CN114785400A - 一种ntn卫星网络架构及其构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种NTN卫星网络架构及其构建方法，具体为：数据平面的协议层下沉到终端侧实现，服务终端的两个卫星之间建立扩展的Xn‑U接口；控制平面的协议层由星载gNB实现，服务终端通过星载基站与地面核心网互联；PDCP以及SDAP协议均由地面gNB‑CU处理；将基站用户面中心节点gNB‑CU‑UP功能放在地面实现，在星载基站gNB通过SRI接口实现对gNB‑CU‑UP的控制。本发明将数据压缩解压缩、加解密、业务分流等功能下沉到终端实现，从而降低对卫星处理资源的需求；针对端到网络业务的需求，将gNB‑CU‑UP下沉到信关站实现，一方面降低了对卫星处理资源的需求，另一方面实现了业务的灵活部署。

Description

一种NTN卫星网络架构及其构建方法
技术领域
本发明涉及低轨卫星通信网络技术领域，特别是一种NTN(非地面网络)卫星网络架构及其构建方法。
背景技术
1.低轨星座卫星通信系统
低轨星座卫星通信系统是通过低轨星座进行信号转发的卫星通信系统。目前世界上在建或已经建设完成的低轨星座卫星通信系统主要有starlink、O3B、OneWeb、Telesat等，我国主要有虹云、鸿雁等系统。一般来说，低轨星座卫星通信系统由空间段、地面段、应用段三部分组成，如图1所示。
(1)空间段
空间段由低轨道卫星星座组成。卫星星座是发射入轨能正常工作的卫星的集合，通常是由一些卫星环按一定的方式配置组成的一个卫星网。低轨道卫星星座是若干个低轨道卫星组成的低轨卫星网，如图2所示。
(2)地面段
地面段作为低轨星座卫星通信系统的重要组成部分，完成卫星载荷的管理和低轨星座卫星通信系统的业务处理、网络管理、运营管理、跨国业务结算等功能，同时负责低轨星座卫星通信系统与其他系统的互联互通，主要由运行控制中心、全球运营服务中心、分布在全球各地的信关站组成。
a)运行控制中心
运行控制中心简称运控中心，是低轨星座卫星通信系统运维管控的核心组成部分和管理中枢，为系统管控和应用管理提供集中、统一、综合、自动化的平台，保障星座和地面信关站网安全、稳定、可靠的运行。主要完成卫星载荷管理、星地资源运行情况及星地馈电链路状态监视、信关站系统任务规划等功能。
b)全球运营服务中心
全球运营服务中心是支撑低轨星座卫星通信系统全球运营的重要组成部分。全球运营服务中心连接各个国家的综合网管及运营支撑系统，主要完成全球结算和信关站网络监控等功能，保障全球网络安全稳定运营。
c)信关站系统
信关站系统为低轨星座卫星通信系统提供通信、业务、运营、管理等服务，承担着系统资源管理、用户鉴权与加密、业务路由与交换、业务服务、本地网络运营等功能。主要由部署于各个建站国家或地区的信关站及信关站之间的通信网络组成，是低轨星座卫星通信系统的主要地面设施。低轨星座卫星通信系统能够与地面PLMN、PSTN、Internet以及其他专网进行互联互通。
(3)应用段
应用段由分布在低轨星座波束覆盖范围内的各种固定及移动终端组成，终端是用户接入低轨星座卫星通信系统的门户和应用平台，用于建立用户与卫星间的数据传输链路，每个终端具备在波束间、卫星间、信关站间的切换能力，能够为用户提供持续不断的业务服务。
2、NTN(非地面网络)
NTN是由3GPP提出的，利用GEO、MEO、LEO、HAPS等平台作为中继节点或基站配合地面网络设备构成非地面网络，为用户提供广域覆盖服务，满足用户随时随地的连接需求并确保服务的可用性，连续性和可扩展性。同时也能够与地面网络相结合，为用户提供更高效的服务。根据卫星/高空平台载荷类型不同，可将NTN分为作为信号中继的透明转发网络Transparent(bent-pipe)satellite/HAPS和作为基站的处理转发网络Non Transparent(On Board prooessor)satellite/HAPS，如图3所示，其中NR全称为New Radio，也被称为新空口；NP全称为Network Processor，表示网络处理器；Gateway表示网关；5G RAN全称为5GRadio Access Network，表示5G无线接入网；5G CN表示5G核心网。
