摘要：《信息通信技术》是中国联合网络通信集团有限公司主管、主办的国内外公开发行的中英文科技期刊（CN11-5650/TN，ISSN1674-1285)，2007年12月正式创刊。本刊旨在反映国内外信息通信技术最新研究成果，提供信息通信技术交流平台，推广先进信息通信业
《信息通信技术》是中国联合网络通信集团有限公司主管、主办的国内外公开发行的中英文科技期刊（CN11-5650/TN，ISSN1674-1285)，2007年12月正式创刊。本刊旨在反映国内外信息通信技术最新研究成果，提供信息通信技术交流平台，推广先进信息通信业务和应用，为我国建设信息社会和创新型国家服务。
【作者姓名】丁志东周 晶师 瑜刘 会
【作者单位】中国联通研究院
摘要：卫星网络和蜂窝网络融合的天地一体化网络是6G移动通信技术的重要演进方向。NTN是3GPP制定的基于5G新空口技术的终端与卫星直接通信技术，推进了蜂窝网络和卫星网络融合的发展。移动性技术是NTN研究中的核心问题之一，文章针对NTN小区间的重选、NTN小区和TN小区间的重选以及NTN小区间的切换进行了研究，分析NTN小区间重选的测量触发机制和重选参数的信令流程方案，以及NTN小区和TN小区间的重选解决方案。同时，文章研究NTN小区间切换中的信令风暴问题的解决方案。最后，提出NTN移动性在网联无人机中的一种应用。
关键词：NTN；移动性增强；切换；信令风暴
引言
卫星网络和蜂窝网络融合的天地一体化网络是6G移动通信技术的重要演进方向，目标通过协同和融合的方式实现无处不在的连接，赋能未来经济社会的进一步发展。NTN是3GPP制定的基于5G新空口技术的终端与卫星直接通信技术，推进了蜂窝网络和卫星网络融合的发展。
移动性技术是NTN研究中的核心问题之一。由于低轨卫星覆盖的特点，NTN小区覆盖范围大、覆盖终端数量多，尤其是NTN小区边缘和中心的信号强度变化不大，地面系统基于信号强度触发的测量不适用于NTN小区。这就导致NTN小区间、以及NTN小区和TN小区间的移动性策略需要重新设计。另外，NTN小区间的切换会引起大量终端的同时切换，产生信令风暴问题，严重影响系统性能和用户体验。3GPP在R17提出了NTN切换解决方案，如星历信息的广播流程、测量触发机制、测量事件的定义等。本文以R18中NTN移动性的相关研究为基础，对小区重选、切换中的信令风暴问题展开相关研究[1]。
1 小区重选增强技术
1.1地面移动小区中NTN小区间的重选
NTN小区间的切换策略在3GPP R17中已经进行了定义，小区重选机制在R18进入研究阶段。本文针对准地面固定小区和地面移动小区的小区重选策略进行分析。本文选取地球移动小区中的小区重选策略为研究对象。
根据非高轨卫星的波束能力，其覆盖地面的小区有两种类型：准地面固定小区(Quasi-Earch Fixed Cell)和地面移动小区(Earth Moving Cell)[2]：1)准地面固定小区：一定周期内，NTN小区固定覆盖地面上特定的地理区域，超出该周期后，该区域由其他NTN小区覆盖；2)地面移动小区：NTN小区随着卫星移动，在地面滑动覆盖。
3GPP R17定义了两种NTN小区切换中的测量触发方案，基于位置触发的测量和基于时间触发的测量。
1)基于时间触发的测量：网络下发当前小区停止服务的时间，处于idle/inactive态的UE在停止时间到达时执行邻区测量并完成小区重选。R17在SIB19中定义了定时器t-Service-r17，其值表示服务小区覆盖的持续时间，当t-Service超时，UE即启动邻区测量。
2)基于位置触发的测量：网络下发服务小区位置参考点和距离门限，UE计算自身的GNSS位置和服务小区参考点的距离，当该距离大于网络下发的距离门限时，UE执行邻区测量。R17在SIB19定义了两个参数referenceLocation、distanceThres，其中referenceLocation表示服务小区的参考位置 ，distanceThres表示距离门限(该门限通常是小区的覆盖半径)，UE计算自身位置和referenceLocation之间的距离，当距离大于distanceThres时，UE启动邻区测量[3]。
针对小区重选的特点，R18对小区重选中的测量触发进行了研究。低轨卫星的地面移动小区，小区直径典型值约为50km，低轨卫星相对地球运动速度的典型值约为7.56km/s，这意味着约6.61s该小区下的idle/inactive态的UE就需要进行一次小区重选，如图1所示。与准地面固定小区中UE每隔一定周期即同时发生切换不同，地面移动小区服务的每个UE，其服务停止的时间是不同的。为了让UE能够计算地面移动小区服务停止的时间，需要服务小区向UE提供一定的辅助信息。例如，服务小区向UE提供小区中心点位置和覆盖半径，UE即可根据NTN小区的星历信息计算服务小区的移动轨迹和在地面的覆盖区域，从而计算服务停止时间[4]。
