CN114040517A - 一种与5g兼容的低轨卫星互联网网络架构 - Google Patents

一种与5g兼容的低轨卫星互联网网络架构 Download PDF

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骆盼
张志丽
林增明
谢立坤
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任计林
吴泽华
田瀚
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Abstract

本发明公开了一种与5G兼容的低轨卫星互联网网络架构，属于卫星移动通信技术领域。该架构提出了接入网‑承载网‑核心网的网络架构划分方法，明确了每个子网的功能内涵以及网络接口，同时实现了与地面5G蜂窝移动通信系统的兼容。本发明可应用于低轨卫星移动通信系统的系统设计和工程建设。

Description

一种与5G兼容的低轨卫星互联网网络架构
技术领域
本发明涉及一种与5G兼容的低轨卫星互联网网络架构，属于低轨卫星移动通信技术领域。
背景技术
在传统卫星通信技术领域，卫星通信主要以军事应用为主，其系统网络架构有其独特的特点和应用方式，与地面蜂窝移动通信系统的网络架构不同。卫星移动通信技术发展以来，国外卫星移动通信系统的网络架构在一定程度上参考了地面蜂窝移动通信系统，例如海事卫星、舒拉亚系统、铱星系统、全球星系统等卫星移动通信系统。国内卫星移动通信系统为天通系统，在民口天通应用系统设计过程中，其网络架构参考了国际3GPP标准组织发布的地面蜂窝移动通信系统R6版本相关标准，为3G标准。低轨卫星互联网系统目前在全球范围内发展迅速，国外低轨系统主要以Starlink和OneWeb两个系统为代表，其网络架构均是卫星宽带传输的网络架构，与地面蜂窝5G系统的网络架构不同。国内低轨卫星互联网系统也在紧锣密鼓的论证和设计中，网络架构设计是其中重要且关键的设计内容，关系到后续卫星互联网的业务发展和产业生态。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种与5G兼容的低轨卫星互联网网络架构，能够同时满足不同使用需求的用户并发应用。
本发明采用的技术方案为：
一种与5G兼容的低轨卫星互联网网络架构，包括通信网络系统、运行控制系统、运营服务系统和业务应用系统等若干系统。通信网络系统包括用户终端、接入网、天基承载网、地基承载网、核心网和全球网管；
接入网用于接收用户终端的入网请求，为用户终端分配空口资源，并接收用户终端的控制信息和业务数据，同时产生设备状态参数，发送给天基承载网；还用于接收天基承载网发送的控制信息和业务数据，转发给用户终端，同时接收天基承载网发送的设备配置参数进行本地设备配置；
天基承载网用于接收接入网的终端侧控制信息和业务数据以及接入网的设备状态参数，通过星间链路传输至落地点卫星，落地点卫星将接收到的信息、数据和参数通过馈电链路发送给地基承载网；还用于接收地基承载网通过馈电链路传输的控制信息、业务数据和设备配置参数，并通过星间链路进行交换和路由至目的卫星的接入网；
地基承载网用于接收到天基承载网的控制信息和业务数据后发送给核心网，接收到核心网的控制信息和业务数据后发送给天基承载网，同时，地基承载网接收到天基承载网和核心网的设备状态参数后发送给全球网管，并接收全球网管的设备配置参数分发给核心网和天基承载网；
核心网用于接收地基承载网的设备配置参数和控制信息后进行本地配置，并响应配置结果；接收地基承载网的业务数据后根据路由配置发送至目的网络，目的网络包括业务应用系统、用户专网、PSTN网络、PLMN网络和因特网；同时，核心网产生话单发送给运营服务系统，产生控制信息和设备状态参数发送给地基承载网；
全球网管用于接收运行控制系统的控制命令，根据站网分布情况和设备配置情况生成设备配置参数，发送给地基承载网；同时全球网管从地基承载网接收设备状态信息，将卫星设备状态参数发送给运行控制系统，将地面设备状态参数发送给运营服务系统；
运行控制系统用于根据系统规划，发送控制命令到全球网管，同时接收全球网管的卫星设备状态参数用于系统优化；其中，控制命令包括星座星历和系统规划；
运营服务系统用于接收全球网管的地面设备状态参数，并进行信息存储、分析和展示，同时，从核心网收集话单信息，并进行计费处理和话单查询操作；
业务应用系统用于接收核心网的原始业务数据，根据用户需求，经过不同的应用程序处理，将处理后的应用数据发送给因特网，同时，从因特网接收应用数据后经过处理，发送业务数据到核心网。
其中，通信网络系统中接入网和天基承载网部署于低轨卫星上，通信网络系统中用户终端、核心网、地基承载网和全球网管部署于地面，运行控制系统、运营服务系统和业务应用系统均部署于地面。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明能够适应基站上天的应用需求，同时与地面5G蜂窝移动通信网络架构兼容，共享地面成熟的网络技术。
附图说明
图1是本发明实施例中系统架构设计图。
图2是本发明实施例中功能组成设计图。
图3是本发明实施例中接口关系设计图。
图4是本发明实施例中系统管控设计图。
图5是本发明实施例中工作流程设计图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
1、系统架构
如图1所示，在网络架构层面，系统划分为通信网络系统、运行控制系统、运营服务系统和业务应用系统四个系统。通信网络系统包括接入网、天基承载网、地面承载网、核心网、全球网管等几个部分，还包括用户终端，整个低轨互联网系统通过通信网络系统与其他网络实现互联互通。
用户终端通过用户链路连接至接入网，接入网通过承载网络(天基承载网、地基承载网)与核心网连接，全球网管通过地基承载网连接至其他子网，从而进行通信网络管理。
2、功能组成
