

在本发明实施例的用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理方法中，卫星在其运行轨道的各个预定时间段或空间位置段内，向地面发送对应的虚拟小区ID，从而在地面上标识了该虚拟小区ID所对应的虚拟小区，所标识的虚拟小区相对地面具有固定的位置和边界，当地面终端处于某个虚拟小区时，地面终端根据所接收到的卫星信号所包括的虚拟小区ID，能够获得自身所处的虚拟小区，进而能够利用现有的蜂窝通信技术，对地面终端进行小区化管理。

作为本发明实施例的一种可选实施方式，卫星在该预定时间段或空间位置段期间发送至少一个数据帧，该至少一个数据帧中的每一帧均包括所述虚拟小区对应的虚拟小区ID。具体内容可以参考上文中图6所对应的相关内容。

在本实施方式中，中低轨道卫星在固定的位置或时间发送各个数据帧，从而能够使得各个虚拟小区在地面的位置得到固定，各个虚拟小区相对地面具有固定的位置和边界，从而能够利用现有的蜂窝通信技术，对地面终端进行小区化管理。

由于中低轨道卫星始终处在移动中，这意味着服务于一个虚拟小区的卫星始终在变化之中，当一颗卫星的服务区域移出某个虚拟小区时，后续卫星的服务区域移入该虚拟小区，进而为该虚拟小区内的地面终端提供通信服务。因此，在可选一种实施方式中，中低轨道卫星同时发送虚拟小区ID和卫星ID。如上文所述，虚拟小区ID和卫星ID的对应关系不存在持续一一对应关系，这与地面蜂窝系统完全不同的。地面蜂窝系统中的小区ID与基站间存在持续的一一对应关系。

在可选一种实施方式中，虚拟小区ID是通过同步信号、参考信号或系统广播信息携带的。在另一种可选实施方式中，虚拟小区ID是通过上层信令携带的。

作为本发明实施例的一种可选实施方式，中低轨道卫星中为多颗，每颗卫星在各自的预定时间段或空间位置段内，向地面发送对应的虚拟小区ID。仍然如图7所示，卫星S1在其预定时间段或空间位置段内发送ID1，以标识虚拟小区1；其相同轨道临近卫星S2在其预定时间段或空间位置段内发送ID2以标识虚拟小区2，此时，卫星S1和卫星S2各自形成具有一个虚拟边界的小区。若卫星S1和卫星S2均向左方移动，卫星S2处于当前卫星S1的空间位置时，发送虚拟小区1对应的虚拟小区ID，以实现虚拟小区的连续覆盖。由于各个卫星在各个时刻所处的位置是可以精确预测的，所以能够提前预知各个预定时间段或空间位置段所需要发送的虚拟小区ID，各个卫星只需要执行预存的指令，在各个预定时间段或空间位置段发送对应的虚拟小区ID即可。

在一种可选实施方式中，卫星的信号传输机制采用类似4G LTE或5G NR的方式，也就是信号收发方式与虚拟小区ID相关联。例如，中低轨道卫星下行参考信号所使用的扰码、下行同步信号的导频序列、上行随机接入信道的配置、广播信号的校验码均依赖于虚拟小区标识。在本发明实施例的用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理方法中，只要地面终端不产生较大的位置切换，则其识别的虚拟小区ID就不会发生改变，因此上述关联的信号发送和接收配置也无需改变。

相反，若采用传统的蜂窝通信技术，即使地面终端保持静止，也仍然需要频繁的进行配置的更新，从地面终端角度这意味着过高的信令和功耗开销。而在本发明实施例的用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理方法中，卫星只需要周期性的更新自身发送的虚拟小区ID以及相关联的收发配置即可，这对于具有较强的信号处理能力的中低轨道卫星而言是相对简单的。例如在一个1000km轨道的中低轨道卫星星座、单轨具有22颗卫星的星座而言，卫星的轨道周期大约为1.4小时，更新虚拟小区的频率为1.4h/22＝229s。也就是说，每229秒只需要22颗卫星更新一次信号发送方式即可，相比而言该区域内可能拥有100万个地面终端，在1.4小时之内需要共计更新配置约2千万次。因此，本发明实施例的用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理方法极大地降低了系统开销和时延。

