星地融合5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)增強技術(shù)研究*

王胡成，徐暉，孫韶輝

（大唐移動通信設(shè)備有限公司，北京 100083）

0 引言

第5 代移動通信（5 Generation，5G）愿景是“信息隨心至、萬物觸手及”，5G 網(wǎng)絡(luò)不僅要提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，還應(yīng)提供無處不在的移動網(wǎng)絡(luò)接入，以滿足用戶無處不在的通信需求。然而根據(jù)調(diào)查，目前全球地面移動通信服務(wù)只能覆蓋約20%的陸地面積、6%的地球表面積，在海洋、山川、森林、沙漠等邊遠(yuǎn)地區(qū)，地面基站的建設(shè)成本和維護(hù)成本很高，無法通過傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)來5G 覆蓋[1]。相比地面通信，衛(wèi)星通信能夠利用高、中、低軌衛(wèi)星實現(xiàn)廣域甚至全球覆蓋，從而幫助5G 真正實現(xiàn)萬物互聯(lián)。由此可見，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)融合是5G發(fā)展的必要構(gòu)成。

此外，目前各衛(wèi)星系統(tǒng)的通信制式、接口協(xié)議都是獨立發(fā)展的，星地系統(tǒng)之間以及不同衛(wèi)星系統(tǒng)之間無法互通，形成了“煙囪”效應(yīng)，既不能支持服務(wù)共享，又容易造成重復(fù)投入，造成網(wǎng)絡(luò)低效和資源浪費，不利于通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而5G 網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的技術(shù)迭代，其技術(shù)體制、網(wǎng)絡(luò)功能、接口協(xié)議等已經(jīng)形成完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，已經(jīng)發(fā)展為成熟的商用網(wǎng)絡(luò)，為全球用戶提供了一致的用戶體驗。因此，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以借助國家大力發(fā)展5G 網(wǎng)絡(luò)的契機(jī)，完成與地面5G 網(wǎng)絡(luò)體制的融合，從而發(fā)展成能夠覆蓋全球的，且能夠提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)的商用通信系統(tǒng)。

雖然衛(wèi)星通信相對于地面移動通信在覆蓋范圍、組網(wǎng)效率、可靠性、安全性、成本等有著極大的優(yōu)勢，但衛(wèi)星通信并不能替代地面移動通信，因為地面網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)容量、覆蓋深度、數(shù)據(jù)傳輸速率等方面占據(jù)絕對的優(yōu)勢。因此，衛(wèi)星通信不應(yīng)成為地面蜂窩通信的競爭者，而應(yīng)當(dāng)成為5G 系統(tǒng)的必要構(gòu)成，形成地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的相互補充，例如城區(qū)地面覆蓋，邊遠(yuǎn)地區(qū)衛(wèi)星覆蓋。因此，星地融合5G 網(wǎng)絡(luò)是移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢。

1 星地融合5G 網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

星地融合為5G 網(wǎng)絡(luò)帶來更大的發(fā)展?jié)摿Γ軌蚴沟?G 網(wǎng)絡(luò)真正做到萬物互聯(lián)，因此國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界紛紛掀起了星地融合5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)的研究熱潮，并公認(rèn)星地融合也是未來6G 網(wǎng)絡(luò)的重要特征之一。

衛(wèi)星通信最初作為地面通信網(wǎng)絡(luò)的回傳網(wǎng)絡(luò)存在，文獻(xiàn)[2]指出低軌星座可以用于在陸地網(wǎng)絡(luò)擁塞時進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，或者提供多跳回傳連接gNB 和遠(yuǎn)端5G 核心網(wǎng)。文獻(xiàn)[3]進(jìn)一步考慮了采用密集低軌星載為傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)提供回傳服務(wù)，并提出了在多個低軌星提供回傳連接時最大化用戶數(shù)和與總用戶速率和的聯(lián)合優(yōu)化問題。

