面向5G-Advanced和6G的星基移动通信网络标准技术研究

面向5G-Advanced和6G的星基移动通信网络

标准技术研究

徐珉^1,2

（1.北京联想软件有限公司，北京 100094；

2.联想研究院，北京 100094）

【摘  要】面向5G-Advanced和6G的天地一体化组网需求，移动通信标准组织开展了星基移动通信网络的架构和协议研究，呈现出支持任意网络功能实体上星的技术趋势。归纳了3GPP和ITU的标准演进路线，基于该路线提出了面向5G-Advanced星载基站架构的接口协议、移动性管理和存储转发技术，以及面向6G星载核心网的卫星信息管理功能及服务流程。所提方案分别为未来移动通信中的星载接入网和星载核心网提供了具有3GPP标准前景的架构、协议和流程参考，加速星基以及天地一体化移动通信网络的标准化和产业化。

【关键词】星基移动通信网络；5G-Advanced；6G；标准技术；3GPP

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20240722-0002

中图分类号：TN929.5          文献标志码：A

文章编号：1006-1010(2024)09-0031-09

引用格式：徐珉. 面向5G-Advanced和6G的星基移动通信网络标准技术研究[J]. 移动通信, 2024,48(9): 31-39.

XU Min. Standardization of Satellite-Based Mobile Communication Networks for 5G-Advanced and 6G [J]. Mobile Communications, 2024,48(9): 31-39.

0   引言

随着移动通信服务需求的不断增长和通信技术的不断发展，泛在覆盖、万物互联已经逐渐成为5G演进网络（5G-Advanced，IMT-2020-Advanced）乃至未来6G网络（IMT-2030）所需具备的基本能力^[1]。为此，天地一体化网络被认为是5G演进网络和6G网络的主要特征之一^[2]，即通过高中低轨卫星和地面节点的有机组合，从网络架构、标准协议、业务和终端等多个方面实现星基网络和地基网络的深度融合^[3]，满足立体空间的全域泛在覆盖需求，以实现用户随时随地按需接入。以3GPP为例，5G演进网络已经开始研究地基移动通信网络对部分星载节点的适配^[4]，包括星载天线单元的Release-17/18 NTN transparent架构^[5]和星载基站的Release-19 NTN regenerative架构^[6]；而面向6G网络空天地一体化的应用场景和需求，ITU-T业已开展针对星基移动通信网络与地基移动通信网络深度融合的前瞻性研究^[7]，包括卫星搭载部分核心网节点乃至星座实现核心网组网的网络架构^[8]和移动性需求^[9]等。

当前，3GPP的无线接入网（RAN, Radio Access Networks）工作组正在研究的Release-19版本（即5G-Advanced第二个版本）将以基站上星为前提，进一步针对NTN进行增强，包括regenerative架构的基站间协议支持^[10]和针对物联网的存储转发（S&F, Store and Forward）支持^[11]等；而服务与系统（SA, Service and System Aspects）工作组以及核心网与终端（CT, Core Network and Terminals）工作组则在其前期卫星回传（Satellite Backhaul）^[12]和用户面功能（UPF, User Plane Function）上星^[13]的工作基础上，进一步增强对regenerative架构和存储转发业务的支持^[14]。基于上述现状，本文首先分析总结3GPP在Release-19版本之前针对天地一体化星基移动通信网络的标准演进（第1节），进而面向5G-Advanced的星载基站架构提出Release-19标准化技术方案（第2节），以及设计面向6G星载核心网的网络功能和技术（第3节），最后面向未来6G中的天地一体化网络演进进行展望。

1   天地一体化星基移动通信网络的标准演进

以卫星为代表的星基移动通信网络具有天然的部署高度和覆盖范围优势，能够有效弥补传统4G/5G地面网络的不足。为利用这一优势，3GPP和ITU-T分别开展天地一体化星基移动通信网络的标准技术路线研究，前者旨在通过增强5G等地面移动通信接口协议来支持星上天线和星上基站等星基无线接入网节点，后者则注重于定义宏观的天地一体化融合需求、星载核心网和接入网融合架构以及潜在技术方向。以3GPP和ITU-T的研究方向为例，天地一体化星基移动通信网络的标准演进如图1所示，5G演进和6G网络中的星载节点负载将更加多样化（从3GPP的星载天线、星载基站、星载UPF到ITU-T的星载核心网功能实体），实现任意网络实体上星（any 6G entity on satellite），并向着大规模星基组网演进，实现ITU-T部分乃至全部6G网络上星（any 6G network on satellite）的愿景。

