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　　当前的卫星接入网络研究及商用进展还存在创新及演进的空间，需要通过使能新型技术和增强现有技术，为用户提供更丰富更优质的业务及体验。在技术及业务创新方面，面向不同类型终端的直连卫星接入需求，实现多类终端直连卫星能力；针对卫星接入带宽资源受限的情况，支持终端的卫星窄带语音业务；基于时延容忍业务的卫星接入需求，使能存储转发技术；为了提升卫星网络接入终端的业务体验，设计基于再生模式的终端通信架构。

　　在技术和需求演进方面，结合星地融合网络的特点，对异网漫游、业务连续性、位置验证和终端节能等技术特性进行增强，以提升卫星接入通信体验、精确卫星接入控制及优化卫星接入终端节能。

　　使能多类终端直连卫星技术

　　终端直连卫星是指终端具备卫星通信能力，直接与卫星进行双向通信，是星地融合通信的重要模式。终端直连卫星利用卫星网补充和增强地面蜂窝网络，可以提供高性能、广覆盖和高可靠的通信机制。

　　然而如何实现终端直连卫星，当前仍然还处于研究和设计过程中。目前，从终端的设计角度来看，终端直连卫星有三种实现方案：双模终端直连卫星、存量终端直连卫星以及 NTN 终端直连卫星。

　　双模终端直连卫星

　　基于当前在轨卫星网络和现有卫星通信技术体制，在终端或手机嵌入专用芯片，使手机成为地面移动通信和卫星移动通信双模终端，提供手机直连卫星服务。如我国的天通终端、北斗终端都属于这种模式。双模终端直连卫星示意图如下：

　　图1 卫星/蜂窝多模终端直连卫星方案示意图

　　该方案适用于高轨接入场景，是在现有卫星通信技术体制内实现的直连卫星接入能力，卫星+地面双模终端产业生态相对封闭。高轨卫星 L 频段、S 频段已经分配完毕，对于地面网络运营商发展手机直连卫星，频率协调困难；该网络架构向 6G 目标架构演进困难。

　　对于 6G 架构方面的演进困难，一种思路是将卫星核心网通过特殊互通网关接入到蜂窝核心网，取决于运营商部署不需要标准化处理。另一种思路将卫星通信数据作为蜂窝网络的应用层通信，这样对于 6G 架构的演进也没有特殊影响。

　　存量终端直连卫星

　　基于基站上星的前提，卫星部署星载超大规模相阵天线，使地面网络存量手机/终端可以直连卫星。卫星通信运营企业与地面运营商进行商业合作，复用现有 4/5G 移动业务频率，将基站搬到距离地面几百公里的太空，实现手机直连卫星能力。如美国的StarLink、SpaceMobile 都属于这种模式。存量终端直连卫星示意图如下：

　　图2 存量终端直连卫星方案示意图

　　该方案适配低轨卫星接入场景，最大优势是支持地面大网存量手机/终端接入，无需手机/终端天线及射频模组等硬件升级。最大问题是卫星运营商需要国家政策支持，卫星运营商将能获得地面网络频点授权和使用权，将分配给地面网络使用的 4/5G 频谱灵活应用于卫星业务。

　　NTN终端直连卫星

　　终端/手机/基站/核心网升级支持 3GPP 标准定义的 NTN 功能，利用已经建成的卫星移动通信系统透明转发通道，提供卫星直连服务。如中国电信全球星、美国 Omnispace等都属于这种模式。

　　3GPP NTN 目前存在两种模式，即透明转发模式和再生转发模式。

　　图3 NTN 终端直连方案

　　该方案适配高轨/低轨接入场景。采用 3GPP NTN 协议，将手机直连卫星通信体制标准统一到 3GPP NTN 架构。统一标准有利于增强终端、网络、运营商之间的互操作性，加快推动手机直连卫星进入大众市场，未来也支持向 6G 网络架构的平滑演进。

　　对于 3GPP NTN 终端直连方案下的再生转发模式，由于馈线链路频繁切换，会导致星上基站和核心网之前的 N2/S1 连接也随之频繁切换。总的来看，存在以下切换场景，如下图4，馈线链路切换时，核心网不改变和馈线链路切换时核心网发生变化。

　　图4 馈线链路切换场景

　　为了解决馈线链路的频繁切换而导致的 N2/S1 接口频繁建立或者更新，一些可能的设计思路如下：

• 当基站离开核心网的服务区域时，基站和核心网可以利用现有的 N2/S1 连接管理过程或者设计新的 N2/S1 连接管理过程来维护基站和核心网之间的与连接相关的上下文，如基站支持的 TA，DRX，AMF/MME 服务的 GUAMI 列表，支持的 PLMN 列表等。

