與5G融合的低軌星座饋電鏈路切換設計

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的發展已經進入5G時代，5G的相關技術已經日趨成熟，而基于低軌衛星星座的衛星通信系統還處于起步階段，國內尚無投入運營或者建設完成的低軌星座通信系統。5G與衛星通信的融合是移動通信發展的新方向，雖然國內主要的低軌星座通信系統虹云、鴻雁、信威、九天微星、銀河航天等都處于研究建設階段，低軌星座衛星通信系統的相關技術還處于研究驗證階段，但是隨著國家導向，科研經費、人力、物力投資的加大，低軌星座通信系統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星通信的天地一體融合通信系統的建設[1]。

1 低軌星座衛星通信系統的特點

低軌星座通信系統與地面蜂窩移動通信系統不同，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的低軌衛星高速運動，低軌衛星需要采用接力方式與信關站進行天線的切換，故在傳統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據的回傳與發送，是衛星用戶鏈路回傳的公共信道，饋電鏈路的切換質量會影響接入此衛星的全部用戶，一旦饋電鏈路切換失敗，則所有用戶連接中斷，對系統影響極大。可見，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，傳統意義上的切換會觸發所有用戶切換信令風暴，需要根據低軌星座衛星通信系統切換的方式和地面網絡架構，優化星地協同的饋電鏈路切換流程，實現饋電鏈路的高可靠切換。

2 面向網絡優化的饋電鏈路切換流程設計

低軌星座系統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起申請，觸發切換，則會由于用戶數量巨大引發信令擁塞[3]。

借鑒地面成熟的地面5G系統的功能劃分，具體如圖1所示。

圖1 5G系統的功能劃分

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

因此，饋電鏈路切換流程可基于成熟的5G協議中不同接入網切換流程，根據不同信關站是否連接同一核心網，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

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

圖2 不同信關站同一衛星切換流程_同核心網

圖3 不同信關站同一衛星切換流程_同核心網

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

步驟2：從源接入網接收到切換請求消息時，目的接入網決定其是否允許終端接入。

步驟3：目標接入網向源接入網發送切換請求確認消息，以向源接入網通知在目標接入網處準備的資源。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據承載的列表，其包括關于每一數據承載的指定接口的目標接入網前向鏈路TP尋址信息(例如，對于從核心網網關直接向目的接入網發送的數據，而不經由源接入網)。

步驟4：源接入網向終端發送無線連接重新配置消息。該消息包含新終端ID、用于目標衛星的波束ID、安全信息、根據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)和目標數據承載配置信息(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域標識符，后者唯一地標識目標接入網。在從源接入網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，發生切換失敗)，則終端執行無線連接重新建立過程。

步驟5：終端導出執行針對目標接入網的切換時，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。隨后，終端捕獲新的小區(例如，獲取新前向鏈路的同步)。

步驟7：源接入網向目標接入網發送終端狀態轉移消息。

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

對于RLC-AM數據承載而言，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數據承載而言，還包括來自核心網數據網關的在指定接口上到達的新的前向鏈路數據。對于應用反向鏈路數據轉發的RL-AM數據承載而言，源接入網開始向目標接入網轉發它們的SN已被亂序接收的反向鏈路SDU。對于沒有應用反向鏈路數據轉發的RLC-AM數據承載而言，源接入網丟棄已被亂序接收的反向鏈路SDU。對于RL-UM數據承載而言，源接入網經由指定的接口，向數據網關發送已被亂序接收的反向鏈路SDU。

步驟10：終端向目標接入網基于非競爭的隨機接入前導。

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

步驟12：終端向目標接入網發送無線連接重新配置完成消息。切換執行階段結束。至此終端與目的接入網之間的前向和反向鏈路已通。目的接入網到UPF的數據方向也是通的，接下來的切換完成階段要打通UPF到目的接入網的數據隧道。

步驟13：目標接入網向核心網中的AMF模塊發送路徑切換請求消息，以觸發核心網將下行數據路徑切換到目標接入網，并建立朝向目標接入網的NG-C接口實例。

步驟14：核心網將下行(前向鏈路)數據路徑從源接入網切換到目標接入網，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送到源接入網，源接入網將這些結束標記轉發給目標接入網。在從源接入網接收到每一數據承載的結束標記時，目標接入網可以開始向終端發送直接從UPF接收到的前向鏈路數據。

步驟15：AMF通過路徑轉換請求應答消息來向目的接入網確認路徑轉換請求。

步驟16-17：目的接入網從AMF收到路徑轉換請求響應后，通過發送UE上下文釋放消息來通知源接入網切換成功，并且觸發源接入網釋放資源。源接入網收到UE上下文釋放消息后，釋放與UE上下文相關聯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

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 不同信關站同一衛星切換流程_跨核心網

圖5 不同信關站同一衛星切換流程_跨核心網

步驟1：源接入網向源AMF發送切換需要消息，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創建的接入網信息，該信息將被使用到目的接入網，還包括每個PDU會話相關的用戶面安全信息，針對數據轉發的Qos流/DRB信息。

源接入網中的所有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，在目的核心網中為源接入網中的每個PDU會話創建用于N2切換的候選PDU會話。期間，V-SMF需對每個源接入網中的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創建詳細流程參考5G協議中歸屬地路由漫游場景下的PDU建立。

步驟5：目標AMF監控來自V-SMF的消息，監控候選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的等待時間已經超過PDU會話最大延時指示，目標AMF繼續后續的N2切換流程。

步驟6：目標AMF向目標接入網發送切換請求，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，源到目標透明容器是轉發從源接入網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和最大等待時間內未建立完成候選的PDU。

步驟7：目標接入網向目標AMF發送切換請求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容器經由目標AMF，源AMF，源接入網透明轉發至UE。

步驟8：目標AMF觸發源核心網和目標核心網中PDU會話的修改，為后續切換流程做準備。

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

步驟10：源接入網向終端發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從目的接入網透明的轉發到源接入網，并由源接入網提供給用戶終端。

步驟11：源接入網經由源核心網和目的核心網向目的接入網轉發未完成的分組數據。

步驟12-14：用戶終端向目標接入網小區發起隨機接入，成功同步到新小區后，向目標接入網發送無線連接重配完成消息，確認切換成功。

步驟15：目的接入網向目的AMF發送切換通知，切換被目標核心網確認在接入網中已成功。

步驟16-17：目標AMF向源AMF發送N2切換通知，源SMF中的計時器開始監督何時釋放源接入網中的資源，并且向目的AMF發送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會話從源核心網到目的核心網的切換。

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上下文在源接入網中的釋放。

3 結語

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