引言

随着5G网络的不断发展和扩展，卫星通信作为非地面网络（NTN）的重要组成部分，提供了覆盖全球的通信能力，尤其是在地面网络难以到达的偏远地区。5G系统通过引入卫星回程，进一步提升了其全球覆盖和连接能力。本文将深入探讨5G系统中卫星回程的关键技术——尤其是动态卫星回程（Dynamic Satellite Backhaul）和边缘计算的实现与挑战，并结合当前的3GPP标准和技术规范，展示5G系统如何有效利用卫星资源来增强其服务能力。

项目摘要

根据提供的摘要，工作项“支持卫星回传的 5G 系统”规定了 5G 系统增强功能，以便支持动态卫星回传和 GEO 卫星上的 UPF。

5G 系统 (5GS) 中对动态卫星回传的支持需求由 SA1 在 TS 22.261中指定，该需求是指由于使用各种星间链路作为回传的一部分等原因，卫星回传的容量和/或延迟会随时间而变化。

针对支持 5GS 中的动态卫星回传和 GEO 卫星上的 UPF，开展了专项研究 (FS_5GSATB)。研究成果见 TR 23.700-27，研究结论支持工作项 (5GSATB)，该工作项通过更新规范 TS 23.501、TS 23.502和 TS 23.503 来标准化一些已确定的解决方案。

CT3 和 CT4 还更新了规范 TS 29.512、TS 29.514、TS 29.518、TS 29.525、TS 29.508、TS 29.523、TS 29.502和 TS 29.571以实施 SA2 确定的解决方案。

项目贡献

一、动态卫星回程（Dynamic Satellite Backhaul）

1. 动态卫星回程的概念

动态卫星回程指的是卫星回程链路（如GEO、MEO、LEO等）在时间和空间上可能发生变化的能力。这种变化可能来自于卫星链路的延迟和带宽的波动，或由于不同类型的卫星回程路径的动态切换。随着卫星技术的发展，动态卫星回程在应对不连续覆盖、优化网络资源和提升用户体验方面发挥着重要作用。

在3GPP的TS 22.261中，明确了动态卫星回程的要求，这些要求包括卫星回程链路能力（如延迟和带宽）随时间变化的支持，以及在不同卫星链路之间切换时的系统响应。

2. 动态卫星回程类别

根据卫星轨道的不同，3GPP定义了几种主要的动态卫星回程类别：

• DYNAMIC_GEO：动态地球同步轨道卫星，具有固定的相对地面位置，但可能在不同的时间段内具备不同的链路性能。

• DYNAMIC_MEO：动态中地球轨道卫星，位于距离地球约2,000至36,000公里之间，回程链路的性能随卫星轨道位置的变化而波动。

• DYNAMIC_LEO：动态低地球轨道卫星，距离地球较近（约160至2,000公里），回程链路的性能受卫星高速移动的影响较大。

• DYNAMIC_OTHERSAT：其他类型的动态卫星回程，适用于一些特殊类型的卫星或多轨道组合的卫星系统。

二、动态卫星回程在5G系统中的实现

1. 网络架构增强

为了支持动态卫星回程，5G系统的网络架构需要进行多方面的增强。根据3GPP的TS 23.501和TS 23.502，主要的增强包括：

• 会话管理和策略控制增强：在使用卫星作为回程时，核心网中的会话管理功能（SMF）和策略控制功能（PCF）必须能够根据当前的回程链路条件（如延迟和带宽）动态调整服务质量（QoS）和资源分配。

• 回程链路监控和切换管理：AMF（接入和移动性管理功能）需要实时监控回程链路的类别和性能，并在必要时通知SMF进行相应的调整。例如，当回程链路从DYNAMIC_LEO切换到DYNAMIC_GEO时，系统需要调整相应的QoS参数和资源分配策略。

2. 边缘计算与本地交换

动态卫星回程可能带来较长的信号传输延迟和有限的带宽，为了缓解这种影响，5G系统可以在GEO卫星上部署用户平面功能（UPF），实现边缘计算和本地交换。这种方式不仅减少了对地面网关的依赖，还能够显著提升用户的应用体验和网络效率。

• 边缘计算：用户设备（UE）可以通过在GEO卫星上部署的PSA UPF或UL CL/BP来访问卫星边缘计算服务。这需要核心网的SMF根据GEO卫星的ID和其他因素选择合适的UPF进行会话管理。

• 本地交换：为了在UE之间进行本地通信（UE-to-UE communication），系统可以通过GEO卫星上的UPF进行本地交换，避免数据流回到地面网关。这种本地交换方式尤其适用于低延迟的通信场景，如实时数据同步和近距离设备交互。

三、管理和计费的支持

为了支持动态卫星回程和卫星边缘计算，5G系统在管理和计费方面也需要进行相应的增强。3GPP的TS 28.541和TS 28.552详细描述了这些增强的具体内容。

1. 动态卫星回程的管理

系统需要能够识别和管理不同的卫星回程类别，并在网络管理层面提供相应的支持：

• 回程类别指示：在网络节点（如AMF和SMF）中，引入新的属性来指定与全球RAN节点ID相关联的卫星回程类别。

• QoS控制：在考虑动态卫星回程的情况下，增加对QoS监控的支持，使其能够更具体地适用于动态回程的特性，并增强其整体适应性。

2. 计费支持

随着卫星接入的多样化和复杂化，5G系统需要更新其计费架构，以支持卫星回程和卫星边缘计算的计费需求。这包括：

• 数据连接计费：通过卫星回程的数据连接需要专门的计费方案，确保能够准确地反映不同卫星回程条件下的使用情况。

• 连接和移动性计费：随着卫星回程链路的变化，系统需要能够实时跟踪和计费用户的连接状态和移动性行为。

四、未来展望

随着5G网络的不断扩展和技术的进步，卫星通信将在全球连接中发挥越来越重要的作用。动态卫星回程和边缘计算的结合，将为用户提供更高效、更灵活的服务。然而，这也对网络的管理和优化提出了更高的要求。

未来，随着更多卫星系统的部署和新的技术方案的引入（如人工智能驱动的网络优化），我们有理由相信，5G系统将能够更好地应对动态回程带来的挑战，提供更优质的通信服务。

参考文献

1. 3GPP TS 23.501: "5G系统的系统架构；第二阶段"
   

2. 3GPP TS 23.502: "5G系统的程序；第二阶段"
   

3. 3GPP TS 23.503: "5G系统的策略和计费控制框架；第二阶段"
   

4. 3GPP TR 23.700-27: "5G系统的卫星回程研究"
   

5. 3GPP TS 28.541: "管理和编排；5G网络资源模型（NRM）；第二阶段和第三阶段"
   

6. 3GPP TS 28.552: "管理和编排；5G性能测量"
   

通过深入理解和掌握这些技术，我们可以更好地推动5G系统的发展，满足未来通信网络的多样化需求。