用于同步切换的方法及用户设备与流程

本发明有关于无线网络通信，且尤其有关于基于新无线电(newradio，nr)的低地球轨道(lowearthorbit，leo)非地面网络(non-terrestrialnetwork，ntn)中无随机接入的同步切换(synchronizedhandover)。

背景技术：

随着企业和组织确信集成卫星和地面网络基础设施在第三代合作伙伴计划(3^rdgenerationpartnerproject，3gpp)第五代(5^thgeneration，5g)背景下的市场潜力，卫星通信行业和3gpp的兴趣和参与度越来越大。卫星可指低地球轨道(leo)、中地球轨道(mediumearthorbit，meo)、地球同步轨道(geostationaryearthorbit，geo)或高椭圆轨道(highlyellipticalorbit，heo)中的航天器(spacebornevehicle)。5g标准使非地面网络(包括卫星网段)成为3gpp5g连接基础设施中公认的一部分。低地球轨道是以地球为中心的轨道，并且其高度为2000km及以下，或者每天至少有11.25个周期且偏心率(eccentricity)在0.25以下。外太空中的大多数人造物体均位于低地球轨道。低地球轨道卫星以高速(移动性)围绕地球轨道运动，但是围绕着可预测或者确定性的轨道。

在第四代(4^thgeneration，4g)长期演进(long-termevolution，lte)和5gnr网络中，演进型通用地面无线电接入网络(evolveduniversalterrestrialradioaccessnetwork，e-utran)可包括多个基站(basestation，bs)(比如演进型节点b(evolvednode-b，enodeb或enb))与多个移动站(可称为用户设备(userequipment，ue))进行通信。在5gnr中，上述基站还可称为下一代节点b(nextgenerationnodeb，gnodeb或gnb)。对处于无线电资源控制(radioresourcecontrol，rrc)空闲模式(idlemode)移动性的ue来说，小区选择是ue开机(poweron)后选取特定的小区来进行初始注册的进程，小区重选是ue驻留在小区之后且保持在空闲模式中时更改小区的机制。对处于rrc连接模式(connectedmode)移动性的ue来说，切换(handover)是ue将正在进行的会话从源(source)gnb切换到邻近目标(target)gnb的进程。

基于leo卫星移动性的ntn可能与地面网络有很大不同。在地面网络中，小区是固定的，而ue可以以不同的轨迹(trajectory)运动。另一方面，在ntn中，大多数leo卫星相对于地面以一定速度运行，而ue的运动则相对缓慢且可以忽略。对于leo卫星来说，小区会随着时间运动，尽管是以可预测的方式运动。因此，leo卫星可以基于其运动速度、方向和距离地面的高度来估计目标小区，而不是依靠ue的测量报告来估计。当leo卫星运动到新的小区时，大多数(如果并非所有)ue可以切换到相同的目标小区。网络可以通过使用全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem，gnss)或者通过从核心网络捕捉(capture)位置信息来估计ue的位置。

基于nr的leo-ntn中的切换处理可包括频繁的、周期性的切换消息。自然地，由于网络需要每隔几秒处理测量报告、触发(trigger)切换决定以及继续进行切换发信，所以ue基于测量报告的传统切换将会导致频繁的、严重的信令开销。因此，nr-ntn中的切换处理还需要进行改进以减少上述频繁、周期性的切换事件(event)以及相关联的切换信令负载。

技术实现要素：

一种方法，包括：在基于新无线电的低地球轨道非地面网络中，由用户设备在源基站服务的源小区中建立无线电资源控制连接；经由无线电资源控制连接重新配置消息从所述源基站接收切换命令；从切换时间确定目标小区的时序提前以用于在目标基站服务的所述目标小区中进行同步，其中所述切换时间由所述目标小区的系统帧号来表示；以及向所述目标基站传送无线电资源控制连接重新配置完成消息，并且向所述目标小区进行同步切换，而不与所述目标基站进行随机接入进程。

一种用户设备，包括：连接处理电路，在基于新无线电的低地球轨道非地面网络中，在源基站服务的源小区中建立无线电资源控制连接；接收器，经由无线电资源控制连接重新配置消息从所述源基站接收切换命令；同步模块，从切换时间确定目标小区的时序提前以用于在目标基站服务的所述目标小区中进行同步，其中所述切换时间由所述目标小区的系统帧号来表示；以及传送器，向所述目标基站传送无线电资源控制连接重新配置完成消息，并且向所述目标小区进行同步切换，而不与所述目标基站进行随机接入进程。

