陳 戈，姬天相，張少飛，郭水亮

（1.中石油塔里木油田公司油氣數(shù)智技術(shù)中心（數(shù)字和信息化管理部），新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

1 研究背景

在國(guó)家“海洋強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略背景下，海洋通信需求日益增長(zhǎng)，天地一體網(wǎng)絡(luò)在海洋船載場(chǎng)景的覆蓋，為不同行業(yè)、不同部門(mén)的發(fā)展提供了重要的技術(shù)提升手段。例如，為加強(qiáng)船只安全作業(yè)監(jiān)管、提升搜救能力，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“寬帶入?！惫こ坛跗趯⒏采w1.2萬(wàn)艘漁船。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的《中國(guó)漁業(yè)年鑒》統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有海洋漁船超30萬(wàn)艘，漁業(yè)從業(yè)人員超過(guò)2 000萬(wàn)人，市場(chǎng)需求巨大[1]。

衛(wèi)星通信是面向遠(yuǎn)海的船載通信唯一解決手段，也是全球海域網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的唯一方式，目前為滿足海洋通信逐步提高的帶寬需求，將海洋通信分為近海通信及遠(yuǎn)海通信。在近海通信中，岸基基站在海岸線一定范圍內(nèi)可以滿足船員在近海作業(yè)的需求，用戶可直接通過(guò)陸地基站接入；而相比之下，遠(yuǎn)海用戶則通過(guò)連接船載基站，進(jìn)而通過(guò)衛(wèi)星通信方式，連接至地面網(wǎng)絡(luò)。

相比而言，岸基接入容量高、時(shí)延低，但信號(hào)隨著用戶進(jìn)入深海而變?nèi)酰恍l(wèi)星帶寬時(shí)延高、容量有限、資源稀缺且昂貴。因此，如何在近遠(yuǎn)海之間進(jìn)行合理的網(wǎng)絡(luò)切換，成為節(jié)約資源、提升用戶通信質(zhì)量的關(guān)鍵。本文針對(duì)船載基站的切換策略提出一種基于用戶策略和基站服務(wù)區(qū)感知的方案，是船載基站在天地一體網(wǎng)絡(luò)中合理切換的重要手段。

2 船載基站切換策略應(yīng)用的意義

空天地海一體網(wǎng)絡(luò)是6G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要方向，要具有全球覆蓋、按需服務(wù)、隨遇接入的能力，尤其對(duì)于海洋、沙漠、偏遠(yuǎn)地區(qū)等人跡罕至的區(qū)域，衛(wèi)星通信是網(wǎng)絡(luò)能力提升的首選方式。隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于衛(wèi)星通信傳輸?shù)囊苿?dòng)式基站在車(chē)輛、船只、飛機(jī)等移動(dòng)載體上有著巨大的應(yīng)用。

無(wú)論是以何種載體，如車(chē)載動(dòng)中通、船載衛(wèi)星基站等，隨著載體基站的不斷移動(dòng)，都面臨著地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的切換選擇的判決。船載通信包含近海的岸基基站通信及遠(yuǎn)海使用的衛(wèi)星通信兩種手段，用戶可以通過(guò)在地面網(wǎng)絡(luò)日常使用的智能終端設(shè)備連接到船載基站進(jìn)行通信，而船載基站則通過(guò)衛(wèi)星通信的手段進(jìn)行回傳，通過(guò)地面關(guān)口站連接至核心網(wǎng)[2-3]。

具體如圖1所示，位于遠(yuǎn)海作業(yè)的船只裝備有衛(wèi)星通信設(shè)備和移動(dòng)基站設(shè)備，船上用戶通過(guò)與地面網(wǎng)一致的無(wú)線制式（3GPP標(biāo)準(zhǔn)體系）連接至船載移動(dòng)基站，基站基帶設(shè)備接入衛(wèi)星通信終端設(shè)備，通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)接入陸地關(guān)口站，關(guān)口站再通過(guò)陸地光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)連接至歸屬地核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入。而當(dāng)船只位于近海區(qū)域時(shí)，用戶可直接連接至岸基基站，船載基站則處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 海洋通信網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)圖

但僅采用上述方式還存在一系列不足。由于陸地岸基基站可以覆蓋一定的近海海洋區(qū)域，在船只由近海至遠(yuǎn)海行駛或位于其邊界作業(yè)時(shí)，存在衛(wèi)星接入判決的問(wèn)題，即若接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，則由于其傳輸特性，不可避免給用戶帶來(lái)500 ms以上的延遲，并占用帶寬資費(fèi)較貴的網(wǎng)絡(luò)資源，而此時(shí)斷開(kāi)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，用戶能接收的岸基基站信號(hào)較弱，穩(wěn)定性差，大幅度降低用戶使用體驗(yàn)，因此何時(shí)對(duì)基站進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉，對(duì)于用戶使用體驗(yàn)有著較為關(guān)鍵的意義。

