面向卫星通信系统的寻呼方法

毛玉欣/MAO Yuxin，闫新成/YAN Xincheng

（ 1. 小米通讯技术有限公司，中国 北京 100085；2. 移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，中国 深圳 518055；3. 中兴通讯股份有限公司，中国 深圳 518057）

无线移动通信系统最初可以满足人们的语音通信需求，经过30 年的发展，如今可以提供高速数据通信服务。目前陆地无线移动通信系统已经为全球大多数人口所在区域提供较为完善的网络覆盖服务，全球80%的人口都可以享受到移动通信服务。随着5G 技术的普及，网络应用从面向人的通信扩展到面向人和物以及物与物的通信。这使得通信应用场景不断丰富，通信服务的范围不断扩大。在促进社会全面数字化的同时，5G 技术也因受制于经济成本、技术、自然条件等因素，在人口密度较低的偏远地区以及人迹罕至的高山、荒漠、远洋等区域难以实现5G 蜂窝接入的普遍覆盖。而卫星通信因为具有广域覆盖的特点，可以以陆地蜂窝通信系统难以比拟的成本优势提供广域甚至全球通信覆盖服务，从而对陆地蜂窝通信覆盖形成有效补充。因此，构筑天地一体化通信网络，提供无缝覆盖的网络服务，是5G和6G技术研究的重点领域之一［1-5］。随着卫星通信技术的发展，单星服务能力和星链技术都得到了有效提升，服务的业务场景以及部分技术指标也越来越接近陆地蜂窝移动通信。这些均使得天地一体化通信深度融合的紧迫性进一步加强。作为全球移动通信技术标准制定的主要组织，第3代合作伙伴计划（3GPP）在5G 标准的第16 版中启动了5G 支持卫星通信的标准研究和制定工作［6］。

1 卫星通信简介

1.1 卫星通信类型和架构

受空气密度、太空碎片以及已经在轨运行的低轨卫星的限制，同时考虑到2 000～8 000 km高度的范艾伦辐射带上的高能粒子的影响，通信卫星通常运行在下列几类轨道上[7]：

1）地球同步轨道（GEO）卫星。这类卫星运行在高度为35 786 km 的赤道平面上，相对地球保持静止，其卫星轨道周期与地球自转周期相同，因此可以为信号覆盖区域提供持续信号覆盖。

2）非地球同步轨道（NGSO）卫星。这类卫星相对于地面移动。某个指定区域如果需要长期稳定的信号覆盖，就需要若干卫星组建星群来满足这一需求。NGSO运行高度越低，提供持续稳定信号覆盖所需的卫星数就越多。按照运行高度的不同，NGSO通常又可以分为运行在500～2 000 km的近地轨道（LEO）卫星，运行在8 000～20 000 km的中地轨道（MEO）卫星和运行在7 000～45 000 km的高偏心轨道（HEO）卫星。

当前针对天地一体化通信的研究主要以陆地移动通信技术标准为基础，结合卫星通信的技术特点做出适应改进。在天地融合通信的实现过程中，卫星通信通常作为地面接入覆盖的延伸，或者作为在基站（gNB）和核心网络（5GC）之间的回程传输。按照卫星通信的作用以及不同层面的融合类型，卫星通信可分为如图1所示的几种场景[8]。

按照卫星在通信系统中发挥作用的不同，卫星通信可以分为弯管模式和再生模式。图1 中的（a）方式是卫星工作在弯管模式，该模式下卫星仅负责通信数据的透明转发；（b）和（c）两种方式是再生模式，该模式下卫星承担了基站的部分或者全部功能，并在发送数据之前，需要承担数据的处理功能；（d）是卫星作为回程传输使用，在gNB和5GC之间转发上下行数据。

▲图1 卫星通信部署场景

1.2 卫星通信的移动性管理

追踪区域（TA）是移动通信系统为用户设备（UE）位置的移动管理设立的概念。当UE 处于空闲态时，5GC 能够知道UE所处的TA。同时当处于空闲态的UE需要被寻呼时，必须在UE注册的TA的所有小区中进行寻呼。在UE进行网络注册时，网络会根据UE 的位置分配注册区（RA）。一个RA包含TA列表，并且一个TA列表可以包含一个TA或者多个TA。UE 在该TA 列表包含的TA 内移动时不需要执行TA更新过程，从而较少与网络的频繁交互。当UE移动并进入不被RA 包含的新TA 时，注册更新过程会被触发执行以更新TA。此时5GC会给UE分配一组新的TA。新分配的TA可以完全不包含或者部分包含原来RA中的一些TA。

