CN103428782B - 一种卫星通信系统内的切换方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域，公开了一种卫星通信系统内的切换方法及装置。该方法为：同一卫星下的两个小区间切换时，卫星接入点向卫星终端发送切换命令并等待设定时长后，在接收到卫星终端返回的切换完成消息之前，即可判定卫星终端已与目标小区完成同步，并开始调度卫星终端进行数据传输，卫星接入点在目标小区内为卫星终端分配上行时频资源，以及在目标小区内为卫星终端分配下行时频资源并向终端发送下行数据，这样，可以有效降低星内切换情况下的用户面数据中断时间，从而有效缩短卫星通信系统内的传输时延，保证了卫星终端的业务性能，以及卫星通信系统的整体性能。

Description

一种卫星通信系统内的切换方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种卫星通信系统内的切换方法及装置。

背景技术

为了利用地面移动通信系统，特别是LTE(Long Term Evolution，长期演进)/LTE-Advanced(Long Term Evolution-Advanced，长期演进升级)系统的产业优势，ITU(国际电联)建议基于地面LTE以及LTE-Advanced系统设计未来第4代卫星移动通信系统，并要求终端尽量重用地面终端芯片设计。

卫星移动通信系统(也称卫星通信系统)根据卫星的星上处理能力不同，通常有2种布署方式，一种布署方式为卫星透明转发模式，参阅图1所示，所谓卫星透明转发模式即是指将移动通信的接入点(也称卫星接入点，相当于LTE系统中的基站，即eNodeB)放置在地面，用户信号通过卫星接收后透明转发给地面的卫星接入点，地面的卫星接入点再和卫星核心网相连(类似于地面基站和核心网相连)。而另外一种布署方式为星上接入处理模式，参阅图2所示，所谓星上接入处理模式即是指将移动通信的接入点(也称卫星接入点，相当于LTE系统中的基站，即eNodeB)位于卫星上面，卫星和地面移动终端之间通过空口连接，另外一端卫星空中接入点通过卫星和地面信关站通信并和卫星核心网连接。

基于透明转发的卫星通信系统，通过卫星上的多路馈源(通常几十个甚至上百个)和卫星天线，在卫星上通过赋形网络，形成空间窄波束，每一个波束相当于一个小区，具体如图3所示。

参阅图4所示，以GEO(Geosynchronous Earth Orbit，地球静止轨道)为例，卫星发出的两个波束形成的地面小区分别为小区1和小区2，单个波束在地面的覆盖距离为400-500Km左右，而卫星轨道距离约为36000Km，则单个波束的宽带通常在0.6度左右。

当UE从同一个卫星的一个波束覆盖范围移动到另一个波束移动范围，UE需要进行星内切换，以更换UE的服务小区；作为一种特例，即使不变更UE的服务小区，卫星也可以通过星内切换过程(即切换的源小区和目标小区是同一个小区)来变更UE的某些配置参数，如安全参数。

在现有LTE系统(地面LTE系统)中，eNB内切换包括两种场景：

第一种场景为：UE在同一个eNB管辖的不同小区间切换，其主要由于UE位置移动导致；

第二种场景为：UE在同一个eNB管辖的同一个小区内切换，其主要用于网络更新UE的安全配置参数。

上述两种场景下，UE可以采用相同的切换流程，具体参阅图5所示：

步骤1、服务eNB对UE进行测量配置，UE后继根据收到的测量配置信息对空口信号质量进行测量。

步骤2、UE利用在服务eNB为其调度的上行资源，向服务eNB上报测量结果。

步骤3、服务eNB根据测量结果进行切换判决，如果目标小区是本eNB控制的小区，eNB需要同时执行接纳判决。

步骤4、服务eNB为UE调度下行资源，并在所调度资源上，下发切换命令；切换命令中携带目标小区信息，UE在目标小区的配置，以及UE接入目标小区所需的信息，如目标小区的PRACH(Physical Random Access CHannel，物理随机接入信道)配置等。