图 1 地面移动小区移动性
地面移动小区间的重选更适合采用基于位置的测量，即当UE的位置和服务小区的参考位置的距离超出预设的门限后，UE启动邻区测量。地面移动小区的参考位置是随着卫星移动而移动的，UE根据卫星星历信息和epochTime参数能够计算出小区参考位置的移动轨迹。为了不增加新的IE(Information Element，信息单元)，epochTime参数可直接复用epochTime-r17，以有效降低信令开销。同时，为了区分地面移动小区，需要引入新的IE表示地面移动小区的参考位置，并复用SIB19的distanceThres表示NTN小区覆盖半径和基于位置的测量的距离门限。地面移动小区的重选遵循R准则。
地面移动小区的小区重选中，馈电链路改变引起的小区重选是一种特殊的重选，此时，基于位置的测量不再适用。馈电链路改变引起的小区重选如图2所示，卫星在时刻T1与信关站GW1建立馈电链路，在时刻T1.5卫星进入GW1馈电链路的边界区域，在时刻T2卫星的馈电链路切换到信关站GW2上，由馈电链路切换引起的小区重选时间是比较确定的[5]。因此，基于时间的测量更适合用于馈电链路引起的小区重选场景。该场景可复用t-Service-r17字段表示，网络通过系统消息SIB19广播t-Service-r17，在t-Service-17超时后，UE启动邻区测量。
图 2 馈电链路改变引起的小区重选
上文中复用的部分参数均为R17中定义的用于小区切换的参数，参数表示的意义如下。
1)t-Service：该字段表示非地面网络(NTN)准地面固定系统，小区何时将停止服务其当前覆盖的区域。此字段表示的时间是以10毫秒为单位的，起始于1900年1月1日。确切的停止时间是在此字段值所指示的时间减去1与此字段值所指示的时间之间。
2)distanceThresh：该字段表示距离服务小区参考位置的距离，用于在RRC_IDLE和RRC_INACTIVE中触发基于位置的测量。该字段在TS 38.304中定义，步长为50m。
3)ntn-Config：该字段包含用于UE通过NTN接入的方式接入NR的一些参数，如星历、TA相关的公共参数、k_offset、上行同步和时间周期中的相关有效期参数等。
4)ntn-NeighCellConfigList、ntn-NeighCellConfigListExt：该字段提供了一个包含NTN邻小区及其ntnConfig(非地面网络配置)、载波频率和PhysCellId的列表。这个列表包括ntn-NeighCellConfigList的所有元素和ntn-NeighCellConfigListExt的所有元素。如果ntn-NeighCellConfigListExt中的某个条目缺少ntn-Config，那么将应用ntn-NeighCellConfigList中位于相同位置的条目所提供的ntnConfig。
5)referenceLocation：该字段表示准地面固定系统提供的服务小区的参考位置，用于RRC_IDLE和RRC_INACTIVE状态时触发基于位置的测量，该字段在TS 38.304定义。
1.2 NTN小区与TN小区间小区重选
NTN小区和TN小区在如下覆盖场景中存在小区重选需求。
1)在NTN小区中存在不连续的TN小区覆盖
通常一个NTN小区的覆盖范围非常大，小区直径可达几百到上千公里，在某些场景下，NTN小区下可能存在不连续的TN小区覆盖，如图1所示，覆盖海洋的NTN小区同时覆盖了海洋中的几个小岛，小岛上有TN小区覆盖，当用户在海洋和小岛间移动时，需要考虑UE在NTN小区和TN小区间的重选[6-7]。
2)NTN小区和TN小区间补充覆盖时，在边界重叠覆盖区域
考虑到NTN小区相当大的覆盖范围，NTN小区和TN小区边界区域的重叠覆盖范围可能非常大，处于NTN覆盖区域的UE可能大部分时间处于NTN小区独立覆盖区域，此时基于终端节电的考虑，UE不应该搜索TN小区，当UE移动到重叠覆盖的边界区域是，UE应开启TN邻区测量，并重选到TN小区。对于TN小区中的UE，在有TN邻区时，应在TN小区间重选，并在移动到仅有NTN邻区时开启NTN邻区测量，并重选到NTN小区。
3)NTN小区和TN小区同时覆盖的区域
