5G与卫星网络融合演进研究

摘 要

摘 要

【关键词】 5G；卫星；网络融合演进

0****************引言

5G网络主要应用于eMBB（增强型移动宽带）、URLLC（超可靠和低延迟通信）以及mMTC（大规模机器类型通信）三大领域；相比4G网络，在带宽方面实现了显著提升；通过引入基于流的端到端QoS机制来优化服务质量保障机制；采用SBA架构作为核心设计，并遵循3GPP标准要求；通过支持边缘计算、切片等新技术提升了服务可用性；最终成为 ground communication 的主流部署方案

始于1957年10月4日第一颗人造卫星的成功发射后，经过了数十年的发展历程。如今已在全球范围内广泛部署。该系统具备广泛的覆盖范围，并不受地理环境的限制。针对海洋、森林、沙漠、极地以及高山等区域，在这些地方或由于地形限制难以部署高容量的5G设备，或因高昂的成本无法实现部署的情况下，在这里通过卫星系统可显著改善信号覆盖质量并降低运营成本。尤其是近年来发展起来的以Starlink为代表的一系列低轨宽带卫星技术，在带宽和时延性能方面已与5G移动通信达到了互补水平。因此可以说，卫星系统与现有的高容量移动型数据传输系统相互补充，在功能上相得益彰，并共同构建覆盖全球的融合型通信网络已成为未来通信技术发展的关键方向

多个国际标准化机构正在探索 satellite 技术与 5G 网络的深度融合。

国际电信联盟无线电通信组[1]于2019年发布了该份报告《集成卫星系统到下一代接入技术的关键要素》，该报告列举了5G网络融合卫星网络的4个应用场景（如图1所示），包括中继站、小区回传、动态中通以及混合多播场景等关键应用类型。在该报告中明确了支持上述场景所需具备的关键特性：包括多播支持、智能路由支持、动态缓存管理能力、自适应流支持、延时管理、一致的服务质量QoS保障以及NFV/NBDN兼容性等技术要求，并强调了该技术方案的灵活性与适应性需求。国际电信联盟标准化部门[2]自2020年开始推进5G融合卫星网络的技术标准制定工作，在这一过程中已有多个机构参与其中，并重点探讨融合网络的整体需求分析、系统架构设计、典型应用案例以及关键技术实现等方面的内容。与此同时，在世界无线电通信大会上ITU也已经明确提出了在6至84 GHz频段内探索5G新频率方向的需求，并为此展开了卫星与5G频谱共用与电磁兼容性分析的相关研究工作

1****5G****与卫星网络融合场景分析

卫星通信在覆盖范围、可靠性以及灵活性等方面能够弥补地面移动通信的局限性[3]。5G与卫星网络深度融合将显著提升服务质量，并为用户提供更为可靠的网络接入体验。3GPP[4]自R14版本标准开始就着手开展星地融合技术的研究工作，在于2017年底发布的第22.822项技术报告中明确指出，在5G系统中采用卫星接入的三种典型应用场景：持续服务、广泛服务以及扩展服务。针对5G系统与卫星网络协同工作的功能需求进行了深入分析，并探讨了相应的应用场景及其应用前景。这些场景可归纳为以下四类功能模块。

（1）无地面网络部署区域场景

在一些如海洋区域、山区以及沙漠等地形复杂的地区，在基站建设方面确实存在诸多困难而导致地面通信设施基本缺失的情况下，在这种情况下卫星通信系统便可作为一种有效的补充与延伸手段。对于远洋运输过程中对集装箱全生命周期内的实时监控需求，在每一个集装箱上配备一套集卫星接入功能与网络重选功能于一体的专用终端设备是切实可行的。而在一些如地震频发区、洪水多发区以及战争频繁发生区等特殊的危险环境内，在地面通信系统出现中断甚至完全损毁的情况下，则可以通过融合5G技术的卫星通信系统持续为用户提供可靠的卫星接入服务

（2）地面网络连接密度低区域场景

在 sparsely populated 地区以及拥有有限地面基站的区域内， 卫星与 5G 融合网络能够为那些缺乏基础基础设施的 end-users 提供网络接入服务。 卫星网络通过覆盖 ground-based 网络中的 blind spots 可以为偏远地区的人们提供不间断的 5G 连接服务

