用于非地面网络中基于时间触发的切换的系统和方法与流程

本公开总体上涉及无线通信，并且更具体地涉及用于非地面网络(ntn)中基于时间触发的切换的系统和方法。

背景技术：

1、在第三代合作伙伴计划(3gpp)第8版中，指定了演进分组系统(eps)。eps基于长期演进(lte)无线电网络和演进分组核心(epc)。它最初旨在提供语音和移动宽带(mbb)服务，但不断演进以扩展它的功能。自第13版以来，窄带物联网(nb-iot)和lte-机器型通信(lte-m)已成为lte规范的一部分，并提供与大规模机器型通信(mmtc)服务的连接。

2、在3gpp第15版中，指定了第五代系统(5gs)的第一个版本。这是新一代无线电接入技术，旨在服务于诸如增强型移动宽带(embb)、超可靠和低延迟通信(urllc)以及mmtc服务的用例。第五代(5g)包括新无线电(nr)接入层接口和5g核心网络(5gc)。nr物理层和更高层正在重用lte规范的部分内容，并且在新的用例的推动下引入了其他组件。

3、在第15版中，3gpp还开始了准备nr在非地面网络(ntn)中操作的工作。这项工作是在研究项目“nr支持非地面网络”内进行的，并产生了3gpp tr 38.811。在第16版中，准备nr在ntn中操作的工作继续以研究项目“nr支持非地面网络的解决方案”。第16版研究项目导致在第17版中针对nr商定了工作项目rp-193234，即“nr支持非地面网络(ntn)的解决方案”。

4、卫星通信

5、卫星无线电接入网络通常包括以下组件：

6、·指代星载平台的卫星。

7、·地基网关，其根据架构的选择，将卫星连接到基站或核心网络。

8、·馈送器(feeder)链路，其指代网关与卫星之间的链路

9、·接入链路(或服务链路)，其指代卫星与用户设备(ue)之间的链路。

10、根据轨道高度，卫星可以被分类为低地球轨道(leo)、中地球轨道(meo)、或地球静止轨道(geo)卫星：

11、·leo：典型高度范围为250–1,500公里，轨道周期范围为90–120分钟。

12、·meo：典型高度范围为1,500–35,786公里，轨道周期范围为3–15小时。meo和leo也称为非地球同步轨道(ngso)类型的卫星。

13、·geo：高度约为35,786公里，轨道周期为24小时。也称为地球同步轨道(gso)类型的卫星。

14、显著的轨道高度意味着卫星系统的特点是路径损耗明显高于地面网络中预期的路径损耗。为了克服路径损耗，通常要求接入链路和馈送器链路在视线条件下工作，并且ue配备有提供高波束指向性(direct ivity)的天线。

15、通信卫星通常在给定区域上生成多个波束。波束的覆盖区(footprint)常为椭圆形，其传统上被认为是小区。波束的覆盖区也通常被称为点波束。点波束可以随着卫星的移动在地球表面上移动，也可以固定在地球上，卫星使用某种波束指向机制来补偿它的运动。点波束的大小取决于系统设计，范围可能从几十公里到几千公里。图1示出了具有弯管转发器(bent pipe transponders)的卫星网络的示例架构。所描绘的架构也称为透明有效载荷架构。

16、与地面网络中观察到的波束相比，ntn波束非常宽并且覆盖由所服务的小区限定的区域之外的区域。覆盖相邻小区的波束将重叠并导致严重的小区间干扰。为了克服严重的干扰，ntn中的典型方法是对不同的小区配置不同的载波频率和极化模式。