1.1  3GPP星基移动通信网络标准技术

3GPP于5G标准制定初期（即Release-15）在RAN工作组启动了针对星载接入网的预研，即非地面网络（NTN, Non-terrestrial Network），并分别在2022年的Release-17和2024年的Release-18版本中实现了NTN基本特性和部分功能增强^[5]。值得注意的是，出于卫星负载能力和NTN研究场景简化的考虑，上述两个已完成的标准版本均假设为transparent架构，即卫星仅搭载天线射频单元，作为用户设备（UE, User Equipment）与gNB/eNB之间的节点对信号进行简单转发。在此架构下，gNB/eNB之间的交互以及gNB/eNB与核心网之间的交互与地面网络无异，因此研究重点在于空口协议的增强，包括上行同步和定时提前（TA,  Timing Advance）预补偿，基于距离和时间的移动性管理、星历信息的获取和使用等。

在Release-19，由于卫星负载能力的提升和卫星组网的需求，NTN开始突破transparent架构的限制，进一步研究regenerative架构^[6]，即卫星搭载全部或部分gNB/eNB单元，作为RAN的重要组成部分以及UE与核心网之间的枢纽。在此架构下，一方面由于gNB/eNB间接口（如Xn/X2）及gNB/eNB与核心网之间的接口（NG/S1）承载于星间链路（ISL, Inter-Satellite Link）或星地链路（feeder link）之上，卫星的轨道、运动、互通性等特性会对网络内信令交互和网络性能产生特殊的影响^[15]；另一方面，存储转发等业务模式也得以通过星基移动通信网络得到广泛支持，因此研究重点在于网元间协议的增强和空口协议的相应适配，包括卫星链路信息交互，存储转发业务的信令支持等^[16]。

对于核心网侧，SA和CT工作组从Release-16开始相继开展了卫星相关场景和用例的研究，并分别在Release-17和Release-18版本中实现了卫星接入（即核心网层面的NTN）和卫星回传的核心网流程与协议增强，前者包括卫星接入类型（LEO/MEO/GEO/其他）指示和相应的移动性限制策略，以及对非连续卫星覆盖场景支持等，后者则包括卫星回传类型指示，以及基于GEO回传对边缘计算场景和UE to UE通信场景的支持等。

1.2  ITU-T星基移动通信网络架构

ITU-T在2017至2020研究周期（Study Period 2017-2020）末以固定和移动通信网络融合（FMC, Fixed and Mobile Convergence）相关研究成果为蓝本，开始探讨面向固定、移动和卫星通信网络融合（FMSC, Fixed, Mobile and Satellite Convergence）的IMT-2020及其演进网络的需求和框架，并在2022至2024研究周期（Study Period 2022-2024）面向FMSC开展多项IMT-2020及其演进网络的标准化研究，以期构建包括需求、架构及关键功能的5G星地融合标准体系。在其发布的《Y.3201：固定、移动和卫星通信网络融合的IMT-2020及其演进网络框架》（Y.3201: FMSC-Framework for IMT-2020 networks and beyond）建议书^[9]中，提出了星基融合网络的架构，包括必要的（NACF、SMF、USM、UPF）和可选的（PCF、CEF、NFR、NSSF、ASF、AF）核心网功能上星支持，并探讨了核心网功能上星的轻量化定制和集成选项。

2   面向5G-Advanced的NTN星载基站架构与技术研究

为支持和充分利用NTN星载基站（regenerative）架构，3GPP在Release-19明确了以下相关研究方向：

（1）NR NTN和IoT NTN对于regenerative负载的协议支持，以及移动性相关的必要增强；

（2）IoT NTN存储转发业务的信令和协议支持，用于承载非时延敏感业务。

本节将分别从上述两个研究方向提出标准化技术方案，具体地，针对NTN regenerative负载，提出gNB间接口卫星链路信息交互方案及相应的移动性流程增强方案；针对NTN regenerative架构下的存储转发业务，提出存储转发模式的能力、需求交互和发起信令流程。

