衛(wèi)星通信系統(tǒng)中基于小區(qū)間協(xié)作的切換方法

劉 為，溫文坤

（中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所，廣東 廣州510310）

0 引 言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)［1］具有地面系統(tǒng)不可比擬的廣覆蓋特性，但是遠(yuǎn)高于后者的無線信號傳播時(shí)延也給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了諸多挑戰(zhàn)。以地球同步軌道通信衛(wèi)星為例，衛(wèi)星距離地面的距離約為36000km，簡單計(jì)算可知地面移動終端與衛(wèi)星之間的無線信號單向傳播時(shí)延約為135ms［2］；而地面移動通信系統(tǒng)中，以長期演進(jìn) （long－term evolution，LTE）系統(tǒng)為例，小區(qū)最大覆蓋半徑為100km，此時(shí)終端與基站之間的無線信號單向傳輸時(shí)延約為0.33ms［3］，前者遠(yuǎn)高于后者。因此，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)需要考慮盡可能減少信道長時(shí)延對用戶體驗(yàn)的負(fù)面影響，特別是實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)。

切換是移動通信系統(tǒng)保證無縫移動通信服務(wù)的基本技術(shù)手段。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，無線鏈路連接處于激活態(tài)的終端從一個(gè)波束移動至另一個(gè)波束的覆蓋范圍時(shí)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要觸發(fā)小區(qū)間切換，以保證終端的無線鏈路連接和業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

本文提出了一種適用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基于蜂窩小區(qū)間協(xié)作的切換方法，使衛(wèi)星通信系統(tǒng)的用戶業(yè)務(wù)中斷時(shí)間的性能與地面移動通信系統(tǒng)的性能基本保持一致。

1 硬切換

硬切換機(jī)制是指終端先斷開與服務(wù)小區(qū)間的無線鏈路連接，再與目標(biāo)小區(qū)同步并建立無線鏈路連接。對于采用硬切換機(jī)制的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，需要考慮如何避免信道長時(shí)延所造成的長時(shí)間的用戶業(yè)務(wù)中斷。

以LTE系統(tǒng)中基于終端測量報(bào)告觸發(fā)的切換過程為例，對用戶業(yè)務(wù)中斷時(shí)間予以說明［4］，該切換過程包括的步驟如圖1所示。

圖1 基于終端測量報(bào)告觸發(fā)的切換過程

步驟1 終端完成無線鏈路質(zhì)量的測量并上報(bào)給終端當(dāng)前服務(wù)小區(qū)，報(bào)告中可包含服務(wù)小區(qū)和相鄰小區(qū)的無線鏈路質(zhì)量信息；

步驟2 服務(wù)小區(qū)確定切換的目標(biāo)小區(qū)，通過切換命令通知終端；

步驟3 終端接收切換命令后，斷開與服務(wù)小區(qū)的無線鏈路連接；

步驟4 終端獲取與目標(biāo)小區(qū)的下行同步；

步驟5 終端在目標(biāo)小區(qū)發(fā)起隨機(jī)接入過程，發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)符；

步驟6 目標(biāo)小區(qū)檢測到該信號后返回隨機(jī)接入響應(yīng)，指定時(shí)頻同步與發(fā)射功率水平設(shè)置以及分配初始上行傳輸無線資源；

步驟7 終端利用分配的上行傳輸無線資源向目標(biāo)小區(qū)發(fā)送切換完成信令；

步驟8 目標(biāo)小區(qū)為終端分配無線傳輸資源，終端開始傳輸用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

由以上說明可看出在步驟3與步驟8之間的時(shí)間段內(nèi)，終端與移動通信網(wǎng)絡(luò)間不進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)傳輸，即硬切換過程中的用戶業(yè)務(wù)中斷時(shí)間。地面移動通信系統(tǒng)中，以圖1所示LTE 系統(tǒng)切換過程為例，構(gòu)成用戶業(yè)務(wù)中斷時(shí)間的各處理步驟的典型時(shí)延預(yù)算［4］見表1。

