星地融合切换在海域应用研究

陈 戈，姬天相，张少飞，郭水亮

（1.中石油塔里木油田公司油气数智技术中心（数字和信息化管理部），新疆 库尔勒 841000；2.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

1 研究背景

在国家“海洋强国”的战略背景下，海洋通信需求日益增长，天地一体网络在海洋船载场景的覆盖，为不同行业、不同部门的发展提供了重要的技术提升手段。例如，为加强船只安全作业监管、提升搜救能力，农业农村部“宽带入海”工程初期将覆盖1.2万艘渔船。据农业农村部发布的《中国渔业年鉴》统计，我国现有海洋渔船超30万艘，渔业从业人员超过2 000万人，市场需求巨大[1]。

卫星通信是面向远海的船载通信唯一解决手段，也是全球海域网络互联的唯一方式，目前为满足海洋通信逐步提高的带宽需求，将海洋通信分为近海通信及远海通信。在近海通信中，岸基基站在海岸线一定范围内可以满足船员在近海作业的需求，用户可直接通过陆地基站接入；而相比之下，远海用户则通过连接船载基站，进而通过卫星通信方式，连接至地面网络。

相比而言，岸基接入容量高、时延低，但信号随着用户进入深海而变弱；卫星带宽时延高、容量有限、资源稀缺且昂贵。因此，如何在近远海之间进行合理的网络切换，成为节约资源、提升用户通信质量的关键。本文针对船载基站的切换策略提出一种基于用户策略和基站服务区感知的方案，是船载基站在天地一体网络中合理切换的重要手段。

2 船载基站切换策略应用的意义

空天地海一体网络是6G网络发展的重要方向，要具有全球覆盖、按需服务、随遇接入的能力，尤其对于海洋、沙漠、偏远地区等人迹罕至的区域，卫星通信是网络能力提升的首选方式。随着卫星互联网的发展，基于卫星通信传输的移动式基站在车辆、船只、飞机等移动载体上有着巨大的应用。

无论是以何种载体，如车载动中通、船载卫星基站等，随着载体基站的不断移动，都面临着地面网络和卫星网络的切换选择的判决。船载通信包含近海的岸基基站通信及远海使用的卫星通信两种手段，用户可以通过在地面网络日常使用的智能终端设备连接到船载基站进行通信，而船载基站则通过卫星通信的手段进行回传，通过地面关口站连接至核心网[2-3]。

具体如图1所示，位于远海作业的船只装备有卫星通信设备和移动基站设备，船上用户通过与地面网一致的无线制式（3GPP标准体系）连接至船载移动基站，基站基带设备接入卫星通信终端设备，通过卫星转发接入陆地关口站，关口站再通过陆地光缆传输网络连接至归属地核心网，实现移动网络接入。而当船只位于近海区域时，用户可直接连接至岸基基站，船载基站则处于关闭状态。

图1 海洋通信网络传输结构图

但仅采用上述方式还存在一系列不足。由于陆地岸基基站可以覆盖一定的近海海洋区域，在船只由近海至远海行驶或位于其边界作业时，存在卫星接入判决的问题，即若接入卫星网络，则由于其传输特性，不可避免给用户带来500 ms以上的延迟，并占用带宽资费较贵的网络资源，而此时断开卫星网络，用户能接收的岸基基站信号较弱，稳定性差，大幅度降低用户使用体验，因此何时对基站进行开启和关闭，对于用户使用体验有着较为关键的意义。

3 切换策略分析

3.1 切换策略应用情境介绍

空天地海一体化网络的发展离不开卫星通信与地面移动通信网络的融合，在海洋通信、航空机载通信、偏远山区等远离地面网络场景中，越来越多地采用移动基站结合卫星通信进行回传的方式，实现用户在海洋船只、移动车辆上的通信拓展。

本文以船载站点为应用场景案例，介绍网络切换及卫星接入判决方法，其应用实现目标如下。

（1）当船载基站行驶至地面岸基基站覆盖的边缘处时，通过所提出的判决策略，实现保证信号质量条件下的有限地面网络接入，使用户尽可能地避免卫星传输的较大时延和使用昂贵地带宽资源。

