5G與衛星網絡融合演進研究

尼凌飛，胡博，王辰，谷尚銘，孟萌，張劍寅

（1.中國移動通信有限公司研究院，北京 100053；2.北京郵電大學，北京 100876）

0 引言

5G網絡面向eMBB（enhanced Mobile Broadband，增強型移動寬帶）、URLLC（Ultra-Reliable and Low Latency C ommunica tion s，超可靠和低延遲通信）和mM TC（massive Machine Type Communication，大規模機器類型通信）等三大類應用場景，相比4G網絡在上下行帶寬上有了較大的提升，同時采用基于流的端到端QoS（Quality of Service，服務質量）機制，對服務質量保障也做了較大的改進。此外，5G網絡將SBA（Servicebased Architecture，基于服務的架構）作為網絡部署的主要架構，遵循3GPP標準，在引入服務化的基礎上支持邊緣計算、切片等新技術，更易于面向ToB用戶提供通信服務，已廣泛而深刻地影響社會的生產和生活，成為地面通信發展部署的主要網絡。

從1957年10月4日第一顆人造衛星成功發射起，經過數十年的發展，衛星通信網絡已遍布全球。衛星通信具有廣覆蓋以及不受地理條件限制的特點。對于海洋、森林、沙漠、極地和高山等5G網絡難以部署或5G網絡部署成本高的區域，借助衛星網絡可以彌補5G網絡的覆蓋不足，尤其近年來以Starlink為代表的低軌寬帶衛星技術的發展，低軌衛星網絡通信技術在帶寬和時延等方面已與5G移動通信具備了互補能力。因此，衛星網絡與5G網絡互為補充、相輔相成，共同構建覆蓋全球的融合網絡已成為通信網絡發展的重要趨勢。

3GPP和ITU等國際標準化組織正在推進衛星與5G的融合。3GPP將衛星網絡劃入NTN（Non-Terrestrial Networks，非地面網絡）范疇，在R15明確將支持衛星接入作為5G系統需求；在R16對NR支持NTN解決方案進行SI立項，輸出TR 38.821，明確了透明接入、DU上星和NR上星三種衛星接入5G系統的架構；在R17針對衛星接入對核心網的影響問題及解決方案進行研究和評估，輸出TR 23.737，并將相關成熟研究結果推進標準TS 23.501中；R18正在對衛星接入多連接、核心網上星和星上邊緣計算等衛星與5G的融合增強特性進行研究，深入推動5G與衛星網絡融合演進。

國際電信聯盟無線電通信組[1]于2019年發布報告“將衛星系統集成到下一代接入技術的關鍵要素”，提出了5G網絡融合衛星網絡的4種應用場景（如圖1所示），包括中繼到站、小區回傳、動中通、混合多播場景。報告明確了衛星通信支持以上4種場景所具備的多播支持、智能路由支持、動態緩存管理及自適應流支持、延時、一致的服務質量QoS、NFV（Network Function Virtualization，網絡功能虛擬化）/SDN（Software Defined Networks，軟件定義網絡）兼容、商業模式的靈活性等關鍵特性。國際電信聯盟標準化部門[2]SG13從2020年開展5G網絡融合衛星網絡的標準化工作以來，國內外已有多家單位參與了該項研究，研究工作包括融合網絡的整體需求、架構、用例以及關鍵技術等。此外，ITU也積極推進關于衛星與5G在頻率使用方面的工作。在世界無線電通信大會上，明確了在6—84 GHz范圍內需探索5G新的可用頻率，為此需開展一系列關于衛星與5G的頻譜共用與電磁兼容性分析。

圖1 5G網絡融合衛星網絡的4種應用場景

1 5G與衛星網絡融合場景分析

衛星通信在覆蓋、可靠性、靈活性等方面可以彌補地面移動通信的不足[3]，5G與衛星網絡融合能夠為用戶提供更可靠的服務體驗，降低運營商網絡部署成本。3GPP[4]從R14開始開展星地融合的研究工作，在2017年底發布的技術報告22.822中，3GPP定義了在5G中使用衛星接入的三大類用例：連續服務、泛在服務和擴展服務，并針對5G與衛星網絡的功能需求進行分析，介紹了12種功能需求及其對應的使用場景示例。面向5G與衛星網絡融合，上述場景可歸納為如下四類。

