CN113411119B - 基于gmr-1的低轨卫星窄带通信***切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GMR‑1的低轨卫星窄带通信***切换方法，该方法在随路信道上传输同步、位置、切换控制信令，具体为：在业务信道传输数据的同时，随路传输同步控制信令内容，用于对用户上行信号的时频偏实时调整；在业务信道传输数据的同时，随路传输终端位置信息，实现基于用户位置信息的业务切换控制；在业务信道传输数据的同时，随路传输切换控制命令，用于业务通信中的切换。当终端在同一卫星不同波束或不同信道之间切换时实现同步切换流程，当终端在不同卫星之间切换时实现异步切换流程。本发明满足了低轨卫星通信***快速切换的要求。
Description
技术领域
本发明涉及低轨窄带通信***技术领域，特别是一种基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法。
背景技术
低轨窄带卫星通信***是通过低轨星座进行信号转发的卫星通信***，与宽带卫星通信***不同，它用户链路主要工作在L、S频段，可支持小型化便携式终端。目前世界上已经建设完成的低轨星座卫星通信***主要有Iridium、GlobalStar等，我国主要有虹云、鸿雁等***。一般来说，低轨星座卫星通信***由低轨星座、信关站、用户终端等三部分组成，如图1所示，(1)低轨星座：低轨星座由若干颗分布同一高度不同轨道上的LEO卫星构成，每颗卫星通过多波束实现用户链路频谱资源的高效利用，星座内的所有卫星通过星间链路互联起来，卫星负责维护它们自身之间的星间链路、与信关站和***控制段之间的馈电链路，如图2所示。(2)信关站：信关站作为低轨星座卫星通信***的重要组成部分，完成卫星载荷的管理和低轨星座卫星通信***的业务处理、网络管理、运营管理、业务结算等功能，同时负责低轨星座卫星通信***与PSTN、PLMN等地面***的互联互通。(3)用户终端：用户终端由分布在低轨星座波束覆盖范围内的各种手持、便携、车载等各型终端组成，终端是用户接入低轨星座卫星通信***的门户和应用平台，用于建立用户与卫星间的数据传输链路，每个终端具备在波束间、卫星间、信关站间的切换能力，能够为用户提供持续不断的业务服务。
为了评估馈电链路信号的动态特性，利用STK构建铱星星座卫星***模拟场景，以北京某地为参考电，仿真该电接收信号的动态特征。1)信号的频率动态特性：从仿真图3、图4可知，用户链路信号多普勒高达50KHz，信号变化率为0.45kHz/s，相对于低轨窄带采用的信号带宽来看，信号具有高动态特性。2)信号的时延特性：由于星座卫星相对地面高速运动，在引入用户链路信号频率动态特性的同时，也造成了用户链路传播时延的变化，图5给出了卫星和信关站可见时馈电链路时延变化的仿真图。从仿真图可知，由于星座卫星相对信关站运动引入的馈电链路传播距离的变化，用户链路传播时延在2.6～8.6ms范围内规律变化，经估算最大的时间变化率为0.025ms/s。从对用户链路的时延和频率变化情况分析来看，在终端通话过程中，需要不断的调整终端的上行定时和频率，以保证与网络侧同步。
GMR-1是ETSI制定的面向窄带GSO卫星移动通信标准，其工作频段为L/S。该标准派生自3GPP系列地面数字蜂窝标准GSM，并支持接入GSM/UMTS核心网络。ACeS、SkyTerra、TerreStar和Thuraya均使用了GMR-1系列标准。GMR-1***由卫星、地球移动站MES(MobileEarth Station)、信关站GS(Gateway Station)和卫星操作中心SOC(satellite operationcenter)等元素组成，在移动用户与固定用户之间，GMR-1***提供GSM基础业务如语音、数据传输、传真、点对点短消息业务，以及小区广播短消息业务和增值业务。通过公共和私人交换电信网络如公共电话交换网(PSTN)，公共陆地移动网(PLMN)，GMR-1***可以实现世界范围内的互联，图6所示给出了GMR-1***的元素组成图。GMR-1定义了三种业务信道及配套的专用控制信道，如表1所示。专用控制信道不仅用于业务建立、释放等业务管控信令传输，也可用于业务过程中时频偏调整、切换、业务控制等信令传输，在业务通信过程中，FACCH通过抢占业务信道的时隙资源来实现，往往对业务传输有一定的影响，SACCH通过业务信道随路来实现，速率较低，在GMR-1标准中，SACCH编码后的比特通过20帧连续的业务信道来传输。
