CN114095073B

CN114095073B - 一种5g卫星融合场景中的无缝切换方法

Info

Publication number: CN114095073B
Application number: CN202111362321.2A
Authority: CN
Inventors: 王治扉; 马璐; 李超; 彭成维; 崔佳; 马欢; 常为领; 景文鹏; 路兆铭
Original assignee: National Computer Network and Information Security Management Center
Current assignee: National Computer Network and Information Security Management Center
Priority date: 2021-11-17
Filing date: 2021-11-17
Publication date: 2023-12-19
Anticipated expiration: 2041-11-17
Also published as: CN114095073A

Abstract

本发明公开了一种5G卫星融合场景中的无缝切换方法。本方法为：1)CC根据UE位置和卫星星历表预测所述UE的切换时机并向所述UE要切换到的目标gNB发送切换命令；其中，CC为管控中心，UE为用户终端，gNB为5G基站，卫星为gNB的载体；2)目标gNB收到所述切换命令后为所述UE预留资源并通知所述UE可用的时频资源；3)当所述UE决定切换时，计算定时提前值TA；然后根据收到的可用时频资源和定时提前值TA，切换到gNB进行数据传输；4)所述目标gNB向源gNB和所述CC发送切换完成消息；其中所述源gNB为所述UE切换到目标gNB之前为所述UE提供服务的gNB。本发明实现了卫星之间的无缝切换。

Description

一种5G卫星融合场景中的无缝切换方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及卫星5G融合及移动性管理，具体涉及一种5G卫星融合场景中的无缝切换方法。

背景技术

近年来，卫星通信网络在应对突发事件、促进地面网络的发展中扮演着越来越重要的角色，越来越受到人们的关注。进入5G时代，伴随着高轨高通量卫星的快速发展，以及低轨卫星的热潮重现，卫星通信与地面5G网络的融合成为新的研究热点。3GPP TR 38.811中提出的基站(gNB)搭载在卫星上的架构吸引了越来越多的研究。由于低轨卫星具有更低的时延和信号损耗，普遍认为低轨卫星网络将在未来的通信系统中发挥重要作用。

然而低轨卫星的快速移动会导致卫星与地面基站之间的频繁切换，给移动性管理带来挑战，会导致用户频繁中断影响用户的体验质量(QoE)。

发明内容

为了应对低轨卫星的快速移动带来的频繁切换，本发明提供一种5G卫星融合场景中的无缝切换方法。本方法为：管控中心根据用户(UE)的位置和卫星星历表预测UE的切换；管控中心将切换的预测告知为该UE提供通信服务的下一颗服务卫星，即目标卫星；所述目标卫星预留资源并告知UE；UE决定切换时计算定时提前值，切换到目标卫星，实现无缝切换。本发明中当用户接收信号功率低于门限值时可以决定进行切换，UE可以计算定时提前值，因此切换时不需要告知管控中心。

本发明方案包括：

管控中心根据UE的位置和卫星星历表预测UE的切换。UE接入网络后上传位置至卫星并定时更新位置信息；卫星将UE的位置上传至管控中心；

管控中心将切换的预测告知UE的下一颗服务卫星；

卫星预留资源并告知UE。卫星提前一段时间T预留资源并广播告知UE可用的时频资源；

UE在决定切换时，计算定时提前量(TA)；

UE无缝切换至目标卫星。

本发明的技术方案为：

一种5G卫星融合场景中的无缝切换方法，其步骤包括：

1)CC根据UE位置和卫星星历表预测所述UE的切换时机并向所述UE要切换到的目标gNB发送切换命令；其中，CC为管控中心，UE为用户终端，gNB为5G基站，卫星为gNB的载体；

2)目标gNB收到所述切换命令后为所述UE预留资源并通知所述UE可用的时频资源；

3)当所述UE决定切换时，计算定时提前值TA；然后根据收到的可用时频资源和定时提前值TA，切换到gNB进行数据传输；

4)所述目标gNB向源gNB和所述CC发送切换完成消息；其中所述源gNB为所述UE切换到目标gNB之前为所述UE提供服务的gNB。

可选的，预测所述UE的切换时机为：所述UE与当前服务卫星之间的距离其中，Ps为卫星发射功率，Pt为设定的切换阈值功率，M为卫星发射的无线信号频率，R为无线信号损耗值。

可选的，向所述UE要切换到的目标gNB发送切换命令的时间为：其中，t1为所述UE的切换时机对应的时刻，t_sp为卫星处理预留资源的处理时延，th为切换阈值，c为光速，CC的坐标为(x2，y2，z2)，目标卫星的坐标为(x4，y4，z4)。

可选的，承载所述目标gNB的目标卫星在t1-th时刻通知UE切换时可用的时频资源。

可选的，其中，t_up为所述UE确认预留资源的处理时延，所述源gNB所在卫星的坐标为(x3，y3，z3)，所述UE的坐标为(x1,y1,z1)。

可选的，当所述UE的接收信号强度小于设定的切换阈值功率Pt时决定切换。

可选的，所述源gNB收到切换完成消息后释放为所述UE分配的资源；所述CC收到切换完成消息后，对所述UE的信息进行更新。

可选的，所述UE根据自己的位置和卫星星历表计算得到所述定时提前值TA。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

现有的切换方案用户需要中断一段时间来执行随机接入；本发明方案中用户UE知道时频资源PUSCH，自己可计算TA，当决定切换时直接在该PUSCH上进行数据传输即可，实现卫星之间的无缝切换，不需要用户中断，因此大大提高了用户的体验质量(QoE)。