（1）無地面網絡部署區域場景

在海洋、山區、沙漠等地理區域，由于基站架設困難，地面網絡幾乎不存在，因此衛星可以作為地面網絡的補充和延伸。在遠洋運輸中，為了實現集裝箱的全過程監控，可以在每個集裝箱上安裝具備衛星接入、網絡重選擇功能的用戶終端。在地震、洪水、戰爭等突發事件導致地面網絡臨時中斷或整體毀滅的情況下，衛星與5G融合網絡可以為用戶提供衛星接入服務。

（2）地面網絡連接密度低區域場景

在人煙稀少、地面基站數量有限的區域，衛星與5G融合網絡可以為那些缺乏地面基礎設施的用戶提供網絡接入服務。衛星網絡通過對地面基站網絡進行“補盲”，可以為處于偏遠地區的用戶提供連續的5G接入服務。

（3）地面網絡連接速率低區域場景

在偏遠村莊、偏遠居民點、生態區、小島等區域，地面網絡連接速率低，不能滿足用戶和通信服務的要求。5G與衛星網絡的融合可促進上述場景用戶服務的提供，并且增強用戶服務質量。

（4）無本運營商地面網絡區域場景

在無本地運營商地面網絡的場景下，為了保證運營商之間的國內漫游、運營商之間的國際漫游和國際通信業務提供，5G與衛星網絡的融合可以滿足相關要求，增強用戶服務質量。

2 5G與衛星網絡融合演進架構

2.1 演進階段分析

如上節所述，衛星與5G網絡在無地面網絡部署、地面網絡連接密度低、地面網絡連接速率低和無本運營商地面網絡等區域存在較強的融合應用場景需求，但目前衛星通信網絡與5G通信網絡相互獨立，各自采用不同的組網架構和協議體制，衛星與5G網絡的融合難以一蹴而就。要實現衛星與5G網絡的融合演進，構建天地一體化的通信網絡，滿足融合應用場景需求，將融合演進劃分為初期、中期和遠期三個階段。

在演進初期階段，主要采用衛星網絡與5G網絡互聯互通的方式，通過互通網關屏蔽網絡差異和實現網絡協議轉換，以降低對衛星網絡的改造難度，減少對5G網絡的改造影響，較快實現衛星通信與5G通信的業務互通。

在演進中期階段，衛星網絡作為5G的接入網絡，統一接入基于SBA的5G核心網，支持多連接終端通過衛星接入或地面基站接入5G網絡，使用不斷迭代更新的5G豐富業務。

在演進遠期階段，5G核心網部分網元和邊緣計算平臺上星，在衛星網絡提供用戶面數據處理功能和邊緣計算業務，實現業務不落地，降低通信時延并保障業務安全性。考慮到衛星載荷的有限性以及軟件定義衛星技術的發展成熟情況，需要對上星網元和平臺的功能進行輕量化裁剪，并結合衛星通信高延遲、高誤碼率和易丟包特點進行定制化增強。

2.2 演進階段架構

（1）演進初期架構

5G與衛星網絡演進初期階段的組網架構如圖2所示。

圖2 演進初期階段組網架構圖

在初期階段，通過互通網關實現衛星網絡與5G網絡的互聯互通。為支持衛星終端與5G終端之間的語音、消息和數據業務互通，互通網關需要提供衛星網絡與5G網絡之間的鑒權認證、協議轉換適配、碼號標識映射和編解碼轉換等功能。

互通網關與衛星網絡之間使用衛星網絡協議。目前衛星網絡多使用私有協議，標準協議主要為CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems，空間數據系統咨詢委員會）定義的協議體系，為降低網關對接衛星網絡的協議復雜度和適配難度，建議作為互通網關與衛星網絡之間的接口協議基礎。