2.1  NTN regenerative架构接口协议和移动性增强

对于5G网络，UE在源gNB和目标gNB之间的切换依赖于两者之间通过Xn接口的信令交换，以及AMF实体与源gNB和目标gNB之间通过NG接口的信令交换。在Release-17和Release-18 NTN的transparent架构中，源gNB和目标gNB均在地面，因此gNB之间以及gNB与核心网之间的信令流程与地面网络并无二致。但是，在Release-19 NTN的regenerative架构中，若源gNB或目标gNB搭载于卫星之上，则两者之间的可达性必然会受到卫星链路变动的影响，如图2所示。

（1）星间链路（ISL）的存续受卫星能力、位置、运动以及卫星之间距离的限制，相应地，ISL的变化将影响承载其上的Xn接口的存续；

（2）星地链路（feeder link）的存续受卫星能力、位置、运动以及卫星与地面节点之间距离的限制，相应地，feeder link的变化将影响承载其上的NG或Xn接口的存续。

参考5G NR的切换过程和失败处理机制^[14]，以下信令流程将受到Xn接口或NG接口变化的影响：

（1）Xn接口流程：切换准备（HO PREPARATION）、序列号状态转移（SN STATUS TRANSFER）、UE上下文释放（UE CONTEXT RELEASE），以及条件切换（CHO, Conditional Handover）和双激活协议栈切换（DAPS, Dual Active Protocol Stack）的早期状态转移（EARLY STATUS TRANSFER）和切换成功指示（HANDOVER SUCCESS）；

（2）NG接口流程：路径切换（PATH SWITCH）请求和响应；

（3）Uu接口流程：在失败恢复阶段，由于UE上下文取回（RETRIEVE UE CONTEXT）无法完成导致的RRC重建请求失败。

因此在NTN regenerative架构下，源gNB和目标gNB之间，以及gNB与AMF之间关于星间链路和星地链路存续信息的交互对于保障切换过程的顺利完成极为重要，同时还可以为切换失败后的UE重建流程提供优化空间。相应地，该信息可以包括：星间链路或星地链路的存续时长、变化时刻和链路时延等，或是由卫星链路变化推导出的Xn接口或NG接口的存续时长、变化时刻和变化原因等。

如图3所示，卫星链路的相关信息可以由源gNB、目标gNB或者AMF实体中的任意一方推导或计算得出并向另外两方提供，且在此之前另外两方可以提供辅助信息（例如gNB关联的卫星ID、星历和链路需求等）来帮助进行信息的推导或计算。该信息交互可在切换执行之前通过相应的Xn接口通用流程（Xn Setup、NG-RAN node Configuration Update、Xn Removal和Failure Indication）或NG接口管理流程（NG Setup、RAN Configuration Update和Failure Indication）完成，或是在切换过程中作为切换准备（Handover Preparation）或切换取消（Handover Cancel）信息交互流程的一部分来完成。

基于上述信息交互，源gNB和目标gNB能够获知相应的Xn接口或NG接口的变化时刻，从而对切换过程中可能受影响的流程进行优化，包括：

（1）切换准备（HO PREPARATION）：基于Xn或NG接口存续时长或变化时刻设置计时器，若计时器超时，源gNB认为切换准备失败或触发切换取消流程。

（2）序列号状态转移（SN STATUS TRANSFER）和早期状态转移（EARLY STATUS TRANSFER）：在现有流程之前，源gNB可以提前指示Xn接口或NG接口变化时刻的预期或者最小计数值（COUNT），并可以携带相应的时间戳（time stamp）。

（3）切换取消（HANDOVER CANCEL）或条件切换取消（CONDITIONALHANDOVER CANCEL）：源gNB在作出相应判断后可以在Xn接口或NG接口变化时刻前触发该流程。