作为本发明实施例的一种可选实施方式，卫星包括多个波束，卫星发送的每个波束在各自的预定时间段或空间位置段内，向地面发送对应的虚拟小区ID。仍然如图8所示，卫星S1的第一波束B1和第二波束B2在各自的预定时间段或空间位置段内发送ID1，以标识虚拟小区1，而同一卫星S1的第三波束B3在其预定时间段或空间位置段内发送ID2，以标识虚拟小区2。由于卫星在各个时刻所处的位置是可以精确预测的，卫星的各个波束在各个时刻的波束方向也是可以提前预知的，所以能够提前预知各个卫星的每个波束在各个预定时间段或空间位置段所需要发送的虚拟小区ID，卫星只需要执行预存的指令，使得各个波束在各个预定时间段或空间位置段发送对应的虚拟小区ID即可。

由于低轨卫星始终处于移动中，因此虚拟小区的边界也一直在变动，在一种可选实施方式中，卫星通过调整天线向其运动方向相反的方向旋转，从而使得形成的虚拟小区边界更加稳定，该天线例如可以是相控阵天线。例如，如图9所示的卫星S1当前处在虚拟小区1的时间段，通过调整其天线方向，使得其波束向其移动方向相反的方向旋转。

进一步地，波束扫描控制也易于计算，只需要根据卫星移动的角速度和数据帧的个数旋转相控阵天线的中心方向即可。例如，1000km轨道的卫星移动的角速度为0.07度/秒。如果一个数据帧为1毫秒，则每过1000个数据帧，使得相控阵天线的角度向相反方向增加0.07度即可。在图9的示例中，卫星S1按箭头所示的运动方向移动，从T1时刻移动到T2时刻，相对地心的偏转角度为θ＝ω(T2-T1)；其中，角速度ω＝0.07。由于天线需要向其运动方向相反的方向旋转，因此将-θ输入至相控阵控制器中即可实现如图9所示的效果，也就是虚拟小区的边界保持不变。

在上文中详细描述了本发明实施例的划分虚拟小区的方法以及适用于卫星端的用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理方法，在下文中将针对地面终端侧进行详细描述。

在上文中，通过使卫星在各个预定时间段或空间位置段内，向地面发送对应的虚拟小区ID，从而标识出了若干虚拟小区，每个虚拟小区相对地面具有固定的位置和边界。对于地面终端而言，当地面终端处于某个虚拟小区内时，通过接收卫星发送的虚拟小区ID，该虚拟小区ID与卫星所处的时间段或空间位置段相对应，在该时间段或空间位置段内，该卫星发送的波束所扫过的地面区域为该虚拟小区ID所对应的虚拟小区。由此，能够根据该虚拟小区ID进行移动性管理。

在一种可选实施方式中，地面终端在接入卫星服务链路时，向信关站汇报自身识别的虚拟小区ID。在另一种可选实施方式中，地面终端根据虚拟小区ID进行小区驻扎和重选(Cell camping and selection)。在该过程中，地面终端测量虚拟小区的下行信号功率强度，并根据信号功率强度选择最优的接入小区。在地面终端需要转入连接态时，根据虚拟小区ID发起随机接入过程。

在一种可选实施方式中，地面终端根据虚拟小区ID进行信号功率测量并执行小区切换(Hand Over)。具体的，地面终端测量虚拟小区的信号功率强度，并在当前虚拟小区信号功率强度低于相邻小区信号功率强度时进行小区切换。