互通網關與5G核心網之間遵循3GPP[5]定義的N6接口，實現數據業務的互通。互通網關與IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統）之間使用遵循3GPP定義的Mx和Mb接口，實現語音和IP短消息業務的互通。

（2）演進中期架構

5G與衛星網絡融合演進中期階段的組網架構如圖3所示。

圖3 演進中期階段組網架構圖

在中期階段，衛星網絡演進為5G的接入網，與地面5G接入網統一接入地面5G核心網，支持多接入終端通過衛星接入或地面5G接入來使用5G網絡服務。

對于衛星網絡為非3GPP接入且處于非信任域的，網關提供N3IWF（Non-3GPP Interworking Function，非3GPP互通功能）；對于衛星網絡為非3GPP接入且處于信任域的，網關提供TNGF（Trusted Non-3GPP Gateway Function，受信任的非3GPP網關功能），轉換為遵循3GPP標準的接口接入5G核心網。

為降低接入管理的復雜度以及轉換帶來的處理開銷，結合3GPP[6]標準的發展演進將衛星網絡作為3GPP接入，采用gNB（next Generation Node B，下一代無線基站）上星方式，通過NTN網關使用3GPP標準的N2和N3接口與5G核心網相連。

（3）演進遠期架構

5G與衛星網絡融合演進遠期階段的組網架構如圖4所示。

圖4 演進遠期階段組網架構圖

在遠期階段，衛星與5G網絡實現融合，融合網絡由天基5G接入網、天基5G核心網、天基MEC（Multiaccess Edge Computing，多接入邊緣計算）平臺及應用、地基5G接入網和地基5G核心網等組成。

天基5G接入網通過N2接口與地基5G核心網相連，并根據接收的地基5G核心網指示，使用N3接口將本地用戶面數據路由到天基5G核心網。

天基5G核心網包括UPF（User Plane Function，用戶面功能）網元，通過N6接口與天基MEC平臺相連，實現星上本地用戶面數據的路由轉發和處理。天基5G核心網通過N4接口與地基5G核心網相連，接收N4會話管理指令并進行處理。

地基5G核心網支持對天基5G接入網和地基5G接入網進行統一接入管理和控制，支持與天基5G核心網協同實現用戶面數據的就近分流和處理。

3 5G與衛星網絡融合演進關鍵技術

3.1 各融合演進階段對5G核心網影響及挑戰

在融合演進初期階段，通過互通網關屏蔽了衛星網絡與5G網絡的組網和協議差異，對5G核心網影響較小。其中5G核心網基于現有的數據路由轉發機制，能夠滿足與衛星網絡互通業務需求。

在融合演進中期階段，衛星網絡作為5G接入網，基于gNB上星方式，通過NTN網關使用N2和N3接口接入5G核心網網元AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移動性管理功能）和UPF，由5G核心網實現統一的管理和控制處理。該階段中，衛星特有的通信特征將對5G核心網帶來新的影響和挑戰。

首先，衛星高延遲的通信特征對有連接的通信協議支持差，導致AMF與星上gNB之間使用的SCTP協議通信性能下降大，需要通過通信協議優化來進行性能提升。同時在AMF和SMF上還需針對衛星接入調整T3510、T3517、T3580、T3581和T3582等定時器，以避免因信令延遲導致注冊和建立PDU（Protocol Data Unit，協議數據單元）會話失敗。

其次，NGSO（Non-GeoStationary Orbit，非對地靜止軌道）衛星，尤其是低軌衛星移動性強，平均過頂通信時長在15～20分鐘，在gNB上星方式下，由于終端上方的衛星基站不斷切換，導致終端頻繁在消失的服務位置區和接替出現的新服務位置區進行重選，通過新的星上gNB接入地面5G核心網網元AMF進行位置更新，同時，衛星移動和衛星間的切換也對5G核心網網元AMF的移動性管理提出了挑戰，需要結合星歷對移動性管理機制進行增強。