该场景下，3GPP R17制定了一些解决方案，如当NTN小区和TN小区频率不同时，可基于频率优先级控制UE在NTN和TN小区间的重选。
对于上面的场景1)和场景2)，现有的小区重选机制在NTN和TN小区间的小区重选存在一些问题，如图3所示，假设UE在海洋中的NTN小区覆盖区，由于UE并不知道周围没有TN小区，此时UE仍然会搜索TN小区，导致UE功耗增加；另一种情况是，当UE移动到TN小区覆盖的小岛上，由于UE不知道TN小区的存在，UE可能仍保持在NTN小区，由于TN小区在时延、速率、容量等方面相对NTN小区更有优势，这导致用户体验下降。因此，3GPP研究通过通知UE邻区类型(NTN小区或TN小区)来解决这一问题[8]。
图 3 NTN 和 TN 小区间的移动性场景
NTN小区和TN小区间的重选，核心问题是UE如何获取对应的邻区信息。对于从TN小区向NTN小区的重选，TN小区通过SIB19系统消息向UE广播NTN邻区信息，以通知UE需要进行NTN小区的测量。同时为了不影响协议兼容性，处于RRC_IDLE/INACTIVE态的UE在TN服务小区中是否读取到SIB19消息不影响UE的接入，SIB19消息也不影响UE在TN小区的上行同步，UE可自行决定重新获取SIB19消息的时间 ；当UE处于RRC_CONNECTED时，UE在TN小区接收到SIB19消息时不启动T430定时器。TN小区中广播的SIB19消息仅需携带与NTN邻区相关的信息，对于SIB19中与服务小区相关的信息，按照不影响协议兼容性的原则处理[9-11]。
对于NTN小区向TN小区的重选，NTN小区引入一个新的系统消息广播TN小区信息，但NTN小区并不必须广播该系统消息。该系统消息将携带TN小区指示信息，即广播TN小区的地理信息，该地理信息使用TN覆盖区域地理中心点和覆盖半径来指示，这里的TN覆盖区域是指一组TN小区。其中，TN区域的地理中心点和覆盖半径通过复用R17中的referenceLocation和distanceThresh两个参数表示。同时赋予每个TN覆盖区一个最大为6比特的标识ID，并将该ID信息添加到SIB4和SIB5消息中，UE通过读取系统消息获得TN覆盖区的频率信息[12]。
2 小区切换增强技术
2.1NTN连接态的移动性策略
R17定义了NTN在连接态下的移动管理基本流程，网络为UE下发测量配置和报告配置，UE完成测量后上报测量报告，由网络根据测量报告来决定是否进行切换，上报的形式有周期性触发和基于事件触发。同时由于NTN小区由卫星提供覆盖，小区中心的信号强度和小区边缘的信号强度只有很小的差异，也即对于NTN小区，没有明显的远近效应。因此，R17定义了基于事件触发的测量和基于位置触发的测量，并定义了两个测量事件D1和T1。
1)D1事件：UE与服务小区参考位置的距离大于门限值1，UE与邻小区参考位置的距离小于门限值2，D1事件与A5事件类似，只是测量对象为距离，参考位置定义为小区的中心，以椭圆点模型(经度和纬度)来表示。
2)T1事件：UE在高于UTC ( Universal Time Coordinated)但是低于UTC+duration内测量。其中UTC以原子时秒为基础，在时刻上与世界时的误差不超过0.9ms；duration是持续时间，取值是1~6 000的整数，单位为100ms，即最大持续时间是600s。
2.2 NTN切换的信令风暴问题
由于低轨卫星是高速运动的，UE在NTN系统内会发生频繁地切换，大量UE频繁的切换会导致源小区切换命令流程和目标小区上的随机接入流程产生信令风暴和拥塞问题，本文基于R18相关研究对信令风暴问题进行分析。
1)在切换准备阶段，UE和源小区间切换命令引起的信令风暴。当前NR系统的切换命令承载在RRCReconfiguration消息上，如果在NTN切换中直接复用当前NR的切换命令流程，这会导致大量的切换信令在短时间发出，产生信令风暴。信令风暴会导致系统没有足够的无限资源承载切换命令，从而导致切换延迟甚至切换失败[13]。
2)UE在目标小区随机接入引起的信令风暴和随机接入拥塞。在准地面移动小区的NTN部署场景，当t-Service-r17定时器超时产生小区切换，或者在地球移动小区场景中，由于馈电链路切换引起的小区切换时，源小区内的UE同时向目标小区切换，此时会导致目标小区RA资源的过载，影响UE的上行同步，引起切换中断时延过长，严重降低用户体验。
2.3NTN切换增强技术
NTN小区间的切换过程中的信令风暴主要发生在切换准备阶段和在目标小区的随机接入阶段，为了减少NTN小区切换过程中的信令风暴，在切换准备阶段引入条件切换减少信令风暴，同时引入RACH-less减少在目标小区中的随机接入过程中的信令风暴。
