【NTN 卫星通信】NTN关键问题的一些解决方法（一）

1 概述

  3GPP在协议23.737中对一些卫星通信需要面对的关键问题进行了探讨，并且讨论了初步的解决方法，继续来看看这些内容把。
  问题包括：
1、大型卫星覆盖区域的移动性管理
2、移动卫星覆盖区域的移动性管理
3、卫星延迟
4、卫星接入的QoS
5、卫星回传的QoS
6、基于NGSO再生的卫星接入的RAN移动性
7、卫星接入的多重连接
8、卫星链接在边缘内容分发中的作用
9、卫星/地面混合回传的多连接
10、超国家卫星地面站的监管服务

2 关键问题的解决方法

2.1 基于位置和固定跟踪区（TA）的卫星接入

  如图 1 所示，假设无论是非地球静止轨道（NGSO）卫星还是地球静止轨道（GEO）卫星，都与一个地面基站（gNB，在图中位于地面）相连。该地面基站与核心网（CN）相连。与卫星运动、波束控制等相关的方面在无线接入网（RAN）中进行处理。
  对于非地球静止轨道卫星，其运行平台处于移动状态，且卫星轨道能够被精确确定和预测。通过一种跟踪方案，卫星波束在地面上形成固定的模式，以便向用户设备（UE）提供固定的无线电覆盖范围。这可以通过天线的电子和 / 或机械联合控制来实现，因为这种方式在一些卫星上已经投入使用。
  由于卫星天线的直径受到技术限制，波束的大小会随着卫星高度的增加而增大。例如，低地球轨道（LEO）卫星的波束半径范围可达数十千米，而中地球轨道（MEO）或地球静止轨道（GEO）卫星的波束半径则可达数百千米。
注：由于该解决方案涉及卫星的覆盖范围，因此对于地面基站是位于卫星上还是地面上不做任何假设。卫星之间通过星间链路（ISL）进行互联也是可行的。

图1 无线接入网（RAN）中的卫星集成

  A - 固定跟踪区（TA）的原则 - 与地面网络一样，跟踪区被定义为一组小区。跟踪区相对于地球表面是固定的。对于非地球静止轨道（NGSO）卫星，随着时间推移，地面基站（gNB）与卫星波束之间的映射关系将会改变（例如，在透明模式下，由于馈线链路切换的原因）。对于地球静止轨道（GEO）卫星，卫星波束是固定的，并在地球上形成固定的无线电覆盖模式。正如技术报告 TR 38.821 [7] 中所描述的那样，即使存在移动的波束 / 小区，基于地球的固定跟踪区也能够得到保障。

  因此，无论是在地球静止轨道（GEO）卫星还是非地球静止轨道（NGSO）卫星的情况下，都无需向核心网（CN，具体来说是接入和移动性管理功能实体 AMF）更新小区 / 跟踪区与地面基站（gNB）之间的新映射关系。

  假定一个无线小区的大小不能小于波束的大小，并且一个无线小区要么由单个波束组成，要么由多个波束组成，这一点在技术报告 TR 38.821 [7] 以及无线接入网（RAN）第二工作组（WG2）的文档 LS R2-2004266 中有相关描述。

  注：如果由于例如跨越国界的波束 / 小区覆盖的监管要求等原因，导致一个波束 / 小区覆盖的区域超出了可接受的范围，那么就需要一个补充解决方案。此类补充解决方案将在关键问题 #10 中进行讨论。

  这一原则如图 2 所示。在这个特定的例子中，跟踪区 #1 和跟踪区 #2 是根据一个固定（地球静止轨道 GEO）卫星系统的波束点情况来定义的：对于每个这样的跟踪区，一定数量的固定小区和卫星波束与该跟踪区相关联。在同一图中还展示了来自非地球静止轨道移动卫星的（较小的）移动波束点。在这种情况下，它不会影响跟踪区的定义，因为跟踪区与移动波束是相互独立的。
  这一定义应考虑到卫星接入所使用的用于定位用户设备（UE）的位置估计系统的准确性。
  这一定义应考虑到卫星接入所使用的用于定位用户设备（UE）的位置估计系统的准确性。

图2 地球静止轨道卫星和非地球静止轨道卫星的卫星波束、小区以及跟踪区

  图 3（采用波束控制的非地球静止轨道卫星）还展示了从一颗卫星到另一颗卫星的切换机制，以确保搭载在非地球静止轨道卫星上的移动地面基站（gNB）在服务上的连续性。由于卫星的星历由卫星运营商控制，借助有效载荷的卫星星座的优化设计，能够保证小区和跟踪区（TA）始终至少由一个激活的波束提供服务。这意味着在切换期间，一个小区应至少同时被两颗卫星覆盖。这也意味着，对于地球静止轨道卫星，一个跟踪区将由同一颗卫星提供服务，而对于非地球静止轨道卫星，一个跟踪区可能由不同的非地球静止轨道卫星提供服务。

  在可操纵波束的情况下，其工作模式是这样的：当一颗卫星无法通过其可操纵波束为一个小区提供服务时，至少应有另一颗进入的卫星来取代这颗离开的卫星，为相应的小区提供服务。