文獻(xiàn)[4]從星地網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的視角展望了星地融合的前景，認(rèn)為到2025年，將有100 多個高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，能夠提供T 比特率的數(shù)據(jù)傳輸速率，這些衛(wèi)星系統(tǒng)能夠作為無線接入網(wǎng)融合到5G 系統(tǒng)中。當(dāng)衛(wèi)星工作在彎管模式時，5G 基站（generation NodeB，gNB）將于地面網(wǎng)關(guān)合設(shè)；當(dāng)衛(wèi)星工作在星上處理模式時，gNB 將部署到衛(wèi)星上。文獻(xiàn)[5]也總結(jié)了目前第三代伙伴計劃協(xié)議（the 3rd Generation Partnership Project，3GPP）研究的NTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從載荷類型上分為透明載荷類型和再生載荷類型；從用戶接入連接類型上分為直接連接和間接連接。其中透明載荷類型下，衛(wèi)星僅提供用戶與地面基站的連接；而再生載荷類型下，衛(wèi)星支持gNB 功能且能夠使用星間鏈組網(wǎng)。

在面向5G-Advance 甚至6G 的星地融合網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星載荷不僅支持基站功能，甚至支持部分核心網(wǎng)功能，支持天基組網(wǎng)，例如文獻(xiàn)[6]、[7]都提出，未來星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，核心網(wǎng)功能將可能在地基和天基網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行功能柔性分割，通過天基核心網(wǎng)的功能定制，可以支持基于天基網(wǎng)絡(luò)的控制優(yōu)化，實現(xiàn)天基地基靈活組網(wǎng)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)動態(tài)路由以及天地協(xié)同傳輸?shù)取?/p>

從上述文獻(xiàn)分析可知，星地融合的思路有多種，工業(yè)界也從工程角度對星地融合的發(fā)展進(jìn)行了展望。文獻(xiàn)[8]系統(tǒng)地梳理了衛(wèi)星通信與地面5G 融合在傳輸體制、接入與資源管理、移動性管理等方面的挑戰(zhàn)，并按照覆蓋、業(yè)務(wù)、用戶、體制、系統(tǒng)多層次融合，星地功能分割、網(wǎng)絡(luò)虛擬化部署等方面提出了衛(wèi)星通信與地面5G 融合的思路。文獻(xiàn)[9]結(jié)合實際星座場景的工程約束條件，梳理了衛(wèi)星通信與地面5G 融合的3 個發(fā)展階段的具體問題和解決方案。其中，3 個發(fā)展階段包括承載網(wǎng)融合、核心網(wǎng)融合和接入網(wǎng)融合：承載網(wǎng)融合主要是通過衛(wèi)星通信取代偏遠(yuǎn)地區(qū)地面基站與核心網(wǎng)之間的光纖功能，從而降低系統(tǒng)建設(shè)成本；核心網(wǎng)融合能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管控和運營，從而實現(xiàn)多模終端在不同的星地網(wǎng)系間切換；接入網(wǎng)融合則是無線鏈路空口的體制統(tǒng)一設(shè)計，采用相同的空口技術(shù)體制，從而完成同樣一套基帶及射頻能夠接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面5G 網(wǎng)絡(luò)。

隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的逐漸成熟和衛(wèi)星通信技術(shù)的快速發(fā)展，許多研究和標(biāo)準(zhǔn)化組織開始對星地融合5G 網(wǎng)絡(luò)的場景、需求、關(guān)鍵技術(shù)展開研究。

（1）國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）

ITU 認(rèn)為星地融合網(wǎng)絡(luò)是未來網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其衛(wèi)星相關(guān)的工作主要在國際電信聯(lián)盟無線電通信部（International Tecommunication Union-Radio Communication Sector，ITU-R）第四研究組第二工作組中開展。2016～2019年完成的下一代接入技術(shù)（Next Generation Access Technology，NGAT）衛(wèi)星接入技術(shù)（Satellite Access Technology，SAT）項目中提出了星地5G 網(wǎng)絡(luò)融合的4 種應(yīng)用場景[10]：中繼寬帶傳輸業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)回傳與分發(fā)業(yè)務(wù)，寬帶移動通信業(yè)務(wù)，混合多媒體業(yè)務(wù)。同時提出星地融合解決方案在支持上述場景時需要考慮以下技術(shù)要素：多播/單播支持、智能路由、動態(tài)緩存管理及自適應(yīng)流的支持、服務(wù)質(zhì)量保證、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化/軟件定義網(wǎng)絡(luò)兼容性等。

