衛(wèi)星終端小區(qū)重選策略設(shè)計及優(yōu)化

汪虹宇，莫志鋒，張玉成

1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065

2.中國科學(xué)院 計算技術(shù)研究所 無線通信技術(shù)研究中心，北京 100190

1 引言

在未來空天地一體的移動通信網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星通信將占有不可替代的重要地位[1-3]。衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、通信距離遠、不受地面條件的約束等優(yōu)點，以支持手持終端為特征的移動衛(wèi)星通信是衛(wèi)星通信領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[4-5]。小區(qū)重選是衛(wèi)星終端必備的功能，當終端在遇到障礙或位置發(fā)生變化，小區(qū)重選就成為保證終端正常通信的一個重要因素[6]。小區(qū)重選的目的就是找到更合適的服務(wù)小區(qū)。

針對目前缺乏對于衛(wèi)星終端小區(qū)重選流程的研究，本文從小區(qū)重選流程設(shè)計出發(fā)，將整個流程劃分為重選判斷階段及重選階段，分別對這兩階段進行設(shè)計，并在判斷階段提出幀及時隙同步方法。同時，從功耗及效率角度出發(fā)，對FCCH同步和幀及時隙同步方法進行了優(yōu)化，并完成了低功耗場景中的小區(qū)重選設(shè)計。

2 小區(qū)重選背景

2.1 信道數(shù)據(jù)及其接收

如圖1 所示，終端在接收公共控制信道數(shù)據(jù)時，會以每8 幀為一個周期循環(huán)接收FCCH、廣播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH）、尋呼信道（Paging Channel，PCH）及基本告警信道（Basic Alerting Channel，BACH）等信道數(shù)據(jù)。FCCH帶有頻率和時間同步信息；BCCH攜帶有系統(tǒng)消息；PCH用于檢測尋呼，分為PCH0和 PCH1；BACH 主要是在 BCCH 和 PCH 接收出錯時發(fā)起警報[7-8]。

圖1 公共控制信道分配圖

2.2 小區(qū)重選流程分析

觸發(fā)小區(qū)重選主要有兩種情況：（1）周期性測量；（2）當前小區(qū)被禁止接入或地理位置改變[9]。本文主要研究周期性測量觸發(fā)的小區(qū)重選。

小區(qū)重選由媒介訪問控制層（Media Access Control，MAC）完成邏輯控制，物理層完成對鄰小區(qū)頻點的信號強度的測量。物理層會周期性地給MAC 層上報當前小區(qū)的接收信號強度值（Received Signal Strength Indication，RSSI），當終端處于駐留狀態(tài)且重選計時器（RESELECTION_TIMER）達到計數(shù)值后，物理層會進行鄰小區(qū)的接收信號強度測量并將測量值反饋給MAC層，MAC層根據(jù)測量值判斷是否需要重選小區(qū)，從而保證正在服務(wù)的點波束是可接受的。終端在駐留狀態(tài)下完成小區(qū)重選的流程如圖2。

圖2 終端小區(qū)重選流程圖

從小區(qū)重選的實現(xiàn)角度來看，可以將小區(qū)重選劃分為重選判斷階段及重選階段。重選判斷階段主要有兩個任務(wù)：（1）測量鄰小區(qū)的接收信號強度；（2）信號強度比較，判斷是否需要重選。重選階段的主要任務(wù)是重新選擇一個信號強度較大的小區(qū)進行駐留。

3 正常模式下的小區(qū)重選設(shè)計

終端在原小區(qū)完成入網(wǎng)后，會釋放信道資源并保持駐留狀態(tài)，達到重選計數(shù)器計數(shù)值就進入小區(qū)重選流程。下面主要針對小區(qū)重選流程的重選判斷階段及重選階段進行詳細的分析。

3.1 重選判斷階段

當終端處于駐留狀態(tài)時，MAC 層會根據(jù)重選計時器在相應(yīng)的時間向物理層下發(fā)測量請求以通知物理層測量6 個鄰小區(qū)的RSSI 值。物理層在收到測量請求消息后，會切換至鄰小區(qū)的頻點上接收廣播數(shù)據(jù)（BCCH），但由于BCCH每8幀發(fā)送一次，鄰小區(qū)的BCCH與原小區(qū)的BCCH在時間上不重疊，因此如果直接切換頻點將接收不到鄰小區(qū)的廣播（頻點與廣播時間不符）。主要采取FCCH 同步和幀及時隙偏移值同步兩種方式來解決切換頻點后接收BCCH的問題。

