卫星接入网络架构及关键技术使能增强研究

IMT-2020(5G)推进组目 录第一章卫星接入网络发展趋势/背景 1概述 15G卫星接入网络标准进展 1研究现状与发展趋势 3第二章卫星接入下的新兴应用场景 4概述 4物联网 4车联网 5低空航空器 5第三章卫星接入网络增强架构 7概述 7卫星接入网络增强架构 7基于再生模式的卫星接入网络增强架构 7卫星接入网络增强架构技术特征 9第四章关键技术使能及增强 124.1概述 12使能多类终端直连卫星技术 12使能卫星窄带语音通信技术 16使能延时容忍性业务的卫星接入技术 17使能再生模式下的终端通信技术 18增强卫星接入通信体验技术 20异网漫游 20业务连续性 22增强卫星接入控制技术 23增强卫星接入终端节能技术 24第五章总结与展望 26缩略语简表 27参考文献 28贡献单位 29IMT-2020(5G)推进组第一章 卫星接入网络发展趋势/背景概述5G阔的发展前景。5G5G3GPPCCSA了关键作用，不仅促进了技术的进步，也为未来的通信网络奠定了坚实的基础。国际电信联盟（ITU）ITU-R4WP4B5G与卫星通信的深度融合。ITU5G网络的安全性、互操20162019年间，ITUSG13立项了多个ITU-TY3200Y3201第三代合作伙伴计划（3GPP）3GPP5GR15R165G的R17R18进一步定义了系统架构和协议，增强了移动性管理和服务质量（QualityofService，QoS）QoS的策略控制增强，支持用户平面功能（UserPlane1IMT-2020(5G)推进组Function，UPF）上星，支持星上边缘计算和本地交换，以及支持非连续卫星覆盖下的R19将重点关注更高级的用例和需求，如再生转发、星上存储转发。3GPP5G（Non-TerrestrialNetworks，NTN）接入网络架构两种模式：透明转发模式和再生转发模式。（或用户设备号转发到另一个地面站（或用户设备，不对信号进行处理或修改。图1透明转发模式再生转发模式是指卫星具备星上处理能力，例如可以执行基站功能NB。图2再生转发模式星载gNB电气电子工程师学会（IEEE）IEEE通过其未来网络计划，积极推动5G与卫星通信的标准化和技术开发。IEEE的研究主要集中在5G卫星频谱分配、卫星与地面网络的融合架构以及解决技术挑战以实现广泛的卫星通信应用。中国通信标准化协会（CCSA）CCSA5G和卫星整合的标准化方面做出了重要贡献。CCSA内的多个工作组TC5TC12）3GPP5GNTN2

IMT-2020(5G)推进组2017年前后成立了一批卫星公司，并相继发射了卫星星座，目前国际主要（owthobiOStlin星链oneb（一网EOSTSpMobile、nk、mniSpe，其他星5G20195G网络已成为当前的研究热点。国内的主要星座中主要有中国卫通，中信卫星，天15G与卫星通信的融合正处于快速发展的阶段。通过技术创新和标准化推动，全球了这一领域的巨大潜力和广阔前景。3IMT-2020(5G)推进组第二章 卫星接入下的新兴应用场景概述5GNTN5G增强才能满足。物联网（InternetofThings，IoT）服务提供商通过访问移动通信网络，为其客户在（面移动网络的覆盖范围，通过卫星接入的方式可以为上述物联网设备提供服务。建立连接并接入移动通信网络。基于一个或多个卫星的星座可以为终端（UE）提供连卫星系统可以提供以下功能：作为卫星接入网络，以扩展地面移动通信网络的无线覆盖能力。移动性。通过引入卫星接入方式，支持海量机器类通信（massiveMachineTypeof和/（NarrowBandInternetofThings,服mMTC和/NB-IoT服务。