表1 GMR-1业务信道及专用控制信道定义
在实际***中，信关站(GS)将不断测量用户终端(UserTerminal)上行业务信道的时频偏信息，当偏差达到一定的门限时，立即通过随路信道FACCH向终端发出时频偏调整指令，该指令调整是渐进的，往往通过连续若干帧的渐进调整才能够保证终端上行发送时间频率偏差在信关站接收窗口中。
在低轨卫星通信***中，由于低轨相对地面高速移动，终端在同一卫星不同波束内、不同卫星之间快速切换，而面向GSO卫星移动通信的GMR-1标准无法满足低轨卫星通信***快速切换要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，以满足低轨卫星通信***快速切换的要求。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，在随路信道上传输同步、位置、切换控制信令，具体为：
在业务信道传输数据的同时，随路传输同步控制信令内容，用于对用户上行信号的时频偏实时调整；
在业务信道传输数据的同时，随路传输终端位置信息，实现基于用户位置信息的业务切换控制；
在业务信道传输数据的同时，随路传输切换控制命令，用于业务通信中的切换。
进一步地，所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，包括同步切换和异步切换，具体如下：
终端在业务信道上误帧率高于阈值时，网络侧为用户分配另外一个业务信道来替代当前业务信道，此时发生同一波束不同信道间切换，该切换属于同步切换，终端切换后，不需要再次接入，直接切换到新信道；
低轨卫星与终端之间移动速度高于阈值，终端在同一卫星的不同波束间切换，此时的切换也属于同步切换，终端切换后，不需要再次接入，直接切换到新信道；
低轨卫星与终端之间移动速度高于阈值，终端在不同卫星之间切换，此时终端在两颗星之间上行不同步，终端切换后，需要再次接入，实现上行同步后再进行业务传输。
进一步地，所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，所述同步切换，当终端在同一卫星不同波束或不同信道之间切换时，流程如下：
(1.1)终端按照测量配置进行RRM测量和用户位置信息上报；
(1.2)基站根据星历以及终端上报信息来做切换判决：当用户信道质量不满足要求或需要进行波束切换时，发出切换命令；
(1.3)基站触发空口的切换，将切换命令发送给终端；
(1.4)终端和基站的新小区进行下行同步；
(1.5)终端向基站发送切换完成；
(1.6)进入闭环时频偏调整阶段，实现终端上行数据同步。
进一步地，所述基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，所述异步切换，当终端在不同卫星之间的切换时，流程如下：
(2.1)终端按照测量配置进行RRM测量和用户位置信息上报；
(2.2)源基站根据星历以及终端上报信息来做切换判决；
(2.3)～(2.4)源基站向目标基站发送切换请求消息，传递必要的用于切换准备的相关信息；目标基站进行切换准备并为终端分配资源并回复切换确认消息，确认消息中含有给终端的切换命令；
(2.5)源终端触发空口的切换，将切换命令发送给终端；
(2.6)～(2.7)切换过程中源基站还向目标基站执行数据前传及SN状态传输操作，将收到的终端的下行数据前转给目标基站，并当终端在目标波束接入时，目标波束知道从哪里开始为终端继续传输数据；
(2.8)终端和目标基站的新小区进行下行同步；
(2.9)～(2.10)用户向新目标基站发起随机接入过程；
(2.11)当终端成功接入目标小区后，终端发送切换完成消息，向目标基站确认切换过程完成，目标基站通过接收切换完成消息，确认切换成功；
(2.12)～(2.13)目标基站在收到终端的切换完成消息后，向核心网发起路径转换过程；
(2.14)～(2.15)目标基站将收到的前转数据发给终端，同时，终端在目标基站侧的上下行的终端数据传输过程也能够开始；
(2.16)目标基站向源基站发送终端上下文释放消息，指示源基站释放终端的相关上下文。
进一步地，(1.6)中进入闭环时频偏调整阶段，具体如下：
基站测量用户上传的业务突发信息，并进行时频偏测量，同时向终端发出上行调整时频偏调整指令，终端调整上行时频偏后，再次发送业务突发，基站测量直到实现终端上行数据同步。