步骤5、UE收到切换命令后，立即中止在源小区的数据收发，离开源小区，并建立与目标小区的下行同步。

如果是小区内切换，UE也需要中止数据收发，但可以认为UE与目标小区已经建立了下行同步。

步骤6、UE在目标小区发送随机接入上行Preamble码(前导码)，与目标小区建立上行同步。

步骤7、服务eNB向UE返回随机接入响应，响应消息中携带为UE分配的上行资源和终端定时调整量。

步骤8、UE根据收到的终端定时调整量，调整上行信号的发送时间，并向网络返回切换完成消息。

此后，UE在目标小区可以进行数据的收发。

从上述过程中，可以看到：

从步骤4到步骤8之间，UE与服务eNB之间是不传输业务数据的。这段时间为UE的用户面数据中断时延。在现有LTE系统中，eNB内切换造成的用户面数据中断时延一般在二三十毫秒以内。

上述现有LTE系统eNB内切换流程不能直接应用于卫星系统的星内切换场景，因为卫星接入点与终端之间距离遥远，单次传输时延很大。以图5所示场景为例，在陆地LTE系统中，eNB与UE之间距离近(约在100km以内)，两者之间单次传输时延不到0.5ms，而卫星接入点与终端之间单次传输时延为120ms(如图2所示)，如果采用现有的切换流程，即使不考虑UE与目标小区下行信号的同步时延(即图5中步骤5的时延)，在切换过程中数据中断时延通常将达到4*120＝480ms，具体如参阅图6所示，图6中采用斜线标识信令，以体现信号在空间的传播时延，即接收端接收到消息的时间与发送端发送消息的时间之间有比较大的时延；进一步地，若将现有的切换流程应用于如图1所示的场景，那么切换过程中数据中断时延甚至会达到4*240＝960ms。如此大的数据中断时延将会严重影响卫星通信系统的整体性能。

有鉴于些，需要针对卫星通信系统重新设计相适合的小区切换流程以克服上述缺陷。

发明内容

本发明实施例提供一种卫星通信系统内的切换方法及装置，用以当终端在同一卫星下的两个小区间切换(即星内切换)时，避免产生过长的用户面数据中断时间。

本发明实施例提供的具体技术方案如下：

一种卫星通信系统内的小区切换方法，包括：

在进行星内切换时，卫星接入点通过源小区向卫星终端发送切换命令，指示卫星终端由源小区切换至目标小区；

卫星接入点在切换命令发送完毕且设定的等待时长结束后，判定卫星终端已与目标小区完成同步，其中，所述等待时长短于卫星接入点发送切换命令和接收切换完成消息之间的间隔时长；

卫星接入点在目标小区调度卫星终端进行数据传输；其中，上述卫星接入点在目标小区调度卫星终端进行数据传输，包括：卫星接入点在目标小区内为卫星终端分配上行时频资源，以及在目标小区内为卫星终端分配下行时频资源并向终端发送下行数据。

一种卫星通信系统内的小区切换方法，包括：

在进行星内切换时，卫星终端通过源小区接收卫星接入点采用上述方法发送的切换命令；

卫星终端根据接收的切换命令，完成与目标小区的同步；

卫星终端在目标小区内根据卫星接入点的调度进行数据传输；其中，上述卫星终端在目标小区内根据卫星接入点的调度进行数据传输，包括：卫星终端在目标小区内基于卫星接入点分配的下行时频资源接收卫星接入点发送的下行数据，以及在目标小区内基于卫星接入点分配的上行时频资源，向卫星接入点返回切换完成消息，以及开始向卫星接入点发送上行数据。

一种卫星通信系统内的小区切换装置，包括：

通信单元，用于在进行星内切换时，通过源小区向卫星终端发送切换命令，指示卫星终端由源小区切换至目标小区；

判定单元，用于在切换命令发送完毕且设定的等待时长结束后，判定卫星终端已与目标小区完成同步，其中，所述等待时长短于卫星接入点发送切换命令和接收切换完成消息之间的间隔时长；

调度单元，用于在目标小区调度卫星终端进行数据传输；其中，上述调度单元在目标小区调度卫星终端进行数据传输，包括：所述调度单元在目标小区内为卫星终端分配上行时频资源，以及在目标小区内为卫星终端分配下行时频资源并向终端发送下行数据。

