星地融合5G 网络架构增强技术研究*

王胡成，徐晖，孙韶辉

（大唐移动通信设备有限公司，北京 100083）

0 引言

第5 代移动通信（5 Generation，5G）愿景是“信息随心至、万物触手及”，5G 网络不仅要提供更高的数据传输速率，还应提供无处不在的移动网络接入，以满足用户无处不在的通信需求。然而根据调查，目前全球地面移动通信服务只能覆盖约20%的陆地面积、6%的地球表面积，在海洋、山川、森林、沙漠等边远地区，地面基站的建设成本和维护成本很高，无法通过传统地面网络来5G 覆盖[1]。相比地面通信，卫星通信能够利用高、中、低轨卫星实现广域甚至全球覆盖，从而帮助5G 真正实现万物互联。由此可见，卫星网络和地面网络融合是5G发展的必要构成。

此外，目前各卫星系统的通信制式、接口协议都是独立发展的，星地系统之间以及不同卫星系统之间无法互通，形成了“烟囱”效应，既不能支持服务共享，又容易造成重复投入，造成网络低效和资源浪费，不利于通信产业的发展。而5G 网络经过多年的技术迭代，其技术体制、网络功能、接口协议等已经形成完整的标准体系，已经发展为成熟的商用网络，为全球用户提供了一致的用户体验。因此，卫星网络可以借助国家大力发展5G 网络的契机，完成与地面5G 网络体制的融合，从而发展成能够覆盖全球的，且能够提供统一、标准化服务的商用通信系统。

虽然卫星通信相对于地面移动通信在覆盖范围、组网效率、可靠性、安全性、成本等有着极大的优势，但卫星通信并不能替代地面移动通信，因为地面网络在系统容量、覆盖深度、数据传输速率等方面占据绝对的优势。因此，卫星通信不应成为地面蜂窝通信的竞争者，而应当成为5G 系统的必要构成，形成地面网络和卫星网络的相互补充，例如城区地面覆盖，边远地区卫星覆盖。因此，星地融合5G 网络是移动通信网络发展的重要趋势。

1 星地融合5G 网络的技术发展现状

星地融合为5G 网络带来更大的发展潜力，能够使得5G 网络真正做到万物互联，因此国内外学术界和产业界纷纷掀起了星地融合5G 网络架构与关键技术的研究热潮，并公认星地融合也是未来6G 网络的重要特征之一。

卫星通信最初作为地面通信网络的回传网络存在，文献[2]指出低轨星座可以用于在陆地网络拥塞时进行数据分流，或者提供多跳回传连接gNB 和远端5G 核心网。文献[3]进一步考虑了采用密集低轨星载为传统地面网络提供回传服务，并提出了在多个低轨星提供回传连接时最大化用户数和与总用户速率和的联合优化问题。

文献[4]从星地网络发展的视角展望了星地融合的前景，认为到2025年，将有100 多个高通量卫星通信系统，能够提供T 比特率的数据传输速率，这些卫星系统能够作为无线接入网融合到5G 系统中。当卫星工作在弯管模式时，5G 基站（generation NodeB，gNB）将于地面网关合设；当卫星工作在星上处理模式时，gNB 将部署到卫星上。文献[5]也总结了目前第三代伙伴计划协议（the 3rd Generation Partnership Project，3GPP）研究的NTN网络架构，从载荷类型上分为透明载荷类型和再生载荷类型；从用户接入连接类型上分为直接连接和间接连接。其中透明载荷类型下，卫星仅提供用户与地面基站的连接；而再生载荷类型下，卫星支持gNB 功能且能够使用星间链组网。

在面向5G-Advance 甚至6G 的星地融合网络中，卫星载荷不仅支持基站功能，甚至支持部分核心网功能，支持天基组网，例如文献[6]、[7]都提出，未来星地融合网络架构下，核心网功能将可能在地基和天基网络上进行功能柔性分割，通过天基核心网的功能定制，可以支持基于天基网络的控制优化，实现天基地基灵活组网、业务数据动态路由以及天地协同传输等。

从上述文献分析可知，星地融合的思路有多种，工业界也从工程角度对星地融合的发展进行了展望。文献[8]系统地梳理了卫星通信与地面5G 融合在传输体制、接入与资源管理、移动性管理等方面的挑战，并按照覆盖、业务、用户、体制、系统多层次融合，星地功能分割、网络虚拟化部署等方面提出了卫星通信与地面5G 融合的思路。文献[9]结合实际星座场景的工程约束条件，梳理了卫星通信与地面5G 融合的3 个发展阶段的具体问题和解决方案。其中，3 个发展阶段包括承载网融合、核心网融合和接入网融合：承载网融合主要是通过卫星通信取代偏远地区地面基站与核心网之间的光纤功能，从而降低系统建设成本；核心网融合能够实现卫星网络和地面网络的统一管控和运营，从而实现多模终端在不同的星地网系间切换；接入网融合则是无线链路空口的体制统一设计，采用相同的空口技术体制，从而完成同样一套基带及射频能够接入卫星网络和地面5G 网络。