（2）3GPP

3GPP 討論5G 標(biāo)準(zhǔn)之初，就考慮星地網(wǎng)絡(luò)融合的需求和場景[11]。在完成Release 15 的5G 基礎(chǔ)版本之后，3GPP 開始在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和無線接入兩個方向分別展開衛(wèi)星通信與5G 系統(tǒng)融合的立項研究。

截至目前，3GPP 已經(jīng)完成了Release 16 和17 兩個版本的星地融合技術(shù)研究，主要針對衛(wèi)星作為5G 基站的射頻拉遠(yuǎn)單元或分布式單元的組網(wǎng)場景，標(biāo)準(zhǔn)研究的主要技術(shù)內(nèi)容包括：支持衛(wèi)星接入的5G 接入網(wǎng)架構(gòu)增強、衛(wèi)星支持新無線接入（New Radio，NR）的物理層增強、支持衛(wèi)星接入的空口協(xié)議增強、衛(wèi)星移動帶來的移動性管理增強、饋電切換、衛(wèi)星接入帶來的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）控制增強、支撐監(jiān)管要求的5G 系統(tǒng)增強等[12-14]。

此外，3GPP 在Release 18 將繼續(xù)開展星地融合5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究，在2021 年12 月份召開的無線接入網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）#94E 和系統(tǒng)架構(gòu)（System Architecture，SA）#94 會議上，通過了3 個關(guān)于星地融合5G 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究的立項，具體包括由RAN2 牽頭的非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial Networks，NTN）演進(jìn)NTN evolution-NR 以及由SA2 牽頭的FS_5GSAT_Ph2 和FS_5GSATB 項目，主要研究目標(biāo)包括：衛(wèi)星覆蓋增強、10 GHz以上頻段的NR-NTN 網(wǎng)絡(luò)部署、網(wǎng)絡(luò)驗證終端（User Equipment，UE）位置、星地網(wǎng)絡(luò)和星星網(wǎng)絡(luò)之間的移動性管理和業(yè)務(wù)連續(xù)性增強、非連續(xù)衛(wèi)星覆蓋的增強、衛(wèi)星回傳增強和用戶面功能（User Plane Function，UPF）上星[15-17]。

（3）中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ChinaCommunications Standards Association，CCSA）

CCSA 從2020 年開始研究5G 星地融合技術(shù)，主要研究包括空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景和基于5G 的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

空天地一體化的通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景研究主要闡述了空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和發(fā)展趨勢，分析了空基網(wǎng)絡(luò)、天基網(wǎng)絡(luò)和地基網(wǎng)絡(luò)的特點、現(xiàn)狀、問題等，介紹了空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)下廣域時敏通信、高通量容易、物聯(lián)網(wǎng)、遙感和定位等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

基于5G 的衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究主要分析了5 種基于5G 的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用場景，相比于ITU 增加了直連終端業(yè)務(wù)；提出了基于5G 的衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)問題和解決方案，主要包括同步技術(shù)、移動性管理、跟蹤區(qū)域管理、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識管理、尋呼技術(shù)、跳波束技術(shù)等。

2 星地融合5G 網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)架構(gòu)方面面臨的問題

目前形成標(biāo)準(zhǔn)的星地融合5G 網(wǎng)絡(luò)還處于初步融合階段，衛(wèi)星主要工作在透明轉(zhuǎn)發(fā)模式，無法對用戶數(shù)據(jù)做星上處理，因此存在如下通信時延高、帶寬受限等缺點。

若星上僅支持射頻拉遠(yuǎn)單元，則存在以下缺點：

（1）衛(wèi)星需與地面基站功能直連，難以使用星間鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)路由，因此對于信關(guān)站數(shù)量少的衛(wèi)星系統(tǒng)來說，存在組網(wǎng)限制，數(shù)據(jù)落地困難。

（2）用戶數(shù)據(jù)需要回傳到地面核心網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中處理，傳輸鏈路長，通信時延高。由于星上僅支持部分基站射頻功能，無法實現(xiàn)用戶通信數(shù)據(jù)的本地交換或本地終結(jié)，從而造成較高的通信時延，降低用戶體驗。