一种方法，包括：在基于新无线电的低地球轨道非地面网络中，与用户设备在源基站服务的源小区中建立无线电资源控制连接；从所述用户设备接收测量报告，并做出切换决定；估计切换时间，以用于所述用户设备执行同步切换以切换到目标基站服务的目标小区；以及经由无线电资源控制连接重新配置消息从所述源基站向所述用户设备传送切换命令，其中所述切换命令包含由所述目标小区的系统帧号表示的所述切换时间。

通过利用本发明，可以更好地进行切换。

其他的实施例和优势将在下面的具体实施方式中进行描述。本发明内容不旨在定义本发明。本发明由权利要求定义。

附图说明

图1例示根据新颖方面的支持leontn中的高效切换进程的示范性5gnr无线通信系统。

图2是根据本发明实施例的无线传送设备和接收设备的简化框图。

图3例示根据新颖方面的利用透明有效载荷(transparentpayload)连接至5g核心网络(5gcore，5gc)的ntn架构。

图4例示nrleo-ntn中ue和源基站(gnb)及目标基站(gnb)之间用来降低信令开销的无明确随机接入进程的切换进程的时序图。

图5例示根据新颖方面的在nrleo-ntn中的切换进程中获取切换时间t的实施例。

图6是根据新颖方面的在基于5gnr的leo-ntn中从ue角度进行同步切换的方法的流程图。

图7是根据新颖方面的在基于5gnr的leo-ntn中从bs角度进行同步切换的方法的流程图。

具体实施方式

下面将详细参考本发明的一些实施例，其示例在附图中例示。

图1例示根据新颖方面的支持leontn中的高效切换进程的示范性5gnr无线通信系统100。nr无线通信系统100可包括多个基站gnb101-104、多个ue110以及多个网关(gateway)121-122。在图1的示例中，基站gnb101-104可为高速(移动性)围绕地球运行的leo卫星，但是围绕着可预测的或者确定性的轨道。在图1的示例中，多个ue最初可由leo卫星gnb101的源小区服务。当leo卫星运动到新的小区时，大多数ue可以切换到新的目标小区，比如由leo卫星gnb102服务。

基于leo卫星移动性的ntn可能与地面网络有很大不同。在地面网络中，小区是固定的，而ue可以以不同的轨迹运动。另一方面，在ntn中，大多数leo卫星相对于地面以一定速度运行，而ue的运动则相对缓慢且可以忽略。对于leo卫星来说，小区会随着时间运动，尽管是以可预测的方式运动。因此，leo卫星可以基于其运动速度、方向和距离地面的高度来估计目标小区，而不是依靠ue的测量报告来估计。当leo卫星运动到新的小区时，大多数(如果并非所有)ue可以切换到相同的目标小区。网络可以通过使用gnss或者通过从核心网络捕捉位置信息来估计ue的位置。

由于小区高速连续移动，许多ue将会频繁地从原始的源小区切换到新的目标小区。基于nr的leo-ntn中的切换处理可包括频繁的、周期性的切换消息。自然地，由于网络需要每隔几秒处理测量报告、触发切换决定以及继续进行切换发信，所以ue基于测量报告的传统切换将会导致频繁的、严重的信令开销。因此，nr-ntn中的切换处理还需要进行改进以减少上述频繁的、周期性的切换事件以及相关联的切换信令负载。在本发明中，提出一种在leo-ntn中配置和执行切换处理的高效机制，无需ue在目标光斑(beam-spot)(小区)明确地执行任何随机接入。这种改进型切换处理可以有助于减少频繁的随机接入处理所涉及的频繁切换事件。

在图1的示例中，当ue110到达切换区域(region)时，源和目标光斑(由gnb101和gnb102所服务的卫星小区)可进行通信以根据ue的测量报告来最终确定切换决定和切换时间t，切换时间t可由相应的系统帧号(systemframenumber，sfn)来表示。leo卫星可使用星间链路(inter-satellitelink，isl)来使源小区和目标小区时间同步。切换时间t通常可由sfn来表示。在最终做出切换决定之后，源光斑(由gnb101服务的卫星小区)可将该切换时间t包含在发给ue110的切换命令消息中。在另一实施例中，ue110也可以通过使用gnss能力和卫星星历表(ephemeris)数据或者估计的位置、速度和时间(position,velocityandtime，pvt)来估计与其自身位置以及卫星的速度、方向和光斑(小区)尺寸有关的信息以估计切换时间t。在一示例中，通过测量从源小区和目标小区接收到的信号的传播延迟差值(propagationdelaydifference)，ue110可以使用该切换时间t来估计目标光斑(由gnb102服务的卫星小区)中的时序提前(timingadvance，ta)。可使用ue从源小区和目标小区接收到的切换时间t的差值来计算目标小区中的ta。