（3）地面网络连接速率低区域场景

在一些偏僻的村庄、边远的居民点以及生态环境脆弱的区域里，在这些地方铺设地面网络的速度相对较慢，在当前的技术水平下难以达到提升服务质量的需求标准。然而，在5G技术与卫星通信系统相结合的情况下，在这些特定场景下能够有效改善用户的使用体验，并通过优化服务质量提升整体服务水平。

（4）无本运营商地面网络区域场景

在无本地运营平面的支持下, 为了确保国内外漫游服务的有效运行, 以及提升国际通信质量, 5G技术和卫星系统深度融合能够满足相关需求.

2************5G与卫星网络融合演进架构

2.1********演进阶段分析

如前所述，在无地面网络部署、地面网络连接密度低、地面网络连接速率低以及无本运营商地面网络等区域具备较强的融合应用环境需求的情况下，在现有技术条件下卫星通信网络与5G通信网络之间仍处于相对独立的状态，并各自采用不同的组网架构和协议体制。因此实现卫星与5G通信系统的深度融合将面临长期推进的挑战。构建天地一体化通信网络的目标是实现卫星与5G通信系统的深度融合以满足上述融合应用环境需求

在演进初期阶段, 主要通过构建互通网关来消除两种网格络之间的差异, 并完成双方的协议转换. 这种方式有助于减少对卫星网格络改造带来的技术挑战, 同时降低5G网格络改造所需的技术资源投入, 从而促进卫星通信与5G通信之间的高效信息交互.

随着技术演进达到中期阶段

在演进中的远期阶段阶段, 5G核心网的某些节点以及边缘计算平台上的设备, 在利用卫星网络处理面向终端的数据处理功能以及开展边缘计算业务, 实现业务未在本地执行, 从而降低通信过程中的延迟并保证业务的安全性. 针对卫星载荷资源有限以及软件定义卫星技术已达到成熟应用水平的情况, 必须对上行链路设备的功能进行优化精简, 并结合卫星通信中高延迟、高误码率及容易丢失包的特点进行定制化优化.

2.2********演进阶段架构

（1）演进初期架构

5G与卫星网络演进初期阶段的组网架构如图2所示 。

在初期阶段依靠互通网关建立卫星网络与5G网络之间的连接通道 为了支持卫星终端与5G终端之间进行语音通话 消息传递以及数据传输的交互过程 互通网关需要具备以下功能 包括完成卫星网络与5G网络之间的鉴权认证流程 实现协议间的转换适应能力 并设计一套码号标识映射机制 同时能够处理编码解码转换能力

互通网关与卫星网络之间采用了卫星网络协议。目前大多数 satellite 网络普遍采用私有协议；而 standard 协议则主要由 CCSDS（Consultative Committee for Space Data Systems）组织定义。为了简化 netgate 对接 satellite 网络的设计并降低适应难度, 建议选择该方案作为互通 netgate 与 satellite 网络之间的接口协议基础。

基于3GPP[5]标准定义的N6接口被互通网关与5G核心网所采用以实现数据业务的互通IMT-Advanced（演进中的移动通信技术 Advanced）中的IMS部分通过采用由3C标准委员会（3C）所制定的标准Mx和Mb接口来实现其功能

（2）演进中期架构

5G与卫星网络融合演进中期阶段的组网架构如图3所示 。

在中期阶段, 卫星网络逐步演进至5G接入网, 并与地面5G接入网实现集成, 支持多终端可选择通过卫星网络或地面5G网络进行连接, 并在各自支持的范围内提供相应的服务

对于采用非MSPSS接入并处於非互操作性领域时,该网关可实现N₃-IWF(Non-MSPSS Interworking Function, 非MSPSS互操作功能);而当采用非MSPSS接入并处於互操作性领域时,该网关可实现TₙgF(Trusted Non-MSPSS Gateway Function, 受信赖的非MSPSS网关功能),最终均通过符合规范的标准接口连接至5GC

旨在减少接入管理的复杂性及转换过程所产生的处理负担，并基于3GPP[6]标准的发展演进阶段将卫星网络纳入其架构。该方案采用基于gNB（next Generation Node B）的上星架构设计，在确保系统可靠性的前提下实现资源的有效分配与共享；通过NTN网络节点间设备（NTN-NJU）与5G核心网之间的接口实现集成

