衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

李廣達(dá)，孫晨華，劉　剛

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

李廣達(dá)，孫晨華，劉剛

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要為解決5G的全球無死角覆蓋、永遠(yuǎn)在線和融合網(wǎng)絡(luò)的要求，提出了一種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并設(shè)計了在此架構(gòu)下的終端接入和呼叫的信令流程。在新架構(gòu)中地面網(wǎng)與衛(wèi)星網(wǎng)共用一套核心網(wǎng)，以核心網(wǎng)的角度來實現(xiàn)融合，打破了傳統(tǒng)2張網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)行或利用網(wǎng)關(guān)互聯(lián)的架構(gòu)基礎(chǔ)，提高了用戶體驗。實驗結(jié)果表明，星地網(wǎng)絡(luò)在核心網(wǎng)角度融合具有良好的系統(tǒng)性能，用戶可無差別地使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)鍵詞5G；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；核心網(wǎng)；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代移動通信系統(tǒng)(5G)已經(jīng)成為國內(nèi)外移動通信領(lǐng)域的研究熱點。2013年初歐盟在第7框架計劃啟動了面向5G研發(fā)的METIS項目，由包括華為公司等29個參加方共同承擔(dān)；韓國和中國分別成立了5G技術(shù)論壇和IMT-2020(5G)推進(jìn)組，“863”計劃也分別于2013年6月和2014年3月啟動了5G重大項目一期和二期研發(fā)課題[1]。目前，世界各國正就5G的發(fā)展愿景、應(yīng)用需求、候選頻段、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及使能技術(shù)進(jìn)行廣泛的研討，力求在2015年世界無線電大會前后達(dá)成共識，并于2016年后啟動有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程[2]。

目前傳統(tǒng)的移動通信和5G的研究中很少有人考慮到衛(wèi)星的應(yīng)用。然而衛(wèi)星具有覆蓋范圍廣、覆蓋波束大、組網(wǎng)靈活和通信不受地理環(huán)境限制等優(yōu)點，可以在陸地蜂窩覆蓋不到的邊遠(yuǎn)地區(qū)、山區(qū)、河海、空中和空間實現(xiàn)移動通信[3]。因此在研究5G時，在地面網(wǎng)絡(luò)中融入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來彌補(bǔ)地面網(wǎng)絡(luò)的不足將十分必要。

本文綜合國內(nèi)外最新研究成果，借鑒軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的思想，將星地網(wǎng)絡(luò)從核心網(wǎng)角度融合，利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點解決了地面網(wǎng)絡(luò)不易解決的問題。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于5G技術(shù)過于新穎，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界還沒有對其進(jìn)行定義，相關(guān)諸如國際電信聯(lián)盟(ITU)等國際通信標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)及全球3GPP、WiMAX等移動通信論壇也沒有給出正式的技術(shù)定義，使得5G技術(shù)至今還沒有一個清晰的概念。國際上，歐洲針對新一代接入網(wǎng)提出了CRAN架構(gòu)，采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)技術(shù)，希望將接入網(wǎng)實現(xiàn)基站池化。國內(nèi)IMT-2020(5G)推進(jìn)組提出了號稱“三朵云”的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將整個網(wǎng)絡(luò)分為接入云、控制云和轉(zhuǎn)發(fā)云，實現(xiàn)多網(wǎng)融合與核心網(wǎng)的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離。以上二者在研究5G時都沒有相關(guān)衛(wèi)星移動網(wǎng)絡(luò)描述。

2網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

文獻(xiàn)[4-6]中指出5G在峰值速率、用戶容量和數(shù)據(jù)流量等方面的需求指標(biāo)，本文認(rèn)為5G還應(yīng)有全球無死角覆蓋、永遠(yuǎn)在線、融合網(wǎng)絡(luò)和開放架構(gòu)易擴(kuò)展、易配置等特征，為解決這些技術(shù)要求，提出了一種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中融入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，不同于以往簡單地使用網(wǎng)關(guān)互聯(lián)，本文所提出的架構(gòu)考慮從核心網(wǎng)的角度來實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面移動網(wǎng)絡(luò)的融合，即衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面移動網(wǎng)絡(luò)共用一個核心網(wǎng)。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)恰恰體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的思想，將核心網(wǎng)使用SDN和NFV技術(shù)把各個網(wǎng)元的功能實體實現(xiàn)軟件化，可以解決2張網(wǎng)絡(luò)在核心網(wǎng)融合方面的問題。結(jié)合國內(nèi)外最新最熱成果，利用SDN和NFV技術(shù)將衛(wèi)星移動網(wǎng)絡(luò)融合到5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案，如圖1所示。

