陳 戈，姬天相，張少飛，郭水亮

（1.中石油塔里木油田公司油氣數(shù)智技術(shù)中心（數(shù)字和信息化管理部），新疆 庫爾勒 841000；2.中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

1 研究背景

在國家“海洋強(qiáng)國”的戰(zhàn)略背景下，海洋通信需求日益增長，天地一體網(wǎng)絡(luò)在海洋船載場景的覆蓋，為不同行業(yè)、不同部門的發(fā)展提供了重要的技術(shù)提升手段。例如，為加強(qiáng)船只安全作業(yè)監(jiān)管、提升搜救能力，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部“寬帶入海”工程初期將覆蓋1.2萬艘漁船。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的《中國漁業(yè)年鑒》統(tǒng)計，我國現(xiàn)有海洋漁船超30萬艘，漁業(yè)從業(yè)人員超過2 000萬人，市場需求巨大[1]。

衛(wèi)星通信是面向遠(yuǎn)海的船載通信唯一解決手段，也是全球海域網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的唯一方式，目前為滿足海洋通信逐步提高的帶寬需求，將海洋通信分為近海通信及遠(yuǎn)海通信。在近海通信中，岸基基站在海岸線一定范圍內(nèi)可以滿足船員在近海作業(yè)的需求，用戶可直接通過陸地基站接入；而相比之下，遠(yuǎn)海用戶則通過連接船載基站，進(jìn)而通過衛(wèi)星通信方式，連接至地面網(wǎng)絡(luò)。

相比而言，岸基接入容量高、時延低，但信號隨著用戶進(jìn)入深海而變?nèi)?；衛(wèi)星帶寬時延高、容量有限、資源稀缺且昂貴。因此，如何在近遠(yuǎn)海之間進(jìn)行合理的網(wǎng)絡(luò)切換，成為節(jié)約資源、提升用戶通信質(zhì)量的關(guān)鍵。本文針對船載基站的切換策略提出一種基于用戶策略和基站服務(wù)區(qū)感知的方案，是船載基站在天地一體網(wǎng)絡(luò)中合理切換的重要手段。

2 船載基站切換策略應(yīng)用的意義

空天地海一體網(wǎng)絡(luò)是6G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要方向，要具有全球覆蓋、按需服務(wù)、隨遇接入的能力，尤其對于海洋、沙漠、偏遠(yuǎn)地區(qū)等人跡罕至的區(qū)域，衛(wèi)星通信是網(wǎng)絡(luò)能力提升的首選方式。隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，基于衛(wèi)星通信傳輸?shù)囊苿邮交驹谲囕v、船只、飛機(jī)等移動載體上有著巨大的應(yīng)用。

無論是以何種載體，如車載動中通、船載衛(wèi)星基站等，隨著載體基站的不斷移動，都面臨著地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的切換選擇的判決。船載通信包含近海的岸基基站通信及遠(yuǎn)海使用的衛(wèi)星通信兩種手段，用戶可以通過在地面網(wǎng)絡(luò)日常使用的智能終端設(shè)備連接到船載基站進(jìn)行通信，而船載基站則通過衛(wèi)星通信的手段進(jìn)行回傳，通過地面關(guān)口站連接至核心網(wǎng)[2-3]。

具體如圖1所示，位于遠(yuǎn)海作業(yè)的船只裝備有衛(wèi)星通信設(shè)備和移動基站設(shè)備，船上用戶通過與地面網(wǎng)一致的無線制式（3GPP標(biāo)準(zhǔn)體系）連接至船載移動基站，基站基帶設(shè)備接入衛(wèi)星通信終端設(shè)備，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)接入陸地關(guān)口站，關(guān)口站再通過陸地光纜傳輸網(wǎng)絡(luò)連接至歸屬地核心網(wǎng)，實現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)接入。而當(dāng)船只位于近海區(qū)域時，用戶可直接連接至岸基基站，船載基站則處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 海洋通信網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)圖

但僅采用上述方式還存在一系列不足。由于陸地岸基基站可以覆蓋一定的近海海洋區(qū)域，在船只由近海至遠(yuǎn)海行駛或位于其邊界作業(yè)時，存在衛(wèi)星接入判決的問題，即若接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，則由于其傳輸特性，不可避免給用戶帶來500 ms以上的延遲，并占用帶寬資費較貴的網(wǎng)絡(luò)資源，而此時斷開衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，用戶能接收的岸基基站信號較弱，穩(wěn)定性差，大幅度降低用戶使用體驗，因此何時對基站進(jìn)行開啟和關(guān)閉，對于用戶使用體驗有著較為關(guān)鍵的意義。

