牛嬌紅，方琰崴，章璐

（1.移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518055；2.中興通訊股份有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引言

5G 網(wǎng)絡(luò)不僅提供更高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，更致力于提供無(wú)處不在的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，如海島、山區(qū)、沙漠、遠(yuǎn)洋等，5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)的成本非常高，難以建立完善的回傳網(wǎng)絡(luò)，也難以通過(guò)傳統(tǒng)地面5G 基站在偏遠(yuǎn)地區(qū)提供無(wú)縫的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。伴隨著衛(wèi)星建設(shè)技術(shù)水平的進(jìn)步，衛(wèi)星發(fā)射成本逐漸降低，其成本優(yōu)勢(shì)是地面蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)難以比擬的，空天地一體化的融合部署也將逐步推進(jìn)。

5G 網(wǎng)絡(luò)可以充分融合衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成全球無(wú)縫覆蓋的天地一體化的綜合通信網(wǎng)絡(luò)，滿足用戶無(wú)處不在的業(yè)務(wù)接入場(chǎng)景。比如，可以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)由于5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋成本高，車輛、船舶無(wú)法通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)的問(wèn)題，可以應(yīng)用于海上鉆井平臺(tái)、遠(yuǎn)洋勘測(cè)、沙漠資源勘探等廣覆蓋的需求場(chǎng)景；在應(yīng)急場(chǎng)景下，當(dāng)?shù)孛婢W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施受到自然災(zāi)害影響，可以及時(shí)提供高可靠的應(yīng)急通信，我國(guó)西部地區(qū)已進(jìn)入地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)時(shí)期，空天地一體化融合核心網(wǎng)方案將在地震、泥石流等災(zāi)后救援方面發(fā)揮巨大作用。

3GPP 在R15 階段提出了衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)融合到5G網(wǎng)絡(luò)的需求，在R16 階段啟動(dòng)了NTN（Non-Terrestrial Network，非地面網(wǎng)絡(luò)）的技術(shù)研究，并在2022 年6 月的R17 版本完成了5G 融合衛(wèi)星通信系統(tǒng)的第一階段標(biāo)準(zhǔn)化工作，確立了首個(gè)NTN和地面網(wǎng)絡(luò)融合的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，針對(duì)衛(wèi)星波束地面高速移動(dòng)、衛(wèi)星高度帶來(lái)的傳播時(shí)延、衛(wèi)星跟地面站連接切換等問(wèn)題，R17 定義了上下行時(shí)頻偏補(bǔ)償調(diào)整、傳輸時(shí)序關(guān)系增強(qiáng)、HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request，混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求）增強(qiáng)、基于位置的移動(dòng)性管理增強(qiáng)等。當(dāng)前，3GPP R18 正在研討UPF（User Plane Function，用戶面功能）上衛(wèi)星支持邊緣計(jì)算、通過(guò)UPF 支持本地?cái)?shù)據(jù)交換等課題，為了能夠?qū)崿F(xiàn)天地空一體化更加深度地融合，還需要在架構(gòu)、調(diào)度管理、業(yè)務(wù)保障上進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

1 空天地融合核心網(wǎng)方案

1.1 需求場(chǎng)景

目前5G 網(wǎng)絡(luò)已支持基站采用5G NR 空口制式，允許終端通過(guò)衛(wèi)星基站接入統(tǒng)一5G 核心網(wǎng)，支持衛(wèi)星在透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下工作，但在語(yǔ)音業(yè)務(wù)、傳輸時(shí)延等方面存在一定的局限性，并不適合于大規(guī)模商用。而支持天地一體化網(wǎng)絡(luò)融合的5G-Advanced 網(wǎng)絡(luò)具備更優(yōu)的特點(diǎn)：

（1）支持不同軌道高度的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面5G 網(wǎng)絡(luò)的融合，如低、中、高軌不同的移動(dòng)性管理策略。衛(wèi)星提供無(wú)線接入時(shí)，可工作在彎管模式或再生模式，分別提供數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)功能和星上信息處理功能，支持星地或星間組網(wǎng)，支持終端同時(shí)使用衛(wèi)星接入和地面接入，以優(yōu)化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，支持衛(wèi)星接入或者地面接入屬于一個(gè)或者多個(gè)運(yùn)營(yíng)商。

（2）在主要業(yè)務(wù)應(yīng)用上星的情況下，支持UPF 上衛(wèi)星提供板載功能。這使衛(wèi)星能夠提供邊緣計(jì)算服務(wù)，以減少傳輸時(shí)延和回傳資源。支持通過(guò)星上UPF 完成UE間通信數(shù)據(jù)的本地交換，減少通信的端到端時(shí)延，提高通信效率。