圖1　衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

新架構(gòu)主要由以下幾部分組成：

用戶終端：雙模模式，有衛(wèi)星模式和地面模式。分別相應(yīng)地接入衛(wèi)星基站和地面基站，接入基站時采用基于競爭的隨機(jī)接入。

基站：有衛(wèi)星基站(S-eNodeB)和地面基站(G-eNodeB)。基站的主要功能與LTE類似，主要有：

① 無線資源管理：包括所有與無線承載相關(guān)的功能，如無線承載控制、無線準(zhǔn)入控制、無線接口的移動性管理、終端上下文調(diào)度以及動態(tài)資源分配等[7,8]。

② IP包頭壓縮：通過對IP數(shù)據(jù)包頭的壓縮有助于無線接口的有效利用，否則這將是一個不小的開銷，特別對于像VoIP這樣的小數(shù)據(jù)包來說。

③ 安全性：所有通過無線接口發(fā)送的數(shù)據(jù)包都需要加密。

核心網(wǎng)：由核心網(wǎng)處理云和核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)云組成。處理云是控制面，負(fù)責(zé)處理所有控制信息。包含軟件實現(xiàn)的移動性管理實體(MME)、策略與計費(fèi)規(guī)則功能單元(PCRF)、歸屬簽約服務(wù)器(HSS)、IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)、TtT交換控制功能(TtTSCC)、鑒別、授權(quán)、計費(fèi)單元(AAA/QOS)、SGW和PGW的控制功能SGW-C和PGW-C。轉(zhuǎn)發(fā)云在處理云的控制下負(fù)責(zé)所有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

本架構(gòu)中的核心網(wǎng)借鑒軟件定義網(wǎng)絡(luò)的思想和云計算的思想，將核心網(wǎng)分為核心網(wǎng)處理云和核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)云，實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)與控制的分離。構(gòu)造一個新的核心網(wǎng)架構(gòu)，使其能夠提供最大的靈活性、開放性和可編程能力。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)思想的應(yīng)用使封閉的架構(gòu)變得開放，為集中化、精準(zhǔn)化地擴(kuò)展和配置核心網(wǎng)提供了方便[9]。控制處理面功能對計算資源需求較大，可以邏輯地集中部署并使用虛擬化技術(shù)。轉(zhuǎn)發(fā)面功能不集中部署，單純做轉(zhuǎn)發(fā)，具有簡單、穩(wěn)定和高性能等特性?？刂铺幚砻婀δ芗谢?，轉(zhuǎn)發(fā)面功能設(shè)備通用化，從而具有更靈活的資源調(diào)整及網(wǎng)絡(luò)控制能力。云計算是一種運(yùn)用于中央控制服務(wù)器上的技術(shù)，主要是在中央服務(wù)器上儲存數(shù)據(jù)和執(zhí)行應(yīng)用。云計算的使用可以極大地提高核心網(wǎng)運(yùn)行效率，也可有效地融合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)。

本架構(gòu)中地面基站采用光纖拉遠(yuǎn)的方式進(jìn)行大面積分布式布局，所有基站互相聯(lián)通同時又統(tǒng)一連接到核心網(wǎng)處理云和核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)云。此架構(gòu)中衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)在核心網(wǎng)的角度實現(xiàn)融合，打破了傳統(tǒng)2張網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)行或利用網(wǎng)關(guān)互聯(lián)的架構(gòu)基礎(chǔ)，提高了網(wǎng)絡(luò)性能和用戶體驗。