上述時(shí)延預(yù)算分析可見，終端在目標(biāo)小區(qū)的隨機(jī)接入過程造成的時(shí)延約為5＋2＝7ms，超過總時(shí)延的50%。但是對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以地球同步軌道通信衛(wèi)星為例，如果也采用相同的切換處理方式，即使忽略節(jié)點(diǎn)內(nèi)部處理時(shí)延，以及終端下行同步至目標(biāo)小區(qū)并等待隨機(jī)接入發(fā)射窗口的時(shí)延，單隨機(jī)接入過程切換造成的用戶業(yè)務(wù)中斷時(shí)間約為135ms×4＝540ms，這樣高的用戶業(yè)務(wù)中斷時(shí)間將造成用戶通話的困擾，顯然是需要予以優(yōu)化的。

表1 LTE切換過程用戶業(yè)務(wù)中斷時(shí)間

2 小區(qū)間協(xié)作切換

本文提出一種優(yōu)化方法，通過源小區(qū)與切換候選相鄰小區(qū) （以下簡稱鄰區(qū)）之間的協(xié)商過程，為待切換終端分配鄰區(qū)的隨機(jī)接入信道資源，終端在保持與源小區(qū)之間無線連接的同時(shí)，利用分配的資源對鄰區(qū)進(jìn)行無線鏈路質(zhì)量測量，并選擇符合切換要求的鄰區(qū)，發(fā)起上行同步過程，以獲取與鄰區(qū)同步的配置信息并上報(bào)給服務(wù)小區(qū)。

源小區(qū)為已獲取鄰區(qū)同步信息的終端向切換目標(biāo)小區(qū)發(fā)起切換請求，其中攜帶終端的資源請求以及同步配置信息；若切換目標(biāo)小區(qū)接納該切換請求，則返回應(yīng)答消息給源小區(qū)，其中包括終端在目標(biāo)小區(qū)的無線連接標(biāo)識和無線資源調(diào)度信息；源小區(qū)通過切換命令將這些信息傳送給終端。終端成功接收切換命令后斷開與源小區(qū)的無線連接并下行同步至目標(biāo)小區(qū)，然后利用此前在上行同步過程中獲取的同步配置信息和無線資源調(diào)度信息，立即發(fā)送切換完成信令并恢復(fù)用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。通過終端在切換前獲取目標(biāo)小區(qū)的同步配置及無線資源分配，終端無需在切換命令后在目標(biāo)小區(qū)發(fā)起競爭性或非競爭性的隨機(jī)接入過程，而是可以在完成下行同步后立即開始信令和數(shù)據(jù)的傳輸。具體處理流程如圖2所示。

該方法中，終端利用自己的無線傳輸調(diào)度間隙 （以下簡稱自主測量時(shí)隙）或者其服務(wù)小區(qū)所提供的無線測量時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)對鄰區(qū)的無線鏈路質(zhì)量測量和上行同步，同時(shí)仍保持與服務(wù)小區(qū)的信令和數(shù)據(jù)連接。這種技術(shù)被稱為DRX（discontinuous reception）非 連 續(xù) 接 收 技 術(shù)［5］。進(jìn) 一 步 地，終端可以根據(jù)測量時(shí)隙資源的情況，測量多個(gè)鄰區(qū)無線鏈路質(zhì)量，以及發(fā)起隨機(jī)接入過程獲取上行同步配置信息。

圖2 切換流程

更具體地，終端利用DRX 空閑時(shí)隙，在鄰區(qū)的隨機(jī)接入信道發(fā)送上行隨機(jī)前導(dǎo)符后，立即恢復(fù)與服務(wù)小區(qū)的無線連接；在指定等待時(shí)長后，再次同步至鄰區(qū)，并在指定的接收時(shí)間窗口接收隨機(jī)接入響應(yīng)消息，接收成功或時(shí)間窗結(jié)束后，再恢復(fù)與服務(wù)小區(qū)的無線連接。上述鄰區(qū)隨機(jī)接入信道配置、指定等待時(shí)長以及隨機(jī)接入響應(yīng)消息接收時(shí)間窗口等信息，終端既可以通過服務(wù)小區(qū)和鄰區(qū)的小區(qū)系統(tǒng)廣播信息獲取，也可以由服務(wù)小區(qū)通過專用控制信道消息告知終端。

此外，終端在鄰區(qū)的隨機(jī)接入過程可以是競爭性或非競爭性的。這取決于服務(wù)小區(qū)是否發(fā)起小區(qū)間協(xié)調(diào)過程并從鄰區(qū)成功申請得到非競爭性隨機(jī)接入無線資源分配給終端，如LTE系統(tǒng)中的隨機(jī)接入前導(dǎo)符［5］。換言之，小區(qū)間協(xié)商以獲取無競爭隨機(jī)接入信道資源的過程是可選的，不影響該方法的可行性。

