刘 为，温文坤

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州510310）

0 引 言

卫星通信系统［1］具有地面系统不可比拟的广覆盖特性，但是远高于后者的无线信号传播时延也给系统设计带来了诸多挑战。以地球同步轨道通信卫星为例，卫星距离地面的距离约为36000km，简单计算可知地面移动终端与卫星之间的无线信号单向传播时延约为135ms［2］；而地面移动通信系统中，以长期演进 （long－term evolution，LTE）系统为例，小区最大覆盖半径为100km，此时终端与基站之间的无线信号单向传输时延约为0.33ms［3］，前者远高于后者。因此，卫星通信系统的设计与实现需要考虑尽可能减少信道长时延对用户体验的负面影响，特别是实时性业务。

切换是移动通信系统保证无缝移动通信服务的基本技术手段。在卫星通信系统中，无线链路连接处于激活态的终端从一个波束移动至另一个波束的覆盖范围时，卫星通信系统需要触发小区间切换，以保证终端的无线链路连接和业务的连续性。

本文提出了一种适用于卫星通信系统的基于蜂窝小区间协作的切换方法，使卫星通信系统的用户业务中断时间的性能与地面移动通信系统的性能基本保持一致。

1 硬切换

硬切换机制是指终端先断开与服务小区间的无线链路连接，再与目标小区同步并建立无线链路连接。对于采用硬切换机制的卫星通信系统，需要考虑如何避免信道长时延所造成的长时间的用户业务中断。

以LTE系统中基于终端测量报告触发的切换过程为例，对用户业务中断时间予以说明［4］，该切换过程包括的步骤如图1所示。

图1 基于终端测量报告触发的切换过程

步骤1 终端完成无线链路质量的测量并上报给终端当前服务小区，报告中可包含服务小区和相邻小区的无线链路质量信息；

步骤2 服务小区确定切换的目标小区，通过切换命令通知终端；

步骤3 终端接收切换命令后，断开与服务小区的无线链路连接；

步骤4 终端获取与目标小区的下行同步；

步骤5 终端在目标小区发起随机接入过程，发送随机接入前导符；

步骤6 目标小区检测到该信号后返回随机接入响应，指定时频同步与发射功率水平设置以及分配初始上行传输无线资源；

步骤7 终端利用分配的上行传输无线资源向目标小区发送切换完成信令；

步骤8 目标小区为终端分配无线传输资源，终端开始传输用户业务数据。

由以上说明可看出在步骤3与步骤8之间的时间段内，终端与移动通信网络间不进行用户数据传输，即硬切换过程中的用户业务中断时间。地面移动通信系统中，以图1所示LTE 系统切换过程为例，构成用户业务中断时间的各处理步骤的典型时延预算［4］见表1。

上述时延预算分析可见，终端在目标小区的随机接入过程造成的时延约为5＋2＝7ms，超过总时延的50%。但是对于卫星通信系统，以地球同步轨道通信卫星为例，如果也采用相同的切换处理方式，即使忽略节点内部处理时延，以及终端下行同步至目标小区并等待随机接入发射窗口的时延，单随机接入过程切换造成的用户业务中断时间约为135ms×4＝540ms，这样高的用户业务中断时间将造成用户通话的困扰，显然是需要予以优化的。

表1 LTE切换过程用户业务中断时间

2 小区间协作切换

本文提出一种优化方法，通过源小区与切换候选相邻小区 （以下简称邻区）之间的协商过程，为待切换终端分配邻区的随机接入信道资源，终端在保持与源小区之间无线连接的同时，利用分配的资源对邻区进行无线链路质量测量，并选择符合切换要求的邻区，发起上行同步过程，以获取与邻区同步的配置信息并上报给服务小区。

源小区为已获取邻区同步信息的终端向切换目标小区发起切换请求，其中携带终端的资源请求以及同步配置信息；若切换目标小区接纳该切换请求，则返回应答消息给源小区，其中包括终端在目标小区的无线连接标识和无线资源调度信息；源小区通过切换命令将这些信息传送给终端。终端成功接收切换命令后断开与源小区的无线连接并下行同步至目标小区，然后利用此前在上行同步过程中获取的同步配置信息和无线资源调度信息，立即发送切换完成信令并恢复用户业务数据的传输。通过终端在切换前获取目标小区的同步配置及无线资源分配，终端无需在切换命令后在目标小区发起竞争性或非竞争性的随机接入过程，而是可以在完成下行同步后立即开始信令和数据的传输。具体处理流程如图2所示。