• 基站在不同的地面站转换，或者服务的跟踪区域发生变化或者连接的核心网发生变化时，基站可以让终端先进入空闲态，或者通过负载平衡，或者触发终端执行切换等操作来完成馈线链路的切换。

• 对于馈线链路切换，现有 R17 中的映射小区的获得和使用可以重用。

• 可以通过配置信息，或者基站上报的方式，核心网感知终端是通过再生模式接入，依此来确定再生模式下核心网段的时延和策略等。

　　使能卫星窄带语音通信技术

　　在现代通信技术的发展中，使用普通手机终端接入卫星网络，实现随时随地的语音通信正变得愈加重要，尤其是在偏远地区、海上航行以及灾难救援等场景中，卫星通信对于保障人员的安全和通信畅通至关重要。在这些环境下，传统的地面通信网络往往难以提供有效覆盖或无法保持稳定性。GEO（地球静止轨道）卫星凭借其广泛的覆盖范围，能够提供可靠的通信服务。理论上，一颗 GEO 卫星可以覆盖地球约三分之一的区域，尤其在偏远地区、海洋以及灾难场景中具备显著的优势。

　　自 3GPP Release 5 引入 IMS（IP 多媒体子系统）以来，运营商可以通过该平台提供语音、短信和视频等多媒体服务，并实现运营商之间的互操作性。IMS 现已成为 3GPP语音通信的主要架构之一。随着卫星通信技术的发展，3GPP 在 Release 17 中引入了 GEO卫星透明转发模式接入 3GPP 网络的架构，允许运营商有效利用现有的 GEO 卫星部署，快速扩展覆盖范围，为用户提供基于卫星的语音及多媒体服务。结合 3GPP 的 IMS 平台与 GEO 卫星的广域覆盖能力，能够提供一种有效的随时随地语音通信解决方案，特别是在地面网络覆盖薄弱或受灾害影响的场景中，如图5所示。

　　图5 GEO IMS 语音架构示意图

　　GEO 卫星分为高通量卫星（HTS）和低通量卫星（LTS）。高通量卫星提供更高的数据传输能力，但需要高性能的终端天线支持，这类天线的尺寸通常超过普通手机所能支持的规格。低通量卫星是通信卫星的一种，其数据传输速率较低，通常用于传输一些简单的小文件或文本信息。因此，利用低通量 GEO 卫星进行语音通信成为一种更为可行的方案。然而，由于低通量 GEO 卫星的轨道高度及终端发射功率的限制，其提供的上下行数据速率十分有限。例如，某些卫星的传输速率仅为 1-3 kbps，这对通过 IMS 平台实现语音通信带来了以下挑战：

　　话音建立时间过长：在低速率环境下，通话建立所需的信令消息传输时间增加，整个呼叫建立过程的时延显著增加。包括呼叫发起、路由选择、资源分配和确认等步骤，由于信令交换时间的延长，导致通话建立时延过长。此外，较高的误码率和信号衰减导致信令消息可能需要多次重传和确认，进一步增加了总时延。资源分配和调度的延迟也影响了呼叫建立速度，特别是在资源有限的卫星系统中。

　　语音编码速率过高，带宽不足：编码速率是指将人类语音进行编码/解码以进行数字传输的比特率。3GPP 开发的语音编解码器如 AMR（4.75-12.2 kbps）和 EVS（5.9-128kbps），虽然在语音质量和数据速率之间做了优化，但在低通量 GEO卫星系统中，由于带宽限制，支持这些高比特率编码的困难较大。因此，低通量环境中可能需要引入低速率语音编码以满足语音传输的需求。