3 緊耦合模式切換

進(jìn)一步地優(yōu)化上述方法，對于獲取非競爭性隨機(jī)接入資源的終端，鄰區(qū)可以根據(jù)小區(qū)間協(xié)作程度，將隨機(jī)接入響應(yīng)消息發(fā)送給服務(wù)小區(qū)，即終端無需再次同步至鄰區(qū)以接收該消息，同時(shí)在其發(fā)送給服務(wù)小區(qū)的鄰區(qū)測量報(bào)告中只需攜帶無線測量結(jié)果。定義這種小區(qū)間協(xié)作方式為緊耦合模式，對應(yīng)的切換處理流程如圖3所示。

圖3 緊耦合模式切換流程

該方法對一般的小區(qū)間切換協(xié)商流程進(jìn)行了增強(qiáng)，體現(xiàn)在：

（1）在源小區(qū)發(fā)往目標(biāo)小區(qū)的切換準(zhǔn)備請求消息中，除了終端上下文信息之外，還攜帶該終端在源小區(qū)的無線傳播時(shí)延，以及目標(biāo)小區(qū)的上行同步配置信息，如時(shí)域同步偏置值、頻域同步偏置值、上行發(fā)射功率水平；

（2）在目標(biāo)小區(qū)應(yīng)答給源小區(qū)的切換請求確認(rèn)消息中，除了終端移動性控制信息之外，目標(biāo)小區(qū)不再需要為切換終端分配非競爭性隨機(jī)接入資源。目標(biāo)小區(qū)根據(jù)該終端的同步配置信息，為終端分配上下行信令與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線資源，并計(jì)算允許終端啟動無線傳輸與接收的時(shí)間配置信息，這些信息將通過切換請求確認(rèn)消息返回給源小區(qū)；

（3）在源小區(qū)發(fā)送給終端的切換命令中，包含終端移動性控制信息、無線資源調(diào)度信息和無線傳輸與接收時(shí)間配置信息，終端成功接收切換命令后可立即斷開與源小區(qū)的無線連接，在達(dá)到與目標(biāo)小區(qū)的下行同步后，即可在指定時(shí)間點(diǎn)啟動無線傳輸與接收，無需觸發(fā)上行同步過程。

以上內(nèi)容說明顯示采用該方法，切換過程中終端的用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸中斷時(shí)間不再受到無線信道傳播時(shí)延的限制，從而避免了采用傳統(tǒng)切換流程時(shí)，衛(wèi)星通信信道長時(shí)延加重用戶業(yè)務(wù)中斷時(shí)間的程度，使得衛(wèi)星通信系統(tǒng)切換用戶業(yè)務(wù)中斷時(shí)間的性能與地面移動通信系統(tǒng)保持一致。

4 具體實(shí)施方式

下文將結(jié)合圖3對本文所提出的基于蜂窩小區(qū)間緊耦合協(xié)作模式的切換方法說明具體實(shí)施方式。

步驟0：終端接入服務(wù)小區(qū)，建立無線傳輸連接以承載用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

步驟1a＋1b：基于特定觸發(fā)條件，如服務(wù)小區(qū)檢測終端上行鏈路質(zhì)量，或者終端上報(bào)服務(wù)小區(qū)的無線鏈路質(zhì)量低于指定門限值，服務(wù)小區(qū)發(fā)起小區(qū)間協(xié)作，向鄰區(qū)A 和鄰區(qū)B申請非競爭性隨機(jī)接入信道資源。

步驟2a＋2b：鄰區(qū)A 和鄰區(qū)B接受了請求，分別分配了非競爭性隨機(jī)接入信道資源。

步驟3a＋3b：鄰區(qū)A 和鄰區(qū)B返回分配結(jié)果。

步驟4：服務(wù)小區(qū)下發(fā)鄰區(qū)配置測量信息給終端，其中攜帶有鄰區(qū)A 和B的相關(guān)信息、鄰區(qū)A 和B分配的非競爭性隨機(jī)接入信道資源，以及測量時(shí)隙配置，并告知終端服務(wù)小區(qū)與鄰區(qū)A 和B將采用緊耦合協(xié)作模式。