系统功能界面划分如图2所示。通信网络系统分为无线接入处理、承载处理、核心交换、全球网络管理四个功能单元。无线接入处理分为无线信号收发与处理、接入网空口协议处理、用户资源分配与管理、跳波束控制四个功能模块，承载处理分为星间承载处理、馈电承载处理、地面承载处理三个功能模块，核心交换分为用户信息管理、用户移动性管理、用户认证与鉴权、数据交换与路由、互联互通五个功能模块，全球网络管理分为无线资源管理、馈电切换管理、星地路由管理、网元使能管理四个功能模块。运行控制分为测控管理、星座管理、在轨测试三个功能模块。运营服务分为运营支撑和业务支撑两个功能模块。业务应用分为能力平台、自营应用和第三方应用三个部分。
3、接口关系
低轨卫星互联网接口关系如图3所示，主要分为外部接口和内部接口。外部接口包括卫星互联网与PSTN/PLMN、因特网、用户专网之间的接口，内部接口主要是用户终端与接入网之间的接口、接入网与天基承载网之间的接口、天基承载网与地基承载网之间的接口、地基承载网与全球网管之间的接口、地基承载网与核心网之间的接口、核心网与业务应用系统之间的接口、核心网与运营服务系统的接口、全球网管与运营服务系统的接口、全球网管与运行控制系统之间的接口。为了便于标记，每个接口都定义了一个名称，但是该名称不作为区分专利权力要求的依据。
(1)外部接口
外部接口B：该接口为卫星互联网核心网与因特网之间的接口，接口形式为有线，传输分组数据。
外部接口C：该接口为卫星互联网业务应用系统与因特网之间的接口，接口形式为有线，传输业务系统的应用数据。
外部接口D：该接口为卫星互联网核心网与外部蜂窝移动网络PLMN或者与地面固定电话网络PLMN之间的接口，接口形式为有线，传输话音信令和话音数据。
外部接口E：该接口为卫星互联网核心网与用户专网之间的接口，接口形式为有线，传输用户业务数据和业务控制信息。
(2)内部接口
内部接口A：该接口为用户终端和接入网之间的接口，传输用户链路空口无线信号，包括信令和业务数据。
内部接口X：该接口为接入网与天基承载网之间的接口，传输用户侧业务信息、核心控制信息和业务测控信息。
内部接口K：该接口为天基承载网和地基承载网之间的接口，传输馈电侧宽带业务数据。
内部接口O：该接口为地基承载网和全球网管之间的接口，接口形式为有线，传输设备状态信息、告警信息、配置信息、性能数据、地面通信网络管控信息(例如馈电切换控制信息)等内容。
内部接口NG：该接口为地基承载网与核心网之间的接口，接口形式为有线，传输核心控制信令和业务数据。
内部接口N1：该接口为核心网和业务应用系统之间的接口，接口形式为有线，传输核心网处理后的分组业务数据。
内部接口N2：该接口为核心网和运营服务系统之间的接口，接口形式为有线，传输核心网设备运行信息、话单信息到运营服务系统，传输用户开户信息到核心网。
内部接口N3：该接口为全球网管和运营服务系统之间的接口，接口形式为有线，传输站网管理信息，例如设备状态信息、告警信息、配置信息、性能数据等内容。
内部接口M：该接口为全球网管和运行控制系统之间的接口，接口形式为有线，传输卫星载荷状态信息、星座星历信息等。
4、系统管控
低轨卫星互联网管控架构如图4所示。从管理对象来看，分为卫星平台/星座构型、卫星载荷/空间网络、地面设备/地面网络三类；从管理者角度看，主要包括运行控制系统、全球网管、运营服务系统三个。管理者与管理对象之间有不同的管理通道，为M:N型对应关系。
(1)运行控制系统主要是对卫星平台和星座构型进行管控，管控通道有应急测控、馈电全向测控、馈电随路测控三个。
(2)全球网管既管理卫星载荷和空间网络，又管理地面信关站设备和地面网络。全球网管通过馈电全向测控和馈电随路测控向卫星载荷发送遥控指令，同时接收遥测数据。全球网管通过专业网管完成对地面信关站网络的管理，包括馈电空口资源调度、馈电切换管理等功能。
(3)运营服务系统中O域也对地面信关站设备进行相应的管理，管理通道为综合网管+专业网管，综合网管为国家或地区级的管理范围，专业网管为信关站级的管理范围，主要完成对设备状态管理、网络状态管理，及时处理告警和故障情况。
5、工作流程
卫星互联网的工作流程主要分为网络管理配置和业务传输两个阶段，网络管理配置流程发起者为运行控制系统，业务传输流程发起者主要是用户终端。图5所示工作流程中，
Figure BDA0003349374460000081
为网络管理配置流程，
Figure BDA0003349374460000082
为业务传输流程。
流程说明：
(1)首先由运行控制系统发送网络控制指令到全球网管，指令内容包括系统运行信息、星座构型信息、网络上报要求等内容；
(2)全球网管收到网络控制指令后，将指令内容进行分解，发送设备配置参数到地基承载网，地基承载网转发至天基承载网和核心网，天基承载网再转发至接入网，配置参数内容包括网络配置参数、无线资源规划、路由策略、设备状态上报计划等内容；
(3)接入网和核心网收到设备配置参数后进行设备状态参数上报，接入网上报途径是接入网-天基承载网-地基承载网-全球网管-运行控制系统，核心网上报途径是核心网-地基承载网-全球网管-运营服务系统。至此，网络管理配置阶段结束，在网络管理配置完成后，便可进入到业务传输阶段；
(4)业务传输阶段，一般是用户终端有业务传输需求时发起无线资源申请，卫星接入网收到申请消息后通过无线资源分配消息分配无线资源；
(5)用户终端获得无线资源后打通了终端与核心网之间的通道，在该通道上首先进行业务控制，卫星终端与核心网之间接入网、天基承载网、地基承载网进行控制消息的交互；
(6)控制完成后进行上行业务发送和下行业务接收，具体业务数据传输路径是：用户终端->接入网->天基承载网->地基承载网->核心网->业务系统，由业务系统到用户终端的业务数据传输路径正好相反；
(7)业务传输结束后，用户终端发起无线资源释放过程，接入网收到终端请求后，发送无线资源释放应答消息给用户终端，完成无线资源释放，结束业务传输过程。

