卫星接入网络架构及关键技术使能增强研究

报告 202412 IMT20205G推进组 IMT20205G推进组 目录 第一章卫星接入网络发展趋势背景1 11概述1 125G卫星接入网络标准进展1 13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 21概述4 22物联网4 23车联网5 24低空航空器5 第三章卫星接入网络增强架构7 31概述7 32卫星接入网络增强架构7 321基于再生模式的卫星接入网络增强架构7 322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12 41概述12 42使能多类终端直连卫星技术12 43使能卫星窄带语音通信技术16 44使能延时容忍性业务的卫星接入技术17 45使能再生模式下的终端通信技术18 46增强卫星接入通信体验技术20 461异网漫游20 462业务连续性22 47增强卫星接入控制技术23 48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29 IMT20205G推进组 第一章卫星接入网络发展趋势背景 11概述 第五代移动通信（5G）服务于多种场景，不仅仅提供更高速的数据传输服务，更将提供无处不在的移动网络接入服务，真正实现万物互联。然而地面基站的建设成本和维护成本很高，很难为偏远地区提供5G网络覆盖。卫星接入网络是基于卫星通信技术接入移动通信网络，相比地面移动通信网络，卫星接入网利用高、中、低轨卫星可实现广域甚至全球覆盖，能够随时随地提供全球通信、物联网、导航等多种业务能力，同时在面向车联网、低空飞行、监控巡检及远洋作业等多种行业应用上具有较多的挑战以及广阔的发展前景。 125G卫星接入网络标准进展 在5G与卫星通信融合的标准制定方面，ITU、3GPP和CCSA等标准组织各自发挥了关键作用，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） ITUR第4研究组和WP4B工作组，致力于推动5G与卫星通信的深度融合。ITU制定了IMT2020标准，提供了全球适用的技术规范，以确保5G网络的安全性、互操作性，并防止与相邻服务的干扰。在2016至2019年间，ITU完成了NGATSAT项目，提出了星地网络融合的四种应用场景：中继宽带传输业务、数据回传与分发业务、宽带移动通信业务和混合多媒体业务。为了进一步推动星地融合，ITUTSG13立项了多个关于空天地一体化网络的项目，成功推出了ITUTY3200和Y3201标准。这些标准详细描述了固定、移动和卫星融合的需求和网络架构，涵盖了基于卫星网络和地面网络的各个方面。 第三代合作伙伴计划（3GPP） 3GPP在5G卫星接入相关标准取得了显著进展。R15和R16将卫星接入列为5G的多种接入技术之一，开展了卫星通信的场景和需求的研究。在R17和R18中，3GPP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）控制，并引入了支持卫星回传QoS的策略控制增强，支持用户平面功能（UserPlane 1 IMT20205G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终端的移动性管理、业务连续性保证、终端节电管理增强等标准化工作。R19阶段，3GPP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。 3GPP根据卫星通信有效载荷类型定义了5G非地面网络（NonTerrestrialNetworks，NTN）接入网络架构两种模式：透明转发模式和再生转发模式。 透明转发模式是指卫星仅作为信号的中继器，将来自地面基站（或用户设备）的信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（gNB）。 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） CCSA也在推动5G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（如TC5和TC12）启动了多个研究和标准项目，涵盖体系架构、关键技术、系统接口和场景需求等方面。以地面移动通信网络行业标准、3GPP5GNTN标准等为基线，形成包括核心网、承载网、接入网、业务模型，以及操作维护系统等在内的总体技术规范。 2 13研究现状与发展趋势 IMT20205G推进组 国外自2017年前后成立了一批卫星公司，并相继发射了卫星星座，目前国际主要星座有低地球轨道（LowEarthorbit，LEO）宽带卫星互联网星座Starlink（星链），oneWeb （一网）；美国LEO手机直连卫星星座ASTSpaceMobile、Lynk、OmniSpace，其他星座例如欧洲“天基安全通信系统”，俄罗斯“球体星座”。 国内随着5G网络于2019年正式商用，以及卫星通信技术的快速发展，卫星通信融合5G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，天通1号，中国星网，银河航天，国电高科天启星座，时空道宇吉利星座，和德星座等。目前低轨卫星成为国内卫星接入网络的研究热点，并且从行业发展现状来看，手机直连卫星蓄势待发。 5G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，全球通信网络将变得更加高效和无缝连接。国际标准化组织和主要企业的积极参与，也展示了这一领域的巨大潜力和广阔前景。 