在5G網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是地面移動網(wǎng)絡(luò)一個強(qiáng)有力的補(bǔ)充，在地面網(wǎng)絡(luò)未覆蓋到的地方，可以由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為移動用戶提供移動通信服務(wù)。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)同時覆蓋的區(qū)域，由于考慮到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的資源有限和延時較大等特點，還是優(yōu)先選擇地面網(wǎng)絡(luò)。

3新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要信令流程

3.1終端注冊

終端開機(jī)獲取本機(jī)信息后需要向網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行注冊。

終端先判斷出自己所處的環(huán)境，繼而判斷出是使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模式還是地面網(wǎng)絡(luò)模式，然后選擇正確的模式向網(wǎng)絡(luò)注冊。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)注冊流程如圖2所示。

圖2　5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)注冊流程

流程說明如下：

① 隨機(jī)接入過程。隨機(jī)接入過程需要基站和終端的協(xié)作下共同完成，基站的主要工作就是接收來自不同終端的前導(dǎo)信息和接入信息，終端的主要工作就是發(fā)送前導(dǎo)信息和隨機(jī)接入信息。

② 基站收到注冊請求信令，信令中攜帶主機(jī)信息(包含主機(jī)號、主機(jī)MAC地址和使用模式等)，基站將其打包處理成ip協(xié)議信令轉(zhuǎn)發(fā)至核心網(wǎng)處理網(wǎng)元。

③ 核心網(wǎng)處理網(wǎng)元發(fā)起對終端的認(rèn)證、鑒權(quán)和安全密鑰分發(fā)等過程。

④ 核心網(wǎng)返回注冊響應(yīng)信令，為終端分配ip地址。5G網(wǎng)絡(luò)中終端永遠(yuǎn)在線，除非終端主動退網(wǎng)，否則不會丟失ip地址。

3.2終端呼叫

終端呼叫根據(jù)應(yīng)用場景不同可以分為以下幾種情況：① 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端呼叫衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端；② 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端呼叫地面網(wǎng)絡(luò)終端；③ 地面網(wǎng)絡(luò)終端呼叫衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端；④ 地面網(wǎng)絡(luò)終端呼叫地面網(wǎng)絡(luò)終端。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)終端呼叫信令流程如圖3所示。

圖3　5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)終端呼叫信令流程

流程說明如下：

① 呼叫發(fā)起信令。在呼叫開始時終端1只知道終端2的主機(jī)號，所以呼叫發(fā)起信令攜帶的是終端2的主機(jī)號、終端1的主機(jī)號和ip地址等信息。

② 信令到達(dá)核心網(wǎng)，核心根據(jù)用戶注冊表查出終端2的IMSI號和ip地址等信息，再根據(jù)終端2的最后一次位置更新來對終端2進(jìn)行呼叫。

③ 尋呼到達(dá)終端2，終端2上報自己的當(dāng)前狀態(tài)。

④ 連接建立成功信令向終端1通知終端2的主機(jī)號和ip地址。

⑤ 核心網(wǎng)處理網(wǎng)元為2個終端建立業(yè)務(wù)鏈路。

⑥ 呼叫結(jié)束后，終端1上發(fā)呼叫結(jié)束信令，上報核心網(wǎng)處理網(wǎng)元通話結(jié)束，核心網(wǎng)處理網(wǎng)元拆除業(yè)務(wù)鏈路，釋放信道資源。

4仿真實現(xiàn)

在本架構(gòu)中由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的雙重覆蓋，所以會有3種不同的通信方式，分別是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)通信以及地面網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)通信。在仿真測試時，主要測試了終端注冊能力以及網(wǎng)絡(luò)融合后衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的通信能力。

核心網(wǎng)采用軟件模擬的方式，運(yùn)行在虛擬機(jī)上?；九c終端采用思博倫的Landslide測試工具模擬[10-12]。信道模擬器模擬信道鏈路，時延采用260 ms。

4.1終端注冊

注冊測試框圖如圖4所示。

測試結(jié)果如下：

① 在既有衛(wèi)星信號又有地面基站信號時，4個終端通過地面基站注冊到核心網(wǎng)；

② 切斷終端與地面基站的鏈路，只有衛(wèi)星信號時，4個終端通過衛(wèi)星基站注冊到核心網(wǎng)；

③ 切斷終端1和終端2與地面基站的鏈路，切斷終端3和終端4與信道模擬器的鏈路。終端1和終端2通過衛(wèi)星基站注冊到核心網(wǎng)，終端3和終端4通過地面基站注冊到核心網(wǎng)。