在陆地蜂窝通信系统中，一个TA 区域通常大于小区（Cell）的范围。TA 是Cell 级别的配置。多个Cell 可以配置相同的TA，但一个Cell 只能属于一个TA[9]。在卫星通信系统中，Cell由卫星发射的波束覆盖地面形成。一个Cell可由单个或者多个卫星波束构成。Cell的大小和卫星波束半径相关。卫星波束半径随着卫星高度的增加而增大，例如：LEO的波束半径可达数十公里，MEO/GEO 的波束半径可达数百公里。因此，与地面蜂窝通信的Cell 和TA 规划不同，卫星通信中一个Cell的覆盖范围就可能涵盖多个TA[10]。图2说明了陆地蜂窝通信和卫星通信中TA和Cell关系的区别。

▲图2 Cell和TA关系示意图

NGSO通信中的卫星相对地面是移动的，因此向地面广播的Cell也在不断移动。这就要求Cell不断更新向地面广播的TA。在卫星通信中有两种TA广播方式[11]。

一种TA广播方式是卫星Cell广播单个TA，如图3所示。当卫星从西向东移动并跨越两个TA区域时，在T1时刻卫星波束对TA1的覆盖范围大于对TA2的覆盖范围，此时Cell广播TA1；随着Cell的移动，在TA2时刻，卫星波束对TA2的覆盖范围大于对TA1 的覆盖范围，此时Cell 需要进行TA 更新，并向地面广播TA2。这种由于卫星移动引发的TA1 向TA2的切换就像是接入到该Cell的UE发生了跨TA的移动一样。如果此前TA2不包含在UE的RA中，上述广播TA变化的过程就需要触发UE 执行注册更新，并将TA2 更新到RA中。这种广播单个TA下的切换称为硬切换。

▲图3 TA硬切换过程示意图

另一种TA 广播方式是软切换。卫星Cell 广播多个TA，例如：被卫星波束覆盖的TA 都会在Cell 中广播，如图4 所示。在T1、T2 时刻，Cell 总是广播{TA1,TA2}。在这两个时刻，UE的RA只要至少包含上述TA的一个，就会允许UE接入该Cell，并且在卫星从T1 到T2 的移动过程中不需要触发UE 来发起注册更新过程。在T3 时刻，Cell 覆盖已经完全移出了TA1，此时Cell 需要对广播的TA 进行更新，并向地面广播{TA2,TA3}。如果T3时刻UE在TA2区域内，且RA仅包含TA1，则UE发起注册更新过程并将RA更新为{TA2,TA3}。

▲图4 TA软切换过程示意图

受卫星部署高度的影响，LEO 和MEO 的卫星波束覆盖范围通常在100～1 000 km，而地面无线通信系统使用的TA划分范围通常在100～200 km，因此卫星通信的Cell覆盖范围是TA的数十倍。这就意味着卫星通信如果使用现有的TA规划，硬切换会导致UE频繁进行注册更新，进而大大增加终端和网络设备的信令处理开销和网络通信负担，而软切换可以减少UE 在TA 边界处发生TA 更新的次数，从而有效减少和网络交互信令的频度。

2 卫星通信中的寻呼方法

2.1 无线移动通信的寻呼

UE 在空闲态时会释放与网络的连接。当网络需要与空闲态的UE 进行通信时，例如网络收到发往UE 的下行数据，首先需要对UE 发起寻呼过程。当寻呼到UE并恢复网络连接后，网络才可以向UE 发送数据。对UE 寻呼的过程需要知道UE所处的TA，并向所述TA 所在的小区发起对UE 的寻呼；如果不知道UE 当前所处的TA，则需要向UE 注册的所有TA所在的小区发起寻呼。

以5G 网络寻呼为例，如图5所示，如果UE处于CM_IDLE态或者处于 CM_CONNECTED with RRC_INACTIVE 态，此时N2、N3连接的资源会因空闲而被释放。当5GC 侧有下行数据到达用户面功能（UPF）时，由于与UE 之间无可用连接，UPF 无法将所述下行数据发送给UE。在UPF根据指令缓存所述数据或者将所述数据发送给会话管理功能（SMF）缓存后，SMF 将向接入和移动性管理功能（AMF）触发寻呼流程。AMF通过gNB向UE发送寻呼消息，通知UE恢复会话上下行数据链路。

