基于低轨卫星与5G网络的融合技术研究.pdf
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1、2023年第7期基于低轨卫星与 5G 网络的融合技术研究崔向华,徐琪,嵇誉(电信科学技术第一研究所有限公司,上海市 200032)摘要针对目前低轨卫星的发展和面向 5G 的天地一体化信息网络的需求,结合目前天地一体化信息网络发展现状,介绍基于低轨卫星与地面 5G 网络的天地一体化信息系统网络架构方案。分析不同网络架构的优缺点,给出目前网络发展阶段下推荐的网络架构。分析低轨卫星与 5G 网络融合所需的关键技术及解决方案。关键词低轨卫星;天地一体化信息网络;5G 网络;基站;核心网0引言虽然现在的移动通信网、地面互联网已基本到达了每个用户,初步实现了“地球村”的设想,但这只是对于城市区域以及有基站
2、部署的偏远区域。世界上依然有许多偏远地区无法获得高速互联网的服务。随着卫星通信的快速发展,全球无缝立体覆盖、无盲区宽带移动通信的天地一体化信息网络的建设时机已基本成熟,但目前空间网络与地面网络依然相对独立。为了实现高效资源共享、互联互通,天地一体化信息网络的建设推进已成为当务之急。随着 5G 技术的日益成熟,ITU(国际电信联盟)、3GPP(第三代合作伙伴计划)等国际标准化组织开始研究星地融合的标准化问题。3GPP 在 5G 网络设计之初,就已经考虑支持卫星接入。本文将结合 3GPP 关于融合卫星通信的 5G 网络架构的相关研究,介绍基于低轨卫星与 5G 的天地一体化信息网络解决方案。1天地一
3、体化信息网络系统介绍低轨卫星与 5G 网络的融合旨在形成一张无缝衔接的通信网络,覆盖地球上除极地以外的绝大部分区域,实现空、天、地一体化通信。低轨卫星与 5G网络融合系统架构如图 1 所示。天地一体化信息系统主要包括:空间部分、地面部分和用户部分,物理实体上空间部分、地面部分和用户部分对应的设备分别是卫星、地面站和终端。天地一体化信息系统主要有以下几个关键部分:a)用户终端(UE):以手机、平板计算机为代表的传统用户终端和车载卫星、机载卫星等卫星终端。b)用户链路(Service%Link):用户终端和卫星、基站之间的链路。c)空间平台(Space%Platform):具备星上数据处理及数据透
4、传能力的卫星。d)星间链路(Inter-Satellite%Links):具备星座内或星座间数据透传的激光或微波链路。e)信关站(Gateway):负责地面网络与卫星网络通信的关口。f)馈电链路(Feeder%links):卫星与地面控制站相互通信的链路。2网络架构设计根据目前低轨卫星的星上处理方式,天地一体化信息系统中的空间部分,目前主要有卫星透明转发、星载完整 5G 基站 2 种不同的网络架构。由于星载完整 5G 基站方式对卫星的容量和处理能力有较基金项目:上海市科学技术委员会科研计划项目(20511106604)。技 术 交 流2023年第7期图 1低轨卫星与 5G 网络融合系统架构高的
5、要求,所以现阶段优先推荐卫星透明转发的架构。2.1卫星透明转发方式第 1 种网络架构:基站空中接口通过卫星进行透明转发,即用户终端和 5G 基站均位于地面,卫星仅作为中继,将 Uu 接口数据按照传统卫星通信方式进行透明转发,通过卫星连接用户终端和 5G 基站,卫星通信网的地面汇聚关口站与 5G 基站共址。卫星透明转发方式如图 2 所示。该架构下的卫星功能与现有卫星功能类似,实现较为简单,但需要 5G%NR(新基站)-Uu 对卫星是友好的,即能够适应卫星的长时延和抖动特性,因此该架构需要对普通地面5G%NR 进行修改。2.2星载完整 5G 基站方式第 2 种网络架构为星载完整 5G 基站方式,如
6、图 3 所示。在通信卫星上搭载 5G 基站的全部功能,使得通信卫星能实现广域信号转发,又能实现 5G基站数据面与控制面之间低时延处理,但这种结构需要保证终端与卫星之间的 5G 基站对卫星信道是友好的。而且由于每颗卫星均需实现基站完整功能,同时需保障通信卫星具有足够的信号处理能力。此架构的主要难点在于如何保证星载基站的功能和业务处理能力,目前此方案暂不成熟。3低轨卫星与 5G 融合关键技术为满足低轨卫星与 5G 网络融合,卫星网络空中接口结构设计参照 3GPP 的 R4、R6 架构及其空中分层方法,在保留 NAS(非接入)协议设计基础上,在 MAC(介质访问控制)以下以及 RRC(无线资源控制)
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