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低轨卫星通信移动性管理综述.pdf

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1、低轨卫星(Low Earth Orbital,LEO)通信网络是实现全球无缝覆盖的一种重要方式,是对地面通信网络的有效补充。但卫星与用户之间的相对高速运动造成了服务间断的问题,用户的移动性管理是低轨卫星通信系统运行的基础。分析了低轨卫星移动性管理的发展现状,并从决策因素对移动性管理性能的影响,海量用户、巨型星座的移动性管理,基于人工智能的智能管理等方面对其发展趋势进行了探讨。关键词:低轨卫星通信;移动性管理;接入技术;星间切换中图分类号:TN927+.23 文献标识码:A 文章编号:1002-0802(2023)-08-0923-06Review on Mobility Management

2、of LEO Satellite CommunicationGONG Yanhua(China Telecom Dingxi Branch,Dingxi Gansu 74300,China)Abstract:LEO(Low Earth Orbit)satellite communication network is an important way to achieve seamless global network coverage,which is an effective complement to terrestrial communication networks.However,t

3、he relatively high speed movement between LEO satellites and users causes the interruption of service.The mobility management of users is the basis of the LEO satellite communication systems operation.This paper analyzes the current development of mobility management of LEO satellite,and discusses i

4、ts development trend from the aspects of the influence of decision-making factors on mobility management performance,mobility management for massive users and giant constellations,and intelligent management based on artificial intelligence.Keywords:LEO satellite communication;mobility management;acc

5、ess technology;handover0 引 言随着科学技术的快速发展,通信已经深入生活的方方面面,人们的日常生活越来越离不开通信。为了进一步满足人们的需求,提高生活质量,未来通信应该向着全球范围内任何人,在任何时间、任何地点,可以与任何人进行任何业务通信的“5A”泛在通信方向发展,但是仅靠地面通信网络难以实现该目标。卫星通信的出现很好地弥补了地面通信的不足,尤其是在实现全球通信覆盖和地形复杂的山区、灾区、战场环境下的通信时,卫星通信有其独有的优势。此外,在热点地区,当地面通信业务量异常巨大时,卫星通信可以作为一种增强通信的手段,缓解地面通信网络的传输压力。卫星根据不同的轨道高度可划分

6、为同步轨道卫星(Geosynchronous Earth Orbital,GEO)、中轨道卫星(Medium Earth Orbital,MEO)和低轨道卫星(Low Earth Orbital,LEO)1,其中,轨道高度在500 km 至 1 500 km 之间的 LEO 卫星近年来成为工业界和学术界的研究重点,因为它具有为全球无线通信提供更高数据传输速率的潜力。同时,与中、高轨道卫星相比,其传播延迟较低,因此可以利用924通信技术2023 年低轨卫星实现实时通信及更高的吞吐量。此外,较低的轨道高度还降低了对发送功率的要求,并抑制了信令衰减,这两者对于减小终端设备的尺寸至关重要。目前,例如

7、Iridium、Globalstar、Starlink 等研究项目已经取得了极大的进展2。全球正处于一个高速互联、互通的时代,未来全球通信网络应该有能力支持各种不同类型的通信业务。作为全球通信的一种有效方式,卫星通信网络需要提供服务的业务类型也将变得比以前更加广泛,如视频、虚拟现实、互联网接入、自动驾驶和其他互联网及物联网的新型网络应用3。这些业务对网络的基础功能如随机接入、切换、寻呼、无线链路管理等提出了更高的要求。在LEO卫星网络中,卫星在设定的轨道上绕地球做高速运动,并且其速度远超大多数用户的移动速度4,因此 LEO 卫星相对于地球上的用户是运动的。由于 LEO 卫星的高速运动,用户在每

8、颗 LEO 卫星的服务范围内停留的时间很短,因此单颗卫星的服务时间有限,并且服务时间通常小于用户呼叫的持续时间。当卫星的运动导致用户离开当前服务卫星的覆盖范围时,该卫星无法继续为用户提供服务,这时用户需要选择另一颗可视卫星接替即将离开的卫星继续为其提供服务。然而,如果在当前卫星完全离开前无法顺利完成用户通信链路的交接,就会导致用户通信中断。这将导致用户服务体验急剧下降,对于实时性要求较高的语音类业务来说更是无法接受的。据统计,在 Iridium 系统中,持续 3 分钟的通话平均切换次数是 4.95。因此,对 LEO 卫星网络的卫星间移动性管理技术进行深入研究具有重要意义。为 LEO 卫星网络设