条件切换(Conditional Handover，CHO)可减少切换准备阶段的信令风暴。CHO基本原理是网络提前配置邻区相关的信息以及切换门限，UE在满足切换条件的情况下，就可以发生切换，不需要上报测量和接收网络的切换指令，能够减少接收切换命令失败导致无法切换的情况，增加切换成功率并减少切换信令。RACH-less可减少切换过程中在目标小区随机接入信令风暴和拥塞，并对RACH-less流程进行优化以适配NTN小区的切换。
RACH-less是在R14引入的技术，其基本原理是UE已提前获知目标小区TA时，UE切换到目标小区时可跳过随机接入过程。其中源小区通过RRCConnectionReconfiguration消息向UE下发目标小区的TA值。UE通过上行链路授权来访问目标小区，以进行Msg3的传输。这种上行链路授权如下[14]。
1)在RRCConnectionReconfiguration中预先分配的重复上行链路授权。
2)通过PDCCH动态授权，此时UE需要在目标小区中监视该信道。
RACH-less切换同样适用于馈电链路相同的星内切换场景、适用于馈电链路不同的星内切换、星间切换场景。针对NTN小区切换的特点，通过对RACH-less进行增强以适用于NTN小区间的切换。对于RACH-less切换的初始上行传输，支持预分配授权，NTN RACH-less切换中的UE流程如下。
1)接收RACH-less切换命令，该命令可包含预分配授权；
2)启动T304定时器；
3)执行下行和上行同步，并启动T430定时器；
4)启动时间对齐定时器；
5)当没有配置预分配授权时，UE监听目标小区的PDCCH的动态授权；
6)发送上行传输 ， 包 含RRCReconfigration消息；
7)接收到网络答复后即认为RACH-less切换完成；
8)停止T304定时器。考虑到预分配授权的有效期和潜在的预留资源的浪费，以及PDCCH中动态授权的时间和方式，可通过结合基于时间的CHO和RACH-less的切换来优化NTN小区的切换流程。
3 5G NTN移动性应用研究
5G NTN网络的研究将加速推动卫星通信网络与地面蜂窝网络的融合，统一融合的星地网络将赋能更多的应用场景。星地融合网络在低空无人控制飞行器(无人机)的网联中的应用前景广阔，但仍有一些问题需要进一步研究，本文对卫星网络和地面蜂窝网络间的移动性开展研究。
无人机飞行过程中，为了满足无人机的网联需求，可以通过NTN和TN网络的结合使用满足覆盖要求，此时NTN和TN间的移动性管理对无人机的覆盖性能有着重要的影响，需要重点研究。如图4所示，本文研究了如下两个无人机飞控中涉及的NTN与TN移动性场景。
1)NTN和TN为重叠覆盖，无人机在高空使用NTN网络，低空使用TN网络，在高空和低空的转换过程中，发生NTN和TN间的移动。
2)NTN和TN为补充覆盖，无人机在NTN和TN网络的边界，发生NTN和TN间的移动。
场景1)中，本文研究NTN和TN为异频覆盖的情况，由于此时无人机的覆盖取决于空域高度，网络类似于是在高度上分层的，NTN和TN间没有明确的边界。由于卫星信号受地面障碍物的干扰，强度下降，该场景下的测量触发可应用基于信号强度的触发条件。当NTN小区信号强度下降到门限阈值，则启动异频测量，寻找合适的TN异频邻区。对于邻区建立，由于TN小区的位置固定，NTN小区是跟随低轨卫星的移动而移动的，邻区建立可通过对卫星的智能自动上注TN邻区信息，建立邻区关系。
场景2)中，在NTN和TN的边界区域，采用本文1.2节所述方案，即边界的NTN小区广播TN邻区信息，TN小区广播NTN邻区信息，无人机通过系统广播消息，开始搜索NTN或TN邻区。
图 4 无人机场景下的TN和NTN小区覆盖
4 总结与展望
5G NTN小区覆盖范围大、卫星移动速度快、小区中心和边缘信号强度变化小等特点，使得NTN小区的移动性比地面小区的移动性更复杂。本文对5G NTN小区间的重选以及NTN小区和TN小区间的重选、NTN小区间切换时的信令风暴问题处理机制进行了分析，同时研究了5G NTN移动性在无人机通信中的应用。未来，NTN小区和TN小区间的切换策略需进一步研究，以完善星地融合网络的用户一致性体验，赋能未来多种场景的星地融合网络应用。
5 参考文献
[1] NR NTN(Non-Terrestrial Networks)enhancements(RP-232669)[EB/OL].[2024-5-15].https://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN
