CN107454571A

CN107454571A - 一种面向宽带体验的近海用户接入切换方法

Info

Publication number: CN107454571A
Application number: CN201710594811.2A
Authority: CN
Inventors: 葛宁; 肖蔼玲; 陶晓明; 殷柳国; 姜川傲
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2017-12-08
Anticipated expiration: 2037-07-20
Also published as: CN107454571B

Abstract

一种面向宽带体验的近海用户接入切换方法，属于海洋无线宽带通信技术领域，其特征在于：是在基于卫星‑地面移动通信协同的宽带通信网络中，对于进入近海的基站船，其所配备的船载基站按照接收信号强度、下行链路速率和接入持续时间三个接入切换参数，计算接入宽带卫星与岸基基站的切换综评指数；对进入近海的用户船按照岸基基站信号强度、下行链路速率以及接入持续时间三个接入切换参数，计算用户船接入岸基基站的综评指数，若岸基基站不满足条件，则选择综评指数最高的船载基站作为他们的接入点。与基于LTE‑A3信令的切换方法相比，在满足用户宽带接入的条件下可有效降低切换次数、降低近岸时用户船接入岸基基站用时。

Description

一种面向宽带体验的近海用户接入切换方法

技术领域

本发明涉及一种基于卫星-地面移动通信协同的宽带通信网络下，近海海域的船舶用户接入切换方法，属于海洋无线宽带通信技术领域。

背景技术

我国近海(距岸边5-20km的水域)的渔业、矿业资源丰富，随着海洋经济的不断发展，越来越多的从业人员参与到近海水域的海事活动中。为保障近海水域作业安全并提升涉海人员的海上信息生活质量，海洋宽带通信系统已成为海事活动中必不可少的基础设施。

空地协同的海洋通信架构是一种新型的海洋宽带通信架构，该架构具有覆盖范围大、通信速率高的优点。如图1，在已申请专利《一种空地协同的海洋宽带通信体系架构及其船载基站开关的选择方法》，专利申请号201611265563.9中的空地协同海洋通信架构中，船舶被分为两类：基站船、用户船。基站船上部署了船载基站和VSAT卫星通信设备，用户船上只有需要宽带服务的用户。在远海海域(距岸边20Km 以上海域)，基站船可用自身的VSAT设备经过卫星链路接入宽带，用户船可通过相邻基站船的船载基站接入宽带。在任何时刻，若没有用户船接入，基站船关掉自身的船载基站，变为用户船；若没有宽带接入方式，用户船可以接入窄带卫星。前述的已申请专利提供了一种整体优化方法来确定远海海域用户船与基站船的接入关系。而在近海水域(距岸边5-20Km)，作为海上无线通信和卫星通信的补充，岸基移动通信系统有系统稳定、价格低廉、速率高等优势，驶入近海的用户应尽快选择岸基基站作为接入点。此外，在船舶由远海驶向近海的过程中，由于近海海域基站船分布动态且不均匀，用户船会经历多个接入点之间的频繁切换，而基站船也会在岸基接入点与宽带卫星之间乒乓切换，严重影响近海船舶用户的宽带服务体验。

目前，地面蜂窝通信系统中小区间切换通常采用基于LTE网络A3 信令固定触发时长的切换算法，即由移动端动态地检测各基站的信号强度，根据各基站的参考信号接收功率来触发切换流程和选择目标基站。然而，在近海海域宽带通信中，基站船可采用宽带卫星和岸基基站两种不同的回程链路，由于不同回程链路的带宽、资费、时延等情况不同，所以船载基站的参考信号接收功率并不能有效反映各接入点的性能。由于近海基站船不断移动，部分地区分布密集，采用固定触发方式的传统切换算法仍会使用户船面临频繁切换的问题。此外，由于在海洋通信中LTE信令交换所带来的时延较长，用户的接入点切换会带来一定的服务中断，从而影响用户宽带服务体验。因此，一种综合考虑多种实际因素并有效应对频繁切换问题的用户接入切换算法是该通信架构中亟待解决的重大问题。

发明内容

本发明的目的是在基于卫星-地面移动通信协同的宽带通信网络基础上，提出一种适用于该体系架构中近海区域的用户接入切换方法，该方法在保障宽带接入的同时合理减少切换次数，提升近海区域通信用户的宽带服务体验。

所述用户指从从远海海域进入“近海海域”用户船与基站船共二类用户。所需要解决的技术问题是；当船舶进入近海海域后，如何充分利用岸基基站的优势，优先选择岸基基站，或者，如果岸基基站不满足切换条件，用户船如何优选船载基站以尽可能减少切换次数，提升用户的宽带服务体验。本发明的特征在于：是在卫星-地面移动通信协同的宽带通信系统，简称系统中依次按以下步骤实现的：

