卫星终端小区重选策略设计及优化

汪虹宇，莫志锋，张玉成

1.重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065

2.中国科学院 计算技术研究所 无线通信技术研究中心，北京 100190

1 引言

在未来空天地一体的移动通信网络中，卫星通信将占有不可替代的重要地位[1-3]。卫星通信系统具有覆盖范围广、通信距离远、不受地面条件的约束等优点，以支持手持终端为特征的移动卫星通信是卫星通信领域的重要发展方向[4-5]。小区重选是卫星终端必备的功能，当终端在遇到障碍或位置发生变化，小区重选就成为保证终端正常通信的一个重要因素[6]。小区重选的目的就是找到更合适的服务小区。

针对目前缺乏对于卫星终端小区重选流程的研究，本文从小区重选流程设计出发，将整个流程划分为重选判断阶段及重选阶段，分别对这两阶段进行设计，并在判断阶段提出帧及时隙同步方法。同时，从功耗及效率角度出发，对FCCH同步和帧及时隙同步方法进行了优化，并完成了低功耗场景中的小区重选设计。

2 小区重选背景

2.1 信道数据及其接收

如图1 所示，终端在接收公共控制信道数据时，会以每8 帧为一个周期循环接收FCCH、广播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH）、寻呼信道（Paging Channel，PCH）及基本告警信道（Basic Alerting Channel，BACH）等信道数据。FCCH带有频率和时间同步信息；BCCH携带有系统消息；PCH用于检测寻呼，分为PCH0和 PCH1；BACH 主要是在 BCCH 和 PCH 接收出错时发起警报[7-8]。

图1 公共控制信道分配图

2.2 小区重选流程分析

触发小区重选主要有两种情况：（1）周期性测量；（2）当前小区被禁止接入或地理位置改变[9]。本文主要研究周期性测量触发的小区重选。

小区重选由媒介访问控制层（Media Access Control，MAC）完成逻辑控制，物理层完成对邻小区频点的信号强度的测量。物理层会周期性地给MAC 层上报当前小区的接收信号强度值（Received Signal Strength Indication，RSSI），当终端处于驻留状态且重选计时器（RESELECTION_TIMER）达到计数值后，物理层会进行邻小区的接收信号强度测量并将测量值反馈给MAC层，MAC层根据测量值判断是否需要重选小区，从而保证正在服务的点波束是可接受的。终端在驻留状态下完成小区重选的流程如图2。

图2 终端小区重选流程图

从小区重选的实现角度来看，可以将小区重选划分为重选判断阶段及重选阶段。重选判断阶段主要有两个任务：（1）测量邻小区的接收信号强度；（2）信号强度比较，判断是否需要重选。重选阶段的主要任务是重新选择一个信号强度较大的小区进行驻留。

3 正常模式下的小区重选设计

终端在原小区完成入网后，会释放信道资源并保持驻留状态，达到重选计数器计数值就进入小区重选流程。下面主要针对小区重选流程的重选判断阶段及重选阶段进行详细的分析。

3.1 重选判断阶段

当终端处于驻留状态时，MAC 层会根据重选计时器在相应的时间向物理层下发测量请求以通知物理层测量6 个邻小区的RSSI 值。物理层在收到测量请求消息后，会切换至邻小区的频点上接收广播数据（BCCH），但由于BCCH每8帧发送一次，邻小区的BCCH与原小区的BCCH在时间上不重叠，因此如果直接切换频点将接收不到邻小区的广播（频点与广播时间不符）。主要采取FCCH 同步和帧及时隙偏移值同步两种方式来解决切换频点后接收BCCH的问题。

3.1.1 FCCH同步

FCCH属于下行发送链路信道，主要用于接收信号的同步，在接收邻小区信道数据之前先利用FCCH信道数据进行时频同步，能够让终端在邻小区上接收到广播数据[10]。dual-chirp 信号是指频率随时间增加或减少得大时宽带宽积信号，能够完成对信号的时延和频偏的估计，它由up-chirp 信号和down-chirp 信号组成，up-chirp信号的频率随时间线性递增，down-chirp信号的频率随时间线性递减。FCCH 同步的原理是通过dual-chirp 信号完成对信道数据的时延和频偏的估计[11-13]，进而根据估计值来实现接收信道数据的时频同步。利用dual-chirp信号估计时延频偏的原理如图3。