　　为应对这些挑战，可以从终端、IMS 平台及语音编解码增强等多个方面进行改进：

　　终端增强

• 增强型高功率终端，提高信号发射和接收能力；

• 配备高性能天线终端，增强信号接收效果。

　　IMS 平台增强

• 优化并简化 IMS 呼叫建立流程，减少通话建立时延；

• 采用 Sigcomp（Signaling Compression，信令压缩）技术，对 SIP 信令进行压缩。

• 采用 SIP 信令裁剪技术，降低信令传输带宽需求，降低 SIP 语音通话建立时延。

　　语音编解码增强

• 引入低速率语音编码技术，减少对带宽的需求；

• 利用 AI 自适应语音编码、Codec2 等技术；

• 协议优化

• 引入 HARQdisable 等技术，简化通信流程，降低通信时延；

• 针对语音业务特征，引入免调度机制，降低信令开销；

• 通过对传输协议栈的优化，降低语音传输的包头开销；

　　通过这些技术手段的集成和改进，可通过 GEO 卫星满足手机终端随时随地语音通信需求。

　　需要说明的是，上述技术也可以用于 LEO 等卫星窄带语音通信场景。

　　使能延时容忍性业务的卫星接入技术

　　当卫星星座规模较小时，卫星可能无法同时为终端和信关站提供覆盖，也就是说服务链路与馈电链路无法同时存在连接。

　　这种场景下，终端的上行业务、下行业务无法即使发到对端，只能由卫星缓存上行或下行业务，等到链路可用时，再将上行或下行业务发送至终端或地面网络。对于这种存储转发模式的卫星，业务的传输过程较长，一般适用于时延容忍业务。

　　需要设计一种架构以使能卫星的存储转发功能，从而使能时延容忍业务。

　　可以通过卫星上部署基站和部分核心网（如 MME 的一部分功能）、基站和全部核心网的架构设计来使能卫星存储转发功能。不同的架构设计可能从位置验证、星上载荷资源要求等方面有所不同。

　　关于卫星上部署的功能与地面部署的功能交互，目前是基于私有机制实现的，未来可以考虑星地功能交互的标准化。

　　使能再生模式下的终端通信技术

　　以语音业务为例进行介绍，提供的方案也可扩展到其他业务。主要对 2 个终端都是通过卫星接入网络的情况下的语音数据（RTP 包）的传输路径进行优化。

　　若终端-1 和终端-2 都是通过卫星接入的网络的终端，则终端-1 与终端-2 间进行语音业务时，语音数据（RTP 包）的传输路径为：终端-1→卫星-1→地面站→5GC/EPC→IMS 网络→5GC/EPC→地面站→卫星-2→终端-2。

　　图6 终端-1 与终端-2 间语音通话传统传输路径

　　可以看出，终端-1 和终端-2 间语音数据需要在终端和卫星间传输 4 次，该传输路径会增加语音数据的传输时延较大，影响端到端用户体验。

　　为了解决 2 个卫星终端间语音通信时延较大的问题，3GPP 提出了终端-卫星-终端通信的优化方案：当卫星-1 和卫星-2 是相同的卫星，或者，卫星-1 和卫星-2 间可以通过ISL（Intersatellite link，星际链路）进行通信的卫星时，终端-1 和终端-2 间的语音数据的传输路径可以优化为：终端-1→卫星-1→卫星-2→终端-2。

　　图7 终端-1 与终端-2 间语音通话的终端-卫星-终端传输路径

　　该优化方案可以将语音数据在终端和卫星间的传输次数从 4 次减小到 2 次，并且不需要经过 5GC/EPC 和 IMS 网络，可以大幅减少数据传输时延，增加用户体验。

　　为了实现终端-卫星-终端通信，需要将部分核心网网元部署在卫星上，以便将语音数据在卫星上进行本地路由。目前有 2 种网络架构：

　　架构 1：将 gNB，UPF 和 IMS AGW（Access Gateway，接入网关）部署在卫星上。

　　图8 终端-卫星-终端通信架构 1

　　架构 2：将 gNB，UPF 部署在卫星上。

　　图9 终端-卫星-终端通信卫星架构 2

　　合法监听是语音通话必须支持的功能，IMS 语音通话的合法监听的执行网元是 IMS AGW。对于终端-卫星-终端场景，架构 1 可以满足合法监听的需求，架构 2 如何满足合法监听的需求需要进一步研究。

　　IMS AGW 具有语音编解码转换的功能。对于架构 2，由于终端-卫星-终端的通信是不经过 IMS AGW 的，因此要求通信双方必须支持相同的语音编解码方式；对于架构 1，由于 IMS AGW 部署在卫星上，当通信双方支持的语音编解码方式不同时，可以由 IMSAGW 进行语音编解码的转换。因此，相比于架构 2，架构 1 适用场景更广，成功建立终端-卫星-终端的可能性更大。

　　增强卫星接入通信体验技术

• 异网漫游

　　异网漫游是指移动终端在无用户所属运营商无线信号覆盖时，仍可以通过其他运营商的移动通信网络继续使用移动通信服务的一种业务能力。异网漫游可以跨不同国家的移动通信网络提供服务，也可以跨不同制式的移动通信网络提供服务。星地融合场景下，更加需要通过异网漫游来扩展网络的覆盖范围和服务能力，优化资源利用。星地融合网络的异网漫游对 5G 异网漫游进行增强，包括核心网漫游和接入网共享两种技术实现方式。