▲图5 寻呼过程示意图

根据TA 进行寻呼过程的示意如图5 所示。网络会记录UE最近访问的TA并将其作为UE的位置，以便根据该TA信息进行UE 寻呼。如果UE 仍然在所述TA 内，则寻呼成功，恢复连接；如果UE在转换为空闲态后发生了位置移动（已经不在所述TA 区域内），则寻呼失败，接下来需要根据UE的RA进行寻呼。寻呼会根据RA中的TA列表以及TA和Cell的关系进行。

从寻呼示例可以看出，寻呼效率的高低取决于网络是否知道寻呼时刻UE 所处的TA。寻呼策略可以优先使用UE 最近使用的TA进行寻呼，以尽量缩短寻呼时间。当基于精确TA寻呼失败时，网络才会基于RA寻呼。

2.2 卫星通信中的寻呼问题和改进

在移动通信系统中，网络基于TA 对UE 发起寻呼。TA没有严格的地理定义，而是由构成TA 的一组Cell 的位置和覆盖范围决定的。无论卫星通信中的卫星波束相对地面是固定的，还是移动的，对TA 的定义都被认为相对地面固定。1.2 节描述了卫星通信的软切换模式。在该模式下，卫星Cell 需要广播多个TA 编码（TAC）。UE 的RA 中会包含所述广播TAC。由于TA 边界无法被UE 感知，UE 只能根据从卫星Cell 的广播消息中接收TAC 并判断是否发生了TA 更新，即当任一广播的TAC 都不被RA 包含时，UE 才触发发起TA更新。这种模式可以有效减少由UE的TA更新导致的和网络信令交互的频率。但是在软切换模式中，在没有从终端接收到有用位置信息的情况下，每当与该UE相关联的任何潜在TAC 被覆盖时，网络必须尝试对该UE进行寻呼。这实质上增加了寻呼负荷。如图6所示，UE位于卫星Cell初始飞越覆盖的边缘TA05区域。如果gNB没有获取到UE的有用位置信息，系统便将公共陆地移动网（PLMN）下所有黑色标记相关的TAC发送给5GC。由于地球自转和卫星轨道之间的周期不同，后续飞越的卫星对同一区域的覆盖可能会出现一些偏移，例如：随后的卫星Cell飞越覆盖所述TAC中另外一端的TA00。从SAT0 到SAT4 的覆盖过程中，如果发起寻呼，在网络未得到UE的精确位置信息时，只要黑色标记TAC中的任何一个被覆盖，所有黑色标记的TAC都需要尝试寻呼UE。

▲图6 卫星通信中的TA示意图

随着时间的推移，网络可以完全排除没有收到UE寻呼应答对应的TAC，从而减少寻呼开销。但这个过程意味着在找到正确的TAC 之前，不同卫星的多次飞行会持续产生寻呼开销。

这种相对地面移动的卫星Cell增加寻呼信令开销的情况将随卫星波束的扩大而加剧。这种情况可通过图7进一步说明。为了简化表示，但又不失代表性，在地表上我们用矩形网格表示TA，且假设TA大小和卫星波束大小相当。图7还说明了由于地球自转和卫星轨道之间的周期不同，卫星随后经过同一区域时可能会出现一些偏移。因此，将TA布局安排为与卫星地球轨道重合是不可行的。从图7可以看出，如果仅根据TA 信息进行寻呼，卫星波束覆盖最多可与4 个TA 重叠，如图7 中T3 时刻的卫星波束覆盖。在这种情况下，寻呼UE 的次数将明显增多，随后无线接入网络（RAN）上的寻呼资源开销也会变大，寻呼失败的次数也会增加。