（2）复杂海域难以避免非授权网络（如他国运营商）较高的信号接收功率，在船载基站移动至靠近非授权地面网附近时，通过对卫星服务区的感知，可以维持基站的卫星传输途径，避免用户接入非授权网络。

（3）当船载基站在逐步靠近或远离岸边时，根据对基站内总体用户而非单一检测终端的信号的质量评估，作为基站开启关断的判决输入，即切换的判决条件，以保证整体用户信号质量，提升整体用户的使用体验。

目前，船载通信在进行网络切换时采用传统方式，需要人工对船载基站网络的启用和断开进行操作，加入切换判决策略后，不仅可在船载基站实现合理的判决，而且在动中通卫星基站车、机载通信等场景均可以提供相同的功能。

3.2 网络结构和设备组成

本文提出的方案的网络结构如图2所示，涉及网络设备组成包括船载移动基站、卫星射频系统、卫星基带系统、Wi-Fi接收数据处理单元、用户终端、卫星、卫星主站系统、地面传输系统、核心网，根据功能分为基站、终端、卫星及传输系统三大部分。

图2 网络结构及设备组成

图3 切换判决流程图

（1）船载基站系统：提供移动终端的空中接口，为用户终端船载接入提供基础，在卫星传输开启的条件下，通过卫星连接核心网，并在卫星传输终端关闭射频信号时与终端断开连接。

（2）移动终端：即3GPP标准体系下的通信终端，通过连接船载基站进行通信。终端还包含Wi-Fi数据上报单元，通过近距离传输手段，将终端对周边基站的测量值即邻区数据传输至卫星设备侧的数据处理和控制单元，进而通过对判决函数的计算，控制卫星传输。

（3）卫星及传输系统：进行服务区感知及基站回传，通过GNSS对服务区、数据处理及控制单元的判断，决定是否选择卫星传输。信号接入卫星主站，再通过地面传输网络接入核心网。

3.3 切换判决流程

本文提出的方案通过对卫星船载基站的卫星传输开启判决的方法，实现用户在卫星回传网络和地面移动网络之间的切换。方案中涉及的网络设备包括移动船载基站、岸基基站、卫星基带系统、用户终端设备、Wi-Fi接收数据处理单元、卫星、卫星主站系统、核心网，其中Wi-Fi接收数据处理单元作为本方案的关键节点，实现卫星设备开启即网络切换的判决，详细流程如下。

（1）卫星在开启后进行正常寻星连接过程中与卫星主站之间建立连接，同时该设备的Wi-Fi接收单元开启。

（2）卫星设备持续接收GNSS信号，确定该站点经纬度，进而卫星设备通过位置信息进行服务区感知判断，确定当前站点是否位于卫星通信服务范围，即位于设定的电子围栏范围。若此时判断站点在服务区外，则卫星设备停止基站通信回传服务，此时基站也因传输中断而关闭射频信号，用户将重新注册连接至岸基基站或断开网络；若此时判断站点在服务区内，则卫星设备进入正常回传流程。

（3）基站通过卫星连接至核心网，用户终端设备连接船载移动基站进行正常通信，同时终端设备以一定周期通过Wi-Fi连接至卫星设备的Wi-Fi接收单元，并向其持续发送周边岸基基站的无线接收信息；卫星设备中的Wi-Fi单元持续接收本地网络内的所有终端测量信息，并根据目标函数进行不间断的计算。在未满足目标函数切换条件下维持卫星回传状态。

（4）一旦达到切换条件，卫星设备将中断回传服务，此时终端根据周边较优的岸基基站的信号进行重选和接入，从而实现网络切换。

3.4 切换判决算法

本切换方案中卫星传输开启/关闭的判决主要由卫星终端侧的Wi-Fi接收和数据处理及控制模块计算确定，其输入数据包括Wi-Fi数据单元收集的终端数据和站点实时经纬度，目标函数为