一种卫星通信系统内的小区切换装置，包括：

第一通信单元，用于在进行星内切换时，通过源小区接收卫星接入点采用上述方法发送的切换命令；

处理单元，用于根据接收的切换命令，完成与目标小区的同步；

第二通信单元，用于在目标小区内根据卫星接入点的调度进行数据传输；其中，所述第二通信单元在目标小区内根据卫星接入点的调度进行数据传输，包括：所述第二通信单元在目标小区内基于卫星接入点分配的下行时频资源接收卫星接入点发送的下行数据，以及在目标小区内基于卫星接入点分配的上行时频资源，向卫星接入点返回切换完成消息，以及开始向卫星接入点发送上行数据。

本发明实施例中，在进行星内切换时，卫星接入点向卫星终端发送切换命令并等待设定时长后，在接收到卫星终端返回的切换完成消息之前，即可判定卫星终端已与目标小区完成同步，并开始调度卫星终端进行数据传输，卫星接入点在目标小区内为卫星终端分配上行时频资源，以及在目标小区内为卫星终端分配下行时频资源并向终端发送下行数据，这样，可以有效降低星内切换情况下的用户面数据中断时间，从而有效缩短卫星通信系统内的传输时延，保证了卫星终端的业务性能，以及卫星通信系统的整体性能。

附图说明

图1为现有技术下卫星通信系统内透明转发模式示意图；

图2为现有技术下卫星通信系统内星上转发模式示意图；

图3为现有技术下卫星小区生成示意图；

图4为现有技术下卫星小区覆盖方式示意图；

图5为现有技术下eNB内切换流程图；

图6为现有技术下基于LTE的星内切换模式流程图；

图7为本发明实施例中星内切换模式概述流程图；

图8为本发明实施例中星内切换模式详细流程图；

图9为本发明实施例中卫星接入点功能结构示意图；

图10为本发明实施例中卫星终端功能结构示意图。

具体实施方式

在卫星通信系统中，为了避免星内切换流程中用户面数据中断时间过长，本发明实施例中给出了一种改善星内切换的方法，具体为：在星内切换的场景下，卫星接入点在源小区向卫星终端发送切换命令且等待设定时长后，无需等待接收到终端返回的切换完成消息，即可以判定卫星终端已经与目标小区建立了上下行同步，并在目标小区开始调度卫星终端进行数据传输，以减少UE同步过程造成的传输时延，缩短用户面数据中断时间，在此过程中，卫星UE在目标小区无需执行同步过程，即图6中记载的步骤6和步骤7。

下面结合附图对本发明优选的实施方式进行详细说明。

参阅图7所示，本发明实施例中，在卫星通信系统内，同一卫星接入点下小区切换的概述流程如下：

步骤700：卫星接入点通过源小区向卫星终端发送切换命令，指示卫星终端由源小区切换至目标小区。

本发明实施例中，卫星接入点可以是卫星透明转发模式下的地面卫星接入点，也可以是星上接入处理模式下的空中卫星接入点，具体参阅图1和图2所示的应用场景。而源小区和目标小区既可以是不同小区，也可以是相同小区，即切换流程可以是小区间切换，也可以是小区内切换，后续实施例中均适用，将不再赘述。

步骤710：卫星终端通过源小区接收卫星接入点发送的切换命令。

步骤720：卫星接入点在切换命令发送完毕且设定的等待时长结束后，判定卫星终端已与目标小区完成同步，其中，该等待时长短于卫星接入点发送切换命令和接收切换完成消息之间的间隔时长。