步驟5：終端在成功接收鄰區(qū)配置測量信息后返回確認(rèn)消息。

步驟6：終端在服務(wù)小區(qū)提供的測量時(shí)隙內(nèi)，中斷與服務(wù)小區(qū)的無線連接并依此與鄰區(qū)A 和B建立下行同步。

步驟7a＋7b：終端選擇合適的測量時(shí)隙，分別在鄰區(qū)A 和鄰區(qū)B的隨機(jī)接入信道發(fā)送非競爭性隨機(jī)接入前導(dǎo)符。

步驟8：終端在非測量時(shí)隙恢復(fù)與服務(wù)小區(qū)的無線連接，正常傳輸用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

步驟9a＋9b：對于緊耦合協(xié)作模式，鄰區(qū)A 和B根據(jù)檢測到的非競爭性隨機(jī)接入前導(dǎo)符的特征，生成合適的上行同步配置信息，通過隨機(jī)接入響應(yīng)消息發(fā)送給終端的服務(wù)小區(qū)。對于非緊耦合協(xié)作模式，終端需要等待指定時(shí)長后，再次利用測量時(shí)隙同步至鄰區(qū)A 和B并接收隨機(jī)接入響應(yīng)消息。

步驟10：終端完成鄰區(qū)A 和B 的無線鏈路質(zhì)量測量后，將符合測量上報(bào)條件的鄰區(qū)標(biāo)識、無線信號測量值等信息上報(bào)給服務(wù)小區(qū)。

步驟11：服務(wù)小區(qū)綜合分析終端的鄰區(qū)測量報(bào)告結(jié)果，以及鄰區(qū)返回的隨機(jī)接入響應(yīng)消息，確定切換目標(biāo)小區(qū)，此處假定為鄰區(qū)A。

步驟12：服務(wù)小區(qū) （即切換的源小區(qū)）向鄰區(qū)A （即切換的目標(biāo)小區(qū)）發(fā)起切換準(zhǔn)備請求，其中包括終端相關(guān)上下文信息，如終端標(biāo)識、無線傳輸承載及業(yè)務(wù)QoS要求等，還包括該終端在源小區(qū)的無線傳播時(shí)延以及在目標(biāo)小區(qū)的同步配置信息。

步驟13：目標(biāo)小區(qū)A 根據(jù)自身資源使用情況確定可以接納該切換請求。

步驟14：目標(biāo)小區(qū)A 向源小區(qū)發(fā)送切換請求確認(rèn)消息，其中包括終端移動性控制信息，根據(jù)同步配置信息為終端分配的上下行信令與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線資源，以及允許終端啟動無線傳輸與接收的時(shí)間點(diǎn)。許可所述通信終端啟動無線輸出和無線接收的時(shí)間信息對應(yīng)于小區(qū)內(nèi)部處理時(shí)延、小區(qū)間通信無線傳播時(shí)延、通信終端在服務(wù)小區(qū)的無線傳播時(shí)延、通信終端內(nèi)部處理時(shí)延和通信終端在目標(biāo)小區(qū)間的無線傳播時(shí)延。

步驟15：源小區(qū)發(fā)送切換命令給終端，其中攜帶有目標(biāo)小區(qū)返回的終端移動性控制信息、無線資源調(diào)度信息和無線傳輸與接收時(shí)間點(diǎn)等信息。

步驟16：終端成功接收切換命令后，停止控制信令和用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，斷開與源小區(qū)的無線連接。

步驟17：終端實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)小區(qū)的下行同步，然后在指定時(shí)間點(diǎn)啟動無線傳輸與接收，包括終端發(fā)送給目標(biāo)小區(qū)的切換完成控制信令，以及與目標(biāo)小區(qū)間的用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收發(fā)。

至此，基于緊耦合協(xié)作模式的切換流程執(zhí)行完成。用戶業(yè)務(wù)中斷時(shí)間約為12.5－ （1＋5＋2）＝5.5 ms，小于12.5ms。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的切換方法利用測量時(shí)隙，使得終端在切換發(fā)起前就完成與目標(biāo)小區(qū)間的隨機(jī)接入過程，并獲取了上行同步配置和無線傳輸資源調(diào)度，使得終端在切換時(shí)無需發(fā)起隨機(jī)接入過程。因此，終端的上下行用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛鄷r(shí)間，與終端處理切換命令及與目標(biāo)小區(qū)建立下行同步的處理時(shí)間基本相同，可見，采用該方案，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的切換性能將不再受到信道長時(shí)延的限制，顯著縮短了用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的中斷時(shí)間。

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