CN101873652A - 卫星通信***中单跳模式下的用户终端越区切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星通信***中单跳模式下的用户终端越区切换方法，属于卫星通信技术领域。本发明方法包括：a)用户终端所属的无线网络控制器向卫星路由控制器发送单跳资源重配置消息，同时启动信令所需的双跳切换流程；b)卫星路由控制器判断单跳资源是否可用，若可用，则无线网络控制器指示卫星路由控制器执行单跳资源重分配，并指示用户终端进行物理信道重配置；若无单跳资源分配，则指示卫星路由控制器释放当前单跳资源，并按照双跳链路物理信道消息指示终端进行物理信道重配置；c)卫星路由控制器通知卫星执行操作；d)无线网络控制器完成用户终端越区切换所需的地面网络操作。本发明可用于卫星移动通信。

Description

卫星通信***中单跳模式下的用户终端越区切换方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种同步轨道卫星通信***中单跳模式下的用户终端越区切换方法。

背景技术

许多现存通信***都同时提供地面蜂窝通信和卫星通信。终端之间的卫星通信的典型运用就是双跳模式，即两条信令路径：一条是从起始端通过卫星到地面站，另外一条是从地面站通过卫星到目的端。GEO卫星通信***中双跳模式会引起端到端的时延为540ms，对于语音通信来说，相对较长。除了双跳卫星通信***外，支持单跳通信的卫星通信***也存在，这种模式可以减少延时，使得语音时延减半。此外，还有同时具有双跳和单跳链路的***，这是为了平衡卫星的载荷能力与话务量。在这种***中，当用户越区(如因用户移动而跨越波束)时，存在单跳到单跳、单跳到双跳如何切换的问题。对于卫星通信***的切换问题，已经有相应的研究工作开展并取得了一定的成果：

[Voce；Daniel A.(Germantown，MD)，US Patent 6,246,874，“Method and apparatus forpredicting spot beam and satellite handover in a mobile satellite communication network”Dec16，1998]公开了一种根据移动终端与卫星的仰角来判断是否从一颗卫星切换到另一颗相邻卫星。但其***结构非GEO***。

[Dutta；Santanu(Cary，NC)，Karabinis；Peter D.(Cary，NC)，US Patent 6,879,829，“SYSTEMS AND METHODS FOR HANDOVER BETWEEN SPACE BASED ANDTERRESTRIAL RADIOTERMINAL COMMUNICATIONS，AND FOR MONITORINGTERRESTRIALLY REUSED SATELLITE FREQUENCIES AT A RADIOTERMINAL TOREDUCE POTENTIAL INTERFERENCE”Apr 12，2005]公开了一种包含空间成分的通信***，在无线终端的发射信号功率超过阈值，且其接收到的卫星信号质量超过阈值时，将与无线终端的通信从辅助地面组件切换到卫星(或地面蜂窝基站)；此外还包含了监视无线终端上地面卫星复用频率以减少可能干扰的方法。

[Upton；Eric L.(Redondo Beach，CA)，Ward，Jr.；Robert M.(Poway，CA)，US Patent5,784,695，“Method and apparatus for handover control in a satellite based telecommunicationssystem”Jul 21，1998]公开了一种基于卫星的移动通信***，当进行切换时，基站产生一个切换定时信号(包含了何时进行切换的时间)通过原有信道传输到移动站，移动站由此进行相应的建立新信道操作，并在切换时间进行切换，以减少切换冲突与中断。

一般的，对于卫星移动通信***的切换问题，由于所用卫星的不同而有不同的问题，比如对于多颗卫星组成的***，面临不同卫星的切换；而对于单颗卫星(一般是地球同步轨道GEO卫星)***，切换操作则仅在同一卫星所属的波束内。由上述所列专利可见，目前对于卫星***的切换，所考虑的多在于如何判断是否进行切换，以及如何控制切换时间，而对于具体的切换操作和流程，少有涉及，尤其对于具有单跳通信能力的卫星***如何完成切换涉及的星上交换***的操作，目前并未发现相关研究。