若星上支持?jǐn)?shù)據(jù)單元（Data Unit，DU），用戶數(shù)據(jù)同樣需要回傳到地面核心網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中處理，因此也存在傳輸鏈路長和通信時延高的缺點，尤其是在星上DU 和地面控制單位（Control Unit，CU）直接通過較長的星間鏈相連的情況下。當(dāng)用戶數(shù)據(jù)通過星間鏈和饋電鏈路回傳到地面網(wǎng)絡(luò)時，將造成更高的通信時延。

即使星上支持完整的gNB 功能，也存在衛(wèi)星接入用戶的通信有較高時延的缺點，即用戶數(shù)據(jù)需要通過星間鏈和饋電鏈路回傳到地面核心網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中處理或交換。為了進(jìn)一步提高星地融合5G 網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能，學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出了部分核心網(wǎng)功能甚至特定業(yè)務(wù)系統(tǒng)上星的構(gòu)想，但這些研究大都處于試驗和探索階段，尚未從產(chǎn)業(yè)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的角度加以論證和討論，也缺乏對整個5G 系統(tǒng)影響的完整分析。

星地深度融合的5G 網(wǎng)絡(luò)除了要求系統(tǒng)架構(gòu)上的增強，還需要考慮組網(wǎng)的靈活性。因此，未來星地網(wǎng)絡(luò)深度融合的5G 系統(tǒng)將大量使用星間鏈來實現(xiàn)靈活組網(wǎng)，星上基站和地面5G 核心網(wǎng)之間將存在基于多跳星間鏈或基于多種類型衛(wèi)星的回傳連接。這將帶來動態(tài)變化的端到端傳輸時延和回傳帶寬，然而現(xiàn)有5G 系統(tǒng)中的策略控制機(jī)制并沒有考慮這一問題，由此可能導(dǎo)致用戶體驗下降，例如無法滿足用戶的端到端時延要求或數(shù)據(jù)傳輸速率要求。

3 支持星地融合的5G 網(wǎng)絡(luò)增強技術(shù)

針對星地融合5G 網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)架構(gòu)上面臨的問題，需要從5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上進(jìn)行思考。3GPP SA2 工作組在Release 18 階段，提出了支持星地融合的5G 網(wǎng)絡(luò)增強的研究項目FS_5GSATB，該項目從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的角度建議了如下研究目標(biāo)[17]：

（1）基于衛(wèi)星回傳特征（如動態(tài)變化時延、受限帶寬）的策略控制與計費（Policy Control and Charging，PCC）PCC/QoS控制增強以匹配業(yè)務(wù)傳輸需求與5G 系統(tǒng)能力，提升5G系統(tǒng)的QoS 保障能力和用戶體驗；

（2）基于星上UPF 的衛(wèi)星邊緣計算支持，實現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)的星上處理，降低傳輸成本以及基于星上UPF的本地交換增強，實現(xiàn)通信終端間的本地交換，避免數(shù)據(jù)落地，顯著降低通信時延，提升用戶體驗。

衛(wèi)星回傳具有明顯的高延遲、低帶寬特征，其中延遲主要由于衛(wèi)星軌道高度與星間鏈跳數(shù)決定，例如高軌衛(wèi)星到地面的空口傳輸時延在120～140 ms，多跳星間鏈的最大傳輸時延也可達(dá)到100 ms 以上；帶寬主要由衛(wèi)星波束的空口速率及星間鏈傳輸速率決定。當(dāng)5G 系統(tǒng)融合了衛(wèi)星回傳后，其端到端的QoS 保障能力將受到衛(wèi)星回傳鏈路能力的制約，因此5G 系統(tǒng)需能夠感知衛(wèi)星回傳的時延、帶寬特征。