具体为：卫星接入点在发送完切换命令且设定的等待时长结束后，即可判定卫星终端已与目标小区完成下行同步，以及判定卫星终端已与目标小区完成上行同步。

其中，卫星接入点之所以可以在发送完切换命令后，立即判定之卫星终端完成了与目标小区的上行同步，是基于以下原因：

所谓上行同步是指：UE发送的上行信号落入到网络侧指定的接收窗口内。因为信号在空间传输有一定的时延，所以UE需要在接收窗口到来前，提前进行上行信号的发送。现有技术下，在地面的LTE系统内，UE可以通过随机接入过程在一个小区内建立初始上行同步，如，在随机接入过程中，UE发送一个已知序列给网络侧，网络侧监测序列的实际接收时刻与预期接收时刻的时间差，然后将时间差通知UE，UE根据该时间差调整上行信号的发送提前量，以实现上行同步。此后，由于UE的移动性会导致其与基站的距离发生变化，从而导致定时提前量也需要发生变化，因此网络侧会实时地根据需要再次发送提前量给UE以维持UE的上行同步。在进行eNB内切换时，无论是小区间切换还是同小区切换，由于源小区和目标小区的信号来自同一eNB，且小区间定时同步(即帧头的起始时刻是相同的)，因此，原则上可以认为源小区和目标小区在理想状态下是同步的，但实际情况下，由于源小区和目标小区可能由eNB上的不同天线形成，而不同天线到UE的距离不同，因此，为了保证UE的性能，较佳的，UE由源小区切换至目标小区时，还是需要执行上行同步流程。而在卫星通信系统中，与LTE系统同理，在星内切换场景下，卫星终端在切换前与源小区之间是维持了上行同步关系的，由于源小区和目标小区的信号来自同一卫星且小区间定时同步(即帧头的起始时刻是相同的)，而此时不同天线到卫星终端的距离上的差异相对于卫星到地球的距离而言可以忽略不计，因此，可以认为UE在源小区的定时参数(如，发送定时提前量)可以直接用于目标小区，也就是说，UE切换到目标小区时，无需再进行上行同步过程了。因而，卫星接入点发送完切换命令后，可以立即判定卫星终端已完成与目标上区的上行同步。

而相应的，在接收到卫星接入点发送的切换命令后(此时，由于切换命令有传输时延，卫星接入点可能已经结束等待时长并开始调度卫星终端进行数据传输)，卫星终端需要完成与目标小区的下行同步，并判定本卫星终端已与目标小区完成上行同步，其中，卫星终端完成与目标小区下行同步所需时长和卫星接入点使用的等待时长可以预先约定，两者可以相同，如，均为10ms；也可以不同，如，前者为10ms，而后者为10ms，之所以令等待时长略长于卫星终端完成与目标小区下行同步所需时长，是为了使卫星终端有充足的时间完成与目标小区的下行同步，以避免卫星接入点开始进行数据调度时，卫星终端还未与目标小区达到下行同步，从而无法接收卫星接入点的下行信号，造成资源浪费以及数据丢失。

步骤730：接收到卫星接入点发送切换命令后，卫星终端完成与目标小区的同步。

具体为：卫星终端接收到切换命令后，开始与目标小区建立下行同步，以及判定本卫星终端已与目标小区完成上行同步；其中，卫星终端判断已与目标小区完成上行同步即是指可以在目标小区内直接应用源小区对应的定时提前量，而无需重新执行与目标小区的上行同步。

步骤740：卫星接入点在目标小区调度卫星终端进行数据传输。

具体为：卫星接入点可以在目标小区内为卫星终端分配上行时频资源，以及在目标小区内为卫星终端分配下行时频资源并向终端发送下行数据。

而卫星终端在获得卫星接入点分配的上行时频资源后，即可以向卫星接入点返回切换命令，以及开始向卫星接入点发送上行数据。

步骤750：卫星终端在目标小区内根据卫星接入点的调度进行数据传输。

卫星终端在目标小区内基于卫星接入点分配的下行时频资源接收卫星接入点发送的下行数据，以及在目标小区内基于卫星接入点分配的上行时频资源，向卫星终接入点返回切换完成消息，以及开始向卫星接入点发送上行数据。

