CN110856211B - 一种非地面移动通信网络下基于l2内部数据迁移的低时延切换方法 - Google Patents

一种非地面移动通信网络下基于l2内部数据迁移的低时延切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非地面移动通信网络下基于L2内部数据迁移的低时延切换方法，属于移动通信领域。在非地面移动通信网络中，从源基站迁移到目的基站的L2各子层的相关信息主要包含未发送到低层的数据和未递交高层的数据等。通过L2各子层信息的迁移，可尽快的恢复切换过程中L2的数据传输功能。对于非地面移动通信网络中大空口时延场景下的切换过程，该发明能够有效缩短切换过程中的数据中断时间，提升用户的业务感受。

Description

一种非地面移动通信网络下基于L2内部数据迁移的低时延切 换方法
技术领域
本发明属于移动通信领域，具体涉及到一种非地面移动通信网络中基于L2内部数据迁移的低时延切换方法。
背景技术
随着无线通信事业的发展，人们可通过终端在地面移动网络覆盖范围下进行通信，但是地面移动网络的覆盖范围有限，在远洋、沙漠和一些偏远地区建站困难，信号难以覆盖。实现通信服务全球、无缝覆盖已成为目前无线通信领域的主要目标方向。非地面移动通信网络提供了更加灵活和覆盖性能更优的选择。以非地面移动通信网络中的卫星移动通信系统为例，卫星移动通信系统可以实现全球无缝覆盖，解决地面网的盲区覆盖问题或稀有用户密度区域的基本通信问题，同时在出现自然灾害或热点地区，弥补了地面通信覆盖范围的不足。低轨卫星由于轨道高度低，因此星地传输时延较小且路径损耗较少，通过使用多个卫星组成星座就能覆盖整个地球。借助星上多波束天线的使用，在地面形成多个重叠的蜂窝状服务小区，小区内的用户可以接入至少一颗卫星来获得通信服务。由于围绕地球高速旋转运动的低轨卫星对某一区域只能实现有限面积，有限时间的非连续覆盖。此外，当终端穿越相邻波束覆盖区的边界时，用户无法继续从当前波束获得服务，需要被动转移到新的波束覆盖区。对于低轨卫星，终端发生波束切换的时间在秒级，发生星间切换的时间在分钟级。降低卫星移动带来的频繁切换对用户业务的影响，成为一个急需解决的问题。
目前卫星移动通信系统中，比较倾向于在地面移动通信系统的技术体系上，进行一些必要的改造设计，以实现星地空口融合。现有地面移动通信系统中，切换时，L2协议栈主要根据业务的Qos要求，提供基于无损或者无缝的数据传输服务。如图2所示，L2信令面和数据面的协议栈组成示意图。现有地面移动通信系统中，在密钥不发生变更的情况下，切换分解到 L2内部子层的功能，主要如下：
1)PDCP层
地面移动通信4G体系下，PDCP在源侧和目的侧之间做数据转发；地面移动通信5G体系下，PDCP执行数据恢复流程。切换完成后，对端的PDCP接收实体，会发送PDCP状态报告，告知PDCP发送实体，有哪些PDCP SDU需要重传。
2)RLC层
丢弃所有的数据、重置所有的定时器和状态变量。
3)MAC层
重置所有的缓存、数据等。
在卫星移动通信系统下，在切换过程中，数据面暂停传输，RLC层、MAC层和PHY层的未发送和未接收的数据都会被丢弃，切换完成后，接收端可反馈PDCP层状态报告，通知发送端报文的丢失情况。发送端接收到状态报告以后，会根据状态报告的指示，开始在PDCP层重新传输对端未收到的报文。对于卫星移动通信系统，双向的链路时延在40ms以上，大传输时延会增加L2各子层缓存数据量：
1.对于PHY层，大的传输时延，需要更多的HARQ进程来支持并发式传输。以40ms的双向链路时延来说，在子载波为120KHz的配置下，至少需要320个HARQ进程。为了实现HARQ合并功能，接收端可能会保存约37M bytes的缓存数据。
2.对于MAC层，从数据发送到收到HARQ反馈的时延超过40ms，这个时延远超地面的2ms。由于反馈的时延比较大，导致MAC层会存储这40ms发送出去尚未收到HARQ反馈的报文，这个数据量大概在5M bytes左右。