3 IMT20205G推进组 第二章卫星接入下的新兴应用场景 21概述 随着5GNTN技术的进步和快速发展，卫星接入网络成为星地融合网络重要组成部分。近年来，卫星接入网络在多个领域展现出巨大的应用潜力，拓展了物联网、车辆网等一系列新兴应用场景，提出了新的业务需求，需要进行5G卫星接入网络架构及技术增强才能满足。 22物联网 物联网（InternetofThings，IoT）服务提供商通过访问移动通信网络，为其客户在特定区域内提供连接，并希望保证其地理覆盖范围的可扩展性。某些物联网设备（如用于地质测量，森林、海洋监测设备，和便携式信息采集设备）的部署区域可能超出了地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。 为支持物联网服务，可以通过卫星接入网络与具有有限射频和能量能力的终端（UE）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）提供连续的服务。在某些特定的场景下，卫星接入网络可能无法支持连续覆盖，移动通信系统可通过存储转发等方式保证物联网服务的可达性。 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。 作为独立服务的卫星网络，通过漫游协议支持终端到其他地面移动通信网络的移动性。 通过引入卫星接入方式，支持海量机器类通信（massiveMachineTypeofCommunication，mMTC）和或窄带物联网（NarrowBandInternetofThingsNBIoT）服务的移动通信系统可提供基于卫星接入的mMTC和或NBIoT服务。 具有卫星接入的移动通信系统应允许优先选择卫星接入网络或地面接入网络。移动通信系统可根据运营商政策、订阅设置或QoS设置等因素，配置终端优先选择卫星或地面接入网络。 4 IMT20205G推进组 通过引入卫星接入方式，支持mMTC和或NBIoT服务的终端可通过卫星接入网络使用mMTC和或NBIoT服务。 23车联网 车联网通过无线通信技术实现车辆与周围环境的信息交换，未来随着卫星通信、导航和遥感一体化技术的发展，车联网服务提供商可以通过卫星接入方式全方位服务于车辆等交通工具，提供高精度定位、高速移动场景下的数据接入（满足低时延、大连接、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应急等场景需求。在终端脱离地面网络覆盖的情况或地面网络因灾难而毁坏时，卫星接入网络需要能够保证车辆与外界的联系，并通过卫星等非地面网络拨打紧急电话，呼叫救援。同时，车辆制造商和车联网服务提供商需支持通过卫星接入网络对车辆进行远程监控，实时获取车辆运行状态，提供远程支撑能力。 24低空航空器 在现代通信技术的推动下，无人机和飞行汽车在低空经济领域展现出巨大的潜力，这些设备在物流配送、城市空中交通管理、紧急救援、环境监测和公共安全等多个应用场景中对可靠、连续、低延迟的通信提出了严格的要求。无人机在物流配送中需要稳定的通信链路以实时接收导航指令和配送信息，而飞行汽车在城市空中交通管理中需要连续稳定的高带宽通信以避免空中碰撞并优化飞行路径。 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 5 IMT20205G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。 为了满足这些需求，非地面网络未来需要进行多方面的增强：如支持在不同通信覆盖区之间的无缝切换，确保设备在长距离飞行过程中保持稳定连接；具备高可靠性，以确保在恶劣环境中依然能够提供稳定连接；以及支持广泛的覆盖范围和灵活的扩展能力，以适应不同地理环境和应用需求等。这些增强需要产学研界的共同努力和持续推动，以确保无人机和飞行汽车在各个应用场景中实现高效、稳定的通信连接，充分发挥其在低空经济领域的潜力。 6 IMT20205G推进组 第三章卫星接入网络增强架构 31概述 随着5GNTN技术的发展，卫星接入网络架构需进一步增强以满足新兴应用场景的需求，主要体现在再生模式的卫星接入架构基础上，通过用户段、空间段和地面段分别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。 32卫星接入网络增强架构 321基于再生模式的卫星接入网络增强架构 在3GPP规范中，NTN分为NRNTN（NewRadioNTN）和IoTNTN（物联网NTN）。NRNTN主要用于提供5GNR服务，通过卫星接入网络延伸5GNR的覆盖范围。IoTNTN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 用户终端包括手机、甚小口径卫星终端站（VerySmallApertureTerminal，VSAT）、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。 7 IMT20205G推进组 用户终端可以通过SgNBSeNB或GgNBeNB直接接入卫星网络或地面网络。通过多连接接入等技术，用户终端可选择最佳的接入网络进行通信。 空间段 多轨卫星（GEO，NGSO（HEO，MEO，LEO）） 不同轨道或者相同轨道的卫星通过星间链路（ISLInterSatelliteLink）进行协同工作。通过ISL共享资源和数据，实现负载均衡和最优路径选择，提高通信可靠性和效率。 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 SgNB