[发明专利]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

说明书

本发明公开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，其中所述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。

技术领域

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。