星地融合網能力開放方案研究

發布日期：2023-02-23 10:16:58  瀏覽次數：3347 來源：通信世界全媒體

隨著移動通信技術飛速演進，用戶對移動通信的傳輸速率、網絡覆蓋、業務體驗和應用提出了新的要求。在此趨勢下，5G已經成為數字經濟發展的新引擎。5G網絡具有傳輸速率高、業務種類多、連接容量大等關鍵技術特點，可廣泛部署于人口較為密集的城市等，但在人煙稀少或鋪設地面網絡困難的地區不易部署。

相比地面移動網絡，衛星通信以其覆蓋范圍廣、應急保障能力強、不受地理條件限制等突出優勢，成為當前彌補邊遠地區通信網絡覆蓋不足的重要手段。近年來，O3b、OneWeb以及Starlink等中低軌衛星星座方案的提出，促進了衛星通信服務與互聯網業務相融合，為衛星通信產業注入新的活力。

為更好地適應未來社會對全球隨遇接入和廣域萬物智聯的要求，以及保障用戶對服務的連續性和一致性體驗，相關行業積極推進地面移動通信網絡和衛星通信網絡的融合。如何利用5G產業鏈已經取得的成果，融合衛星網絡和地面網絡場景，為世界各地用戶隨時、隨地、無縫漫游提供泛在連接支持，成為當前行業關心的熱點話題。

網絡能力開放是電信網絡實現“網絡即服務”的關鍵，更是實現5G網絡與衛星通信網絡融合的重要路徑。本文針對5G網絡與衛星通信網絡融合架構的一體化能力開放問題，論述了可行性架構及典型信令流程。

基于5G與衛星通信網絡融合的能力開放方案研究能力開放是實現5G網絡內外部信息共享、能力調用的重要方式，下面重點論述5G網絡與衛星網絡融合下的應用場景和能力開放架構。

能力開放分層架構5G與衛星通信網絡融合的能力開放分層架構，是指支持星地融合能力開放功能、服務和應用的系統架構，需要充分考慮云原生、虛擬化和微服務等前沿理念，以實現網絡資源、功能服務和數據之間的有效組織和聯動，其總體框架如圖1所示，分為資源層、能力層與應用層。

圖1 星地融合網絡一致性能力開放分層架構

資源層包括軟硬件資源和網絡資源，其中網絡資源包括衛星網絡和5G網絡的通信設備資源、感知設備資源、一體化網絡設備資源；軟硬件資源包括計算存儲資源及相關軟件、硬件資源。能力開放平臺可調用資源層資源，封裝后形成不同的原子化能力。

能力層可提供數據處理功能、通信功能、感知功能，以及能力協同，具體包括通信數據、感知數據以及聯合數據處理功能，無線接入與通信質量控制功能，目標定位（測距測速測角）、跟蹤、檢測和遙感成像功能。

應用層則基于能力層提供相應的服務與應用，包括位置服務、測位測距服務、檢測識別服務、遙感成像服務等。

能力開放網絡架構當前，5G網絡為能力開放提供了網絡功能，已將其能力開放給第三方（如用戶或其他運營商）。在5G網絡架構中，NEF（Network Exposure Function，網絡能力開放功能）網元是提供能力開放的功能性網元。星地融合網絡一致性能力開放網絡架構如圖2所示，可以看到，網絡結構橫向分為天基網絡、陸基網絡和用戶終端3個部分，網絡結構縱向分為接入網、核心網、第三方等3個部分。其中，接入網包括固定接入網、移動接入網、衛星接入網，核心網包括陸基核心網、衛星基核心網。接入網、核心網為同一運營商提供，第三方為業務調用方，可以是用戶或其他運營商。

圖2 星地融合網絡一致性能力開放網絡架構

基于陸基核心網的5G與衛星通信融合方案是一致性能力開放的典型方案。在場景1的方案中，NEF網元位于陸基核心網絡中。NEF網元作為能力開放接口，通過衛星基核心網向陸基核心網提供衛星網絡的能力，陸基核心網向第三方提供陸基和衛星通信網絡的能力。

在場景2的方案中，NEF網元位于衛星基核心網中。NEF網元作為能力開放接口，通過陸基核心網向衛星基核心網提供陸基網絡的能力，衛星基核心網向第三方提供陸基和衛星通信網絡的能力。

在場景3的方案中，NEF網元位于陸基核心網和衛星基核心網中。NEF網元作為能力開放接口，通過陸基核心網向第三方提供陸基通信網絡的能力，通過衛星基核心網絡向第三方提供衛星通信網絡的能力。

星地融合能力開放應用方案研究本部門將重點論述5G與衛星融合通信網絡下的能力場景、能力開放架構及典型應用方案，星地融合網絡能力開放主要有四大類型應用場景，即廣域寬帶接入、廣域大規模連接、廣域時敏連接和廣域高精度定位。

廣域寬帶接入是指為邊遠地區用戶、飛機、無人機、汽車等提供寬帶接入，縮小“數字鴻溝”；廣域大規模連接是指為農作物監控、珍稀動物無人區監控、海上浮標信息收集、遠洋集裝箱信息收集、無人區探險等場景提供網絡連接；廣域時敏連接是指為遠程智能機器（人）等時延敏感場景提供網絡連接；廣域高精度定位是指為遠程智能交通提供精確導航，以及為遠程作業提供高精度定位。