对于地面信关站或与信关站通信的移动性管理单元(MME)而言，无论中低轨道卫星如何运动，由于地面区域被划分成了若干具有固定的位置和边界的虚拟小区，即使地面终端不断的增长，也可以有效的将所有终端划入不同的静态区域进行管理。如图10所示，在现有的基于卫星的移动性管理方法中，由于卫星与地面终端之间的高速相对移动，所有终端均成为高速移动终端，因此移动性管理单元需要不间断的进行小区切换相关的业务。而在本发明实施例的基于虚拟小区的移动性管理方法中，如图11所示，由于各个虚拟小区具有固定的位置和边界，移动性管理单元将无需处理静止的地面终端。

相应地，本发明实施例提供了一种划分虚拟小区的装置，该装置可以包括：

划分单元，用于将中低轨道卫星环绕地球运行一周发送的波束所扫过的地面区域划分成若干个虚拟小区；

指定单元，用于为每个所述虚拟小区指定不同的虚拟小区ID；

控制单元，用于在所述卫星发送的波束处于所述虚拟小区内期间，控制所述卫星发送所述虚拟小区对应的虚拟小区ID。

本发明实施例还提供了一种用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理装置，适用于卫星，该装置可以包括：

发送单元，用于在各个预定时间段或空间位置段内，向地面发送对应的虚拟小区ID；

其中，在发送所述虚拟小区ID期间，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区。

本发明实施例还提供了一种用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理装置，适用于地面终端，该装置可以包括：

接收单元，用于在接入卫星服务链路时，接收所述卫星发送的虚拟小区ID，所述虚拟小区ID与所述卫星所处的时间段或空间位置段相对应，在所述时间段或空间位置段内，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区。

本发明实施例还提供了一种用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理装置，适用于信关站，该装置可以包括：

接收单元，用于接收至少一个地面终端发送的虚拟小区ID，所述虚拟小区ID与所述地面终端所接入的卫星所处的时间段或空间位置段相对应，在所述时间段或空间位置段内，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区；

划分单元，用于将所发送的虚拟小区ID相同的所述地面终端划入所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区进行管理。

根据本发明实施例的划分虚拟小区的装置以及用于中低轨道卫星通信系统的移动性管理装置的具体细节可以对应参阅图1至图11所示的方法实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：

存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，以执行如下方法步骤：

将中低轨道卫星环绕地球运行一周发送的波束所扫过的地面区域划分成若干个虚拟小区；

为每个所述虚拟小区指定不同的虚拟小区ID；

在所述卫星发送的波束处于所述虚拟小区内期间，控制所述卫星发送所述虚拟小区对应的虚拟小区ID。

本发明实施例还提供了一种中低轨道卫星，包括：

天线，用于在各个预定时间段或空间位置段内，向地面发送对应的虚拟小区ID；

其中，在发送所述虚拟小区ID期间，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区。

本发明实施例还提供了一种地面终端，包括：

天线，用于在接入卫星服务链路时，接收所述卫星发送的虚拟小区ID，所述虚拟小区ID与所述卫星所处的时间段或空间位置段相对应，在所述时间段或空间位置段内，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区。

本发明实施例还提供了一种信关站，包括：

天线，用于接收至少一个地面终端发送的虚拟小区ID，所述虚拟小区ID与所述地面终端所接入的卫星所处的时间段或空间位置段相对应，在所述时间段或空间位置段内，所述卫星发送的波束所扫过的地面区域为所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区；

存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，以将所发送的虚拟小区ID相同的所述地面终端划入所述虚拟小区ID所对应的虚拟小区进行管理。

在上述各个实施例中，天线用于接收或发送信号，例如可以为相阵控天线。

处理器可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，或其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，以实现上述方法实施例中的各个方法步骤。

存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。

上述天线、处理器和存储器之间例如可以通过总线或者其他方式连接。

上述实施例的电子设备、地面终端、卫星和信关站的具体细节可以对应参阅图1至图11所示的方法实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。