式中， 为满足切换条件占比的指标，即满足切换条件的用户与所有局域网内用户数的比值； 为卫星开启判决的门限，是 值判决对比的依据，由人为设定或根据实际使用情况进行优化； 为站点当前经纬度； 为设定的卫星服务区，即电子围栏范围，isInRegion(P,R)函数的功能是判断P点位置是否在围栏R的范围内。

的计算如下：终端接收当前基站的RSR P、PCI、EARFCN以及邻区基站Neighbor_RSRP_list、Neighbor_PCI_list、Neighbor_EARFCN_list信息将其通过Wi-Fi模块上传至Wi-Fi数据单元。终端上传数据如表1所示。

表1 终端上传参数表

以3GPP中LTE同频切换为例，当同频邻区信号好于服务小区信号时就进行切换，即A3事件，判决不等式为

式中，Mn为邻小区测量值（RSRP）；Ofn为邻小区频率偏置，在服务小区的邻区列表中配置，同频切换时该值为0；Ocn为（CellIndividualOffset：小区偏移量），该值在服务小区的邻区列表中设置；Ms为服务小区的RSRP测量值；Ofs为服务小区频率偏置，同频切换时该值为0；Hys为A3事件迟滞值，该值在服务小区参数中；Ocs为（CellSpecificOffset服务小区偏置），就是小区属性参数中定义小区切换偏置cellIndividualOffset（Ocs），一般用于负荷切换，一般不用，参数在测量控制中下发；Off为A3事件偏置值，该值在服务小区参数中；Hys与Off的值，都是调大切换难度加大，调小难度变容易。由于用户连接船载基站并随船只移动，Ms值将保持足够的强度，导致A3事件无法触发。

目标函数中 为卫星开启判决门限，当判决切换条件占比 时，卫星基带系统控制开启基站的回传功能，当 时，则卫星基带系统控制关闭基站的回传功能。

4 该切换方案的优势

与传统方式相比，该方案可以充分利用用户对信号的测量值，并结合基站地理位置及卫星服务区感知，确保相对较好的信号质量及卫星带宽的高效利用，具体在技术上有如下优势。

（1）通过对基于地理位置的卫星服务区感知，基站可以在设定服务区内保持卫星传输；在超出服务区时通过其他方式传输信号或断开网络，而非检测到较强信号功率即进行切换，可在船载基站移动至靠近非授权地面网附近时，避免用户接入非授权网络。

（2）通过检测地面基站信号强度的传统判决方式受偶发因素影响较大，单一的检测结果无法体现整体接入用户的使用体验，而基于规模用户测量值的判定算法，综合接入的所有用户测量值，决定卫星传输的开启和关闭，保证不同用户终端的通信质量，提升了整体用户的适用体验。

（3）传统船载通信终端为定制化终端和普通移动终端之间进行卫星通信，相比现有船载卫星通信技术，本方案可以在远海卫星通信和近海岸基通信切换中，使用用户移动终端连接移动载体中的基站，通过移动基站的卫星回传完成切换。此应用适用于地面的普通移动终端，无需对终端进行特殊改动或增加卫星通信等其他能力。

如图4所示，用户有连接1和连接2两种方式，它们可以根据不同的场景融合卫星与地面网络各自的优势。与传统接入方式相比，本方案增加了船上用户通过近距离传输即Wi-Fi连接传输数据的途径，从而实现了对船上用户的收集和计算，并实现合理的切换策略。

图4 船载基站切换方案通信连接示意图

5 结束语

在天地一体网络中，船载基站的切换策略是保障海洋通信稳定、高效的关键。随着国家海洋战略推进实施，海上运输、资源开发等经济活动日趋活跃，海洋通信需求不断增长，天地一体网络融合天基与地基的各自优势，可以在很大程度上拓展4G/5G的应用范围，本文提出船载基站的切换策略在复杂的海洋移动通信场景下，提升用户使用体验。■