5G(NR) NTN 卫星组网架构

5G(NR) NTN 卫星组网架构

参考 3GPP TR 38.821
5G NTN 技术适用于高轨、低轨等多种星座部署场景，是实现星地网络融合发展的可行技术路线。5G NTN 网络分为用户段、空间段和地面段三部分。其中用户段由各种用户终端组成，包括手持、便携站、嵌入式终端、车载、船载、机载终端等；空间段即星座中的所有卫星,作为通信中继站,提供用户段与地面段之间的连接，卫星可以是高轨卫星、中轨卫星或低轨卫星；地面段包含信关站、网络设备、卫星控制中心、测控站及地面支撑网等，用户通过地面段接入核心网。除此之外，地面段还包含对空间段的测控、网络运行管理及用户管理等功能。

卫星网络分层架构示意图如下图所示：

5G NTN 网络基于不同的应用场景与差异化的用户需求，聚焦数据业务传输、短消息交互以及语音通话等功能，支持多体制融合、多形态终端、多场景漫游、灵活自主可控。其弊端在于卫星的轨道高度引起的高延时（GSO 卫星可达 120ms 以上）以及深衰落（最高可达 170dB），还有低轨卫星高速移动引入的大 doppler（几十 kHz）。
对于深衰落，通常会在卫星侧通过提高天线和面板的尺寸来提升发射和接收能力，以确保当前在网的普通手机也能正常进行卫星通信；对于延时和多普勒，3GPP 在协议中制定了一系列的解决方案，让终端和基站能够通过卫星星历信息确认延时和多普勒的变化，并在发射端完成补偿，确保通信的正常进行。

卫星接入 5G 核心网的系统架构

卫星信号透明模式

透明转发架构中，终端与地面基站之间通过服务链路和馈线链路连接，卫星提供射频中继转发功能，实体卫星和地面网关对数据流转发过程透明。该架构可应用于新发射卫星技术体制，也可复用现有卫星资源（具备透明转发能力）。
5G NTN 透明转发架构示意图如下图所示：

卫星信号再生模式

星上再生架构中，5G NTN 基站功能集成到卫星侧,如图 3 所示。该架构具有灵活组网、传输时延低、支持跳波束资源灵活调度的特点，但技术复杂度和卫星成本较高。
5G NTN 可再生网络架构示意图如下图所示：

卫星信号再生加 gNodeB CU/DU 分离模式

搭载有效载荷的卫星作为 gNodeB-DU，部分 NR 协议由卫星处理。SRI 在地面 gNodeB-CU 和卫星 gNodeB-DU 之间传输 F1 接口协议。卫星信号再生加 gNodeB CU/DU 分离模式接入 5G 核心网的系统架构如图 4 所示。
卫星信号再生加gNodeB CU/DU 分离模式接入5G核心网的系统架构示意图如下图所示：

NTN 的卫星接入类型包括 LEO 卫星、MEO 卫星和 HEO 卫星。
5G 核心网功能需要相应增强，具体包括：

• 通过 UDM 签约控制卫星接入权限 ；
• 移动性管理增强；
• 适应大范围的跟踪区管理、寻呼优化 ；
• 计费增强，标识卫星接入计费等。

5G NTN 组网架构推进

天地一体网络建设面对“天星”、“地网”体制分离的现实问题，目前中国电信在技术设计上结合地面网络和卫星网络的双重运营经验，基于 5G NTN 技术标准，提出星地漫游和星地融合两种网络架构。

星地漫游

星地漫游场景下，5G NTN 网络与地面蜂窝网络之间通过国际漫游、省间漫游实现用户的自主接入，实现星地网络的能力协同。用户可在 5G NTN 网络和地面蜂窝网络间漫游，5G NTN 网络用户可根据自身需求漫入地面蜂窝网络，通过地面蜂窝网络使用高清语音、视频通话、数据传输等业务；地面蜂窝网络用户可在无覆盖或应急场景下漫入 5G NTN 网络，使用短信、语音、低速数据等业务。
5G NTN 用户漫游到地面蜂窝网络架构示意图：

地面蜂窝网络用户漫游到 5G NTN 网络架构示意图：

星地融合

星地融合是星地漫游网络架构的进一步演进，在星地融合网络架构中，卫星作为一种接入方式经信关站连接到天地一体化核心网，为用户提供无差别化的基础通信业务和增值业务，同时可为行业专网客户提供卫星 5G LAN、星上边缘计算和切片等业务。天地一体阶段的星地融合网络架构如下图所示：

星地融合网络架构将实现 5G NTN 卫星网络与地面蜂窝网络的深度融合，提供弹性可重构的灵活组网能力，支持星地网络节点功能的柔性分割，实现星地多层网络间自适应路由，支持星地一体灵活部署及灵活迁移，通过智能网络统一管理系统，实现星地网络资源协同调度及频谱资源高效利用。以汽车直连、手机直连为代表的终端用户可以无感接入最合适的网络节点，并在星地间无缝切换。相比传统地面网络架构及星地漫游网络架构，星地融合网络架构提供的无处不在、无感接入、无缝切换的通信网络服务，将构建起性能更优异的独特竞争优势。
对于 5G NTN 来说，受限于标准不完善、端到端产业不成熟，整体来看，其网络架构前期应以透明转发为主，构建星地漫游网络架构；后期随着卫星技术、星上再生技术的成熟，再按需调整网络架构部署形态，逐步迁移到星地融合上来，真正实现星地一体无缝切换。