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(wǎng)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(guī)模機器類型通信）等三大類應用場景，相比4G網(wǎng)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(zhì)量）機制，對服務質(zhì)量保障也做了較大的改進。此外，5G網(wǎng)絡將SBA（Servicebased Architecture，基于服務的架構(gòu)）作為網(wǎng)絡部署的主要架構(gòu)，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(shù)，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(chǎn)和生活，成為地面通信發(fā)展部署的主要網(wǎng)絡。

從1957年10月4日第一顆人造衛(wèi)星成功發(fā)射起，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡已遍布全球。衛(wèi)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(wǎng)絡難以部署或5G網(wǎng)絡部署成本高的區(qū)域，借助衛(wèi)星網(wǎng)絡可以彌補5G網(wǎng)絡的覆蓋不足，尤其近年來以Starlink為代表的低軌寬帶衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡通信技術(shù)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(wèi)星網(wǎng)絡與5G網(wǎng)絡互為補充、相輔相成，共同構(gòu)建覆蓋全球的融合網(wǎng)絡已成為通信網(wǎng)絡發(fā)展的重要趨勢。

3GPP和ITU等國際標準化組織正在推進衛(wèi)星與5G的融合。3GPP將衛(wèi)星網(wǎng)絡劃入NTN（Non-Terrestrial Networks，非地面網(wǎng)絡）范疇，在R15明確將支持衛(wèi)星接入作為5G系統(tǒng)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(wèi)星接入5G系統(tǒng)的架構(gòu)；在R17針對衛(wèi)星接入對核心網(wǎng)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(jié)果推進標準TS 23.501中；R18正在對衛(wèi)星接入多連接、核心網(wǎng)上星和星上邊緣計算等衛(wèi)星與5G的融合增強特性進行研究，深入推動5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡融合演進。

國際電信聯(lián)盟無線電通信組[1]于2019年發(fā)布報告“將衛(wèi)星系統(tǒng)集成到下一代接入技術(shù)的關鍵要素”，提出了5G網(wǎng)絡融合衛(wèi)星網(wǎng)絡的4種應用場景（如圖1所示），包括中繼到站、小區(qū)回傳、動中通、混合多播場景。報告明確了衛(wèi)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(tài)緩存管理及自適應流支持、延時、一致的服務質(zhì)量QoS、NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡功能虛擬化）/SDN（Software Defined Networks，軟件定義網(wǎng)絡）兼容、商業(yè)模式的靈活性等關鍵特性。國際電信聯(lián)盟標準化部門[2]SG13從2020年開展5G網(wǎng)絡融合衛(wèi)星網(wǎng)絡的標準化工作以來，國內(nèi)外已有多家單位參與了該項研究，研究工作包括融合網(wǎng)絡的整體需求、架構(gòu)、用例以及關鍵技術(shù)等。此外，ITU也積極推進關于衛(wèi)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(nèi)需探索5G新的可用頻率，為此需開展一系列關于衛(wèi)星與5G的頻譜共用與電磁兼容性分析。

圖1 5G網(wǎng)絡融合衛(wèi)星網(wǎng)絡的4種應用場景

1 5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡融合場景分析

衛(wèi)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(wèi)星網(wǎng)絡融合能夠為用戶提供更可靠的服務體驗，降低運營商網(wǎng)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(fā)布的技術(shù)報告22.822中，3GPP定義了在5G中使用衛(wèi)星接入的三大類用例：連續(xù)服務、泛在服務和擴展服務，并針對5G與衛(wèi)星網(wǎng)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(wèi)星網(wǎng)絡融合，上述場景可歸納為如下四類。

（1）無地面網(wǎng)絡部署區(qū)域場景

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

（2）地面網(wǎng)絡連接密度低區(qū)域場景

在人煙稀少、地面基站數(shù)量有限的區(qū)域，衛(wèi)星與5G融合網(wǎng)絡可以為那些缺乏地面基礎設施的用戶提供網(wǎng)絡接入服務。衛(wèi)星網(wǎng)絡通過對地面基站網(wǎng)絡進行“補盲”，可以為處于偏遠地區(qū)的用戶提供連續(xù)的5G接入服務。

（3）地面網(wǎng)絡連接速率低區(qū)域場景

在偏遠村莊、偏遠居民點、生態(tài)區(qū)、小島等區(qū)域，地面網(wǎng)絡連接速率低，不能滿足用戶和通信服務的要求。5G與衛(wèi)星網(wǎng)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(zhì)量。

（4）無本運營商地面網(wǎng)絡區(qū)域場景

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

2 5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡融合演進架構(gòu)