进一步地，(2.5)中切换命令是由目标基站生成的，携带了移动性控制信息的RRC连接重配消息，源基站采用透传的方式将切换命令发送给终端。
进一步地，(2.6)～(2.7)中的处理方式仅在非实时性数据传输时有效，针对实时性的业务选择直接数据丢弃。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用增强随路信道信令传输机制，在业务信道传输数据的同时，随路传输同步控制信令内容，实现对用户上行信号的时频偏实时调整；(2)随路传输终端位置信息，实现基于用户位置信息的业务切换控制策略，随路传输切换控制命令，解决业务通信中频繁切换问题。
附图说明
图1是低轨星座卫星通信***组成示意图。
图2是低轨星座示意图。
图3是北京某地用户链路信号多普勒频移示意图。
图4是北京某地用户链路信号多普勒频移变化率示意图。
图5是北京某地用户链路传播距离变化曲线图。
图6是GMR-1***组成原理图。
图7是卫星波束切换示意图，其中(a)为同一卫星波束切换示意图，(b)是不同卫星波束切换示意图。
图8是同步切换流程图。
图9是异步切换流程图。
具体实施方式
目前，业界并未制定出满足LEO链路需求的窄带卫星移动通信协议标准，铱星基于地面移动通信协议标准GSM，为适应低轨用户链路特征而进行适应性修改，最终形成满足铱星链路需求的通信体制。
本发明基于GMR-1设计出满足低轨卫星通信频繁切换特性的波束切换流程，即一种基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，在随路信道上传输同步、位置、切换控制信令，具体为：
在业务信道传输数据的同时，随路传输同步控制信令内容，用于对用户上行信号的时频偏实时调整；
在业务信道传输数据的同时，随路传输终端位置信息，实现基于用户位置信息的业务切换控制；
在业务信道传输数据的同时，随路传输切换控制命令，用于业务通信中的切换。
进一步地，所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，包括同步切换和异步切换，具体如下：
终端在业务信道上误帧率高于阈值时，网络侧为用户分配另外一个业务信道来替代当前业务信道，此时发生同一波束不同信道间切换，该切换属于同步切换，终端切换后，不需要再次接入，直接切换到新信道；
低轨卫星与终端之间移动速度高于阈值，终端在同一卫星的不同波束间切换，此时的切换也属于同步切换，终端切换后，不需要再次接入，直接切换到新信道；
低轨卫星与终端之间移动速度高于阈值，终端在不同卫星之间切换，此时终端在两颗星之间上行不同步，终端切换后，需要再次接入，实现上行同步后再进行业务传输。
进一步地，所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，所述同步切换，当终端在同一卫星不同波束或不同信道之间切换时，流程如下：
(1.1)终端按照测量配置进行RRM测量和用户位置信息上报；
(1.2)基站根据星历以及终端上报信息来做切换判决：当用户信道质量不满足要求或需要进行波束切换时，发出切换命令；
(1.3)基站触发空口的切换，将切换命令发送给终端；
(1.4)终端和基站的新小区进行下行同步；
(1.5)终端向基站发送切换完成；
(1.6)进入闭环时频偏调整阶段，实现终端上行数据同步。
进一步地，所述基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，所述异步切换，当终端在不同卫星之间的切换时，流程如下：
(2.1)终端按照测量配置进行RRM测量和用户位置信息上报；
(2.2)源基站根据星历以及终端上报信息来做切换判决；
(2.3)～(2.4)源基站向目标基站发送切换请求消息，传递必要的用于切换准备的相关信息；目标基站进行切换准备并为终端分配资源并回复切换确认消息，确认消息中含有给终端的切换命令；
(2.5)源终端触发空口的切换，将切换命令发送给终端；
(2.6)～(2.7)切换过程中源基站还向目标基站执行数据前传及SN状态传输操作，将收到的终端的下行数据前转给目标基站，并当终端在目标波束接入时，目标波束知道从哪里开始为终端继续传输数据；
(2.8)终端和目标基站的新小区进行下行同步；
(2.9)～(2.10)用户向新目标基站发起随机接入过程；
(2.11)当终端成功接入目标小区后，终端发送切换完成消息，向目标基站确认切换过程完成，目标基站通过接收切换完成消息，确认切换成功；