总而言之，对于具备单跳通信方式的同步轨道卫星移动通信***，如何在完成其在单跳模式下的越区切换，是本领域存在的一个技术问题。

发明内容

本发明的一个目的，是提供一种应用于同步轨道卫星通信***中单跳模式下的越区切换方案。该方案旨在使用户终端在移动中由一个波束移动到另一个波束时，正在进行的单跳语音通信能够无缝切换，同时减少切换过程中连接中断导致的通话损失。

如图1所示，本发明所涉及的卫星通信***结构由两个分支构成：通信网主体分支和其附属的星上处理管理控制分支。该卫星通信***的结构的主要特征集中在附属的星上处理管理控制分支。这一分支主要包括卫星路由控制器(SRC)。卫星路由控制器(SRC)的主要功能是处理通信网主体分支传来的单跳请求及相关消息，完成单跳情况下用户信息的匹配及用户星上单跳资源的配置。卫星路由控制器和通信网主体分支的无线网络控制器数据连接。

此外，星上处理管理控制分支也可包括卫星控制节点(SCN)，卫星控制节点接收卫星路由控制器的指令，实现对卫星资源的具体配置与直接控制。

通信网主体分支可以是地面现有的网络体系，如：GSM、IS-95、WCDMA等。

本发明方法主要包括下列步骤：

a)用户终端所属的无线网络控制器向卫星路由控制器发送单跳资源重配置消息，同时启动信令所需的双跳切换流程；

b)卫星路由控制器判断单跳资源是否可用，若单跳资源可用，则无线网络控制器返回重配置响应应答消息，指示卫星路由控制器执行单跳资源重分配，并在收到该消息的响应后，延迟一预定的时间(这是为了使卫星执行单跳资源重配置的时刻与终端执行物理信道重配置的时刻尽量接近)，按照单跳相关频率、波束等消息，指示用户终端进行物理信道重配置；若无单跳资源分配，则返回重配置响应应答消息，指示卫星路由控制器释放当前单跳资源，并按照双跳链路物理信道消息指示终端进行物理信道重配置；

c)卫星路由控制器向卫星发送资源重配置消息，通知卫星执行操作；

d)无线网络控制器完成用户终端越区切换所需的地面网络操作。

图3大致描述了上述流程步骤，需要注意的是，图中所示的“延迟一段预定的时间”，取值可以为负，表示图中名为“physical channel reconfiguration(物理信道重配置)”的消息在图中名为“重配置响应应答消息”的消息之前发出。

本发明提供了一种应用于同步轨道卫星通信***中单跳模式下的用户终端越区切换方案，以解决用户终端在移动中由一个波束移动到另一个波束时，正在进行的单跳语音通信能够无缝切换，减少切换过程中连接中断导致的通话损失，此方案具有以下优点：

1)解决了单跳通信向单跳、双跳通信的切换问题。

2)切换过程对地面原有网络的切换流程改动少。涉及单跳切换的部分，在地面网中仅和无线网络控制器有关，且只有少量的消息交互，同时未改变原有切换的流程，只是在其中加入单跳相关流程。

3)切换导致的连接中断时间少，在单跳到单跳的切换中，由于星上解调资源和用户终端的物理信道配置都需要改变，属于硬切换，因此必然导致连接短暂中断。本方案中，发给终端物理信道重配置消息与发给卫星控制节点的消息间相差一个135ms左右的时间，最大可能的减少了硬切换导致的连接中断时间。

4)地面通信网改动小。除无线网络控制器外，地面的现有的移动通信***相应的通信接口和协议规范都没有改动。

附图说明

图1表示卫星通信网络结构图；

图2表示无线网络控制器逻辑结构图；

图3表示单跳通信切换流程图；

图4表示基于WCDMAR4网络的跨RNC切换流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下述实施例利用现有的地面通信网络，在现有的通信协议的基础上增加了星上处理管理控制分支以及相应的接口，针对单跳通信情况下的切换进行控制。下述实施例基于3G兼容体制(具体而言是基于3GPP/UMTS Release 4参考模型[3rd GPP TechnicalSpecification Group Services and Systems Aspects：Network architecture，Release 4，3GPP TS23.002V4.8.0，2003-06])的实现为例进行描述。

在本实施例的卫星通信***中，如图1所示，地面通信***网络网元设置完全采用WCDMA通信体制进行设计，由核心网和无线接入网组成，各子网内相应的功能单元都采用现有单元，只是无线网络控制器的功能有所改动。

