江 丹，鮑 峰

(南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

我國地面蜂窩移動通信系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)進入5G時代，5G的相關技術已經(jīng)日趨成熟，而基于低軌衛(wèi)星星座的衛(wèi)星通信系統(tǒng)還處于起步階段，國內(nèi)尚無投入運營或者建設完成的低軌星座通信系統(tǒng)。5G與衛(wèi)星通信的融合是移動通信發(fā)展的新方向，雖然國內(nèi)主要的低軌星座通信系統(tǒng)虹云、鴻雁、信威、九天微星、銀河航天等都處于研究建設階段，低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的相關技術還處于研究驗證階段，但是隨著國家導向，科研經(jīng)費、人力、物力投資的加大，低軌星座通信系統(tǒng)將很快進入工程實踐階段，有力的推動未來地面5G蜂窩通信與低軌星座衛(wèi)星通信的天地一體融合通信系統(tǒng)的建設[1]。

1 低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點

低軌星座通信系統(tǒng)與地面蜂窩移動通信系統(tǒng)不同，地面蜂窩移動通信只有用戶運動導致的用戶鏈路切換，而低軌星座通信系統(tǒng)的低軌衛(wèi)星高速運動，低軌衛(wèi)星需要采用接力方式與信關站進行天線的切換，故在傳統(tǒng)用戶鏈路切換的基礎上又增加了饋電鏈路的切換。饋電鏈路承載多用戶鏈路數(shù)據(jù)的回傳與發(fā)送，是衛(wèi)星用戶鏈路回傳的公共信道，饋電鏈路的切換質(zhì)量會影響接入此衛(wèi)星的全部用戶，一旦饋電鏈路切換失敗，則所有用戶連接中斷，對系統(tǒng)影響極大?？梢?，設計可靠的能夠與地面5G蜂窩通信融合的低軌星座饋電鏈路切換流程極其重要，是未來天地一體融合通信的前提條件[2]。

饋電鏈路承載所有用戶，傳統(tǒng)意義上的切換會觸發(fā)所有用戶切換信令風暴，需要根據(jù)低軌星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)切換的方式和地面網(wǎng)絡架構，優(yōu)化星地協(xié)同的饋電鏈路切換流程，實現(xiàn)饋電鏈路的高可靠切換。

2 面向網(wǎng)絡優(yōu)化的饋電鏈路切換流程設計

低軌星座系統(tǒng)中特有的饋電鏈路切換是指兩個信關站接力向用戶提供服務，饋電鏈路切換使得當前衛(wèi)星所有用戶的接入點會從第一個信關站轉移到第二個信關站，即當前衛(wèi)星所服務的所有用戶需要從第一個信關站批量遷移到第二個信關站，若按照用戶鏈路切換方法由用戶發(fā)起申請，觸發(fā)切換，則會由于用戶數(shù)量巨大引發(fā)信令擁塞[3]。

借鑒地面成熟的地面5G系統(tǒng)的功能劃分，具體如圖1所示。

圖1 5G系統(tǒng)的功能劃分

由于用戶信號首先接入服務低軌衛(wèi)星，再經(jīng)由低軌衛(wèi)星轉發(fā)接入信關站，低軌衛(wèi)星進行饋電鏈路切換時，服務低軌衛(wèi)星并未發(fā)生切換，所以該切換與地面的gNB切換存在差異性，饋電切換是網(wǎng)絡側低軌衛(wèi)星與信關站之間的連接關系引入的切換，可以視為由于網(wǎng)絡側網(wǎng)絡拓撲引起的變化，可以通過網(wǎng)絡側優(yōu)化實現(xiàn)用戶無感的饋電鏈路切換。假設衛(wèi)星不具備處理能力，饋電鏈路的切換擬采用信關站發(fā)起，實現(xiàn)網(wǎng)絡側優(yōu)化的批量用戶切換[4]。

因此，饋電鏈路切換流程可基于成熟的5G協(xié)議中不同接入網(wǎng)切換流程，根據(jù)不同信關站是否連接同一核心網(wǎng)，具體設計流程如表1所示。