Claims (2)

1.一种与5G兼容的低轨卫星互联网网络架构，其特征在于，包括通信网络系统、运行控制系统、运营服务系统和业务应用系统等若干系统。通信网络系统包括用户终端、接入网、天基承载网、地基承载网、核心网和全球网管；
接入网用于接收用户终端的入网请求，为用户终端分配空口资源，并接收用户终端的控制信息和业务数据，同时产生设备状态参数，发送给天基承载网；还用于接收天基承载网发送的控制信息和业务数据，转发给用户终端，同时接收天基承载网发送的设备配置参数进行本地设备配置；
天基承载网用于接收接入网的终端侧控制信息和业务数据以及接入网的设备状态参数，通过星间链路传输至落地点卫星，落地点卫星将接收到的信息、数据和参数通过馈电链路发送给地基承载网；还用于接收地基承载网通过馈电链路传输的控制信息、业务数据和设备配置参数，并通过星间链路进行交换和路由至目的卫星的接入网；
地基承载网用于接收到天基承载网的控制信息和业务数据后发送给核心网，接收到核心网的控制信息和业务数据后发送给天基承载网，同时，地基承载网接收到天基承载网和核心网的设备状态参数后发送给全球网管，并接收全球网管的设备配置参数分发给核心网和天基承载网；
核心网用于接收地基承载网的设备配置参数和控制信息后进行本地配置，并响应配置结果；接收地基承载网的业务数据后根据路由配置发送至目的网络，目的网络包括业务应用系统、用户专网、PSTN网络、PLMN网络和因特网；同时，核心网产生话单发送给运营服务系统，产生控制信息和设备状态参数发送给地基承载网；
全球网管用于接收运行控制系统的控制命令，根据站网分布情况和设备配置情况生成设备配置参数，发送给地基承载网；同时全球网管从地基承载网接收设备状态信息，将卫星设备状态参数发送给运行控制系统，将地面设备状态参数发送给运营服务系统；
运行控制系统用于根据系统规划，发送控制命令到全球网管，同时接收全球网管的卫星设备状态参数用于系统优化；其中，控制命令包括星座星历和系统规划；
运营服务系统用于接收全球网管的地面设备状态参数，并进行信息存储、分析和展示，同时，从核心网收集话单信息，并进行计费处理和话单查询操作；
业务应用系统用于接收核心网的原始业务数据，根据用户需求，经过不同的应用程序处理，将处理后的应用数据发送给因特网，同时，从因特网接收应用数据后经过处理，发送业务数据到核心网。
2.根据权利要求1所述的与5G兼容的低轨卫星互联网网络架构，其特征在于，通信网络系统中接入网和天基承载网部署于低轨卫星上，通信网络系统中用户终端、核心网、地基承载网和全球网管部署于地面，运行控制系统、运营服务系统和业务应用系统均部署于地面。
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