基于上述实施例，参阅图8所示，下面以一个具体的应用场景为例，介绍星内切换的详细流程如下：

步骤10、卫星接入点对卫星终端进行测量配置，卫星终端后继根据收到的测量配置信息对空口信号质量进行测量。

步骤20、卫星终端采用卫星接入点为其调度的上行时频资源，向卫星接入点上报测量结果。

步骤30、卫星接入点根据测量结果进行切换判决，如果目标小区是卫星接入点控制的小区，则卫星接入点还需要同时执行接纳判决。

步骤40、卫星接入点为卫星终端调度下行时频资源，并在所调度的下行时频资源上，向卫星终端发送发切换命令。

切换命令中携带目标小区信息，卫星终端在目标小区的配置。

步骤50、卫星接入点在发送完切换命令后，等待设定时长(即在设定的等待时长内不执行任何调度操作)。

较佳的，等待时长可以设置约为十几到几十毫秒，具体取值由卫星的实现决定。等待时长选取应考虑卫星终端可以在这段时间内完成与目标小区的下行同步。

步骤60、卫星终端接收到卫星接入点发送的切换命令后，离开源小区并与目标小区建立下行同步。

在步骤60中卫星终端完成同步操作所需的执行时长与步骤50中卫星接入点的等待时长是对应的，在执行时长内，卫星终端不能接收来自卫星接入点的数据和调度信令；因此，步骤50中的卫星接入点的等待时长不宜过短，以免卫星终端还没有与目标小区进行下行同步，卫星接入点的调度信号就传到了地面，造成数据的丢失和资源的浪费；而步骤50中的卫星接入点的等待时长也不宜过长，以免在卫星终端完成下行同步后较长时间内，卫星接入点始终未为卫星终端调度数据传输，造成数据中断时延过大。

在步骤50中的等待时长设置合理的前提下(如，20ms)，一旦卫星终端完成步骤60，则很快能接收到卫星接入点发送的下行数据和上行调度信令。

步骤70、在等待时长结束后，卫星接入点开始在目标小区为卫星终端调度上下行时频资源，并开始发送下行数据。

步骤80、卫星终端在目标小区内，在接收到卫星接入点发送的上行调度信令后，采用卫星接入点分配的上行时频资源向卫星接入节点发送切换完成消息，以及开始向卫星接入点发送上行数据。

至此，星内切换完成。

参阅图8所示，采用上述方案，卫星终端的上，下行数据中断时间与卫星终端在目标小区建立下行同步的时间基本相同，具体为离开源小区并与目标小区建立下行同步所需的时间，一般在二三十毫秒以内(类似于LTE系统)，有效缩短了卫星通信系统中的用户面数据中断时间，不会对卫星终端的业务性能造成影响。

基于上述方案，参阅图9和图10所示，本发明实施例中，

卫星接入点包括通信单元90、判定单元91和调度单元92，其中

通信单元90，用于在进行星内切换时，通过源小区向卫星终端发送切换命令，指示卫星终端由源小区切换至目标小区；

判定单元91，用于在切换命令发送完毕且设定的等待时长结束后，判定卫星终端已与目标小区完成同步，其中，该等待时长短于卫星接入点发送切换命令和接收切换完成消息之间的间隔时长；

调度单元92，用于在目标小区调度卫星终端进行数据传输。

卫星终端包括第一通信单元100、处理单元101和第二通信单元102，其中，

第一通信单元100，用于在进行星内切换时，通过源小区接收卫星接入点发送的切换命令；

处理单元101，用于根据接收的切换命令，完成与目标小区的同步；

第二通信单元102，用于在目标小区内根据卫星接入点的调度进行数据传输。

综上所述，本发明实施例中，在进行星内切换时，卫星接入点向卫星终端发送切换命令并等待设定时长后，在接收到卫星终端返回的切换完成消息之前，即可判定卫星终端已与目标小区完成同步，并开始调度卫星终端进行数据传输，卫星接入点在目标小区内为卫星终端分配上行时频资源，以及在目标小区内为卫星终端分配下行时频资源并向终端发送下行数据，这样，可以有效降低星内切换情况下的用户面数据中断时间，从而有效缩短卫星通信系统内的传输时延，保证了卫星终端的业务性能，以及卫星通信系统的整体性能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (13)

1.一种卫星通信系统内的小区切换方法，其特征在于，包括：

在进行星内切换时，卫星接入点通过源小区向卫星终端发送切换命令，指示卫星终端由源小区切换至目标小区；

卫星接入点在切换命令发送完毕且设定的等待时长结束后，判定卫星终端已与目标小区完成同步，其中，所述等待时长短于卫星接入点发送切换命令和接收切换完成消息之间的间隔时长；

