低轨星座卫星通信系统移动性管理的思考

南京熊猫汉达科技有限公司 庞文镇 鲍 峰

解放军31411部队 李子亮

解放军69036部队 潘 成

在移动通信发展的过程中，切换一直是移动性管理的核心。本文总结了低轨星座卫星通信系统切换的特点，针对低轨星座卫星通信系统的需求，对国内外低轨星座的切换技术进行总结与分析，并提出几点关于低轨星座切换技术的研究建议。

移动性管理是一个伴随移动通信发展的课题，主要内容包括位置管理与切换，其中切换从传统的硬切换到软切换、到更软切换，切换技术一直随着系统的体系架构的变化向前发展。从地面移动通信系统到GEO卫星通信系统，再到低轨星座卫星通信系统，切换一直是移动性管理的核心。

1 低轨星座卫星通信系统切换的特点

相对地面移动通信系统和GEO卫星通信系统，采用低轨高通量卫星提供服务的低轨星座卫星通信系统中切换发生了下面变化：

1.1 切换场景的变化

低轨卫星实际上等效为地面移动通信系统的射频子系统，卫星的高速运动使得基站的覆盖区发生高速运动，终端切换主要由于基站的等效运动产生的，这与地面移动同通信系统和传统的GEO卫星通信系统固定覆盖区的切换场景截然不同：一方面由原来的弱切换变成了强周期切换，在每30s内发生一次或多次切换，切换呈现周期性；另一方面基站覆盖区的变化也使得未激活终端的小区重选变得十分频繁，需要研究新的切换和小区重选机制以适应低轨星座卫星通信系统的新情况。

1.2 切换类型的变化

由于低轨卫星的高速运动，卫星也需要采用接力方式与信关站进行天线的切换，故在传统用户链路切换的基础上增加了馈电链路的切换，馈电链路承载多用户链路数据的回传与发送，其切换影响所有的用户，为群用户切换。

1.3 切换要求的变化

由于低轨卫星相对于地面终端的高速运动，多波束、多星可用的切换时间短，但同时星地传播链路时延较大，系统不能支持类似于地面移动通信系统复杂的切换交互流程。此外，相对于地面移动通信系统，低轨星座卫星通信系统更适合于高速移动载体的互联网服务，这进一步压缩切换可用时间，需要优化切换流程，提高切换的成功率，减小一次切换的时间开销。

1.4 服务模式的变化

随着通信技术的发展，人们越来越习惯于大带宽、低时延的通信服务，即使切换造成很短暂的通信中断，也会大大降低用户体验，是用户所不能容忍的。人们对于高标准的用户体验对切换提出了新的要求。

1.5 链路特性影响切换

为了满足系统服务容量的要求，低轨星座卫星通信系统采用较高频段向用户提供高通量服务，但随着频段的增加，其受降雨等环境因素的影响也比较大。与传统的终端链路传输能力相对固定的切换相比，低轨星座卫星通信系统链路传输能力的动态变化、多星覆盖对切换提出了新的要求。

2 国内外现状和发展趋势

2.1 国内外现状

随着业务需求的增长，卫星通信逐渐演变为多波束卫星通信系统，地面终端的移动性使得其需要在不同波束间进行切换，触发了地面移动通信系统中成熟的切换管理技术向卫星上的迁移，但对低轨道卫星而言，多星覆盖以及网络拓扑时时变化的特点，对移动性管理提出了更高的要求。对于地面的移动通信系统，其用户的移动性并不是很大，而地面基站的服务小区所覆盖的区域也是固定的，所以切换发生的频率较低，为弱切换系统。而卫星的高速运动必然引起频繁的切换，虽然卫星的运动有规律性，但由于与地面通信存在差异，仍不能直接将地面网中的接入技术、切换技术以及信道分配技术直接运用到卫星通信系统上去，只能是把地面通信网的部分思想和概念引入到卫星通信系统中并加以应用。

在低轨卫星系统中，单星的覆盖面积有限，需要采用多卫星中继实现对地面的连续覆盖，当地面终端到卫星（卫星到卫星）的仰角小于某个特定值时，地面终端和卫星（卫星和卫星）之间就需要切换。与此同时，由于星座由为数众多的卫星组成，存在着大量的多星覆盖区，就需要在多颗能够完成切换任务的卫星中优选。在实际情况中，不同的业务类型、业务优先级及切换场景都会关系到如何使用现有的卫星网络资源组建高效的卫星网络，切换策略的选取会使系统性能的差异较大，将直接影响到切换时延、切换频率、频率利用率、QoS保证、呼叫阻塞率、切换失败率等指标，从而影响整个系统的性能。