（4）切换成功（HANDOVER SUCCESS）：如果源gNB在Xn接口或NG接口变化时刻后仍未收到切换成功指示，则源gNB可以选择释放用于UE重建连接的资源。

（5）UE上下文释放（UE CONTEXT RELEASE）：如果源gNB在Xn接口或NG接口变化时刻后仍未收到UE上下文释放指示，则源gNB可以选择释放UE的上下文。

（6）路径切换（PATH SWITCH）：源gNB可以提前指示路径切换并可以携带相应的时间戳（time stamp）。

（7）UE上下文取回（RETRIEVE UE CONTEXT）：该流程可在Xn接口或NG接口变化时刻前被提前触发。

（8）UE连接重建：UE基于Xn或NG接口存续时长或变化时刻设置计时器，若计时器超时，UE可以选择取消或跳过RRC连接重建流程（例如UE上下文已无法取回）。

2.2  NTN regenerative架构存储转发业务的信令支持

在NTN regenerative架构的通用场景下，星载gNB/eNB与UE之间的星地链路（即服务链路，service link）以及与核心网之间的星地链路（即反馈链路，feeder link）同时存在，此时UE的上行数据可以通过星载gNB/eNB及时发送至核心网，反之来自网络的下行数据亦然。但是在一些特殊场景（例如海洋、沙漠）或卫星部署环境（例如卫星能力受限、星座规模受限）中，服务链路和反馈链路并不能保证同时存在，即当服务链路存在时，UE的上行数据仅能发送至星载gNB/eNB，而当反馈链路存在时，星载gNB/eNB才能够将UE的上行数据发送至核心网，反之来自网络的下行数据亦然。为了在此类特殊场景中实现对非时延敏感业务的支持，3GPP SA工作组引入了存储转发（S&F, Store and Forward）的业务模式并开展相应研究^[17]，如图4所示。

在NTN regenerative架构的支持下，单个卫星存储转发业务可以包括以下步骤：

（1）T1时刻：搭载eNB#1的卫星与UE之间存在星地链路，与核心网之间无链路。UE可以发送上行用户数据至星载eNB#1暂存。

（2）T2时刻：搭载eNB#1的卫星与核心网之间存在星地链路，与UE之间无链路。星载eNB#1将暂存的UE上行数据转发至网络侧，网络侧可以发送下行数据至星载eNB#1暂存。

（3）T3时刻：搭载eNB#1的卫星返回，与UE之间重新建立服务链路，与核心网之间无链路。UE可以发送上行用户数据至星载eNB#1暂存。星载eNB#1将暂存的网络侧下行数据转发至UE。

需要注意的是，根据3GPP SA工作组的讨论，存储转发业务还可以由多个卫星实现（例如通过星间链路实现卫星eNB#1至卫星eNB#2的数据转发），其步骤与单个卫星类似。此外，存储转发模式还支持全部（full MME）或部分（split MME）核心网功能上星。

以3GPP SA2的研究^[18]为参考，如图5所示，本节在Uu空口和UE侧设计如下标准方案以支持存储转发业务模式：

（1）S&F能力或模式指示：eNB应能够为UE指示是否支持存储转发业务，或是否处于存储转发工作模式。该指示可以是显式的或者隐式的（例如小区限制cell barring）指示，可以根据服务粒度需要与小区标识（per cell）、卫星星历（per satellite）、TAC（per tracking area）等关联。

（2）S&F可达性信息：eNB可以为UE提供其支持的存储转发业务的覆盖范围、转发时延、QoS参数、数据包大小限制、转发方式（单播、多播、广播）、送达状态（成功或失败）反馈功能等信息。

（3）S&F请求信息：与能力指示和可达性信息对应，UE可以向eNB指示其是否具备支持存储转发业务的能力，以及提供其请求的存储转发业务和相应的覆盖范围、转发时延、QoS参数、数据包大小限制、转发方式、是否需要送达状态反馈等需求。

（4）S&F的UE接入层（AS）/非接入层（NAS）功能划分：明确AS和NAS各自在存储转发业务发起和执行过程中的功能，特别是MO（Mobile Originated）业务，例如由UE NAS判断业务是否发起，而UE AS负责向NAS提供从eNB获得的相关信息来辅助NAS进行发起决策。