(2.12)～(2.13)目标基站在收到终端的切换完成消息后，向核心网发起路径转换过程；
(2.14)～(2.15)目标基站将收到的前转数据发给终端，同时，终端在目标基站侧的上下行的终端数据传输过程也能够开始；
(2.16)目标基站向源基站发送终端上下文释放消息，指示源基站释放终端的相关上下文。
进一步地，(1.6)中进入闭环时频偏调整阶段，具体如下：
基站测量用户上传的业务突发信息，并进行时频偏测量，同时向终端发出上行调整时频偏调整指令，终端调整上行时频偏后，再次发送业务突发，基站测量直到实现终端上行数据同步。
进一步地，(2.5)中切换命令是由目标基站生成的，携带了移动性控制信息的RRC连接重配消息，源基站采用透传的方式将切换命令发送给终端。
进一步地，(2.6)～(2.7)中的处理方式仅在非实时性数据传输时有效，针对实时性的业务选择直接数据丢弃。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例
在典型的低轨卫星窄带通信***中，切换可分为同一波束不同信道间切换、同一颗卫星不同波束间切换、不同卫星间切换等三种方式，如图7所示。由于干扰或其他因素导致终端在业务信道上误帧率较高时，网络侧可为用户分配另外一个业务信道来替代当前业务信道，此时就发生了同一波束不同信道间切换，该切换属于同步切换，终端切换后，不需要再次接入，直接切换到新信道即可；由于低轨卫星与终端之间高速移动，导致终端在同一卫星的不同波束见快速切换，此时的切换也属于同步切换，终端切换后，不需要再次接入，直接切换到新信道即可；由于低轨卫星与终端之间高速移动，导致终端在不同卫星之间快速切换，此时终端在两颗星之间上行不同步，终端切换后，需要再次接入，实现上行同步后再进行业务传输。
(1)同步切换流程
当终端在同一卫星不同波束或不同信道之间的切换时，其切换流程如图8所示：
1、终端按照测量配置进行RRM测量和用户位置信息上报。
2、基站根据星历以及终端上报信息来做切换判决。当用户信道质量较差或需要进行波束切换时，发出切换命令。
3、基站触发空口的切换，将切换命令发送给终端。
4、终端和基站的新小区进行下行同步；
5、终端向基站发送切换完成，
6、进入闭环时频偏调整阶段，基站测量用户上传的业务突发信息，并进行时频偏测量，同时向终端发出上行调整时频偏调整指令，终端调整上行时频偏后，再次发送业务突发，基站测量直到实现终端上行数据同步。
(2)异步切换流程
当终端在不同卫星之间的切换时，其切换流程如图9所示：
1、终端按照测量配置进行RRM测量和用户位置信息上报。
2、源基站根据星历以及终端上报信息来做切换判决。
3～4、源基站向目标基站发送切换请求消息，传递必要的用于切换准备的相关信息。目标基站进行切换准备并为终端分配资源并回复切换确认消息，确认消息中含有给终端的切换命令。
5、源终端触发空口的切换，将切换命令发送给终端。切换命令(携带了移动性控制信息的RRC连接重配消息)是由目标基站生成的，源基站采用透传的方式(不做任何修改)将切换命令发送给终端。
6～7切换过程中源基站还向目标基站执行数据前传及SN状态传输操作，可以将其收到的终端的下行数据前转给目标基站，并当终端在目标波束接入时，目标波束知道从哪里开始为终端继续传输数据。该方式仅在分组等非实时性数据传输时有效，针对话音业务等实时性较高的业务可选择直接数据丢弃
8、终端和目标基站的新小区进行下行同步；
9～10、用户向新目标基站发起随机接入过程；
11、当终端成功接入目标小区后，终端发送切换完成消息，向目标基站确认切换过程完成，目标基站通过接收切换完成消息，确认切换成功。
12～13、目标基站在收到终端的切换完成消息后，向核心网发起路径转换过程。
14～15、目标基站将收到的前转数据(如果有的话)发给终端，同时，终端在目标基站侧的上下行的终端数据传输过程也可以开始。
16、目标基站向源基站发送终端上下文释放消息，指示源基站可以释放终端的相关上下文。
综上所述，本发明通过在随路信道上传输同步、位置、切换控制等信令，来适应低轨卫星窄带通信***高动态变化信道传输要求；通过一种增强随路信道信令传输机制，在业务信道传输数据的同时，随路传输同步控制信令内容，实现对用户上行信号的时频偏实时调整；在业务信道传输数据的同时，随路传输终端位置信息，实现基于用户位置信息的业务切换控制策略；在业务信道传输数据的同时，随路传输切换控制命令，解决业务通信中频繁切换问题。
Claims (7)