（3）當(dāng)基站使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供的回傳服務(wù)時(shí)或者星載基站時(shí)，核心網(wǎng)應(yīng)能夠感知衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特征（例如時(shí)延、帶寬等），并在考慮衛(wèi)星移動(dòng)和整個(gè)星座系統(tǒng)情況下，下發(fā)策略并進(jìn)行QoS 控制，向應(yīng)用層開放回傳能力以輔助適配應(yīng)用層。

（4）5G 核心網(wǎng)能夠針對(duì)通過(guò)衛(wèi)星接入的終端，采用增強(qiáng)的移動(dòng)性管理機(jī)制，例如支持基于終端位置的接入控制，支持終端在衛(wèi)星接入與地面接入之間無(wú)縫切換，基于衛(wèi)星接入的類型進(jìn)行策略與QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）控制，以及支持非連續(xù)衛(wèi)星覆蓋時(shí)的尋呼增強(qiáng)和終端節(jié)電增強(qiáng)，支持基于網(wǎng)絡(luò)的定位來(lái)滿足非GNSS（Global Navigation Satellite Systems，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）終端定位需求。

此外，空天地一體化通信系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)異質(zhì)異構(gòu)、空間節(jié)點(diǎn)高度動(dòng)態(tài)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)變、極大的時(shí)空尺度、空間節(jié)點(diǎn)資源受限、衛(wèi)星廣播傳輸鏈路易受氣象條件干擾等特點(diǎn)，難以依賴傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)靜態(tài)的控制和運(yùn)維模式，因此需要引入AI 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和管理，提供網(wǎng)絡(luò)和頻譜選擇訪問(wèn)、數(shù)據(jù)速率和發(fā)射功率控制、基站和衛(wèi)星切換等關(guān)鍵場(chǎng)景，以實(shí)現(xiàn)包括吞吐量在內(nèi)的不同網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目標(biāo)的最大化和網(wǎng)絡(luò)能耗最小化。

1.2 方案架構(gòu)

邊緣計(jì)算使得運(yùn)營(yíng)商和第三方業(yè)務(wù)可以靠近UE 的附著接入點(diǎn)進(jìn)行托管，通過(guò)減少傳輸網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延和負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的服務(wù)交付。如圖1 所示的空天地一體化融合核心網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)，本方案引入了基于UPF 的衛(wèi)星邊緣計(jì)算，增設(shè)了EAS（Edge Application Server，邊緣計(jì)算應(yīng)用服務(wù)器），并支持基于UPF 的本地?cái)?shù)據(jù)交換。通過(guò)衛(wèi)星的星載UPF，使能衛(wèi)星邊緣計(jì)算服務(wù)，可以有效降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延及回程資源消耗，支持UE 在使用UPF時(shí)的5G LAN 本地?cái)?shù)據(jù)交換，減少端到端時(shí)延。

圖1 空天地一體化融合核心網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)

部署在衛(wèi)星機(jī)載的邊緣應(yīng)用服務(wù)器EAS 通過(guò)N6 接口與機(jī)載UPF 連接，UE 發(fā)起邊緣EAS 發(fā)現(xiàn)過(guò)程，利用DNS 域名系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)EAS 的IP 地址。

終端UE中的邊緣DNS Client（EDC）功能可確保將來(lái)自應(yīng)用的DNS 請(qǐng)求發(fā)送到從SMF（Session Management Function，會(huì)話管理功能）接收的DNS 服務(wù)器（例如EASDF/DNS 解析器）IP 地址，并可確保使用EAS 發(fā)現(xiàn)過(guò)程。如果UE 版本較老，沒(méi)有EDC 功能，也可以調(diào)用由EASDF 提供的EAS（重新）發(fā)現(xiàn)功能。此時(shí)根據(jù)SMF 的指示，邊緣應(yīng)用服務(wù)器發(fā)現(xiàn)功能（EASDF）可以將DNS 消息轉(zhuǎn)發(fā)到可以解析EAS IP 地址的DNS服務(wù)器。由于SMF和DNS 服務(wù)器都部署在地面，因此EASDF 也部署在地面。

由于EAS 的IP 地址需要先由地面上的DNS 服務(wù)器解析，因此需要與地面上的UPF 建立PDU（Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元）會(huì)話。然后，根據(jù)UE 的簽約數(shù)據(jù)、UE 位置、來(lái)自應(yīng)用功能（AF）的信息、從EASDF 上報(bào)的EAS 信息，SMF 可以選擇目標(biāo)DNAI（DN Access Identity，DN 接入標(biāo)識(shí)符）并觸發(fā)ULCL/BP和本地Local PSA（Local PDU Session Anchor，本地PDU 會(huì)話錨點(diǎn)）插入。