步骤(1)，基于所述系统的海洋宽带通信架构建立海洋宽带通信网：

所述海洋宽带通信架构由二种近海用户和四类接入点构成，其中：

两种用户是指基站船与用户船，其中：

基站船B_i,部署有：设有甚小孔径卫星终端VSAT与船载基站 BS_i,i＝1,2,3…N，N是总数，i是序号，

用户船U_j,可接受地面蜂窝网络服务、所述船载基站BS_i服务以及窄带卫星NWS服务，j＝1,2,3…M，M是总数，j是序号，

四类接入点，包括：岸基基站BS_l，其中下标l表示岸基，船载基站 BS_i，宽带卫星BWS，窄带卫星NWS，

在离岸15km以上的远海区域：

所述基站船B_i，借助船载基站BS_i接入所述宽带卫星BWS，

所述用户船U_j，借助邻近的船载基站接入宽带卫星BWS，在没有邻近的船载基站BS_i时接入窄带卫星NWS，

在离岸15km以内的近海区域，用户船U_j与基站船B_i优先选择岸基基站BS_l，

步骤(1.2)，构建所述的海洋宽带通信网,

步骤(1.2.1)，设立v_k(t)为时刻t时用户船U_j的与基站船B_i的速率，而坐标位置为[x_k(t),y_k(t)],k＝1,…,(N+M)，为用户的序号，

U_max为单个船载基站BS_i能服务的用户船U_j的最大数量，

i＝1,2,3…N，为船载基站BS_i在t时刻已接入用户船U_j的数量，

为岸基基站BS_l在t时刻已接入用户的数量，

步骤(1.2.2)，定义所述海洋宽带通信网的两类性能参数：切换性能参数和切换性能评价指数，其中：

切换性能参数，是切换控制参数，包括：接收信号强度，用户下行链路速率以及接入持续时间，其中：

A：接收信号强度，表示用户从目标接入点收到的接收功率：

A₁：当用户为用户船U_j时：

A₁₁：若，以船载基站BS_i作为目标接入点，

则接收信号强度表示为P_j←i(t)：

P_j←i(t)＝10log₁₀(P₀)-L_j←i(t)，其中，

P₀为各船载基站BS_i的固定发射功率，

L_j←i(t)为t时刻船载基站BS_i与用户船U_j之间的路径损耗，

其中,

λ_i为船载基站BS_i的信号发射波长，h_i、h_j分别为船载基站BS_i和用户船U_j的天线高度，d_j,i(t)为t时刻船载基站BS_i与用户船U_j之间的直线距离，

A₁₂：若，以岸基基站BS_l作为目标接入点，

则接收信号强度表示为

其中，

为岸基基站BS_l的固定发射功率，

为t时刻岸基基站BS_l与用户船U_j之间的路径损耗，

其中，

为岸基基站BS_l的信号发射波长，h_j分别为岸基基站BS_l和用户船U_j的天线高度，为t时刻岸基基站BS_l与用户船U_j之间的直线距离，

A₂：当用户为基站船B_i时：

A₂₁：若，以岸基基站BS_l作为目标接入点，

则接收信号强度表示为

其中，

为岸基基站BS_l的固定发射功率，

为t时刻岸基基站BS_l与船载基站BS_i之间的路径损耗，

其中，

为岸基基站BS_l的信号发射波长，h_i分别为岸基基站BS_l和船载基站BS_i的天线高度，为t时刻岸基基站BS_l与船载基站 BS_i之间的直线距离，

A₂₂：若，以宽带卫星BWS作为目标接入点，

则接收信号强度可表示为P_i←BWS(t)，为固定值，

B：用户下行链路速率，

B₁：当用户为用户船U_j时：

B₁₁：若，以船载基站BS_i作为目标接入点时，

则用户船U_j从接入的船载基站BS_i获得的下行链路速率R_j←i(t)，表示为：

其中，

Γ_j←i(t)为用户船U_j从接入的船载基站BS_i获得的接受功率信噪比，

其中，

P_j←i(t)为用户从接入船载基站出获得的信号接收功率，σ²表示噪声，∑_n≠ia_n(t)P_j←n(t)表示用户船U_j接收到来自邻区的同频干扰，n表示除当前接入点之外的其他船载基站BS_i的序号，用户船U_j接收到来自岸基基站的同频干扰，