17、ntn中支持三种类型的服务链路：

18、·地球固定：由始终连续覆盖同一个地理区域的波束提供(例如，geo卫星的情况)。

19、·准地球固定：由在一个有限时段内覆盖一个地理区域并在另一个时段内覆盖不同的地理区域的波束提供(例如，在ngso卫星生成可转向波束的情况下)。

20、·地球移动：由覆盖区域在地球表面滑动的波束提供(例如，在ngso卫星生成固定或不可转向波束的情况下)。

21、在此，除非另有明确说明，否则术语“波束”和“小区”可互换使用。尽管特定实施例可能专注于ntn，但是所提出的方法适用于任何以视线条件为主的无线网络。

22、连接状态移动性

23、在连接状态下(其在3gpp规范中被称为rrc_connected状态)，ue具有与网络的活动连接以用于发送和接收数据和信令。在连接状态下，移动性由网络控制，以确保当ue在网络内的小区之间移动时ue保持连接，且所提供的服务没有中断或明显恶化。根据网络的要求，需要ue在当前载波频率(频率内)以及其他载波频率(频率间)上搜索和测量相邻小区。ue不就何时触发切换到相邻小区做出任何自主决定(在某种程度上，当ue被配置用于有条件切换时除外，详见下文)。相反，ue将来自服务小区和相邻小区的测量结果发送到网络，然后网络(即，网络节点)做出关于是否执行切换到其中一个相邻小区的决定。

24、连接状态移动性也称为切换。在切换期间，ue从使用源小区连接的源节点移动到使用目标小区连接的目标节点。目标小区连接与由目标节点控制的目标小区相关联。换句话说，在切换期间，ue从源小区移动到目标小区。源节点和目标节点也可以称为源接入节点和目标接入节点或源无线电网络节点和目标无线电网络节点。在5g系统中，源节点和目标节点称为源gnb和目标gnb。

25、在某些情况下，源节点和目标节点是不同的节点，例如不同的gnb。这些情况也称为节点间切换或gnb间切换。

26、在其他情况下，源节点和目标节点是同一个节点，例如同一个gnb。这些情况称为节点内切换或gnb内切换，并且涵盖源小区和目标小区由同一节点控制的情况。

27、在另一种情况下，切换在同一小区内执行，因此也在控制该小区的同一节点内执行。这些情况称为小区内切换。

28、还应理解，源节点(或源接入节点)和目标节点(目标接入节点)是指在特定ue的切换期间由给定接入节点所担任的角色。例如，给定接入节点可以在一个ue的切换期间充当源接入节点，而在另一ue的切换期间，它还充当目标接入节点。并且，在给定ue的节点内或小区内切换的情况下，同一个接入节点既充当该ue的源接入节点，又充当该ue的目标接入节点。

29、节点间切换可以进一步被分类为基于xn的切换或基于ng的切换，具体取决于源节点和目标节点使用xn接口直接通信还是使用ng接口经由核心网络间接通信。

30、图2示出了nr中基于xn的节点间切换期间在ue、源gnb以及目标gnb之间的简化信令流，如ts 38.300v.15.13.0第9.2.3.2.1节中所述。需要注意的是，控制平面数据(即，无线电资源控制(rrc)消息，例如测量报告、切换命令和切换完成消息)是在信令无线电承载(srb)上发送的，而用户平面数据是在数据无线电承载(drb)上发送的。

31、如图所示，信令可包括以下一项或多项：

32、步骤1-2.ue具有与源gnb的活动连接，其中向/从网络发送和接收用户数据。由于源gnb中的某些触发(例如从ue接收到的测量报告)，源gnb决定将ue切换到由目标gnb控制的目标(相邻)小区。

33、步骤3.源gnb向目标gnb发送xnap handover request消息，传递透明的无线电资源控制(rrc)容器，其具有准备在目标侧的切换的必要信息。该信息包括例如目标小区id、目标安全密钥、当前源配置和ue能力等。

34、步骤4.目标gnb准备切换并以xnap handover request acknowledge消息响应源gnb，该消息包括要被发送到ue的切换命令(包含reconfigurationwithsync字段的rrcreconfiguration消息)。切换命令包括ue一旦连接到目标小区ue就应当应用的配置信息，例如随机接入配置、由目标节点分配的新的小区特定无线电网络临时标识符(c-rnti)、安全参数等。

35、步骤5.源gnb通过向ue发送(在前一步中从目标gnb接收的)切换命令来触发切换。

36、步骤6.在接收到切换命令后，ue释放与旧(源)小区的连接，启动切换监督定时器t304，并开始同步到新(目标)小区。

37、步骤7-9.源gnb停止向ue调度任何进一步的下行链路(dl)用户数据，并向目标gnb发送xnap sn statustransfer消息，从而指示最新的分组数据汇聚协议