1.3 衛(wèi)星板載的本地交換

SMF 在為gNB 服務(wù)的衛(wèi)星上選擇ULCL/BP和Local PSA，從而選擇板載UPF。SMF 為每個(gè)DNN 獲取所有板載UPF 的地址池信息，并基于這些板載UPF 的地址池信息創(chuàng)建地址映射信息。地址映射信息用于板載UPF 之間的流量路由。地址映射信息包括UE 的IP 地址范圍和該地址范圍對(duì)應(yīng)的下一個(gè)UPF 信息。

SMF 在板載UPF 上創(chuàng)建UPF 級(jí)別的N4 會(huì)話，即UPF1和UPF2。如圖2 所示，假設(shè)本地交換的場(chǎng)景下，有3 個(gè)終端，分別是UE1、UE2和UE3，這三個(gè)終端建立PDU 會(huì)話。

圖2 衛(wèi)星板載本地交換的數(shù)據(jù)傳輸

假定UE1和UE2 由UPF1 提供服務(wù)，UE3 由UPF2 提供服務(wù)。在相應(yīng)的N4 會(huì)話建立過(guò)程中，SMF 提供N4 規(guī)則指示UPF 將來(lái)自UPF 內(nèi)部接口的用戶面報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)UE。UE1 向UE2 發(fā)送數(shù)據(jù)。在接收到用戶面分組時(shí)，UPF1基于UPF1地址池和該分組的目的地址來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)該分組。

UPF1 對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，首先識(shí)別UPF 級(jí)N4 會(huì)話是分組對(duì)應(yīng)的第一個(gè)N4 會(huì)話，確定目的地址在UPF1地址池中，然后將分組轉(zhuǎn)發(fā)到UPF 內(nèi)部接口。報(bào)文將匹配UE2 的PDU 會(huì)話對(duì)應(yīng)的N4 會(huì)話，接下來(lái)報(bào)文被轉(zhuǎn)發(fā)到UE2。

UE1 向UE3 發(fā)送數(shù)據(jù)，在接收到用戶面分組時(shí)，UPF1 基于UPF1 地址池和該分組的目的地址來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)該分組。首先UPF1 識(shí)別UPF 級(jí)N4 會(huì)話是分組對(duì)應(yīng)的第一個(gè)N4 會(huì)話，UPF2 根據(jù)對(duì)應(yīng)FAR 中的地址映射信息，判斷目的地址不在UPF1 地址池中，則將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給UPF2，此時(shí)目的地址在一段地址映射信息的范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的下一段UPF 為UPF2。UPF2 識(shí)別UPF 級(jí)N4 會(huì)話是分組對(duì)應(yīng)的第一個(gè)N4 會(huì)話，并且UPF2 確定目的地址在UPF2 地址池中，將分組轉(zhuǎn)發(fā)到UPF 內(nèi)部接口。最終報(bào)文將匹配UE3 的PDU 會(huì)話對(duì)應(yīng)的N4 會(huì)話，最終把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到UE3。

UPF 部署在衛(wèi)星上且gNB 在地面的情況下，衛(wèi)星板載本地?cái)?shù)據(jù)交換，啟用了衛(wèi)星邊緣計(jì)算服務(wù)，降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，減少回程資源消耗，把百毫秒級(jí)端到端時(shí)延，降低到單向傳輸時(shí)延2～30 ms，全鏈路時(shí)延約5～60 ms，甚至可以滿足特殊條件下5G LAN 的工業(yè)化場(chǎng)景部署要求。

在正常場(chǎng)景下，SMF 基于UE 所在的位置，選擇衛(wèi)星板載的本地UPF 作為用戶面，當(dāng)衛(wèi)星板載的本地UPF發(fā)生故障，SMF 檢測(cè)到UE 所在區(qū)域的UPF 故障后，選擇地面的UPF 作為用戶面，保證業(yè)務(wù)正常運(yùn)行。

1.4 移動(dòng)性管理

在空天地覆蓋場(chǎng)景中，不僅需要考慮傳統(tǒng)覆蓋場(chǎng)景下終端UE 的位置信息，而且衛(wèi)星也處于移動(dòng)的場(chǎng)景，覆蓋區(qū)域會(huì)逐步產(chǎn)生移動(dòng)，因此需要考慮基于覆蓋信息和UE 位置的移動(dòng)性管理。