表1 饋電鏈路切換流程設計示意

2.1 兩個信關站連接同一核心網(wǎng)

該流程不同信關站間進行基于Xn接口的切換。不同信關站同一衛(wèi)星切換流程，如圖2—3所示。

圖2 不同信關站同一衛(wèi)星切換流程_同核心網(wǎng)

圖3 不同信關站同一衛(wèi)星切換流程_同核心網(wǎng)

步驟1：源接入網(wǎng)向目的接入網(wǎng)發(fā)送切換請求消息，以便請求在目的接入網(wǎng)處的對資源的準備。該消息包含在需要切換消息中攜帶的源到目標透明容器(源接入網(wǎng)中的該終端的無線資源配置、源接入網(wǎng)中該終端的安全配置以及無線承載信息等)；要建立的數(shù)據(jù)承載的列表[服務質(zhì)量(QoS)信息]以及安全上下文信息。

步驟2：從源接入網(wǎng)接收到切換請求消息時，目的接入網(wǎng)決定其是否允許終端接入。

步驟3：目標接入網(wǎng)向源接入網(wǎng)發(fā)送切換請求確認消息，以向源接入網(wǎng)通知在目標接入網(wǎng)處準備的資源。該消息包含目標到源透明容器，其中該容器攜帶源接入網(wǎng)在構建無線連接重新配置消息時，要使用的切換命令消息。此外，切換請求確認消息還包含要建立的數(shù)據(jù)承載的列表，其包括關于每一數(shù)據(jù)承載的指定接口的目標接入網(wǎng)前向鏈路TP尋址信息(例如，對于從核心網(wǎng)網(wǎng)關直接向目的接入網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，而不經(jīng)由源接入網(wǎng))。

步驟4：源接入網(wǎng)向終端發(fā)送無線連接重新配置消息。該消息包含新終端ID、用于目標衛(wèi)星的波束ID、安全信息、根據(jù)需要的無線資源公共和專用配置信息(例如，隨機接入信息、CQI報告信息)和目標數(shù)據(jù)承載配置信息(如果存在與當前配置的任何改變的話)。此外，該消息還包含新的尋呼區(qū)域標識符，后者唯一地標識目標接入網(wǎng)。在從源接入網(wǎng)接收到該無線連接重新配置消息時，終端啟動定時器T-4。如果T-4到期(例如，發(fā)生切換失敗)，則終端執(zhí)行無線連接重新建立過程。

步驟5：終端導出執(zhí)行針對目標接入網(wǎng)的切換時，將使用的新的安全相關密鑰。

步驟6：終端重新設置MAC、RLC和狀態(tài)。隨后，終端捕獲新的小區(qū)(例如，獲取新前向鏈路的同步)。

步驟7：源接入網(wǎng)向目標接入網(wǎng)發(fā)送終端狀態(tài)轉移消息。

步驟8和步驟9：源接入網(wǎng)將從UPF接收到的分組和緩沖器中尚未清空的分組，按順序轉發(fā)至目標接入網(wǎng)。

對于RLC-AM數(shù)據(jù)承載而言，這包括對于它們的SN，沒有被終端確認成功地傳送了相應的PDU的所有前向鏈路SDU。對于RLC-AM和RLC-UM數(shù)據(jù)承載而言，還包括來自核心網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)關的在指定接口上到達的新的前向鏈路數(shù)據(jù)。對于應用反向鏈路數(shù)據(jù)轉發(fā)的RL-AM數(shù)據(jù)承載而言，源接入網(wǎng)開始向目標接入網(wǎng)轉發(fā)它們的SN已被亂序接收的反向鏈路SDU。對于沒有應用反向鏈路數(shù)據(jù)轉發(fā)的RLC-AM數(shù)據(jù)承載而言，源接入網(wǎng)丟棄已被亂序接收的反向鏈路SDU。對于RL-UM數(shù)據(jù)承載而言，源接入網(wǎng)經(jīng)由指定的接口，向數(shù)據(jù)網(wǎng)關發(fā)送已被亂序接收的反向鏈路SDU。