该方法中，终端利用自己的无线传输调度间隙 （以下简称自主测量时隙）或者其服务小区所提供的无线测量时隙，实现对邻区的无线链路质量测量和上行同步，同时仍保持与服务小区的信令和数据连接。这种技术被称为DRX（discontinuous reception）非 连 续 接 收 技 术［5］。进 一 步 地，终端可以根据测量时隙资源的情况，测量多个邻区无线链路质量，以及发起随机接入过程获取上行同步配置信息。

图2 切换流程

更具体地，终端利用DRX 空闲时隙，在邻区的随机接入信道发送上行随机前导符后，立即恢复与服务小区的无线连接；在指定等待时长后，再次同步至邻区，并在指定的接收时间窗口接收随机接入响应消息，接收成功或时间窗结束后，再恢复与服务小区的无线连接。上述邻区随机接入信道配置、指定等待时长以及随机接入响应消息接收时间窗口等信息，终端既可以通过服务小区和邻区的小区系统广播信息获取，也可以由服务小区通过专用控制信道消息告知终端。

此外，终端在邻区的随机接入过程可以是竞争性或非竞争性的。这取决于服务小区是否发起小区间协调过程并从邻区成功申请得到非竞争性随机接入无线资源分配给终端，如LTE系统中的随机接入前导符［5］。换言之，小区间协商以获取无竞争随机接入信道资源的过程是可选的，不影响该方法的可行性。

3 紧耦合模式切换

进一步地优化上述方法，对于获取非竞争性随机接入资源的终端，邻区可以根据小区间协作程度，将随机接入响应消息发送给服务小区，即终端无需再次同步至邻区以接收该消息，同时在其发送给服务小区的邻区测量报告中只需携带无线测量结果。定义这种小区间协作方式为紧耦合模式，对应的切换处理流程如图3所示。

图3 紧耦合模式切换流程

该方法对一般的小区间切换协商流程进行了增强，体现在：

（1）在源小区发往目标小区的切换准备请求消息中，除了终端上下文信息之外，还携带该终端在源小区的无线传播时延，以及目标小区的上行同步配置信息，如时域同步偏置值、频域同步偏置值、上行发射功率水平；

（2）在目标小区应答给源小区的切换请求确认消息中，除了终端移动性控制信息之外，目标小区不再需要为切换终端分配非竞争性随机接入资源。目标小区根据该终端的同步配置信息，为终端分配上下行信令与数据传输的无线资源，并计算允许终端启动无线传输与接收的时间配置信息，这些信息将通过切换请求确认消息返回给源小区；

（3）在源小区发送给终端的切换命令中，包含终端移动性控制信息、无线资源调度信息和无线传输与接收时间配置信息，终端成功接收切换命令后可立即断开与源小区的无线连接，在达到与目标小区的下行同步后，即可在指定时间点启动无线传输与接收，无需触发上行同步过程。

以上内容说明显示采用该方法，切换过程中终端的用户业务数据传输中断时间不再受到无线信道传播时延的限制，从而避免了采用传统切换流程时，卫星通信信道长时延加重用户业务中断时间的程度，使得卫星通信系统切换用户业务中断时间的性能与地面移动通信系统保持一致。

4 具体实施方式

下文将结合图3对本文所提出的基于蜂窝小区间紧耦合协作模式的切换方法说明具体实施方式。

步骤0：终端接入服务小区，建立无线传输连接以承载用户业务数据。

步骤1a＋1b：基于特定触发条件，如服务小区检测终端上行链路质量，或者终端上报服务小区的无线链路质量低于指定门限值，服务小区发起小区间协作，向邻区A 和邻区B申请非竞争性随机接入信道资源。

步骤2a＋2b：邻区A 和邻区B接受了请求，分别分配了非竞争性随机接入信道资源。

步骤3a＋3b：邻区A 和邻区B返回分配结果。

步骤4：服务小区下发邻区配置测量信息给终端，其中携带有邻区A 和B的相关信息、邻区A 和B分配的非竞争性随机接入信道资源，以及测量时隙配置，并告知终端服务小区与邻区A 和B将采用紧耦合协作模式。

步骤5：终端在成功接收邻区配置测量信息后返回确认消息。

步骤6：终端在服务小区提供的测量时隙内，中断与服务小区的无线连接并依此与邻区A 和B建立下行同步。

步骤7a＋7b：终端选择合适的测量时隙，分别在邻区A 和邻区B的随机接入信道发送非竞争性随机接入前导符。

步骤8：终端在非测量时隙恢复与服务小区的无线连接，正常传输用户业务数据。

步骤9a＋9b：对于紧耦合协作模式，邻区A 和B根据检测到的非竞争性随机接入前导符的特征，生成合适的上行同步配置信息，通过随机接入响应消息发送给终端的服务小区。对于非紧耦合协作模式，终端需要等待指定时长后，再次利用测量时隙同步至邻区A 和B并接收随机接入响应消息。