3 切換策略分析

3.1 切換策略應(yīng)用情境介紹

空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展離不開衛(wèi)星通信與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的融合，在海洋通信、航空機(jī)載通信、偏遠(yuǎn)山區(qū)等遠(yuǎn)離地面網(wǎng)絡(luò)場景中，越來越多地采用移動基站結(jié)合衛(wèi)星通信進(jìn)行回傳的方式，實現(xiàn)用戶在海洋船只、移動車輛上的通信拓展。

本文以船載站點為應(yīng)用場景案例，介紹網(wǎng)絡(luò)切換及衛(wèi)星接入判決方法，其應(yīng)用實現(xiàn)目標(biāo)如下。

（1）當(dāng)船載基站行駛至地面岸基基站覆蓋的邊緣處時，通過所提出的判決策略，實現(xiàn)保證信號質(zhì)量條件下的有限地面網(wǎng)絡(luò)接入，使用戶盡可能地避免衛(wèi)星傳輸?shù)妮^大時延和使用昂貴地帶寬資源。

（2）復(fù)雜海域難以避免非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)（如他國運營商）較高的信號接收功率，在船載基站移動至靠近非授權(quán)地面網(wǎng)附近時，通過對衛(wèi)星服務(wù)區(qū)的感知，可以維持基站的衛(wèi)星傳輸途徑，避免用戶接入非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)。

（3）當(dāng)船載基站在逐步靠近或遠(yuǎn)離岸邊時，根據(jù)對基站內(nèi)總體用戶而非單一檢測終端的信號的質(zhì)量評估，作為基站開啟關(guān)斷的判決輸入，即切換的判決條件，以保證整體用戶信號質(zhì)量，提升整體用戶的使用體驗。

目前，船載通信在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換時采用傳統(tǒng)方式，需要人工對船載基站網(wǎng)絡(luò)的啟用和斷開進(jìn)行操作，加入切換判決策略后，不僅可在船載基站實現(xiàn)合理的判決，而且在動中通衛(wèi)星基站車、機(jī)載通信等場景均可以提供相同的功能。

3.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備組成

本文提出的方案的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，涉及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成包括船載移動基站、衛(wèi)星射頻系統(tǒng)、衛(wèi)星基帶系統(tǒng)、Wi-Fi接收數(shù)據(jù)處理單元、用戶終端、衛(wèi)星、衛(wèi)星主站系統(tǒng)、地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)、核心網(wǎng)，根據(jù)功能分為基站、終端、衛(wèi)星及傳輸系統(tǒng)三大部分。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及設(shè)備組成

圖3 切換判決流程圖

（1）船載基站系統(tǒng)：提供移動終端的空中接口，為用戶終端船載接入提供基礎(chǔ)，在衛(wèi)星傳輸開啟的條件下，通過衛(wèi)星連接核心網(wǎng)，并在衛(wèi)星傳輸終端關(guān)閉射頻信號時與終端斷開連接。

（2）移動終端：即3GPP標(biāo)準(zhǔn)體系下的通信終端，通過連接船載基站進(jìn)行通信。終端還包含Wi-Fi數(shù)據(jù)上報單元，通過近距離傳輸手段，將終端對周邊基站的測量值即鄰區(qū)數(shù)據(jù)傳輸至衛(wèi)星設(shè)備側(cè)的數(shù)據(jù)處理和控制單元，進(jìn)而通過對判決函數(shù)的計算，控制衛(wèi)星傳輸。

（3）衛(wèi)星及傳輸系統(tǒng)：進(jìn)行服務(wù)區(qū)感知及基站回傳，通過GNSS對服務(wù)區(qū)、數(shù)據(jù)處理及控制單元的判斷，決定是否選擇衛(wèi)星傳輸。信號接入衛(wèi)星主站，再通過地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)接入核心網(wǎng)。