▲图7 卫星移动波束和固定追踪区TA配置示意图

为了提高寻呼效率，可以考虑使TA 小于卫星波束覆盖范围并且基于更准确的UE位置信息进行寻呼。卫星通信中定义了一个用Mapped Cell ID 标识且与Cell ID 相对应的固定地理区域[12]。这个区域与卫星轨道或者UE 和卫星之间的连接（Service Link）的类型无关，如图8所示。Mapped Cell ID和地理区域的映射关系可以根据运营商策略预先配置在RAN 和核心网（CN）上。RAN 负责从UE 接收的位置信息，例如全球导航卫星系统（GNSS）信息，以构建Mapped Cell ID。当UE触发注册或注册更新流程时，RAN将广播TAC上报给5GC。同时，如果RAN 获知UE 的具体位置信息，还需要基于所述位置信息确定UE当前所处TA的TA 标识（TAI），并将该TAI 也发送给CN。

对于静止UE，如图8 中的UE#1,当UE#1 的RA、Mapped Cell ID 被卫星波束所覆盖时，依据UE所处的TA 以及Mapped Cell ID 就可以快速寻呼到UE#1。但对于处于移动的UE，如图8 中的UE#2，沿着卫星的移动轨迹移动跨越了Mapped Cell ID对应区域甚至TA对应的区域。在所述UE#2 的移动过程中，只要不尝试接入网络，网络就不会感知到所述移动过程。而在这个移动过程中，由于卫星波束覆盖范围很大，并且卫星Cell会广播覆盖内的多个可达的TAC，因此在所述广播TAC对应的TA区域内移动时，UE#2本身也无法感知到Mapped Cell ID对应区域的变更，甚至无法感知TA的变更。例如：如图8所示，UE#2在T1时刻从TA07注册到网络，当在T3时刻移动到TA03时，UE#2仍然认为在TA07。这种场景下，如果寻呼策略基于Mapped Cell ID 或者基于注册时所处的TA 将被证明不再高效。解决这个问题的一个方法就是增加定期注册的频度以获取近乎实时的UE位置，但这显然会增加信令开销。

▲图8 卫星移动波束和固定追踪区TA配置示意

对此，一种改进寻呼效率的方法是定义针对UE的动态追踪区域（UE-DTA）。UE-DTA 可以基于UE 位置的地理围栏和地理区域规范，为每个UE 建立定制化的追踪区域。UE-DTA区域的定义有多种方式：可以通过参数化来定义一个几何图形，例如圆、椭圆或多边形，也可以通过作为UEDTA 区域顶点的一组地理坐标来构成电子围栏。为便于表述，这里UE-DTA 使用圆形区域，并用中心点和半径表示。另外，在构建UE-DTA 区域时，除了参考UE 的位置信息之外，UE-DTA的大小和形状也可以基于UE的移动性、UE部署密度等其他条件进行动态调整，例如：快速移动的UE可以定义范围较大的UE-DTA，而静态或者准静态UE 则需要定义范围较小的UE-DTA。当为UE 分配UE-DTA 时，多个UE 的UE-DTA 可以相同。图9 展示了动态卫星波束下的UE-DTA。网络将为UE制定的UE-DTA提供给UE保存。UE基于UE-DTA、UE 位置信息和地理区域描述（GAD）来监测位置移动是否超出了UE-DTA区域。

▲图9 卫星移动波束和UE-DTA配置示意

2.3 基于UE-DTA的寻呼实现和分析

UE-DTA 依赖于网络根据UE 的位置等信息动态变化并提供给UE。UE在移动过程中会根据UE-DTA判断是否需要触发位置更新。网络可以根据UE-DTA 进行UE 寻呼。基于UE-DTA 的寻呼过程可分为UE-DTA 制定过程和基于UEDTA的寻呼过程，如图10和图11所示。

▲图10 UE-DTA制定和更新流程

▲图11 AMF基于UE-DTA触发的寻呼过程

1）基于注册/注册更新过程的UE-DTA制定

① 当UE 接入网络发起注册请求时，UE 向网络提供位置信息，例如GNSS信息。

② AMF 为所述UE 接入确定UE-DTA。UE-DTA 的计算过程需要结合UE 当前位置信息、签约信息、移动模式等。这些信息可以从签约数据库、网络数据分析功能（NWDAF）中获取。

