卫星通信与5G通信融合的网络架构与关键技术

高阳东 黄勇 郝晓强

（航天恒星科技有限公司 北京市 100095）

1 引言

地面通信与卫星通信的界限正变得越来越模糊，其原因在于各种通信服务的兴起和网络复杂性的蔓延。这意味着，对远程信息传输进行良好的管理，并确保优质的传输性能和可靠性比以往任何时候都重要。人们已经意识到了远程信息传输方式的区别，那么，卫星通信运营商们就需要不断开拓新的服务，并在保证服务质量的基础上，有能力进行弹性的冗余切换。

卫星通信技术作为我国通信技术研究的一项重要成果，在方方面面发挥着关键作用。目前，卫星通信系统已经广泛应用于国际通信、国内通信、移动通信和广播电视等诸多领域，为世界各国提供语音视频、数据传输等服务，俨然已经成为世界电信结构中不可或缺的一部分[1]。卫星通信系统主要包括信关站和各个VSAT 终端站。信关站主要分为网络控制器、网络管理器、基带子系统、射频子系统；VSAT 终端有调制解调模块、协议处理模块等组成。

作为后4G 时代衍生出的智慧型通信系统，5G 移动通信技术虽然目前还没有全面推广应用，但是在医疗、手机等部分领域已经开始试点商用，其发展状况备受社会公众的关注[2][3]。5G 技术比4G技术的传输效率提高100 多倍，其最大传输速率可达10GB，另外还能够在更大范围内灵活地支持各种智能终端设备，是推动智慧生活建设的最强动力，能给人民生活提供智慧便捷的服务[4]。

随着华为5G 手机的发布，地面移动通信系统已经步入 5G 时代；呈现高中低轨多层立体化的卫星通信，从单星系统向多星系统网络化和宽带高通量发展，地面5G 和卫星通信迎来新的融合契机[2]。因为5G 采用了大量网络颠覆性技术，加快与地面移动网络与卫星网络的融合步伐。本文将从卫星通信与5G 两者的融合体系、融合网络架构、关键技术等几个方面进行分析探讨，为后续研究奠定基础。

2 卫星通信与5G移动通信融合

由于地面移动网络的建设优势，许多人忽视了卫星的重要性。但不可否认的是，没有卫星通信，通信网络就无法实现绝对的全球化。卫星通信仍然是通信行业的基石，并且将综合通信网，满足用户无处不在的多种业务需求，是未来通信发展的重要方向，随着LEO 和中地球轨道（MEO）卫星的低延迟产品的持续增长而成为未来5G 基础架构中的关键要素[2]。

具有庞大用户群体的5G 已经到来，它产业链完善，应用服务模式灵活高效。5G 和卫星通信的联系除了在卫星C 波段频谱资源的争夺与共享外，国际卫星组织或者联盟有就卫星通信与5G 如何进行融合进行了研究[5]：

（1）Sat5G 联盟研究卫星与地面5G 融合技术，主要内容是进行融合网络体系结构、商业价值主张、关键技术验证等；

（2）3GPP 组织研究卫星与地面5G 融合网络架构，初步提出4 种融合网络模型，用于评估卫星通信相关的接入网络协议架构和解决卫星与地面间的网络切换问题；

（3）ITU 国际电信联盟提出包括中继到站、小区回传、动中通以及多播场景的4 种卫星5G 融合应用场景，并指出包括支持智能动态路由和缓存管理以及智能Qos、网络功能虚拟化等多种融合关键因素。

总的来说在将来5G 的两大场景中eMBB（增强的移动宽带）会用到卫星，因为卫星的灵活性好全覆盖特性是不可忽视的优势，另外卫星通信也可以为基站提供回传功能[1]。天地一体化网络，高低轨结合，低轨星作为节点,高轨星提供中继，终端在地面网络和卫星网络之间切换。5G 可能会在协议，端口，终端等方面与卫星进行深入的融合。而在将来大规模机器通信 (mMTC)上，卫星物联网的参与更是必不可少。

通过充分发挥各自优势，优势互补，卫星通信系统与5G 相互融合，共同构成全球无缝覆盖的海、陆、空、天一体化综合通信网，满足用户无处不在的多种业务需求，是未来通信发展的重要方向[2]。