2.1 演進階段分析

如上節(jié)所述，衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡在無地面網(wǎng)絡部署、地面網(wǎng)絡連接密度低、地面網(wǎng)絡連接速率低和無本運營商地面網(wǎng)絡等區(qū)域存在較強的融合應用場景需求，但目前衛(wèi)星通信網(wǎng)絡與5G通信網(wǎng)絡相互獨立，各自采用不同的組網(wǎng)架構(gòu)和協(xié)議體制，衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡的融合難以一蹴而就。要實現(xiàn)衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡的融合演進，構(gòu)建天地一體化的通信網(wǎng)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(wèi)星網(wǎng)絡與5G網(wǎng)絡互聯(lián)互通的方式，通過互通網(wǎng)關屏蔽網(wǎng)絡差異和實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議轉(zhuǎn)換，以降低對衛(wèi)星網(wǎng)絡的改造難度，減少對5G網(wǎng)絡的改造影響，較快實現(xiàn)衛(wèi)星通信與5G通信的業(yè)務互通。

在演進中期階段，衛(wèi)星網(wǎng)絡作為5G的接入網(wǎng)絡，統(tǒng)一接入基于SBA的5G核心網(wǎng)，支持多連接終端通過衛(wèi)星接入或地面基站接入5G網(wǎng)絡，使用不斷迭代更新的5G豐富業(yè)務。

在演進遠期階段，5G核心網(wǎng)部分網(wǎng)元和邊緣計算平臺上星，在衛(wèi)星網(wǎng)絡提供用戶面數(shù)據(jù)處理功能和邊緣計算業(yè)務，實現(xiàn)業(yè)務不落地，降低通信時延并保障業(yè)務安全性?？紤]到衛(wèi)星載荷的有限性以及軟件定義衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展成熟情況，需要對上星網(wǎng)元和平臺的功能進行輕量化裁剪，并結(jié)合衛(wèi)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(gòu)

（1）演進初期架構(gòu)

5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡演進初期階段的組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 演進初期階段組網(wǎng)架構(gòu)圖

在初期階段，通過互通網(wǎng)關實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡與5G網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。為支持衛(wèi)星終端與5G終端之間的語音、消息和數(shù)據(jù)業(yè)務互通，互通網(wǎng)關需要提供衛(wèi)星網(wǎng)絡與5G網(wǎng)絡之間的鑒權(quán)認證、協(xié)議轉(zhuǎn)換適配、碼號標識映射和編解碼轉(zhuǎn)換等功能。

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

互通網(wǎng)關與5G核心網(wǎng)之間遵循3GPP[5]定義的N6接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務的互通?；ネňW(wǎng)關與IMS（IP Multimedia Subsystem，IP多媒體子系統(tǒng)）之間使用遵循3GPP定義的Mx和Mb接口，實現(xiàn)語音和IP短消息業(yè)務的互通。

（2）演進中期架構(gòu)

5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡融合演進中期階段的組網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 演進中期階段組網(wǎng)架構(gòu)圖

在中期階段，衛(wèi)星網(wǎng)絡演進為5G的接入網(wǎng)，與地面5G接入網(wǎng)統(tǒng)一接入地面5G核心網(wǎng)，支持多接入終端通過衛(wèi)星接入或地面5G接入來使用5G網(wǎng)絡服務。

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

為降低接入管理的復雜度以及轉(zhuǎn)換帶來的處理開銷，結(jié)合3GPP[6]標準的發(fā)展演進將衛(wèi)星網(wǎng)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(wǎng)關使用3GPP標準的N2和N3接口與5G核心網(wǎng)相連。

（3）演進遠期架構(gòu)

5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡融合演進遠期階段的組網(wǎng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 演進遠期階段組網(wǎng)架構(gòu)圖

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

天基5G接入網(wǎng)通過N2接口與地基5G核心網(wǎng)相連，并根據(jù)接收的地基5G核心網(wǎng)指示，使用N3接口將本地用戶面數(shù)據(jù)路由到天基5G核心網(wǎng)。

天基5G核心網(wǎng)包括UPF（User Plane Function，用戶面功能）網(wǎng)元，通過N6接口與天基MEC平臺相連，實現(xiàn)星上本地用戶面數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)和處理。天基5G核心網(wǎng)通過N4接口與地基5G核心網(wǎng)相連，接收N4會話管理指令并進行處理。

地基5G核心網(wǎng)支持對天基5G接入網(wǎng)和地基5G接入網(wǎng)進行統(tǒng)一接入管理和控制，支持與天基5G核心網(wǎng)協(xié)同實現(xiàn)用戶面數(shù)據(jù)的就近分流和處理。