本研究通过不同处理条件下，分析日平均水温、最高水温、水温日较差等因素对幼虾存活率、蜕壳率的影响，初步得到适宜小龙虾投苗驯化的水温环境，并提出了其他条件相同的情况下，适当提高水深，有利于提高小龙虾幼苗的成活率的初步结论。根据李铭等［1］、韩晓磊等［2］、任信林等［3］的研究，试验不同处理条件下日平均水温、日最高水温均在小龙虾适宜的生长范围之内，仅水温日较差相差较大，可见水温日较差可能是影响小龙虾投苗成活率的重要因素。但影响幼虾生长发育的因素有很多，如光照度、溶解氧、微生物、盐度、pH、重金属等［4，5］，有待进一步研究。

目前低轨卫星移动通信系统卫星切换的工程实现案例比较少，在轨运行的低轨卫星通信系统主要包括“铱”系统、全球星系统，这两个系统均面向传统的窄带话音和数据业务，采用类似于地面的GSM和IS-95移动通信体制，与地面切换方案一致。O3b是实际意义上第一个面向中低轨高通量卫星通信系统，其采用了独特的预切换策略，此外，高通也给出了一个可行的低轨卫星通信系统的切换方案。目前国内还没有在轨的星座卫星通信系统，也没有成熟的低轨星座卫星切换方案，以跟随研究为主。

图1 O3b网络的地面覆盖范围

（1）O3b系统的预切换

O3b星座系统是目前全球唯一成功运营的中轨道宽带星座卫星通信系统，公司成立于2007年，其创始人是格雷格·维勒（Greg Wyler）。O3b星座系统的初始星座包括12颗卫星（9颗主用、3颗备用），并且已经在酝酿发射另外8颗新卫星。所有卫星均由泰雷兹-阿莱尼亚空间公司（TAS）制造。卫星工作在8062km高度的赤道轨道上，轨道周期6h，轨道倾角小于0.1°，每颗卫星质量700kg，设计寿命10年。12颗卫星分别于2013年6月25日、2014年7月10日和12月18日分3批发射。

O3b星座系统的中地球轨道卫星星座能够覆盖南、北纬45°范围之内的全球所有地方，在南、北纬45°～62°范围内也能提供一定的服务，如图1所示。

O3b卫星工作在Ka频段，每颗卫星配置有12副指向可控的蝶形天线，各形成一个点波束，其中2个为馈电波束（用于与地面信关站通信），10个用户波束（与用户通信）；每个用户波束的覆盖区直径为700km，每个波束配置2个转发器，每个转发器的带宽为216MHz，这样，每个用户波束的总带宽为432MHz（2×216MHz）。每个转发器支持的最高信息速率为800Mbit/s，因此，每个波束支持的最高信息速率为1.6Gbit/s（2×800Mbit/s）。每8颗星构成的卫星星座的可用容量为84Gbit/s。O3b星座系统将地面分为7个区域，每个区域10个用户波束，由12颗星构成的卫星星座的总用户波束数为70。

O3b星座系统采用星形组网方式，网络中所有卫星都采用透明转发方式，卫星之间也没有星间链路，所有的路由交换都在地面信关站进行，再通过信关站连接到地面通信网，用户之间的通信需要经过信关站中继。O3b系统提供的服务其实是类似于传统的转发器出租业务，只不过用户使用的转发器不是固定的，需要随着卫星的轨道运动而在不同卫星之间切换，并且每个波束的指向也是可以调整的。为了确保系统的服务质量，O3b系统采用其定义为预切换的切换方式，其切换流程如图2所示。

O3b面向用户提供数据服务，为了避免数据的中断，确保服务质量，在切换时，首先申请切换资源，建立两条前向链路，然后发起反向链路的切换，通过双链路的共存，保证了系统资源的可靠传输。

（2）高通专利US2016/0323032

针对低轨卫星通信系统的切换，高通也进行了研究，给出了基于切换信息表的的低轨卫星通信系统的切换方案。

依据专利，系统框图如图3所示。

图2 O3b系统预切换

图3 高通专利系统框图

与其他卫星通信系统不同，在切换专利中高通公司认为目前的系统具有下面的能力：

●终端配备GPS、GLONASS接收机，具备精确的时频和位置信息；

●终端采用卫星星历和本地位置进行系统同步；

●终端具有单卫星/波束接收能力或者双卫星/波束接收能力。

依据上述认识，高通公司对低轨卫星通信系统切换的考虑可以归纳为下面几点：

★以GPS、GLONASS为基础，提供精确的终端的位置信息。

★终端采用卫星星历和本地位置进行系统同步。

★终端具有单卫星/波束接收能力或者双卫星/波束接收能力。

★不同的切换模式采用不同的切换程序，正常的切换按照卫星波束转换表标明的时间执行，异常切换由信号测量发起。

★无线链路丢失后，终端按照存储星历，搜索下一个卫星/波束。

依据设计，专利给出的低轨星座卫星通信系统的切换方案支持预约时间切换和基于用户测量的切换，以应对不同的场景。

2.2 发展趋势

目前，低轨高通量星座卫星是卫星通信发展的一个新热点，国内外公布了包括Oneweb、Stralink、LeoSat、Telesat、卫星互联网、全球多媒体卫星、鸿雁、虹云等在内的多个星座的研制与发射计划。3GPP、Sat5G等国际组织也积极推动卫星与地面5G移动通信系统的融合。低轨高通量星座卫星是卫星通信系统发展的趋势，与此相匹配，宽带卫星通信系统中的切换技术也受到了越来越多的关注。