3.3 切換判決流程

本文提出的方案通過對衛(wèi)星船載基站的衛(wèi)星傳輸開啟判決的方法，實現(xiàn)用戶在衛(wèi)星回傳網(wǎng)絡(luò)和地面移動網(wǎng)絡(luò)之間的切換。方案中涉及的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括移動船載基站、岸基基站、衛(wèi)星基帶系統(tǒng)、用戶終端設(shè)備、Wi-Fi接收數(shù)據(jù)處理單元、衛(wèi)星、衛(wèi)星主站系統(tǒng)、核心網(wǎng)，其中Wi-Fi接收數(shù)據(jù)處理單元作為本方案的關(guān)鍵節(jié)點，實現(xiàn)衛(wèi)星設(shè)備開啟即網(wǎng)絡(luò)切換的判決，詳細(xì)流程如下。

（1）衛(wèi)星在開啟后進(jìn)行正常尋星連接過程中與衛(wèi)星主站之間建立連接，同時該設(shè)備的Wi-Fi接收單元開啟。

（2）衛(wèi)星設(shè)備持續(xù)接收GNSS信號，確定該站點經(jīng)緯度，進(jìn)而衛(wèi)星設(shè)備通過位置信息進(jìn)行服務(wù)區(qū)感知判斷，確定當(dāng)前站點是否位于衛(wèi)星通信服務(wù)范圍，即位于設(shè)定的電子圍欄范圍。若此時判斷站點在服務(wù)區(qū)外，則衛(wèi)星設(shè)備停止基站通信回傳服務(wù)，此時基站也因傳輸中斷而關(guān)閉射頻信號，用戶將重新注冊連接至岸基基站或斷開網(wǎng)絡(luò)；若此時判斷站點在服務(wù)區(qū)內(nèi)，則衛(wèi)星設(shè)備進(jìn)入正?；貍髁鞒獭?/p>

（3）基站通過衛(wèi)星連接至核心網(wǎng)，用戶終端設(shè)備連接船載移動基站進(jìn)行正常通信，同時終端設(shè)備以一定周期通過Wi-Fi連接至衛(wèi)星設(shè)備的Wi-Fi接收單元，并向其持續(xù)發(fā)送周邊岸基基站的無線接收信息；衛(wèi)星設(shè)備中的Wi-Fi單元持續(xù)接收本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有終端測量信息，并根據(jù)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行不間斷的計算。在未滿足目標(biāo)函數(shù)切換條件下維持衛(wèi)星回傳狀態(tài)。

（4）一旦達(dá)到切換條件，衛(wèi)星設(shè)備將中斷回傳服務(wù)，此時終端根據(jù)周邊較優(yōu)的岸基基站的信號進(jìn)行重選和接入，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切換。

3.4 切換判決算法

本切換方案中衛(wèi)星傳輸開啟/關(guān)閉的判決主要由衛(wèi)星終端側(cè)的Wi-Fi接收和數(shù)據(jù)處理及控制模塊計算確定，其輸入數(shù)據(jù)包括Wi-Fi數(shù)據(jù)單元收集的終端數(shù)據(jù)和站點實時經(jīng)緯度，目標(biāo)函數(shù)為

式中， 為滿足切換條件占比的指標(biāo)，即滿足切換條件的用戶與所有局域網(wǎng)內(nèi)用戶數(shù)的比值； 為衛(wèi)星開啟判決的門限，是 值判決對比的依據(jù)，由人為設(shè)定或根據(jù)實際使用情況進(jìn)行優(yōu)化； 為站點當(dāng)前經(jīng)緯度； 為設(shè)定的衛(wèi)星服務(wù)區(qū)，即電子圍欄范圍，isInRegion(P,R)函數(shù)的功能是判斷P點位置是否在圍欄R的范圍內(nèi)。

的計算如下：終端接收當(dāng)前基站的RSR P、PCI、EARFCN以及鄰區(qū)基站Neighbor_RSRP_list、Neighbor_PCI_list、Neighbor_EARFCN_list信息將其通過Wi-Fi模塊上傳至Wi-Fi數(shù)據(jù)單元。終端上傳數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 終端上傳參數(shù)表