9、计合理的移动性管理策略,特别是针对当前多元化业务的不同需求,以较低的复杂度和较小的开销为不同用户分配相应的通信资源是未来卫星通信技术的主要发展方向。1 LEO 卫星移动性管理发展现状LEO 卫星相对地面高速运动,相较于卫星的速度,地面用户的速度基本可忽略不计。因此,对于地面用户来说,LEO 卫星的高速运动是导致移动性管理需求出现的主要原因。通常情况下,用户一次通信可能需要若干次移动性管理。移动性管理又被称为切换管理,常见的 LEO 卫星切换可分为卫星间切换和波束间切换。如图 1 所示,由于卫星 1 和卫星 2 的运动,用户 1 和用户 6 分别处在当前服务波束的边缘,需要选择同一颗卫星的另一个

10、波束为其提供服务。这种用户在同一颗卫星的不同波束间通信链路的变化称为波束切换。类似地,由于卫星1 的运动,导致用户 4 和用户 5 处在卫星 1 覆盖区域的边缘,需要接入卫星 2 为其提供服务。这种用户在不同卫星间切换通信链路的方式被称为卫星间切换。图 1 卫星内切换和星间切换1.1 卫星内移动性管理现状在LEO卫星通信中,卫星一般装配多波束天线。用户在被服务的过程中可能会被同一颗卫星的不同波束依次提供服务,这种波束间切换面临的主要问题是如何合理地分配信道。信道分配策略可以分为有保证的分配策略和基于优先级的分配策略。最早的有保证的信道分配策略为信道预留策略6,即提前预留一些信道用于新用户接入,

11、但该方式信道资源利用率较低。后来研究人员又提出了固定信道分配方案7、信道共享分配方案8、时间信道预留方案9等优化方案。区分优先级的信道分配策略主要基于排队策略,该策略的分配机制可分为先到先服务策略和最小剩余等待时间优先策略10。随着地面5G 通信技术的发展,大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术的应用日趋成熟。You 等人11提出将大规模 MIMO 技术应用到 LEO卫星通信中,在卫星上装备大规模天线阵列。大规模 MIMO 技术的应用提高了卫星频谱效率,并获得了更高速的数据速率,同时大规模 MIMO 中使用了信道预编码技术,允许在通信时

12、卫星的波束始终对准用户并为其提供服务,这在一定程度上避免了用户的波束间切换。但是,这依然无法避免用户在通信时需要在不同的卫星间切换来保证服务的延续。1.2 卫星间移动性管理现状对于 LEO 卫星通信卫星间移动性管理策略的研究,在 20 世纪末到 21 世纪初,随着典型卫星通信系统如 Iridum、GlobalStar 和 Teledesic 等的建设,引起了研究人员的极大兴趣。Bottcher 等人12925第 56 卷第 8 期龚燕华:低轨卫星通信移动性管理综述提出了根据用户可视卫星的仰角选择卫星的移动性管理策略,其中,用户选择仰角最大的卫星接入。但是由于卫星信道衰落为莱斯衰落,卫星的最大仰

13、角并不一定能反映真实的卫星与用户间通信链路的质量,因此该策略的性能并不理想。Gkizeli 等人13-14提出了用于卫星移动性管理的两种方案,分别为硬切换方案和自适应切换方案。这两种方案都将与卫星仰角有关的信号强度视为作出切换决策的标准。Papapetrou 等人15总结了卫星仰角、卫星剩余服务时间和卫星剩余的空闲信道数量这 3 种影响用户移动性管理性能的因素,并将这 3 种因素的不同组合分别应用于新接入和切换业务的移动性管理,分析不同组合对系统性能的影响。Seyed 等人16提出了计算 LEO 卫星网络中用户覆盖时间的模型,并根据该模型预测出用户切换服务卫星次数的最小值。但是,随着全球首个大

14、型 LEO 卫星通信系统 Iridum 由于运营成本的问题申请破产17,2002年 GlobalStar 申请破产保护且进行重组18,2003 年Teledesic 计划终止19,LEO 卫星通信发展进入平缓期,与之相关的卫星切换策略研究也在那几年进入了低谷。1.3 LEO 卫星通信的发展推动移动性管理的研究近年来,随着互联网和物联网技术的发展、人类全球通信需求的增加、火箭发射技术的进步和微小卫星技术的不断发展,宽带 LEO 卫星通信又迎来了新一轮的发展机遇。例如,SpaceX 公司计划发射多颗可提供网络接入服务卫星18,2016 年 11 月,该公司向国际电信联盟申请了“星链”(Startl