卫星通信与 5G 通信的融合层次包括：首先是硬件架构层面进行融合，把5G 通信芯片和卫星通信的芯片融合在一个终端设备里；然后是网络协议架构融合，进行统一的空中接口和融合网络架构设计[8]。

卫星与5G 的融合的设计层次包括：设计一体化星地融合网络架构，实现互通互联；统一协调频率设计，规避频率冲突干扰，提高频谱资源使用率；通过网络信息服务分离进行星地网络的协同部署设计[5]。

卫星与5G 融合的网络架构分为松耦合和紧耦合两种模式。松耦合模式是指卫星通信系统与5G 通信系统各自独立组网模式，利用中继和地面中心站进行网络融合，实现数据分发，或者卫星通信为5G 基站提供回传服务。紧耦合模式是卫星系统与地面5G 采用统一的空口接口设计，卫星与地面网络协同服务，统一管理，统一计费，终端采用融合设计，一台终端实现卫星与地面网络之间无缝切换[6]。

3 卫星通信与5G移动通信融合网络体系架构

卫星通信与5G 地面网络融合形成的体系架构就是卫星网与地面网两张网彼此配合共同组成天地（天基）一体化信息网络，能够为用户提供真正的无缝连接服务。卫星与5G 融合网络体系架构包括：接入网，骨干网，核心网。同时通过地面光纤与地面异构网络体系互联，如行业或政府企业专网、地面互联网、固定电话等，以此为天，空，海，陆等天基一体化范围内各类用户提供可靠安全的网络服务。其中核心网是卫星通信与5G 融合网络的核心，主要实现整个融合网络系统资源调度与管理控制功能。核心网利用SDN、NFV 实现控制面和数据面的分离、软件硬件解耦，从而实现卫星通信与5G 地面系统在网络层面的融合。

卫星与5G 融合的网络架构是基于5G 移动通信系统“三朵云”的网络架构[8]。卫星通信体制通过灵活的接入云融入网络。并将卫星信号与卫星协议转换成标准IP 数据传输给上层。转发云实现核心网的功能，通过SDN 技术，实现控制与转发分离，转发与业务分离。控制云则基于NFV 技术实现5G 网络特有的网络切片特征，将卫星业务网元虚拟化，并增加到网络切片中，动态的构建新的网络服务来支持卫星数据传输、音视频传输、宽带接入和基站回传等卫星通信场景。上述融合网络架构，利用SDN 和NFV 技术，实现卫星和地面网络资源统一协议与管理，通过控制信令和业务承载分离，解耦信令和通信制式，使得控制独立与不同的接入方式，实现卫星与地面5G 网络的深度融合。

4 卫星通信与5G融合网络的关键技术

因为卫星互联网星座采用IP 交换技术，卫星通信与5G 地面融合网络全IP 化是大势所趋，NFV/SDN 等技术在星地网络融合中将扮演重要角色。当前，Hughes、Gilat 等卫星通信服务商正在开展与5G 融合设计，开发与5G 虚拟网络功能（VNF）的高效接口，并实现完整的网络编排，网络切片，服务切片，QoS，加速和安全性，利用SDN /NFV，云，边缘计算和网络切片技术，将卫星地面部分集成到5G 生态系统中，实现5G 网络卫星传输，使得5G 与卫星通信在核心网络层面完美融合。

4.1 基于SDN/NFV的网络虚拟化技术

为了有效应对网络设备制造商、网络运营商面临的各种挑战，软件定义网络（SDN，SoftwareDefinedNetworingk）应运产生。根据ONF（OpenNetworkingFoundstion）的定义表面，SDN 是动态的、可管理的、高性价比的和实用性强的技术。该网络技术实现了二、三层网络的软件化，实现了网络的集中控制。它将网络控制与数据转发和基本的网络设施解耦分离，使得运营商对网络业务和应用服务是可编排控制的。

网络功能虚拟化（NFV，Network Function Virualization）是采用软件将网络虚拟化的技术，该技术实现了4-7 层网络的软件化，目的是为了把网络功能与专用的硬件分离，把网络功能中专用硬件实现和软件实现分离，在网络资源约束情况下，把多个VNF 和VNF 之间的虚拟链路部署到网络物理基础设施上，构成VNF 链，降低网络系统运维成本和功耗。