3.对于RLC层，MAC报文重传达到最大重传次数以后，会触发RLC层的ARQ过程。RLC层等待ARQ反馈的时延远大于HARQ反馈时延，因此，RLC层等待ARQ反馈的报文会更多一些，最恶劣情况下大概在1125M(SN 18bit)bytes左右。
以上各层的数据都是经过协议处理后的数据，切换时，如果采用和地面移动通信一样的处理策略，以上报文会被直接丢弃。切换后，这些数据就需要通过PDCP层发起重传来保证数据的。
卫星移动通信系统中，这部分被丢掉的缓存报文，切换完成后，在发送端接收到接收端反馈的状态报告后，才开始恢复数据传输，并且优先重传状态报告中指示丢弃的报文。一方面，由于状态报告可能在空口发生重传，这样会增加PDCP层恢复报文传输的时延；另一方面，相较于地面系统，卫星移动通信系统下，缓存的报文数量非常多，而这部分报文都是经过高层协议处理的报文。如果丢弃这部分报文，在切换完成后的数据恢复传输过程中，这部分数据就需要重新作协议处理。因此，在卫星移动通信系统中，切换过程中丢弃的缓存报文数越多，就会引入越大的业务中断和传输时延。
发明内容
在地面5G方案的基础上，对非地面接入网络下的切换流程进行一些改进设计，减少切换过程中数据中断的时间，提出非地面移动通信网络下的基于L2内部信息迁移的低时延切换方法。
如图1所示，本发明采用的技术方案为一种非地面移动通信网络下基于L2内部数据迁移的低时延切换方法，当终端面临切换时，该方法步骤包括：
步骤1：对于RLC层上行业务，基站将接收窗口信息和未上交的数据从源侧迁移到目的侧，终端保存未发送出去的数据，待切换完成后继续发送；对于RLC层下行业务，基站将发送窗口信息和未发送出去的数据全部从源侧迁移到目的侧，终端保存接收窗口信息和未上交的数据，待切换完成后，继续接收；
步骤2：对于MAC层上行业务，基站侧收到的尚未递交高层的数据，从源侧迁移到目的侧，终端侧保存待发送的数据不清空，待切换完成后继续发送；对于MAC层下行业务，基站侧的待发送的数据从源侧迁移到目的侧，终端侧还没递交高层的数据不丢弃，待切换完成后继续递交高层。
步骤3：对于PHY层，基站侧用来做HARQ冗余合并的数据从源侧迁移到目的侧，终端侧保存用来做HARQ冗余合并的HARQ数据，待切换完成后，恢复传输。
本发明提出的非地面移动通信网络下的基于L2各子层数据迁移的低时延切换方法，L2各子层都可进行数据迁移，但实施过程并不约束每个子层都作数据迁移，可根据实际环境和设备复杂度进行选择性迁移，相对于现技术具有以下的有益效果：
1.从源侧迁移到目的侧的报文，由于不需要重新做高层协议处理的过程，可以减少报文的时延；
2.迁移过来的报文在收到状态报告之前就可开始传输，不需要等到状态报告，加快切换过程数据恢复正常传输的速度。
附图说明
图1为L2内数据迁移示意图。
图2为L2内各子层部署及数据流向。
图3为状态报告上报示意图。
图4为卫星内波束间切换示意图。
图5为非地面移动通信网络下切换流程。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明进一步说明。
本发明提出了非地面移动通信网络下的基于L2内部数据迁移的低时延切换方法。以图4 所示的卫星内波束间切换场景，针对该切换过程，详述发明方法。
UE为user equipment，表示用户终端；
RRC为Radio Resource Control，表示基站侧负责用户的移动性管理；
RRM为Radio Resource Management，表示基站测负责小区级资源的管理；
SDAP为Service Data Adaptation Protocol，表示基站侧和终端侧都有，用于QOS管理；
PDCP为Packet Data Convergence Protocol，表示基站侧和终端侧都有，负责加解密、完整性保护和重排序等；
MAC为Medium Access Control基站侧和终端侧都有，基站侧主要负责调度，终端侧主要负责接按照基站侧的授权指示进行复用和解复用；
RLC为Radio Link Control，基站侧和终端侧都有，负责分段和级联；
PHY为Physical Layer基站侧和终端侧都有，负责信号的调制和借条；
RLC SDU为RLC service data unit基站侧和终端侧都有，指没有经过RLC协议处理的数据；