15、ink)星座运行的轨道和频率。该星座前期计划发射 4 425 颗 Ka/Ku 波段的卫星,后期计划发射 7 518 颗V 波段卫星。SpaceX 公司于 2018 年发射了首批实验卫星,预计其将来会将卫星规模增加至数万颗。我国正在规划的低轨卫星通信系统主要包括航天科技集团的“鸿雁工程”、航天科工集团的“虹云工程”等。“鸿雁工程”由 324 颗卫星组成,轨道高度 1 100 km,支持宽带互联网接入、移动通信、热点信息推送、物联网接入等应用;“虹云工程”由156 颗卫星组成,轨道高度 1 040 km,支持互联网、物联网应用。2018 年 12 月 22 日,“虹云工程”技术验证卫星成功发射升空

16、,标志着我国低轨卫星宽带通信系统进入实质性建设阶段。随着 LEO 卫星通信向着巨型星座、海量用户、复杂系统的方向迎来又一次的蓬勃发展,LEO 卫星网络中的移动性管理作为其中一项重要技术重新引起了研究人员的重视。大批的科技工作者投身于LEO 通信切换算法的研究之中,以研究出适用于当前新一代 LEO 卫星通信的移动性管理算法。Zhang等人20针对巨型星座下海量用户的卫星间接入和切换问题提出了基于启发式算法的切换策略。白卫岗等人21从移动性管理架构、预测及增强等方面探讨了面向6G的LEO卫星移动性管理的关键技术。由于卫星和用户的关系可以被建模为图,因此很多研究基于图论展开。Wu Z F 等人22将

17、用户与卫星的关系建模为一个二分图,并提出了一个基于图论的管理框架。该方案可根据不同的用户接入标准对二分图中的边设置不同的权重,然后利用最短路径算法计算最优的用户卫星接入方案。Wu Y等人23基于软件定义卫星网络(Software Defined Satellite Network,SDSN)架构的二分图框架提出了一种基于潜在博弈的低轨卫星通信中的卫星切换策略,以实现移动终端的效益最大化。Zhang 等人24在二分图框架下提出了基于网络流的切换方案。Hozayen等人25提出了一个基于图的可定制切换框架,该框架在选择保持服务质量的切换序列时同时考虑切换时间和目标。Li H 等人26提出了一种采用

18、多属性图和遗传算法确定切换方案的智能切换方案。除了基于图的移动性管理策略,Li Y 等人27针对地面热点区域,提出了一种可扩展的多层异构网络的移动性管理框架,通过向 LEO 卫星通信系统中引入高空平台和地面中继来降低切换率,同时针对不同种类的移动性管理需求,基于预测设计了不同的管理程序,以减少延迟和信令成本。Song 等人28提出了一种以自适应信噪比(Signal to Interference Noise Ratio,SINR)为 基 础 的 GEO/LEO 异构卫星网络中的多属性决策的接入和切换算法(Parameter Adaptive SINR Based Multi-attribute

19、s Decision,PASMAD),其综合考虑了用户所需的带宽、业务传输成本和卫星的负载状况,以确保多媒体业务的服务质量(Quality of Service,QoS)。基于流量分布的预测,PASMAD 算法定义了一个自动调整的参数,以进一步平衡网络负载。Feng 等人29针对 LEO 卫星网络中加权二分图与网关站之间链路的切换,提出了一种基于 MIMO 技术的多阶最大权重匹配算法,以实现空间分集增益,使得速率有了很大的提高,并且随着每个网关站的匹配卫星数量增加,可达速率也在增加。谢志聪3针对低轨卫星网络的选择问题,建立层次分析模型,得出相应926通信技术2023 年的选星方案。Miao 等

20、人30提出了一种基于多属性融合判决的用户移动性管理策略。该策略同时考虑了终端接收信号的大小、卫星对用户的剩余服务时间以及卫星剩余的信道数 3 个因素,将移动性管理问题转化为一个多属性决策问题,并通过优劣解距离(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,TOPSIS)法求解多属性决策问题,从而选择最终的接入卫星。Moscholios 等人31考虑了一个新呼叫和切换呼叫的到达服从成批到达的泊松过程的 LEO 卫星通信系统,通过马尔可夫链对其进行分析,得出稳态分布的解,从而确定包括呼叫阻塞率和切换失败率在内的各