　　核心网漫游

　　图1 核心网漫游架构方案

　　卫星接入网络下核心网漫游，支持归属网络方用户在漫游区域内接入拜访网络方网络使用移动业务，漫游双方运营商的接入网、核心网独立建设和管理，用户独立管理。

　　卫星接入网络下核心网漫游采用归属路由方式实现，即漫游用户数据回到归属网络，业务由归属网络提供。图中绿色线示意地面用户接入到卫星网络，再通过卫星网络路由回归属的地面网络的行为。图中红色线示意星网用户接入到地面网络，再通过地面网络路由回归属的卫星网络的行为。

　　接入网共享

　　图2 卫星接入网共享场景

　　卫星接入网络下接入网共享，支持运营商独立建设核心网，共享无线接入网（星载基站）和回传承载网，共享星载基站的多家运营商的用户均可以通过星载基站进行接入。

　　在卫星接入网共享中，共享运营商可根据参与运营商之间的协商及业务需求等分配共享的无线资源，其中接入网共享既支持直接共享方式也支持间接共享方式。卫星接入网共享可以提高资源利用率，可以分时、分地理区域地服务于多家运营商的不同网络或者一家运营商的不同网络。终端基于星上共享基站广播的多个 PLMN，以及地面网络广播的PLMN，可根据终端偏好或运营商策略进行网络选择，例如优选归属网络或者优选信号更好的网络。

　　直接共享方式中，卫星接入网需与地面运营商的核心网进行直接对接，由于卫星星座规模可能较大，会导致大量的对接运营维护成本，且可能对地面运营商的现网造成影响。间接共享方式中，卫星运营商部署自己的核心网，通过核心网间的漫游接口与地面运营商对接，这种方式能有效降低运营维护成本，对地面运营商的影响小，更容易部署。

　　在现网部署中，主流卫星运营商如星链、SatelIoT 等大多采用间接共享的方式与地面运营商开展合作。

• 业务连续性

　　业务连续性是指用户在移动时，保持以手持终端为主的 NTN 终端业务使用连续的技术方法。业务连续性是保障连接切换时通信服务的基础技术，能够提升用户的通信服务质量，提升网络资源利用率，使能丰富多样的通信业务和第三方应用，具有重要的经济效益和社会效益。

　　卫星接入网络的业务连续性技术，包括星地移动业务连续性、星间切换业务连续性等关键技术点。3GPP TS 22.261 也对用户卫星接入时的业务连续性提出了诉求，要求用户在星地间移动和星间切换时保持用户业务连续性。

　　星地间移动和星间切换的具体场景如下所述：

　　1）地面网络移动到卫星接入：NTN 终端通过地面网络接入建立通信会话，通信会话进行中时，NTN 终端移动到信号弱或速率低的地面网络覆盖区域，但该区域的卫星接入信号强或速率高。在业务连续性机制的支持下，通信会话从地面网络接入迁移到卫星接入，业务连续性得到保障。

　　2）卫星接入移动到地面网络：NTN 终端通过卫星接入建立通信会话，通信会话进行中时，NTN 终端移动到信号弱或速率低的卫星接入覆盖区域（或卫星相对地面移动），但该区域的地面网络信号强或速率高。在业务连续性机制的支持下，通信会话从卫星接入迁移到地面网络接入，业务连续性得到保障。

　　3）星间切换：NTN 终端通过卫星接入建立通信会话，通信会话进行中时，NTN 终端移动到信号弱或速率低的卫星接入覆盖区域（或卫星相对地面移动），但该区域的其他卫星接入信号强或速率高。在业务连续性机制的支持下，通信会话切换到新的卫星接入，业务连续性得到保障。

　　为了实现卫星接入用户的业务连续性，地面网络和卫星网络要深度融合。星地融合网络，可以支持地面网络接入和卫星接入，为用户提供基础通信业务和增值业务。为了灵活地满足用户业务连续性需求，可以通过星上部署上行流量分流（UpLink Classifier，UL-CL）、中间用户面功能（Intermediate User Plane Function，I-UPF）等，地面部署SMF及 PSA-UPF，从而实现用户数据的星上本地交换或路由，以及星间切换、星地切换时的业务连续性。

