与5G融合的低轨星座馈电链路切换设计

江 丹，鲍 峰

(南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210000)

0 引言

我国地面蜂窝移动通信系统的发展已经进入5G时代，5G的相关技术已经日趋成熟，而基于低轨卫星星座的卫星通信系统还处于起步阶段，国内尚无投入运营或者建设完成的低轨星座通信系统。5G与卫星通信的融合是移动通信发展的新方向，虽然国内主要的低轨星座通信系统虹云、鸿雁、信威、九天微星、银河航天等都处于研究建设阶段，低轨星座卫星通信系统的相关技术还处于研究验证阶段，但是随着国家导向，科研经费、人力、物力投资的加大，低轨星座通信系统将很快进入工程实践阶段，有力的推动未来地面5G蜂窝通信与低轨星座卫星通信的天地一体融合通信系统的建设[1]。

1 低轨星座卫星通信系统的特点

低轨星座通信系统与地面蜂窝移动通信系统不同，地面蜂窝移动通信只有用户运动导致的用户链路切换，而低轨星座通信系统的低轨卫星高速运动，低轨卫星需要采用接力方式与信关站进行天线的切换，故在传统用户链路切换的基础上又增加了馈电链路的切换。馈电链路承载多用户链路数据的回传与发送，是卫星用户链路回传的公共信道，馈电链路的切换质量会影响接入此卫星的全部用户，一旦馈电链路切换失败，则所有用户连接中断，对系统影响极大。可见，设计可靠的能够与地面5G蜂窝通信融合的低轨星座馈电链路切换流程极其重要，是未来天地一体融合通信的前提条件[2]。

馈电链路承载所有用户，传统意义上的切换会触发所有用户切换信令风暴，需要根据低轨星座卫星通信系统切换的方式和地面网络架构，优化星地协同的馈电链路切换流程，实现馈电链路的高可靠切换。

2 面向网络优化的馈电链路切换流程设计

低轨星座系统中特有的馈电链路切换是指两个信关站接力向用户提供服务，馈电链路切换使得当前卫星所有用户的接入点会从第一个信关站转移到第二个信关站，即当前卫星所服务的所有用户需要从第一个信关站批量迁移到第二个信关站，若按照用户链路切换方法由用户发起申请，触发切换，则会由于用户数量巨大引发信令拥塞[3]。

借鉴地面成熟的地面5G系统的功能划分，具体如图1所示。

图1 5G系统的功能划分

由于用户信号首先接入服务低轨卫星，再经由低轨卫星转发接入信关站，低轨卫星进行馈电链路切换时，服务低轨卫星并未发生切换，所以该切换与地面的gNB切换存在差异性，馈电切换是网络侧低轨卫星与信关站之间的连接关系引入的切换，可以视为由于网络侧网络拓扑引起的变化，可以通过网络侧优化实现用户无感的馈电链路切换。假设卫星不具备处理能力，馈电链路的切换拟采用信关站发起，实现网络侧优化的批量用户切换[4]。

因此，馈电链路切换流程可基于成熟的5G协议中不同接入网切换流程，根据不同信关站是否连接同一核心网，具体设计流程如表1所示。

表1 馈电链路切换流程设计示意

2.1 两个信关站连接同一核心网

该流程不同信关站间进行基于Xn接口的切换。不同信关站同一卫星切换流程，如图2—3所示。

图2 不同信关站同一卫星切换流程_同核心网

图3 不同信关站同一卫星切换流程_同核心网

步骤1：源接入网向目的接入网发送切换请求消息，以便请求在目的接入网处的对资源的准备。该消息包含在需要切换消息中携带的源到目标透明容器(源接入网中的该终端的无线资源配置、源接入网中该终端的安全配置以及无线承载信息等)；要建立的数据承载的列表[服务质量(QoS)信息]以及安全上下文信息。