21、项指标。随着技术的发展,机器学习算法也被成功应用于 LEO 卫星通信中。Wang 等人32提出了一种基于深度强化学习的切换方案,该方案同时考虑上述多个切换因素。2 移动性管理发展趋势针对用户的移动性管理技术是 LEO 卫星通信中的关键技术,是 LEO 卫星通信的基础。面对海量的终端和多样化的业务类型,未来低轨卫星通信移动性管理技术将向低复杂度、智能化、定制化及极简化的方向发展。2.1 移动性管理决策指标多样化对于接入 LEO 卫星通信系统的用户来说,不同于接入地面通信网络的用户,后者通常只需要考虑接收信号强度大小就能做出移动性管理判决,而卫星用户的接收信号强度一般认为与卫星的仰角正相关,卫星信

22、道属于莱斯信道,用户信号强度主要由直射路径决定,仰角越高,信号越强。但是,仅将接收信号强度作为用户接入的判断依据是不够的。这是因为 LEO 始终在特定轨道上绕着地球高速运动,对于用户来说,一颗卫星的服务持续时间可能只有短短的几十秒或几分钟,一个卫星波束的服务时间甚至仅有几秒,这与卫星的轨道高度和天线参数有关。用户即将离开卫星服务范围之前,必须切换到其他卫星服务。因为卫星和用户空间分布的不同,所以用户当前可视卫星的剩余服务时间有长有短,若每次接入时都选择了可视时间较短的卫星,那么频繁的移动性管理会造成较大的信令负担和较差的用户体验;因此,用户应该趋向于选择服务时间较长的卫星。此外,由于受自然条件

23、、经济发展水平、人口密度等因素的影响,地面用户的分布并不均匀,因此有些卫星的负载较重,而有些卫星比较空闲,从而一定程度上造成了资源的浪费。为了解决卫星负载不均衡的问题,平衡各卫星的负载,用户接入时还需考虑卫星已服务的用户数量,尽量接入那些负载较轻的卫星,保证系统的负载均衡。在用户的移动性管理中,除了考虑接收信号强度、服务时间、卫星负载,还需要考虑许多其他因素,例如用户接入具有星间链路的 LEO 卫星通信星座时,还应关注接入不同卫星对路由的影响。2.2 海量终端、巨型星座的移动性管理传统 LEO 卫星通信系统大多针对话音业务进行设计,因此现有的移动性管理策略大多针对该类业务进行研究。但是,随着通

24、信技术的发展,出现了卫星互联网和卫星物联网的概念,LEO 卫星通信系统需要服务的终端的种类和数量越来越多,同时卫星网络需要服务的业务种类也愈加广泛。除此之外,卫星星座的规模也大幅扩大,例如在 SpaceX公司提出的 Starlink 计划中,预计总共发射 4 万多颗卫星构成一个全球覆盖的 LEO 卫星通信网络。针对 LEO 卫星通信的这一发展趋势,在设计移动性管理策略时,应当考虑多种优先级、多种 QoS 需求的不同业务类型的用户,同时接入系统或切换服务卫星的移动性管理场景,以及可提供服务的卫星数量非常大的情况。这种情况下该如何进行资源调度,为海量用户分配服务卫星呢?在尽可能为用户提供高 QoS

25、 服务的条件下,提高系统资源利用率值得研究。此外,传统移动性管理涉及复杂的信令流程,而海量用户终端条件下的移动性管理流程过于复杂将会导致系统的信令负担较重,因此轻量化的管理框架和简化的信令流程也是一个重要的研究方向。2.3 基于人工智能的动态移动性管理从全球范围来看,通信业务的分布并不是均匀的,甚至同一个区域、城市或是一天内的不同时刻,通信业务的产生也是不均匀的。在这种动态变化的环境中很难有一个统一的标准作为不同业务量环境下的移动性管理准则。表 1 所示为全球各地区卫星业务流量统计分布,从表中可以看出不同地区的业务量差别巨大。随着人工智能技术的迅速发展,其在通信领域的应用也取得了巨大的成功,其

26、中,基于深度学习的预测算法在卫星通信网络中发挥了重要作用。结合深度学习算法对卫星运行轨迹上的业务量进行实时预测,然后基于预测结果自适应地调整移动性管理策略,以达到更好的效果,最大限927第 56 卷第 8 期龚燕华:低轨卫星通信移动性管理综述度地利用系统资源,平衡卫星网络的负载。同时,在动态的网络环境中,还可以结合强化学习方法,通过智能体与环境的交互获得相应的奖励,优化智能体的移动性管理策略,从而实现智能化的移动性 管理。表 1 地区业务量分布地区业务量/%地区业务量/%南美洲8.0欧洲24.5北美洲10.8非洲13.3亚洲38.1大洋洲5.33 结 语LEO 卫星通信作为一种有效解决全球覆盖