圖3 是尋呼發(fā)起流程。終端UE 在獲取到最新的TA信息后，發(fā)起尋呼流程。在衛(wèi)星接入的情況下，在向無(wú)線RAN 發(fā)送UE CONTEXT RELEASE COMMAND 消息之前，AMF（Access and Mobility Management function，接入和移動(dòng)管理功能）發(fā)起位置報(bào)告流程，以請(qǐng)求UE 的最后已知位置。

圖3 從最近已知的TA開始發(fā)起尋呼流程

無(wú)線RAN 提供所有廣播TAI，并作為ULI（User Location Info，用戶位置信息）的一部分內(nèi)容提供給AMF。在位置信息上報(bào)的Location Reporting 過(guò)程中，RAN 還向AMF 報(bào)告區(qū)域的覆蓋信息，比如詳細(xì)的星歷數(shù)據(jù)。在協(xié)商確定選取該區(qū)域的TA 后，無(wú)線RAN 還需要進(jìn)一步獲取UE 所處地理位置的子區(qū)域的TA 信息，再次報(bào)給AMF。接下來(lái)，AMF 發(fā)起UE 上下文釋放流程。當(dāng)AMF 確定了子區(qū)域TA 信息后，UE 根據(jù)需要進(jìn)行尋呼?？紤]到可能部分區(qū)域并無(wú)5G 的全覆蓋，因此在3GPP R17 階段還進(jìn)行了4G 方面的增強(qiáng)，在EPC 引入跟蹤區(qū)概念，并引入RAT（Radio Access Technology，無(wú)線接入技術(shù)）以標(biāo)記特定MME 配置，從而標(biāo)識(shí)對(duì)EPC 中的衛(wèi)星接入的非連續(xù)覆蓋區(qū)域。

但在移動(dòng)性管理的增強(qiáng)部署中，需要密切注意，一旦在地震、水災(zāi)等多發(fā)性自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，大量UE 在系統(tǒng)上會(huì)集中觸發(fā)連接，導(dǎo)致系統(tǒng)的信令負(fù)荷驟然升高，這可能會(huì)引起信令風(fēng)暴，造成系統(tǒng)承受瞬間高壓。需要進(jìn)一步研究如何降低信令風(fēng)暴對(duì)通信系統(tǒng)的負(fù)面影響，如考慮提供多種不同等級(jí)的切片進(jìn)行智能調(diào)度，為各種應(yīng)用提供切片并設(shè)置合理的生命周期，并給與足夠的安全保障避免來(lái)自外部的安全攻擊，為人員援救、物資調(diào)度、設(shè)備遠(yuǎn)程操控等緊急通信需求設(shè)置高優(yōu)先級(jí)接入。

2 空天地融合的關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)天地空一體化更加深度地融合，需要考慮以下關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 業(yè)務(wù)SLA保障和QoS控制增強(qiáng)

基于衛(wèi)星的回程傳輸，對(duì)于覆蓋偏遠(yuǎn)地區(qū)的關(guān)鍵場(chǎng)景非常重要，以防無(wú)法建立地面回程連接。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，針對(duì)衛(wèi)星定向相關(guān)業(yè)務(wù)提供業(yè)務(wù)保障。衛(wèi)星通信簽約用戶接入后，創(chuàng)建5QI=7（5G QoS Identifier，5G 業(yè)務(wù)質(zhì)量標(biāo)識(shí)）的non-GBR，PCF（Policy Control Function，策略控制功能）向SMF 訂閱RAT 改變事件，根據(jù)RAT 條件，按要求下發(fā)不同的預(yù)定義規(guī)則，UPF 根據(jù)該預(yù)定義規(guī)則實(shí)現(xiàn)應(yīng)用上報(bào)，同時(shí)創(chuàng)建專載進(jìn)行保障。

如圖4 所示，SMF 與AMF、衛(wèi)星和終端協(xié)同完成對(duì)指定業(yè)務(wù)流的QoS 流建立，業(yè)務(wù)釋放后刪除指定業(yè)務(wù)流的QoS 流。在這個(gè)過(guò)程中，UPF 偵測(cè)預(yù)定義規(guī)則對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)流發(fā)生或者終止，上報(bào)給SMF，并根據(jù)SMF 指示，創(chuàng)建專用QoS Flow，業(yè)務(wù)釋放后刪除QoS Flow，整個(gè)過(guò)程確保指定業(yè)務(wù)流在Non-GBR QoS 流中傳輸。