步驟10：終端向目標接入網(wǎng)基于非競爭的隨機接入前導。

步驟11：目標接入網(wǎng)向終端發(fā)送隨機接入響應。該隨機接入響應包含尋呼區(qū)域、RL許可。終端與新的反向鏈路獲得同步。

步驟12：終端向目標接入網(wǎng)發(fā)送無線連接重新配置完成消息。切換執(zhí)行階段結束。至此終端與目的接入網(wǎng)之間的前向和反向鏈路已通。目的接入網(wǎng)到UPF的數(shù)據(jù)方向也是通的，接下來的切換完成階段要打通UPF到目的接入網(wǎng)的數(shù)據(jù)隧道。

步驟13：目標接入網(wǎng)向核心網(wǎng)中的AMF模塊發(fā)送路徑切換請求消息，以觸發(fā)核心網(wǎng)將下行數(shù)據(jù)路徑切換到目標接入網(wǎng)，并建立朝向目標接入網(wǎng)的NG-C接口實例。

步驟14：核心網(wǎng)將下行(前向鏈路)數(shù)據(jù)路徑從源接入網(wǎng)切換到目標接入網(wǎng)，并且UPF在舊路徑上將每個PDU會話/隧道的一個或者多個結束標記發(fā)送到源接入網(wǎng)，源接入網(wǎng)將這些結束標記轉發(fā)給目標接入網(wǎng)。在從源接入網(wǎng)接收到每一數(shù)據(jù)承載的結束標記時，目標接入網(wǎng)可以開始向終端發(fā)送直接從UPF接收到的前向鏈路數(shù)據(jù)。

步驟15：AMF通過路徑轉換請求應答消息來向目的接入網(wǎng)確認路徑轉換請求。

步驟16-17：目的接入網(wǎng)從AMF收到路徑轉換請求響應后，通過發(fā)送UE上下文釋放消息來通知源接入網(wǎng)切換成功，并且觸發(fā)源接入網(wǎng)釋放資源。源接入網(wǎng)收到UE上下文釋放消息后，釋放與UE上下文相關聯(lián)的無線和控制面相關資源。

2.2 兩個信關站連接不相同核心網(wǎng)

圖4—5流程參考5G切換信令，圖中V-SMF指訪問地(漫游地)SMF，H-SMF指歸屬地SMF。

圖4 不同信關站同一衛(wèi)星切換流程_跨核心網(wǎng)

圖5 不同信關站同一衛(wèi)星切換流程_跨核心網(wǎng)

步驟1：源接入網(wǎng)向源AMF發(fā)送切換需要消息，該消息中包括目標ID、源到目標透明容器、SMN2信息列表、PDU會話ID等。源到目標透明容器包含源接入網(wǎng)創(chuàng)建的接入網(wǎng)信息，該信息將被使用到目的接入網(wǎng)，還包括每個PDU會話相關的用戶面安全信息，針對數(shù)據(jù)轉發(fā)的Qos流/DRB信息。

源接入網(wǎng)中的所有PDU會話都應該包含在切換需要消息中，指示源接入網(wǎng)請求哪些PDU會話切換。

步驟2：目標T-AMF選擇。當源AMF無法繼續(xù)服務用戶，源AMF按照一定AMF選擇方法選取目標AMF。

步驟3：源AMF向目標AMF發(fā)送UE上下文請求，包括以下信息：N2信息(包括目的ID，源到目標透明容器，SMN2信息列表，PDU會話ID等)，UE上下文信息(SUPI，PDU會話ID及其相應的SMF信息等)。

源AMF通過向目的AMF發(fā)送UE上下文消息，啟動切換資源分配過程。

步驟4：目標AMF，V-SMF，UPF(PSA)，目標UPF之間進行系列信令交互，在目的核心網(wǎng)中為源接入網(wǎng)中的每個PDU會話創(chuàng)建用于N2切換的候選PDU會話。期間，V-SMF需對每個源接入網(wǎng)中的PDU會話進行檢查，確定是否可以接受切換，并選擇新的UPF(即目標UPF)作為PDU會話的中間UPF。