最后，中期階段將同時存在衛星5G接入和地面5G接入。當終端如車載終端從地面5G覆蓋區域進入到無地面5G覆蓋僅有衛星覆蓋的區域，或者從衛星覆蓋區域進入到地面5G覆蓋區域時，對于終端和網絡正在進行的通信業務，因為接入網絡的變化會產生影響，需要5G核心網、接入網和終端協同以保障業務的連續性。

在融合演進遠期階段，UPF等核心網網元將上星構建天基核心網。考慮衛星載荷的有限性，需要對上星的核心網網元進行輕量級裁剪和定制以滿足星上載荷要求。同時，天基核心網與地基核心網之間交互，例如地基核心網網元SMF對天基核心網網元UPF的選擇，天基核心網網元UPF上報事件信息到地基核心網網元SMF，以及天基核心網網元UPF與地基核心網網元UPF建立連接等，天基核心網與地基核心網之間如何高可靠、低時延和輕量級協同以保障通信業務不受影響，對5G核心網也提出了新的挑戰。

應對這些影響和挑戰，5G與衛星網絡融合演進需要使用到通信協議優化、移動性管理、業務連續性保障、QoS控制以及UPF和MEP上星等關鍵技術。

3.2 通信協議優化

5 G 與衛星融合的通信協議優化包含T C P（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）加速，由于TCP性能在衛星鏈路上提升有限，較長的傳播延遲和擁塞控制特性以及TCP的慢啟動機制使TCP的性能受到限制。基于此，CCSDS為克服空間通信大時延、低信噪比、強多普勒頻移與高動態等難題，對地面成熟的TCP/IP協議進行適應性改進，提出了以SCPS（Space Communication Protocol Specification，空間通信協議規范）-TP（Transport Protocol，傳輸協議）為核心的關鍵傳輸體制設計，通過簡化連接管理、亂序、重傳機制，以及報文頭部壓縮，以低開銷實現端到端可靠傳輸。

5G與衛星融合的TCP加速能夠克服衛星網絡長延時、高誤碼對TCP協議帶來的影響，通常采用算法改進、零窗口停發、反向ACK過濾和誤碼容忍控制機制等空間傳輸層增強手段實現。TCP性能增強代理模式以及SCPSTP性能增強代理模式中，路由轉發模式下可靠傳輸代理不進行分段，通過路由功能轉發數據報文。TCP性能增強代理模式下，將端到端TCP連接分為三段TCP連接，并采用TCP協議的主要機制對地面網絡和衛星網絡之間的分段連接進行性能增強（如圖5所示）。SCPS-TP性能增強代理將端到端TCP連接分為TCP連接和SCPS-TP連接（如圖6所示），并采用SCPS-TP協議的改進機制對地面網絡和衛星網絡之間的分段連接進行性能增強。

圖5 TCP性能增強代理模式

圖6 SCPS-TP性能增強代理模式

3.3 移動性管理

衛星網絡的位置區設計研究的主要目的是降低用戶位置管理中的開銷，可以分為靜態的位置區設計和動態的位置區設計。靜態位置區劃分主要分為以下四種：基于衛星的覆蓋范圍、基于信關站的覆蓋范圍、基于衛星和信關站相結合的覆蓋范圍、基于用戶所在地理位置。動態位置區設計根據用戶移動時的各種特性、用戶的呼叫類型以及用戶發起位置更新操作等，可以分為以下四種：基于移動的動態位置區更新、基于時間的動態位置區更新、基于移動和時間相結合的動態位置區更新、基于距離的動態位置區更新。

