卫星 5G 融合网络架构与关键技术研究

5G作为“新基建”之首，具有传输容量大、峰值速率高、传输时延低、业务范围广等特点，在人口相对密集的城区可以显著加快未来社会的数字经济化转型[1-2]。但是在人烟稀少的偏远地区，难以实现地面5G基础设施的有效低成本部署，目前的系统只能覆盖大约20％的陆地面积，仅占整个地球表面的6％[3]。并且在灾害应急情况下，地面网络的抗毁性能较差，维护难度大。

与地面移动通信网络相比，卫星通信网络具有覆盖范围广、便于广播/组播、无“远近效应”、不受地形环境限制等优点，尤其是在遇到自然灾害时，具有更强的生存能力，然而卫星通信系统面临星地之间传输距离远、低轨卫星移动速度快等特征带来的挑战[4]。

尽管地面移动通信网络和卫星通信网络目前处于独立组网的状态，但是为了满足未来对全球随遇接入与广域万物智联的需求，保障用户服务的连续性与一致性体验，在5G时代，各行各业都在推动地面移动通信网络与卫星通信网络的融合[5-7]。国际标准化组织和相关联盟针对5G移动通信网络与卫星通信网络的融合问题进行了研究。

第三代合作伙伴计划（3GPP）从R14阶段就开始研究卫星网络与地面5G网络融合的问题[8-9]，试图制定用于规范地面移动通信网络和卫星通信网络的统一标准；在R15阶段的TS 38.821中初步定义了基于透明转发模式和基于星载基站模式的卫星5G网络架构模型[10]，并且评估了不同网络架构下的端到端协议栈分割问题；R16版本进一步增强了基于服务的架构（SBA）中网元部署的灵活性，拟形成融合架构标准规范[11]；作为5G标准的第三阶段，R17除了进一步增强R15和R16阶段制定的特定技术外，还将基于现有架构与功能将软件定义卫星组件、基于非地面网络（NTN）的新空口（NR）等内容作为重点要解决的问题，并预计2022年完成相关标准编制。

国际电信联盟（ITU）于2016年启动了一个旨在将卫星通信系统集成到下一代接入技术（NGAT）的研究项目[12]，该项目主要讨论卫星网络集成的关键要素和为NGAT设想的用户案例，提出卫星通信网络与地面5G移动通信网络融合的4种应用场景，即中继传输、动中通、小区回传与广播分发、混合多媒体业务，以及适应各种应用场景的关键技术特性。

欧盟H2020 5GPPP在第二阶段资助了Sat5G项目[13]，旨在评估与5G网络融合的卫星接入网络体系结构、验证关键技术等。为实现上述目标，Sat5G定义了4种卫星5G的应用场景，即基于卫星广播服务的多媒体内容分发与卸载业务、基于卫星的5G固定回传业务、基于卫星的5G到户业务、基于卫星的5G移动平台回传业务。2019年6月，SaT5G项目团队在EUCNC会议上成功演示了卫星与地面网络的融合架构。

此外，还有一些项目正在讨论将卫星通信网络与地面5G网络进行融合的问题，例如，欧盟H2020资助的SANSA项目[14]，欧洲航天局（ESA）启动的SATis5项目等。

尽管3GPP、ITU、Sat5G等国际组织初步探索了卫星通信网络与5G移动通信网络的融合技术，然而目前卫星5G网络的融合整体上仍然处于起步阶段。只有实现不同网络的优势互补，相互赋能，在网络架构、技术体制、资源管理、业务应用等方面进行深层次系统融合，才能实现用户无感知的一致服务体验，满足用户随遇接入的多样性业务需求。

卫星 5G 融合网络以地面网络为依托，以天基网络为拓展，按照星间组网、天地互联的思路，基于统一的技术架构、统一的协议体制、统一的基础平台进行系统架构设计。如图 1所示，卫星 5G 融合网络由天基网络、地基网络以及用户终端组成。

图 1 卫星 5G 融合网络架构

① 天基网络包括高轨卫星、中低轨卫星等运行于不同轨道面的卫星星座，负责数据的接收、处理与转发；用户接入链路、星间链路以及馈电链路采用微波、激光等技术实现互联互通；卫星星座主要用于满足远洋、荒漠、高空等地面网络覆盖盲区的用户通信需求。

② 地基网络包括 5G 基站、卫星地面站、一体化核心网等基础设施；一体化核心网是卫星 5G 融合网络的核心，负责整个网络资源的统一调度与规划；为了减少传输时延，卫星地面站和一体化核心网通常在物理上合成部署。

