基于游牧式集成接入与回传的5G/6G低轨卫星网络信令风暴抑制方案

《IEEE Transactions on Communications》：A nomadic IAB-based solution to mitigate signaling storms in 5G and beyond low-earth orbit satellite networks

为解决低地球轨道(LEO)卫星高速移动性引发的信令风暴及潜在服务中断问题，研究人员提出了一种基于游牧式集成接入与回传(IAB)的创新解决方案。该方案通过在用户设备(UE)高密度区域动态部署游牧式IAB节点，使LEO卫星作为中间IAB节点连接游牧节点与IAB施主节点，显著降低了单个卫星接收的信令消息数量。仿真结果表明，该方案在切换成功率和信令开销方面均优于传统基于位置的群组切换(LGHO)和基线切换(LBHO)协议，为5G及未来非地面网络(NTN)的可扩展性和服务可靠性提供了重要技术支撑。

　　

随着全球数字化进程加速，低地球轨道卫星网络被视为填补地面网络覆盖空白、实现全域互联的关键基础设施。SpaceX的星链(Starlink)、铱星(Iridium)等新兴直连手机LEO卫星系统，正通过充当5G基站(gNB)节点，为智能手机和物联网设备提供全球覆盖服务。然而，LEO卫星以每秒7.8公里的高速相对地球运动，这种特性在带来广域覆盖优势的同时，也引发了密集的卫星切换事件。当成千上万的用户设备同时发起切换请求时，网络将面临信令风暴的冲击，导致服务中断风险显著增加。

传统5G新空口(NR)切换方案在LEO卫星场景下表现不佳，为此第三代合作伙伴计划(3GPP)建议引入基于卫星轨迹和用户位置的触发机制。虽然后续研究提出了基于位置的群组切换协议，允许卫星动态配置用户设备进行群组或个体切换，但在高用户密度场景下，其性能甚至可能劣于基线方案。究其根源，在于现有方案未能有效解决信令负载与用户数量的正比关系问题。

针对这一技术瓶颈，研究人员创新性地将游牧式集成接入与回传技术引入卫星通信领域。该方案的核心思想是通过动态部署的游牧式IAB节点对高密度用户进行聚合，将大量用户设备的个体切换需求转化为少数IAB节点的拓扑自适应过程。具体而言，每个游牧式IAB节点由无人机(UAV)搭载至目标服务区，通过系留方式连接地面太阳能供电系统，实现持续数天的空中基站服务。当卫星掠过上空时，这些IAB节点通过3GPP TS 38.401标准定义的拓扑自适应流程，在卫星间无缝迁移其无线回传链路，而覆盖范围内的用户设备则保持与IAB节点的稳定连接，无需直接参与卫星切换过程。

研究团队通过扩展现有仿真平台，构建了包含卫星、游牧式IAB节点、IAB施主节点和用户设备的完整系统模型。关键技术方法包括：基于离散事件仿真框架SimPy构建消息处理模型；实现3GPP标准定义的IAB节点集成流程和拓扑自适应协议；针对典型农村场景设置用户分布模型（高密度区域集中80%用户，其余区域均匀分布20%用户）；通过动态阈值机制控制IAB节点部署密度（默认阈值50-100用户/4平方公里）。

性能评估结果

仿真实验在两种典型农村环境下展开对比分析。在第一种场景（五个窄区域集中80%用户）中，当用户数量达到5万时，传统LBHO方案的切换成功率急剧下降至不足60%，LGHO方案更是降至50%以下。而游牧式IAB方案始终保持100%的切换成功率，且卫星接收的信令消息数量较传统方案降低两个数量级。在第二种场景（三个窄区域集中50%用户）中，当部署阈值设置为100时，由于分散用户数量增多，方案成功率仍保持在91.64%，显著优于对照方案。

信令开销分析

量化研究揭示了方案的优势机理：对于n个用户的切换过程，LBHO需要每个卫星处理3n条信令，LGHO需处理(1+h+n)或(1+2n)条信令（h为群组头数量），而游牧式IAB方案仅需服务卫星处理3条、目标卫星处理2条信令。这种与用户数量解耦的信令特性，从根本上避免了信令风暴的形成。

部署策略优化

研究还发现部署阈值对系统性能存在显著影响。当阈值从50提升至100时，在用户分布较分散的场景中，IAB节点数量减少导致直连卫星用户增加，进而影响整体性能。这表明需要根据实际用户分布特征动态调整部署策略。

该研究通过将地面移动通信领域的IAB技术创造性应用于卫星网络，为解决LEO卫星信令风暴问题提供了新思路。游牧式IAB节点的引入不仅显著提升了系统可扩展性，其与卫星轨迹预测相结合的拓扑自适应机制，更为未来空天地一体化网络提供了重要技术参考。随着3GPP R18对移动IAB技术的标准化推进，这种基于动态基础设施部署的网络架构创新，有望成为6G非地面网络的核心技术支柱之一。