卫星接入点在目标小区调度卫星终端进行数据传输；其中，所述卫星接入点在目标小区调度卫星终端进行数据传输，包括：卫星接入点在目标小区内为卫星终端分配上行时频资源，以及同时在目标小区内为卫星终端分配下行时频资源并向终端发送下行数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述源小区和目标小区为相同小区，或者，为不同小区。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述卫星接入点为地面卫星接入点，或者，为空中卫星接入点。

4.如权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述卫星接入点在切换命令发送完毕且设定的等待时长结束后，判定卫星终端已与目标小区完成同步，包括：

所述卫星接入点在切换命令发送完毕且设定的等待时长结束后，即判定卫星终端已与目标小区完成下行同步，以及判定卫星终端已与目标小区完成上行同步。

5.一种卫星通信系统内的小区切换方法，其特征在于，包括：

在进行星内切换时，卫星终端通过源小区接收卫星接入点采用如权利要求1所述的方法发送的切换命令；

卫星终端根据接收的切换命令，完成与目标小区的同步；

卫星终端在目标小区内根据卫星接入点的调度进行数据传输；其中，所述 卫星终端在目标小区内根据卫星接入点的调度进行数据传输，包括：卫星终端在目标小区内基于卫星接入点分配的下行时频资源接收卫星接入点发送的下行数据，以及同时在目标小区内基于卫星接入点分配的上行时频资源，向卫星接入点返回切换完成消息，以及同时开始向卫星接入点发送上行数据。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述源小区和目标小区为相同小区，或者，为不同小区。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述卫星接入点的等待时长与卫星终端实现与目标小区同步所需时长相同，或者，所述卫星接入点的等待时长长于卫星终端实现与目标小区下行同步所需时长。

8.如权利要求5、6或7所述的方法，其特征在于，卫星终端根据接收的切换命令，完成与目标小区的同步，包括：

卫星终端接收到切换命令后，完成与目标小区的下行同步，以及判定本卫星终端已与目标小区完成上行同步。

9.一种卫星通信系统内的小区切换装置，其特征在于，包括：

通信单元，用于在进行星内切换时，通过源小区向卫星终端发送切换命令，指示卫星终端由源小区切换至目标小区；

判定单元，用于在切换命令发送完毕且设定的等待时长结束后，判定卫星终端已与目标小区完成同步，其中，所述等待时长短于卫星接入点发送切换命令和接收切换完成消息之间的间隔时长；

调度单元，用于在目标小区调度卫星终端进行数据传输；其中，所述调度单元在目标小区调度卫星终端进行数据传输，包括：所述调度单元在目标小区内为卫星终端分配上行时频资源，以及同时在目标小区内为卫星终端分配下行时频资源并向终端发送下行数据。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述装置为地面卫星接入点，或者，为空中卫星接入点。

11.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，所述判定单元在切换 命令发送完毕且设定的等待时长结束后，判定卫星终端已与目标小区完成同步，包括：

所述判定单元在切换命令发送完毕且设定的等待时长结束后，即判定卫星终端已与目标小区完成下行同步，以及判定卫星终端已与目标小区完成上行同步。

12.一种卫星通信系统内的小区切换装置，其特征在于，包括：

第一通信单元，用于在进行星内切换时，通过源小区接收卫星接入点采用如权利要求1所述的方法发送的切换命令；

处理单元，用于根据接收的切换命令，完成与目标小区的同步；

第二通信单元，用于在目标小区内根据卫星接入点的调度进行数据传输；其中，所述第二通信单元在目标小区内根据卫星接入点的调度进行数据传输，包括：所述第二通信单元在目标小区内基于卫星接入点分配的下行时频资源接收卫星接入点发送的下行数据，以及同时在目标小区内基于卫星接入点分配的上行时频资源，向卫星接入点返回切换完成消息，以及同时开始向卫星接入点发送上行数据。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述处理单元根据接收的切换命令，完成与目标小区的同步，包括：

所述第一通信单元接收到切换命令后，所述处理单元完成与目标小区的下行同步，以及判定本装置已与目标小区完成上行同步。