③ AMF通过注册成功消息将UE-DTA提供给UE保存。

④ UE 监控自身的移动，判断自身位置是否在UE-DTA区域内。

⑤ 由于位置移动，UE检测到位于UE-DTA之外

⑥ UE触发注册更新流程，要求进行TA 更新。同时UE 将当前位置提供给AMF。

⑦ 根据UE提供的新的位置信息，AMF 计算并产生新的UEDTA。

⑧ AMF 将更新的UE-DTA 提供给UE。

⑨ UE 使用新的UE-DTA 覆盖原有的UE-DTA，并根据最新的UE-DTA对位置移动进行监测。

2）基于UE-DTA的UE寻呼

① AMF确定触发UE寻呼过程的时间或者时间窗。这个确定过程基于分配给UE 的UE-DTA 和卫星星座的信号覆盖信息，例如星历信息、卫星波束信息、配置的省电机制。

② AMF向给UE当前位置提供覆盖的RAN 节电发起寻呼过程。另外，AMF 可以将UE-DTA 提供给RAN 节点，由RAN 结合卫星覆盖信息决定发起UE寻呼的时机。

③ RAN 通过Service link 向UE发起寻呼过程。

基于UE-DTA 实现寻呼的方案需要对现有系统进行如下两个方面的增强：

1）在UE 侧，需要UE 在注册阶段，向5GC 提供当前位置信息，以便网络结合UE 提供的位置信息进行UE-DTA 的制定。UE 需要保存网络提供的UE-DTA 信息，并根据UE-DTA 信息实时监测位置是否位于UE-DTA 范围内。如果UE 检测到位置位于UE-DTA 范围之外，则需要触发注册更新过程，请求网络进行UE-DTA更新。

2）在核心网络侧，需要基于UE提供的位置信息，并结合签约信息、UE 移动模式的分析数据、地理区域描述等信息为UE制定UE-DTA，随后向UE提供UE-DTA。此外网络根据UE-DTA 参数以及卫星星座的覆盖信息，计算并确定UE-DTA 是否被卫星星座覆盖。如果存在覆盖，就可根据UE-DTA向UE发起寻呼。

动态确定UE-DTA 并基于UE-DTA 进行UE 寻呼的方法主要具有3个功能特点：

1）基于UE-DTA 进行终端寻呼。由于UE-DTA 的范围小于TA范围，只有被卫星波束覆盖的UE-DTA才会被寻呼，寻呼请求的调度可以根据卫星沿着UE-DTA 的移动进行调整，这样可以对卫星波束覆盖下的终端寻呼进行优化，有效减少寻呼信令载荷。

2）平衡寻呼信令载荷和信令交互频率。得益于UEDTA的范围可以根据UE的位置特性（UE静止、移动、高速移动）、部署环境（例如部署密度）等进行动态调整，基于UE-DTA 的寻呼方法可以在寻呼信令载荷和TA 更新信令之间实现更好的平衡。

3）可实现更灵活的寻呼和移动性管理解决方案。对于基于TA的寻呼，由于TA的范围较大，且不与任何UE的位置关联，TA的地理边界也不被UE感知，因此很难确定寻呼UE的范围。对于基于UE-DTA的寻呼，由于UE-DTA可以根据需要动态定义，UE 可以根据GNSS 测量出UE 是停留在UEDTA内，还是移动到UE-DTA外。这使得寻呼更加高效灵活。

3 结束语

卫星通信作为5G地面通信的补充，可以为地面蜂窝覆盖难以到达的区域提供补充覆盖，从而使万物互联变为可能。卫星通信在提供通信便利的同时，也因为卫星高度、星座密度、波束半径等具体的因素，在通信效率方面还需要不断发展和改进。基于UE-DTA 的寻呼方法通过动态制定UE 的寻呼范围，有效地提高卫星通信过程中的寻呼效率，减少寻呼负荷。然而，制定UE-DTA 所需的UE 位置信息的可靠性、位置信息的粒度，以及位置信息作为隐私如何保证安全，均需要做进一步的研究。另外，除了应用于寻呼过程，UEDTA是否还可应用于注册区管理、服务域限制管理等，以进一步增强移动性管理的效率，也需要做进一步的探索验证。

3GPP 非地面通信（NTN）标准研究的推进和卫星能力的增强，推动着卫星通信技术逐步迈向成熟。5G NTN 未来应用场景广阔，将支持更多频段，使星上处理能力不断提高。这将推动卫星产业和蜂窝技术的深度融合，极大拓展卫星通信的应用范围，催熟相关产业链条。卫星通信将广泛应用于个人领域和垂直行业应用领域。在打造偏远地区、海洋、民航等全域泛在连接，丰富应急通信等方面，卫星通信技术将发挥巨大的商用和社会价值。