QoS面接入网络。4IMT-2020(5G)推进组mMTC和/NB-IoT服务的终端可通过卫星接入网mMTC和/NB-IoT服务。高带宽的需求）等全方位全时段的服务体验。为保证车辆导航系统中的道路信息、交通规则的时效性，卫星接入网络需支持通过全球导航卫星系统进行精确的定位和导航，并根据卫星提供的定位数据实时更新电子地图。为支持车联网信息传输，卫星接入网络可以作为补充手段，提供车辆之间、车辆与基础设施之间的信息传输，如危险预警、路况信息等。卫星接入网络需支持将通过卫星遥感技术获取的天气和道路状况等信息，实时提供给联网车辆，辅助做出更好的决策。卫星接入方式的车联网可满足偏远地区以及自然灾害导致地面通信网络瘫痪的远程监控，实时获取车辆运行状态，提供远程支撑能力。在紧急救援和灾害响应任务中，卫星接入网络可以在基础设施受损或信号覆盖差的区域提供关键的通信保障，确保无人机和飞行汽车与地面指挥中心保持实时通信，以传5IMT-2020(5G)推进组输现场视频和传感器数据。此外，在广泛的农村和偏远地区，卫星接入网络能够提供必要的通信支持，确保无人机和飞行汽车在缺乏地面网络覆盖的情况下仍能有效运作。6IMT-2020(5G)推进组第三章 卫星接入网络增强架构概述5GNTN引入多种新技术来支持架构级的可靠性和服务能力的增强。在3P分为RwRdioN和oT物联网N。NRNTN主要用于提供5GNR5GNRIoTNTN主要用于低功耗广域网络物联网应用，通过卫星接入网络提供广泛覆盖。基于NTN再生转发模型，结合新兴的卫星通信典型应用需求，设计如下卫星接入网络增强架构。图3卫星接入网络增强架构图卫星接入网络增强架构如上图所示，主要包括：用户段用户终端（ySllptueminl，S、车载终端、机载终端、船载终端、无人机、飞行汽车以及物联网终端等。7IMT-2020(5G)推进组S-gNB/S-eNBG-gNB/eNB空间段多轨卫星EO，GSO（HE，E，LE）不同轨道或者相同轨道的卫星通过星间链路（ISL,Inter-SatelliteLink）进行协同工ISL每一层轨道卫星可以根据星上载荷能力及业务需求部署相同或者不同的星载网元。星载基站S-gNB/S-eNB载基站可以提供接入网共享服务。星载轻量化网络功能星载S5C/ECAMF、UPF等。星载计算/媒体服务：可选在卫星上部署部分计算/（dgepplitionSvie，S，IS（esstay，。对于IoTNTN场景，星载基站为S-eNB，星载EPC为可选在卫星上部署部分EPC核心网功能，以减少延迟、优化带宽、增强移动性管理，提供持续的服务。地面段信关站络的数据。5GIMSDN（接入网共享或者核心网漫游）方式，使用户能够在不同网络之间无缝切换，包括不同轨道卫星之间的漫游，以及卫星网络与地面5G网络之间的漫游。IoTNTNEPCEPC的协同工作，确保整体网络的高效运营和服务质量，满足IoT应用场景的需求。8IMT-2020(5G)推进组用户段特征：终端直连卫星&多接入用户段通过引入终端直连卫星和多接入（双模等）技术，使终端用户能够在更广泛的场景中享受稳定、高效的通信服务，满足不断增长的全球通信需求。终端直连卫星是指移动终端设备通过内置的卫星通信模块，直接与低地球轨道（owthbit，O、中地球轨道（Mdiumthbit，MO）或地球同步轨道（GeostationaryOrbit，GEO）bps到数百Mbps的数据传输速率，满足不同应用需求。移动终端设备需要确保在移动场景下的通行。智能选择最佳的接入点（如地面或卫星基站，实现最优的通信性能。空间段特征：再生模式增强&多服务空间段通过再生模式增强和多服务能力扩展，能够提高整体网络的处理效率、降低通信延迟、适应更多新业务场景的通信质量需求。