图3 非地球静止轨道卫星的波束控制与切换

B - 移动性注册更新原则

移动性

用户设备（UE）基于与地面新空口无线接入网（NG-RAN）类似的流程来进行无线小区选择。根据所选择的无线小区，用户设备确定其所在的跟踪区。接入和移动性管理功能（AMF）根据现有规范确定注册区。
注：小区选择和波束选择相关方面应由技术规范组无线接入网（TSG RAN）进行规定。
C - 核心网（CN）寻呼原则 - 5G 核心网（5GC）仍在分配的注册区内（即跟踪区列表）对处于连接管理空闲态（CM-IDLE）的用户设备进行寻呼。

2.2 向（RAT）类型信息元素（IE）添加新值

  这是针对关键问题 #4“卫星接入的服务质量（QoS）” 的一个候选解决方案。

  该解决方案对于其他一些用例中核心网（CN）对卫星接入的感知也提供了部分解决方案，例如无线接入技术（RAT）限制。

  该解决方案提议在无线接入技术（RAT）类型中添加一个新值。接入和移动性管理功能（AMF）将在 N2 设置期间，从全球无线接入网节点 ID 的地面基站（gNB）ID 部分以及可能的跟踪区（TA）来确定无线接入技术类型。用于卫星接入的新无线接入技术类型仅在核心网中是已知的。新空口（NR）卫星接入在无线接入网（RAN）方面的任何可能需求都需要由 RAN 相关小组来处理。

  无线接入技术类型可以由接入和移动性管理功能（AMF）向会话管理功能（SMF）进行信令传输，以便对哪些服务质量（QoS）配置文件可用于通过新无线接入技术的协议数据单元（PDU）会话施加限制。接入和移动性管理功能（AMF）会在任何需要感知无线接入技术类型的移动性流程（如无线接入技术限制）中使用该无线接入技术类型，并且可以将其传递给因其他原因需要它的任何网络功能（NF），例如策略控制或计费。会话管理功能（SMF）需要能够处理这种新的无线接入技术类型，以了解应排除哪些服务质量值。如果有必要对卫星接入应用特定计费，计费功能也需要知晓新的无线接入技术类型。

  不同的轨道在信令路径上会引入明显不同的延迟。因此，出于服务质量和策略控制的目的，有必要区分不同的轨道。这种区分可以通过为不同轨道引入不同的无线接入技术类型来实现。

  卫星接入的定位业务（LCS）定位方法由技术规范组无线接入网（TSG RAN）负责管理。在定位业务（LCS）流程中用于定位管理功能（LMF）选择的架构框架将无线接入技术类型用作输入参数之一，并且如果基于新的无线接入技术类型来区分卫星接入，该定位业务框架也可以被复用。

这些新的无线接入技术类型定义如下：

  “新空口（低地球轨道，LEO）”：此类无线接入技术是基于低地球轨道卫星星座的新空口无线接入网（NR RAN），其卫星高度低于 2000 千米。设置这个高度是人为规定的，因为高于此高度的卫星将被认为处于辐射强烈的范艾伦辐射带中，在这种环境下材料极难维护。
  “新空口（中地球轨道，MEO）”：此类无线接入技术是基于中地球轨道卫星星座的新空口无线接入网（NR RAN），其卫星高度在 8000 千米至 25000 千米之间。设置这一高度类别是人为规定的，因为高于此高度的卫星将被认为处于辐射强烈的范艾伦辐射带之上，既不属于低地球轨道，也不属于地球静止轨道。
  “新空口（地球静止轨道，GEO）”：此类无线接入技术是基于地球静止轨道卫星星座的新空口无线接入网（NR RAN），其卫星高度处于地球静止轨道的 35786 千米。
  “新空口（其他卫星，OTHERSAT）”：此类无线接入技术是基于尚未确定的其他类型卫星的新空口无线接入网（NR RAN）。

该解决方案的优点如下：

  此解决方案为无线接入技术（RAT）类型信息元素（IE）引入了新的编码点。该方案能够区分不同的新空口（NR）连接类型，即地面连接和卫星连接，并且可能会将适用范围拓展到 NR 之外。由于不同卫星轨道的传输和移动特性有所不同，因此引入了多种新的 RAT 类型，用于区分低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）、地球静止轨道（GEO）以及其他轨道，以便未来使用。
  该解决方案允许接入和移动性管理功能（AMF）通过复用 3GPP 技术规范 TS 23.501 [6] 第 5.3.2.3 条中规定的流程来确定正在使用的 RAT 类型。
  AMF 可以在现有的移动性管理流程中使用这些新的 RAT 类型，例如实施基于签约的 RAT 限制。
  该解决方案使 AMF 能够向会话管理功能（SMF）发送已识别的 RAT 类型信号。SMF（在部署时与策略控制功能（PCF）协同工作）将确定要实施的 QoS（服务质量）配置文件。预计在设置需要低延迟的 5G QoS 标识（5QI）值时会考虑 RAT 类型。
  在计费时已经考虑了 RAT 类型，因此任何针对卫星接入的特定计费都可以基于此解决方案进行，而无需在核心网（CN）接口引入新的参数。
  在定位服务（LCS）流程中已经考虑了 RAT 类型，例如定位管理功能（LMF）的选择（具备支持所需定位方法的能力）。为卫星接入引入新的 RAT 类型有助于复用现有的 LCS 架构框架。