步骤2：从源接入网接收到切换请求消息时，目的接入网决定其是否允许终端接入。

步骤3：目标接入网向源接入网发送切换请求确认消息，以向源接入网通知在目标接入网处准备的资源。该消息包含目标到源透明容器，其中该容器携带源接入网在构建无线连接重新配置消息时，要使用的切换命令消息。此外，切换请求确认消息还包含要建立的数据承载的列表，其包括关于每一数据承载的指定接口的目标接入网前向链路TP寻址信息(例如，对于从核心网网关直接向目的接入网发送的数据，而不经由源接入网)。

步骤4：源接入网向终端发送无线连接重新配置消息。该消息包含新终端ID、用于目标卫星的波束ID、安全信息、根据需要的无线资源公共和专用配置信息(例如，随机接入信息、CQI报告信息)和目标数据承载配置信息(如果存在与当前配置的任何改变的话)。此外，该消息还包含新的寻呼区域标识符，后者唯一地标识目标接入网。在从源接入网接收到该无线连接重新配置消息时，终端启动定时器T-4。如果T-4到期(例如，发生切换失败)，则终端执行无线连接重新建立过程。

步骤5：终端导出执行针对目标接入网的切换时，将使用的新的安全相关密钥。

步骤6：终端重新设置MAC、RLC和状态。随后，终端捕获新的小区(例如，获取新前向链路的同步)。

步骤7：源接入网向目标接入网发送终端状态转移消息。

步骤8和步骤9：源接入网将从UPF接收到的分组和缓冲器中尚未清空的分组，按顺序转发至目标接入网。

对于RLC-AM数据承载而言，这包括对于它们的SN，没有被终端确认成功地传送了相应的PDU的所有前向链路SDU。对于RLC-AM和RLC-UM数据承载而言，还包括来自核心网数据网关的在指定接口上到达的新的前向链路数据。对于应用反向链路数据转发的RL-AM数据承载而言，源接入网开始向目标接入网转发它们的SN已被乱序接收的反向链路SDU。对于没有应用反向链路数据转发的RLC-AM数据承载而言，源接入网丢弃已被乱序接收的反向链路SDU。对于RL-UM数据承载而言，源接入网经由指定的接口，向数据网关发送已被乱序接收的反向链路SDU。

步骤10：终端向目标接入网基于非竞争的随机接入前导。

步骤11：目标接入网向终端发送随机接入响应。该随机接入响应包含寻呼区域、RL许可。终端与新的反向链路获得同步。

步骤12：终端向目标接入网发送无线连接重新配置完成消息。切换执行阶段结束。至此终端与目的接入网之间的前向和反向链路已通。目的接入网到UPF的数据方向也是通的，接下来的切换完成阶段要打通UPF到目的接入网的数据隧道。

步骤13：目标接入网向核心网中的AMF模块发送路径切换请求消息，以触发核心网将下行数据路径切换到目标接入网，并建立朝向目标接入网的NG-C接口实例。

步骤14：核心网将下行(前向链路)数据路径从源接入网切换到目标接入网，并且UPF在旧路径上将每个PDU会话/隧道的一个或者多个结束标记发送到源接入网，源接入网将这些结束标记转发给目标接入网。在从源接入网接收到每一数据承载的结束标记时，目标接入网可以开始向终端发送直接从UPF接收到的前向链路数据。

步骤15：AMF通过路径转换请求应答消息来向目的接入网确认路径转换请求。

步骤16-17：目的接入网从AMF收到路径转换请求响应后，通过发送UE上下文释放消息来通知源接入网切换成功，并且触发源接入网释放资源。源接入网收到UE上下文释放消息后，释放与UE上下文相关联的无线和控制面相关资源。

2.2 两个信关站连接不相同核心网

图4—5流程参考5G切换信令，图中V-SMF指访问地(漫游地)SMF，H-SMF指归属地SMF。

图4 不同信关站同一卫星切换流程_跨核心网

图5 不同信关站同一卫星切换流程_跨核心网

步骤1：源接入网向源AMF发送切换需要消息，该消息中包括目标ID、源到目标透明容器、SMN2信息列表、PDU会话ID等。源到目标透明容器包含源接入网创建的接入网信息，该信息将被使用到目的接入网，还包括每个PDU会话相关的用户面安全信息，针对数据转发的Qos流/DRB信息。

