卫星网络与地面网络融合的5G网络架构

李广达，孙晨华，刘　刚

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



卫星网络与地面网络融合的5G网络架构

李广达，孙晨华，刘刚

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要为解决5G的全球无死角覆盖、永远在线和融合网络的要求，提出了一种卫星网络与地面网络融合的5G网络架构，并设计了在此架构下的终端接入和呼叫的信令流程。在新架构中地面网与卫星网共用一套核心网，以核心网的角度来实现融合，打破了传统2张网络独立运行或利用网关互联的架构基础，提高了用户体验。实验结果表明，星地网络在核心网角度融合具有良好的系统性能，用户可无差别地使用卫星网络和地面网络。

关键词5G；网络架构；核心网；信令流程

5G Network Architecture Based on Satellite-terrestrial Integration

LI Guang-da,SUN Chen-hua,LIU Gang

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractA 5G network architecture based on satellite-terrestrial integration is proposed in order to meet the requirements such global coverage,online forever and integrated network.The signaling flow of terminal access and call is designed.In the traditional architecture,the satellite network is independent of terrestrial mobile network,and these two networks are connected with gateway.In the new architecture,these two networks are integrated by a common core network to improve the user experience.The experiment results show that the new architecture works so well that users can use satellite network as like as terrestrial mobile network.

Key words5G;network architecture;core network;signaling process

0引言

第5代移动通信系统(5G)已经成为国内外移动通信领域的研究热点。2013年初欧盟在第7框架计划启动了面向5G研发的METIS项目，由包括华为公司等29个参加方共同承担；韩国和中国分别成立了5G技术论坛和IMT-2020(5G)推进组，“863”计划也分别于2013年6月和2014年3月启动了5G重大项目一期和二期研发课题[1]。目前，世界各国正就5G的发展愿景、应用需求、候选频段、关键技术指标及使能技术进行广泛的研讨，力求在2015年世界无线电大会前后达成共识，并于2016年后启动有关标准化进程[2]。

目前传统的移动通信和5G的研究中很少有人考虑到卫星的应用。然而卫星具有覆盖范围广、覆盖波束大、组网灵活和通信不受地理环境限制等优点，可以在陆地蜂窝覆盖不到的边远地区、山区、河海、空中和空间实现移动通信[3]。因此在研究5G时，在地面网络中融入卫星网络来弥补地面网络的不足将十分必要。

本文综合国内外最新研究成果，借鉴软件定义网络和网络功能虚拟化的思想，将星地网络从核心网角度融合，利用卫星网络的优点解决了地面网络不易解决的问题。

1国内外研究现状

由于5G技术过于新颖，学术界和产业界还没有对其进行定义，相关诸如国际电信联盟(ITU)等国际通信标准机构及全球3GPP、WiMAX等移动通信论坛也没有给出正式的技术定义，使得5G技术至今还没有一个清晰的概念。国际上，欧洲针对新一代接入网提出了CRAN架构，采用软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)技术，希望将接入网实现基站池化。国内IMT-2020(5G)推进组提出了号称“三朵云”的5G网络架构，将整个网络分为接入云、控制云和转发云，实现多网融合与核心网的控制与转发分离。以上二者在研究5G时都没有相关卫星移动网络描述。

2网络架构

文献[4-6]中指出5G在峰值速率、用户容量和数据流量等方面的需求指标，本文认为5G还应有全球无死角覆盖、永远在线、融合网络和开放架构易扩展、易配置等特征，为解决这些技术要求，提出了一种卫星网络与地面网络融合的5G网络架构，在地面网络架构中融入卫星网络，不同于以往简单地使用网关互联，本文所提出的架构考虑从核心网的角度来实现卫星网络和地面移动网络的融合，即卫星网络和地面移动网络共用一个核心网。

软件定义网络恰恰体现了网络中的控制与转发分离的思想，将核心网使用SDN和NFV技术把各个网元的功能实体实现软件化，可以解决2张网络在核心网融合方面的问题。结合国内外最新最热成果，利用SDN和NFV技术将卫星移动网络融合到5G网络架构中，提出了一种新的网络架构方案，如图1所示。

图1　卫星网络与地面网络融合的5G网络架构

新架构主要由以下几部分组成：

用户终端：双模模式，有卫星模式和地面模式。分别相应地接入卫星基站和地面基站，接入基站时采用基于竞争的随机接入。

基站：有卫星基站(S-eNodeB)和地面基站(G-eNodeB)。基站的主要功能与LTE类似，主要有：

① 无线资源管理：包括所有与无线承载相关的功能，如无线承载控制、无线准入控制、无线接口的移动性管理、终端上下文调度以及动态资源分配等[7,8]。

② IP包头压缩：通过对IP数据包头的压缩有助于无线接口的有效利用，否则这将是一个不小的开销，特别对于像VoIP这样的小数据包来说。

③ 安全性：所有通过无线接口发送的数据包都需要加密。

核心网：由核心网处理云和核心网转发云组成。处理云是控制面，负责处理所有控制信息。包含软件实现的移动性管理实体(MME)、策略与计费规则功能单元(PCRF)、归属签约服务器(HSS)、IP多媒体子系统(IMS)、TtT交换控制功能(TtTSCC)、鉴别、授权、计费单元(AAA/QOS)、SGW和PGW的控制功能SGW-C和PGW-C。转发云在处理云的控制下负责所有的业务数据的转发。

本架构中的核心网借鉴软件定义网络的思想和云计算的思想，将核心网分为核心网处理云和核心网转发云，实现转发与控制的分离。构造一个新的核心网架构，使其能够提供最大的灵活性、开放性和可编程能力。

