面向巨型低轨卫星网络的以用户为中心的动态分布式位置管理方法

本发明涉及卫星通信，特别涉及动态分布式位置管理方法。

背景技术：

1、巨型低轨道卫星(leo)网络具有低延迟、高带宽和全球覆盖的特点。leo卫星网络可以为用户提供灵活的接入服务，成为第六代(6g)移动网络的重要组成部分。许多大型低轨卫星星座，如starlink，oneweb和kuiper，正在迅速部署以作为地面网络的有效补充。在地面网络中，基站通常是固定的，用户的移动性可能导致其在多个基站之间切换。移动性管理技术用于确保通信的连续性和用户在网络中位置的可达性。与地面网络不同，leo卫星始终保持高速运动，即使用户保持静止，也需要频繁的位置更新。特别是用户和卫星的双重移动性对位置管理提出了重大挑战。位置更新和寻呼是位置管理(lm)的两个核心过程，对移动性管理实体(mme)具有最显著的信令影响。位置更新和寻呼的定义如下：

2、位置更新：移动节点(mn)从一个位置区(la)移动到另一个位置区时，向mme发送位置更新消息。

3、寻呼：mme在接收到来自通信对端节点(cn)的通信请求后，发送寻呼消息来定位mn。

4、在地面网络中，la也称为跟踪区，它可以由一个或多个地面蜂窝小区组成。在巨型leo卫星网络中，la可以是地面上的固定地理区域，也可以是移动卫星的覆盖区域，这取决于la的划分策略和位置更新策略。通常，位置更新和寻呼的难度是相反的。lm的主要目标是最小化lm开销(包括位置更新开销和寻呼开销)并减少寻呼延迟。la的设计和位置更新策略直接影响lm的性能。如果la太小，用户会经常更新其位置。如果la太大，寻呼用户需要更多的寻呼开销。

5、目前许多研究提出了用于巨型leo卫星网络的lm解决方案。最简单的思路是直接将地面网络基于ip的位置管理方法应用到卫星网络，如mipv6、hmipv6和pmipv6等方案，这些技术在应用到卫星网络有许多限制。为了解决这些限制，许多研究对此进行了扩展。一些学者提出了基于网关服务器(gs)的位置管理方案，即松散位置管理、精确位置管理和组位置管理。已经证明，在组位置管理中存在一个最优解决方案，在给定查询频率下具有最低的系统开销。然而，它无法有效减少卫星和用户双重移动性带来的位置更新开销。随着卫星星座规模的增加，研究人员开始研究分布式位置管理(dlm)方案。有研究人员开发了集中式和分布式id/locator映射系统中位置更新和位置查询所产生的信令开销的分析模型。证明了具有分布式哈希表的分布式映射系统能提供更高的可扩展性和鲁棒性，同时又具有与集中式映射系统相当的信令开销。为了利用现有中高轨道卫星广域覆盖的特性，也有学者提出了基于双位置区域的dlm方案。它采用双位置区设计，包括卫星la和用户la，可以减少位置更新和寻呼开销。然而，使用meo卫星辅助的lm方案无疑会增加寻呼延迟。除了固定la方案，一些研究人员还关注动态位置区的研究。动态跟踪区列表用于4g和5g网络。在巨型leo卫星网络中，有学者提出了一种改进的基于移动的位置更新和寻呼方案。它结合了元小区架构和基于移动的lm方案，以减少位置更新和寻呼的总开销。还有学者提出了基于动态la的leo网络的选择性寻呼方案，并通过距离和经过时间这两个定时器确定是否进行位置更新。实验证明，使用不同的寻呼方法可以显著降低寻呼开销和延迟。

6、然而上述动态la方案考虑了相对简单的情况，并且没有提供与lm实体相结合的特定动态la设计方案，这在应用于巨型leo卫星网络方面具有局限性。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决在巨型低轨卫星网络中低轨卫星移动速度快，具有高动态性，即使用户不移动，也要进行频繁的位置更新，导致位置管理复杂，位置管理开销大的问题，而提出面向巨型低轨道卫星网络的以用户为中心的动态分布式位置管理方法。