源接入网中的所有PDU会话都应该包含在切换需要消息中，指示源接入网请求哪些PDU会话切换。

步骤2：目标T-AMF选择。当源AMF无法继续服务用户，源AMF按照一定AMF选择方法选取目标AMF。

步骤3：源AMF向目标AMF发送UE上下文请求，包括以下信息：N2信息(包括目的ID，源到目标透明容器，SMN2信息列表，PDU会话ID等)，UE上下文信息(SUPI，PDU会话ID及其相应的SMF信息等)。

源AMF通过向目的AMF发送UE上下文消息，启动切换资源分配过程。

步骤4：目标AMF，V-SMF，UPF(PSA)，目标UPF之间进行系列信令交互，在目的核心网中为源接入网中的每个PDU会话创建用于N2切换的候选PDU会话。期间，V-SMF需对每个源接入网中的PDU会话进行检查，确定是否可以接受切换，并选择新的UPF(即目标UPF)作为PDU会话的中间UPF。

PDU创建详细流程参考5G协议中归属地路由漫游场景下的PDU建立。

步骤5：目标AMF监控来自V-SMF的消息，监控候选PDU是否建立完成。如果切换的所有候选PDU建立完成或者目标AMF的等待时间已经超过PDU会话最大延时指示，目标AMF继续后续的N2切换流程。

步骤6：目标AMF向目标接入网发送切换请求，切换请求中包含源到目标透明容器，N2MM信息，N2SM信息列表，未接受的PDU会话列表等。

目标AMF基于目标ID来确定目标接入网，源到目标透明容器是转发从源接入网收到的源到目标透明容器。N2MM信息包括例如安全信息和移动限制列表等。

未接受的PDU会话包括，步骤4中未被目标AMF，V-SMF接受的PDU和最大等待时间内未建立完成候选的PDU。

步骤7：目标接入网向目标AMF发送切换请求ACK，其中包括目标到源透明容器，要为每个PDU会话切换的PDU会话列表N2SM信息，建立切换候选PDU失败的PDU会话列表N2SM信息(包含失败原因)。

目标到源透明容器包含UE容器(包括接入层部分和NAS部分)，UE容器经由目标AMF，源AMF，源接入网透明转发至UE。

步骤8：目标AMF触发源核心网和目标核心网中PDU会话的修改，为后续切换流程做准备。

步骤9：源AMF向源接入网发送切换命令，包括目标到源透明容器，要切换的PDU会话列表，其从目的接入网收到的N2SM信息等。

步骤10：源接入网向终端发送无线连接重配消息，包括UE容器，UE容器是目的到源透明容器中的UE部分，它通过AMF从目的接入网透明的转发到源接入网，并由源接入网提供给用户终端。

步骤11：源接入网经由源核心网和目的核心网向目的接入网转发未完成的分组数据。

步骤12-14：用户终端向目标接入网小区发起随机接入，成功同步到新小区后，向目标接入网发送无线连接重配完成消息，确认切换成功。

步骤15：目的接入网向目的AMF发送切换通知，切换被目标核心网确认在接入网中已成功。

步骤16-17：目标AMF向源AMF发送N2切换通知，源SMF中的计时器开始监督何时释放源接入网中的资源，并且向目的AMF发送N2切换通知ACK。

步骤18：目的UPF，源UPF，UPF(PSA)，H-SMF间通过系列信令交互完成PDU会话从源核心网到目的核心网的切换。

步骤19：终端用户启动移动性注册更新过程。

步骤20-21：完成UE上下文在源接入网中的释放。

3 结语

地面5G蜂窝移动通信与低轨星座卫星通信相融合是移动通信发展的新方向，针对低轨星座卫星通信的特点，设计与地面5G蜂窝通信相融合的馈电链路切换流程，实现低轨星座卫星通信与地面5G蜂窝通信的无缝衔接，为未来天地融合通信系统的建设奠定坚实的理论基础。