a_n(t)表示除当前接入的船载基站之外其余船载基站的状态， a_n(t)＝1表示船载基站BS_n开，a_n(t)＝0表示船载基站BS_n关，

U_j从获得的下行链路速率上限是R_i←j(t)，

B₁₂：若，以岸基基站BS_l作为目标接入点时，

则用户船U_j从接入的岸基基站BS_l获得的下行链路速率表示为：

其中，

为用户船U_j从接入的岸基基站BS_l获得的接受功率信噪比，

其中，

σ²表示噪声，∑_n≤Na_n(t)P_j←n(t)表示用户船U_j接收到来自邻区的同频干扰，n表示船载基站BS_i的序号，

a_n(t)表示各船载基站的状态，a_n(t)＝1表示船载基站BS_n开， a_n(t)＝0表示船载基站BS_n关，

B₂：当用户为基站船B_i时：

B₂₁：若，以岸基基站BS_l作为目标接入点，

则下行链路速率为为固定值，

B₂₂：若，以宽带卫星BWS作为目标接入点，

则下行链路速率为R_i←BWS(t)，为固定值，

C：接入持续时间，表示从某一时刻t开始，用户估计能保持持续接入目标点的理论时间，

C₁：当用户为用户船U_j时：

C₁₁：若，以船载基站BS_i作为目标接入点，

则接入持续时间表示为AET_i←j(t)：

单位为秒，

r为所有船载基站BS_i信号覆盖半径，属于已知值，

b＝x_i(t)-x_j(t)，表示时刻t时船载基站BS_i和用户船U_j在水平方向上的距离，

d＝y_i(t)-y_j(t)，表示时刻t时船载基站BS_i和用户船U_j在垂直方向上的距离，

a＝v_i(t)cosα(t)-v_j(t)cosβ(t)，表示时刻t时船载基站BS_i和用户船U_j在水平方向上的相对速度分量，

c＝v_i(t)sinα(t)-v_j(t)sinβ(t)，表示时刻t时船载基站BS_i和用户船U_j在垂直方向上的相对速度分量，

α(t)和β(t)分别表示船载基站BS_i和用户船U_j各自的航行方向与水平方向的夹角，

C₁₂：若，以岸基基站BS_l作为目标接入点，

则接入持续时间表示为

单位为秒，

R为岸基基站BS_l信号覆盖半径，属于已知值，由于岸基基站BS_l位置固定，因此：

表示时刻t时岸基基站BS_l和用户船U_j在水平方向上的距离，

表示时刻t时岸基基站BS_l和用户船U_j在垂直方向上的距离，

a＝-v_j(t)cosβ(t)，表示时刻t时岸基基站BS_l和用户船U_j在水平方向上的相对速度分量，

c＝-v_j(t)sinβ(t)，表示时刻t时岸基基站BS_l和用户船U_j在垂直方向上的相对速度分量，

β(t)表示用户船U_j的航行方向与水平方向的夹角，

C₂：当用户为基站船B_i时：

C₂₁：若，以岸基基站BS_l作为目标接入点，

则接入持续时间表示为

单位为秒，

r为岸基基站BS_l信号覆盖半径，属于已知值，由于岸基基站BS_l固定，因此：

表示时刻t时岸基基站BS_l和基站船B_i在水平方向上的距离，

表示时刻t时岸基基站BS_l和基站船B_i在垂直方向上的距离，

a＝-v_i(t)cosβ(t)，表示时刻t时基站船B_i在水平方向上的相对速度分量，

c＝-v_i(t)sinβ(t)，表示时刻t时基站船B_i在垂直方向上的相对速度分量，

β(t)表示基站船B_i的航行方向与水平方向的夹角，

C₂₂：若，以宽带卫星BWS作为目标接入点，

则接入持续时间表示为AET_BWS←i(t)为固定值，且 AET_BWS←i(t)＝∞，

以下设定，接入持续时间AET(s)与经实际优化得出的切换触发时间TTT(ms)的对照表：

AET(s)≥150s时，TTT(ms)＝160ms，

100≤AET(s)<150s时，TTT(ms)＝100ms，

60≤AET(s)<100s时，TTT(ms)＝80ms，

30≤AET(s)<60s时，TTT(ms)＝64ms，

AET(s)<30s时，TTT(ms)＝40ms，

切换性能评价指数，用于对切换性能参数使用权重方法进行综合评价的，表示为计算各候选目标接入点e的切换性能评价指数的效用公式UF，

当用户为用户船U_j时，

若：候选的目标接入点为船载基站则：

若：候选的目标接入点为岸基基站BS_l，则：

当用户为基站船B_i时，

若：候选的目标接入点为岸基基站BS_l，则：

若：候选的目标接入点为宽带卫星BWS时，则：

其中，

分别为用户是用户船U_j，侯选的接入点为船载基站 BS时的权重分配系数，且

分别为用户是用户船U_j，侯选的接入点为岸基基站 BS_l时的权重分配系数，且

分别为用户是基站船B_i，侯选的接入点为岸基基站BS_l时的权重分配系数，且

分别为用户是基站船B_i，侯选的用户接入点为宽带卫星BWS时的权重分配系数，且

N(·)为切换性能参数的归一化函数：

步骤(1.3)，依次按照以下步骤分别实施当用户从远海进入近海时基站船B_i或用户船U_j的切换接入方法，

步骤(1.3.1)，当用户为基站船B_i时，依次按照以下步骤分别在切换到作为目标接入点的岸基基站BS_l或者当前接入点宽带卫星BWS时做出选择性切换，

步骤(1.3.1.1)，船载基站BS_i主机初始化，

设定：滞后参数H是指候选的目标接入点的性能评价指数与当前接入点的性能评价指数之差，在本系统中H取值相同，取值范围是 0.05<H<0.2，为设定值，

当船载基站BS_i切换到岸基基站BS_l时，所述船载基站BS_i的接入持续时间的下限阈值为设定值取值范围是 0-20min，下同，

船载基站BS_i接入目标接入点岸基基站BS_l的性能评价指数

步骤(1.3.1.2)，作为用户的基站船B_i的船载基站BS_i依次按照以下步骤在优先切换到岸基基站BS_l和维持在作为当前接入点的宽带卫星 BWS之间进行选择性切换：

