低軌星座衛星通信系統移動性管理的思考

南京熊貓漢達科技有限公司 龐文鎮 鮑 峰

解放軍31411部隊 李子亮

解放軍69036部隊 潘 成

在移動通信發展的過程中，切換一直是移動性管理的核心。本文總結了低軌星座衛星通信系統切換的特點，針對低軌星座衛星通信系統的需求，對國內外低軌星座的切換技術進行總結與分析，并提出幾點關于低軌星座切換技術的研究建議。

移動性管理是一個伴隨移動通信發展的課題，主要內容包括位置管理與切換，其中切換從傳統的硬切換到軟切換、到更軟切換，切換技術一直隨著系統的體系架構的變化向前發展。從地面移動通信系統到GEO衛星通信系統，再到低軌星座衛星通信系統，切換一直是移動性管理的核心。

1 低軌星座衛星通信系統切換的特點

相對地面移動通信系統和GEO衛星通信系統，采用低軌高通量衛星提供服務的低軌星座衛星通信系統中切換發生了下面變化：

1.1 切換場景的變化

低軌衛星實際上等效為地面移動通信系統的射頻子系統，衛星的高速運動使得基站的覆蓋區發生高速運動，終端切換主要由于基站的等效運動產生的，這與地面移動同通信系統和傳統的GEO衛星通信系統固定覆蓋區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內發生一次或多次切換，切換呈現周期性；另一方面基站覆蓋區的變化也使得未激活終端的小區重選變得十分頻繁，需要研究新的切換和小區重選機制以適應低軌星座衛星通信系統的新情況。

1.2 切換類型的變化

由于低軌衛星的高速運動，衛星也需要采用接力方式與信關站進行天線的切換，故在傳統用戶鏈路切換的基礎上增加了饋電鏈路的切換，饋電鏈路承載多用戶鏈路數據的回傳與發送，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，系統不能支持類似于地面移動通信系統復雜的切換交互流程。此外，相對于地面移動通信系統，低軌星座衛星通信系統更適合于高速移動載體的互聯網服務，這進一步壓縮切換可用時間，需要優化切換流程，提高切換的成功率，減小一次切換的時間開銷。

1.4 服務模式的變化

隨著通信技術的發展，人們越來越習慣于大帶寬、低時延的通信服務，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

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

2 國內外現狀和發展趨勢

2.1 國內外現狀

隨著業務需求的增長，衛星通信逐漸演變為多波束衛星通信系統，地面終端的移動性使得其需要在不同波束間進行切換，觸發了地面移動通信系統中成熟的切換管理技術向衛星上的遷移，但對低軌道衛星而言，多星覆蓋以及網絡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，其用戶的移動性并不是很大，而地面基站的服務小區所覆蓋的區域也是固定的，所以切換發生的頻率較低，為弱切換系統。而衛星的高速運動必然引起頻繁的切換，雖然衛星的運動有規律性，但由于與地面通信存在差異，仍不能直接將地面網中的接入技術、切換技術以及信道分配技術直接運用到衛星通信系統上去，只能是把地面通信網的部分思想和概念引入到衛星通信系統中并加以應用。

在低軌衛星系統中，單星的覆蓋面積有限，需要采用多衛星中繼實現對地面的連續覆蓋，當地面終端到衛星（衛星到衛星）的仰角小于某個特定值時，地面終端和衛星（衛星和衛星）之間就需要切換。與此同時，由于星座由為數眾多的衛星組成，存在著大量的多星覆蓋區，就需要在多顆能夠完成切換任務的衛星中優選。在實際情況中，不同的業務類型、業務優先級及切換場景都會關系到如何使用現有的衛星網絡資源組建高效的衛星網絡，切換策略的選取會使系統性能的差異較大，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論。根據李銘等［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，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。

目前低軌衛星移動通信系統衛星切換的工程實現案例比較少，在軌運行的低軌衛星通信系統主要包括“銥”系統、全球星系統，這兩個系統均面向傳統的窄帶話音和數據業務，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星通信系統，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星通信系統的切換方案。目前國內還沒有在軌的星座衛星通信系統，也沒有成熟的低軌星座衛星切換方案，以跟隨研究為主。

圖1 O3b網絡的地面覆蓋范圍

（1）O3b系統的預切換

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

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

O3b衛星工作在Ka頻段，每顆衛星配置有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（用于與地面信關站通信），10個用戶波束（與用戶通信）；每個用戶波束的覆蓋區直徑為700km，每個波束配置2個轉發器，每個轉發器的帶寬為216MHz，這樣，每個用戶波束的總帶寬為432MHz（2×216MHz）。每個轉發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顆星構成的衛星星座的可用容量為84Gbit/s。O3b星座系統將地面分為7個區域，每個區域10個用戶波束，由12顆星構成的衛星星座的總用戶波束數為70。

O3b星座系統采用星形組網方式，網絡中所有衛星都采用透明轉發方式，衛星之間也沒有星間鏈路，所有的路由交換都在地面信關站進行，再通過信關站連接到地面通信網，用戶之間的通信需要經過信關站中繼。O3b系統提供的服務其實是類似于傳統的轉發器出租業務，只不過用戶使用的轉發器不是固定的，需要隨著衛星的軌道運動而在不同衛星之間切換，并且每個波束的指向也是可以調整的。為了確保系統的服務質量，O3b系統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面向用戶提供數據服務，為了避免數據的中斷，確保服務質量，在切換時，首先申請切換資源，建立兩條前向鏈路，然后發起反向鏈路的切換，通過雙鏈路的共存，保證了系統資源的可靠傳輸。