③ 用户终端包括海基、陆基、空基、天基等不同类型的用户，采用统一的空口传输协议在卫星接入节点和地面基站之间灵活切换。

目前，5G 核心网采用微服务架构，提高了功能网元部署的灵活性以及开发演进速度。因此，为了满足不同场景下的业务需求，卫星 5G 融合网络以服务为中心，采用基于容器或虚拟机的微服务功能部署架构，即将传统复杂的单体功能网元解耦，并基于软件定义网络（SDN）/网络功能虚拟化（NFV）技术，将微服务功能网元部署在虚拟化平台上，从而支持网元的相互隔离和动态部署，增强网络适应能力及鲁棒性。在本文的网络架构设计中，地 基节点、中低轨卫星节点、高轨卫星节点均部署虚拟化通用平台，并分别按照业务需求特性和载荷资源限制动态部署无线接入功能、边缘计算功能、核心网功能及网络管理功能，保障不同服务等级协议（SLA），以使网络综合效能达到最优。

为了详细说明卫星 5G 网络架构的灵活性，分别给出在移动通信、大规模物联、高速移动三种典型业务场景下的网元部署用例。

如图 2 所示，在移动通信场景中，卫星节点不仅支持常见的无线接入功能单元 gNB，还部署了一些自定义的核心网络功能，包括负责接入和移动性管理功能的网元 AMF、会话管理功能网元 SMF 和用户平面数据转发锚点 UPF。基于这种网元部署模式，卫星可以形成单独的服务网络，也可以充当接入网络节点以连接到其他卫星/地面核心网络，从而满足用户无处不在的随机接入请求，并且可以避免数据要不断回落至地面核心网带来的传输时延。

图 2 移动通信场景网元部署用例

图 3 描述了在大规模物联场景中网元的部署架构。通过在卫星节点部署边缘计算功能，可以将大规模物联终端产生的海量数据进行本地流量卸载，减轻回传压力，有效降低带宽成本；并且在安全性保障方面，边缘计算平台使得用户数据直接在本地处理，避免传输到远端云，可有效降低数据泄露的概率。

图 3 大规模物联场景网元部署用例

针对高速移动场景，将接入网集中式单元 gNB-CU、轻量化的核心网功能网元分布式部署在高轨卫星节点上，接入网分布式单元 gNB-DU 部署在低轨卫星节点上，星间通过激光/微波链路实现业务协同和迁移，如图 4 所示。通过高低轨卫星节点协同组网，高速移动终端在由 gNB-CU 集中控制的 gNB-DU 之间切换，从而扩大了在 gNB-CU 内的切换比例，减少了切换时的数据中断时间，降低了核心网络的信令负荷，有效提高了切换效率。并且多颗低轨卫星节点相当于分布式多天线，构成虚拟化 MIMO，通过分集增益增强数据传输的可靠性；高轨 gNB-CU 对多流数据信息进行合并、压缩处理等，解决信息拥堵问题；星载边缘计算功能进一步对数据进行本地处理，有效降低传输时延，减小馈电链路的承载压力。

图 4 高速移动场景网元部署用例

由于卫星通信网络和地面移动通信网络之间的差异，实现卫星 5G 网络的深度融合需要进行一系列技术适应性设计，下面以空中接口、虚拟化平台设计、多星多波束联合传输、移动性管理技术为例进行说明。

空中接口是移动通信网络的基本要素。典型的无线空口参数集包括传输波形、子载波间隔、调制方式、传输信道带宽、同步信道带宽、天线端口配置、随机接入格式等。由于卫星网络的通信环境与地面网络差异较大，因此从卫星5G网络相互融合发展的角度来看，卫星通信体制要基于5G移动通信网络的先进技术，结合卫星网络移动性强、传输时延长、星载资源受限等特点进行适应性改进。采用软件定义的空口参数集，使得卫星通信网络和地面5G网络采用统一的空口传输体制，但可根据通信场景配置不同的参数。下面给出典型示例。

正交频分复用（OFDM）依旧是5G移动通信网络选用的基本传输波形，频谱利用率高，但是对频偏十分敏感，并且具有较高的峰均比（PAPR）。因此，低轨卫星高速移动导致的多普勒效应，以及卫星功率放大器的非线性效应对OFDM技术带来了挑战。为了有效缓解多普勒频偏导致的子载波间串扰（ICI），可采用可变子载波间隔（SCS）的设计方案，即针对卫星通信场景，选择比地面通信网络大得多的子载波间隔。同时，采用DFT-S-OFDM波形以增大卫星功放效率。