步骤(1.3.1.2.1)，船载基站BS_i判定准则有：

有用户船U_j接入否：

若：有，则转入步骤(1.3.1.2.3)，

若：没有，则转到步骤(1.3.1.2.2)，

步骤(1.3.1.2.2)，判定本船载基站BS_i是否接入岸基基站BS_l：

若：没有，则返回步骤(1.3.1.2.1)，

若：已接入，则关闭本船载基站BS_i，结束，

步骤(1.3.1.2.3)，判定：满足切换到所述目标接入点岸基基站BS_l的条件

若：不满足，则返回步骤(1.3.1.2.1)，

若：满足，则转入步骤(1.3.1.2.4)，

步骤(1.3.1.2.4)，在满足(1.3.1.2.3)已经提出的目标接入点的性能评价指数高于当前接入点的性能评价指数与滞后参数之和后，计算所述船载基站BS_i与岸基基站BS_l的当前接入持续时间再根据所述对应表求出切换持续时间

步骤(1.3.1.2.5)，判断：在内，作为目标接入点的岸基基站BS_l是否满足步骤(1.3.1.2.3)的条件：

若：不满足，则转入步骤(1.3.1.2.1)，

若：满足，则计算船载基站BS_i与目标接入点岸基基站BS_l的当前接入持续时间则转入步骤(1.3.1.2.6)，

步骤(1.3.1.2.6)，判断：

若：满足则船载基站BS_i切换至岸基基站BS_l，

若：不满足，则返回步骤(1.3.1.2.1)，不执行切换，

步骤(1.3.2)，当用户为用户船U_j时，自远海海域进入近海海域时，按当前接入点的类别，在优先接入岸基基站BS_l的原则下，分别按照以下步骤在岸基基站BS_l以及船载基站BS_i之间做出选择性切换：

步骤(1.3.2.1)，判断：用户船U_j的当前接入点为窄带卫星NWS 还是船载基站BS_i：

若：用户船U_j的当前接入点是窄带卫星NWS，则转(1.3.2.2)，

若：用户船U_j的当前接入点是船载基站BS_i，则转(1.3.2.3)，

步骤(1.3.2.2)，用户船U_j的当前接入点为窄带卫星NWS时，按以下的步骤进行接入点切换：

步骤(1.3.2.2.1)，用户船主机初始化：

在用户船U_j进入近海海域的时刻t：

用户船U_j切断窄带通信卫星NWS，并确定：

用户船U_j，各基站船B_i,i＝1,2,3,4…N与岸基基站BS_l的位置坐标信息，

用户船U_j接入岸基基站BS_l的接入持续时间以及下限阈值取值范围是0-20min，下同，

用户船U_j接入船载基站BS_i的接入持续时间以及下限阈值取值范围是0-20min，下同，

用户船U_j在检测到自己处于作为候选目标接入点岸基基站BS_l的信号覆盖半径之内以后，

步骤(1.3.2.2.2)，找出用户船U_j切换到船载基站BS_i时切换性能评价指数较大且又满足的若干个船载基站BS_i，转到步骤(1.3.2.2.3)，

步骤(1.3.2.2.3)，计算用户船U_j分别接入N个船载基站 BS_i,i＝1,2,3,4…N时各自的切换性能评价指数按数值大小从大到小排列，转到步骤(1.3.2.2.4)，

步骤(1.3.2.2.4)，在步骤(1.3.2.2.2)中找到若干个切换性能评价指数值较大的船载基站BS_i后，删除其中的船载基站，得到若干个切换性能评价指数较大且满足的船载基站BS_i集合，称为用户船U_j接入船载基站BS_i的所述候选接入点集合，在所有候选船载基站接入点当中寻找性能评价指数最大的接入点 max{BS_i}作为当前接入点，同时用户船U_j接入该接入点，转到步骤 (1.3.2.2.5)，

步骤(1.3.2.2.5)，判断：切换条件否，其中，为用户船U_j接入其目标接入点岸基基站BS_l时的的切换性能评价指数，用户船U_j接入其作为当前接入点船载基站BS_i时的切换性能评价指数，

若：不成立，则，不切换到岸基基站BS_l，即仍以当前船载基站 max{BS_i}为目标接入点，结束，

若：成立，则转入步骤(1.3.2.2.6)，

步骤(1.3.2.2.6)，根据用户船U_j接入岸基基站BS_l时的接入持续时间查找所述时间表得到切换触发时间

步骤(1.3.2.2.7)，判断内步骤(1.3.2.2.5)所述切换条件仍否成立：

若，不成立，则不切换到岸基基站BS_l，结束，

若，成立，则转步骤(1.3.2.2.8)，

步骤(1.3.2.2.8)，判断是否成立，

若：不成立，则，仍以当前船载基站max{BS_i}为目标接入点，结束，

若：成立，则：用户船U_j接入岸基基站BS_l，结束，

步骤(1.3.2.3)，用户为用户船U_j，当前接入点为船载基站BS_i，依次按以下步骤进行切换接入，

步骤(1.3.2.3.1)，用户船主机初始化，在近海海域中用户船U_j在时刻t确定：

各船载基站BS_i,i＝1,2,3,4…N以及岸基基站BS_l的坐标位置，

用户船U_j接入岸基基站BS_l的接入持续时间的下限阈值

用户船U_j接入其他船载基站BS_i的接入持续时间的下限阈值

H为系统的滞后系数，其中，为用户船U_j接入最佳船载基站切换性能评价指数，为用户船U_j接入当前船载基站BS_i的切换性能评价指数，

步骤(1.3.2.3.2)，按照步骤(1.3.2.2.5)至步骤(1.3.2.2.8)共4 个步骤中所述的方法，依次按照切换条件切换触发时间内本切换条件是否成立以及是否大于下限阈值共三个条件判断：