图3 时频偏估计原理图

Dual-chirp信号可以表示为[14-15]：

其中，t为burst时长（Dual-chirp信号持续时间），ts为采样间隔，μ为信号的频率变化率，n为t内采样的次数，p(n)是一个单位矩形脉冲，取值如下：

可将dual-chirp信号进行分解为：

其中up-chirp 信号su(n)和down-chirp 信号sd(n)的表达式如下：

移动终端接收到的信号可以表示为：

其中，td为信号的时延值，fd为信号的频偏值，n(ts)为均值为0的加性随机白噪声。

为了突出信号特征，对移动终端接收到的信号r(n)分别经过up-chirp 信号和down-chirp 信号解扫频后得r(n)⋅su(n)、r(n)⋅sd(n)，再进行快速傅里叶变换（Fast Fourier Transformation，FFT），可得up-chirp信号和down-chirp 信号的峰值频率f1、f2：

由式（7）可以推出频偏估计值fd和时延估计值td：

根据求得的时延、频偏估计值就可以完成对信道数据的同步了。

3.1.2 帧及时隙偏移值同步

由于卫星通信系统是一种蜂窝通信系统，因此一个初始点波束具有6 个相邻的点波束，初始点波束的BCCH信道会携带其余6个邻近点波束的信道数据接收的相对帧偏移值和时隙偏移值信息。

卫星通信系统也是一种时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）系统，TDMA帧是TDMA系统的基本组成单元。TDMA帧可用帧号进行表示，帧号会随着每个TDMA 帧的结束而增加，帧号的更新周期为一个hyper-frame 的长度（313 344 个TDMA 帧）。在每个hyper-frame周期内，终端会按照图1的顺序接收相应的信道数据。

Fmn表示相对帧偏移值，其含义是点波束n相对于点波束m的帧偏移值，其取值满足如下条件：

根据从原小区的BCCH 中获取的邻小区相对帧偏移Fmn和原小区接收广播的帧号可以确定出邻小区接收广播数据的帧号，从而在对应的TDMA 帧上接收广播信道数据。

由于 PCH 分为 PCH0 和 PCH1，用于寻呼的 PCH 都是固定的，可以从BCCH携带的系统信息确认终端应接收的PCH 为PCH0 还是PCH1，一个寻呼信道的周期为16帧。为了避免终端错过原小区的BCCH和PCH的接收，采取图4的方法先在原小区接收16帧信道数据以保证有外界寻呼时至少可以接收到一次原小区的BCCH和PCH，然后再切换至邻小区接收信道数据，即在第a+16+Fmn帧开始接收邻小区的信道数据，在第a+24帧开始重复上述步骤。

图4 原小区及邻小区的信道数据接收示意图

Tij表示相对时隙偏移，其含义是点波束j相对于点波束i的时隙偏移值，其取值满足如下条件：

一个TDMA 帧分为24 个时隙[16]，根据时隙偏移值Tij可以确定出邻小区接收广播数据的时隙，从而能够在正确的帧及时隙上接收信道数据。如图5所示，令原小区在第a帧的第1 个时隙上接收BCCH，当时隙偏移Tij=2 时，就可以确认出邻小区接收BCCH 的位置位于第a+Fij帧的第3个时隙上。

图5 基于时隙偏移接收信道数据示意图

3.1.3 信号强度测量及判断

在接收到邻小区的广播数据后，物理层根据收到的广播数据获取对应频点的信号增益，从而根据以下公式计算出该频点的RSSI：

G为终端接收的信号的增益，Grx是终端接收机在接收信号时的接收增益，其取值范围为0～Grx_max。

物理层在完成邻小区信号强度的测量后，会连续向MAC层回复10～15次测量信息。物理层每回复一次测量信息，都会将邻小区的RSSI 反馈给MAC 层，然后切换回原频点接收信道数据，这样做的目的是为了避免在测量期间错过原小区的寻呼（PCH），接收一个周期的原小区信道数据后，又切换至邻小区测量，循环10～15次。在测量完成之后，MAC 层将下发停止测量请求以告知物理层停止测量。