NTN通信标准是在5GNR的基础上，针对非陆地网络特征进行适应性修改，提出了透明转发、处理转发、CU-DU分离等网络架构，图4为处理转发网络数据平面协议栈，卫星无线接口(SRI)的协议栈实现卫星和NTN网关之间点到点高数数据传输，NG接口用户平面的GTP-U要承载在基于SRI的高速IP传输通道，图4中UE表示用户设备，Satellite表示卫星，5GC表示5G核心网，Protocol Layers of the SRI表示SRI协议层，PDU表示分组数据单元，SDAP表示业务数据适配层，PDCP表示分组数据汇聚协议，RLC表示无线链路层控制协议，MAC表示介质访问控制，NR PHY表示NR物理层，gNB表示基站，GTP-U表示用户层面的GPRS隧道协议，UDP表示用户数据报协议，UPF表示用户面功能。
在5GNR中，NG-AP实现了5GC和gNB之间的控制平面信令传输，NG-AP信令通常承载在基于IP的SCTP协议之上，而在NTN网络中，NG-AP通过NTN网关在5GC和星载gNB之间SCTP链路上传输。NAS协议通过NG-AP协议传输，如图5所示。
3、端到端通信
在地面移动通信5G系统中，终端首先要通过核心网路由寻址找到被叫终端，并建立主被叫终端之间的业务数据传输链路，端到端业务数据的传输要经由核心网UPF转发，才可以实现端到端通信，而业务传输链路的控制由终端到网络侧的控制链路实现，如图6所示。
与地面移动通不同，为了降低端到端的通信延时，卫星通信系统中端到端通信是指终端与终端经卫星一跳或经由星间链路多跳转发通信，业务数据不需要经由地面网络处理交换。参考GMR-1标准可以看到，终端到终端通信直接经由卫星TTCN射频链路直接转发处理，控制链路由地面信关站实现，如图7所示。
4、现有技术的缺点
在NTN定义的卫星通信系统中，由于采用地面5G的移动通信体制，为了实现卫星系统端到端通信，需要在卫星处理载荷上实现用户数据的收发、调制解调、编译码、分段重组、加解密、压缩解压缩等功能，此外，还要支持UPF功能，当端到端通信带宽较大时或用户数量较多时，极大增加卫星的功耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种NTN卫星网络架构及其构建方法，从而简化端到端的通信链路处理过程，并降低系统的功耗。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种NTN卫星网络架构，数据平面的协议层下沉到终端侧实现，服务终端的两个卫星之间建立扩展的Xn-U接口；控制平面的协议层由星载gNB实现，服务终端通过星载基站与地面核心网互联；PDCP以及SDAP协议均由地面gNB-CU处理；将基站用户面中心节点gNB-CU-UP功能放在地面实现，在星载基站gNB通过SRI接口实现对gNB-CU-UP的控制。
进一步地，端到端通信的用户平面协议栈架构为：数据平面的协议层下沉到终端侧实现，服务终端的两个卫星之间建立扩展的Xn-U接口，用户数据在星载基站经过NR PHY、MAC、RLC层处理后生成业务数据单元SDU，并通过扩展的Xn-U转发到目标星载基站，然后通过空口下发给终端。
进一步地，端到端通信的控制平面协议栈架构为：控制平面的协议层由星载gNB实现；服务终端通过星载基站与地面核心网互联，实现NAS层移动性管理MM、会话管理SM，此时NG-AP协议承载在基于SRI的高速IP传输通道上，NG-AP承载的是NAS层信令。
进一步地，端到网络通信的业务平面协议栈架构为：PDCP以及SDAP协议均由地面gNB-CU处理，GTP-U承载在基于SRI的高速IP传输通道上，GTP-U承载的是分组数据汇聚协议层协议数据单元PDCPPDU，PDU通过NTN网关实现星载gNB-DU与gNB-CU之间的GTP-U隧道上传输。
进一步地，端到网络通信的控制平面协议栈架构，参照端到端通信的控制平面架构，将基站用户面中心节点gNB-CU-UP功能放在地面实现，在星载基站gNB通过SRI接口实现对gNB-CU-UP的控制；F1-AP承载在基于SRI的高速IP传输通道上，星载gNB通过F1-AP实现对gNB-CU-UP的控制。