4.2衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端與地面網(wǎng)絡(luò)終端通信

通信測試框圖如圖5所示。

圖5　通信測試框

2個終端分別以衛(wèi)星模式和地面模式注冊到核心網(wǎng)。入網(wǎng)后分別得到的ip地址為：終端1：183.12.16.33；終端3：183.12.16.34，終端1可與終端3正常通信。ping包示意圖如圖6所示。

圖6　終端ping包示意

本實驗主要證明了：① 在融合架構(gòu)中，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)同時覆蓋的區(qū)域，系統(tǒng)優(yōu)先選擇地面網(wǎng)絡(luò)；② 融合架構(gòu)中，處于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的終端1可以與處于地面網(wǎng)絡(luò)的終端2正常通信。

5結(jié)束語

本文提出的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面移動網(wǎng)絡(luò)融合設(shè)計，充分利用了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢來彌補(bǔ)地面移動網(wǎng)絡(luò)不足。而在核心網(wǎng)方面的扁平化處理，控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的方式不僅極大地提高了核心網(wǎng)的性能，而且簡化了各種信令處理流程。

參考文獻(xiàn)

[1]王志勤，羅振東，魏克軍.5G業(yè)務(wù)需求分析及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程[J].中興通訊技術(shù)，2014，20(2)：2-4.

[2]李遠(yuǎn)東.5G實現(xiàn)移動通信與電視廣播的無縫融合[J].衛(wèi)星電視與寬帶多媒體，2014(4)：21-25.

[3]張軍.面向未來的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[J].國際航空雜志，2008(9)：34-37.

[4]ZHANG Jun,CHEN Run-hua,ANDREWS J G,et al.Coordinated Multi-cell MIMO Systems with Cellular Block Diagonalization[C]∥ Proceedings of the 41st Asilomar Conference on Signals,Systems and Computers,2007:1 669-1 673.

[5]董愛先，王學(xué)軍.第5代移動通信技術(shù)及發(fā)展趨勢[J].通信技術(shù)，2014，47(3)：235-240.

[6]姜大潔，何麗峰，劉宇超，等.5G：趨勢、挑戰(zhàn)和愿景[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2013(9)：20-26.

[7]王立靜，汪 中，孫晨華，等.TDMA衛(wèi)星系統(tǒng)與IMS融合體系及資源分配[J].無線電通信技術(shù)，2012，38(4)：18-20.

[8]LI Q C,NIU H N,PAPATHANASSIOU A T,et al.5G Network Capacity:Key Elements and Technologies[J].IEEE Vehicular Technology Magazine,2014,9(1):71-78.

[9]尤肖虎，潘志文，高西奇，等.5G移動通信發(fā)展趨勢與若干關(guān)鍵技術(shù)[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2014(44)：551-563.

[10]CHANNEGOWDA M,NEJABATI R,SIMEONIDOU D.Software-defined Optical Networks Technology and Infrastructure:Enabling Software-defined Optical Network Operations[J].IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking,2013,5(10):A274-A282.

[11]王國仲，李小文.TD-LTE UE開機(jī)附著信令過程的詳細(xì)研究[J].廣東通信技術(shù)，2012(9)：19-22.

[12]吳志斌，周昌盛，高奇.輕量級LTE核心網(wǎng)技術(shù)[J].移動通信，2014(11)：67-71.

李廣達(dá)男，(1986—)，在讀研究生。主要研究方向：衛(wèi)星網(wǎng)與地面網(wǎng)的融合。

孫晨華女，(1964—)，研究員。主要研究方向：衛(wèi)星通信系統(tǒng)與總體技術(shù)。

作者簡介

基金項目：國家部委基金資助項目。

收稿日期：2015-12-02

中圖分類號TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1003-3106(2016)03-0005-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.03.02

引用格式：李廣達(dá),孫晨華,劉剛.衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[J].無線電工程,2016,46(3):5-8.