低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)移動性管理的思考

南京熊貓漢達科技有限公司 龐文鎮(zhèn) 鮑 峰

解放軍31411部隊 李子亮

解放軍69036部隊 潘 成

在移動通信發(fā)展的過程中，切換一直是移動性管理的核心。本文總結(jié)了低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)切換的特點，針對低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求，對國內(nèi)外低軌星座的切換技術(shù)進行總結(jié)與分析，并提出幾點關(guān)于低軌星座切換技術(shù)的研究建議。

移動性管理是一個伴隨移動通信發(fā)展的課題，主要內(nèi)容包括位置管理與切換，其中切換從傳統(tǒng)的硬切換到軟切換、到更軟切換，切換技術(shù)一直隨著系統(tǒng)的體系架構(gòu)的變化向前發(fā)展。從地面移動通信系統(tǒng)到GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，再到低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)，切換一直是移動性管理的核心。

1 低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)切換的特點

相對地面移動通信系統(tǒng)和GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，采用低軌高通量衛(wèi)星提供服務(wù)的低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)中切換發(fā)生了下面變化：

1.1 切換場景的變化

低軌衛(wèi)星實際上等效為地面移動通信系統(tǒng)的射頻子系統(tǒng)，衛(wèi)星的高速運動使得基站的覆蓋區(qū)發(fā)生高速運動，終端切換主要由于基站的等效運動產(chǎn)生的，這與地面移動同通信系統(tǒng)和傳統(tǒng)的GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)固定覆蓋區(qū)的切換場景截然不同：一方面由原來的弱切換變成了強周期切換，在每30s內(nèi)發(fā)生一次或多次切換，切換呈現(xiàn)周期性；另一方面基站覆蓋區(qū)的變化也使得未激活終端的小區(qū)重選變得十分頻繁，需要研究新的切換和小區(qū)重選機制以適應(yīng)低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的新情況。

1.2 切換類型的變化

由于低軌衛(wèi)星的高速運動，衛(wèi)星也需要采用接力方式與信關(guān)站進行天線的切換，故在傳統(tǒng)用戶鏈路切換的基礎(chǔ)上增加了饋電鏈路的切換，饋電鏈路承載多用戶鏈路數(shù)據(jù)的回傳與發(fā)送，其切換影響所有的用戶，為群用戶切換。

1.3 切換要求的變化

由于低軌衛(wèi)星相對于地面終端的高速運動，多波束、多星可用的切換時間短，但同時星地傳播鏈路時延較大，系統(tǒng)不能支持類似于地面移動通信系統(tǒng)復雜的切換交互流程。此外，相對于地面移動通信系統(tǒng)，低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)更適合于高速移動載體的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，這進一步壓縮切換可用時間，需要優(yōu)化切換流程，提高切換的成功率，減小一次切換的時間開銷。

1.4 服務(wù)模式的變化

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，人們越來越習慣于大帶寬、低時延的通信服務(wù)，即使切換造成很短暫的通信中斷，也會大大降低用戶體驗，是用戶所不能容忍的。人們對于高標準的用戶體驗對切換提出了新的要求。

1.5 鏈路特性影響切換

為了滿足系統(tǒng)服務(wù)容量的要求，低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用較高頻段向用戶提供高通量服務(wù)，但隨著頻段的增加，其受降雨等環(huán)境因素的影響也比較大。與傳統(tǒng)的終端鏈路傳輸能力相對固定的切換相比，低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路傳輸能力的動態(tài)變化、多星覆蓋對切換提出了新的要求。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

2.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

隨著業(yè)務(wù)需求的增長，衛(wèi)星通信逐漸演變?yōu)槎嗖ㄊl(wèi)星通信系統(tǒng)，地面終端的移動性使得其需要在不同波束間進行切換，觸發(fā)了地面移動通信系統(tǒng)中成熟的切換管理技術(shù)向衛(wèi)星上的遷移，但對低軌道衛(wèi)星而言，多星覆蓋以及網(wǎng)絡(luò)拓撲時時變化的特點，對移動性管理提出了更高的要求。對于地面的移動通信系統(tǒng)，其用戶的移動性并不是很大，而地面基站的服務(wù)小區(qū)所覆蓋的區(qū)域也是固定的，所以切換發(fā)生的頻率較低，為弱切換系統(tǒng)。而衛(wèi)星的高速運動必然引起頻繁的切換，雖然衛(wèi)星的運動有規(guī)律性，但由于與地面通信存在差異，仍不能直接將地面網(wǎng)中的接入技術(shù)、切換技術(shù)以及信道分配技術(shù)直接運用到衛(wèi)星通信系統(tǒng)上去，只能是把地面通信網(wǎng)的部分思想和概念引入到衛(wèi)星通信系統(tǒng)中并加以應(yīng)用。