进一步地，数据平面下沉到终端侧实现的协议层包括PDCP、SDAP，业务数据的加解密、压缩解压缩、业务分流这些功能将直接由终端实现。
进一步地，控制平面由星载gNB实现的协议层包括RRC、PDCP，控制信令的加解密、压缩解压缩这些功能由星载gNB实现。
一种NTN卫星网络架构的构建方法，包括：
构建端到端通信的用户平面协议栈架构，具体为：将数据平面的协议层下沉到终端侧实现，在服务终端的两个卫星之间建立扩展的Xn-U接口，用户数据在星载基站经过NRPHY、MAC、RLC层处理后生成业务数据单元SDU，并通过扩展的Xn-U转发到目标星载基站，然后通过空口下发给终端；
构建端到端通信的控制平面协议栈架构，具体为：控制平面的协议层由星载gNB实现；服务终端通过星载基站与地面核心网互联，实现NAS层移动性管理MM、会话管理SM，此时NG-AP协议承载在基于SRI的高速IP传输通道上，NG-AP承载的是NAS层信令；
构建端到网络通信的业务平面协议栈架构，具体为：PDCP以及SDAP协议均由地面gNB-CU处理，GTP-U承载在基于SRI的高速IP传输通道上，GTP-U承载的是分组数据汇聚协议层协议数据单元PDCPPDU，PDU通过NTN网关实现星载gNB-DU与gNB-CU之间的GTP-U隧道上传输；
构建端到网络通信的控制平面协议栈架构，具体为：参照端到端通信的控制平面架构，将基站用户面中心节点gNB-CU-UP功能放在地面实现，在星载基站gNB通过SRI接口实现对gNB-CU-UP的控制；F1-AP承载在基于SRI的高速IP传输通道上，星载gNB通过F1-AP实现对gNB-CU-UP的控制。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)将数据压缩解压缩、加解密、业务分流等功能下沉到终端实现，从而降低对卫星处理资源的需求；(2)针对端到网络业务的需求，将gNB-CU-UP下沉到信关站实现，一方面降低了对卫星处理资源的需求，另一方面实现了业务的灵活部署。
附图说明
图1是低轨星座卫星通信系统组成的示意图。
图2是低轨星座示意图。
图3是两种不同载荷类型的NTN网络示意图。
图4是处理转发网络用户平面协议栈示意图。
图5是处理转发网络控制平面协议栈示意图。
图6是地面移动通信典型的端到端通信示意图。
图7是卫星移动通信典型的端到端通信示意图
图8是端到端通信用户平面协议架构示意图。
图9是端到端通信控制平面协议架构示意图。
图10是端到网络通信业务平面协议架构示意图。
图11是端到网络通信控制平面(控制gNB-CU-UP)协议架构示意图。
具体实施方式
本发明一种NTN卫星网络架构，数据平面的协议层下沉到终端侧实现，服务终端的两个卫星之间建立扩展的Xn-U接口；控制平面的协议层由星载gNB实现，服务终端通过星载基站与地面核心网互联；PDCP以及SDAP协议均由地面gNB-CU处理；将基站用户面中心节点gNB-CU-UP功能放在地面实现，在星载基站gNB通过SRI接口实现对gNB-CU-UP的控制。
可选地，端到端通信的用户平面协议栈架构为：数据平面的协议层下沉到终端侧实现，服务终端的两个卫星之间建立扩展的Xn-U接口，用户数据在星载基站经过NR PHY、MAC、RLC层处理后生成业务数据单元SDU，并通过扩展的Xn-U转发到目标星载基站，然后通过空口下发给终端。
可选地，端到端通信的控制平面协议栈架构为：控制平面的协议层由星载gNB实现；服务终端通过星载基站与地面核心网互联，实现NAS层移动性管理MM、会话管理SM，此时NG-AP协议承载在基于SRI的高速IP传输通道上，NG-AP承载的是NAS层信令。
可选地，端到网络通信的业务平面协议栈架构为：PDCP以及SDAP协议均由地面gNB-CU处理，GTP-U承载在基于SRI的高速IP传输通道上，GTP-U承载的是分组数据汇聚协议层协议数据单元PDCPPDU，PDU通过NTN网关实现星载gNB-DU与gNB-CU之间的GTP-U隧道上传输。