3 5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡融合演進關鍵技術(shù)

3.1 各融合演進階段對5G核心網(wǎng)影響及挑戰(zhàn)

在融合演進初期階段，通過互通網(wǎng)關屏蔽了衛(wèi)星網(wǎng)絡與5G網(wǎng)絡的組網(wǎng)和協(xié)議差異，對5G核心網(wǎng)影響較小。其中5G核心網(wǎng)基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)機制，能夠滿足與衛(wèi)星網(wǎng)絡互通業(yè)務需求。

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

首先，衛(wèi)星高延遲的通信特征對有連接的通信協(xié)議支持差，導致AMF與星上gNB之間使用的SCTP協(xié)議通信性能下降大，需要通過通信協(xié)議優(yōu)化來進行性能提升。同時在AMF和SMF上還需針對衛(wèi)星接入調(diào)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(xié)議數(shù)據(jù)單元）會話失敗。

其次，NGSO（Non-GeoStationary Orbit，非對地靜止軌道）衛(wèi)星，尤其是低軌衛(wèi)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(wèi)星基站不斷切換，導致終端頻繁在消失的服務位置區(qū)和接替出現(xiàn)的新服務位置區(qū)進行重選，通過新的星上gNB接入地面5G核心網(wǎng)網(wǎng)元AMF進行位置更新，同時，衛(wèi)星移動和衛(wèi)星間的切換也對5G核心網(wǎng)網(wǎng)元AMF的移動性管理提出了挑戰(zhàn)，需要結(jié)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(wèi)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(qū)域進入到無地面5G覆蓋僅有衛(wèi)星覆蓋的區(qū)域，或者從衛(wèi)星覆蓋區(qū)域進入到地面5G覆蓋區(qū)域時，對于終端和網(wǎng)絡正在進行的通信業(yè)務，因為接入網(wǎng)絡的變化會產(chǎn)生影響，需要5G核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和終端協(xié)同以保障業(yè)務的連續(xù)性。

在融合演進遠期階段，UPF等核心網(wǎng)網(wǎng)元將上星構(gòu)建天基核心網(wǎng)?？紤]衛(wèi)星載荷的有限性，需要對上星的核心網(wǎng)網(wǎng)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(wǎng)與地基核心網(wǎng)之間交互，例如地基核心網(wǎng)網(wǎng)元SMF對天基核心網(wǎng)網(wǎng)元UPF的選擇，天基核心網(wǎng)網(wǎng)元UPF上報事件信息到地基核心網(wǎng)網(wǎng)元SMF，以及天基核心網(wǎng)網(wǎng)元UPF與地基核心網(wǎng)網(wǎng)元UPF建立連接等，天基核心網(wǎng)與地基核心網(wǎng)之間如何高可靠、低時延和輕量級協(xié)同以保障通信業(yè)務不受影響，對5G核心網(wǎng)也提出了新的挑戰(zhàn)。

應對這些影響和挑戰(zhàn)，5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡融合演進需要使用到通信協(xié)議優(yōu)化、移動性管理、業(yè)務連續(xù)性保障、QoS控制以及UPF和MEP上星等關鍵技術(shù)。

3.2 通信協(xié)議優(yōu)化

5 G 與衛(wèi)星融合的通信協(xié)議優(yōu)化包含T C P（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）加速，由于TCP性能在衛(wèi)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(tài)等難題，對地面成熟的TCP/IP協(xié)議進行適應性改進，提出了以SCPS（Space Communication Protocol Specification，空間通信協(xié)議規(guī)范）-TP（Transport Protocol，傳輸協(xié)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(xiàn)端到端可靠傳輸。

5G與衛(wèi)星融合的TCP加速能夠克服衛(wèi)星網(wǎng)絡長延時、高誤碼對TCP協(xié)議帶來的影響，通常采用算法改進、零窗口停發(fā)、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(xiàn)。TCP性能增強代理模式以及SCPSTP性能增強代理模式中，路由轉(zhuǎn)發(fā)模式下可靠傳輸代理不進行分段，通過路由功能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)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(xié)議的主要機制對地面網(wǎng)絡和衛(wèi)星網(wǎng)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(xié)議的改進機制對地面網(wǎng)絡和衛(wèi)星網(wǎng)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(wèi)星網(wǎng)絡的位置區(qū)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(tài)的位置區(qū)設計和動態(tài)的位置區(qū)設計。靜態(tài)位置區(qū)劃分主要分為以下四種：基于衛(wèi)星的覆蓋范圍、基于信關站的覆蓋范圍、基于衛(wèi)星和信關站相結(jié)合的覆蓋范圍、基于用戶所在地理位置。動態(tài)位置區(qū)設計根據(jù)用戶移動時的各種特性、用戶的呼叫類型以及用戶發(fā)起位置更新操作等，可以分為以下四種：基于移動的動態(tài)位置區(qū)更新、基于時間的動態(tài)位置區(qū)更新、基于移動和時間相結(jié)合的動態(tài)位置區(qū)更新、基于距離的動態(tài)位置區(qū)更新。