3 切換策略分析

3.1 切換策略應(yīng)用情境介紹

空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展離不開(kāi)衛(wèi)星通信與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的融合，在海洋通信、航空機(jī)載通信、偏遠(yuǎn)山區(qū)等遠(yuǎn)離地面網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，越來(lái)越多地采用移動(dòng)基站結(jié)合衛(wèi)星通信進(jìn)行回傳的方式，實(shí)現(xiàn)用戶在海洋船只、移動(dòng)車(chē)輛上的通信拓展。

本文以船載站點(diǎn)為應(yīng)用場(chǎng)景案例，介紹網(wǎng)絡(luò)切換及衛(wèi)星接入判決方法，其應(yīng)用實(shí)現(xiàn)目標(biāo)如下。

（1）當(dāng)船載基站行駛至地面岸基基站覆蓋的邊緣處時(shí)，通過(guò)所提出的判決策略，實(shí)現(xiàn)保證信號(hào)質(zhì)量條件下的有限地面網(wǎng)絡(luò)接入，使用戶盡可能地避免衛(wèi)星傳輸?shù)妮^大時(shí)延和使用昂貴地帶寬資源。

（2）復(fù)雜海域難以避免非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)（如他國(guó)運(yùn)營(yíng)商）較高的信號(hào)接收功率，在船載基站移動(dòng)至靠近非授權(quán)地面網(wǎng)附近時(shí)，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星服務(wù)區(qū)的感知，可以維持基站的衛(wèi)星傳輸途徑，避免用戶接入非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)。

（3）當(dāng)船載基站在逐步靠近或遠(yuǎn)離岸邊時(shí)，根據(jù)對(duì)基站內(nèi)總體用戶而非單一檢測(cè)終端的信號(hào)的質(zhì)量評(píng)估，作為基站開(kāi)啟關(guān)斷的判決輸入，即切換的判決條件，以保證整體用戶信號(hào)質(zhì)量，提升整體用戶的使用體驗(yàn)。

目前，船載通信在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)采用傳統(tǒng)方式，需要人工對(duì)船載基站網(wǎng)絡(luò)的啟用和斷開(kāi)進(jìn)行操作，加入切換判決策略后，不僅可在船載基站實(shí)現(xiàn)合理的判決，而且在動(dòng)中通衛(wèi)星基站車(chē)、機(jī)載通信等場(chǎng)景均可以提供相同的功能。

3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備組成

本文提出的方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，涉及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成包括船載移動(dòng)基站、衛(wèi)星射頻系統(tǒng)、衛(wèi)星基帶系統(tǒng)、Wi-Fi接收數(shù)據(jù)處理單元、用戶終端、衛(wèi)星、衛(wèi)星主站系統(tǒng)、地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)、核心網(wǎng)，根據(jù)功能分為基站、終端、衛(wèi)星及傳輸系統(tǒng)三大部分。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及設(shè)備組成

圖3 切換判決流程圖

（1）船載基站系統(tǒng)：提供移動(dòng)終端的空中接口，為用戶終端船載接入提供基礎(chǔ)，在衛(wèi)星傳輸開(kāi)啟的條件下，通過(guò)衛(wèi)星連接核心網(wǎng)，并在衛(wèi)星傳輸終端關(guān)閉射頻信號(hào)時(shí)與終端斷開(kāi)連接。

（2）移動(dòng)終端：即3GPP標(biāo)準(zhǔn)體系下的通信終端，通過(guò)連接船載基站進(jìn)行通信。終端還包含Wi-Fi數(shù)據(jù)上報(bào)單元，通過(guò)近距離傳輸手段，將終端對(duì)周邊基站的測(cè)量值即鄰區(qū)數(shù)據(jù)傳輸至衛(wèi)星設(shè)備側(cè)的數(shù)據(jù)處理和控制單元，進(jìn)而通過(guò)對(duì)判決函數(shù)的計(jì)算，控制衛(wèi)星傳輸。

（3）衛(wèi)星及傳輸系統(tǒng)：進(jìn)行服務(wù)區(qū)感知及基站回傳，通過(guò)GNSS對(duì)服務(wù)區(qū)、數(shù)據(jù)處理及控制單元的判斷，決定是否選擇衛(wèi)星傳輸。信號(hào)接入衛(wèi)星主站，再通過(guò)地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)接入核心網(wǎng)。