3.1.1 FCCH同步

FCCH屬于下行發(fā)送鏈路信道，主要用于接收信號的同步，在接收鄰小區(qū)信道數(shù)據(jù)之前先利用FCCH信道數(shù)據(jù)進行時頻同步，能夠讓終端在鄰小區(qū)上接收到廣播數(shù)據(jù)[10]。dual-chirp 信號是指頻率隨時間增加或減少得大時寬帶寬積信號，能夠完成對信號的時延和頻偏的估計，它由up-chirp 信號和down-chirp 信號組成，up-chirp信號的頻率隨時間線性遞增，down-chirp信號的頻率隨時間線性遞減。FCCH 同步的原理是通過dual-chirp 信號完成對信道數(shù)據(jù)的時延和頻偏的估計[11-13]，進而根據(jù)估計值來實現(xiàn)接收信道數(shù)據(jù)的時頻同步。利用dual-chirp信號估計時延頻偏的原理如圖3。

圖3 時頻偏估計原理圖

Dual-chirp信號可以表示為[14-15]：

其中，t為burst時長（Dual-chirp信號持續(xù)時間），ts為采樣間隔，μ為信號的頻率變化率，n為t內(nèi)采樣的次數(shù)，p(n)是一個單位矩形脈沖，取值如下：

可將dual-chirp信號進行分解為：

其中up-chirp 信號su(n)和down-chirp 信號sd(n)的表達式如下：

移動終端接收到的信號可以表示為：

其中，td為信號的時延值，fd為信號的頻偏值，n(ts)為均值為0的加性隨機白噪聲。

為了突出信號特征，對移動終端接收到的信號r(n)分別經(jīng)過up-chirp 信號和down-chirp 信號解掃頻后得r(n)?su(n)、r(n)?sd(n)，再進行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT），可得up-chirp信號和down-chirp 信號的峰值頻率f1、f2：

由式（7）可以推出頻偏估計值fd和時延估計值td：

根據(jù)求得的時延、頻偏估計值就可以完成對信道數(shù)據(jù)的同步了。

3.1.2 幀及時隙偏移值同步

由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)是一種蜂窩通信系統(tǒng)，因此一個初始點波束具有6 個相鄰的點波束，初始點波束的BCCH信道會攜帶其余6個鄰近點波束的信道數(shù)據(jù)接收的相對幀偏移值和時隙偏移值信息。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)也是一種時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）系統(tǒng)，TDMA幀是TDMA系統(tǒng)的基本組成單元。TDMA幀可用幀號進行表示，幀號會隨著每個TDMA 幀的結(jié)束而增加，幀號的更新周期為一個hyper-frame 的長度（313 344 個TDMA 幀）。在每個hyper-frame周期內(nèi)，終端會按照圖1的順序接收相應(yīng)的信道數(shù)據(jù)。

Fmn表示相對幀偏移值，其含義是點波束n相對于點波束m的幀偏移值，其取值滿足如下條件：

根據(jù)從原小區(qū)的BCCH 中獲取的鄰小區(qū)相對幀偏移Fmn和原小區(qū)接收廣播的幀號可以確定出鄰小區(qū)接收廣播數(shù)據(jù)的幀號，從而在對應(yīng)的TDMA 幀上接收廣播信道數(shù)據(jù)。

由于 PCH 分為 PCH0 和 PCH1，用于尋呼的 PCH 都是固定的，可以從BCCH攜帶的系統(tǒng)信息確認終端應(yīng)接收的PCH 為PCH0 還是PCH1，一個尋呼信道的周期為16幀。為了避免終端錯過原小區(qū)的BCCH和PCH的接收，采取圖4的方法先在原小區(qū)接收16幀信道數(shù)據(jù)以保證有外界尋呼時至少可以接收到一次原小區(qū)的BCCH和PCH，然后再切換至鄰小區(qū)接收信道數(shù)據(jù)，即在第a+16+Fmn幀開始接收鄰小區(qū)的信道數(shù)據(jù)，在第a+24幀開始重復(fù)上述步驟。