以3GPP中LTE同頻切換為例，當(dāng)同頻鄰區(qū)信號好于服務(wù)小區(qū)信號時就進(jìn)行切換，即A3事件，判決不等式為

式中，Mn為鄰小區(qū)測量值（RSRP）；Ofn為鄰小區(qū)頻率偏置，在服務(wù)小區(qū)的鄰區(qū)列表中配置，同頻切換時該值為0；Ocn為（CellIndividualOffset：小區(qū)偏移量），該值在服務(wù)小區(qū)的鄰區(qū)列表中設(shè)置；Ms為服務(wù)小區(qū)的RSRP測量值；Ofs為服務(wù)小區(qū)頻率偏置，同頻切換時該值為0；Hys為A3事件遲滯值，該值在服務(wù)小區(qū)參數(shù)中；Ocs為（CellSpecificOffset服務(wù)小區(qū)偏置），就是小區(qū)屬性參數(shù)中定義小區(qū)切換偏置cellIndividualOffset（Ocs），一般用于負(fù)荷切換，一般不用，參數(shù)在測量控制中下發(fā)；Off為A3事件偏置值，該值在服務(wù)小區(qū)參數(shù)中；Hys與Off的值，都是調(diào)大切換難度加大，調(diào)小難度變?nèi)菀?。由于用戶連接船載基站并隨船只移動，Ms值將保持足夠的強(qiáng)度，導(dǎo)致A3事件無法觸發(fā)。

目標(biāo)函數(shù)中 為衛(wèi)星開啟判決門限，當(dāng)判決切換條件占比 時，衛(wèi)星基帶系統(tǒng)控制開啟基站的回傳功能，當(dāng) 時，則衛(wèi)星基帶系統(tǒng)控制關(guān)閉基站的回傳功能。

4 該切換方案的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)方式相比，該方案可以充分利用用戶對信號的測量值，并結(jié)合基站地理位置及衛(wèi)星服務(wù)區(qū)感知，確保相對較好的信號質(zhì)量及衛(wèi)星帶寬的高效利用，具體在技術(shù)上有如下優(yōu)勢。

（1）通過對基于地理位置的衛(wèi)星服務(wù)區(qū)感知，基站可以在設(shè)定服務(wù)區(qū)內(nèi)保持衛(wèi)星傳輸；在超出服務(wù)區(qū)時通過其他方式傳輸信號或斷開網(wǎng)絡(luò)，而非檢測到較強(qiáng)信號功率即進(jìn)行切換，可在船載基站移動至靠近非授權(quán)地面網(wǎng)附近時，避免用戶接入非授權(quán)網(wǎng)絡(luò)。

（2）通過檢測地面基站信號強(qiáng)度的傳統(tǒng)判決方式受偶發(fā)因素影響較大，單一的檢測結(jié)果無法體現(xiàn)整體接入用戶的使用體驗，而基于規(guī)模用戶測量值的判定算法，綜合接入的所有用戶測量值，決定衛(wèi)星傳輸?shù)拈_啟和關(guān)閉，保證不同用戶終端的通信質(zhì)量，提升了整體用戶的適用體驗。

（3）傳統(tǒng)船載通信終端為定制化終端和普通移動終端之間進(jìn)行衛(wèi)星通信，相比現(xiàn)有船載衛(wèi)星通信技術(shù)，本方案可以在遠(yuǎn)海衛(wèi)星通信和近海岸基通信切換中，使用用戶移動終端連接移動載體中的基站，通過移動基站的衛(wèi)星回傳完成切換。此應(yīng)用適用于地面的普通移動終端，無需對終端進(jìn)行特殊改動或增加衛(wèi)星通信等其他能力。

如圖4所示，用戶有連接1和連接2兩種方式，它們可以根據(jù)不同的場景融合衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)各自的優(yōu)勢。與傳統(tǒng)接入方式相比，本方案增加了船上用戶通過近距離傳輸即Wi-Fi連接傳輸數(shù)據(jù)的途徑，從而實現(xiàn)了對船上用戶的收集和計算，并實現(xiàn)合理的切換策略。

圖4 船載基站切換方案通信連接示意圖

5 結(jié)束語

在天地一體網(wǎng)絡(luò)中，船載基站的切換策略是保障海洋通信穩(wěn)定、高效的關(guān)鍵。隨著國家海洋戰(zhàn)略推進(jìn)實施，海上運輸、資源開發(fā)等經(jīng)濟(jì)活動日趨活躍，海洋通信需求不斷增長，天地一體網(wǎng)絡(luò)融合天基與地基的各自優(yōu)勢，可以在很大程度上拓展4G/5G的應(yīng)用范圍，本文提出船載基站的切換策略在復(fù)雜的海洋移動通信場景下，提升用戶使用體驗?！?/p>