在低軌衛(wèi)星系統(tǒng)中，單星的覆蓋面積有限，需要采用多衛(wèi)星中繼實現(xiàn)對地面的連續(xù)覆蓋，當?shù)孛娼K端到衛(wèi)星（衛(wèi)星到衛(wèi)星）的仰角小于某個特定值時，地面終端和衛(wèi)星（衛(wèi)星和衛(wèi)星）之間就需要切換。與此同時，由于星座由為數(shù)眾多的衛(wèi)星組成，存在著大量的多星覆蓋區(qū)，就需要在多顆能夠完成切換任務(wù)的衛(wèi)星中優(yōu)選。在實際情況中，不同的業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)優(yōu)先級及切換場景都會關(guān)系到如何使用現(xiàn)有的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源組建高效的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，切換策略的選取會使系統(tǒng)性能的差異較大，將直接影響到切換時延、切換頻率、頻率利用率、QoS保證、呼叫阻塞率、切換失敗率等指標，從而影響整個系統(tǒng)的性能。

本研究通過不同處理條件下，分析日平均水溫、最高水溫、水溫日較差等因素對幼蝦存活率、蛻殼率的影響，初步得到適宜小龍蝦投苗馴化的水溫環(huán)境，并提出了其他條件相同的情況下，適當提高水深，有利于提高小龍蝦幼苗的成活率的初步結(jié)論。根據(jù)李銘等［1］、韓曉磊等［2］、任信林等［3］的研究，試驗不同處理條件下日平均水溫、日最高水溫均在小龍蝦適宜的生長范圍之內(nèi)，僅水溫日較差相差較大，可見水溫日較差可能是影響小龍蝦投苗成活率的重要因素。但影響幼蝦生長發(fā)育的因素有很多，如光照度、溶解氧、微生物、鹽度、pH、重金屬等［4，5］，有待進一步研究。

目前低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)衛(wèi)星切換的工程實現(xiàn)案例比較少，在軌運行的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要包括“銥”系統(tǒng)、全球星系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)均面向傳統(tǒng)的窄帶話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，采用類似于地面的GSM和IS-95移動通信體制，與地面切換方案一致。O3b是實際意義上第一個面向中低軌高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其采用了獨特的預切換策略，此外，高通也給出了一個可行的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的切換方案。目前國內(nèi)還沒有在軌的星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)，也沒有成熟的低軌星座衛(wèi)星切換方案，以跟隨研究為主。

圖1 O3b網(wǎng)絡(luò)的地面覆蓋范圍

（1）O3b系統(tǒng)的預切換

O3b星座系統(tǒng)是目前全球唯一成功運營的中軌道寬帶星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)，公司成立于2007年，其創(chuàng)始人是格雷格·維勒（Greg Wyler）。O3b星座系統(tǒng)的初始星座包括12顆衛(wèi)星（9顆主用、3顆備用），并且已經(jīng)在醞釀發(fā)射另外8顆新衛(wèi)星。所有衛(wèi)星均由泰雷茲-阿萊尼亞空間公司（TAS）制造。衛(wèi)星工作在8062km高度的赤道軌道上，軌道周期6h，軌道傾角小于0.1°，每顆衛(wèi)星質(zhì)量700kg，設(shè)計壽命10年。12顆衛(wèi)星分別于2013年6月25日、2014年7月10日和12月18日分3批發(fā)射。

O3b星座系統(tǒng)的中地球軌道衛(wèi)星星座能夠覆蓋南、北緯45°范圍之內(nèi)的全球所有地方，在南、北緯45°～62°范圍內(nèi)也能提供一定的服務(wù)，如圖1所示。

O3b衛(wèi)星工作在Ka頻段，每顆衛(wèi)星配置有12副指向可控的蝶形天線，各形成一個點波束，其中2個為饋電波束（用于與地面信關(guān)站通信），10個用戶波束（與用戶通信）；每個用戶波束的覆蓋區(qū)直徑為700km，每個波束配置2個轉(zhuǎn)發(fā)器，每個轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬為216MHz，這樣，每個用戶波束的總帶寬為432MHz（2×216MHz）。每個轉(zhuǎn)發(fā)器支持的最高信息速率為800Mbit/s，因此，每個波束支持的最高信息速率為1.6Gbit/s（2×800Mbit/s）。每8顆星構(gòu)成的衛(wèi)星星座的可用容量為84Gbit/s。O3b星座系統(tǒng)將地面分為7個區(qū)域，每個區(qū)域10個用戶波束，由12顆星構(gòu)成的衛(wèi)星星座的總用戶波束數(shù)為70。