UPFN3/N9接口的数据通过星间链路传输，N1/N2N4接口的消息通过馈电链路由地面卫星网UPFEAS部署在卫星上，用户可以直接访问星上边缘支持终端-卫星-UPFUPF建立组级会话的方式达到终端到终端通信数据不落地的目的。图4星上部署UPF+EAS9IMT-2020(5G)推进组制面信令和用户面数据的传输时延，以快速响应并满足用户需求。图5星上部署轻量化核心网地面段特征：异网漫游地面段通过异网漫游和多网络（NPN、IMS、DN网络等）互通，带来更多的技术低了成本，为用户提供了更可靠和高效的通信服务。基于再生模式的星地融合网络漫游架构可概括为卫星网络运营商与地面移动网络/接入网共享两种方式。核心网漫游星网络的服务。图6由卫星网络漫入到地面网络图7由地面网络漫入到卫星网络卫星接入网共享NG同的卫星网络运营商和地面网络运营商。10IMT-2020(5G)推进组图8基于gNB上星的再生模式接入网共享架构11IMT-2020(5G)推进组第四章 关键技术使能及增强概述广覆盖和高可靠的通信机制。NTN终端直连卫星。双模终端直连卫星通终端、北斗终端都属于这种模式。双模终端直连卫星示意图如下：12IMT-2020(5G)推进组图9卫星/蜂窝多模终端直连卫星方案示意图力，卫星+L频段、S频段已经分配完毕，6G目标架构演进困难。6G架构方面的演进困难，一种思路是将卫星核心网通过特殊互通网关接入到6G架构的演进也没有特殊影响。存量终端直连卫星/4/5G移动业务频率，将基站搬到距离地面几百公里的太空，实现手机直连卫星能力。如美国的StarLink、SpaceMobile都属于这种模式。存量终端直连卫星示意图如下：13IMT-2020(5G)推进组图10存量终端直连卫星方案示意图/手机/4/5G频谱灵活应用于卫星业务。NTN终端直连卫星终端/手机/基站/3GPPNTNOmnispace等都属于这种模式。3GPPNTN目前存在两种模式，即透明转发模式和再生转发模式（1.2述。图11NTN终端直连方案14IMT-2020(5G)推进组该方案适配高轨/3GPPNTN协议，将手机直连卫星通信体制3GPPNTN6G网络架构的平滑演进。3GPPNTNN2/S112，馈线链路切换时，核心网不改变和馈线链路切换时核心网发生变化。图12馈线链路切换场景N2/S1设计思路如下：N2/S1理过程或者设计新的N2/S1TA，DRX，AMF/MMEGUAMI列表，支PLMN列表等。执行切换等操作来完成馈线链路的切换。R17中的映射小区的获得和使用可以重用。入，依此来确定再生模式下核心网段的时延和策略等。15IMT-2020(5G)推进组地球静止轨道GEO卫星可以覆盖地球约三分之一的区域，尤其在偏远地区、海洋以及灾难场景中具备显著的优势。3GPPRelease5多媒体子系统3GPP3PPRlse17O3GPPGEO3GPPIMS平台GEO卫星的广域覆盖能力，能够提供一种有效的随时随地语音通信解决方案，特别13所示。图13GEOIMS语音架构示意图O卫星分为高通量卫星（S）和低通量卫星（S。高通量卫星提供更高的GEO卫星进行语音通信成为一种更为可GEO卫星的轨道高度及终端发射功率的限制，其提供的1-3IMS台实现语音通信带来了以下挑战：- 整个呼叫建立过程的时延显著增加。包括呼叫发起、路由选择、资源分配和确认等步骤，由于信令交换时间的延长，导致通话建立时延过长。此外，较高的误码率和信号衰减导致信令消息可能需要多次重传和确认，进一步增加了总时16IMT-2020(5G)推进组延。资源分配和调度的延迟也影响了呼叫建立速度，特别是在资源有限的卫星系统中。