3.3 切換判決流程

本文提出的方案通過(guò)對(duì)衛(wèi)星船載基站的衛(wèi)星傳輸開(kāi)啟判決的方法，實(shí)現(xiàn)用戶在衛(wèi)星回傳網(wǎng)絡(luò)和地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之間的切換。方案中涉及的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括移動(dòng)船載基站、岸基基站、衛(wèi)星基帶系統(tǒng)、用戶終端設(shè)備、Wi-Fi接收數(shù)據(jù)處理單元、衛(wèi)星、衛(wèi)星主站系統(tǒng)、核心網(wǎng)，其中Wi-Fi接收數(shù)據(jù)處理單元作為本方案的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星設(shè)備開(kāi)啟即網(wǎng)絡(luò)切換的判決，詳細(xì)流程如下。

（1）衛(wèi)星在開(kāi)啟后進(jìn)行正常尋星連接過(guò)程中與衛(wèi)星主站之間建立連接，同時(shí)該設(shè)備的Wi-Fi接收單元開(kāi)啟。

（2）衛(wèi)星設(shè)備持續(xù)接收GNSS信號(hào)，確定該站點(diǎn)經(jīng)緯度，進(jìn)而衛(wèi)星設(shè)備通過(guò)位置信息進(jìn)行服務(wù)區(qū)感知判斷，確定當(dāng)前站點(diǎn)是否位于衛(wèi)星通信服務(wù)范圍，即位于設(shè)定的電子圍欄范圍。若此時(shí)判斷站點(diǎn)在服務(wù)區(qū)外，則衛(wèi)星設(shè)備停止基站通信回傳服務(wù)，此時(shí)基站也因傳輸中斷而關(guān)閉射頻信號(hào)，用戶將重新注冊(cè)連接至岸基基站或斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)；若此時(shí)判斷站點(diǎn)在服務(wù)區(qū)內(nèi)，則衛(wèi)星設(shè)備進(jìn)入正?；貍髁鞒?。

（3）基站通過(guò)衛(wèi)星連接至核心網(wǎng)，用戶終端設(shè)備連接船載移動(dòng)基站進(jìn)行正常通信，同時(shí)終端設(shè)備以一定周期通過(guò)Wi-Fi連接至衛(wèi)星設(shè)備的Wi-Fi接收單元，并向其持續(xù)發(fā)送周邊岸基基站的無(wú)線接收信息；衛(wèi)星設(shè)備中的Wi-Fi單元持續(xù)接收本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有終端測(cè)量信息，并根據(jù)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行不間斷的計(jì)算。在未滿足目標(biāo)函數(shù)切換條件下維持衛(wèi)星回傳狀態(tài)。

（4）一旦達(dá)到切換條件，衛(wèi)星設(shè)備將中斷回傳服務(wù)，此時(shí)終端根據(jù)周邊較優(yōu)的岸基基站的信號(hào)進(jìn)行重選和接入，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切換。

3.4 切換判決算法

本切換方案中衛(wèi)星傳輸開(kāi)啟/關(guān)閉的判決主要由衛(wèi)星終端側(cè)的Wi-Fi接收和數(shù)據(jù)處理及控制模塊計(jì)算確定，其輸入數(shù)據(jù)包括Wi-Fi數(shù)據(jù)單元收集的終端數(shù)據(jù)和站點(diǎn)實(shí)時(shí)經(jīng)緯度，目標(biāo)函數(shù)為

式中， 為滿足切換條件占比的指標(biāo)，即滿足切換條件的用戶與所有局域網(wǎng)內(nèi)用戶數(shù)的比值； 為衛(wèi)星開(kāi)啟判決的門(mén)限，是 值判決對(duì)比的依據(jù)，由人為設(shè)定或根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行優(yōu)化； 為站點(diǎn)當(dāng)前經(jīng)緯度； 為設(shè)定的衛(wèi)星服務(wù)區(qū)，即電子圍欄范圍，isInRegion(P,R)函數(shù)的功能是判斷P點(diǎn)位置是否在圍欄R的范圍內(nèi)。

的計(jì)算如下：終端接收當(dāng)前基站的RSR P、PCI、EARFCN以及鄰區(qū)基站Neighbor_RSRP_list、Neighbor_PCI_list、Neighbor_EARFCN_list信息將其通過(guò)Wi-Fi模塊上傳至Wi-Fi數(shù)據(jù)單元。終端上傳數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 終端上傳參數(shù)表

以3GPP中LTE同頻切換為例，當(dāng)同頻鄰區(qū)信號(hào)好于服務(wù)小區(qū)信號(hào)時(shí)就進(jìn)行切換，即A3事件，判決不等式為