根據3GPP發布的衛星的移動性管理存在的關鍵問題，5G與衛星網絡融合的移動性管理還存在以下三類問題。一、廣衛星覆蓋區域的移動性管理：衛星網絡由于其廣覆蓋特性，衛星小區可能跨越多個國家或地球的大部分，其覆蓋范圍遠超5G移動性管理系統所設計的接入網覆蓋范圍，因此，5G與衛星網絡融合將會引發較大的衛星覆蓋區域內如何處理終端的尋呼、衛星覆蓋區與5G系統跟蹤/注冊區的關系、衛星和地面接入之間的空閑/連接模式下移動性如何執行等問題。針對此問題，3GPP提出基于位置和固定的注冊區域衛星接入、用于具有大型或移動無線電覆蓋的5G衛星接入的解決方案，兩個方案都能減少衛星覆蓋區域的移動性管理問題。二、移動衛星覆蓋區域的移動性管理：若gNB位于非對地靜止衛星，則連接的小區和注冊區域將與相應的gNB一起移動，相應的地理覆蓋范圍、小區、注冊區域等概念可能需要重新定義；gNB的移動也可能會對與地理區域相關的功能產生一些影響，例如授權、計費等；除此之外，還存在衛星和地面接入之間的空閑/連接模式移動性如何執行等問題。針對此類問題，3GPP提出了減少來自NGSO衛星小區終端的移動性注冊更新信令，從而解決移動衛星覆蓋區域的移動性管理問題。三、基于NGSO再生衛星接入RAN（Radio Access Network，無線接入網）的移動性管理。在NGSO衛星上啟用RAN意味著RAN對任何相連5G核心網的頻繁切換。由于NGSO衛星的覆蓋范圍很大，大量終端可以同時從一個RAN切換到另一個RAN，從而導致錨點為RAN和核心網的組切換。針對此問題，3GPP提出的解決方案與廣衛星覆蓋區域的移動性管理解決方案一致。此外，3GPP還提出了非對地靜止衛星接入的空閑模式移動性流程、衛星和地面PLMN（Public Land Mobile Network，公共陸地移動網）之間的漫游和移動性架構等方案。

3.4 業務連續性保障

5G和衛星融合網絡能夠提供衛星網絡與地面網絡相互補充、協議增進的全覆蓋網絡，需要支持在切換下為多連接終端用戶提供不中斷的通信服務。考慮到衛星網絡通信能力受限、通信資源受限、強對地移動性和高動態網絡拓撲等特點，地面網絡現有切換技術無法在5G與衛星融合網絡中直接復用，因此研究5G與衛星融合網絡切換下業務連續性的保障具有重要意義。

5G和衛星融合網絡系統中的切換包括兩類：一是衛星網絡中不同衛星間或相同衛星不同波束間的切換，二是地面網絡與衛星網絡間的切換。由于衛星與多連接終端均可能發生快速移動，由此帶來的頻繁切換容易引發呼叫阻塞、通信質量下降、資源浪費等問題。根據當前研究，5G和衛星融合網絡中的切換可基于星歷信息進行預切換，或者可根據對于信號強度、網絡負載、通信鏈路質量優劣等影響因素的測量觸發切換。

在快速切換過程中，保證用戶的業務連續性是融合網絡切換策略的核心。對于第一類切換中相同衛星不同波束間的切換，通過使用NTN無線技術保障同一星上gNB內切換的業務連續性，不同衛星間的切換基于星歷信息以及切換衛星與地面核心網的連接預建立，從而減少切換時延，保障了業務連續性。對于第二類切換，通過在切換前由核心網網元發起與目的無線接入網元的連接，從而在切換時通過激活連接來減少切換保障業務連續性。

3.5 QoS控制

衛星通信相較于地面通信，具有高延遲和帶寬速率受限的特征，同時受空間電磁輻射干擾和氣候（如大雨）影響等，通信質量呈動態變化，難以直接復用地面5G網絡的QoS策略來進行保障控制。

在衛星網絡中，衛星的軌道參數與衛星類型有關，在星上gNB與地面核心網AMF網元建立連接時通過N2接口將衛星類型作為衛星接入類型上報到核心網。在建立PDU會話時，核心網根據衛星接入類型下發對應衛星的5QI（5G QoS Identifier，5G QoS標識）等策略參數用于QoS保障控制，目前3GPP[7]標準定義10作為衛星接入下的5QI參數取值。針對GEO、MEO和LEO對應軌道高度和帶寬資源的不同，可進一步細化定義5QI用于不同衛星接入類型下的QoS保障控制。