图2是根据本发明实施例的无线设备201和211的简化框图200。对于无线设备201(比如基站)来说，天线207和208可传送和接收无线电信号。射频(radiofrequency，rf)收发器模块206与天线耦接(couple)，可接收来自天线的rf信号，将rf信号转变(convert)为基带信号(basebandsignal)，以及将基带信号发送至处理器203。rf收发器模块206还将从处理器接收到的基带信号进行转变，将基带信号转变为rf信号，并发出至天线207和208。处理器203对接收到的基带信号进行处理，并调用(invoke)不同的功能模块和电路来执行无线设备201中的特征。存储介质202可存储程序指令和数据210来控制设备201的操作。

类似地，对于无线设备211(比如ue)来说，天线217和218可传送和接收rf信号。rf收发器模块216与天线耦接，可接收来自天线的rf信号，将rf信号转变为基带信号，以及将基带信号发送至处理器213。rf收发器模块216还将从处理器接收到的基带信号进行转变，将基带信号转变为rf信号，并发出至天线217和218。处理器213对接收到的基带信号进行处理，并调用不同的功能模块和电路来执行无线设备211中的特征。存储介质212可存储程序指令和数据220来控制无线设备211的操作。举例来讲，在一实施例中，存储介质212可存储程序指令，所述程序指令在由处理器执行时，可以使得处理器执行本发明的方法和处理的步骤。

无线设备201和211还可包含若干可以被实施和配置为执行本发明实施例的功能模块和电路。在图2的示例中，无线设备201可以是基站，该基站可包含rrc连接处理模块205、调度器204、移动性管理模块209以及控制和配置电路221。无线设备211可以是ue，该ue可包含rrc连接处理电路219、测量和报告模块214、随机接入信道(randomaccesschannel，rach)/切换处理模块215以及控制和配置电路231。请注意，无线设备可以既是传送设备，也是接收设备。上述不同的功能模块和电路可以由软件、固件、硬件及其任意组合来实施和配置。上述功能模块和电路在由处理器203和213执行时(比如经由执行程序代码210和220来执行时)，可允许基站201和ue211执行本发明的实施例。

在一示例中，基站201可经由rrc连接处理电路205与ue211建立rrc连接，经由调度器204为ue调度下行链路和上行链路传送，经由移动性管理模块209执行移动性和切换管理，以及经由配置电路221向ue提供测量和报告配置信息。ue211可经由rrc连接处理电路219处理rrc连接，经由测量和报告模块214执行测量并报告测量结果，经由rach/切换处理模块215执行rach进程和切换，以及经由控制和配置电路231获得测量和报告配置信息。根据新颖方面，基站201可使用isl链路来使源小区和目标小区进行时间同步，并且可在切换命令消息中包含切换时间t。或者，ue211可自主地根据其自身的位置、光斑的直径(diameter)和leo卫星的速度来估计切换时间。当接收到切换命令消息时，ue211可向目标小区进行同步切换，而无需明确地进行随机接入进程以降低信令开销。

图3例示根据新颖方面的利用透明有效载荷连接至5gc的ntn架构。ntn可指使用卫星(或无人机系统(unmannedaerialsystem，uas)平台)上的rf资源的网络或者网段。如图3所示，ntn架构可支持ue、gnb和5gc用户面功能(userplanefunction，upf)之间的透明有效载荷。对于所建立的每个协议数据单元(protocoldataunit，pdu)会话来说，ue可通过其服务gnb在每个协议层上连接至5gc，其中协议层可包括服务数据适配协议(servicedataadaptationprotocol，sdap)、封包数据汇聚协议(packetdataconvergenceprotocol，pdcp)、无线电链路控制(radiolinkcontrol，rlc)、媒体接入控制(mediaaccesscontrol，mac)和物理(physical，phy)层。在leo轨道高度为600km、光斑直径大约为70km的leo场景(scenario)中，会有至少每隔10s的频繁切换。如果卫星速度v＝7.5622km/s，则光斑直径d/v<＝10s(＝70km/7.56km/s)。所有ue的频繁切换(波束转换(beamswitch))可能会导致显著的服务恶化。解决办法是探索无需任何随机接入的同步切换，以降低切换信令负载且使得切换处理快速且高效。