物理层停止测量后会先在原小区继续接收信道数据，MAC 层将多次测量的6 个邻小区的RSSI 平均值与原小区的RSSI 作比较，若原小区信号强度最大，则按图6 左侧交互图继续驻留原小区，等待下一轮测量，反之则按图6 右侧交互图完成切换频点并驻留在信号强度最大的邻小区。

3.2 重选阶段

当邻小区的RSSI大于原小区时，MAC层将会下发驻留请求给物理层，物理层在收到驻留请求后会将频点切换至邻小区频点接收信道数据。但不能直接切换到邻小区频点，需采取上述的FCCH同步方式或帧及时隙同步方式来进行调整。

图6 小区重选MAC/PHY交互图

终端在新的小区驻留后，经过图7 所示的MAC/PHY交互之后，在新的小区入网，完成入网之后信道资源释放，然后保持驻留状态，在达到重选计时器计数值后进行下一次测量。

图7 重选小区后MAC/PHY交互流程图

4 低功耗模式下小区重选优化设计

在接收信道数据时，终端会打开射频开关来完成接收任务，而射频模块的功耗占据了终端整体功耗的较大的占比。

在正常模式下，终端在测量期间会以每8帧为一个周期接收FCCH、BACH0、BCCH、BACH1、PCH0（PCH1）、BACH2、BACH3、BACH4 等信道数据。在低功耗模式下，对测量期间信道数据的接收进行优化，采取“无用帧”方式接收信道数据，无用帧指没有接收任务的帧。当处于无用帧时，通过引导射频模块进入睡眠模式，可以降低功耗。

4.1 重选判断阶段

同正常模式一样，低功耗模式重选判断阶段的主要任务为测量邻小区的接收信号强度，并根据RSSI 的比较判断是否需要进行重选。

在低功耗模式下，当终端处于驻留状态时，驻留时间达到重选计时器计数值后，物理层将会进行测量工作，为了能够正确地接收到邻小区的广播信道数据，需要同正常模式一样进行FCCH同步或帧及时隙同步。

4.1.1 FCCH同步优化

采取FCCH 同步方式时，为了实现时频同步，终端将会接收FCCH 信道数据；为了计算信号的信号强度，终端将会获取BCCH信道数据；为了在测量期间不错过寻呼，终端将会接收PCH信道数据。因此，终端在原小区可以只接收FCCH、BCCH 及PCH 信道数据，而在邻小区时只需要接收FCCH 和BCCH 信道数据。原小区和邻小区在一个接收周期（8帧）的信道数据接收情况如图8所示。

图8 原小区及邻小区信道数据接收图

4.1.2 帧及时隙偏移值同步优化

在低功耗模式下，如果通过帧及时隙同步方式来确保正确接收邻小区信道数据，就不必接收FCCH信道数据了。在原小区时，终端一个周期内只接收两帧数据（BCCH 和PCH），连续无用帧时射频模块进入睡眠模式；邻小区则只需接收BCCH以计算邻小区的RSSI。

虽然网络端会让原小区和邻小区的BCCH 错开发射，使它们在时间上不重叠，但可能会出现邻小区的BCCH 与原小区的PCH 重叠。由于邻小区只需要接收BCCH，可以通过对正常模式下帧及时隙同步进行优化来避免邻小区的BCCH和原小区的PCH重叠。

从原小区的BCCH 中获取邻小区的相对帧偏移Fmn，先对Fmn进行判断，确认其值是否为2，当Fmn≠2时，例如Fmn=1，则原小区和邻小区的信道数据接收示意图如图9。