混合自动重传请求（HARQ）机制可以保障信息传输的可靠性，为了与卫星较长的双向传输时延（RTT）相匹配，卫星通信网络中的HARQ进程数会远大于5G NR中定义的16。5G NR支持高阶正交幅度调制，与地面通信相比，卫星通信网络选择更低的调制阶数以提高鲁棒性，降低解调复杂度；并且采用具有较低PAPR值的APSK调制，来减小卫星功放非线性效应的影响。表1[3]给出了地面5G网络和卫星通信网络中的可变参数配置。

表1 统一空口可变参数配置

为了满足多样性业务需求，卫星 5G 融合网络采用与地面 5G 移动通信网络一致的微服务架构，将复杂单体解耦成模块化微服务，基于 SDN/NFV 技术将微服务网元分别部署在不同的容器/虚拟机中，从而实现系统功能按需加载和重新定义。对于时延要求高的业务，可将核心网侧的用户面功能网元简化下沉到用户接入侧，减小回传链路带来的长时延；同时可将数据的存储和计算能力从远端的网络中心移动到网络边缘以支持流量本地化处理。

然而，虚拟化技术的应用需要具有较强数据处理能力的卫星载荷平台的支持。受限于卫星平台的负载能力，无法将所有网络功能都放置在卫星节点上。例如，当仅在卫星上部署UPF 时，可以减少来自用户平面的传输延迟，但是来自控制平面的传输延迟类似于弯管卫星的传输延迟。因此，如何为卫星设计合适的处理功能以在卫星负载压力和通信网络性能之间取得平衡是另一个挑战。

在大规模物联业务场景中，为了在有限资源的条件下解决海量用户的数据传输问题，并且解决当前基于授权的随机接入机制由复杂的握手过程导致的低访问效率和高等待时间的问题，需要设计适用于卫星 5G 融合网络的免授权多址接入技术。在 5G NR 中，非正交多址接入（NOMA）技术近年受到广泛的关注，NOMA 技术允许在同一块资源上承载多个用户，与正交多址接入技术相比较，有更高的资源“过载率”。

同时，免授权接入机制可以让用户端按需主动进行数据传输，无需事先发起上行传输资源申请，并且不必等待响应。因此，在上行传输过程中，当使用基于免授权的 NOMA 技术时，可显著节约信令开销，提高系统容量，降低接入时延，适用于信道接入时延较长的卫星网络应用场景。但是，NOMA 技术增加了接收端对多个叠加用户信号进行检测的复杂度，对卫星载荷处理能力的要求更加苛刻。

进一步，为了实现星地大时空跨度下的快速建链，需要研究极简接入机制。在地面移动通信系统中，通常采用典型的四步接入法：首先，用户终端发送 msg1 消息，携带随机接入请求；然后，基站发送 msg2 消息，携带随机接入响应；接下来，用户终端发送 msg3 消息，也就是 RRC 连接建立请求；最后，基站发送 msg4 消息，通知用户终端 RRC 连接建立成功。

由于卫星节点与地面用户终端之间的传输时延长，传统的四步随机接入法会造成接入时延过长的问题，与低轨卫星节点过顶时间较短形成矛盾。3GPP R16 版本中讨论了两步随机接入机制，将下行消息和上行消息分别合并，即将四步接入中的 msg1 和 msg3 合并为一条信息发送，将 msg2 和 msg4 合并为一条信息发送，通过将信令流程简化，降低了随机接入时延，减少了信令开销。

F1 接口定义为 gNB-CU 和 gNB-DU 功能实体之间互连的接口。F1 接口有助于实现部署于不同节点的 gNB-CU 和 gNB-DU 之间互连。从逻辑角度来看，F1 是端点之间的点对点接口，即使在端点之间没有物理链路直接连接的情况下，基于承载网虚拟路径构建的点对点逻辑接口也应该是可行的。面向用户的多样性业务需求，卫星 5G 融合网络支持 gNB-CU 和gNB-DU 等网元功能的动态迁移和灵活部署，然而星地/星间物理链路的承载能力对 F1 接口的数据速率、传输时延等性能指标需求提出了新的挑战。

3GPP 对 5G NR 中 gNB-CU/gNB-DU 的切分方案进行了探讨，分割位置越接近 PDCP层，F1 接口上的数据速率需求越小，传输时延容忍度越高，同时 CoMP 增益也越低，为了在调度算法实施难度和灵活分割增益之间取得均衡，最终考虑在 PDCP 层和 RLC 层之间进行划分，其中 gNB-CU 实现 PDCP 层及以上协议功能，gNB-DU 负责实现 RLC 层及以下协议功能。