針對經過衛星接入網絡建立的PDU會話，通過在衛星接入地面核心網的網關和UPF增強針對用戶面通信的QoS監測功能，并將監測結果使用服務化的能力開放接口上報到5G核心網網元PCF（Policy Control Function，策略控制功能），PCF根據上報的監測結果進行QoS策略的更新下發以應對衛星通信質量的變化。并且衛星終端和網絡配合，結合RQI（Reflective QoS Indication，反射QoS指示）使用5G網絡的反射QoS控制功能（如圖7所示），動態調整速率以適應衛星通信質量多變的情形。

圖7 QoS控制技術圖

3.6 UPF和MEP上星

在5G核心網中，UPF是用戶面業務數據處理的重要網元，MEP通過Mp2接口與UPF相連，提供邊緣節點的算力服務。UPF和MEP上星不僅有利于構建天基核心網，向未來天地一體化的泛在算力網絡演進，并且在MEP上部署邊緣應用，有利于星上用戶面數據業務的本地處理，減少對通過衛星與地面站之間星地鏈路支持用戶面業務數據傳送的依賴。

考慮衛星載荷的有限性，將完整UPF網元功能部署在星上難度巨大，需要對UPF保留基礎功能，簡化次要功能和定制化專用功能。結合國際標準規范和5G商用實際情況，UPF主要提供路由轉發、數據和業務識別、協議優化、策略執行、頭增強、DNN（Data Network Name，數據網絡名）融合、IP地址分配、隧道管理、計費和重定向等功能。針對上星，可考慮簡化數據和業務識別、頭增強、DNN融合、IP地址分配、計費和重定向等功能，保留路由轉發、策略執行和隧道管理等基礎功能。面向衛星通信高延遲、高丟包率和誤碼率的情況，需要增強丟包處理和對擁塞控制機制進行定制化優化。考慮星上網元和資源管理的特殊性，以及需要將星上網元納入統一網管系統，后續還需定制化星上網元系統配置管理、故障管理和性能管理等網元管理功能。

UPF上星后，與地基5G核心網SMF之間的N4接口消息以及與地面網絡管理系統之間的網管接口消息需要經過星地鏈路進行通信，以實現天/地基核心網業務與管理的協同。對于該鏈路，需要區分業務和管理平面，提供差異化服務，以減少N4接口業務信息交互與網管接口管理信息交互的相互影響。同時，還需針對5G地基核心網SMF減少對UPF上報事件的要求，簡化與UPF之間的心跳檢測機制和延長N4接口定時器，以降低天地基核心網協同之間的通信開銷。

4 結束語

5G與衛星的互補優勢將推動5G與衛星網絡走向融合發展，最終構建全覆蓋的天地一體化算力網絡。考慮5G與衛星現在網絡和協議的巨大差異，5G與衛星網絡的融合可分為初期、中期和遠期等階段，通過先網絡互通、再網絡融合逐步進行，從而盡量減少對現有衛星服務和地面5G服務的影響。同時5G與衛星網絡的融合發展，需要推動衛星通信產業和5G通信產業在衛星與5G網絡融合領域中標準制定、研究、產品開發和落地環節的加強合作。在標準制定上，實現衛星通信標準化組織與5G通信標準化組織的有效協同；在研究上，聚焦5G與衛星網絡融合所涉及的統一通信協議體系、統一移動性管理、天/地基網絡切換的業務連續性，融合網絡端到端QoS和天/地基網絡協同組網及資源統一管理等關鍵領域問題，進行合作技術攻關，形成解決方案；在產品開發上，需基于統一標準和解決方案進行產品創新突破，在應用落地時破除產業壁壘，互利互惠，合作建設部署端到端的5G與衛星融合網絡。基于上述舉措，面向目前地面5G難以覆蓋或覆蓋成本高的高空、海洋、海島、高山和沙漠等區域，通過衛星與5G的網絡融合發揮衛星廣覆蓋和配置靈活的優勢，提供豐富多樣的5G服務，從而使5G全面走向千家萬戶和千行百業。