　　由于非地球同步卫星的高速移动性，使得每颗卫星服务终端的时间较短，需要频繁地进行星间切换；终端移动到信号弱或速率低的覆盖区域，发生星地间的移动。卫星接入下小区或跟踪区对应的地理区域范围较大，基于位置选择的 NF，在后续移动到地面网络后，可能需要 NF 重选。

　　因此，卫星接入用户的业务连续性，考虑在快速切换、网络功能选择等方面进行增强。

　　快速切换

　　一是面向星地切换场景快速构建星地网络邻区关系，优化星地网络参数配置及按需采用星地双连接等方式，保证星地业务连续，同时尽可能降低星地切换时延。

　　二是在切换过程中引入基于强化学习的人工智能等算法，有效提高切换后的业务体验，抑制切换带来的信令风暴。

　　网络功能选择

　　为了保障终端在星地移动时的业务连续性，在 NF 选择时，尽可能以终端地理位置为基础选择 NF，避免终端移动到地面网络后 NF 重新选择，如选择 SMF 时，尽可能以终端所在地理位置信息选择 SMF，避免终端后续从卫星接入移动到地面网络时跨省重建等。

　　增强卫星接入控制技术

　　由于 NTN 小区的覆盖区域非常大，存在同时覆盖多个国家的可能性，出于监管的要求，需要 3GPP 网络能够对终端进行位置验证。

　　在 3GPP R17 NTN 的终端位置验证中，终端通过接入层上报终端粗略位置（Coarse Location）给基站，基站根据终端上报的粗略位置确定用户位置信息（user location information）并发送给核心网设备（例如，AMF/MME）。核心网设备根据从基站接收的用户位置信息和终端当前驻留的 PLMN 对终端进行位置验证。

　　在 R18 IoT NTN 的终端位置验证中，标准提出了终端通过非接入层（Non-Access Stratum，NAS）消息上报粗略位置的方案。终端根据核心网设备的指示，通过 NAS 消息将终端粗略位置发送给核心网设备，核心网设备再进行终端的位置验证。

　　对于 R18 IoT NTN 的位置上报方法（即通过 NAS），核心网设备仅能获得终端的粗略位置，无法从基站获得用户位置信息（即 User Location Information，如映射的小区ID和/或跟踪区标识）。因此，在后续的寻呼中，核心网设备只能基于终端的粗略位置进行寻呼，造成寻呼资源浪费。一种优化思路是核心网设备可将终端的粗略位置发送给基站，由基站返回粗略位置对应的用户位置信息，核心网设备可以基于用户位置信息有效缩小后续的寻呼范围，避免空口资源浪费和寻呼其他不必要的终端。

　　在再生模式的卫星接入场景下，对于服务链路和馈线链路不同时存在的存储转发模式，如果终端的位置验证在地面执行，那么网络执行的终端位置验证可能不是终端当前的真正位置，存在终端位置验证的误判等问题。对此，在存储转发模式下如何执行准确的终端位置验证需要考虑。该问题与卫星接入网络架构有关，如果直接重用上述 R17，R18 NTN 中的位置验证方法，那么需要核心网的定位管理功能部署在卫星上。若定位管理功能部署在地面上，且还想重用上述 R17，R18 NTN 的位置验证方法，那么可能还需要有一些终端移动性限制的假设，比如假设终端的位置比较固定，不会频繁移动。

　　增强卫星接入终端节能技术

　　卫星星座规模较小时，卫星可能无法持续为终端提供接入覆盖，也就是说服务链路不是一直可用。

　　当卫星无法为终端提供接入覆盖时，如果终端处于唤醒状态，比如去搜索卫星信号，则会产生不必要的能耗。

　　终端可以通过下面的方式实现终端的节能：

• 接入网广播非连续覆盖信息，主要包括卫星标识、星历信息、卫星到达时间、卫星足迹（由参考点、仰角、半径表示）、频点信息等。

• 终端和核心网确定非连续覆盖持续时长和开始时间信息，该信息可由终端通知到核心网，也可由核心网提供给终端。同时，核心网能够基于非连续覆盖持续时长和开始时间为终端设置移动性管理参数，如周期性注册时长、扩展非连续接收（extended discontinuous reception，eDRX）、仅移动引发的连接（Mobile Initiated Connection Only，MICO）模式配置等，避免网络侧对处于无覆盖区域的终端持续进行寻呼，造成网络资源浪费。

　　核心网基于网管配置的卫星覆盖信息来确定非连续覆盖连续时长和开始时间信息，未来可以考虑通过动态化的方式使能核心网感知卫星覆盖信息。

　　来源：卫星接入网络架构及关键技术使能增强研究