若：上述三个条件全部满足，则：用户船U_j切换至岸基基站BS_l，结束，

若：不满足，转步骤(1.3.2.3.3)，

步骤(1.3.2.3.3)，按照步骤(1.3.2.2.2)至步骤(1.3.2.2.4)中所述的方法，从除当前接入点BS_i之外的N-1个候选中继船载基站中找出性能最佳船载基站max{BS_n}_N-1,n≤N,n≠i，转到步骤(1.3.2.3.3)，

步骤(1.3.2.3.3)，判断：是否成立，

若：不成立，则不执行切换，即仍以当前船载基站BS_i为接入点，结束，

若：成立，则转入步骤(1.3.2.3.4)，

步骤(1.3.2.3.4)，根据用户船U_j接入船载基站max{BS_n}_N-1时的接入持续时间查找所述时间表得到切换触发时间转到步骤(1.3.2.3.5)，

步骤(1.3.2.3.5)，判断内步骤(1.3.2.3.3) 所述切换条件仍否成立：

若，不成立，则不执行切换，结束，

若，成立，并选择该基站max{BS_n}_N-1,n≤N,n≠i作为最终的目标船载基站接入点，同时用户船U_j接入该船载基站接入点，转到步骤 (1.3.2.4)，

步骤(1.3.2.4)结束。

附图说明

图1，近海海域示意图：

航行轨迹：用户船：

基站船：船载基站打开的基站船：

图2，用户为基站船时的切换流程图。

图3，用户为用户船时的切换流程图。

图4，实际分析数据来源示意图，该图是截图，底色不能去掉。

图5，用户船的切换次数示意图：

基于LTE信令的切换方法：本发明：

图6基站船的乒乓切换次数示意图：

基于LTE信令的切换方法：本发明：

图7用户船近岸过程接入岸基基站平均用时曲线图：

基于LTE信令的切换方法：本发明：

图8用户船接入分布图：

基于LTE信令的切换方法：本发明：■。

图9船载基站开关状态示意图：

基于LTE信令的切换方法：本发明：■。

具体实施方式

与基于LTE网络A3信令的切换流程包括：切换准备，切换执行以及切换完成过程，其中切换准备过程包括参数测量，切换触发以及接入控制与切换命令三个过程。与该切换算法相比，本发明对切换准备过程中的切换触发与接入控制两个部分分别作出了改进，提出了一种适用于海洋通信环境的近海用户接入切换算法。该切换算法分为基站船切换算法与用户船切换算法两部分。每一算法均由船载移动设备独立且实时地执行。在本发明中，宽带卫星可采用北斗同步卫星。

●基站船切换方法

基站船接入岸基基站时采用微波回程链路，由于微波回程链路与 VSAT使用的微波频段相近，故基站船可使用跳频技术复用微波设备完成对岸基基站信号的中继。基站船在由远海驶向近海的过程中，会在宽带卫星接入点和岸基接入点之间发生乒乓切换。为解决这一问题，本发明在切换时利用船舶航行过程中的地理位置信息减少切换次数，并且在接入岸基基站且没有用户船接入时关闭船载基站。由于卫星信号与岸基基站信号具有本质上的差异，二者的接收功率的差异不能合理反应其性能差异，因此在基站船切换算法中仅考虑两个切换参数：下行链路速率和基站船与接入岸基基站的持续时间。船载基站的接入点性能评价指数的计算公式可表示为：

其中i＝1,2,3…N,z∈{BWS,BS_l}。设基站船当前宽带卫星BWS 接入点的性能评价指数表示为目标接入点岸基基站BS_l性能评价指数为如果当基站船接入岸基基站时发生切换，则目标接入点为宽带卫星；如果当接入宽带卫星时发生切换，则目标接入点为岸基基站。基站船接入岸基基站的链路持续时间为滞后参数为H。为避免用户频繁切换，本发明在切换的接入控制步骤中引入参数其含义为接入持续时间的阈值，表示当基站船接入宽带卫星时，只有与岸基基站的接入持续时间大于时才可以切换至岸基基站。