RLC PDU为RLC protocol data unit基站侧和终端侧都有，指已经经过RLC协议处理的数据；
MAC SDU为MAC service data unit基站侧和终端侧都有，指没有经过MAC协议处理的数据；
MAC PDU为MAC protocol data unit基站侧和终端侧都有，指已经经过MAC协议处理的数据；
HARQ为Hybrid Automatic Repeat Request混合自动重传，需要基站和终端的MAC/PHY 层共同配合才能完成。
如图5所示，本发明是采用的技术方案为：一种非地面移动通信网络下基于L2内部数据迁移的低时延切换方法，当终端面临基站切换的时候，该方法包括：
步骤1：UE上报测量报告；
步骤2：RRC处理步骤1中上报的测量报告，RRM进行切换接纳和资源分配；
步骤3：在目的基站创建与源基站相关模块的SDAP/PDCP/MAC/RLC实体；
步骤4：RRC计算切换发生时间点，并和切换重配消息提前发给UE，同时启动定时器，等待切换时间点；UE收到切换重配消息后，也启动定时器等待切换时间点；
步骤5：切换时间点定时器超时后，基站和UE都将用户面挂起，UE执行切换接入；
步骤6：对于无损数据传输的业务，L3通知基站的L2各层实体：RLC/MAC/PHY迁移数据到目的基站L2各对等层实体；
对于PDCP层上行业务，基站将接收窗口信息和未上交的数据从源基站迁移到目的基站，终端保存未发送出去的数据，待切换完成后继续发送；对于PDCP层下行业务，基站将发送窗口信息和未发送出去的数据全部从源基站迁移到目的基站，终端保存接收窗口信息和未上交的数据，待切换完成后，继续接收；
对于RLC层上行业务，基站将接收窗口信息和未上交的数据：RLC SDU、RLC PDU和分片报文从源基站迁移到目的基站，终端保存未发送出去的数据：RLC SDU、RLC PDU和分片报文，待切换完成后继续发送；对于RLC层下行业务，基站将发送窗口信息和未发送出去的数据：RLC SDU、RLC PDU和分片报文全部从源基站迁移到目的基站，终端保存接收窗口信息和未上交的数据：RLC SDU、RLC PDU和分片报文，待切换完成后，继续接收；
对于MAC层上行业务，基站侧收到的尚未递交高层的数据：MAC SDU、MAC PDU，从源基站迁移到目的基站，终端侧保存待发送的MAC SDU/MAC PDU不清空，待切换完成后继续发送；对于MAC层下行业务，基站侧的待发送的数据：MAC SDU、MAC PDU从源基站迁移到目的基站，终端侧还没递交高层的数据：MAC SDU、MAC PDU不丢弃，待切换完成后继续递交高层；
对于PHY层，基站侧HARQ数据从源基站迁移到目的基站，终端侧的HARQ数据保存，待切换完成后，恢复传输；
步骤7：UE发起随机接入过程；
步骤8：基站收到RRC重配完成消息，认为切换完成；
步骤9：激活目的基站的传输链路；
步骤10：释放源基站的L2各子层实体。
步骤6中的做法和目前地面5G系统下的实现差异较大。在5G地面系统下，切换过程中：
a)：RLC实体重建时，RLC层的数据全部丢弃。这部分丢弃的RLC数据会通过PDCP层的重传得以保证。PDCP层的重传，则依赖于对端PDCP发送的状态报告。在卫星移动通信系统下，一次双向链路的传输可达40ms或更多。如图3所示，从切换完成，为状态报告分配空口资源，到状态报告到达PDCP接收实体。下行状态报告发送成功需要的时间至少需要单向链路时延(下行授权和下行数据一起发送)；上行状态报告发送成功需要的时间至少需要双向链路时延(先发送上行授权，终端收到上行授权以后在指定的资源位置上发送上行数据)。此传输时延是假定状态报告一次发送成功，不需要重传的情况下。考虑到卫星移动通信系统下的，单向链路时延(低轨卫星)可高至20多ms。考虑到PDCP状态报告处理时延，该过程至少引入30～50ms 的时延。因此，RLC层数据传输，应尽量少依赖PDCP层，这对减少数据包时延，有显著作用。因此，对于RLC层，将窗口信息和未发送完的数据全部从源基站迁移到目的基站。这样，在切换完成以后，RLC层未发送出去的数据就能尽快的发送出去。