[2] 3GPP.3GPP TR 38.82:Solutions for NR to support nonterrestrial networks(NTN)1[S/OL].[2024-5-15].https://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN
[3] 芮杰,何华伟,张建国,等.连接模式下5G NTN移动性策略分析[J].邮电设计技术,2023(11):23-27
[4] Consideration on cell reselection enhancements forNTN-NTN(R2-2301142)[EB/OL].[2024-5-17].https://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN
[5] NTN – NTN mobility enhancements(R2-2306470)[EB/OL].[2024-5-22].https://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN
[6] Discussion on NTN-TN and NTN-NTN mobility(R2-2207195)[EB/OL].[2024-6-12].https://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN
[7] Discussion on TN-NTN cell reselection enhancements(R2-2300363)[EB/OL].[2024-5-17].https://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN
[8] Signaling of the TN coverage area and the frequencyinformation(R2-2308283)[EB/OL].[2024-5-21].https://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN
[9] Views on providing NTN information in TN cell(R2-2312462)[EB/OL].[2024-5-13].https://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN
[10] NTN neighbour cell information in TN cells(R2-2313530)[EB/OL].[2024-6-13].https://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN
[11] NTN-NTN Mobility Enhancement(R2-2207445)[EB/OL].[2024-6-17].https://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN
[12] Further discussion on neighbor cell measurement(R2-2301054)[EB/OL].[2024-5-17].https://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN
[13] Discussion on NTN-NTN cell reselection enhancement(R2-2307255)[EB/OL].[2024-6-21].https://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN
[14] NTN mobility enhancements for RRC_CONNECTED(R2-2310844)[EB/OL].[2024-5-13].https://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN
温馨提示：如您需要引用本文，参考文献写法为：丁志东, 周晶, 师瑜, 等.基于5G NTN移动性增强技术的分析和应用研究[J]. 信息通信技术, 2024, 18(05):19-24
来源：小脑学科学