（3）演进远期架构

5G与卫星网络融合演进远期阶段的组网架构如图4所示 。

在远期阶段中, 卫星与5G网络实现了融合, 融合网络则包含天基5G接入网、天基5G核心网、天基MEC（Multi-access Edge Computing, 多接入边缘计算）平台及应用, 还包括地基5G接入网和地基5G核心网等设施。

天基5G接入网通过N2接口实现与地基5G核心网的连接，并按照地基5G核心网的指示信息配置N3接口以完成本地用户面数据流量的路由工作。

天基5G核心网由UPF（User Plane Function）网元构成，在该架构下通过N6接口与天基MEC平台建立连接关系。这种配置使得星上本地用户面数据实现高效路由转发和处理功能。同时，在地基5G核心网层面，则通过N4接口与之保持通信，并负责处理相关会话管理指令

地基5G核心网能够实现天地接口型5G接入网以及地基5G接入网的统一接入管理与控制，并协同工作于天基5G核心网实现用户端数据就近分流及处理过程。

3************5G与卫星网络融合演进关键技术

3.1****各融合演进阶段对5G核心网影响及挑战

在融合演进的初期阶段，在实现卫星网络与5G网络互通时主要依靠互通网关实现了组网及协议层面的差异屏蔽，在对5G核心网的影响方面则较为有限。其中5G核心网主要依赖现有的数据路由转发机制能够支持与卫星网络之间的业务互通需求。

在融合发展的中期阶段，卫星网络作为5G接入网的一部分，在采用gNB上星架构的基础上通过NTN网关分别连接至N2接口和N3接口来实现与5G核心网的AMF（接入和移动性管理功能）及UPF（用户平面功能）之间的连接。这一阶段中，卫星网络所具有的独特的通信特性将给5G核心网带来新的挑战与变革。

由于卫星通信存在高时延特征，在处理此类场景时对支持端到端连接的通信协议要求较高；而AMF与星上gNB之间的SCTP协议在处理这类场景时表现出较差的支持能力，并且其通信性能显著下降。为了进一步提升系统性能，在配置阶段需要对AMF和SMF上的相关参数进行优化设置：包括针对卫星接入需求分别优化T3510、T3517、T3580、T3581以及T3582等定时器的配置参数；通过这些调整确保信令链路能够顺畅地完成注册和建立PDU（Protocol Data Unit）的过程，并有效避免因信令延迟导致的注册失败或会话建立问题。

其次，在非对地静止轨道（NGSO）卫星中（尤其是低轨卫星），由于其具备较强的移动性特征，在采用gNB上星方式运行时

在中期阶段时域内将同时实现卫星与地面5G网络的协同接入。当车载终端从一个拥有地面5G覆盖区域切换至仅受卫星信号覆盖的区域（或者反之亦然）时，在现有技术框架下进行状态转换可能会导致通信质量出现波动。针对正在运行中的通信业务而言，在发生此类变化时可能会出现服务中断或性能下降的情况。因此必须依赖多层级协作机制确保通信服务的一致性和稳定性

在融合演进远期阶段，在轨运行的UPF等关键设备将被部署为天基核心网络的一部分。鉴于卫星载荷的空间资源有限，在轨运行的关键设备需要被优化至轻量级结构，并根据星载设备的需求进行定制配置。在与地面站之间的交互中包含以下几个方面：例如UPF选择SMF作为接入节点，在收到事件信息后通过链路传输到SMF，并通过链路实现UPF与其他UPF之间的连接。为了确保高效可靠的信息传输以及低延迟的实时响应，并且保持设备的轻量化设计，在协调两层网络间的工作时需要采取哪些具体的技术措施？这些新的技术挑战不仅要求现有方案进行优化升级，并且还需要开发新的架构来适应快速变化的通信需求。