-编码速率是指将人类语音进行编码/3GPP（5.9128kbpsO量环境中可能需要引入低速率语音编码以满足语音传输的需求。为应对这些挑战，可以从终端、IMS平台及语音编解码增强等多个方面进行改进：终端增强：增强型高功率终端，提高信号发射和接收能力；配备高性能天线终端，增强信号接收效果。IMS平台增强：IMS呼叫建立流程，减少通话建立时延；Sigcomp（SignalingCompression，信令压缩SIP信令进行压缩。语音通话建立时延。语音编解码增强引入低速率语音编码技术，减少对带宽的需求；AI自适应语音编码、Codec2等技术；协议优化HARQdisable等技术，简化通信流程，降低通信时延；针对语音业务特征，引入免调度机制，降低信令开销；通过对传输协议栈的优化，降低语音传输的包头开销；通过这些技术手段的集成和改进，可通过GEO卫星满足手机终端随时随地语音通信需求。需要说明的是，上述技术也可以用于LEO等卫星窄带语音通信场景。当卫星星座规模较小时，卫星可能无法同时为终端和信关站提供覆盖，也就是说服务链路与馈电链路无法同时存在连接。这种场景下，终端的上行业务、下行业务无法即使发到对端，只能由卫星缓存上行17IMT-2020(5G)推进组或下行业务，等到链路可用时，再将上行或下行业务发送至终端或地面网络。对于这种存储转发模式的卫星，业务的传输过程较长，一般适用于时延容忍业务。需要设计一种架构以使能卫星的存储转发功能，从而使能时延容忍业务。可以通过卫星上部署基站和部分核心网（MME的一部分功能、基站和全部核资源要求等方面有所不同。关于卫星上部署的功能与地面部署的功能交互，目前是基于私有机制实现的，未来可以考虑星地功能交互的标准化。2终端都是通过卫星接入网络的情况下的语音数据包）的传输路径进行优化。若终端-1和终端-2都是通过卫星接入的网络的终端，则终端-1与终端-2间进行语音业务时，语音数据（RTP包）的传输路径为：终端-1→卫星-1→地面站→5GC/EPC→IMS网络→5GC/EPC→地面站→卫星-2→终端-2。如下图所示：图14终端-1与终端-2间语音通话传统传输路径-1和终端-24会增加语音数据的传输时延较大，影响端到端用户体验。23PP提出了终端-卫星信的优化方案：当卫星-1和卫星-2是相同的卫星，或者，卫星-1和卫星-2间可以通过ISL（Intersatellitelink，星际链路）进行通信的卫星时，终端-1和终端-2间的语音数据18IMT-2020(5G)推进组的传输路径可以优化为：终端-1→卫星-1→卫星-2→终端-2。如下图所示：图15终端-1与终端-2间语音通话的终端-卫星-终端传输路径425GC/EPCIMS网络，可以大幅减少数据传输时延，增加用户体验。为了实现终端-卫星-终端通信，需要将部分核心网网元部署在卫星上，以便将语音数据在卫星上进行本地路由。目前有2种网络架构：架构1：将gNB，UPF和IMSAGW（AccessGateway，接入网关）部署在卫星上。图16终端-卫星-终端通信架构119IMT-2020(5G)推进组架构2：将gNB，UPF部署在卫星上。图17终端-卫星-终端通信卫星架构2AGW-卫星-12法监听的需求需要进一步研究。IMSAGW-卫星-终端的通信是IMSAGWIMSAGWIMSAGW21适用场景更广，成功建立终端-卫星-终端的可能性更大。5G异网漫游进行增强，包括核心网漫游和接入网共享两种技术实现方式。20IMT-2020(5G)推进组核心网漫游图18核心网漫游架构方案卫星接入网络下核心网漫游，支持归属网络方用户在漫游区域内接入拜访网络方网接入网共享图19卫星接入网共享场景21IMT-2020(5G)推进组（星载基站PLMN，以及地面网络广播的SatelIoTNTN终端业务使用连续的济效益和社会效益。