附图说明

图1为本发明的系统架构。

图2为本发明管控中心控制的无缝切换流程。

图3为CC发送切换命令时机的计算图。

具体实施方式

下面通过具体实施例详细介绍本公开实施例的细节。

图1示出根据本公开的系统架构。如图1所示，提出的系统主要包含六个实体：管控中心(CC)，卫星网关，5G核心网(5G CN)，5G基站(gNB)，卫星(gNB的载体)，以及用户(UE)。

图2示出了本公开的一种管控中心控制的无缝切换流程。如图2所示，管控中心控制的无缝切换步骤如下所示：

·Step 1:CC根据UE位置和卫星星历表预测UE的切换并向目标gNB发送目标切换命令。

UE定期上传自己的位置到到当前为自己提供服务的服务卫星(即源卫星或源gNB)，卫星会将UE位置上传至CC，卫星轨迹是固定的，根据星历表可以知道卫星的轨迹，因此根据UE的位置和卫星星历表CC可预测UE的切换时机。

1)UE切换预测

自由空间路径损耗公式：R＝32.4+20*log(D)+20*log(M)

其中R为无线信号损耗值，单位为dBm；D为无线信号自由空间传播距离，单位为km；M为卫星发射的无线信号频率，单位为MHz；

卫星发射功率为Ps，设定的切换阈值功率为Pt，则UE切换的时机为：

Ps-32.4-20*log(D)-20*log(M)<Pt

即

2)CC发送切换命令的时间

如图3所示，假设UE的坐标为(x1,y1,z1)，由于卫星移动速度远大于UE，因此在切换期间认为UE是不动的；CC是在卫星地面站侧的管控中心，坐标为(x2，y2，z2)；UE发生切换的时间为t1，根据卫星星历表可以知道此时源卫星的坐标H为(x3，y3，z3)；目标卫星预留资源并通知UE的时间为t1-th，th为设定的切换阈值；此时目标卫星的坐标R为(x4，y4，z4)。如果过早预留的话会导致资源一直在占用，而过晚预留的话gNB传到UE也需要时间，可能会导致UE还没收到目标gNB的消息UE就发生切换。

CC预测UE发生切换的时机为：

CC给目标卫星发送切换命令的时间为：

其中c为光速3×10⁸m/s。t_sp为卫星处理预留资源的处理时延。

目标卫星收到切换命令，处理完成就向UE发送RRC重配置消息，在t1-th时刻通知UE切换时可用的时频资源。

th应大于目标卫星到UE传输时间，也不应过大导致资源占用时间过长。在切换时刻源卫星到UE的距离是最大的。因此th设置为

其中t_up为UE确认预留资源的处理时延。

·Step 2:目标gNB预留资源并通知UE可用的时频资源。

现有切换中，UE需要通过随机接入获得上行分配和TA；也就是UE需要PUSCH时频资源来和gNB交换数据，需要TA来上行同步。目标gNB提前预留PUSCH时频资源并通知UE，当UE切换时就可以直接在该PUSCH资源上传输数据，完成切换。

·Step 3:当UE决定切换时，计算定时提前值(TA)，TA可根据UE位置和卫星星历表计算。

当UE接收信号强度小于门限值Pt时决定切换。

因为小区内用户距离基站的距离不同(远近效应)，但需要用户发送到基站的信息是同步的，因此每个用户发送信息的定时提前值(TA)不同，在地面网络中，这是在随机接入的时候，基站通过收到消息的时间，判断它需要调整的值并告知用户来实现上行同步。但是在卫星网络中，UE的位置是已知的，卫星星历表也是已知的，因此卫星和每个UE都知道彼此的距离。它们可直接根据UE的位置和卫星星历表计算定时提前值。

·Step 4:UE无缝切换到目标gNB进行数据传输。

UE已知卫星分配的PUSCH资源和定制提前值，因此UE可直接切换到目标卫星。

·Step 5:目标gNB向源gNB和CC发送切换完成。

目标gNB告知源gNB切换完成，源gNB释放资源；目标gNB告知CC切换完成，CC进行UE信息的更新(如UE当前服务卫星，UE的位置等)。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种5G卫星融合场景中的无缝切换方法，其步骤包括：

1)CC根据UE位置和卫星星历表预测所述UE的切换时机并向所述UE要切换到的目标gNB发送切换命令；其中，CC为管控中心，UE为用户终端，gNB为5G基站，卫星为gNB的载体；向所述UE要切换到的目标gNB发送切换命令的时间为：

其中，t1为所述UE的切换时机对应的时刻，t_sp为卫星处理预留资源的处理时延，th为切换阈值，c为光速，CC的坐标为(x2，

y2，z2)，目标卫星的坐标为(x4，y4，z4)；

其中，t_up为所述UE确认预留资源的处理时延，源gNB所在卫星的坐标为(x3，

y3，z3)，所述UE的坐标为(x1,y1,z1)；

2)目标gNB收到所述切换命令后为所述UE预留资源并在t1-th时刻通知所述UE切换时可用的时频资源；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预测所述UE的切换时机为：所述UE与当前服务卫星之间的距离其中，Ps为卫星发射功率，Pt为设定的切换阈值功率，M为卫星发射的无线信号频率。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当所述UE的接收信号强度小于设定的切换阈值功率Pt时决定切换。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述源gNB收到切换完成消息后释放为所述UE分配的资源；所述CC收到切换完成消息后，对所述UE的信息进行更新。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述UE根据自己的位置和卫星星历表计算得到所述定时提前值TA。