在上述通信网主体分支的基础上，本实施例***还包括独立于通信网主体分支以外的分立并行分支——星上处理管理控制分支，该分支的网元设计简洁、功能集中，仅由卫星控制节点和卫星路由控制器两个网元组成。

通信网络主体分支由常规的地面段接入网和地面段核心网组成。其中，接入网主要完成工作包括：射频信号上下变频、传输数据的物理层处理，即基带数字信号信号编码解码及调制解调、数据链路层处理，尤其是拆组帧，差错控制、网络应用管理层，如通信管理，移动性管理，无线资源管理等流程。核心网主要完成通信业务(如话音业务和数据业务)的交换，相应的通信管理、移动性管理和用户管理等流程，以及与其他网系(如公众固定电话网PSTN、公众陆地移动通信网PLMN、国际互联网INTERNET等)之间的接口和互通。

卫星控制节点与卫星路由控制器相连，接收卫星路由控制器决定的星上单跳资源配置结果和相应的控制消息，并且将星上资源配置结果通过信令通道通知星上交换处理单元，完成星上交换网络的切换执行，该配置结果消息包括星上资源配置、重配置、释放等操作。总的来说卫星控制节点主要是一个直接控制星上资源的执行节点，它本身并不参与资源配置的决策，而是接收卫星路由控制器的决策结果，并将之执行。

卫星路由控制器接收无线网络控制器发来的关于呼叫发起、切换、呼叫结束等与星上资源相关的消息，完成路由消息的匹配，根据星上资源使用情况决定单跳资源的路由分析和决策，决定星上资源的配置、重配置、释放等操作，然后将这些消息通知卫星控制节点。

在WCDMA网络中，用户信息存储在CN域，无线接入网不知道准确的用户信息，而本实施例中，卫星路由控制器(SRC)与地面网络中的无线网络控制器(RNC)相连，并需要向SRC提供流程所需的用户信息相关消息，这就要求要对无线接入网的功能进行改进。附图2是无线网络控制器逻辑结构图，无线网络控制器是无线接入网的核心网元，因此，对无线接入网功能的改进主要是对无线网控制器的改进。如图2所示，对RNC的改造在接口上看主要是加入了Ius接口与SRC相连；在功能上则是加入了处理卫星星上资源相关信令消息的功能。

本实施例具体的切换流程如图4所示，其中左侧英文标注的流程基本上属于地面WCDMA网络原有的硬切换流程，而右侧中文粗体标注的流程则是完成单跳资源控制相关的卫星网络相关的流程，属于本实施例方案特有的内容。本实施例所描述的切换，发生在属于不同RNC的波束之间，图4描述的切换流程开始前，源RNC已经通过测量消息等确定了切换目标RNC，和目标波束信息等相关切换所需消息。

本实施例的具体单跳切换步骤如下：

1)源RNC(Source RNC)向卫星路由控制器(SRC)发送单跳资源重配置请求消息：该消息通过Ius接口，请求SRC进行切换后维持单跳通信所需单跳资源重配置，该消息中包括当前通信双方的用户信息、切换前波束信息、切换目标波束信息等，以供SRC进行单跳路由分析和判断。

2)源RNC和目标RNC(Target RNC)建立新的无线连接，以提供给切换后的终端，具体包括以下步骤：

a)源RNC向目标RNC(发送无线连接建立请求消息：该消息通过Iur接口，使用RNSAP协议传输，请求目标RNC进行无线连接的建立，为终端切换到该RNC分配无线资源。消息参数包括小区标识符，数据信道的传输格式集、频率、上行链路扰码等。

b)目标RNC向目标NodeB(Target NodeB)发送无线连接建立请求消息：通过Iub接口，使用NBAP协议传输。参数包括小区标识符、数据信道的传输格式集、频率、上行链路扰码等。

c)若无线连接(Radio Link，简称RL)成功建立，则返回无线连接建立响应，参数有信令链路终结点标识、数据承载传送层寻址消息。

d)目标RNC收到该消息后，向源RNC返回无线连接建立响应消息，参数有传送层

地址和邻小区列表等。

e)源RNC和目标RNC分别请求ALCAP建立Iur和Iub承载。请求消息含DCH与Iub承载绑定的AAL2绑定标识符等。

3)卫星路由控制器(SRC)收到单跳资源重配置请求消息，对切换目标波束进行路由分析，根据当前星上资源进行决策，返回单跳资源重配置响应消息：该消息通过Ius接口，告知源RNC星上资源决策结果(单跳资源有或无)。