可选地，端到网络通信的控制平面协议栈架构，参照端到端通信的控制平面架构，将基站用户面中心节点gNB-CU-UP功能放在地面实现，在星载基站gNB通过SRI接口实现对gNB-CU-UP的控制；F1-AP承载在基于SRI的高速IP传输通道上，星载gNB通过F1-AP实现对gNB-CU-UP的控制。
可选地，数据平面下沉到终端侧实现的协议层包括PDCP、SDAP，业务数据的加解密、压缩解压缩、业务分流这些功能将直接由终端实现。
可选地，控制平面由星载gNB实现的协议层包括RRC、PDCP，控制信令的加解密、压缩解压缩这些功能由星载gNB实现。
本发明一种NTN卫星网络架构的构建方法，包括：
构建端到端通信的用户平面协议栈架构，具体为：将数据平面的协议层下沉到终端侧实现，在服务终端的两个卫星之间建立扩展的Xn-U接口，用户数据在星载基站经过NRPHY、MAC、RLC层处理后生成业务数据单元SDU，并通过扩展的Xn-U转发到目标星载基站，然后通过空口下发给终端；
构建端到端通信的控制平面协议栈架构，具体为：控制平面的协议层由星载gNB实现；服务终端通过星载基站与地面核心网互联，实现NAS层移动性管理MM、会话管理SM，此时NG-AP协议承载在基于SRI的高速IP传输通道上，NG-AP承载的是NAS层信令；
构建端到网络通信的业务平面协议栈架构，具体为：PDCP以及SDAP协议均由地面gNB-CU处理，GTP-U承载在基于SRI的高速IP传输通道上，GTP-U承载的是分组数据汇聚协议层协议数据单元PDCPPDU，PDU通过NTN网关实现星载gNB-DU与gNB-CU之间的GTP-U隧道上传输；
构建端到网络通信的控制平面协议栈架构，具体为：参照端到端通信的控制平面架构，将基站用户面中心节点gNB-CU-UP功能放在地面实现，在星载基站gNB通过SRI接口实现对gNB-CU-UP的控制；F1-AP承载在基于SRI的高速IP传输通道上，星载gNB通过F1-AP实现对gNB-CU-UP的控制。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例
针对卫星通信中端到端业务传输需求，本实施例提出了一种改进型的NTN网络架构，相比于3GPP定义的NTN网络架构，降低了端到端业务传输延时，降低了卫星处理资源的需求。端到端的业务数据不需要网络做任何处理，直接在两个卫星终端之间转发，利用这个特点，可以将端到端通信的两个终端之间的业务数据处理部分功能删掉，从而降低卫星载荷的功耗体积需求。
端到端通信时，用户平面协议栈架构如图8所示，数据平面的PDCP、SDAP等协议层下沉到终端侧实现，业务数据的加解密、压缩解压缩、业务分流等功能将直接由终端实现。为了实现端到端通信，服务终端的两个卫星之间建立扩展的Xn-U接口，用户数据在星载基站经过NRPHY、MAC、RLC层处理后生成SDU，并通过扩展的Xn-U转发到目标星载基站并通过空口下发给终端。
端到端通信业务控制仍需要星载基站gNB和核心网进行控制。控制平面协议栈架构如图9所示，控制平面的RRC、PDCP等协议层由星载gNB实现，控制信令的加解密、压缩解压缩等功能将由星载gNB实现，从而降低用户通信过程中切换控制延时。为了实现端到端通信终端的网络控制，服务终端通过星载基站与地面核心网互联，实现NAS层移动性管理(MM)、会话管理(SM)等，此时NG-AP协议要承载基于SRI的高速IP传输通道上，此时NG-AP承载的是NAS层信令。
端到网络侧通信时，业务平面协议栈架构如图10所示，PDCP以及SDAP等实时性要求不高的协议均由地面gNB-CU处理，GTP-U要承载在基于SRI的高速IP传输通道上，但GTP-U承载的是PDCPPDU，该PDU通过NTN网关实现了星载gNB-DU与gNB-CU之间的GTP-U隧道上传输。
端到网络通信业务控制仍需要星载基站gNB和核心网进行控制。控制平面协议栈架构与端到端通信控制平面架构类似，如图11所示，由于将gNB-CU-UP功能放在地面实现，因此，在于星载基站gNB通过SRI接口实现对gNB-CU-UP的控制。F1-AP要承载在基于SRI的高速IP传输通道上，星载gNB通过F1-AP实现对gNB-CU-UP的控制。