由于衛(wèi)星和地面?zhèn)鬏斒艿街T多外部氣象和地質(zhì)環(huán)境的影響，當(dāng)衛(wèi)星板載UPF和地面SMF 之間的N4 接口斷鏈后，業(yè)務(wù)會(huì)中斷。針對(duì)這種情況，本方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以確保已接入的終端的用戶面轉(zhuǎn)發(fā)盡可能繼續(xù)保持，業(yè)務(wù)慣性運(yùn)行不中斷，提升系統(tǒng)可靠性，提升用戶體驗(yàn)，并確保緊急情況下的業(yè)務(wù)延續(xù)性不受到外部因素的干擾。

方案支持按照不同UPF 按需獨(dú)立開啟會(huì)話保持功能，即支持部分UPF 節(jié)點(diǎn)開啟會(huì)話保持，狀態(tài)可維持24 小時(shí)甚至更長(zhǎng)，而部分UPF 可不開啟會(huì)話保持。在不開啟的情況下，當(dāng)SMF/UPF 發(fā)現(xiàn)N4 故障，各自釋放會(huì)話，業(yè)務(wù)無(wú)法保持。

3GPP 在R17 階段定義了衛(wèi)星回程類別指示，以指示衛(wèi)星回程信息，包括GEO（Geosynchronous Earth Orbit，高軌道）、MEO（Medium Earth Orbit，中軌道）、LEO（Low Earth Orbit，低軌道）或其他類型的衛(wèi)星。然而，如果衛(wèi)星回程涉及ISL（Inter-Satellite Link，衛(wèi)星間鏈路）多跳，或回程連接在不同的衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)上，則該方案還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

在圖4 中，gNB（Next Generation Node B，下一代基站）有可能同時(shí)與多個(gè)衛(wèi)星建立用戶面UP 連接。在PDU 會(huì)話的UP 連接建立之前，AMF 無(wú)法提前預(yù)知使用哪個(gè)衛(wèi)星回傳來(lái)服務(wù)PDU 會(huì)話。在這種情況下，只有一個(gè)衛(wèi)星回程類別不足以描述動(dòng)態(tài)衛(wèi)星回程特性。此外，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩鄤?dòng)態(tài)變化，不同類型的衛(wèi)星提供的傳輸能力也不同，因此用于PDU 會(huì)話的靜態(tài)下發(fā)的QoS 參數(shù)難以適用實(shí)際使用中的多種場(chǎng)景。因此，在R18 階段，3GPP 正在研究如何進(jìn)行擴(kuò)展，考慮多跳ISL 或多種回程，引入增強(qiáng)衛(wèi)星回程的QoS 控制方案。優(yōu)化方案需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整衛(wèi)星回程類別指示，以調(diào)整衛(wèi)星回程功能，充分考慮延遲和帶寬等參數(shù)受到的影響。為了適應(yīng)用戶面UP 中使用的衛(wèi)星回程網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)延遲的策略Policy/QoS 控制，還可以對(duì)RAN和UPF 之間的GTP-U 路徑進(jìn)行QoS 監(jiān)控。為了高效精確地監(jiān)控，PCF 生成合適的QoS 監(jiān)控策略，并需要基于監(jiān)控結(jié)果及時(shí)調(diào)整PCC 規(guī)則。

圖4 衛(wèi)星業(yè)務(wù)QoS保障流程

空天地一體化的SLA 保障課題涉及范圍非常廣泛，為了更好地為通過(guò)gNB 連接到5GC 的UE 服務(wù)，還有諸多問(wèn)題亟待深入研討，包括如何確定分組傳送延遲或帶寬或在UP 路徑上同時(shí)確定衛(wèi)星回程、基于確定的數(shù)據(jù)包傳送延遲或帶寬或UP 路徑上的兩個(gè)衛(wèi)星回程的策略/QoS控制增強(qiáng)以及動(dòng)態(tài)衛(wèi)星回傳引入的分組亂序問(wèn)題等。

2.2 基于AI的用戶面策略

在偏遠(yuǎn)區(qū)域，如高山、孤島等，地面回傳網(wǎng)難以鋪設(shè)，需要通過(guò)衛(wèi)星作為回傳網(wǎng)，典型的組網(wǎng)場(chǎng)景不僅包括單星單鏈，還包括多星串聯(lián)（星際鏈路）、多星并聯(lián)（中低軌），同一個(gè)基站和5GC 之間存在多條鏈路，且時(shí)延、帶寬不同，需要能制定合適的QoS 策略，提供最佳的用戶路徑。

如圖5 所示，以多星并聯(lián)為例，可以引入智能化網(wǎng)元NWDAF（Network Data Analytics Function，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能）輔助策略網(wǎng)元PCF 實(shí)現(xiàn)空天地融合網(wǎng)絡(luò)用戶面性能閉環(huán)分析，最終將分析決策結(jié)果實(shí)施到物理網(wǎng)絡(luò)中。