3GPP 在Release 17 的研究中設(shè)定使用衛(wèi)星回傳的基站只能使用一種衛(wèi)星回傳，且衛(wèi)星回傳鏈路上不能包含星間鏈。在這一假設(shè)的前提下，5G 核心網(wǎng)可以通過基站的標(biāo)識來區(qū)分衛(wèi)星回傳的類型，例如低軌衛(wèi)星（Low Earth Orbit，LEO）、中軌衛(wèi)星（Middle Earth Orbit，MEO）或同步軌道衛(wèi)星（Geostationary Orbit，GEO），進(jìn)而確定回傳鏈路的時延特征。然而當(dāng)衛(wèi)星回傳鏈路上存在星間鏈或者多種衛(wèi)星回傳時，5G 核心網(wǎng)無法通過基站標(biāo)識來準(zhǔn)確獲知回傳鏈路的時延特征。因此，需定義動態(tài)監(jiān)測回傳鏈路性能的方法來保證5G 核心網(wǎng)能夠準(zhǔn)確掌握回傳鏈路的性能變化，例如由基站觸發(fā)和完成回傳鏈路性能的動態(tài)監(jiān)測。

如圖1 所示，當(dāng)gNB 通過衛(wèi)星回傳網(wǎng)絡(luò)建立有與5G核心網(wǎng)建立用戶面?zhèn)鬏攲雨P(guān)聯(lián)時，gNB 應(yīng)向5G 控制面網(wǎng)絡(luò)功能AMF 報告衛(wèi)星回傳指示，具體可以在NG 建立過程中上報。后續(xù)有終端通過該gNB 獲取服務(wù)時，例如建立協(xié)議數(shù)據(jù)單位（Protocol Data Unit，PDU）會話或者切換到該gNB，5G 核心網(wǎng)控制面網(wǎng)絡(luò)功能可以根據(jù)gNB報告的衛(wèi)星回傳指示確定啟用針對該UE 的PDU 會話的QoS 監(jiān)測。UE 的PDU 會話的錨點UPF 可以在PDU 會話的用戶面路徑上發(fā)送探測包來檢測該路徑上的數(shù)據(jù)傳輸時延。當(dāng)gNB 收到探測包后，將根據(jù)承載該路徑的衛(wèi)星波束信息（例如衛(wèi)星空口速率）確定該傳輸層路徑上的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，然后在探測響應(yīng)包中攜帶該傳輸層路徑的最大帶寬。用戶面錨點通過事件報告的方式向控制面網(wǎng)絡(luò)功能報告QoS 監(jiān)控結(jié)果。

圖1 基于衛(wèi)星回傳鏈路特性的策略與QoS 控制增強流程

5G 核心網(wǎng)控制平面功能在拿到gNB 與錨點UPF 之間的傳輸時延和最大帶寬后，將執(zhí)行相應(yīng)的QoS 控制，例如限定所有使用該傳輸網(wǎng)絡(luò)層路徑的QoS 流的保證流比特率之和不大于最大帶寬。另外，當(dāng)5G 核心網(wǎng)判斷出通過衛(wèi)星回傳無法滿足應(yīng)用層的QoS 需求時，可以發(fā)起與應(yīng)用服務(wù)器的QoS 需求協(xié)商，請求降低QoS 需求，例如降低時延和數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

4 結(jié)論

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)各有所長，也各有縮短，星地融合網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了衛(wèi)星通信和地面移動通信的優(yōu)勢互補。因此，隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和成熟，產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界開始關(guān)注星地融合5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，并展開了相關(guān)的研究。目前比較成熟的研究成果已經(jīng)在3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化組織落地，例如針對衛(wèi)星工作在透明轉(zhuǎn)發(fā)模式時的系統(tǒng)增強，然而目前的星地融合還處于初級階段，無法支持靈活組網(wǎng)以及業(yè)務(wù)的高效承載。因此，本文提出了面向星地融合5G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)增強技術(shù)，并仿真分析了星載UPF 在網(wǎng)絡(luò)性能上帶來的增益，從而部分論證了星地網(wǎng)絡(luò)深度融合的技術(shù)途徑。

未來星地融合5G 網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步實現(xiàn)衛(wèi)星通信和5G 網(wǎng)絡(luò)的深度融合，并逐步向星地融合的6G 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。展望未來星地深度融合5G 網(wǎng)絡(luò)，將具備天基組網(wǎng)能力，支持星星、星地之間的靈活組網(wǎng)，能夠按需提供用戶信令或數(shù)據(jù)的星上處理，允許終端在星地網(wǎng)絡(luò)之間動態(tài)切換并保證一致的用戶體驗。