38、(pdcp)序列号(sn)发射机和接收机状态。源gnb现在还开始将从核心网络接收的dl用户数据转发到目标gnb，目标gnb暂时缓冲此数据。

39、步骤10.一旦ue已经完成了目标小区中的随机接入过程，ue就停止t304定时器并向目标gnb发送切换完成消息。

40、步骤11.在接收到切换完成消息后，目标gnb开始向/从ue发送(和接收)用户数据。

41、目标gnb请求核心网络(cn)将用户平面功能(upf)与源节点之间的dl用户数据路径切换到目标节点(图2中未显示与cn的通信)。一旦路径切换完成后，目标gnb向源gnb发送xnap uecontext release消息以释放与ue相关联的所有资源。

42、有条件切换(cho)

43、在3gpp版本16中，引入了一种称为有条件切换(cho)的新切换概念，以旨在提高移动稳健性。cho解决切换过程中的可靠性问题，例如，如果由于ue与源节点之间的无线电链路的质量问题而导致从ue发送的测量报告或从网络发送到ue的切换命令丢失。在靠近小区边缘进行切换时通常是这种情况。

44、为了解决这个问题，cho使得网络能够在无线电链路质量仍然良好的早期阶段(即，在ue接近小区边缘之前)将切换命令发送到ue。网络对ue配置一个或多个候选目标小区，并为每个目标小区配置cho特定执行条件。然后，ue评估cho执行条件，并且当针对候选目标小区之一满足cho执行条件时，ue触发到该目标小区的切换。

45、cho的原理(如3gpp ts 38.300版本16中定义)在图3a-3b中描述。具体而言，图3a-3b示出了nr中的gnb间有条件切换。步骤6中的rrcreconfiguration消息是包含cho配置的切换命令。该方法从ue在步骤1发送测量和控制报告开始。基于例如在步骤1从ue接收到的测量报告，在步骤2，源gnb决定将ue配置用于cho。

46、在步骤3，源节点通过将cho指示符和当前ue配置包括在通过xn发送的handoverrequest消息中，准备一个或可能多个候选目标节点。与常规(非cho)切换不同，cho使得网络能够为ue准备多个候选目标小区。每个候选目标小区具有它自己的目标小区配置(rrc重新配置)和它自己的cho执行条件。目标小区配置由候选目标节点来生成，而cho执行条件由源节点来配置。对于版本16中的cho，cho执行条件可以包括一个或两个触发条件，例如3gppts 38.331中定义的基于a3和a5信号强度/质量的事件。

47、如在常规(非cho)切换中那样，在步骤6中发送到ue的切换命令(rrcreconfiguration消息)是由候选目标节点生成的，但是由源节点发送到源小区中的ue。在节点间切换的情况下，如图3a-3b所示，切换命令在步骤5作为透明容器的xnhandover request acknowledge消息内从候选目标节点被发送到源节点，这意味着源节点不改变切换命令的内容。

48、由网络向ue提供的目标小区配置(ue在候选目标小区中使用的rrc重新配置)和用于每个候选目标小区的cho执行条件也被称为cho配置。rrcreconfiguration消息包含cho配置。当ue在切换命令(步骤6中的rrcreconfiguration消息)中接收到目标小区配置时，目标小区配置不像常规(非cho)切换中那样被立即应用。相反，ue开始评估由网络配置的cho执行条件。

49、网络可以按照cho执行条件和候选目标小区对ue配置一个或两个触发条件(a3和/或a5事件)。如果ue被配置有两个触发条件，则需要满足这两个事件才能触发到候选目标小区的cho。

50、当对于候选目标小区之一满足cho执行条件时，ue与源小区分离，应用关联的目标小区配置(rrc重新配置)，并启动切换监督定时器t304。在步骤8，ue然后如在常规切换中那样连接到目标gnb。在完成rrc切换过程后，存储在ue中的任何cho配置现在都被释放。

