【卫星通信】高通提案S2-2504588解读-基于控制平面优化的GEO卫星IMS语音解决方案
引言
3GPP SA2工作组于2025年5月通过的高通提案S2-2504588，针对静地轨道卫星（GEO）支持IMS语音服务（VoLTE/IMS）的场景，提出了基于控制平面CIoT EPS优化（Control Plane CIoT EPS Optimization）的技术解决方案。
该提案直接对应3GPP TR 23.700-19中锚定的“关键问题1”（K.I. #1），旨在通过NB-IoT非地面网络（NTN）连接至EPC的架构优化，解决高时延与低功耗设备的实时通信矛盾。本文将从技术挑战、方案核心、架构设计三方面展开解析。
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一、技术挑战：高时延与低功耗的冲突
GEO卫星的传播时延（约250-300ms）对IMS语音业务的实时性和可靠性提出了严峻考验。尤其在NB-IoT设备上，语音通信需同时满足以下需求：
- 低功耗要求：NB-IoT设备设计目标之一是延长电池寿命，需支持扩展的不连续接收（eDRX）和长周期寻呼；
- 实时性约束：语音包需在300ms双向时延内完成传输（符合ITU-T G.114建议），而GEO单程时延已占主导；
- 协议栈效率：传统用户平面（UP）数据传输需经过RLC/MAC层应答重传机制，叠加高时延将导致效率低下。
高通的方案需在这些限制下，实现EPC网络对NB-IoT NTN设备的IMS语音覆盖。
二、解决方案核心：控制平面CIoT优化的创新应用
3GPP TS 23.401中定义的控制平面CIoT优化（CP CIoT）原本用于NB-IoT设备的短数据传输，允许用户平面数据通过信令无线承载（SRB）直接封装于RRC层，省去专用数据承载的建立流程。高通方案将其拓展至IMS语音业务，通过以下设计实现低时延、低协议开销的传输：
1. 高层原则（High-Level Principles）
- 技术基础：
基于3GPP TS 23.401中定义的控制平面CIoT优化技术，将IMS信令流（SIP/SDP）与语音媒体流（RTP/UDP/IP）分别映射到独立的专用信令无线承载（SRB），以满足差异化的QoS需求。 - 关键优势：
- 低协议开销：通过控制平面传输避免用户平面（UP）承载的冗长建立流程；
- 差异化处理：信令流（高可靠性）与语音流（低时延）独立处理，适应GEO高时延特性；
- 兼容性：无需改动现有EPC与IMS核心网，最大化复用既有网络架构。
2. 需求与挑战
- IMS信令流要求：
- 高可靠性：SIP/SDP信令需确保无误传输；
- 容错能力：可容忍部分时延（单程约250-300ms）。
- 语音媒体流要求：
- 超低延迟：语音包需在300ms双向时延内完成传输；
- 低协议开销：避免RLC/MAC层应答重传机制导致的效率下降；
- 容许丢包：依赖编解码器（如AMR）进行丢包补偿。
三、网络架构与承载映射
1. 系统架构设计
提案文档定义了NB-IoT NTN终端通过控制平面CIoT优化连接至EPC的高层架构（参见下图），关键组件包括：
- NB-IoT NTN终端：支持双SDF分流与专用SRB配置；
- E-UTRAN基站：分配独立逻辑信道（Logical Channel）至不同SRB，标记优先级；
- EPC核心网：PGW需兼容IP与非IP PDN连接（如NIDD封装），MME增强NAS层对语音流的处理逻辑。
2. PDN连接类型适配
提案提供两种PDN类型配置选项，以适应不同部署场景：
| 选项 | PDN类型 | IMS信令流处理 | 语音媒体流处理 |
|---|---|---|---|