基于此，以地面 5G 网络为例，其 F1 接口上的数据速率在 5 Gbit/s 左右，传输时延容忍度大约 30 ms。因此若要实现高速移动场景下高低轨卫星节点协同组网，需要对 F1 接口进行增强设计，如通过修改协议栈的定时器来支持 gNB-CU 和 gNB-DU 之间更远的传输距离。

多星多波束联合传输利用运行在相同轨道或者不同轨道上的多个卫星节点的多个波束协同进行数据传输，形成虚拟 MIMO，通过复用分集技术提高传输容量和可靠性，降低传输时延。

近几年随着高通量卫星技术及天线技术的发展，多波束联合传输技术得到深入研究。但是目前的研究重点集中在单星多波束，主要解决波束间的干扰问题[15-17]。在多星多波束领域主要集中于理论研究，信号处理功能仍然在地面站完成。与地面移动通信系统中小区间的联合传输机制相比较，由于卫星节点的高动态性、大时空跨度等特性，多星协作面临更加严峻的挑战，但是可以有效避免单星多波束间信道相关性引起的干扰。

波束成型作为多星虚拟MIMO 的核心技术，需要多个卫星节点间的精确同步，并建立信道模型，以实时形成窄波束来精准跟踪用户终端。但是卫星移动性强、传输距离远，导致多个节点间实现同步困难，并且信道模型时变，因此远距离卫星节点之间高效的同步机制以及有效的实时信道模型建立方法有待于进一步探索研究。另外，对于多星联合传输，需要在多个卫星节点之间共享数据，这就给星间链路的承载能力提出了较高的要求。

面向卫星 5G 融合网络的多重立体覆盖，用户终端可以充分利用卫星网络的广覆盖优势和地面网络的低时延传输优势，在星地网络之间按需自由切换。对于 GEO 卫星，由于卫星相对于地面是静态的，并且每个卫星波束的覆盖范围相对固定，所以可以采用与地面移动通信系统相似的移动性管理技术；对于 LEO 卫星，由于卫星相对于地面的移动速度较快，并且每个波束的覆盖范围也在移动，因此应考虑特定的移动性管理方案。如前一节所述，采用高低轨协同的组网架构，由高轨卫星上的 gNB-CU 控制多个低轨卫星上的 gNB-DU，可大幅度扩大 gNB-CU 的覆盖范围，减小切换时延和信令开销。

为了进一步提高切换成功率，在切换过程中还需要考虑的关键技术有：① 基于星历信息的切换技术，针对卫星移动轨迹可知等特点，通过提取卫星的星历信息，准确判断出每个波束的过顶时间，进而对用户终端的切换时机进行预判，以减小切换时延；② 基于用户终端定位的切换技术，在地面基站覆盖小区中，无线资源管理（RRM）测量值和用户终端距离基站的位置有直接的关系，通常把RRM 测量值作为切换判决条件；然而星地之间的传输距离较远，卫星覆盖小区内的远近效应不明显，因此用户终端位置对于切换判决至关重要，与 RRM 测量值一同作为切换判决条件，从而提高边缘用户服务质量的一致性；③ 基于双连接的软切换技术，当用户终端有切换需求时，可以在与源基站维持连接的同时，向目标基站发起接入请求，当成功接入目标基站后再与源基站断开连接，从而提高切换平滑度，降低由切换过程导致的丢包率。

卫星通信网络和地面移动通信网络历经 30 多年的发展，都取得了辉煌的成绩。但是新的应用场景和多样性业务的出现，势必会打破卫星网络与地面网络独立发展的态势，实现网络的深度融合与优势互补。国际标准组织及相关联盟对融合网络架构设计和关键技术进行了初步探索。

本文在此基础上提出了卫星 5G 融合网络基于统一的协议体制、统一的微服务架构、统一的虚拟化基础平台的架构设计思路，使得融合网络支持网元功能动态迁移和灵活部署，并进一步描述了在移动通信、大规模物联、高速移动三种典型业务场景下的网元部署用例，从而体现出融合网络架构可以保障多样性业务需求。

针对卫星网络与地面 5G 网络融合需要解决的关键技术及面临的挑战问题，本文探讨了可变参数集统一空口技术、虚拟化技术、极简免授权多址接入技术、F1 接口的增强设计技术、多星多波束联合传输技术以及移动性管理技术，希望为卫星 5G 融合网络的发展提供一定的参考意义。