51、在步骤8a，目标gnb通过xn向源gnb发送handover success消息，以通知ue已成功接入目标小区。通常在源gnb中接收到handover success消息之后触发向目标gnb的数据转发。这也称为“后期数据转发”。作为替代方案，可以在切换过程的早期阶段触发数据转发，诸如在步骤7从ue接收到rrcreconfigurationcomplete消息之后。此机制也称为“早期数据转发”。

52、如果在切换准备阶段对ue配置了多个候选目标小区，则源gnb需要取消针对ue未选择的候选目标小区的cho。在步骤8c，源gnb通过xn向其他信令连接或其他候选目标节点发送handover cancel消息，以取消cho并发起目标gnb中的预留资源的释放。

53、在常规(非cho)切换期间，如果切换尝试由于例如无线电链路失败或定时器t304期满而失败，ue通常将执行小区选择并继续重新建立过程。但是，当cho执行尝试失败并且所选小区与cho配置中包括的候选目标小区相关联时，ue将改为尝试向所选目标小区的cho执行。但是，此ue行为是借助网络配置来启用/禁用的。

54、针对ntn的cho

55、连接模式移动性挑战已在ntn版本16研究项目阶段被研究并在3gpp tr 38.821中被报告。在技术报告中讨论的两个挑战是频繁且不可避免的切换(例如，由于馈送器链路切换)和大量ue的切换。两者都可导致显著的控制平面开销和频繁的服务中断。在地理区域在有限的时间段内被卫星覆盖而在下一时间段内被新卫星替换时(依此类推)的准地球固定小区场景中，这个问题可能最为明显。当覆盖该地理区域的卫星被替换时，小区也被替换，这意味着所有连接到旧小区的ue都必须被切换到新小区，这可能导致高控制信令峰值，因为所有切换都必须与小区替换/切换一起发生。已经讨论了硬小区切换和软小区切换。优先选择软切换情况，其中旧小区和新小区两者在短暂的重叠期内(同时)覆盖该地理区域，因为这简化了切换并减少了中断。

56、为了减轻大量ue频繁切换时预期的信令开销，3gpp同意在版本17中引入对ntn的有条件切换(cho)的支持，并以版本16中定义的cho过程和触发条件为基准。

57、在地面网络中，ue通常可以确定ue靠近小区边缘，因为与小区中心相比，接收信号强度存在明显差异。接收信号强度可以通过执行参考信号接收功率(rsrp)测量来确定。另一方面，在ntn部署中，小区中心和小区边缘之间的信号强度通常只有很小的差异。因此，ue可在重叠区域中的两个波束(小区)之间经历很小的信号强度差异。这可导致ue行为不理想，例如在两个小区之间的重复切换(“乒乓”)。

58、为了避免切换稳健性的整体下降，3gpp同意为ntn中的cho引入以下触发条件(除了与a3和a5事件相关的现有触发条件之外)：

59、-新的基于时间的触发条件，定义了ue可以执行到候选目标小区的cho的时间段或时间窗口。

60、-新的基于位置的触发条件，定义了从ue到源小区和到候选目标小区的距离阈值，ue可基于该距离阈值触发和执行cho。

61、-重用3gpp ts 38.331中定义的现有a4事件(邻居变得优于阈值)。

62、可以看出，本文仅进一步讨论与基于时间的触发条件相关的切换机制。

63、基于时间的触发条件由3gpp定义为与每个候选目标小区相关联的时间段[t1,t2]，其中t1是由协调世界时(utc)表示的时间段的起点(例如00:00:01)，t2是由持续时间或定时器值(例如10秒)表示的时间段的终点。

64、在最近针对3gpp ts 38.331版本17的nr ntn的更改请求(cr)中，基于时间的条件(condeventt1-r17)在reportconfignr ie中的asn.1中被定义如下：

65、t1-threshold-r17 integer(0..549755813887),

66、duration-r17 integer(valueffs)

67、}

68、由duration-r17字段编码的持续时间应从t1开始计算，这意味着原则上t2＝t1+duration＝t1-threshold-r17+duration-r17。ran2确定了一个1到6000的值范围，其中每步表示100毫秒。因此，duration-r17字段的值范围为100毫秒到600秒。