随着5G 网络的逐渐成熟和卫星通信技术的快速发展，许多研究和标准化组织开始对星地融合5G 网络的场景、需求、关键技术展开研究。

（1）国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）

ITU 认为星地融合网络是未来网络的重要组成部分，其卫星相关的工作主要在国际电信联盟无线电通信部（International Tecommunication Union-Radio Communication Sector，ITU-R）第四研究组第二工作组中开展。2016～2019年完成的下一代接入技术（Next Generation Access Technology，NGAT）卫星接入技术（Satellite Access Technology，SAT）项目中提出了星地5G 网络融合的4 种应用场景[10]：中继宽带传输业务，数据回传与分发业务，宽带移动通信业务，混合多媒体业务。同时提出星地融合解决方案在支持上述场景时需要考虑以下技术要素：多播/单播支持、智能路由、动态缓存管理及自适应流的支持、服务质量保证、网络功能虚拟化/软件定义网络兼容性等。

（2）3GPP

3GPP 讨论5G 标准之初，就考虑星地网络融合的需求和场景[11]。在完成Release 15 的5G 基础版本之后，3GPP 开始在网络架构和无线接入两个方向分别展开卫星通信与5G 系统融合的立项研究。

截至目前，3GPP 已经完成了Release 16 和17 两个版本的星地融合技术研究，主要针对卫星作为5G 基站的射频拉远单元或分布式单元的组网场景，标准研究的主要技术内容包括：支持卫星接入的5G 接入网架构增强、卫星支持新无线接入（New Radio，NR）的物理层增强、支持卫星接入的空口协议增强、卫星移动带来的移动性管理增强、馈电切换、卫星接入带来的服务质量（Quality of Service，QoS）控制增强、支撑监管要求的5G 系统增强等[12-14]。

此外，3GPP 在Release 18 将继续开展星地融合5G网络关键技术的研究，在2021 年12 月份召开的无线接入网（Radio Access Network，RAN）#94E 和系统架构（System Architecture，SA）#94 会议上，通过了3 个关于星地融合5G 网络关键技术研究的立项，具体包括由RAN2 牵头的非地面网络（Non-Terrestrial Networks，NTN）演进NTN evolution-NR 以及由SA2 牵头的FS_5GSAT_Ph2 和FS_5GSATB 项目，主要研究目标包括：卫星覆盖增强、10 GHz以上频段的NR-NTN 网络部署、网络验证终端（User Equipment，UE）位置、星地网络和星星网络之间的移动性管理和业务连续性增强、非连续卫星覆盖的增强、卫星回传增强和用户面功能（User Plane Function，UPF）上星[15-17]。

（3）中国通信标准化协会（ChinaCommunications Standards Association，CCSA）

CCSA 从2020 年开始研究5G 星地融合技术，主要研究包括空天地一体化通信网络应用场景和基于5G 的卫星通信系统。

空天地一体化的通信网络应用场景研究主要阐述了空天地一体化通信网络的研究现状、网络应用和发展趋势，分析了空基网络、天基网络和地基网络的特点、现状、问题等，介绍了空天地一体化通信网络下广域时敏通信、高通量容易、物联网、遥感和定位等网络应用。

基于5G 的卫星通信系统研究主要分析了5 种基于5G 的卫星通信系统的应用场景，相比于ITU 增加了直连终端业务；提出了基于5G 的卫星通信系统网络架构、关键技术问题和解决方案，主要包括同步技术、移动性管理、跟踪区域管理、网络标识管理、寻呼技术、跳波束技术等。

2 星地融合5G 网络在系统架构方面面临的问题

目前形成标准的星地融合5G 网络还处于初步融合阶段，卫星主要工作在透明转发模式，无法对用户数据做星上处理，因此存在如下通信时延高、带宽受限等缺点。

若星上仅支持射频拉远单元，则存在以下缺点：

（1）卫星需与地面基站功能直连，难以使用星间链进行数据路由，因此对于信关站数量少的卫星系统来说，存在组网限制，数据落地困难。

（2）用户数据需要回传到地面核心网或数据网络中处理，传输链路长，通信时延高。由于星上仅支持部分基站射频功能，无法实现用户通信数据的本地交换或本地终结，从而造成较高的通信时延，降低用户体验。

若星上支持数据单元（Data Unit，DU），用户数据同样需要回传到地面核心网或数据网络中处理，因此也存在传输链路长和通信时延高的缺点，尤其是在星上DU 和地面控制单位（Control Unit，CU）直接通过较长的星间链相连的情况下。当用户数据通过星间链和馈电链路回传到地面网络时，将造成更高的通信时延。

即使星上支持完整的gNB 功能，也存在卫星接入用户的通信有较高时延的缺点，即用户数据需要通过星间链和馈电链路回传到地面核心网或数据网络中处理或交换。为了进一步提高星地融合5G 网络的系统性能，学术界已经提出了部分核心网功能甚至特定业务系统上星的构想，但这些研究大都处于试验和探索阶段，尚未从产业和技术标准的角度加以论证和讨论，也缺乏对整个5G 系统影响的完整分析。