O3b星座系統(tǒng)采用星形組網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)中所有衛(wèi)星都采用透明轉(zhuǎn)發(fā)方式，衛(wèi)星之間也沒有星間鏈路，所有的路由交換都在地面信關(guān)站進行，再通過信關(guān)站連接到地面通信網(wǎng)，用戶之間的通信需要經(jīng)過信關(guān)站中繼。O3b系統(tǒng)提供的服務(wù)其實是類似于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)器出租業(yè)務(wù)，只不過用戶使用的轉(zhuǎn)發(fā)器不是固定的，需要隨著衛(wèi)星的軌道運動而在不同衛(wèi)星之間切換，并且每個波束的指向也是可以調(diào)整的。為了確保系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量，O3b系統(tǒng)采用其定義為預切換的切換方式，其切換流程如圖2所示。

O3b面向用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)，為了避免數(shù)據(jù)的中斷，確保服務(wù)質(zhì)量，在切換時，首先申請切換資源，建立兩條前向鏈路，然后發(fā)起反向鏈路的切換，通過雙鏈路的共存，保證了系統(tǒng)資源的可靠傳輸。

（2）高通專利US2016/0323032

針對低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的切換，高通也進行了研究，給出了基于切換信息表的的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的切換方案。

依據(jù)專利，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖2 O3b系統(tǒng)預切換

圖3 高通專利系統(tǒng)框圖

與其他衛(wèi)星通信系統(tǒng)不同，在切換專利中高通公司認為目前的系統(tǒng)具有下面的能力：

●終端配備GPS、GLONASS接收機，具備精確的時頻和位置信息；

●終端采用衛(wèi)星星歷和本地位置進行系統(tǒng)同步；

●終端具有單衛(wèi)星/波束接收能力或者雙衛(wèi)星/波束接收能力。

依據(jù)上述認識，高通公司對低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)切換的考慮可以歸納為下面幾點：

★以GPS、GLONASS為基礎(chǔ)，提供精確的終端的位置信息。

★終端采用衛(wèi)星星歷和本地位置進行系統(tǒng)同步。

★終端具有單衛(wèi)星/波束接收能力或者雙衛(wèi)星/波束接收能力。

★不同的切換模式采用不同的切換程序，正常的切換按照衛(wèi)星波束轉(zhuǎn)換表標明的時間執(zhí)行，異常切換由信號測量發(fā)起。

★無線鏈路丟失后，終端按照存儲星歷，搜索下一個衛(wèi)星/波束。

依據(jù)設(shè)計，專利給出的低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的切換方案支持預約時間切換和基于用戶測量的切換，以應(yīng)對不同的場景。

2.2 發(fā)展趨勢

目前，低軌高通量星座衛(wèi)星是衛(wèi)星通信發(fā)展的一個新熱點，國內(nèi)外公布了包括Oneweb、Stralink、LeoSat、Telesat、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、全球多媒體衛(wèi)星、鴻雁、虹云等在內(nèi)的多個星座的研制與發(fā)射計劃。3GPP、Sat5G等國際組織也積極推動衛(wèi)星與地面5G移動通信系統(tǒng)的融合。低軌高通量星座衛(wèi)星是衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，與此相匹配，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的切換技術(shù)也受到了越來越多的關(guān)注。

隨著各類業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)化承載，傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的切換逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蚋呖煽總鬏數(shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的切換，掉話率不再是系統(tǒng)切換的主要評價指標，軟容量的適配更展現(xiàn)切換技術(shù)的先進。此外，衛(wèi)星導航技術(shù)的廣泛應(yīng)用，也進一步推進了基于位置驅(qū)動、時間驅(qū)動的新的預切換方式的產(chǎn)生，實現(xiàn)更精確的衛(wèi)星切換。

3 思考與建議

針對低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)引入的鏈路容量動態(tài)變化、大傳播時延、短切換時間、群用戶切換等問題，建議從饋電鏈路群用戶切換、用戶鏈路高效切換、高動態(tài)用戶切換優(yōu)化、系統(tǒng)輔助小區(qū)重選等方面進行快速切換體系化研究，并設(shè)計軟件仿真平臺，搭建半物理仿真驗證平臺，優(yōu)化低軌星座通信系統(tǒng)的快速切換參數(shù)，驗證切換流程的可實現(xiàn)性。