69、3gpp进一步商定，基于时间的触发条件只能与基于信号强度/质量的事件a3、a4或a5之一结合被配置给ue。这意味着，如果基于信号强度/质量的事件在由t1和t2限定的时间窗口内被满足，则ue只能在此时间框架中执行到候选目标小区的cho。因此，为了使ue执行cho，基于时间的触发条件和基于信号强度/质量的触发条件必须被同时满足。

70、需要注意的是，ran2中仍在讨论基于时间的触发条件是否可以被与多个基于信号强度/质量的触发条件结合配置，以及基于时间的触发条件是否可以被与基于位置的触发条件结合配置。如果同意在版本-17中得到支持，则假设为了使ue执行cho，两个触发条件需要被同时满足。因此，如果对ue配置了基于时间的触发条件和多个基于信号强度/质量的触发条件，或者如果对ue配置了基于时间的触发条件和基于位置的触发条件，则为了使ue执行cho，对配置的所有触发条件必须被同时满足。

71、在切换准备阶段由网络向ue提供的目标小区配置(ue在候选目标小区中使用的rrcreconfiguration，即，由候选目标节点构建的切换命令)和针对每个候选目标小区的cho执行条件被称为cho配置。

72、在3gpp中，关于当时间t2期满时针对候选目标小区的cho执行条件未被满足(即，cho未被触发)时ue应当如何处理cho配置的讨论仍在进行中。

73、目前，在演进nr中的连接模式移动性解决方案以支持ntn时，存在一些需要解决的挑战。例如，一个问题是正在移动的卫星，其导致正在移动或正在切换的小区。地面网络设计(例如nr或lte)中的默认假设是小区是静止的。ntn的情况并非如此，尤其是当考虑leo卫星时。leo卫星可能只有几秒钟或几分钟对地面上的ue可见。对于leo部署存在两种不同的选项。使用准地球固定波束，波束/小区覆盖相对于地理位置是固定的，即，来自卫星的可转向波束确保即使卫星相对于地球表面移动，特定波束也能够覆盖同一个地理区域。另一方面，使用移动波束，leo卫星具有相对于地球表面的固定的天线指向方向，例如，垂直于地球表面。因此，随着卫星移动，小区/波束覆盖扫过地球。在这种情况下，为ue提供服务的点波束可以每隔几秒钟就切换。

74、·另一问题可以是长传播时延。虽然地面移动系统中的传播时延通常小于1毫秒，但是ntn中的传播时延能够长得多，范围从几毫秒(leo)到数百毫秒(geo)，具体取决于ntn中部署的星载或机载平台的海拔。

75、具有准地球固定小区的ntn的另一个复杂特性在于，当覆盖特定地理小区区域的责任从一颗卫星切换到另一颗卫星时(优选地具有短暂的重叠期/共存期(即，旧卫星和新卫星同时覆盖该小区区域))，这可以被假设为涉及小区更改，其可包括pci的更改，这进一步意味着所有连接到旧小区(到旧卫星/经由旧卫星)的ue必须在短时间内(即，在重叠期/共存期内)切换到新小区(和新卫星)。这可导致与新小区相关联的随机接入处理资源(包括rach资源)以及用于切换准备的信令和处理资源的高负载峰值。如果这些资源超载，后果可涉及例如中断时间延长、切换失败、以及无线电链路失败。

76、还要注意的是，即使在准地球固定小区部署情况下，例如由ue的移动触发，到除新小区(其将接管与当前服务小区相同的区域的覆盖)之外的相邻小区的潜在切换也是可能的并且必须被加以考虑。由于小区切换(其中这些小区切换可发生在不同的时间)，这些其他相邻小区也具有有限的服务时间。

技术实现思路

1、本公开的特定方面及其实施例能够提供针对这些或其他挑战的解决方案。例如，根据特定实施例，提供了用于确定和/或指示当ue被配置有一个或多个候选目标小区并且候选目标小区中的一个或多个被配置有基于时间的cho执行条件时以及当针对候选目标小区中的一个或多个的cho执行条件在由t1和t2限定的时间窗口中已经被满足或未被满足时ue将如何继续的方法和系统。