1.一种基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，其特征在于，在随路信道上传输同步、位置、切换控制信令，具体为：
在业务信道传输数据的同时，随路传输同步控制信令内容，用于对用户上行信号的时频偏实时调整；
在业务信道传输数据的同时，随路传输终端位置信息，实现基于用户位置信息的业务切换控制；
在业务信道传输数据的同时，随路传输切换控制命令，用于业务通信中的切换。
2.根据权利要求1所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，其特征在于，包括同步切换和异步切换，具体如下：
终端在业务信道上误帧率高于阈值时，网络侧为用户分配另外一个业务信道来替代当前业务信道，此时发生同一波束不同信道间切换，该切换属于同步切换，终端切换后，不需要再次接入，直接切换到新信道；
低轨卫星与终端之间移动速度高于阈值，终端在同一卫星的不同波束间切换，此时的切换也属于同步切换，终端切换后，不需要再次接入，直接切换到新信道；
低轨卫星与终端之间移动速度高于阈值，终端在不同卫星之间切换，此时终端在两颗星之间上行不同步，终端切换后，需要再次接入，实现上行同步后再进行业务传输。
3.根据权利要求2所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，其特征在于，所述同步切换，当终端在同一卫星不同波束或不同信道之间切换时，流程如下：
(1.1)终端按照测量配置进行RRM测量和用户位置信息上报；
(1.2)基站根据星历以及终端上报信息来做切换判决：当用户信道质量不满足要求或需要进行波束切换时，发出切换命令；
(1.3)基站触发空口的切换，将切换命令发送给终端；
(1.4)终端和基站的新小区进行下行同步；
(1.5)终端向基站发送切换完成；
(1.6)进入闭环时频偏调整阶段，实现终端上行数据同步。
4.根据权利要求2或3所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，其特征在于，所述异步切换，当终端在不同卫星之间的切换时，流程如下：
(2.1)终端按照测量配置进行RRM测量和用户位置信息上报；
(2.2)源基站根据星历以及终端上报信息来做切换判决；
(2.3)～(2.4)源基站向目标基站发送切换请求消息，传递必要的用于切换准备的相关信息；目标基站进行切换准备并为终端分配资源并回复切换确认消息，确认消息中含有给终端的切换命令；
(2.5)源终端触发空口的切换，将切换命令发送给终端；
(2.6)～(2.7)切换过程中源基站还向目标基站执行数据前传及SN状态传输操作，将收到的终端的下行数据前转给目标基站，并当终端在目标波束接入时，目标波束知道从哪里开始为终端继续传输数据；
(2.8)终端和目标基站的新小区进行下行同步；
(2.9)～(2.10)用户向新目标基站发起随机接入过程；
(2.11)当终端成功接入目标小区后，终端发送切换完成消息，向目标基站确认切换过程完成，目标基站通过接收切换完成消息，确认切换成功；
(2.12)～(2.13)目标基站在收到终端的切换完成消息后，向核心网发起路径转换过程；
(2.14)～(2.15)目标基站将收到的前转数据发给终端，同时，终端在目标基站侧的上下行的终端数据传输过程也能够开始；
(2.16)目标基站向源基站发送终端上下文释放消息，指示源基站释放终端的相关上下文。
5.根据权利要求3所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，其特征在于，(1.6)中进入闭环时频偏调整阶段，具体如下：
基站测量用户上传的业务突发信息，并进行时频偏测量，同时向终端发出上行调整时频偏调整指令，终端调整上行时频偏后，再次发送业务突发，基站测量直到实现终端上行数据同步。
6.根据权利要求4所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，其特征在于，(2.5)中切换命令是由目标基站生成的，携带了移动性控制信息的RRC连接重配消息，源基站采用透传的方式将切换命令发送给终端。
7.根据权利要求4所述的基于GMR-1的低轨卫星窄带通信***切换方法，其特征在于，(2.6)～(2.7)中的处理方式仅在非实时性数据传输时有效，针对实时性的业务选择直接数据丢弃。
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