| a | IP | SIP/UDP/IP | RTP/UDP/IP |
| b | 非IP（NIDD） | SIP/NIDD（需封装） | RTP/NIDD |
关键注释：
- 文档中明确指出，IMS信令与语音流的PDN连接处理方式（是否共用PDN连接）尚待进一步标准化（FFS）。
- 非IP模式下，NIDD协议仅通过NAS层传输数据，避免IP协议栈带来的额外开销。
3. EPS承载与QoS映射
- 默认EPS承载：
提案建议使用QCI-5（映射至IMS信令流）的默认承载，省去动态建立专用GBR承载的延迟。 - 原因：
- NB-IoT不支持GBR承载；
- 传统流程中动态PCC（策略与计费控制）建立QCI-1专用承载会引入额外时延（与GEO高RTT叠加）。
- 解决方式：
直接复用默认EPS承载（QCI-5），仅需通过NAS信令协商QoS参数，大幅简化流程。
四、无线协议栈优化
1. 专用SRB与协议头压缩
- SRB1-IMS（信令流）：
- 承载SIP/SDP信令，启用RLC层ARQ重传以确保可靠性；
- 头压缩采用ROHC（如SIP头压缩）。
- SRB2-Voice（语音流）：
- 承载RTP/UDP/IP或RTP/NIDD数据；
- 禁用RLC层ARQ重传（UM模式），避免反馈延迟导致丢包补偿滞后；
- 启用ROHC（如RTP/UDP/IP头压缩至1-2字节），降低协议开销。
2. RRC状态机调整
- 通过延长RRC连接保持定时器（Connected态），减少NB-IoT设备因短暂语音通话触发RRC连接建立/释放的频次，降低功耗。
- 例如：默认RRC释放定时器为20秒，语音通话场景下可延长至60秒。
3. 动态资源调度优化
- 在MAC层为SRB1-IMS和SRB2-Voice分配不同优先级的逻辑信道，确保语音流优先调度。
- 允许基站基于QoS需求动态调整资源分配（如为SRB2-Voice预留固定大小的物理层资源块）。
五、QoS与性能折中
1. 延迟与可靠性权衡
- IMS信令流：
- 多重ARQ（NAS层+RLC层）确保可靠性，但可能引入额外延迟。
- 语音媒体流：
- 禁用ARQ后可能导致端到端丢包率为5%-10%；
- 实际性能依赖编解码器的丢包隐藏能力（如AMR-WB的参数内插算法）。
2. 卫星链路带宽约束
- NB-IoT单用户峰值速率：
- 上行：~66 kbps（15 kHz子载波，单用户单时隙）；
- 语音包压缩后速率：单路VoLTE约23.85 kbps（AMR 12.2 kbps + 包头压缩）。
- 并发容量限制：
单基站支持的并发语音用户数受NB-IoT资源块分配与GEO信道条件限制（可能仅支持数十路并发）。
六、产业应用与兼容性
1. 适用场景
- 应急通信：偏远地区救援设备通过GEO卫星接入紧急语音服务；
- 物联网医疗：穿戴式设备实时上传语音指令；
- 能源监测：海上钻井平台低功耗终端的远程语音反馈。
2. 部署优势
- 零改动现有EPC与IMS：仅需对E-UTRAN与终端进行软件升级；
- 成本效益：无需改造卫星硬件（仅作透明转发），降低部署门槛。
3. 未来演进方向
- 无缝迁移至5G SA：验证该方案在5GC中的可行性（可能涉及N2/N3接口适配）；
- 多轨道卫星融合：研究NGSO低轨星座与GEO混合组网中的动态QoS调度策略。
结语
高通提案S2-2504588通过控制平面CIoT EPS优化+专用SRB设计，为GEO-NB-IoT终端提供了一种轻量化的IMS语音解决方案。其核心创新在于将差异化QoS需求与NB-IoT低功耗特性深度结合，在最小化网络改造成本的前提下填补了技术空白。尽管存在容量与星载资源的限制，但该方案为天地一体化网络发展提供了阶段性答案，也为后续6G多轨道卫星通信的标准化奠定了基础。