本發(fā)明屬于通信，更進(jìn)一步涉及一種低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換方法及系統(tǒng)，可用于優(yōu)化民航交通業(yè)務(wù)的傳輸時延和切換引起的時延抖動。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和用戶需求的激增，通信網(wǎng)絡(luò)已成為社會生活中不可或缺的一部分。盡管5g用戶已滿足了大多數(shù)用戶的需求，但地面通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建受地形限制，在沙漠、海洋、山區(qū)等區(qū)域存在信號覆蓋不足的問題。此外，自然災(zāi)害也容易導(dǎo)致地面通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的破壞，影響通信服務(wù)的穩(wěn)定性。相比之下，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)憑借其全球覆蓋能力成為未來6g網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)leo近年來發(fā)展迅速，具備全球帶寬服務(wù)的能力，滿足多樣化的業(yè)務(wù)需求。典型的leo星座項目包括starlink、oneweb等，已逐步實(shí)現(xiàn)全球范圍的寬帶接入。與中軌道衛(wèi)星meo和地球靜止軌道衛(wèi)星geo相比，leo衛(wèi)星具有低時延、成本低、覆蓋廣等優(yōu)勢，在通信、氣象監(jiān)測、民用航空通信等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要作用。

2、目前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)廣泛采用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其包括“天基網(wǎng)絡(luò)”、“天星地網(wǎng)”和“天網(wǎng)地網(wǎng)”等類型?！疤炀W(wǎng)地網(wǎng)”架構(gòu)能夠充分發(fā)揮地面網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸與處理方面的優(yōu)勢，同時結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的廣域覆蓋能力，有效降低系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜度和建設(shè)運(yùn)營成本。

3、leo星座的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于低軌衛(wèi)星的高速移動而不斷發(fā)生變化，且低軌衛(wèi)星覆蓋區(qū)域相對有限，用戶會因?yàn)樽陨砘蛐l(wèi)星移動而超出衛(wèi)星覆蓋范圍，此時需要將通信連接切換到下一個覆蓋范圍內(nèi)的衛(wèi)星。星間切換的核心在于確保切換過程的平穩(wěn)性和通信的連續(xù)性，避免數(shù)據(jù)中斷和服務(wù)質(zhì)量下降。民用航空交通具有移動速度快，飛行軌跡可預(yù)測的特點(diǎn)，星間切換過程受到衛(wèi)星和用戶高速相對移動的共同影響，切換頻率高且窗口時間短，相比靜止用戶，切換復(fù)雜性更高，需多顆衛(wèi)星協(xié)同工作，以滿足高實(shí)時性和可靠性需求。

4、papapetrou?e等人提出的星間切換算法強(qiáng)調(diào)以最長剩余服務(wù)時間為核心優(yōu)化切換性能，在用戶選擇切換目標(biāo)時，基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目深A(yù)測性，優(yōu)先選擇服務(wù)時間最長的衛(wèi)星。通過延長切換后通信時間，有效降低切換請求的頻率和切換次數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。shenbai?zhang等人采用信息熵的方式將信道質(zhì)量、剩余服務(wù)時間、服務(wù)用戶數(shù)等因素進(jìn)行加權(quán)，將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，旨在優(yōu)化用戶切換體驗(yàn)，減少切換次數(shù)，同時均衡衛(wèi)星切換負(fù)載。這兩種算法主要面向地面靜止用戶或低速移動用戶，沒有考慮民航交通切換場景中的用戶高速移動所帶來的切換復(fù)雜性和實(shí)時性要求。

5、近年來，一些通過建立切換控制圖模型，實(shí)現(xiàn)對切換決策優(yōu)化的基于圖論星間切換方法被相繼提出。

6、zhaofeng?wu將衛(wèi)星、地面站和用戶設(shè)備等元素抽象為圖中的節(jié)點(diǎn)，將它們之間的連接關(guān)系抽象為圖中的邊，并利用圖論中的最小生成樹算法計算切換控制圖中的最優(yōu)切換路徑。

7、lang?feng等人提出一種基于加權(quán)二分圖的leo星間切換策略，其通過改進(jìn)kuhnmunkres(km)算法實(shí)現(xiàn)最大權(quán)匹配，優(yōu)化通信質(zhì)量并均衡衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

8、以上基于圖論的星間切換策略均沒有考慮目標(biāo)切換衛(wèi)星對星間路由的影響，由于低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)正向巨型星座方向發(fā)展，衛(wèi)星數(shù)量呈顯著增長趨勢，選擇不同切換衛(wèi)星將影響切換衛(wèi)星到落地衛(wèi)星之間的路由跳數(shù)，導(dǎo)致業(yè)務(wù)傳播時延長，切換成功率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種面向民航交通的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換方法及系統(tǒng)，以降低民航航班的業(yè)務(wù)傳播時延，提高切換成功率。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案包括：面向民航交通的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換方法和面向民航交通的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換系統(tǒng)。

3、1.一種面向民航交通的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換方法，其特征在于：包括：

4、基于衛(wèi)星拓?fù)湟约懊窈胶桨嗪骄€的可預(yù)測性預(yù)測在設(shè)定時間段內(nèi)衛(wèi)星對民航航班的覆蓋時間周期；

5、將衛(wèi)星覆蓋時間周期轉(zhuǎn)換為民航航班的切換有向圖g，其包括有向圖中的節(jié)點(diǎn)v、覆蓋衛(wèi)星周期的重疊時間轉(zhuǎn)換為切換有向圖的邊e；