随着各类业务的数据化承载，传统业务的切换逐渐转变为面向高可靠传输的数据业务的切换，掉话率不再是系统切换的主要评价指标，软容量的适配更展现切换技术的先进。此外，卫星导航技术的广泛应用，也进一步推进了基于位置驱动、时间驱动的新的预切换方式的产生，实现更精确的卫星切换。

3 思考与建议

针对低轨星座卫星通信系统引入的链路容量动态变化、大传播时延、短切换时间、群用户切换等问题，建议从馈电链路群用户切换、用户链路高效切换、高动态用户切换优化、系统辅助小区重选等方面进行快速切换体系化研究，并设计软件仿真平台，搭建半物理仿真验证平台，优化低轨星座通信系统的快速切换参数，验证切换流程的可实现性。

3.1 馈电链路群用户切换

馈电链路是卫星用户链路回传的公共信道，馈电链路的切换质量影响全部用户，一旦链路切换失败，则所有用户连接终端，对系统影响极大，但链路受到GEO、NGSO卫星通信系统的影响和卫星馈电链路切换方式的影响，极易发生中断；同时，馈电链路承载所有用户，传统意义上的切换会触发所有用户切换信令风暴，建议研究卫星切换的方式和地面网络架构，优化星地协同的馈电链路切换流程，实现馈电链路的高可靠切换，同时研究切实可行的系统辅助切换的方式，消除切换信令风暴，并配合系统馈电链路资源调度规避其他GEO、NGSO卫星通信系统的影响，实现馈电链路群用户的高可靠切换。

3.2 用户链路高效切换

用户链路切换是低轨星座卫星通信系统的基本切换，支撑系统包括波束、卫星、信关站等在内的多种不同等级的切换方式。相对于地面移动通信系统，由于卫星相对于地面的高速移动，以及星地链路大的传播时延，必须优化终端的切换流程，确保在有效的切换时间内完成切换。与地面移动通信不同，低轨星座卫星通信系统的用户链路切换主要由卫星的覆盖特性触发，基于系统调度的切换、环境因素触发的切换占绝对劣势。建议重点研究低轨星座卫星通信系统用户链路切换的规律，结合系统链路容量受环境影响的特点，多星协同配合，优化切换流程，实现用户链路的柔性切换，同时针对用户链路中断的异常情况，研究用户链路的再入机制，优化网络操作，实现用户链路的高效切换。

3.3 高动态用户切换优化

相对于地面移动通信系统，卫星通信系统最大的特点是覆盖面极广，更适合于高铁、轮船、飞机、导弹等高速移动平台。但在卫星引入的高动态的基础上，又增加了移动载体的高动态性，对于切换时间提出了更高的要求。但与其他用户不同，高速移动载体的运动一般具有明显的规律性，建议重点评估运动的规律性对切换的影响，采用预配置等方案构建最简切换流程，采用切换信息表等方式实现高动态用户的切换优化。

3.4 系统辅助小区重选

小区选择于小区重选是空闲态用户终端选择合适的小区，接入系统最有效的方式，但与地面固定的小区不同，低轨星座卫星通信系统的卫星高速移动带来了信关站服务小区的接力服务，即使在终端不移动的情况下，其关联服务小区的卫星波束也在快速变化。这时，若采用地面小区重选策略，则造成系统容量极大的浪费。针对该问题，建议在系统用户寻呼策略、一次寻呼成功率的基础上，研究基于历史数据优化的小区重选策略，实现低轨星座卫星通信系统终端小区重选策略的优化，最大化系统传输效率。

4 系统辅助小区重选

在地面移动通信系统切换的基础上，采用低轨星座卫星提供接入服务的卫星通信系统引入了用户链路与馈电链路的周期切换，卫星的高速移动使其区别与地面固定基站的成熟切换体制，故需要针对低轨星座卫星通信系统的特点，研究适合于低轨星座卫星通信系统的切换方案，设计高可靠、低时延、低信令开销的星内、星间、信关站间的切换，设计低功耗、低时延低信令开销的小区选择和小区重选方案，在此基础上，设计并实现软件仿真平台优化设计参数，开展卫星高速移动下快速切换方案的实验验证。这种快速切换方案的研究直接关系到系统的运行效率，是系统高效运行的基础、好用的关键。快速切换方案的突破将会为低轨星座卫星通信系统的工程实现提供强有力的技术支撑。