步骤10：终端完成邻区A 和B 的无线链路质量测量后，将符合测量上报条件的邻区标识、无线信号测量值等信息上报给服务小区。

步骤11：服务小区综合分析终端的邻区测量报告结果，以及邻区返回的随机接入响应消息，确定切换目标小区，此处假定为邻区A。

步骤12：服务小区 （即切换的源小区）向邻区A （即切换的目标小区）发起切换准备请求，其中包括终端相关上下文信息，如终端标识、无线传输承载及业务QoS要求等，还包括该终端在源小区的无线传播时延以及在目标小区的同步配置信息。

步骤13：目标小区A 根据自身资源使用情况确定可以接纳该切换请求。

步骤14：目标小区A 向源小区发送切换请求确认消息，其中包括终端移动性控制信息，根据同步配置信息为终端分配的上下行信令与数据传输的无线资源，以及允许终端启动无线传输与接收的时间点。许可所述通信终端启动无线输出和无线接收的时间信息对应于小区内部处理时延、小区间通信无线传播时延、通信终端在服务小区的无线传播时延、通信终端内部处理时延和通信终端在目标小区间的无线传播时延。

步骤15：源小区发送切换命令给终端，其中携带有目标小区返回的终端移动性控制信息、无线资源调度信息和无线传输与接收时间点等信息。

步骤16：终端成功接收切换命令后，停止控制信令和用户业务数据的传输，断开与源小区的无线连接。

步骤17：终端实现与目标小区的下行同步，然后在指定时间点启动无线传输与接收，包括终端发送给目标小区的切换完成控制信令，以及与目标小区间的用户业务数据收发。

至此，基于紧耦合协作模式的切换流程执行完成。用户业务中断时间约为12.5－ （1＋5＋2）＝5.5 ms，小于12.5ms。

5 结束语

本文设计的切换方法利用测量时隙，使得终端在切换发起前就完成与目标小区间的随机接入过程，并获取了上行同步配置和无线传输资源调度，使得终端在切换时无需发起随机接入过程。因此，终端的上下行用户业务数据传输的中断时间，与终端处理切换命令及与目标小区建立下行同步的处理时间基本相同，可见，采用该方案，卫星通信系统的切换性能将不再受到信道长时延的限制，显著缩短了用户业务数据的中断时间。

［1］Andrew S Tanenbaum，Davi J Wetherall.Computer networks［M］.5th ed.USA：Prentice Hall，2010.

［2］Dennis Roddy.Satellite communications ［M ］.4th ed.ZHENG Baoyu，transl.Beijing：China Mechine Press，2011（in Chinese）.［罗迪.卫星通信 ［M］.4版.郑宝玉，译.北京：机械工业出版社，2011.］

［3］Stefania Sesia，Issam Toufik，Matthew Baker.LTE－The UMTS long term evolution from theory to practice［M］.2nd ed.United Kingdom：A John Wiley ＆Sons，Ltd，Publication，2011.

［4］3GPP TR 36.912，Feasibility study for further advancements for E－UTRA（LTE－Advanced）［S］.2012.

［5］3GPP TS 36.321 E－UTRA：Medium access control（MAC）protocol specification ［S］.2013.

［6］European Telecommunications Standards Institute （ETSI）.Satellite earth stations and systems（SES）；Combined satellite and terrestrial networks scenarios［R］.Sophia Antipolis：ETSI，2013.

［7］European Telecommunications Standards Institute （ETSI）.Satellite earth stations and systems（SES）；Comparison of can－didate radio interfaces performances in MSS context［R］.Sophia Antipolis：ETSI，2013.

［8］Seppo Hamalainen，Henning Sanneck，Cinzia Sartori.LTE Self－Organising networks （SON），network automation for operational efficiency ［M］.United Kingdom：A John Wiley＆Sons，Ltd，Publication，2012.

［9］3GPP TS 36.104，Evolved universal terrestrial radio access（EUTRA）；Base station（BS）radio transmission and reception［S］.2013.

［10］3GPP TR 36.839，Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E－UTRA）；Mobility enhancements in heterogeneous networks［S］.2012.

［11］Juan Ramiro，Khalid Hamied.Self－organizing networks：Self－planning，self－optimization and self－healing for GSM，UMTS and LTE ［M］.United Kingdom：A John Wiley ＆Sons，Ltd，Publication，2011.

［12］WANG Bo.Research on the key technologies of self－optimization in the LTE network ［D］.Beijing：Beijing University of Posts and Telecommunications，2011：26－55 （in Chinese）.［王波.LTE网络自优化关键技术研究 ［D］.北京：北京邮电大学，2011：26－55.］