圖5 NWDAF輔助PCF實(shí)現(xiàn)用戶面閉環(huán)分析

NWDAF 訂閱不同衛(wèi)星鏈路的時(shí)延、帶寬、丟包率等信息，根據(jù)采集數(shù)據(jù)綜合判斷UPF 的選擇策略和QoS策略，為終端提供在特定時(shí)間、區(qū)域內(nèi)的最佳用戶面路徑及QoS 策略，實(shí)現(xiàn)最佳的用戶面路徑，滿足應(yīng)用需求。

衛(wèi)星通信的組網(wǎng)場(chǎng)景更加復(fù)雜、組網(wǎng)更加動(dòng)態(tài)，在衛(wèi)星作為移動(dòng)回傳的場(chǎng)景下，需要充分考慮多路徑的動(dòng)態(tài)選擇和智能QoS 保障，本方案通過(guò)引入基于AI 的NWDAF 實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)感知、訓(xùn)練分析及動(dòng)態(tài)決策的閉環(huán)，提升了衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的用戶體驗(yàn)。

2.3 智能算網(wǎng)協(xié)同調(diào)度

空天地融合網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多層次的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要實(shí)現(xiàn)分布在天基、空基、地面等各種形態(tài)的算力資源的協(xié)同，通過(guò)算力調(diào)度系統(tǒng)合理調(diào)度、協(xié)調(diào)一致地提供算力服務(wù)，適配多種業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求，向用戶提供高度協(xié)同的一體化資源，是空天地一體化算力服務(wù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商面臨的問(wèn)題。

建議引入空天地算網(wǎng)控制器，一方面對(duì)外支撐空天地算網(wǎng)融合類業(yè)務(wù)，另一方面借助人工智能實(shí)現(xiàn)一體化算網(wǎng)全域資源拉通和統(tǒng)一編排調(diào)度。空天地算網(wǎng)融合控制器具備主動(dòng)感知、智能分析、靈活編排和調(diào)度等關(guān)鍵能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和算力融合按需供給?？仗斓厝诤纤憔W(wǎng)控制器架構(gòu)如圖6 所示。

圖6 空天地一體化智能算力調(diào)度

空天地一體化智能算力調(diào)度能夠?qū)崿F(xiàn)諸多功能：

（1）算網(wǎng)感知，網(wǎng)絡(luò)提供對(duì)算力資源和算力服務(wù)的部署位置、實(shí)時(shí)狀態(tài)、負(fù)載信息、業(yè)務(wù)需求的全面感知。一方面，各算力節(jié)點(diǎn)將算網(wǎng)信息度量建模后統(tǒng)一發(fā)布，網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)多節(jié)點(diǎn)上報(bào)的算網(wǎng)信息進(jìn)行聚合，實(shí)現(xiàn)全局算網(wǎng)狀態(tài)的可視化。另一方面，網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)業(yè)務(wù)算網(wǎng)需求的統(tǒng)一解析，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)的全面感知，為基于業(yè)務(wù)需求進(jìn)行算力調(diào)度提供保障。

（2）算力度量：空天地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中可能存在多種算力資源，需要采用標(biāo)準(zhǔn)化的度量方式評(píng)估不同類型算力資源的大小。

（3）智能調(diào)度：基于不同業(yè)務(wù)的SLA 要求、網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)載、可用算力資源池分布等因素，智能、動(dòng)態(tài)地計(jì)算出算、網(wǎng)的最優(yōu)協(xié)同策略。將多域協(xié)同的調(diào)度任務(wù)智能、自動(dòng)地分解給各個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)算、網(wǎng)、數(shù)的資源調(diào)度。借助AI 算法，根據(jù)各個(gè)低軌衛(wèi)星通信夾角、信道質(zhì)量、計(jì)算資源等信息，對(duì)接入衛(wèi)星選擇、當(dāng)前內(nèi)容是否緩存和計(jì)算任務(wù)卸載位置進(jìn)行聯(lián)合決策。

（4）實(shí)時(shí)編排：針對(duì)天地一體化融合業(yè)務(wù)需求，基于算、網(wǎng)能力按需靈活組合編排業(yè)務(wù)和資源，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)最優(yōu)化。

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中將存在星載算力，需要充分考慮在算力與網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)中業(yè)務(wù)的精準(zhǔn)調(diào)度匹配和實(shí)時(shí)編排。本方案綜合考慮了業(yè)務(wù)的需求和算力網(wǎng)絡(luò)資源的供給，通過(guò)融合的算網(wǎng)調(diào)度器，在保障用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提升整體網(wǎng)絡(luò)資源，算力資源的利用率將高達(dá)20%。