PDU創(chuàng)建詳細流程參考5G協(xié)議中歸屬地路由漫游場景下的PDU建立。

步驟5：目標AMF監(jiān)控來自V-SMF的消息，監(jiān)控候選PDU是否建立完成。如果切換的所有候選PDU建立完成或者目標AMF的等待時間已經(jīng)超過PDU會話最大延時指示，目標AMF繼續(xù)后續(xù)的N2切換流程。

步驟6：目標AMF向目標接入網(wǎng)發(fā)送切換請求，切換請求中包含源到目標透明容器，N2MM信息，N2SM信息列表，未接受的PDU會話列表等。

目標AMF基于目標ID來確定目標接入網(wǎng)，源到目標透明容器是轉發(fā)從源接入網(wǎng)收到的源到目標透明容器。N2MM信息包括例如安全信息和移動限制列表等。

未接受的PDU會話包括，步驟4中未被目標AMF，V-SMF接受的PDU和最大等待時間內(nèi)未建立完成候選的PDU。

步驟7：目標接入網(wǎng)向目標AMF發(fā)送切換請求ACK，其中包括目標到源透明容器，要為每個PDU會話切換的PDU會話列表N2SM信息，建立切換候選PDU失敗的PDU會話列表N2SM信息(包含失敗原因)。

目標到源透明容器包含UE容器(包括接入層部分和NAS部分)，UE容器經(jīng)由目標AMF，源AMF，源接入網(wǎng)透明轉發(fā)至UE。

步驟8：目標AMF觸發(fā)源核心網(wǎng)和目標核心網(wǎng)中PDU會話的修改，為后續(xù)切換流程做準備。

步驟9：源AMF向源接入網(wǎng)發(fā)送切換命令，包括目標到源透明容器，要切換的PDU會話列表，其從目的接入網(wǎng)收到的N2SM信息等。

步驟10：源接入網(wǎng)向終端發(fā)送無線連接重配消息，包括UE容器，UE容器是目的到源透明容器中的UE部分，它通過AMF從目的接入網(wǎng)透明的轉發(fā)到源接入網(wǎng)，并由源接入網(wǎng)提供給用戶終端。

步驟11：源接入網(wǎng)經(jīng)由源核心網(wǎng)和目的核心網(wǎng)向目的接入網(wǎng)轉發(fā)未完成的分組數(shù)據(jù)。

步驟12-14：用戶終端向目標接入網(wǎng)小區(qū)發(fā)起隨機接入，成功同步到新小區(qū)后，向目標接入網(wǎng)發(fā)送無線連接重配完成消息，確認切換成功。

步驟15：目的接入網(wǎng)向目的AMF發(fā)送切換通知，切換被目標核心網(wǎng)確認在接入網(wǎng)中已成功。

步驟16-17：目標AMF向源AMF發(fā)送N2切換通知，源SMF中的計時器開始監(jiān)督何時釋放源接入網(wǎng)中的資源，并且向目的AMF發(fā)送N2切換通知ACK。

步驟18：目的UPF，源UPF，UPF(PSA)，H-SMF間通過系列信令交互完成PDU會話從源核心網(wǎng)到目的核心網(wǎng)的切換。

步驟19：終端用戶啟動移動性注冊更新過程。

步驟20-21：完成UE上下文在源接入網(wǎng)中的釋放。

3 結語

地面5G蜂窩移動通信與低軌星座衛(wèi)星通信相融合是移動通信發(fā)展的新方向，針對低軌星座衛(wèi)星通信的特點，設計與地面5G蜂窩通信相融合的饋電鏈路切換流程，實現(xiàn)低軌星座衛(wèi)星通信與地面5G蜂窩通信的無縫銜接，為未來天地融合通信系統(tǒng)的建設奠定堅實的理論基礎。