圖4 原小區(qū)及鄰小區(qū)的信道數(shù)據(jù)接收示意圖

Tij表示相對時隙偏移，其含義是點波束j相對于點波束i的時隙偏移值，其取值滿足如下條件：

一個TDMA 幀分為24 個時隙[16]，根據(jù)時隙偏移值Tij可以確定出鄰小區(qū)接收廣播數(shù)據(jù)的時隙，從而能夠在正確的幀及時隙上接收信道數(shù)據(jù)。如圖5所示，令原小區(qū)在第a幀的第1 個時隙上接收BCCH，當時隙偏移Tij=2 時，就可以確認出鄰小區(qū)接收BCCH 的位置位于第a+Fij幀的第3個時隙上。

圖5 基于時隙偏移接收信道數(shù)據(jù)示意圖

3.1.3 信號強度測量及判斷

在接收到鄰小區(qū)的廣播數(shù)據(jù)后，物理層根據(jù)收到的廣播數(shù)據(jù)獲取對應(yīng)頻點的信號增益，從而根據(jù)以下公式計算出該頻點的RSSI：

G為終端接收的信號的增益，Grx是終端接收機在接收信號時的接收增益，其取值范圍為0～Grx_max。

物理層在完成鄰小區(qū)信號強度的測量后，會連續(xù)向MAC層回復(fù)10～15次測量信息。物理層每回復(fù)一次測量信息，都會將鄰小區(qū)的RSSI 反饋給MAC 層，然后切換回原頻點接收信道數(shù)據(jù)，這樣做的目的是為了避免在測量期間錯過原小區(qū)的尋呼（PCH），接收一個周期的原小區(qū)信道數(shù)據(jù)后，又切換至鄰小區(qū)測量，循環(huán)10～15次。在測量完成之后，MAC 層將下發(fā)停止測量請求以告知物理層停止測量。

物理層停止測量后會先在原小區(qū)繼續(xù)接收信道數(shù)據(jù)，MAC 層將多次測量的6 個鄰小區(qū)的RSSI 平均值與原小區(qū)的RSSI 作比較，若原小區(qū)信號強度最大，則按圖6 左側(cè)交互圖繼續(xù)駐留原小區(qū)，等待下一輪測量，反之則按圖6 右側(cè)交互圖完成切換頻點并駐留在信號強度最大的鄰小區(qū)。

3.2 重選階段

當鄰小區(qū)的RSSI大于原小區(qū)時，MAC層將會下發(fā)駐留請求給物理層，物理層在收到駐留請求后會將頻點切換至鄰小區(qū)頻點接收信道數(shù)據(jù)。但不能直接切換到鄰小區(qū)頻點，需采取上述的FCCH同步方式或幀及時隙同步方式來進行調(diào)整。

圖6 小區(qū)重選MAC/PHY交互圖

終端在新的小區(qū)駐留后，經(jīng)過圖7 所示的MAC/PHY交互之后，在新的小區(qū)入網(wǎng)，完成入網(wǎng)之后信道資源釋放，然后保持駐留狀態(tài)，在達到重選計時器計數(shù)值后進行下一次測量。

圖7 重選小區(qū)后MAC/PHY交互流程圖

4 低功耗模式下小區(qū)重選優(yōu)化設(shè)計

在接收信道數(shù)據(jù)時，終端會打開射頻開關(guān)來完成接收任務(wù)，而射頻模塊的功耗占據(jù)了終端整體功耗的較大的占比。

在正常模式下，終端在測量期間會以每8幀為一個周期接收FCCH、BACH0、BCCH、BACH1、PCH0（PCH1）、BACH2、BACH3、BACH4 等信道數(shù)據(jù)。在低功耗模式下，對測量期間信道數(shù)據(jù)的接收進行優(yōu)化，采取“無用幀”方式接收信道數(shù)據(jù)，無用幀指沒有接收任務(wù)的幀。當處于無用幀時，通過引導(dǎo)射頻模塊進入睡眠模式，可以降低功耗。