2.4 衛(wèi)星非連續(xù)覆蓋等待定時(shí)器

本方案建議引入非連續(xù)覆蓋等待DCW 計(jì)時(shí)器（Discontinuous Coverage Wait），以解決當(dāng)UE 使用提供斷續(xù)覆蓋的接入類型和/ 或RAT 類型時(shí)的信令過(guò)載情況和省電情況，尤其是以下兩種場(chǎng)景會(huì)引發(fā)大量信令超載，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)信令風(fēng)暴：當(dāng)使用同一地理區(qū)域中不連續(xù)覆蓋的NTN RAN 的UE（CM-IDLE 狀態(tài)）失去覆蓋，并且不連續(xù)覆蓋周期大于核心網(wǎng)分配的周期性注冊(cè)更新計(jì)時(shí)器時(shí)，一旦UE 恢復(fù)到覆蓋狀態(tài)（即同一衛(wèi)星被引導(dǎo)為同一區(qū)域服務(wù)），由于周期性注冊(cè)更新計(jì)時(shí)器到期，UE 可能會(huì)同時(shí)發(fā)起周期性注冊(cè)更新流程，引發(fā)大量信令超載；當(dāng)使用同一地理區(qū)域中不連續(xù)覆蓋的NTN RAN 的UE（CM-IDLE 狀態(tài)）失去覆蓋，并且不連續(xù)覆蓋周期大于核心網(wǎng)分配的周期性注冊(cè)更新計(jì)時(shí)器時(shí)，UE 可能有一些緩沖的上行鏈路數(shù)據(jù)要在其恢復(fù)為覆蓋時(shí)傳送，并同時(shí)發(fā)起業(yè)務(wù)請(qǐng)求過(guò)程和周期性注冊(cè)更新過(guò)程，這也會(huì)引發(fā)大量信令超載。

DCW 定時(shí)器包括兩個(gè)部分：DCW 計(jì)時(shí)器=（T2-T1）+DCW 值。

參數(shù)非連續(xù)時(shí)間段（T2-T1），用于確保UE 在該時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有向5GCN 發(fā)起5G NAS 信令。周期值由UE根據(jù)RAN 廣播衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)計(jì)算得出，例如，正在進(jìn)行的衛(wèi)星何時(shí)將結(jié)束為區(qū)域服務(wù)（例如T1）和傳入衛(wèi)星何時(shí)將開始為區(qū)域服務(wù)（例如T2）的時(shí)間信息。參數(shù)DCW值用于UE 判斷非連續(xù)周期后觸發(fā)5G NAS 信令的等待時(shí)長(zhǎng)，在5G 核心網(wǎng)通過(guò)注冊(cè)流程或終端配置更新流程提供的DCW 范圍內(nèi)生成。

在定時(shí)器運(yùn)行期間，UE 不應(yīng)向5G CN 發(fā)起5G NAS信令。而在DCW 定時(shí)器到期時(shí)，UE 應(yīng)發(fā)起5G NAS 信令。從5G 核心網(wǎng)的角度來(lái)看，周期性注冊(cè)更新過(guò)程和/ 或服務(wù)請(qǐng)求過(guò)程將隨機(jī)到達(dá)，如圖7 所示：

圖7 帶DCW定時(shí)器的隨機(jī)5G NAS信令

NTN RAN 廣播其衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，UE 可以從該數(shù)據(jù)確定何時(shí)覆蓋將丟失（即T1）以及何時(shí)覆蓋將恢復(fù)（即T2）。

AMF 根據(jù)運(yùn)營(yíng)商策略確定DCW 范圍，并通過(guò)Registration 流程或UE Configuration Update流程將DCW 范圍提供給UE。UE 根據(jù)接收到的DCW 范圍生成DCW 值，并根據(jù)生成的DCW 值和衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)確定DCW 定時(shí)器。UE和NTN RAN 之間釋放AN 資源，不連續(xù)覆蓋周期開始。當(dāng)UE 檢測(cè)到AN 資源釋放時(shí)，觸發(fā)DCW 定時(shí)器。待DCW 計(jì)時(shí)器過(guò)期，UE 發(fā)起向AMF 發(fā)送5G NAS 信令，發(fā)起周期性注冊(cè)更新或者業(yè)務(wù)請(qǐng)求。