图4例示nrleo-ntn中ue401和源基站gnb402及目标基站gnb403之间用来降低信令开销的无明确随机接入进程的切换进程的时序图。在步骤411，ue401可处于rrc连接模式，并且可从其服务基站gnb402接收rrc连接重新配置消息。在步骤412，ue401可执行下行链路(downlink，dl)数据接收和上行链路(uplink，ul)传送。在基于nr的leo-ntn中，ue可周期性地到达切换区域。因为网络需要每隔几秒即处理测量报告以及触发切换决定，并且继续进行切换发信，所以基于测量报告的传送切换会导致频繁和严重的信令开销。过量的测量报告从ue发送到服务基站，而服务基站需处理这些测量报告并且做出切换决定。举例来讲，在步骤413，包括ue401在内的多个ue可向源gnb402发送测量报告。在步骤414，源gnb402可向目标gnb403发送切换请求。在步骤415，目标gnb403可向源gnb402发回切换确认(acknowledgement，ack)。在步骤416，源gnb402可向包括ue401在内的每个ue发送切换命令，这会导致过量的信令开销。在步骤421，ue401可执行小区转换，比如在步骤422中通过向目标基站gnb403发送rach前导码(msg1)来初始化rach进程。当ue同时接收到切换命令时，有可能ue会同时发送过多的rach前导码，产生“随机接入风暴(randomaccessstorm)”，造成rach碰撞。在步骤423，未成功接收到随机接入响应(msg2)，ue可能会遭受可能的切换失败或者较长的切换延迟。

基于图4中所描述的挑战，需要对nrleo-ntn中的切换处理进行改进以减少上述频繁的、周期性的切换事件和相关联的切换信令开销。基于leo卫星的ntn中的连接模式移动性和切换可以通过以下独特的特征来描述：1)在ntn中，ue和网络可以通过使用基于gnss的定位来估计ue的位置信息(针对启用gnss的ue)；2)由于卫星可预测的移动模式，leo-ntn可以估计卫星随着时间的位置；3)ue也可以使用gnss中的pvt信息来估计卫星的运动；4)基于ue的位置和卫星小区的移动，leo-ntn可以对位于相对较近的ue进行分组，比如将彼此之间位于预定距离之内的ue分成一组。因此，基于上述的特征，可以改进ntn中连接模式的移动性。

在第一实施例中，源和目标光斑(ntn小区)可进行通信来根据ue的测量报告最终确定切换决定和切换时间t，切换时间t可由相应的sfn来表示。leo卫星可使用isl链路来使源小区和目标小区时间同步。源光斑(小区)可将切换时间t包含在rrc连接重新配置(切换命令)消息中。或者，在第二实施例中，ue可自主地根据其自身的位置、光斑的直径和leo卫星的速度来估计与后续的切换事件相关联的切换时间t。ue401可以通过基于切换时间t计算的目标小区的时序提前来实现与目标小区的同步。利用这种同步，ue401可降低步骤421中执行小区转换和同步所带来的切换中断(interrupt)时间，并且可在步骤431中通过直接传送rrc连接重新配置完成(切换完成)消息来完成同步切换，而无需明确地执行随机接入(比如无需在步骤422和步骤423中交换rach前导码和随机接入响应消息)。在步骤432，当成功切换之后，ue401可与目标gnb403继续进行dl数据接收和ul传送。

由于leo卫星的速度、方向和光斑尺寸为确定性的，因此切换的频率和切换时间t的值也可以是确定性的。因此，目标波束中的时须提前的值也可以是确定性的。因此，ue401可以以规则的周期性间隔τ重复上述步骤，其中τ可通过使用波束覆盖范围和leo卫星的速度来估计。或者，leo-ntn和ue可以通过将随机接入和切换信令进行组合来使用两步(two-step)无竞争的随机接入(contentionfreerandomaccess，cfra)或者基于竞争的随机接入(contentionbasedrandomaccess)，因此可获得与无随机接入的同步相同的时延。在两步随机接入中，ue可以同时发送随机接入前导码(步骤422中的msg1)和rrc连接重新配置完成(切换完成)消息(步骤431)，因此可使相关联的时延与无随机接入的切换相似。网络可以同时接收到rach前导码和rrc连接重新配置完成消息。网络可以首先对前导码进行解码，如果解码成功，则网络也可以处理rrc连接重新配置完成消息。