在上述應用場景中，衛星與地面通信網絡融合的能力應用主要包括應急救援保障、航空網絡服務、海洋信息服務三大場景。

應急救援保障

我國幅員遼闊、人口眾多，自然災害、社會安全突發事件、重大公共衛生事件多發。當災害和事件突發時，現有的公網或者專網往往無法滿足現場應急通信需求。通過星地融合網，災害現場的救援人員可利用衛星、固定基站、應急便攜基站等多種途徑建立災害現場與救援指揮中心、救援部隊之間的高速數據通道，滿足應急救援任務中的各種功能需求。例如，可以提供無人機AI視頻圖像回傳及分析、視化功能、失聯人員數據回傳及分析、災區人員遷移數據回傳及分析、無人機直播與回放等功能，實現救援中心與災害現場信息及時交互和無縫連接，便于實時掌握災區的人、地、物全貌及災情發展趨勢，達到對災害應急救援實時指揮、精確管理和科學決策的目的。

無人機AI視頻圖像回傳及分析：根據無人機拍攝的視頻/圖像，實現在災情發生時（如地震、洪澇、泥石流等），實時提供受災人員位置分布、房屋坍塌檢測與統計、道路坍塌損毀點檢測等數據的回傳和智能分析，并呈現在三維模型/GIS 地圖上，便于救援專業人員實施救助。

失聯人員數據回傳及分析：救援人員通過運營商建立的專項通道接口，獲取相關用戶通信數據，經過大數據分析，實現對災害發生區域疑似失聯人員的名單確定及失聯之前最后活動區域的定位，輔助應急救援隊伍快速決策并大大縮小救援范圍。

災區人員遷移數據回傳及分析：救援人員通過運營商建立的專項通道接口，獲取相關用戶通信數據，經過事故分析區域圈選、圈選區域涉及用戶查找、遷移人員查找和遷移人員去向統計4個步驟，可完成遷移人員的名單確定及遷移前最后活動區域定位，輔助應急救援隊伍的快速決策。

無人機直播與回放：無人機直播與回放可以滿足無人機現場拍攝的多路視頻接入需求，支持無人機視頻實時直播與歷史視頻回放，支持在GIS地圖上展示前端無人機的實時飛行位置，并通過5G網絡能力開放等記錄與統計無人機飛行高度、飛行速度等信息。

航空網絡服務

航空公司提供的機艙無線網絡基本只能實現飛機內的網絡連接，乘客可以通過自己的智能設備播放飛機上的音樂、視頻等文件，或者實現與機上乘客的視頻通話等，但是并不能與外網相連，無法使用微信、微博等應用。

通過接入星地融合網，航空公司可為機艙內旅客提供與外網的連接，同時提供高速數據服務，滿足旅客在航行過程中的各類上網需求，實現旅客“空—地”上網感受的無差異體驗，提升航空公司的服務質量。基于衛星通信的方式，通過安裝在飛機機身頂部的天線連接衛星，并向地面站傳輸信號，完成數據互聯，航空通信網絡組網方案如圖3所示，其優勢是覆蓋范圍廣、可實現國際漫游。

飛機與地面建立高速數據通道后，可通過艙內數據建模，幫助地面運行控制部門加強對客艙安全的監測，降低恐怖襲擊的風險。

圖3 航空通信網絡組網方案

海洋信息服務

我國海域遼闊，在沿海區域存在大量以傳統漁業及現代海洋勘探業為主的經濟圈。由于地面移動信號的覆蓋困難，海上“信息孤島”造成的通信、監管、運作困難始終是難以解決的問題。

近年來國內運營商結合衛星通信產業資源開展了相關業務探索和布局，運營商結合低軌衛星資源，通過衛星互聯網把5G、物聯網延伸至海洋，充分發揮“人與人、人與物、物與物”的連接能力，不僅可以有效地解決海上通信難題，還可以衍生出更多的應用場景，如實時遠程監測船只航行情況、收集船員身體狀況等。

不僅如此，后續還可以把星地融合網應用到郵輪、遠洋貨輪、鉆井平臺上，其發揮更大的作用。在沒有5G信號覆蓋的遠海區域，可在高速移動的遠洋漁政船上部署輕量船載用戶站、5G輕量基站及核心網，船載用戶站能夠準確指向并全程跟蹤以第一宇宙速度相對于地面高速飛行的低軌衛星，向信關站發送入網請求，通過衛星互聯網構建的天基寬帶通信鏈路成功實現視頻瀏覽、語音通信等系列常規網絡測試。船上的5G手機通過衛星可以接入運營商的業務網，實現與其他4G/5G手機用戶的正常語音通話。

通過本文提出的基于5G與衛星通信網絡融合的能力開放方案，一方面可以連通衛星通信網絡與地面5G網絡能力調用路徑，串聯衛星通信網絡與5G網絡，將5G網絡能力擴展至衛星通信領域應用。另一方面，串聯衛星管理系統與5G能力平臺，為衛星管理系統信息用于5G能力決策、5G網絡能力應用于衛星鏈路選擇提供技術參考。