27、问题的手段,在未来全球通信中将发挥十分重要的作用。移动性管理又是 LEO 卫星通信系统运行的基础,因此研究 LEO 卫星通信的移动性管理对于下一代通信技术的发展具有重要意义。本文首先分析了移动性管理在 LEO 卫星通信中的重要性;其次分别讨论了经典的 LEO 卫星移动性管理策略和目前 LEO卫星移动性管理策略相关研究最新的发展现状;最后分析了 LEO 卫星通信移动性管理的发展趋势。随着构建空天地一体化通信的愿景被提出,卫星、地面基站、升空平台等通信网络被集成为一个统一的通信网络。这种异质多维网络结构复杂、资源多样,可以满足不同用户的服务需求。在该网络中不仅存在同一种网络内部水平移动性管理,还可

28、能涉及不同网络之间的垂直移动性管理。因此,空天地一体化通信网络的动态性、复杂性对移动性管理策略提出了更高的要求,需要开展进一步的研究。参考文献:1 SpaceX 公司将在未来数月发射其 Starlink 宽带 LEO星座首颗卫星 J.无线电通信技术,2018,44(1):23.2 宋奕辰,徐小涛,宋文婷.国内外卫星移动通信系统发展现状综述 J.电信快报,2019(8):37-41.3 谢志聪.高动态卫星网络切换技术研究 D.西安:西安电子科技大学,2019.4 AKYILDIZ I F,UZUNALIOLU H,BENDER M D.Handover management in Low Ear

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30、y in multimedia LEO satellite communicationsJ.Frontiers of Electrical and Electronic Engineering in China,2007,2(2):202-208.7 MORSI M A,ALNABI D A B A,ALSID D A G,et al.Review of fixed channel assignment in mobile communication systemsJ.International Journal of Advanced Engineering Research and Scie

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35、O satellite diversity based systemsJ.IEEE Communications Letters,2001,5(7):284-286.15 PAPAPETROU E,KARAPANTAZIS S,DIMITRIADIS G,et al.Satellite handover techniques for LEO networksJ.International Journal of Satellite Communications and Networking,2004,22(2):231-245.16 SEYEDI Y,SAFAVI S M.On the anal

36、ysis of random coverage time in mobile LEO satellite communicationsJ.928通信技术2023 年IEEE Communications Letters,2012,16(5):612-615.17 FINKELSTEIN S,SANFORD S H.Learning from corporate mistakes:J.Organizational Dynamics,2000,29(2):138-148.18 LIM J,KLEIN R,THATCHER J.Good technology,bad management:A cas

37、e study of the satellite phone industryJ.Journal of Information Technology Management,2005,16(2):48-55.19 PELTON J N,JACQU B.Distributed internet-optimized services via satellite constellationsM/PELTON J N,MADRY S,CAMACHO-LARA S.Handbook of Satellite Applications.Cham:Springer International Publishi

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42、i-layer LEO mobile satellite systemJ.IEEE Access,2020,8:42768-42783.28 SONG H Y,LIU S J,HU X,et al.Load balancing and QoS supporting access and handover decision algorithm for GEO/LEO heterogeneous satellite networksC/2018 IEEE 4th International Conference on Computer and Communications(ICCC),2019:6

43、40-645.29 FENG L,LIU Y F,WU L,et al.A satellite handover strategy based on MIMO technology in LEO satellite networksJ.IEEE Communications Letters,2020,24(7):1505-1509.30 MIAO J S,WANG P J,YIN H Q,et al.A multi-attribute decision handover scheme for LEO mobile satellite networksC/2019 IEEE 5th Intern

44、ational Conference on Computer and Communications(ICCC),2020:938-942.31 MOSCHOLIOS I D,VASSILAKIS V G,SARIGIANNIDIS P G,et al.An analytical framework in LEO mobile satellite systems servicing batched Poisson trafficJ.IET Communications,2018,12(1):18-25.32 WANG J,MU W Q,LIU Y N,et al.Deep reinforcement learning-based satellite handover scheme for satellite communicationsC/2021 13th International Conference on Wireless Communications and Signal Processing(WCSP),2021:1-6.作者简介:龚燕华(1973),女,工程师,主要研究方向为卫星通信、MIMO 技术。

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