软件定义网络思想的应用使封闭的架构变得开放，为集中化、精准化地扩展和配置核心网提供了方便[9]。控制处理面功能对计算资源需求较大，可以逻辑地集中部署并使用虚拟化技术。转发面功能不集中部署，单纯做转发，具有简单、稳定和高性能等特性。控制处理面功能集中化，转发面功能设备通用化，从而具有更灵活的资源调整及网络控制能力。云计算是一种运用于中央控制服务器上的技术，主要是在中央服务器上储存数据和执行应用。云计算的使用可以极大地提高核心网运行效率，也可有效地融合卫星网络与地面网络。

本架构中地面基站采用光纤拉远的方式进行大面积分布式布局，所有基站互相联通同时又统一连接到核心网处理云和核心网转发云。此架构中卫星网络与地面网络在核心网的角度实现融合，打破了传统2张网络独立运行或利用网关互联的架构基础，提高了网络性能和用户体验。

在5G网络中，卫星网络是地面移动网络一个强有力的补充，在地面网络未覆盖到的地方，可以由卫星网络为移动用户提供移动通信服务。在卫星网络与地面网络同时覆盖的区域，由于考虑到卫星网络的资源有限和延时较大等特点，还是优先选择地面网络。

3新网络架构的主要信令流程

3.1终端注册

终端开机获取本机信息后需要向网络进行注册。

终端先判断出自己所处的环境，继而判断出是使用卫星网络模式还是地面网络模式，然后选择正确的模式向网络注册。5G网络架构注册流程如图2所示。

图2　5G网络架构注册流程

流程说明如下：

① 随机接入过程。随机接入过程需要基站和终端的协作下共同完成，基站的主要工作就是接收来自不同终端的前导信息和接入信息，终端的主要工作就是发送前导信息和随机接入信息。

② 基站收到注册请求信令，信令中携带主机信息(包含主机号、主机MAC地址和使用模式等)，基站将其打包处理成ip协议信令转发至核心网处理网元。

③ 核心网处理网元发起对终端的认证、鉴权和安全密钥分发等过程。

④ 核心网返回注册响应信令，为终端分配ip地址。5G网络中终端永远在线，除非终端主动退网，否则不会丢失ip地址。

3.2终端呼叫

终端呼叫根据应用场景不同可以分为以下几种情况：① 卫星网络终端呼叫卫星网络终端；② 卫星网络终端呼叫地面网络终端；③ 地面网络终端呼叫卫星网络终端；④ 地面网络终端呼叫地面网络终端。

5G网络架构终端呼叫信令流程如图3所示。

图3　5G网络架构终端呼叫信令流程

流程说明如下：

① 呼叫发起信令。在呼叫开始时终端1只知道终端2的主机号，所以呼叫发起信令携带的是终端2的主机号、终端1的主机号和ip地址等信息。

② 信令到达核心网，核心根据用户注册表查出终端2的IMSI号和ip地址等信息，再根据终端2的最后一次位置更新来对终端2进行呼叫。

③ 寻呼到达终端2，终端2上报自己的当前状态。

④ 连接建立成功信令向终端1通知终端2的主机号和ip地址。

⑤ 核心网处理网元为2个终端建立业务链路。

⑥ 呼叫结束后，终端1上发呼叫结束信令，上报核心网处理网元通话结束，核心网处理网元拆除业务链路，释放信道资源。

4仿真实现

在本架构中由于卫星网络与地面网络的双重覆盖，所以会有3种不同的通信方式，分别是卫星网络与卫星网络通信、卫星网络与地面网络通信以及地面网络与地面网络通信。在仿真测试时，主要测试了终端注册能力以及网络融合后卫星网络与地面网络的通信能力。

核心网采用软件模拟的方式，运行在虚拟机上。基站与终端采用思博伦的Landslide测试工具模拟[10-12]。信道模拟器模拟信道链路，时延采用260 ms。

4.1终端注册

注册测试框图如图4所示。

测试结果如下：

① 在既有卫星信号又有地面基站信号时，4个终端通过地面基站注册到核心网；

② 切断终端与地面基站的链路，只有卫星信号时，4个终端通过卫星基站注册到核心网；

③ 切断终端1和终端2与地面基站的链路，切断终端3和终端4与信道模拟器的链路。终端1和终端2通过卫星基站注册到核心网，终端3和终端4通过地面基站注册到核心网。

4.2卫星网络终端与地面网络终端通信

通信测试框图如图5所示。

图5　通信测试框

2个终端分别以卫星模式和地面模式注册到核心网。入网后分别得到的ip地址为：终端1：183.12.16.33；终端3：183.12.16.34，终端1可与终端3正常通信。ping包示意图如图6所示。

图6　终端ping包示意

本实验主要证明了：① 在融合架构中，在卫星网络与地面网络同时覆盖的区域，系统优先选择地面网络；② 融合架构中，处于卫星网络的终端1可以与处于地面网络的终端2正常通信。

5结束语

本文提出的卫星网络与地面网络融合的5G网络架构，将卫星网络和地面移动网络融合设计，充分利用了卫星网络的优势来弥补地面移动网络不足。而在核心网方面的扁平化处理，控制与转发分离的方式不仅极大地提高了核心网的性能，而且简化了各种信令处理流程。

参考文献

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[12]吴志斌，周昌盛，高奇.轻量级LTE核心网技术[J].移动通信，2014(11)：67-71.

李广达男，(1986—)，在读研究生。主要研究方向：卫星网与地面网的融合。

孙晨华女，(1964—)，研究员。主要研究方向：卫星通信系统与总体技术。

作者简介

基金项目：国家部委基金资助项目。

收稿日期：2015-12-02

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)03-0005-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.02

引用格式：李广达,孙晨华,刘刚.卫星网络与地面网络融合的5G网络架构[J].无线电工程,2016,46(3):5-8.