图2为基站船切换算法流程图，其具体步骤如下。其中第四步至第六步属于切换触发过程，第七步属于接入控制过程：

1)船载基站BS_i初始化，设定参数：H,转2)；

2)判定是否有用户船U_j接入。若是，则转4)。若不是，则转3)；

3)判定当前船载基站BS_i是否已经接入岸基基站BS_l。若是，关闭船载基站BS_i，结束；若不是，则转2)；

4)判定船载基站BS_i是否满足执行切换的条件。检测切换条件：

即目标接入点性能评价指数高于当前接入点性能评价指数与偏滞参数H之和。若切换条件不成立，则不执行切换，转到2)。若切换条件成立，则转到5)；

5)计算BS_i接入BS_l的切换触发时间转6)；

6)判断是否执行切换。内切换条件保持成立，转7)。若不是，转到2)。

7)计算判断是否成立。若是，则接入岸基基站BS_l接入点，结束。若否，则保持宽带卫星BWS 接入点，转到2)。

●用户船切换方法

基站船在由远海驶向近海的过程中，由于近海海域基站船分布密集，用户船会在多个船载基站间频繁切换，影响用户的宽带服务体验。同时，由于岸基基站性能较好、资费较低，用户在近海水域应尽快接入岸基基站。为提高用户宽带体验体验，本发明提出一种用户船能够优先接入岸基基站的切换算法，并且在触发切换时引入船舶航行的地理位置信息用以辅助切换，从而达到减少切换次数的目的。在选择接入点时，用户使用岸基基站信号强度、下行链路速率以及链路持续时间作为切换参数，其接入点性能评价指数的计算公式可表示为：

其中i＝1,2,3…M，z∈{BS_l,BS_i,NWS}。设用户船滞后参数H，目标接入点岸基基站BS_l性能评价指数为若当前接入点是窄带卫星NWS时，目标最优船载基站的性能评价指数为若当前接入点是船载基站BS_i时，目标最优船载基站的性能评价指数为当前船载基站接入点为参数与分别为目标接入点为岸基基站和船载基站的接入持续时间的阈值，只有用户船与目标接入点的接入持续时间大于接入持续时间的阈值时才可以进行切换至另一接入点。

图3为用户船的切换流程图，其具体步骤如下：

1)判断：用户当前接入点是否为船载基站BS_i，若是转到10)，若否，转到2)；

2)用户船U_j初始化，设定参数：H，转3)；

3)在所有的N个船载基站BS_i中找出若干个船载基站使其满足并在其中找出效用函数最大的船载基站，该基站记为max{BS_i}，同时用户船U_j接入该接入点，转4)

4)是否满足切换条件若是，则转5)，若不是，则转8)，

5)计算U_j接入BS_l的切换触发时间转6)，

6)判断内是否满足步骤3)所述的切换条件，若是则转7)，若不是，则转8)，

7)判断是否满足若是，则转8)，若不是，则转9)，

8)用户船U_j切换到岸基基站BS_l，结束；

9)用户船U_j保持当前所接入的最佳船载基站max{BS_i}，结束；

10)用户船U_j初始化，设定参数：H，转11)；

11)判断是否满足切换条件若是，则转12)，若不是，则转16)，

12)计算U_j接入BS_l的切换触发时间转13)，

13)判断内是否满足步骤11)所述的切换条件，若是则转14)，若不是，则转16)，

14)判断是否满足若是，则转15)，若不是，则转16)，

15)用户船U_j切换到岸基基站BS_l，结束，

16)在除当前接入的船载基站之外的N-1个船载基站BS_i中找出若干个船载基站使其满足并在其中找出效用函数最大的船载基站记为 max{BS_i}_N-1作为目标接入点，转到17)，

17)判断是否满足切换条件若是，则转18)，若不是，则转22)，

18)计算U_j接入max{BS_i}_N-1的切换触发时间转19)，

19)判断内是否满足步骤17)所述的切换条件，若是则转20)，若不是，则转22)，

20)判断是否满足若是，则转 21)，若不是，则转22)，

21)用户船U_j保持接入性能最佳的船载基站max{BS_i}_N-1，结束，

22)用户船U_j保持当前船载基站BS_i，结束。

取我国连云港附近海域如图4所示区域内2015年10月8日至2015 年10月14日的船舶航行数据作为分析基础，并对原始数据进行如下处理：1)将数据以3分钟为单位进行分割，若船舶的航行AIS数据时间间隔超过3分钟，则根据其位置信息以3分钟为间隔对数据进行补全。补全方法为：对船舶数据进行插值计算，得到以3min为单位的每天480个时刻的插值结果，480个时刻分别为{0:03,0:06,0:09…23:57, 24:00}，最终得到7天共3360个插值数据。3)假设客轮、货轮和油轮为基站船，其他类型船舶为用户船，对插值后数据增加一个新属性以标记每条数据为基站船或用户船。其它参数见表1。

将本发明中的近海船舶接入切换算法与地面LTE蜂窝通信网络的基于A3信令的切换方法进行比较，实验结果如图4至图8所示。如图 4，由于本发明考虑到船舶的航行轨迹以及优先接入岸基基站，用户船的接入切换次数明显降低，可以有效降低通信过程中的服务中断，提升用户的宽带使用体验。图5展示了基站船发生乒乓切换的总次数，可以看出，本发明明显降低了基站船的乒乓切换次数，保证了信号中继的稳定和持续，为提高用户的宽带体验提供了保障。图6和图7说明本发明的切换算法可以有效使更多的用户船更快接入岸基基站，由于岸基接入点时延低、带宽大且费用低廉，用户可以获得性价比高的宽带服务体验。图8表明，本发明可以有效的减少近海水域打开的船载基站数量，为降低用户干扰、提高信号质量、及降低船载基站总能耗提供了基础保障。