4.1 重選判斷階段

同正常模式一樣，低功耗模式重選判斷階段的主要任務(wù)為測量鄰小區(qū)的接收信號強度，并根據(jù)RSSI 的比較判斷是否需要進行重選。

在低功耗模式下，當終端處于駐留狀態(tài)時，駐留時間達到重選計時器計數(shù)值后，物理層將會進行測量工作，為了能夠正確地接收到鄰小區(qū)的廣播信道數(shù)據(jù)，需要同正常模式一樣進行FCCH同步或幀及時隙同步。

4.1.1 FCCH同步優(yōu)化

采取FCCH 同步方式時，為了實現(xiàn)時頻同步，終端將會接收FCCH 信道數(shù)據(jù)；為了計算信號的信號強度，終端將會獲取BCCH信道數(shù)據(jù)；為了在測量期間不錯過尋呼，終端將會接收PCH信道數(shù)據(jù)。因此，終端在原小區(qū)可以只接收FCCH、BCCH 及PCH 信道數(shù)據(jù)，而在鄰小區(qū)時只需要接收FCCH 和BCCH 信道數(shù)據(jù)。原小區(qū)和鄰小區(qū)在一個接收周期（8幀）的信道數(shù)據(jù)接收情況如圖8所示。

圖8 原小區(qū)及鄰小區(qū)信道數(shù)據(jù)接收圖

4.1.2 幀及時隙偏移值同步優(yōu)化

在低功耗模式下，如果通過幀及時隙同步方式來確保正確接收鄰小區(qū)信道數(shù)據(jù)，就不必接收FCCH信道數(shù)據(jù)了。在原小區(qū)時，終端一個周期內(nèi)只接收兩幀數(shù)據(jù)（BCCH 和PCH），連續(xù)無用幀時射頻模塊進入睡眠模式；鄰小區(qū)則只需接收BCCH以計算鄰小區(qū)的RSSI。

雖然網(wǎng)絡(luò)端會讓原小區(qū)和鄰小區(qū)的BCCH 錯開發(fā)射，使它們在時間上不重疊，但可能會出現(xiàn)鄰小區(qū)的BCCH 與原小區(qū)的PCH 重疊。由于鄰小區(qū)只需要接收BCCH，可以通過對正常模式下幀及時隙同步進行優(yōu)化來避免鄰小區(qū)的BCCH和原小區(qū)的PCH重疊。

從原小區(qū)的BCCH 中獲取鄰小區(qū)的相對幀偏移Fmn，先對Fmn進行判斷，確認其值是否為2，當Fmn≠2時，例如Fmn=1，則原小區(qū)和鄰小區(qū)的信道數(shù)據(jù)接收示意圖如圖9。

當鄰小區(qū)相對于原小區(qū)的幀偏移Fmn=2 時，如果按照上述方法的話，鄰小區(qū)的BCCH 將會和原小區(qū)的PCH重合，從而導(dǎo)致錯過原小區(qū)的尋呼。

當終端應(yīng)收PCH 為PCH0 時，可以在原小區(qū)PCH1的幀號（第a+12 幀）處接收鄰小區(qū)的BCCH。其信道數(shù)據(jù)接收示意圖如圖10。

圖9 Fmn=1 時信道數(shù)據(jù)接收示意圖

圖10 尋呼組為PCH0時信道數(shù)據(jù)接收圖

當終端應(yīng)收 PCH 為 PCH1 時，在 PCH0 的幀號（第a+4 幀）處接收鄰小區(qū)的BCCH。其信道數(shù)據(jù)接收示意圖如圖11。

圖11 尋呼組為PCH1時信道數(shù)據(jù)接收圖

根據(jù)相對時隙偏移值Tij可以確定信道數(shù)據(jù)的具體接收時隙，至此，幀號及時隙都已確認，就能夠保證接收到鄰小區(qū)的BCCH了。

4.1.3 信號強度測量及判斷

在接收到鄰小區(qū)的BCCH信道數(shù)據(jù)后，根據(jù)公式（11）可以得到鄰小區(qū)的信號強度。

收到測量請求后，物理層會在原小區(qū)頻點和鄰小區(qū)頻點間多次來回切換以保證可以收到原小區(qū)的BCCH和PCH及鄰小區(qū)的BCCH。由于協(xié)議棧（MAC層）工作會消耗電能，所以與正常模式不同的是，在低功耗階段，協(xié)議棧處于休眠不工作狀態(tài)，由物理層定期啟動鄰小區(qū)信號強度測量，在測量完鄰小區(qū)的信號強度后，由物理層完成原小區(qū)和6個鄰小區(qū)信號強度大小的比較，如果有鄰小區(qū)的信號強度比原小區(qū)大，則選擇信號強度較大的鄰小區(qū)進行駐留。