星地深度融合的5G 网络除了要求系统架构上的增强，还需要考虑组网的灵活性。因此，未来星地网络深度融合的5G 系统将大量使用星间链来实现灵活组网，星上基站和地面5G 核心网之间将存在基于多跳星间链或基于多种类型卫星的回传连接。这将带来动态变化的端到端传输时延和回传带宽，然而现有5G 系统中的策略控制机制并没有考虑这一问题，由此可能导致用户体验下降，例如无法满足用户的端到端时延要求或数据传输速率要求。

3 支持星地融合的5G 网络增强技术

针对星地融合5G 网络在系统架构上面临的问题，需要从5G 网络架构上进行思考。3GPP SA2 工作组在Release 18 阶段，提出了支持星地融合的5G 网络增强的研究项目FS_5GSATB，该项目从网络架构的角度建议了如下研究目标[17]：

（1）基于卫星回传特征（如动态变化时延、受限带宽）的策略控制与计费（Policy Control and Charging，PCC）PCC/QoS控制增强以匹配业务传输需求与5G 系统能力，提升5G系统的QoS 保障能力和用户体验；

（2）基于星上UPF 的卫星边缘计算支持，实现对用户数据的星上处理，降低传输成本以及基于星上UPF的本地交换增强，实现通信终端间的本地交换，避免数据落地，显著降低通信时延，提升用户体验。

卫星回传具有明显的高延迟、低带宽特征，其中延迟主要由于卫星轨道高度与星间链跳数决定，例如高轨卫星到地面的空口传输时延在120～140 ms，多跳星间链的最大传输时延也可达到100 ms 以上；带宽主要由卫星波束的空口速率及星间链传输速率决定。当5G 系统融合了卫星回传后，其端到端的QoS 保障能力将受到卫星回传链路能力的制约，因此5G 系统需能够感知卫星回传的时延、带宽特征。

3GPP 在Release 17 的研究中设定使用卫星回传的基站只能使用一种卫星回传，且卫星回传链路上不能包含星间链。在这一假设的前提下，5G 核心网可以通过基站的标识来区分卫星回传的类型，例如低轨卫星（Low Earth Orbit，LEO）、中轨卫星（Middle Earth Orbit，MEO）或同步轨道卫星（Geostationary Orbit，GEO），进而确定回传链路的时延特征。然而当卫星回传链路上存在星间链或者多种卫星回传时，5G 核心网无法通过基站标识来准确获知回传链路的时延特征。因此，需定义动态监测回传链路性能的方法来保证5G 核心网能够准确掌握回传链路的性能变化，例如由基站触发和完成回传链路性能的动态监测。

如图1 所示，当gNB 通过卫星回传网络建立有与5G核心网建立用户面传输层关联时，gNB 应向5G 控制面网络功能AMF 报告卫星回传指示，具体可以在NG 建立过程中上报。后续有终端通过该gNB 获取服务时，例如建立协议数据单位（Protocol Data Unit，PDU）会话或者切换到该gNB，5G 核心网控制面网络功能可以根据gNB报告的卫星回传指示确定启用针对该UE 的PDU 会话的QoS 监测。UE 的PDU 会话的锚点UPF 可以在PDU 会话的用户面路径上发送探测包来检测该路径上的数据传输时延。当gNB 收到探测包后，将根据承载该路径的卫星波束信息（例如卫星空口速率）确定该传输层路径上的最大数据传输速率，然后在探测响应包中携带该传输层路径的最大带宽。用户面锚点通过事件报告的方式向控制面网络功能报告QoS 监控结果。

图1 基于卫星回传链路特性的策略与QoS 控制增强流程

5G 核心网控制平面功能在拿到gNB 与锚点UPF 之间的传输时延和最大带宽后，将执行相应的QoS 控制，例如限定所有使用该传输网络层路径的QoS 流的保证流比特率之和不大于最大带宽。另外，当5G 核心网判断出通过卫星回传无法满足应用层的QoS 需求时，可以发起与应用服务器的QoS 需求协商，请求降低QoS 需求，例如降低时延和数据传输速率的要求。

4 结论

卫星网络和地面网络各有所长，也各有缩短，星地融合网络实现了卫星通信和地面移动通信的优势互补。因此，随着5G 网络的发展和成熟，产业界、学术界开始关注星地融合5G 网络的发展，并展开了相关的研究。目前比较成熟的研究成果已经在3GPP 标准化组织落地，例如针对卫星工作在透明转发模式时的系统增强，然而目前的星地融合还处于初级阶段，无法支持灵活组网以及业务的高效承载。因此，本文提出了面向星地融合5G网络的架构增强技术，并仿真分析了星载UPF 在网络性能上带来的增益，从而部分论证了星地网络深度融合的技术途径。

未来星地融合5G 网络将进一步实现卫星通信和5G 网络的深度融合，并逐步向星地融合的6G 网络演进。展望未来星地深度融合5G 网络，将具备天基组网能力，支持星星、星地之间的灵活组网，能够按需提供用户信令或数据的星上处理，允许终端在星地网络之间动态切换并保证一致的用户体验。