根據(jù)3GPP發(fā)布的衛(wèi)星的移動性管理存在的關鍵問題，5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡融合的移動性管理還存在以下三類問題。一、廣衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的移動性管理：衛(wèi)星網(wǎng)絡由于其廣覆蓋特性，衛(wèi)星小區(qū)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(tǒng)所設計的接入網(wǎng)覆蓋范圍，因此，5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡融合將會引發(fā)較大的衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)如何處理終端的尋呼、衛(wèi)星覆蓋區(qū)與5G系統(tǒng)跟蹤/注冊區(qū)的關系、衛(wèi)星和地面接入之間的空閑/連接模式下移動性如何執(zhí)行等問題。針對此問題，3GPP提出基于位置和固定的注冊區(qū)域衛(wèi)星接入、用于具有大型或移動無線電覆蓋的5G衛(wèi)星接入的解決方案，兩個方案都能減少衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的移動性管理問題。二、移動衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的移動性管理：若gNB位于非對地靜止衛(wèi)星，則連接的小區(qū)和注冊區(qū)域?qū)⑴c相應的gNB一起移動，相應的地理覆蓋范圍、小區(qū)、注冊區(qū)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(qū)域相關的功能產(chǎn)生一些影響，例如授權(quán)、計費等；除此之外，還存在衛(wèi)星和地面接入之間的空閑/連接模式移動性如何執(zhí)行等問題。針對此類問題，3GPP提出了減少來自NGSO衛(wèi)星小區(qū)終端的移動性注冊更新信令，從而解決移動衛(wèi)星覆蓋區(qū)域的移動性管理問題。三、基于NGSO再生衛(wèi)星接入RAN（Radio Access Network，無線接入網(wǎng)）的移動性管理。在NGSO衛(wèi)星上啟用RAN意味著RAN對任何相連5G核心網(wǎng)的頻繁切換。由于NGSO衛(wèi)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(wǎng)的組切換。針對此問題，3GPP提出的解決方案與廣衛(wèi)星覆蓋區(qū)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(wèi)星接入的空閑模式移動性流程、衛(wèi)星和地面PLMN（Public Land Mobile Network，公共陸地移動網(wǎng)）之間的漫游和移動性架構(gòu)等方案。

3.4 業(yè)務連續(xù)性保障

5G和衛(wèi)星融合網(wǎng)絡能夠提供衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡相互補充、協(xié)議增進的全覆蓋網(wǎng)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?？紤]到衛(wèi)星網(wǎng)絡通信能力受限、通信資源受限、強對地移動性和高動態(tài)網(wǎng)絡拓撲等特點，地面網(wǎng)絡現(xiàn)有切換技術(shù)無法在5G與衛(wèi)星融合網(wǎng)絡中直接復用，因此研究5G與衛(wèi)星融合網(wǎng)絡切換下業(yè)務連續(xù)性的保障具有重要意義。

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

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

3.5 QoS控制

衛(wèi)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(zhì)量呈動態(tài)變化，難以直接復用地面5G網(wǎng)絡的QoS策略來進行保障控制。

在衛(wèi)星網(wǎng)絡中，衛(wèi)星的軌道參數(shù)與衛(wèi)星類型有關，在星上gNB與地面核心網(wǎng)AMF網(wǎng)元建立連接時通過N2接口將衛(wèi)星類型作為衛(wèi)星接入類型上報到核心網(wǎng)。在建立PDU會話時，核心網(wǎng)根據(jù)衛(wèi)星接入類型下發(fā)對應衛(wèi)星的5QI（5G QoS Identifier，5G QoS標識）等策略參數(shù)用于QoS保障控制，目前3GPP[7]標準定義10作為衛(wèi)星接入下的5QI參數(shù)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(wèi)星接入類型下的QoS保障控制。