式中，Mn為鄰小區(qū)測(cè)量值（RSRP）；Ofn為鄰小區(qū)頻率偏置，在服務(wù)小區(qū)的鄰區(qū)列表中配置，同頻切換時(shí)該值為0；Ocn為（CellIndividualOffset：小區(qū)偏移量），該值在服務(wù)小區(qū)的鄰區(qū)列表中設(shè)置；Ms為服務(wù)小區(qū)的RSRP測(cè)量值；Ofs為服務(wù)小區(qū)頻率偏置，同頻切換時(shí)該值為0；Hys為A3事件遲滯值，該值在服務(wù)小區(qū)參數(shù)中；Ocs為（CellSpecificOffset服務(wù)小區(qū)偏置），就是小區(qū)屬性參數(shù)中定義小區(qū)切換偏置cellIndividualOffset（Ocs），一般用于負(fù)荷切換，一般不用，參數(shù)在測(cè)量控制中下發(fā)；Off為A3事件偏置值，該值在服務(wù)小區(qū)參數(shù)中；Hys與Off的值，都是調(diào)大切換難度加大，調(diào)小難度變?nèi)菀住Ｓ捎谟脩暨B接船載基站并隨船只移動(dòng)，Ms值將保持足夠的強(qiáng)度，導(dǎo)致A3事件無(wú)法觸發(fā)。

目標(biāo)函數(shù)中 為衛(wèi)星開(kāi)啟判決門(mén)限，當(dāng)判決切換條件占比 時(shí)，衛(wèi)星基帶系統(tǒng)控制開(kāi)啟基站的回傳功能，當(dāng) 時(shí)，則衛(wèi)星基帶系統(tǒng)控制關(guān)閉基站的回傳功能。

4 該切換方案的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)方式相比，該方案可以充分利用用戶對(duì)信號(hào)的測(cè)量值，并結(jié)合基站地理位置及衛(wèi)星服務(wù)區(qū)感知，確保相對(duì)較好的信號(hào)質(zhì)量及衛(wèi)星帶寬的高效利用，具體在技術(shù)上有如下優(yōu)勢(shì)。

（1）通過(guò)對(duì)基于地理位置的衛(wèi)星服務(wù)區(qū)感知，基站可以在設(shè)定服務(wù)區(qū)內(nèi)保持衛(wèi)星傳輸；在超出服務(wù)區(qū)時(shí)通過(guò)其他方式傳輸信號(hào)或斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，而非檢測(cè)到較強(qiáng)信號(hào)功率即進(jìn)行切換，可在船載基站移動(dòng)至靠近非授權(quán)地面網(wǎng)附近時(shí)，避免用戶接入非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)。

（2）通過(guò)檢測(cè)地面基站信號(hào)強(qiáng)度的傳統(tǒng)判決方式受偶發(fā)因素影響較大，單一的檢測(cè)結(jié)果無(wú)法體現(xiàn)整體接入用戶的使用體驗(yàn)，而基于規(guī)模用戶測(cè)量值的判定算法，綜合接入的所有用戶測(cè)量值，決定衛(wèi)星傳輸?shù)拈_(kāi)啟和關(guān)閉，保證不同用戶終端的通信質(zhì)量，提升了整體用戶的適用體驗(yàn)。

（3）傳統(tǒng)船載通信終端為定制化終端和普通移動(dòng)終端之間進(jìn)行衛(wèi)星通信，相比現(xiàn)有船載衛(wèi)星通信技術(shù)，本方案可以在遠(yuǎn)海衛(wèi)星通信和近海岸基通信切換中，使用用戶移動(dòng)終端連接移動(dòng)載體中的基站，通過(guò)移動(dòng)基站的衛(wèi)星回傳完成切換。此應(yīng)用適用于地面的普通移動(dòng)終端，無(wú)需對(duì)終端進(jìn)行特殊改動(dòng)或增加衛(wèi)星通信等其他能力。

如圖4所示，用戶有連接1和連接2兩種方式，它們可以根據(jù)不同的場(chǎng)景融合衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)各自的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)接入方式相比，本方案增加了船上用戶通過(guò)近距離傳輸即Wi-Fi連接傳輸數(shù)據(jù)的途徑，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)船上用戶的收集和計(jì)算，并實(shí)現(xiàn)合理的切換策略。

圖4 船載基站切換方案通信連接示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

在天地一體網(wǎng)絡(luò)中，船載基站的切換策略是保障海洋通信穩(wěn)定、高效的關(guān)鍵。隨著國(guó)家海洋戰(zhàn)略推進(jìn)實(shí)施，海上運(yùn)輸、資源開(kāi)發(fā)等經(jīng)濟(jì)活動(dòng)日趨活躍，海洋通信需求不斷增長(zhǎng)，天地一體網(wǎng)絡(luò)融合天基與地基的各自優(yōu)勢(shì)，可以在很大程度上拓展4G/5G的應(yīng)用范圍，本文提出船載基站的切換策略在復(fù)雜的海洋移動(dòng)通信場(chǎng)景下，提升用戶使用體驗(yàn)?！?/p>