SDN(软件定义网络)与NFV(网络功能虚拟化)是一种新型的网络架构技术，利用数据分离、软件化、虚拟化概念，为5G移动通信网络提供技术支撑[7]。SDN 以通信系统的基础设施层(网络最底层)、中间层(控制层)、最上层(应用层)为主，涵盖网络资源调用内容，通过控制网络设备的应用平面，集中网络控制功能的设备仪器，具有简化全网管理程序的功效。NFV 是从网络运营商角度出发的网络体系，利用计算机信息技术平台来实现网络功能虚拟化，并与所对应的功能块相衔接，便于统一调用相关虚拟网络功能资源。在卫星与5G 融合网络应用中，整合SDN/NFV 技术方案，通过数据交换、分离、转发等业务流程，重新部署网络体系。5G网络架构发展要求基于SDN/NFV网络，集中应用在数据中心、云端、家用网路等领域，能够提升网络应用效率，从而为用户提供更加贴切的体验服务。

4.2 网络切片技术

分片技术是数据库访问优化引入。为了降低数据搜索耗时，提高网络对数据库的访问速度，将数据库进行水平划分，并将其存放在不同的服务器上，数据库的结构并没有发生变化，但其内容减小了。总而言之，就是将一个非一常庞大的数据库进行分片管理，每次查询或者运算等管理都只在特定的分片上进行，最后汇总结果，将一个复杂庞大的问题拆分成小问题来解决。分片技术可以提高网络的吞吐量性能。

一般来说，不同的服务使用对应数量的专用通信网络，每个专用通信网络适合于要实现的相应服务。替代使用多个专门设计的网络的方法，就是网络切片(network slicing)，该方法可以使用单个网络架构(如卫星网络)，基于该网络架构实现多个不同的服务。

网络切片是一种按需组网的方式，可以让运营商在统一的基础设施上分离出多个虚拟的端到端网络，每个网络切片从无线接入网承载网再到核心网上进行逻辑隔离，以适配各种各样类型的应用[9]。在5G 时代的应用场景多样化，移动带宽，大规模物联网，任务关键型互联网。需要满足移动性、安全性、时延性、可靠性等不同需求的应用场景。通过网络切片，将不同特性的网络服务分割成不同的网络切片[8]。从地面5G 网络来看，卫星通信应用的场景当作5G网络中的一个网络服务切片，构建卫星通信与5G 的深度融合网络架构。

4.3 边缘计算技术

移动边缘计算（MEC）是一种基于移动通信网络的全新的分布式计算方式，构建在RAN 侧的云服务环境，通过让一定的网络服务和网络功能脱离核心网络，实现成本节约，降低时延和往返时间，优化流量[10]。

利用把网络侧的功能和应用部署能力移动到就近用户设备的无线接入网边缘，MEC 为应用开发商和内容供应商提供云计算能力和IT 服务环境，能够灵活部署应用，连续编排网络，就近用户处理业务，更好地满足高回传带宽、低时延等应用需求。MEC 技术就是通过整合网络资源，统计网络的运行状态数据，集成计算、存储等多项技术，实现边缘智能服务。

在卫星网络中，我们会将网络资源按照波束划分。根据这个划分，我们可以按照波束区域进行数据资源的分割与汇总。将一个波束内的数据信息汇聚到一个逻辑节点上，重新分配相关数据，系统处理等，完成流量缓存，压缩，也可以进行多流合并，从而解决信息拥堵问题并对数据传输实验优化。

网络分片保证不同类型的业务有专有的网络资源；而边缘计算可以解决高回传带宽、低时延等应用需求。具备边缘计算能力的端到端的切片网络能为用户提供最佳的基于服务等级协议的QoS 保障。如何将这两种技术应用于卫星通信与5G 融合网络中还有更多实现等问题，还需要进一步讨论与研究。

5 结束语

卫星通信与5G 移动通信系统的融合，通过更加连续广泛的网络覆能力，将为用户提供更加广阔的互联网、音视频、数据业务、物联网等应用范围,提供空天地一体化的综合通信服务保障。本文对卫星通信与5G 融合的发展趋势、融合层面与内容方式进行了分析，探讨了融合网络的体系架构以及融合网络部署的关键技术，为卫星通信地面系统和5G 系统融合实现,以及天地一体化信息网络的建设提供一定参考意义。