【NTN 卫星通信】低轨卫星通信需要解决的关键问题

1 低轨卫星通信需要考虑的关键问题

  3GPP在开始阶段对低轨卫星通信需要面对的关键问题对架构的影响进行了探讨，主要在协议23.737中，我们来看看有哪些内容吧。

2 关键问题讨论

2.1 大型卫星覆盖区域的移动性管理

  PLMN的覆盖区域受到HPLMN母国监管机构的限制，地面系统能够处理不同国家PLMN在边境地区部分重叠的覆盖区域。此外，“全国”网络覆盖范围由分组为跟踪区域的小区组成，作为终端移动管理处理的一部分。相比之下，作为接入网的一部分的卫星小区或具有一组小区的卫星，可以至少部分地跨越多个国家或地球的大部分地区，并且可以比完整的地面PLMN更大。5G系统移动性管理在设计时并未考虑到卫星系统规模的接入网覆盖。此外，单个PLMN同时具有卫星和地面3GPP无线接入以及在这两种接入类型之间移动的UE移动性的场景应该是可能的。

在这个关键问题中，预计将研究以下几点：

1. 现有的连接管理机制是否可以重用用于通过卫星3GPP访问5GC的UE ？
2. 在大卫星覆盖范围内，如何处理终端可达性（寻呼）？
3. 卫星覆盖区域与5G系统跟踪/注册区域的关系是什么？
4. 终端用户能否同时透过卫星接达及地面接达接达5GC ？以及如何?
5. 终端用户如何选择PLMN内的卫星和地面接入？
6. 卫星和地面接入之间的空闲模式移动是如何执行的？
7. 卫星和地面接入之间的连接模式移动性如何进行？
8. 哪些国家特定的法规要求会影响体系结构设计，它们是如何执行的？
9. 漫游收费是否需要更改？

2.2 移动卫星覆盖区域的移动性管理

  与地面接入网相反，地理覆盖范围、小区定义和跟踪区域以及登记区域定义之间可能存在脱节。
这可能会对与地理区域相关的功能（如授权、计费等）产生一些影响。
在这个关键问题中，预计将研究以下几点：

• 现有的连接管理机制是否可以重新用于通过卫星3GPP访问5GC的终端？
• 当考虑采用移动覆盖区域和卫星上的gNB接入时，对5G网络的功能有何影响？
• 在考虑采用具有移动覆盖区域和卫星上的gNB接入时，对跟踪区域和注册区域的定义和管理，以及对移动性管理有何影响？
• 对具有移动覆盖区域的卫星接入和星载gNB有什么要求，以限制对5G网络和终端的影响？
• 在移动卫星接达覆盖区域和星载gNB的情况下，如何处理终端可达性（寻呼）？
• 移动卫星覆盖区域和车载gNB对空闲模式移动性有何影响？
• 移动卫星覆盖区域和车载gnb对连接gNB何影响？
• 终端用户能否同时透过卫星接入及地面接入访问5GC ？以及如何实现?

2.3 卫星延迟

  在卫星接入中，UE和卫星通信有效载荷之间的单向传播延迟的范围可以在2ms和140ms之间，这取决于卫星高度和UE相对于UE的相对位置。此外，在包括卫星间链路（ISL）在内的非地球静止卫星星座中，UE和核心网功能元素之间的延迟可能会增加，这取决于通信端点的实际位置，但也取决于NGSO接入网配置的功能和操作模式。

• 考虑到5G系统集成卫星接入的场景，“卫星接入延迟对非接入层5G系统的影响（例如，会话管理和移动管理程序）是什么？”，注意：
• 终端与接驳节点之间的传播延迟会有很大差异（即2毫秒至140毫秒之间）；
• 卫星接入节点与核心网之间的传播延迟也会有很大差异（从2ms到140ms不等）。
• 5G系统的架构假设是什么，以尽量减少对NAS的影响？
• 对卫星接入有什么要求，以尽量减少对NAS和5G系统的影响？

2.4 卫星接入的QoS

  由于卫星距离地球表面较远，在5G系统中引入卫星接入将导致比地面情况下更大的信息传递延迟。
在这一关键问题上，预计将研究以下几点：

• 引入卫星接驳会对5GS的服务质素有何影响？
• 5GS的哪些功能节点和程序需要更新，以考虑到这些影响（如有）？

2.5 卫星回传的QoS

  在卫星连接被用作地面RAN节点（例如在远程位置或在飞机或船舶等移动平台上）和地面CN节点（例如在中心位置）之间的回程的情况下，这种卫星连接可能无法为所有流提供适当的QoS。例如，可能需要超低延迟（例如使用5QI = 81，数据包延迟预算为5毫秒），但卫星链路可能是GEO（地球静止轨道）卫星链路，典型的单向延迟至少为240毫秒- 280毫秒。
针对这一关键问题，希望研究以下几点。

• 如果使用卫星回传，对5G系统的QoS有什么影响？
• 5GS的哪些功能节点和程序需要更新，以考虑到这些影响（如有）？

2.6 基于NGSO再生的卫星接入的RAN移动性

  在移动的NGSO卫星上搭载ran意味着为任何给定的5CN频繁切换这些Ran，以及通过Xn接口进行互连。

  由于NGSO卫星覆盖范围大，且可包含数量可观的UE，因此可以同时将大量UE从一个RAN切换到另一个RAN，从而导致锚点由RAN和CN进行组切换。
在这种情况下，这一关键问题应解决以下几点：