表1.实验参数取值

Claims

1.一种面向宽带体验的近海用户接入切换方法，其特征在于，是在卫星-地面移动通信协同的宽带通信系统，简称系统中依次按以下步骤实现的：

两种用户是指基站船与用户船，其中：

基站船B_i,部署有：设有甚小孔径卫星终端VSAT与船载基站BS_i,i＝1,2,3…N，N是总数，i是序号，

四类接入点，包括：岸基基站BS_l，其中下标l表示岸基，船载基站BS_i，宽带卫星BWS，窄带卫星NWS，

在离岸15km以上的远海区域：

所述基站船B_i，借助船载基站BS_i接入所述宽带卫星BWS，

步骤(1.2)，构建所述的海洋宽带通信网,

U_max为单个船载基站BS_i能服务的用户船U_j的最大数量，

为船载基站BS_i在t时刻已接入用户船U_j的数量，

为岸基基站BS_l在t时刻已接入用户的数量，

A：接收信号强度，表示用户从目标接入点收到的接收功率：

A₁：当用户为用户船U_j时：

A₁₁：若，以船载基站BS_i作为目标接入点，

则接收信号强度表示为P_j←i(t)：

P_j←i(t)＝10log₁₀(P₀)-L_j←i(t)，其中，

P₀为各船载基站BS_i的固定发射功率，

L_j←i(t)为t时刻船载基站BS_i与用户船U_j之间的路径损耗，

其中,

A₁₂：若，以岸基基站BS_l作为目标接入点，

则接收信号强度表示为

其中，

为岸基基站BS_l的固定发射功率，

为t时刻岸基基站BS_l与用户船U_j之间的路径损耗，

其中，

A₂：当用户为基站船B_i时：

A₂₁：若，以岸基基站BS_l作为目标接入点，

则接收信号强度表示为

其中，

为岸基基站BS_l的固定发射功率，

为t时刻岸基基站BS_l与船载基站BS_i之间的路径损耗，

其中，为岸基基站BS_l的信号发射波长，h_i分别为岸基基站BS_l和船载基站BS_i的天线高度，为t时刻岸基基站BS_l与船载基站BS_i之间的直线距离，

A₂₂：若，以宽带卫星BWS作为目标接入点，

则接收信号强度可表示为P_i←BWS(t)，为固定值，

B：用户下行链路速率，

B₁：当用户为用户船U_j时：

B₁₁：若，以船载基站BS_i作为目标接入点时，

其中，

a_n(t)表示除当前接入的船载基站之外其余船载基站的状态，a_n(t)＝1表示船载基站BS_n开，a_n(t)＝0表示船载基站BS_n关，

U_j从获得的下行链路速率上限是R_i←j(t)，

B₁₂：若，以岸基基站BS_l作为目标接入点时，

其中，

为用户船U_j从接入的岸基基站BS_l获得的接受功率信噪比，

其中，

a_n(t)表示各船载基站的状态，a_n(t)＝1表示船载基站BS_n开，a_n(t)＝0表示船载基站BS_n关，

B₂：当用户为基站船B_i时：

B₂₁：若，以岸基基站BS_l作为目标接入点，

则下行链路速率为为固定值，

B₂₂：若，以宽带卫星BWS作为目标接入点，

则下行链路速率为R_i←BWS(t)，为固定值，

C₁：当用户为用户船U_j时：

C₁₁：若，以船载基站BS_i作为目标接入点，

则接入持续时间表示为AET_i←j(t)：

单位为秒，

r为所有船载基站BS_i信号覆盖半径，属于已知值，

C₁₂：若，以岸基基站BS_l作为目标接入点，

则接入持续时间表示为

单位为秒，

表示时刻t时岸基基站BS_l和用户船U_j在水平方向上的距离，

表示时刻t时岸基基站BS_l和用户船U_j在垂直方向上的距离，

β(t)表示用户船U_j的航行方向与水平方向的夹角，

C₂：当用户为基站船B_i时：

C₂₁：若，以岸基基站BS_l作为目标接入点，

则接入持续时间表示为

单位为秒，

表示时刻t时岸基基站BS_l和基站船B_i在水平方向上的距离，

表示时刻t时岸基基站BS_l和基站船B_i在垂直方向上的距离，

β(t)表示基站船B_i的航行方向与水平方向的夹角，

C₂₂：若，以宽带卫星BWS作为目标接入点，

则接入持续时间表示为AET_BWS←i(t)为固定值，且AET_BWS←i(t)＝∞，

AET(s)≥150s时，TTT(ms)＝160ms，

100≤AET(s)<150s时，TTT(ms)＝100ms，

60≤AET(s)<100s时，TTT(ms)＝80ms，

30≤AET(s)<60s时，TTT(ms)＝64ms，

AET(s)<30s时，TTT(ms)＝40ms，

当用户为用户船U_j时，

若：候选的目标接入点为船载基站则：

若：候选的目标接入点为岸基基站BS_l，则：

当用户为基站船B_i时，

若：候选的目标接入点为岸基基站BS_l，则：

若：候选的目标接入点为宽带卫星BWS时，则：

<mrow> <msub> <mi>UF</mi> <mrow> <mi>N</mi> <mi>W</mi> <mi>S</mi> <mo>&LeftArrow;</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>w</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> <mrow> <mi>B</mi> <mi>W</mi> <mi>S</mi> </mrow> </msubsup> <mi>N</mi> <mo>&lsqb;</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mi>W</mi> <mi>S</mi> <mo>&LeftArrow;</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&rsqb;</mo> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>w</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> <mrow> <mi>B</mi> <mi>W</mi> <mi>S</mi> </mrow> </msubsup> <mi>N</mi> <mo>&lsqb;</mo> <msub> <mi>AET</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mi>W</mi> <mi>S</mi> <mo>&LeftArrow;</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&rsqb;</mo> <mo>,</mo> </mrow>