6、估計目標(biāo)切換衛(wèi)星至落地衛(wèi)星的路由跳數(shù)hc，計算民航飛機(jī)接入目標(biāo)切換衛(wèi)星的通信仰角ec，并利用路由跳數(shù)和通信仰角計算切換有向圖任意邊edf的切換權(quán)重cos?td,f，得到更新后的切換有向圖g′；

7、在更新后的切換有向圖g′中根據(jù)切換權(quán)重cos?td,f，采用最短路徑算法計算民航航班的最優(yōu)切換路徑。

8、進(jìn)一步，所述將衛(wèi)星覆蓋時間周期轉(zhuǎn)換為民航航班的切換有向圖，其包括：

9、設(shè)g＝{v,e}為民航航班的切換有向圖，其中v表示切換有向圖中的點(diǎn)集，e表示切換有向圖中的邊集；

10、將衛(wèi)星覆蓋集合s中每顆衛(wèi)星sc轉(zhuǎn)變?yōu)間中的一個節(jié)點(diǎn)vc，vc∈v；

11、將飛機(jī)p作為切換有向圖中的虛擬起始節(jié)點(diǎn)v0，并加入節(jié)點(diǎn)集合v；

12、將衛(wèi)星覆蓋周期的重疊時間轉(zhuǎn)化為切換有向圖的邊,對于集合s中的任意一對衛(wèi)星(sd,sf)，若兩顆衛(wèi)星sd和sf的覆蓋時間滿足的條件，則在切換有向圖g中，建立衛(wèi)星sd和sf對應(yīng)節(jié)點(diǎn)vd和vf之間的無向邊edf，并加入邊集e；

13、確定切換有向圖中節(jié)點(diǎn)之間邊的方向，對于任意的邊edf，找到其兩個端點(diǎn)在集合s中對應(yīng)的衛(wèi)星sd和sf：

14、若則在情況下，邊edf方向?yàn)関d指向vf；在情況下，edf方向?yàn)関f指向vd；

15、若則在情況下，edf方向?yàn)関d指向vf；在情況下，edf方向?yàn)関f指向vd；

16、在切換有向圖中，建立節(jié)點(diǎn)v0與v1之間的有向邊e01，方向?yàn)関0指向v1，得到轉(zhuǎn)換后的民航航班切換有向圖。

17、2.一種面向民航交通的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換系統(tǒng)，其特征在于，包括：

18、數(shù)據(jù)管理模塊，用于獲取衛(wèi)星實(shí)時拓?fù)湫畔⒑兔窈胶桨嗟暮铰沸畔?，其中，衛(wèi)星實(shí)時拓?fù)湫畔款w衛(wèi)星的實(shí)時位置信息及衛(wèi)星對地理柵格覆蓋的起止時刻；民航航班的航路信息包括航班實(shí)時的位置信息以及航班速度和方向；

19、衛(wèi)星覆蓋與數(shù)據(jù)計算模塊，用于根據(jù)數(shù)據(jù)管理模塊輸出的衛(wèi)星實(shí)時拓?fù)湫畔⒑兔窈胶桨嗟暮铰沸畔ⅲ嬎阈l(wèi)星對民航航班的覆蓋時間周期、目標(biāo)切換衛(wèi)星至落地衛(wèi)星的路由跳數(shù)和民航飛機(jī)接入目標(biāo)切換衛(wèi)星的通信仰角；

20、切換有向圖生成模塊，用于根據(jù)衛(wèi)星覆蓋與數(shù)據(jù)計算模塊輸出的衛(wèi)星對民航航班的覆蓋時間周期生成民航航班的切換有向圖，利用目標(biāo)切換衛(wèi)星至落地衛(wèi)星的路由跳數(shù)和民航飛機(jī)接入目標(biāo)切換衛(wèi)星的通信仰角計算切換有向圖中邊的切換權(quán)重；

21、切換路徑計算與下發(fā)模塊，用于根據(jù)切換有向圖生成模塊輸出的民航航班切換有向圖計算民航航班的最優(yōu)切換路徑，并發(fā)送給相應(yīng)切換目標(biāo)衛(wèi)星。

22、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：

23、1.本發(fā)明由于根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜兔窈胶桨嗪铰返念A(yù)測信息為民航航班提前編排未來設(shè)定時間段內(nèi)的切換路徑，避免了因民航航班與低軌衛(wèi)星之間相對移動速度大導(dǎo)致的切換性能下降，提高了切換成功率。

24、2.本發(fā)明由于將衛(wèi)星對民航航班的覆蓋時間周期轉(zhuǎn)換為民航航班的切換有向圖，為優(yōu)化切換決策提供了數(shù)學(xué)模型，便于結(jié)合圖算法尋找最優(yōu)切換路徑，從而提高切換決策的實(shí)時性與精度，減少切換失敗概率，提升通信服務(wù)質(zhì)量；

25、3.本發(fā)明由于在計算切換有向圖邊的切換權(quán)重時，考慮切換衛(wèi)星到落地衛(wèi)星的星間路由跳數(shù)，從而優(yōu)化了民航航班接入切換衛(wèi)星數(shù)據(jù)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路徑，降低了業(yè)務(wù)傳輸時延，從而提升通信效率和用戶體驗(yàn)。