本发明提出的针对端到端业务的NTN新型网络架构，将数据压缩解压缩、加解密、业务分流等功能下沉到终端实现，降低了对卫星处理资源的需求；在新型网络架构的基础上，针对端到网络业务的需求，将gNB-CU-UP下沉到信关站实现，一方面降低了对卫星处理资源的需求，另一方面可以实现业务的灵活部署。

Claims (8)

1.一种NTN卫星网络架构，其特征在于，数据平面的协议层下沉到终端侧实现，服务终端的两个卫星之间建立扩展的Xn-U接口；控制平面的协议层由星载gNB实现，服务终端通过星载基站与地面核心网互联；PDCP以及SDAP协议均由地面gNB-CU处理；将基站用户面中心节点gNB-CU-UP功能放在地面实现，在星载基站gNB通过SRI接口实现对gNB-CU-UP的控制。
2.根据权利要求1所述的NTN卫星网络架构，其特征在于，端到端通信的用户平面协议栈架构为：数据平面的协议层下沉到终端侧实现，服务终端的两个卫星之间建立扩展的Xn-U接口，用户数据在星载基站经过NR PHY、MAC、RLC层处理后生成业务数据单元SDU，并通过扩展的Xn-U转发到目标星载基站，然后通过空口下发给终端。
3.根据权利要求1所述的NTN卫星网络架构，其特征在于，端到端通信的控制平面协议栈架构为：控制平面的协议层由星载gNB实现；服务终端通过星载基站与地面核心网互联，实现NAS层移动性管理MM、会话管理SM，此时NG-AP协议承载在基于SRI的高速IP传输通道上，NG-AP承载的是NAS层信令。
4.根据权利要求1所述的NTN卫星网络架构，其特征在于，端到网络通信的业务平面协议栈架构为：PDCP以及SDAP协议均由地面gNB-CU处理，GTP-U承载在基于SRI的高速IP传输通道上，GTP-U承载的是分组数据汇聚协议层协议数据单元PDCPPDU，PDU通过NTN网关实现星载gNB-DU与gNB-CU之间的GTP-U隧道上传输。
5.根据权利要求1所述的NTN卫星网络架构，其特征在于，端到网络通信的控制平面协议栈架构，参照端到端通信的控制平面架构，将基站用户面中心节点gNB-CU-UP功能放在地面实现，在星载基站gNB通过SRI接口实现对gNB-CU-UP的控制；F1-AP承载在基于SRI的高速IP传输通道上，星载gNB通过F1-AP实现对gNB-CU-UP的控制。
6.根据权利要求2所述的NTN卫星网络架构，其特征在于，数据平面下沉到终端侧实现的协议层包括PDCP、SDAP，业务数据的加解密、压缩解压缩、业务分流这些功能将直接由终端实现。
7.根据权利要求3所述的NTN卫星网络架构，其特征在于，控制平面由星载gNB实现的协议层包括RRC、PDCP，控制信令的加解密、压缩解压缩这些功能由星载gNB实现。
8.一种NTN卫星网络架构的构建方法，其特征在于，包括：
构建端到端通信的用户平面协议栈架构，具体为：将数据平面的协议层下沉到终端侧实现，在服务终端的两个卫星之间建立扩展的Xn-U接口，用户数据在星载基站经过NR PHY、MAC、RLC层处理后生成业务数据单元SDU，并通过扩展的Xn-U转发到目标星载基站，然后通过空口下发给终端；
构建端到端通信的控制平面协议栈架构，具体为：控制平面的协议层由星载gNB实现；服务终端通过星载基站与地面核心网互联，实现NAS层移动性管理MM、会话管理SM，此时NG-AP协议承载在基于SRI的高速IP传输通道上，NG-AP承载的是NAS层信令；
构建端到网络通信的业务平面协议栈架构，具体为：PDCP以及SDAP协议均由地面gNB-CU处理，GTP-U承载在基于SRI的高速IP传输通道上，GTP-U承载的是分组数据汇聚协议层协议数据单元PDCPPDU，PDU通过NTN网关实现星载gNB-DU与gNB-CU之间的GTP-U隧道上传输；
构建端到网络通信的控制平面协议栈架构，具体为：参照端到端通信的控制平面架构，将基站用户面中心节点gNB-CU-UP功能放在地面实现，在星载基站gNB通过SRI接口实现对gNB-CU-UP的控制；F1-AP承载在基于SRI的高速IP传输通道上，星载gNB通过F1-AP实现对gNB-CU-UP的控制。
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