针对这些影响与挑战，在5G与卫星网络融合演进过程中涉及的技术包括通信协议优化、移动性管理、业务连续性保障、QoS控制以及UPF和MEP上星等关键技术和相关措施。

3.2********通信协议优化

5G与卫星融合通信协议优化工作主要涉及TCP（Transmission Control Protocol）加速技术的研究与应用。鉴于在卫星链路上TCP性能提升受限这一事实，在传输效率上存在较大瓶颈：包括较长的传播延迟、拥塞控制特性以及慢启动机制等因素共同限制了其性能表现。基于此背景需求，在空间通信领域面临的大时延、低信噪比、强多普勒频移及高动态等关键挑战背景下，CCSDS组织决定对现有的 ground-based TCP/IP 标准进行改进适应性设计工作：提出了基于SCPS-TP（Space Communication Protocol Specification-Transport Protocol）核心构建的关键传输架构设计方案。通过简化连接管理机制、优化乱序控制与重传策略，并对报文头部进行压缩优化处理：实现了以较低资源开销实现端到端的数据可靠性传输目标

融合5G技术的_TCP加速系统能够有效应对由卫星网络所带来的长时间延迟和高误码问题。主要采用了算法优化、零窗口停发机制、反向确认过滤技术和误码容忍控制等增强措施。在_TCP性能增强代理模式以及_SCPS-TP性能增强代理模式中，在路由转发模式下可靠传输代理无需分段。在_TCP性能增强代理模式下，将端到端的 TCP 连接拆分为三段独立的 TCP 连接，并分别应用基于 TCP 协议的核心优化方法对各段之间的地面网络与卫星网络数据进行性能优化。SCPS-TP性能增强代理通过将端到端的 TCP 连接划分成独立的普通 TCP 连接与 SCPS-TP 专用连接（如图 6 所示 ），并运用改进型 SCPS-TP 协议对这两类通道的数据传输能力进行优化提升。

3.3********移动性管理

本研究的核心目标是通过优化卫星网络的位置区分划方案来减少用户位置信息管理所需资源消耗。具体而言,该研究可划分为静态定位区划分与动态定位区划分两大类。静态定位区内,具体包括以下四种情况:一是基于卫星运行区域进行划分;二是依据通信站点区域进行分区;三是综合考虑卫星运行区域与通信站点区域实施分区划分;四是按照用户的地理位置特点进行分区设置。而在动态定位区内,则根据不同场景下的多种因素包括移动特征、呼叫类型以及更新操作等,可划分为以下几种方法:一种是依据移动路径特征进行动态定位划分;二是按照时间间隔特征实施动态区域划分;三是结合移动路径特征与时间间隔特征优化定位策略;四是采用距离阈值法实现动态定位划分

鉴于3GPP已就卫星移动性管理存在的关键问题进行了探讨，在5G与 satellite 网络融合过程中，其移动性 management 面临三种主要挑战

一、关于广 satellite 覆盖区域的移动性 management 问题

二、涉及移动 satellite 覆盖区域的动态调整问题

3.4********业务连续性保障

5G技术和卫星融合网络协同作用下构建起覆盖全网且相互补充、协同增效的整体通信体系，在切换操作中必须确保切换过程中多终端间的通信连贯性。基于现有条件下（包括卫星通信能力受限、资源分配紧张以及复杂多变的动态拓扑结构），现有切换技术难以满足5G与卫星融合网切换场景的需求。因此，在实际应用中探索5G与卫星融合网切换场景下的服务可靠性保障机制具有重要的理论价值和实践意义。

5G与卫星融合网络系统中的状态转换涉及两种类型：第一种是卫星间或同一台卫不同波束之间的转换；第二种是地面网络与卫星网络之间的转换。由于卫星与多种终端都可能快速移动这一特点，在频繁转换时容易导致呼叫阻塞、通信质量下降以及资源浪费等问题。目前的研究表明，在5G与卫星融合网络中实现状态转换有两种方法：一种是基于星历信息的预转换策略；另一种则是通过测量信号强度、网络负载以及通信链路质量等关键指标来触发实时转换。

当快速完成网络切换操作时, 保证用户的业务连通性是融合网络cut strategy的核心要素

3.5****QoS****控制

卫星通信与地面通信相比，在长传输时间间隔和频谱效率受限方面具有显著差异。在太空环境存在强烈的电磁干扰，在气候因素（如大雨）也会带来干扰的情况下进行通信操作。这种通信质量表现出显著的时间变异特性，并非静态固定值，在无法直接借鉴地面5G网络的质量-of-service参数设置方案的情况下实施。