4.2 重選階段

當某個鄰小區(qū)的平均信號強度值大于原小區(qū)時，物理層喚醒協(xié)議棧（MAC），由MAC 層下發(fā)駐留請求，然后物理層切換至該鄰小區(qū)頻點接收信道數(shù)據(jù)，切換過程可以采取針對低功耗模式的FCCH 同步或幀及時隙同步來實現(xiàn)。在鄰小區(qū)駐留后，終端會完成圖7 所示的隨機接入、入網(wǎng)、信道資源釋放等流程，然后進行下一次測量。

5 測試驗證與分析

對整個優(yōu)化設(shè)計策略的測試驗證主要從功耗、時間效率和協(xié)議一致性角度出發(fā)。本文采用致遠的PA5000H功率分析儀對終端完成小區(qū)重選流程的功耗數(shù)據(jù)進行測試；采用中科晶上的JY5000 衛(wèi)星終端協(xié)議一致性分析儀對小區(qū)重選流程的時間效率及協(xié)議一致性進行驗證。

5.1 實測數(shù)據(jù)及仿真

表1 為終端在正常模式和低功耗模式下分別通過兩種同步方式完成小區(qū)重選時的平均功耗實測數(shù)據(jù)。

表1 不同模式下不同同步方式功耗測試數(shù)據(jù)表

圖12和圖13分別是采取兩種同步方式實現(xiàn)小區(qū)重選時的信令流程圖，可獲取信令完成時間。

圖12 FCCH同步方式切換至鄰小區(qū)信令流程圖

圖13 幀及時隙同步方式下切換至鄰小區(qū)信令流程圖

圖14是使用JY5000對低功耗場景下通過幀及時隙同步算法實現(xiàn)小區(qū)重選的一致性測試仿真圖。

圖14 小區(qū)重選協(xié)議一致性仿真圖

5.2 結(jié)果分析

由表1可以看出，通過兩種同步方式實現(xiàn)小區(qū)重選時，幀及時隙同步方式功耗更低。FCCH同步方式每個接收周期會多接收一個FCCH進行時頻同步，因而終端會消耗更多的功耗；完成小區(qū)重選時，改進后的低功耗方案相比于正常模式下消耗的功耗明顯更低，這是因為在正常模式接收信道數(shù)據(jù)時，終端會接收所有的信道數(shù)據(jù)，射頻模塊會持續(xù)工作，造成不必要的功耗，而在低功耗模式下，原小區(qū)只需要在接收BCCH 和PCH 時打開射頻模塊，而鄰小區(qū)只在接收BCCH 時打開射頻模塊，因此能夠有效的降低重選過程中的功耗。

由圖12和圖13可知，完成小區(qū)重選信令流程時，采取FCCH同步方式耗時2 min23 s，而幀及時隙同步方式耗時1 min22 s，因此后者的效率更高。由于幀及時隙同步可以直接確認鄰小區(qū)接收信道數(shù)據(jù)的相對幀號及時隙，不需要做時頻同步，因而能更快速地接收到鄰小區(qū)的信道數(shù)據(jù)。

圖14 的仿真結(jié)果驗證了在低功耗場景下，通過幀及時隙同步方式完成小區(qū)重選的設(shè)計方案滿足協(xié)議一致性。

因此，從功耗及效率角度出發(fā)，改進后的低功耗方案下通過幀及時隙同步方式完成小區(qū)重選是最佳選擇。

6 結(jié)束語

本文主要研究了正常場景及低功耗場景下的小區(qū)重選。在重選過程中提出了FCCH 同步和幀及時隙同步算法，并針對低功耗場景進行優(yōu)化。通過實測功耗數(shù)據(jù)及協(xié)議一致性分析儀JY5000 測試，對設(shè)計的小區(qū)重選流程進行了驗證，驗證結(jié)果支持了所設(shè)計的小區(qū)重選方案。該方案對以后在衛(wèi)星終端低功耗方面的研究具有一定的參考價值。