当邻小区相对于原小区的帧偏移Fmn=2 时，如果按照上述方法的话，邻小区的BCCH 将会和原小区的PCH重合，从而导致错过原小区的寻呼。

当终端应收PCH 为PCH0 时，可以在原小区PCH1的帧号（第a+12 帧）处接收邻小区的BCCH。其信道数据接收示意图如图10。

图9 Fmn=1 时信道数据接收示意图

图10 寻呼组为PCH0时信道数据接收图

当终端应收 PCH 为 PCH1 时，在 PCH0 的帧号（第a+4 帧）处接收邻小区的BCCH。其信道数据接收示意图如图11。

图11 寻呼组为PCH1时信道数据接收图

根据相对时隙偏移值Tij可以确定信道数据的具体接收时隙，至此，帧号及时隙都已确认，就能够保证接收到邻小区的BCCH了。

4.1.3 信号强度测量及判断

在接收到邻小区的BCCH信道数据后，根据公式（11）可以得到邻小区的信号强度。

收到测量请求后，物理层会在原小区频点和邻小区频点间多次来回切换以保证可以收到原小区的BCCH和PCH及邻小区的BCCH。由于协议栈（MAC层）工作会消耗电能，所以与正常模式不同的是，在低功耗阶段，协议栈处于休眠不工作状态，由物理层定期启动邻小区信号强度测量，在测量完邻小区的信号强度后，由物理层完成原小区和6个邻小区信号强度大小的比较，如果有邻小区的信号强度比原小区大，则选择信号强度较大的邻小区进行驻留。

4.2 重选阶段

当某个邻小区的平均信号强度值大于原小区时，物理层唤醒协议栈（MAC），由MAC 层下发驻留请求，然后物理层切换至该邻小区频点接收信道数据，切换过程可以采取针对低功耗模式的FCCH 同步或帧及时隙同步来实现。在邻小区驻留后，终端会完成图7 所示的随机接入、入网、信道资源释放等流程，然后进行下一次测量。

5 测试验证与分析

对整个优化设计策略的测试验证主要从功耗、时间效率和协议一致性角度出发。本文采用致远的PA5000H功率分析仪对终端完成小区重选流程的功耗数据进行测试；采用中科晶上的JY5000 卫星终端协议一致性分析仪对小区重选流程的时间效率及协议一致性进行验证。

5.1 实测数据及仿真

表1 为终端在正常模式和低功耗模式下分别通过两种同步方式完成小区重选时的平均功耗实测数据。

表1 不同模式下不同同步方式功耗测试数据表

图12和图13分别是采取两种同步方式实现小区重选时的信令流程图，可获取信令完成时间。

图12 FCCH同步方式切换至邻小区信令流程图

图13 帧及时隙同步方式下切换至邻小区信令流程图

图14是使用JY5000对低功耗场景下通过帧及时隙同步算法实现小区重选的一致性测试仿真图。

图14 小区重选协议一致性仿真图

5.2 结果分析

由表1可以看出，通过两种同步方式实现小区重选时，帧及时隙同步方式功耗更低。FCCH同步方式每个接收周期会多接收一个FCCH进行时频同步，因而终端会消耗更多的功耗；完成小区重选时，改进后的低功耗方案相比于正常模式下消耗的功耗明显更低，这是因为在正常模式接收信道数据时，终端会接收所有的信道数据，射频模块会持续工作，造成不必要的功耗，而在低功耗模式下，原小区只需要在接收BCCH 和PCH 时打开射频模块，而邻小区只在接收BCCH 时打开射频模块，因此能够有效的降低重选过程中的功耗。

由图12和图13可知，完成小区重选信令流程时，采取FCCH同步方式耗时2 min23 s，而帧及时隙同步方式耗时1 min22 s，因此后者的效率更高。由于帧及时隙同步可以直接确认邻小区接收信道数据的相对帧号及时隙，不需要做时频同步，因而能更快速地接收到邻小区的信道数据。

图14 的仿真结果验证了在低功耗场景下，通过帧及时隙同步方式完成小区重选的设计方案满足协议一致性。

因此，从功耗及效率角度出发，改进后的低功耗方案下通过帧及时隙同步方式完成小区重选是最佳选择。

6 结束语

本文主要研究了正常场景及低功耗场景下的小区重选。在重选过程中提出了FCCH 同步和帧及时隙同步算法，并针对低功耗场景进行优化。通过实测功耗数据及协议一致性分析仪JY5000 测试，对设计的小区重选流程进行了验证，验证结果支持了所设计的小区重选方案。该方案对以后在卫星终端低功耗方面的研究具有一定的参考价值。