在卫星网络领域中，轨道参数的选择与特定的卫星类型密切相关。当星上gNB与地面核心网AMF网元之间通过N2接口实现连接时，在核心网中按照规定的接入类型将对应卫星的信息上报至AMF节点。随后，在建立PDU会话的过程中，默认情况下核心网将根据当前设置或接入类型向下发相应的5QI（即5G QoS Identifier）等策略参数以确保服务质量控制的有效实施。目前3GPP[7]标准规定，在卫星接入下采用数值10作为5QI参数的取值依据。针对不同轨道类型的差异性特点（如GEO、MEO及LEO各自对应的轨道高度及频谱带宽资源），可进一步优化调整其相关的5QI定义以更好地满足不同场景下的服务质量保障需求。

基于通过卫星接入地面核心网建立的PDU会话，在该架构中利用卫星接入地面核心网中的网关和UPF设备来增强用户面通信相关的QoS监控能力，并将这些精确获取的信息通过服务化开放接口汇报至5G核心网中的PCF模块。与此同时，在RQI机制下（如图7所示），5G网络能够根据实时反馈动态优化数据传输速率以适应多变的卫星通信质量状况。

3.6****UPF****和MEP上星

在5G核心网架构中,UPF担任着处理用户面业务数据的关键角色,而MEP通过Mp2接口实现了与UPF的连接,为边缘节点提供了计算能力支持。不仅有助于构建基于地面的第一代核心网,朝着天地一体化的泛在计算网络方向持续演进,而且在MEP上部署边缘应用,有助于将星上用户的面业务数据进行本地处理,从而减少了对卫星与地面站之间星地链路用于传输用户面业务数据的支持依赖

基于卫星载荷资源受限的情况，在实际应用中将UPF网络元的整体功能部署在卫星上面临诸多技术挑战。因此，在设计时应优先保留基础功能模块，并在此基础上减少非核心功能配置并优化专用化子系统设计。为了满足5G商用环境下现有技术实践的需求，在UPF核心功能实现方面主要包含基本路由转发、数据流量分类与业务识别、协议优化、策略执行等基础服务；同时结合实际应用需求还应支持DNN（Data Network Name）融合、IP地址分配、隧道管理等功能模块的集成开发。针对星上环境的具体需求，在数据流量分类与业务识别方面进行简化优化设计；同时在协议优化层面重点加强策略执行能力；并应在丢包处理机制设计中引入动态重传策略，并根据实际应用场景对流量调度算法进行个性化优化；此外还需要考虑星上网元与资源管理的独特性，在后续系统规划阶段还需开发一套完善的星上网元管理平台，并就系统故障排查、性能参数监控等方面进行深度集成。

部署UPF于卫星后, 地基5G核心网SMF与其间的N4接口消息, 以及与地面网络管理系统之间的网管接口消息, 将通过星地链路传递信息, 从而促进天/地核心网业务与管理系统的协同运行。针对此线路, 应区分业务处理层面与管理层面的服务特性, 实施差异性服务策略, 以此降低N4接口业务数据交互与网管接口管理数据交互之间的相互干扰影响。同时要求5G地基核心网SMF减少向上行用户提供事件报告的需求, 并优化其心跳检测流程及延长N4接口定时器值, 进而减小天地基核心网协同过程中的通信开销。

**4**********结束语

5G技术与卫星网络的协同优势将促进两者的深度融合进程。展望未来，在天地一体化算力网络建设方面已形成初步共识。
由于目前5G网络与卫星系统之间的技术差异较大，在推进两者的融合过程中需要分阶段实施。
可划分为初期阶段、中期阶段及长期目标三个阶段：初期主要实现两者的互通互联；中期则致力于建立完整的融合机制；长期则目标是打造高效协同的整体平台。
在这一过程中需要重点解决统一通信协议体系、统一移动性管理以及天/地基网切换业务连续性等问题。
同时还需要建立统一的技术标准框架，在这一框架下开展深入的研究工作，并形成一套完整的解决方案。
在产品开发环节则需基于上述研究成果开展创新设计工作，在实际应用中打破行业壁垒实现互利共赢。
最终希望通过上述举措推动形成一个高效协同的技术平台，并在此基础上实现对现有地面覆盖能力不足或成本较高的高空、海洋等地域提供全面服务的目标。