3.1 饋電鏈路群用戶切換

饋電鏈路是衛(wèi)星用戶鏈路回傳的公共信道，饋電鏈路的切換質(zhì)量影響全部用戶，一旦鏈路切換失敗，則所有用戶連接終端，對系統(tǒng)影響極大，但鏈路受到GEO、NGSO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的影響和衛(wèi)星饋電鏈路切換方式的影響，極易發(fā)生中斷；同時，饋電鏈路承載所有用戶，傳統(tǒng)意義上的切換會觸發(fā)所有用戶切換信令風暴，建議研究衛(wèi)星切換的方式和地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，優(yōu)化星地協(xié)同的饋電鏈路切換流程，實現(xiàn)饋電鏈路的高可靠切換，同時研究切實可行的系統(tǒng)輔助切換的方式，消除切換信令風暴，并配合系統(tǒng)饋電鏈路資源調(diào)度規(guī)避其他GEO、NGSO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的影響，實現(xiàn)饋電鏈路群用戶的高可靠切換。

3.2 用戶鏈路高效切換

用戶鏈路切換是低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本切換，支撐系統(tǒng)包括波束、衛(wèi)星、信關(guān)站等在內(nèi)的多種不同等級的切換方式。相對于地面移動通信系統(tǒng)，由于衛(wèi)星相對于地面的高速移動，以及星地鏈路大的傳播時延，必須優(yōu)化終端的切換流程，確保在有效的切換時間內(nèi)完成切換。與地面移動通信不同，低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的用戶鏈路切換主要由衛(wèi)星的覆蓋特性觸發(fā)，基于系統(tǒng)調(diào)度的切換、環(huán)境因素觸發(fā)的切換占絕對劣勢。建議重點研究低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)用戶鏈路切換的規(guī)律，結(jié)合系統(tǒng)鏈路容量受環(huán)境影響的特點，多星協(xié)同配合，優(yōu)化切換流程，實現(xiàn)用戶鏈路的柔性切換，同時針對用戶鏈路中斷的異常情況，研究用戶鏈路的再入機制，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)操作，實現(xiàn)用戶鏈路的高效切換。

3.3 高動態(tài)用戶切換優(yōu)化

相對于地面移動通信系統(tǒng)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)最大的特點是覆蓋面極廣，更適合于高鐵、輪船、飛機、導彈等高速移動平臺。但在衛(wèi)星引入的高動態(tài)的基礎(chǔ)上，又增加了移動載體的高動態(tài)性，對于切換時間提出了更高的要求。但與其他用戶不同，高速移動載體的運動一般具有明顯的規(guī)律性，建議重點評估運動的規(guī)律性對切換的影響，采用預配置等方案構(gòu)建最簡切換流程，采用切換信息表等方式實現(xiàn)高動態(tài)用戶的切換優(yōu)化。

3.4 系統(tǒng)輔助小區(qū)重選

小區(qū)選擇于小區(qū)重選是空閑態(tài)用戶終端選擇合適的小區(qū)，接入系統(tǒng)最有效的方式，但與地面固定的小區(qū)不同，低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的衛(wèi)星高速移動帶來了信關(guān)站服務(wù)小區(qū)的接力服務(wù)，即使在終端不移動的情況下，其關(guān)聯(lián)服務(wù)小區(qū)的衛(wèi)星波束也在快速變化。這時，若采用地面小區(qū)重選策略，則造成系統(tǒng)容量極大的浪費。針對該問題，建議在系統(tǒng)用戶尋呼策略、一次尋呼成功率的基礎(chǔ)上，研究基于歷史數(shù)據(jù)優(yōu)化的小區(qū)重選策略，實現(xiàn)低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端小區(qū)重選策略的優(yōu)化，最大化系統(tǒng)傳輸效率。

4 系統(tǒng)輔助小區(qū)重選

在地面移動通信系統(tǒng)切換的基礎(chǔ)上，采用低軌星座衛(wèi)星提供接入服務(wù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)引入了用戶鏈路與饋電鏈路的周期切換，衛(wèi)星的高速移動使其區(qū)別與地面固定基站的成熟切換體制，故需要針對低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點，研究適合于低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的切換方案，設(shè)計高可靠、低時延、低信令開銷的星內(nèi)、星間、信關(guān)站間的切換，設(shè)計低功耗、低時延低信令開銷的小區(qū)選擇和小區(qū)重選方案，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)軟件仿真平臺優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，開展衛(wèi)星高速移動下快速切換方案的實驗驗證。這種快速切換方案的研究直接關(guān)系到系統(tǒng)的運行效率，是系統(tǒng)高效運行的基礎(chǔ)、好用的關(guān)鍵?？焖偾袚Q方案的突破將會為低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工程實現(xiàn)提供強有力的技術(shù)支撐。