4)源RNC根据单跳资源重配置响应消息，即根据单跳资源是否能够满足切换，决定下面两种不同操作：

a)如果有单跳资源，则向终端发送切换后维持单跳的物理信道的重配置消息，该消息通过RRC协议，通知终端进行物理信道的重配置，以切换到新的波束。参数包括更新类型、小区标识符、波束信息、下行链路扰码、功率控制消息等。启动定时器，在135ms后，向SRC发送重配置响应应答消息，请求SRC重新配置星上资源，完成单跳切换涉及的星上资源操作。此处延迟135ms是因为，向终端的物理信道重配置消息实际上需要从RNC发出经卫星转发后到达终端，延迟为270ms，而发送给卫星的星上资源控制消息不考虑地面部分延迟仅有135ms，为了使星上资源重配置与终端信道重配置之间的间隔尽可能小以减少硬切换断链时间，需做出入延迟。

b)若无单跳资源，则向终端发送切换后为双跳的物理信道重配置消息，同时无需考虑定时器，向SRC发送重配置响应应答消息，请求SRC释放使用中的星上资源。

5)卫星路由控制器SRC向卫星控制节点SCN发送重配置指示消息，请求SCN执行SRC作出的星上资源重配置操作，包括重新配置单跳资源或释放现在占用资源。参数包括星上交换矩阵、波束信息等。卫星控制节点SCN收到该消息后，向卫星发送重配置指示消息，要求卫星执行资源重配置或释放操作。参数包括新的星上交换矩阵等。

6)终端完成物理信道重配置后，向源RNC返回RRC消息物理信道重配置完成消息。源NodeB在原有无线连接失败后，向源RNC报告无线连接失败消息，RNC将释放已经建立的与NodeB之间的无线连接和网络连接资源，完成切换操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应该包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.卫星通信***中单跳模式下的用户终端越区切换方法，其特征在于，所述卫星通信***包括通信网主体分支和星上处理管理控制分支，所述星上处理管理控制分支包括卫星路由控制器，所述卫星路由控制器和所述通信网主体分支的无线网络控制器数据连接，所述方法包括下列步骤：

a)用户终端所属的无线网络控制器向卫星路由控制器发送单跳资源重配置消息，同时启动信令所需的双跳切换流程；

b)卫星路由控制器判断单跳资源是否可用，若单跳资源可用，则无线网络控制器返回重配置响应应答消息，指示卫星路由控制器执行单跳资源重分配，并在收到该消息的响应后延迟一预定的时间，指示用户终端进行物理信道重配置；若无单跳资源分配，则返回重配置响应应答消息，指示卫星路由控制器释放当前单跳资源，并按照双跳链路物理信道消息指示终端进行物理信道重配置；

c)卫星路由控制器向卫星发送资源重配置消息，通知卫星执行操作；

d)无线网络控制器完成用户终端越区切换所需的地面网络操作。

2.如权利要求1所述的卫星通信***中单跳模式下的越区切换方法，其特征在于，所述预定的时间为135ms。

3.如权利要求1或2所述的卫星通信***中单跳模式下的越区切换方法，其特征在于，所述星上处理管理控制分支包括一卫星控制节点，所述卫星控制节点接收卫星路由控制器的指令，实现对卫星资源的配置与控制。

4.如权利要求3所述的卫星通信***中单跳模式下的越区切换方法，其特征在于，所述通信网主体分支由常规的地面段接入网和地面段核心网组成。

5.如权利要求4所述的卫星通信***中单跳模式下的越区切换方法，其特征在于，所述地面段接入网完成射频信号上下变频和传输数据的物理层处理；所述核心网完成通信业务交换，相应的通信管理、移动性管理和用户管理，以及和其他网系之间的接口和互通。

6.如权利要求5所述的卫星通信***中单跳模式下的越区切换方法，其特征在于，所述通信网主体分支是GSM、IS-95或WCDMA卫星移动通信***。

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