3GPPTS22.261户在星地间移动和星间切换时保持用户业务连续性。星地间移动和星间切换的具体场景如下所述：地面网络移动到卫星接入：NTN话进行中时，NTN终端移动到信号弱或速率低的地面网络覆盖区域，但该区域的卫星星接入，业务连续性得到保障。卫星接入移动到地面网络：NTN终端通过卫星接入建立通信会话，通信会话进N（或卫星相对地面移动22IMT-2020(5G)推进组端移动到信号弱或速率低的卫星接入覆盖区域（或卫星相对地面移动，但该区域的其入，业务连续性得到保障。-C（ntmdiatesrPlneuntion-PFSFNF，在后续移动到地面NF重选。强。快速切换一是面向星地切换场景快速构建星地网络邻区关系，优化星地网络参数配置及按需采用星地双连接等方式，保证星地业务连续，同时尽可能降低星地切换时延。验，抑制切换带来的信令风暴。网络功能选择NFNFNFSMFSM等。由于NTN小区的覆盖区域非常大，存在同时覆盖多个国家的可能性，出于监管的要求，需要3GPP网络能够对终端进行位置验证。在3GPPR17NTN的终端位置验证中，终端通过接入层上报终端粗略位置（CoarseLocation）给基站，基站根据终端上报的粗略位置确定用户位置信息（userlocation23IMT-2020(5G)推进组inomtion（M/MMPLMN对终端进行位置验证。在R18IoTNTN的终端位置验证中，标准提出了终端通过非接入层（Non-AccessStratum，NAS）消息上报粗略位置的方案。终端根据核心网设备的指示，通过NAS消息将终端粗略位置发送给核心网设备，核心网设备再进行终端的位置验证。18oTN（SUserLocationID和/或跟踪区标识。因此，在后续的寻呼中，核心网设备只能基于终端的粗略位置进行4.2.6的描述。如果终端的位置验证在地面执行，那么网络执行的终端位置NTNNTN的位置验不会频繁移动。卫星星座规模较小时，卫星可能无法持续为终端提供接入覆盖，也就是说服务链路不是一直可用。则会产生不必要的能耗。终端可以通过下面的方式实现终端的节能：卫星足迹（由参考点、仰角、半径表示、频点信息等。终端和核心网确定非连续覆盖持续时长和开始时间信息，该信息可由终端通知ontinuouscption，RX、仅移动引发的连接（MobilenititdConntionnly，MICO）模式配置等，避免网络侧对处于无覆盖区域的终端持续进行寻呼，造成网络资24IMT-2020(5G)推进组源浪费。核心网基于网管配置的卫星覆盖信息来确定非连续覆盖连续时长和开始时间信息，未来可以考虑通过动态化的方式使能核心网感知卫星覆盖信息。25IMT-2020(5G)推进组第五章 总结与展望NTN终端，兼容了不同代际的接入技术，NTN终端直连卫星三种终端直连卫星方案，并从语音建有许多工作要做。26IMT-2020(5G)推进组缩略语简表英文缩写英文全称中文解释NTNNon-TerrestrialNetworks非地面网络LEOLowEarthOrbit低地球轨道MEOMediumEarthOrbit中地球轨道GEOGeostationaryOrbit地球同步轨道VSATVerySmallApertureTerminal甚小口径卫星终端站IMSIPMultimediaSubsystemIP多媒体子系统EASEdgeApplicationService边缘计算服务TATrackingArea跟踪区PLMNPublicLandMobileNetwork公共陆地移动网络MICOMobileInitiatedConnectionOnly移动引发的连接模式配置QoSQualityofService服务质量UP