針對經(jīng)過衛(wèi)星接入網(wǎng)絡建立的PDU會話，通過在衛(wèi)星接入地面核心網(wǎng)的網(wǎng)關和UPF增強針對用戶面通信的QoS監(jiān)測功能，并將監(jiān)測結(jié)果使用服務化的能力開放接口上報到5G核心網(wǎng)網(wǎng)元PCF（Policy Control Function，策略控制功能），PCF根據(jù)上報的監(jiān)測結(jié)果進行QoS策略的更新下發(fā)以應對衛(wèi)星通信質(zhì)量的變化。并且衛(wèi)星終端和網(wǎng)絡配合，結(jié)合RQI（Reflective QoS Indication，反射QoS指示）使用5G網(wǎng)絡的反射QoS控制功能（如圖7所示），動態(tài)調(diào)整速率以適應衛(wèi)星通信質(zhì)量多變的情形。

圖7 QoS控制技術(shù)圖

3.6 UPF和MEP上星

在5G核心網(wǎng)中，UPF是用戶面業(yè)務數(shù)據(jù)處理的重要網(wǎng)元，MEP通過Mp2接口與UPF相連，提供邊緣節(jié)點的算力服務。UPF和MEP上星不僅有利于構(gòu)建天基核心網(wǎng)，向未來天地一體化的泛在算力網(wǎng)絡演進，并且在MEP上部署邊緣應用，有利于星上用戶面數(shù)據(jù)業(yè)務的本地處理，減少對通過衛(wèi)星與地面站之間星地鏈路支持用戶面業(yè)務數(shù)據(jù)傳送的依賴。

考慮衛(wèi)星載荷的有限性，將完整UPF網(wǎng)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(jié)合國際標準規(guī)范和5G商用實際情況，UPF主要提供路由轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)和業(yè)務識別、協(xié)議優(yōu)化、策略執(zhí)行、頭增強、DNN（Data Network Name，數(shù)據(jù)網(wǎng)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(shù)據(jù)和業(yè)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(zhuǎn)發(fā)、策略執(zhí)行和隧道管理等基礎功能。面向衛(wèi)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(yōu)化。考慮星上網(wǎng)元和資源管理的特殊性，以及需要將星上網(wǎng)元納入統(tǒng)一網(wǎng)管系統(tǒng)，后續(xù)還需定制化星上網(wǎng)元系統(tǒng)配置管理、故障管理和性能管理等網(wǎng)元管理功能。

UPF上星后，與地基5G核心網(wǎng)SMF之間的N4接口消息以及與地面網(wǎng)絡管理系統(tǒng)之間的網(wǎng)管接口消息需要經(jīng)過星地鏈路進行通信，以實現(xiàn)天/地基核心網(wǎng)業(yè)務與管理的協(xié)同。對于該鏈路，需要區(qū)分業(yè)務和管理平面，提供差異化服務，以減少N4接口業(yè)務信息交互與網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)協(xié)同之間的通信開銷。

4 結(jié)束語

5G與衛(wèi)星的互補優(yōu)勢將推動5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡走向融合發(fā)展，最終構(gòu)建全覆蓋的天地一體化算力網(wǎng)絡。考慮5G與衛(wèi)星現(xiàn)在網(wǎng)絡和協(xié)議的巨大差異，5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡的融合可分為初期、中期和遠期等階段，通過先網(wǎng)絡互通、再網(wǎng)絡融合逐步進行，從而盡量減少對現(xiàn)有衛(wèi)星服務和地面5G服務的影響。同時5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡的融合發(fā)展，需要推動衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)和5G通信產(chǎn)業(yè)在衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡融合領域中標準制定、研究、產(chǎn)品開發(fā)和落地環(huán)節(jié)的加強合作。在標準制定上，實現(xiàn)衛(wèi)星通信標準化組織與5G通信標準化組織的有效協(xié)同；在研究上，聚焦5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡融合所涉及的統(tǒng)一通信協(xié)議體系、統(tǒng)一移動性管理、天/地基網(wǎng)絡切換的業(yè)務連續(xù)性，融合網(wǎng)絡端到端QoS和天/地基網(wǎng)絡協(xié)同組網(wǎng)及資源統(tǒng)一管理等關鍵領域問題，進行合作技術(shù)攻關，形成解決方案；在產(chǎn)品開發(fā)上，需基于統(tǒng)一標準和解決方案進行產(chǎn)品創(chuàng)新突破，在應用落地時破除產(chǎn)業(yè)壁壘，互利互惠，合作建設部署端到端的5G與衛(wèi)星融合網(wǎng)絡?；谏鲜雠e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(qū)域，通過衛(wèi)星與5G的網(wǎng)絡融合發(fā)揮衛(wèi)星廣覆蓋和配置靈活的優(yōu)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(yè)。