2、根据特定实施例，一种由被配置用于到至少一个候选目标小区的cho的无线设备的方法包括确定以下至少一项：与所述无线设备到所述至少一个候选目标小区的所述有条件切换相关联的多个条件已经被满足，与所述无线设备到所述至少一个候选目标小区的所述有条件切换相关联的至少一个条件尚未被满足，执行到所述至少一个候选目标小区的所述有条件切换已经在与所述至少一个候选目标小区相关联的至少一个时间窗口内失败，以及执行到所述至少一个候选目标小区的所述有条件切换在与所述至少一个候选目标小区相关联的至少一个时间窗口内成功。基于确定步骤的结果和所述无线设备的配置，所述无线设备执行至少一个动作。

3、根据特定实施例，一种被配置用于到至少一个候选目标小区的cho的无线设备适于确定以下至少一项：与所述无线设备到所述至少一个候选目标小区的所述有条件切换相关联的多个条件已经被满足，与所述无线设备到所述至少一个候选目标小区的所述有条件切换相关联的至少一个条件尚未被满足，执行到所述至少一个候选目标小区的所述有条件切换已经在与所述至少一个候选目标小区相关联的至少一个时间窗口内失败，以及执行到所述至少一个候选目标小区的所述有条件切换在与所述至少一个候选目标小区相关联的至少一个时间窗口内成功。基于确定步骤的结果和所述无线设备的配置，所述无线设备适于执行至少一个动作。

4、根据特定实施例，一种由在无线设备到至少一个候选目标小区的cho期间作为源网络节点操作的网络节点的方法包括：向所述无线设备发送至少一个有条件切换配置，其将所述无线设备配置为基于所述无线设备确定以下至少一项而向所述网络节点发送信息：与所述无线设备到所述至少一个候选目标小区的所述有条件切换相关联的至少一个条件尚未被满足，以及执行到所述至少一个候选目标小区的所述有条件切换已经在与所述至少一个候选目标小区相关联的至少一个时间窗口内失败。

5、根据特定实施例，一种在无线设备到至少一个候选目标小区的cho期间作为源网络节点操作的网络节点适于向所述无线设备发送至少一个有条件切换配置，其将所述无线设备配置为基于所述无线设备确定以下至少一项而向所述网络节点发送信息：与所述无线设备到所述至少一个候选目标小区的所述有条件切换相关联的至少一个条件尚未被满足，以及执行到所述至少一个候选目标小区的所述有条件切换已经在与所述至少一个候选目标小区相关联的至少一个时间窗口内失败。

6、特定实施例能够提供以下一个或多个技术优势。例如，特定实施例能够提供以下技术优势：当ue被配置有一个或多个候选目标小区并且用于一个或多个候选目标小区的基于时间的cho执行条件在由t1和t2限定的时间窗口中已被满足或尚未被满足时阐明ue行为。如何在不同的配置场景中继续将使ue和网络受益，因为可预测的ue行为对于保持网络的良好性能和稳健性至关重要。

7、作为另一示例，特定实施例能够提供使得源节点在基于时间的cho执行条件在用于候选目标小区的时间窗口内尚未被满足时能够获知的技术优势。因此，如果ue未执行到候选目标小区的cho，则网络可以得到通知。通过接收此信息，源节点可以触发ue执行到相邻小区的常规(非cho)切换。此信息在准地球固定小区场景中可能特别重要，其中地理区域在短时间内由一个卫星(小区)覆盖，而在下一个时间段内被替换为新的卫星(小区)。当接收到cho执行条件未被满足的信息时，源节点可以触发ue执行到从当前服务(源)小区接管小区覆盖区域的新的小区/卫星的常规(非cho)切换，或者执行到可以作为ue的目标小区的任何适当的相邻小区的常规(非cho)切换。因此，特定实施例能够提供避免源小区中的潜在无线电链路失败的技术优势。

8、其他优势对于本领域技术人员来说可以是显而易见的。特定实施例可不具有上述优势，或者具有部分上述优势，或者具有全部上述优势。