其中，

分别为用户是用户船U_j，侯选的接入点为船载基站BS时的权重分配系数，且

分别为用户是用户船U_j，侯选的接入点为岸基基站BS_l时的权重分配系数，且

N(·)为切换性能参数的归一化函数：

步骤(1.3.1.1)，船载基站BS_i主机初始化，

设定：滞后参数H是指候选的目标接入点的性能评价指数与当前接入点的性能评价指数之差，在本系统中H取值相同，取值范围是0.05<H<0.2，为设定值，

当船载基站BS_i切换到岸基基站BS_l时，所述船载基站BS_i的接入持续时间的下限阈值为设定值取值范围是0-20min，下同，

船载基站BS_i接入目标接入点岸基基站BS_l的性能评价指数

步骤(1.3.1.2)，作为用户的基站船B_i的船载基站BS_i依次按照以下步骤在优先切换到岸基基站BS_l和维持在作为当前接入点的宽带卫星BWS之间进行选择性切换：

步骤(1.3.1.2.1)，船载基站BS_i判定准则有：

有用户船U_j接入否：

若：有，则转入步骤(1.3.1.2.3)，

若：没有，则转到步骤(1.3.1.2.2)，

步骤(1.3.1.2.2)，判定本船载基站BS_i是否接入岸基基站BS_l：

若：没有，则返回步骤(1.3.1.2.1)，

若：已接入，则关闭本船载基站BS_i，结束，

若：不满足，则返回步骤(1.3.1.2.1)，

若：满足，则转入步骤(1.3.1.2.4)，

若：不满足，则转入步骤(1.3.1.2.1)，

步骤(1.3.1.2.6)，判断：

若：满足则船载基站BS_i切换至岸基基站BS_l，若：不满足，则返回步骤(1.3.1.2.1)，不执行切换，

步骤(1.3.2.1)，判断：用户船U_j的当前接入点为窄带卫星NWS还是船载基站BS_i：

若：用户船U_j的当前接入点是窄带卫星NWS，则转(1.3.2.2)，

若：用户船U_j的当前接入点是船载基站BS_i，则转(1.3.2.3)，

步骤(1.3.2.2.1)，用户船主机初始化：

在用户船U_j进入近海海域的时刻t：

用户船U_j切断窄带通信卫星NWS，并确定：

步骤(1.3.2.2.3)，计算用户船U_j分别接入N个船载基站BS_i,i＝1,2,3,4…N时各自的切换性能评价指数按数值大小从大到小排列，转到步骤(1.3.2.2.4)，

步骤(1.3.2.2.4)，在步骤(1.3.2.2.2)中找到若干个切换性能评价指数值较大的船载基站BS_i后，删除其中的船载基站，得到若干个切换性能评价指数较大且满足的船载基站BS_i集合，称为用户船U_j接入船载基站BS_i的所述候选接入点集合，在所有候选船载基站接入点当中寻找性能评价指数最大的接入点max{BS_i}作为当前接入点，同时用户船U_j接入该接入点，转到步骤(1.3.2.2.5)，

若：不成立，则，不切换到岸基基站BS_l，即仍以当前船载基站max{BS_i}为目标接入点，结束，

若：成立，则转入步骤(1.3.2.2.6)，

步骤(1.3.2.2.7)，判断内步骤(1.3.2.2.5)所述切换条件仍否成立：

若，不成立，则不切换到岸基基站BS_l，结束，

若，成立，则转步骤(1.3.2.2.8)，

步骤(1.3.2.2.8)，判断是否成立，

若：成立，则：用户船U_j接入岸基基站BS_l，结束，

各船载基站BS_i,i＝1,2,3,4…N以及岸基基站BS_l的坐标位置，

用户船U_j接入岸基基站BS_l的接入持续时间的下限阈值

用户船U_j接入其他船载基站BS_i的接入持续时间的下限阈值

步骤(1.3.2.3.2)，按照步骤(1.3.2.2.5)至步骤(1.3.2.2.8)共4个步骤中所述的方法，依次按照切换条件切换触发时间内本切换条件是否成立以及是否大于下限阈值共三个条件判断：

若：不满足，转步骤(1.3.2.3.3)，

步骤(1.3.2.3.3)，判断：是否成立，

若：成立，则转入步骤(1.3.2.3.4)，

步骤(1.3.2.3.5)，判断内步骤(1.3.2.3.3)所述切换条件仍否成立：

若，不成立，则不执行切换，结束，

若，成立，并选择该基站max{BS_n}_N-1,n≤N,n≠i作为最终的目标船载基站接入点，同时用户船U_j接入该船载基站接入点，转到步骤(1.3.2.4)，

步骤(1.3.2.4)结束。