2、面向巨型低轨卫星网络的以用户为中心的动态分布式位置管理方法具体过程为：

3、步骤一：用户设备ue开机，发起用户注册操作，用户设备ue自身的定位系统将定位自身位置；

4、步骤二：

5、当用户设备ue发现自身运动出当前动态跟踪区dta后，基于用户设备ue的当前位置信息，用户设备ue发现本身没有移出原本地注册区域lra，且用户设备ue没有移出全球注册区域gra，用户设备ue向自己的接入卫星发起动态跟踪区dta更新操作；

6、当用户设备ue发现自身运动出当前动态跟踪区dta后，基于用户设备ue的当前位置信息，用户设备ue发现本身已经移出了原本地注册区域lra，但用户设备ue没有移出全球注册区域gra，用户设备ue向自己的接入卫星发起动态跟踪区dta更新操作，并执行本地注册区域lra更新操作；

7、当用户设备ue发现自身运动出当前动态跟踪区dta后，基于用户设备ue的当前位置信息，用户设备ue发现本身已经移出了原本地注册区域lra，且移出了原全球注册区域gra，用户设备ue向自己的接入卫星发起动态跟踪区dta更新操作，并执行全球注册区域gra更新操作；

8、步骤三：当通信对端节点cn发起呼叫时，通信对端节点cn向cn接入卫星发送通信请求，请求将通过星间链路和地面链路转发给ue的本地位置管理中心llmc以寻呼ue的位置信息。

9、本发明的有益效果为：

10、本发明的目的是为了解决在巨型低轨卫星网络中移动性管理问题。低轨卫星移动速度快，具有高动态性，即使用户不移动，也要进行频繁的位置更新，给卫星网络下的位置管理带来严重挑战的问题，本发明提出一种面向巨型低轨卫星网络的以用户为中心的动态分布式位置管理方法解决这一问题。

11、本发明将地面区域划分为多个全球注册区域(gra)，每个全球注册区域(gra)由全球位置管理中心(glmc)管理。每个gra进一步划分为多个本地注册区域(lra)，每个本地注册区域(lra)由本地位置管理中心(llmc)管理。全球位置管理中心glmc和本地位置管理中心llmc形成两层分布式架构来管理位置注册信息。位置注册信息意味着网络只能获得用户所在的全球注册区域gra和本地注册区域lra。详细的位置信息可以通过动态跟踪区dta获得。本发明选择将移动性管理实体mme部署在地面网关以降低将其部署在卫星上所带来的信息同步开销；本发明采用了两层分布式管理架构来减少完全分布式位置管理过多的信息同步开销；本发明引入动态跟踪区(dta)来解耦寻呼区和位置区，解决位置更新和寻呼开销难以平衡的问题。

12、1、本发明提出了一种以用户为中心的动态分布式位置管理方案，将传统的位置区域划分为注册区域和动态跟踪区域。注册区域通过全球位置管理中心glmc和本地位置管理中心llmc实现了两层分布式管理架构。本发明设计了详细的位置更新过程和寻呼过程，可以有效降低高动态卫星网络下用户的位置更新开销。

13、2、本发明引入动态跟踪区dta寻呼用户位置，推导并给出了最优跟踪区半径的表达式，在星座和地面位置管理中心分布确定的情况下，用户能根据自身的运动特性和业务特性确定最佳跟踪区大小，以降低寻呼开销和寻呼时延。

14、3、本发明的仿真结果验证了所提出以用户为中心的动态分布式位置管理方案可以在不同星座结构和位置区分布下提供较低的位置管理开销和寻呼延迟。在不同用户速度和呼叫到达率下，验证了本发明方案的可行性与高效性。与一些传统的位置管理方法相比，能有效降低位置管理开销和寻呼延迟。