b)：在5G地面系统下，切换过程中，MAC实体重建时，MAC层的数据全部丢弃。对于AM模式，切换时MAC层丢弃的数据，在发送端PDCP收到接收端PDCP反馈的状态报告后，会重新发送丢失的数据以保证数据完整性。为降低时延，MAC层数据传输，也应尽量少依赖PDCP层的重传。对于UM模式，这部分数据是允许丢弃的。因此，对于MAC层，将还未来得及发送的MAC层数据从源基站迁移到目的基站，可有效减少数据包的时延。
c)：PHY层接收端保存HARQ冗余合并的数据，可加快冗余合并过程，能尽快的解调出数据。
通过本发明方案，相比于不进行数据迁移的切换流程，数据面的时延可缩短30～300ms，这和迁移的数据量有关，数据量越大，能减少的时延越多。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种非地面移动通信网络下基于L2内部数据迁移的低时延切换方法，当终端面临切换时，该方法包括：
对于RLC层上行业务，基站将接收窗口信息和未上交的数据从源侧迁移到目的侧，终端保存未发送出去的数据，待切换完成后继续发送；对于RLC层下行业务，基站将发送窗口信息和未发送出去的数据全部从源侧迁移到目的侧，终端保存接收窗口信息和未上交的数据，待切换完成后，继续接收；
对于MAC层上行业务，基站侧收到的尚未递交高层的数据，从源侧迁移到目的侧，终端侧保存待发送的数据不清空，待切换完成后继续发送；对于MAC层下行业务，基站侧的待发送的数据从源侧迁移到目的侧，终端侧还没递交高层的数据不丢弃，待切换完成后继续递交高层；
对于PHY层，基站侧用来做HARQ冗余合并的数据从源侧迁移到目的侧，终端侧保存用来做HARQ冗余合并的HARQ数据，待切换完成后，恢复传输；
具体方法为：
步骤1：UE上报测量报告；
步骤2：RRC处理步骤1中上报的测量报告，RRM进行切换接纳和资源分配；
步骤3：在目的基站创建与源基站相关模块的SDAP/PDCP/MAC/RLC实体；
步骤4：RRC计算切换发生时间点，并和切换重配消息提前发给UE，同时启动定时器，等待切换时间点；UE收到切换重配消息后，也启动定时器等待切换时间点；
步骤5：切换时间点定时器超时后，基站和UE都将用户面挂起，UE执行切换接入；
步骤6：对于无损数据传输的业务，L3通知基站的L2各层实体：RLC/MAC/ PHY迁移数据到目的基站L2各对等层实体；
对于PDCP层上行业务，基站将接收窗口信息和未上交的数据从源基站迁移到目的基站，终端保存未发送出去的数据，待切换完成后继续发送；对于PDCP层下行业务，基站将发送窗口信息和未发送出去的数据全部从源基站迁移到目的基站，终端保存接收窗口信息和未上交的数据，待切换完成后，继续接收；
对于RLC层上行业务，基站将接收窗口信息和未上交的数据：RLC SDU、RLC PDU和分片报文从源基站迁移到目的基站，终端保存未发送出去的数据：RLC SDU、RLC PDU和分片报文，待切换完成后继续发送；对于RLC层下行业务，基站将发送窗口信息和未发送出去的数据：RLC SDU、RLC PDU和分片报文全部从源基站迁移到目的基站，终端保存接收窗口信息和未上交的数据：RLC SDU、RLC PDU和分片报文，待切换完成后，继续接收；
对于MAC层上行业务，基站侧收到的尚未递交高层的数据：MAC SDU、MAC PDU，从源基站迁移到目的基站，终端侧保存待发送的MAC SDU/MAC PDU不清空，待切换完成后继续发送；对于MAC层下行业务，基站侧的待发送的数据：MAC SDU、MAC PDU从源基站迁移到目的基站，终端侧还没递交高层的数据：MAC SDU、MAC PDU不丢弃，待切换完成后继续递交高层；
对于PHY层，基站侧HARQ数据从源基站迁移到目的基站，终端侧的HARQ数据保存，待切换完成后，恢复传输；
步骤7：UE发起随机接入过程；
步骤8：基站收到RRC重配完成消息，认为切换完成；
步骤9：激活目的基站的传输链路；
步骤10：释放源基站的L2各子层实体。
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