和蜂窩通信相比，衛(wèi)星通信的覆蓋場(chǎng)景不斷變化，終端UE 可能面臨斷續(xù)覆蓋接入，本方案一方面可以有效避免終端的耗電達(dá)30%，另外一方面避免了系統(tǒng)的信令過(guò)載和不必要的負(fù)荷，消除信令風(fēng)暴的影響。

2.5 自適應(yīng)智能化運(yùn)維和管理

空天地融合網(wǎng)絡(luò)中存在多種RAT 接入，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多，組網(wǎng)更加復(fù)雜，對(duì)于人工的要求非常高，如果采用手動(dòng)操作，效率非常低，且運(yùn)維在很大程度上依賴于人工的能力和經(jīng)驗(yàn)，出錯(cuò)的概率也非常高，因此需要引入自動(dòng)化、智能化的運(yùn)維管理。

運(yùn)維管理及資源管理面臨諸多挑戰(zhàn)：衛(wèi)星的高速移動(dòng)特性可能會(huì)導(dǎo)致拓?fù)浜托诺蕾|(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化；衛(wèi)星所具有的資源和傳輸能力也是動(dòng)態(tài)變化。如果遇到突發(fā)事件，例如自然災(zāi)害導(dǎo)致對(duì)資源的需求動(dòng)態(tài)變化，可能會(huì)引起會(huì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擁塞，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時(shí)延增大，進(jìn)而引起整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由性能下降；異構(gòu)高中低衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)能力和資源差異很大。傳統(tǒng)靜態(tài)的資源管理方法難以實(shí)現(xiàn)高效的資源動(dòng)態(tài)管理；與傳統(tǒng)5G 核心網(wǎng)相比，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大大增加，組網(wǎng)更復(fù)雜。

運(yùn)維與管理系統(tǒng)需要對(duì)業(yè)務(wù)流量進(jìn)行管理，包括預(yù)測(cè)流量趨勢(shì)，并在擁塞控制協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)流量的預(yù)測(cè)與優(yōu)化調(diào)度，智能感知并預(yù)防網(wǎng)絡(luò)的擁塞；同時(shí)，作為一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)管理系統(tǒng)，融合網(wǎng)管需要保障網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行，及時(shí)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)攻擊、網(wǎng)絡(luò)故障，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化組網(wǎng)。在未來(lái)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中，大規(guī)模寬帶衛(wèi)星的星上處理能力有限，難以自主進(jìn)行故障感知、入侵檢測(cè)，因此需要網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維系統(tǒng)檢測(cè)故障和安全隱患以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)刻畫，包括未知網(wǎng)絡(luò)異常和故障。為了對(duì)運(yùn)維進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可以引入意圖網(wǎng)絡(luò)，意圖網(wǎng)絡(luò)是一種基于業(yè)務(wù)意圖配置基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)能力，提供關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)洞察，并不斷調(diào)整硬件配置，以確保滿足運(yùn)維人員的意圖，將網(wǎng)絡(luò)從以設(shè)備為中心的模型轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀诤蠘I(yè)務(wù)為中心的運(yùn)維模式。

相對(duì)于傳統(tǒng)陸地網(wǎng)絡(luò)，空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維復(fù)雜度激增，以人工為主的運(yùn)維方式難以為繼，通過(guò)引入融合網(wǎng)管全方位監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，閉環(huán)保障網(wǎng)絡(luò)高穩(wěn)運(yùn)行，預(yù)期能夠提升50% 的運(yùn)維效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)地面蜂窩通信相比，空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)復(fù)雜化、動(dòng)態(tài)化，而且多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可能長(zhǎng)期并存，需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，保障用戶體驗(yàn)，提升網(wǎng)絡(luò)效能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自智。

本文針對(duì)未來(lái)空天地一體化業(yè)務(wù)，提出了空天地融合核心網(wǎng)方案，通過(guò)部署衛(wèi)星板載的本地交換，降低了用戶通信的時(shí)延，增強(qiáng)了可靠性，并在N4 接口斷鏈場(chǎng)景下繼續(xù)保持會(huì)話延續(xù)，這極大增強(qiáng)了空天地融合通信的商用可靠性。此外，通過(guò)增強(qiáng)QoS 控制、基于AI 的用戶面策略、智能算網(wǎng)協(xié)同調(diào)度等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空天地一體的深度融合和一致性體驗(yàn)提升。

在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的部署過(guò)程中，仍然有大量的課題亟待解決，包括在非連續(xù)性覆蓋場(chǎng)景下的終端節(jié)電、聯(lián)合移動(dòng)性管理、系統(tǒng)間切換降低非連續(xù)性覆蓋等問(wèn)題需要進(jìn)一步探索和研究。