• 5CN从一个RAN切换到另一个RAN的条件是什么？
• 为了保证RAN相对于5CN的移动性，对Xn和NG接口有什么要求？
• 5CN和RAN有什么功能要求，以确保RAN相对于CN的移动性？
  也应检查其他专题的现有流程/拟议流程。

2.7 卫星接入的多重连接

  在5G系统中引入卫星意味着5G网络需要解决不同的接入能力，例如传播延迟，覆盖范围相对于地面网络可以满足的范围。
  在这种情况下，多连接被定义为5G CN为给定的UE同时建立多个会话的能力，这些会话中的每个会话都利用不同3GPP接入网（地面和卫星）的特性（如覆盖范围、广播能力）在转发和/或返回方向上的优势。

图1：地面、NGSO卫星和GEO卫星的多连接架构

在这一关键问题上预期将处理下列各点：

• 引入多路卫星接驳对5GS有何影响（如有的话）？
• 若要确定影响，是否应利用与TR 23.793[5]所述的ATSSS有任何相似之处？
• 如果确定影响，5GS中哪些功能节点和程序需要更新以考虑这些影响？
  特别是，在考虑以下情况时，会有什么影响？
• 地球静止卫星接入和非地球静止卫星接入。
• 地球静止卫星接入和地面接入。
• 非地球静止卫星接入和地面接入。
• 非地球静止卫星接入和地面接入。
• 由多个gnb组成的非地球静止卫星接入，这些gnb通过卫星间链路上的Xn接口相互连接。
  应评估对Xn和NG接口的影响，以及接入网选择和切换的标准。
• 也应审查其他专题的现有程序/拟议程序。

2.8 卫星链接在边缘内容分发中的作用

  当gNB通过包含卫星链路的传输层连接时，就有可能在靠近边缘的地方分发内容。
  在这一关键问题上，预期将处理下列问题：

• 架构影响，使内容不需要通过卫星链路多次发送。
• 这个关键问题没有解决内容如何分发到缓存。

2.9 卫星/地面混合回传的多连接

  下面来自TS 22.822[2]条款5.5的插图描述了应该遇到的问题。
  Alice拥有两家增材制造（ALM）工厂，第一家工厂位于5G地面RAT无线电覆盖的边缘，第二家工厂没有5G地面接入网的无线电覆盖。这两个工厂在操作、维护和生产监控方面需要完全自动化。ALM电子文件必须上传到工厂的机器上，然后远程控制和监控机器。网络资源已经饱和，无法有效地传输文件，命令和监控系统需要反应性。
  覆盖该地区的卫星系统可以为工厂提供高数据速率的连接。但是这种卫星系统具有高延迟，不适合远程监控和指挥，而现有的地面系统具有低延迟，但数据速率很差。
  这个关键问题的目标是调查有效利用这两个环节的可能性。例如，远程监控和指挥可以通过低延迟的地面链路进行，而对延迟不太敏感和消耗数据速率的通信将使用高数据速率的卫星链路。
  考虑回传配置，其中核心网和®AN之间的流量通过一条或多条卫星链路和一条或多条地面链路传输。在这种配置中，流量可以通过核心网和®AN之间的两条链路进行引导、交换或/和分割。
  下图说明了这种多连接回程配置，要求有效利用可用链路。
注：本条款不涉及UE与核心网之间的多链路连接。

图2：两个链路上的多链路回程

这个关键问题的目标是：

1. 引入带卫星链路的回程多重连接对5GS有何影响（如有的话）？
2. 可以在N2， N3接口上管理的最佳回程流量粒度是什么（例如，每个ue，每个qos流）？
3. 引导/分割/切换流量到特定回程链路的标准是什么？在哪里做出决定？
4. 是否应调整N2、N3的协议配置，以支持卫星链路（例如，支持高延迟）？

2.10 超国家卫星地面站的监管服务

  预计终端实际所在国家的电信法规将适用于该终端的电信运营商。一些法规的放松可能是不可避免的，但需要协商的放松越少，越有利于快速部署。
  当卫星的覆盖范围跨越国家边界和/或终端的通信使用与终端不同国家的地面设备（例如地面站）时，可以预期系统的复杂性。如图3所示：

图3：卫星波束与几个国家重叠的卫星接入

  使用卫星回程可能会出现另一种类似的情况。在这种情况下，卫星传输将使RAN与5CN互连。这颗卫星的覆盖范围可能与一个以上的国家重叠。如图4所示：

图4：卫星波束与若干国家重叠的卫星接入

  在卫星接入和卫星回传情况下，至少应在这一关键问题中处理以下几点：
a)当需要时，如何确保终端使用的是终端实际所在国家的核心网？
b)当终端位于空中或海上位置时，如何选择核心网？
c)如果卫星系统在多个国家使用相同的MCC+MNC，如何启用每个国家，用户特定的卫星接入禁止？
d)如何将紧急呼叫路由到正确的PSAP？
e)如何处理合法窃听？
f)如何处理公众警告系统？
g)如何处理收费和资费通知？

参考文献

【1】3GPP TR 23.737