与上述方案对应，存储转发业务的发起可以取决于以下一个或多个条件是否满足：

（1）当前小区、卫星、区域（例如tracking area）支持存储转发业务，或工作于存储转发工作模式；可选地，UE具备支持存储转发业务的相应能力（UE capability）。

（2）目标网络实体、数据网或UE处于支持存储转发业务或工作于存储转发模式的eNB可达的覆盖范围。

（3）支持存储转发业务或工作于存储转发模式的eNB可提供的转发时延满足相应业务的送达时延要求。

（4）支持存储转发业务或工作于存储转发模式的eNB可提供的QoS保障满足相应业务的QoS参数要求。

（5）存储转发业务的数据包不大于持存储转发业务或工作于存储转发模式的eNB配置的数据包大小限制。

（6）支持存储转发业务或工作于存储转发模式的eNB可提供的转发方式（单播、多播、广播）满足相应业务的转发方式要求。

（7）支持存储转发业务或工作于存储转发模式的eNB可支持的送达状态反馈功能满足相应业务的送达状态反馈要求。

（8）UE发起存储转发业务请求后，收到eNB确定支持该业务的响应。

（9）UE发起存储转发业务后，收到eNB转发失败的响应。

3   面向6G星载核心网的卫星信息管理技术研究

当前，3GPP SA和CT工作组在部分场景中实现了个别网络功能实体上星支持，以卫星回传为例，该研究项支持由同步轨道（GEO）卫星搭载用户面功能（UPF）实体并通过GEO卫星回传用户数据，从而支持以下业务场景：

（1）通过一个或多个GEO卫星搭载的边缘计算UPF实现星上边缘计算服务，在该场景下，AMF可以发送卫星回传类型指示给PCF用于路由策略，或者发送GEO卫星标识给SMF用于选择星载UPF。

（2）通过一个或多个GEO卫星搭载的UPF本地路由策略，部分业务数据可以在不经过地面网关的情况下实现UE to UE通信，在该场景下，AMF可以发送卫星回传类型指示、卫星回传类型变化和GEO卫星标识给SMF用于确定多个UE是否处于同一个GEO卫星或者多个相连的GEO卫星服务下，并确定相应的用户数据路由。

可以看出，目前3GPP对于星载核心网的研究局限于GEO卫星搭载UPF的场景，且相应的协议优化（包括信息交互）具有较强的针对性，即逐个规定由一个具体功能实体（如AMF）到另一个具体功能实体（如SMF或PCF）传递特定的信息（如卫星回传类型指示、GEO卫星标识），这种点对点的标准化是由当前的卫星适用场景和卫星载荷限制所决定的。但是，未来5G演进和6G网络具有越来越多的核心网功能上星选项以及相应的卫星信息交互需求，以ITU-T Recommendation Y.3201为例，未来星载核心网至少应支持NACF、SMF、USM和UPF等功能实体，还可以额外支持PCF、CEF、NFR、NSSF、AUSF和AF（应用功能）等功能实体，并且支持轻量化定制和多功能集成（例如PCF、CEF、AUSF和AF可以集成到USM，以及NFR、NSSF可以集成到NACF）。在这一演进愿景下，任一星载核心网功能实体，以及与其相连的其他功能实体，都有可能需要获取和更新其所在卫星的相关信息，此时点对点的标准化方式将导致信令结构和开销复杂冗余，以及多来源卫星信息难以同步等问题。因此，有别于5G核心网演进中的点对点“打补丁”模式，需要设计一种集中式的卫星信息管理机制来应对6G星载核心网中可能需要大量存储、交互和实时更新的卫星信息。

3.1  6G星载核心网卫星信息管理功能的引进

5G核心网采用了基于服务的架构（SBA, Service Based Architecture）^[19-20]，使其具备灵活的协议定义（基于服务定义而非实体）且便于进行相应的功能扩展（总线式结构），预计6G核心网将延续这一设计理念。因此，本节以SBA架构为基础，提出新的卫星信息管理功能（SIMF, Satellite Information Management Function），定义相应的基本功能和接口。