（2）高通專利US2016/0323032

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

依據專利，系統框圖如圖3所示。

圖2 O3b系統預切換

圖3 高通專利系統框圖

與其他衛星通信系統不同，在切換專利中高通公司認為目前的系統具有下面的能力：

●終端配備GPS、GLONASS接收機，具備精確的時頻和位置信息；

●終端采用衛星星歷和本地位置進行系統同步；

●終端具有單衛星/波束接收能力或者雙衛星/波束接收能力。

依據上述認識，高通公司對低軌衛星通信系統切換的考慮可以歸納為下面幾點：

★以GPS、GLONASS為基礎，提供精確的終端的位置信息。

★終端采用衛星星歷和本地位置進行系統同步。

★終端具有單衛星/波束接收能力或者雙衛星/波束接收能力。

★不同的切換模式采用不同的切換程序，正常的切換按照衛星波束轉換表標明的時間執行，異常切換由信號測量發起。

★無線鏈路丟失后，終端按照存儲星歷，搜索下一個衛星/波束。

依據設計，專利給出的低軌星座衛星通信系統的切換方案支持預約時間切換和基于用戶測量的切換，以應對不同的場景。

2.2 發展趨勢

目前，低軌高通量星座衛星是衛星通信發展的一個新熱點，國內外公布了包括Oneweb、Stralink、LeoSat、Telesat、衛星互聯網、全球多媒體衛星、鴻雁、虹云等在內的多個星座的研制與發射計劃。3GPP、Sat5G等國際組織也積極推動衛星與地面5G移動通信系統的融合。低軌高通量星座衛星是衛星通信系統發展的趨勢，與此相匹配，寬帶衛星通信系統中的切換技術也受到了越來越多的關注。

隨著各類業務的數據化承載，傳統業務的切換逐漸轉變為面向高可靠傳輸的數據業務的切換，掉話率不再是系統切換的主要評價指標，軟容量的適配更展現切換技術的先進。此外，衛星導航技術的廣泛應用，也進一步推進了基于位置驅動、時間驅動的新的預切換方式的產生，實現更精確的衛星切換。

3 思考與建議

針對低軌星座衛星通信系統引入的鏈路容量動態變化、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、高動態用戶切換優化、系統輔助小區重選等方面進行快速切換體系化研究，并設計軟件仿真平臺，搭建半物理仿真驗證平臺，優化低軌星座通信系統的快速切換參數，驗證切換流程的可實現性。

3.1 饋電鏈路群用戶切換

饋電鏈路是衛星用戶鏈路回傳的公共信道，饋電鏈路的切換質量影響全部用戶，一旦鏈路切換失敗，則所有用戶連接終端，對系統影響極大，但鏈路受到GEO、NGSO衛星通信系統的影響和衛星饋電鏈路切換方式的影響，極易發生中斷；同時，饋電鏈路承載所有用戶，傳統意義上的切換會觸發所有用戶切換信令風暴，建議研究衛星切換的方式和地面網絡架構，優化星地協同的饋電鏈路切換流程，實現饋電鏈路的高可靠切換，同時研究切實可行的系統輔助切換的方式，消除切換信令風暴，并配合系統饋電鏈路資源調度規避其他GEO、NGSO衛星通信系統的影響，實現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星通信系統的基本切換，支撐系統包括波束、衛星、信關站等在內的多種不同等級的切換方式。相對于地面移動通信系統，由于衛星相對于地面的高速移動，以及星地鏈路大的傳播時延，必須優化終端的切換流程，確保在有效的切換時間內完成切換。與地面移動通信不同，低軌星座衛星通信系統的用戶鏈路切換主要由衛星的覆蓋特性觸發，基于系統調度的切換、環境因素觸發的切換占絕對劣勢。建議重點研究低軌星座衛星通信系統用戶鏈路切換的規律，結合系統鏈路容量受環境影響的特點，多星協同配合，優化切換流程，實現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，優化網絡操作，實現用戶鏈路的高效切換。

3.3 高動態用戶切換優化

相對于地面移動通信系統，衛星通信系統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。但在衛星引入的高動態的基礎上，又增加了移動載體的高動態性，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律性，建議重點評估運動的規律性對切換的影響，采用預配置等方案構建最簡切換流程，采用切換信息表等方式實現高動態用戶的切換優化。

3.4 系統輔助小區重選

小區選擇于小區重選是空閑態用戶終端選擇合適的小區，接入系統最有效的方式，但與地面固定的小區不同，低軌星座衛星通信系統的衛星高速移動帶來了信關站服務小區的接力服務，即使在終端不移動的情況下，其關聯服務小區的衛星波束也在快速變化。這時，若采用地面小區重選策略，則造成系統容量極大的浪費。針對該問題，建議在系統用戶尋呼策略、一次尋呼成功率的基礎上，研究基于歷史數據優化的小區重選策略，實現低軌星座衛星通信系統終端小區重選策略的優化，最大化系統傳輸效率。

4 系統輔助小區重選

在地面移動通信系統切換的基礎上，采用低軌星座衛星提供接入服務的衛星通信系統引入了用戶鏈路與饋電鏈路的周期切換，衛星的高速移動使其區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星通信系統的特點，研究適合于低軌星座衛星通信系統的切換方案，設計高可靠、低時延、低信令開銷的星內、星間、信關站間的切換，設計低功耗、低時延低信令開銷的小區選擇和小區重選方案，在此基礎上，設計并實現軟件仿真平臺優化設計參數，開展衛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系到系統的運行效率，是系統高效運行的基礎、好用的關鍵。快速切換方案的突破將會為低軌星座衛星通信系統的工程實現提供強有力的技術支撐。