此外，可以基于一些预定和预配置的条件来执行上述的同步切换处理，因此形成没有任何明确随机接入的有条件的切换。在一示例中，上述测量条件可基于以下因素：邻近小区的信号强度高于服务小区的信号强度，还可额外地考虑可选的偏移(offset)和磁滞(hysteresis)。ue401还可以接收多个有条件的切换(rrc配置)，其中每个有条件的切换用于特定的邻近物理小区标识(physicalcellidentity，pci)和特定的测量条件。有条件的切换(rrc重新配置)可以是以下一个或多个：i)切换命令，ii)辅小区(secondarycell，scell)添加，iii)辅小区移除，iv)辅小区和主小区(primarycell，pcell)角色转换(类似于切换命令)，v)辅小区组(secondarycellgroup，scg)添加，vi)scg移除，vii)scg和主小区组(mastercellgroup，mcg)角色转换(类似于切换命令)。

图5例示根据新颖方面的在nrleo-ntn中的切换进程中获取切换时间t的实施例。在图5的示例中，ue501最初可由源gnb502服务，然后，当从gnb502接收到切换命令时可切换到目标gnb503。在一实施例中，ue501可接收到在切换命令中携带的切换时间t(比如t可由相应小区的sfn来表示)。在另一实施例中，ue501可基于其位置、光斑直径和leo卫星的速度来估计切换时间t。当获得切换时间t时，可由ue计算目标小区的时序提前tatgt以实现在目标小区中的同步。请注意，时序提前可为用来控制ul信号传送时序的mac控制单元(controlelement，ce)。网络(5gnr中的gnb)可持续测量物理上行链路共享信道(physicaluplinksharedchannel，pusch)/物理上行链路控制信道(physicaluplinkcontrolchannel，pucch)/探测参考信号(soundingreferencesignal，srs)的接收和子帧(subframe)时间之间的时间差，并且可以向ue发送“时序提前”命令来改变pusch/pucch传送以使得pusch/pucch传送能够更好地与网络侧的子帧时序对准(align)。如果pusch/pucch/srs过早地到达网络，则网络可以发送时序提前命令来指示ue“晚一些传送信号”。如果pusch/pucch/srs到达网络过晚，则网络可以发送时序提前命令来指示ue“早一些传送信号”。

可以使用源小区和目标小区之间的切换时间t的差来计算目标小区的时序提前tatgt。因此，ue501可以通过测量从源小区和目标小区接收到的参考信号的传播延迟差值(δd)来估计目标光斑(小区)的时序提前tatgt。ue501可以通过使用卫星星历表数据以及gnss位置、pvt或者任何其他类似的方法来确定与从源小区和目标小区接收到的参考信号相关联的传播延迟，分别记为tsrc和ttgt。

tatgt＝tasrc–2*δd,

δd＝tsrc-ttgt,

其中：

t可使用sfn来表示；

tsrc为从源小区接收到参考信号时的sfn；

ttgt为从目标小区接收到参考信号时的sfn；

δd为源小区和目标小区之间的传播延迟差值；

tasrc为源小区的时序提前；

tatgt为目标小区的时序提前。

图6是根据新颖方面的在基于5gnr的leo-ntn中从ue角度进行同步切换的方法的流程图。在步骤601，在基于nr的leo-ntn中，ue在源基站服务的源小区中建立rrc连接。在步骤602，ue经由rrc连接重新配置消息从源基站接收切换命令。在步骤603，ue从切换时间确定目标小区的时序提前以用于在目标基站服务的目标小区中进行同步，其中切换时间由目标小区的sfn来表示。在步骤604，ue向目标基站传送rrc连接重新配置完成消息，并且向目标小区进行同步切换，而不与目标基站进行随机接入进程。

图7是根据新颖方面的在基于5gnr的leo-ntn中从基站角度进行同步切换的方法的流程图。在步骤701，在基于nr的leo-ntn中，源基站与ue在源基站服务的源小区中建立rrc连接。在步骤702，源基站从ue接收测量报告，并因此做出切换决定。在步骤703，源基站估计切换时间，以用于ue执行同步切换以切换到目标基站服务的目标小区。在步骤704，源基站经由rrc连接重新配置消息从源基站向ue传送切换命令，其中切换命令包含由目标小区的sfn表示的切换时间。

本发明虽结合特定实施例揭露如上以用于指导目的，但是本发明并不限于此。相应地，在不脱离本发明权利要求书所阐述的范围内，可对上述实施例的各种特征进行修改、变更和组合。