对于地基核心网，由于各功能实体部署位置较为固定且通过有线连接，其网络拓扑和实体间接口状态通常十分稳定。在6G星载核心网中，搭载功能实体的卫星的位置、运动、收发能力、载荷等诸多因素会导致星间链路和星地链路的改变，进而引起网络拓扑和实体间接口状态变化，因此6G星载核心网中的卫星信息管理功能（SIMF）应主要服务于该类卫星信息的集中式交互，以实现各网络功能实体对相关网络拓扑和实体间接口状态变化的感知、预测和防范等。因此，本节对SIMF的功能定义如下：

（1）卫星信息的收集（collection）、存储（storage）和取回（retrieval）；

（2）卫星信息的分析（analysis）、计算（calculation/derivation）和预测（estimation）；

（3）向其他网络功能（NF）及其实体提供（provisioning）卫星信息；

（4）向其他应用功能（AF）及其实体开放（exposure）卫星信息。

其中所涉及的卫星应搭载一个或多个网络功能实体，包括核心网功能实体（例如AMF、SMF、UPF等）、接入网功能实体（gNB、gNB CU、gNB DU、天线单元等）、应用功能实体等。相应的卫星信息包括：

（1）卫星属性和能力信息：包括卫星标识、星历，收发功率和灵敏度、覆盖范围和时长，载荷能力和搭载的网络功能实体（包括完整的/集成的/简化的/轻量化的功能实体）等；

（2）卫星链路信息：包括星间链路和星地链路的可用性、存续时长、变化时间，前传和回传类型，网络功能及其实体的可达性等；

（3）SIMF能力或事件开放信息：包括具备何种卫星信息的收集、存储、取回、分析、计算、预测、提供等能力，由于卫星导致的服务可用性或网络拓扑变化事件等。

图6所示为SBA架构下引入卫星信息管理功能的一种实现方式，其中SIMF应至少支持与其他核心网功能实体之间的接口（例如Nsimf），还可以根据信息交互需求支持与UPF（例如Nx接口）、与接入网节点（例如Ny接口）以及与UE（例如Nz接口）之间的接口。

3.2  6G星载核心网卫星信息管理的服务和流程设计

在3.1节定义的SIMF功能和接口基础上，SBA架构下的SIMF可支持的服务如表1所示。

上述服务可以适用于所有5G演进和6G网络中可能包含的网络功能实体，其中NF procedure相关的实体搭载于卫星上，而NF consumer和AF可以搭载于卫星上或是部署在地面上。例如AMF、SMF、NCF、NSSF等可以获取星载基站和星载网络功能实体的星历、星地链路和星间链路等卫星信息用于移动性管理、用户会话管理、卫星路由策略、星基网络切片选择等，而LMF可以获取定位过程中涉及的星载基站星历用于定位结果计算等。

以上述服务为基准，SIMF相关的信令流程如图7所示，包括卫星信息收集流程（创建、更新、删除或释放、收集请求和响应）、提供流程（创建、更新、删除或释放、提供请求和响应）、管理流程（订阅、取消订阅、授权、取消授权、请求订阅、请求取消订阅）和事件开放流程（事件通知、请求事件开放和事件响应）等。

4   结束语

面向5G-Advanced和6G的天地一体化组网需求，本文归纳梳理了3GPP和ITU的标准演进路线，得出从接入网到核心网上星、从部分功能到全部功能上星的技术趋势。基于该判断，本文提出了面向5G-Advanced星载基站架构的接口协议和移动性管理增强方案，以及支持存储转发业务的信令流程，并且设计了面向6G星载核心网的卫星信息管理功能及服务流程，为未来移动通信中的星载接入网和星载核心网提供了具有3GPP标准前景的架构、协议和流程参考技术。本文所提标准技术主要面向3GPP和ITU-T已公开的部分标准演进方向，未来可以结合5G演进乃至6G天地一体化网络的新场景、新需求或新架构进一步拓展或优化，包括但不限于面向工业互联网和应急救援等应用场景，XR（AR/VR）和移动算力网络等业务，以及数据面和管理面等新架构层面的研究和标准化。