该解决方案的缺点如下：

  用于卫星接入的新 RAT 类型可利用部署在不同轨道（LEO、MEO、GEO）的卫星，并且还预留了一个代码点供未来使用。因此，与 5G 地面网络相比，5G 卫星网络可能存在更广泛的延迟范围。使用单一的 RAT 类型 “NR 卫星接入” 来表示卫星接入，而不考虑卫星轨道，可能会使 5G 系统无法使用某些满足用户需求的 QoS 配置文件（5QI）。例如，与使用 GEO 卫星的情况相比，通过 LEO 卫星进行通信时延迟要小得多，但延迟变化却大得多。然而，即使是对于 LEO 卫星，5G 核心网也不会考虑那些需要低延迟的 5QI 值。通过指定多种 RAT 类型以区分不同轨道卫星系统所引入的延迟，可最大程度地减少这一缺点。

2.3 回传触发的服务质量（QoS）适配

  这是关键问题 5“卫星回传的服务质量（QoS）” 的一个候选解决方案。

该候选解决方案包含以下几个部分：

  用户面功能（UPF）知晓与其端点相连的用户面连接的 QoS 限制。QoS 限制以最小延迟来表示，并且与 QoS 特性包延迟预算（PDB）相关。例如，一个 UPF 可能通过卫星连接到与其 N3 接口相连的基站（gNB）。这种连接在延迟方面可能存在 QoS 限制，也就是说，该连接的最小延迟很大程度上由卫星连接造成的延迟决定。UPF 对 QoS 限制的了解可以是预先配置的，也可以是动态确定的，例如通过监测连接的 QoS 属性来确定。QoS 限制有时会动态变化，例如由于卫星连接信号衰落。QoS 限制的动态确定方式留待具体实现。
  会话管理功能（SMF）可以在协议数据单元（PDU）会话建立之前或之后，通过 N4 接口了解 UPF 已知的特定接口的 QoS 限制。UPF 接口可以朝向接入网（AN）节点，也可以朝向通往 AN 节点路径上的另一个 UPF。
  在 PDU 会话建立时，SMF 可以利用 UPF 的 QoS 限制集合信息来选择 UPF，在选择一个或多个 UPF 之后，这些信息可用于（如有必要）调整要发送给接入和移动性管理功能（AMF）和 AN 的初始 QoS 配置文件选择。
在 PDU 会话  修改时，SMF 可以利用 UPF 的 QoS 限制集合信息来调整用户设备（UE）请求的 QoS，或者 UPF 中动态变化的 QoS 限制可以触发启动 QoS 更新，从而导致 PDU 会话修改。

用户面功能（UPF）可以通过 3GPP 技术规范 TS 23.502 第 4.4.3 条中所述的 N4 节点级流程，向会话管理功能（SMF）告知与其端点相连的连接的服务质量（QoS）限制。例如，可以使用 N4 关联建立流程：UPF 的相关信息可以在 N4 关联建立响应中提供（参见图 4）。

图4 N4 association setup procedure

在建立关联之后，用户面功能（UPF）可以通过由 UPF 发起的 N4 关联更新流程，在 N4 关联更新请求中提供服务质量（QoS）限制的更新信息（参见图 5）。

图5 UPF initiated N4 association update procedure

  在协议数据单元（PDU）会话建立过程中，会话管理功能（SMF）可以在 3GPP 技术规范 TS 23.502 第 4.3.2.2 条图 6 的步骤 8 中，选择用户面功能（UPF）时利用 UPF 的服务质量（QoS）限制信息。根据所选的 UPF，SMF 可能会调整在步骤 11 发送给接入和移动性管理功能（AMF）以及在步骤 12 发送给（无线）接入网（® AN）的 QoS 信息（即 QoS 流标识（QFI）、QoS 配置文件）。

  当 PDU 会话要使用动态策略与计费控制（PCC）时，策略控制功能（PCF）可能会在 TS 23.502 [3] 第 4.3.2.2 条图6的步骤 7 或步骤 9 中向 SMF 提供动态 PCC 规则。PCC 规则将服务数据流模板与授权的 QoS 相关联，SMF 使用该规则将服务数据流绑定到 QoS 流。授权的 QoS 应包含一个 5G QoS 标识（5QI），该标识用于识别授权的 QoS 参数等信息。标准化的 5QI 集合也对应着一组标准化的 QoS 特性（如包延迟预算）。

  如果部署了 PCF，SMF 知晓 UPF 的 QoS 限制，并且 SMF 无法遵守 PCF 提供的 PCC 规则，那么 SMF 应在 TS 23.502第 4.3.2.2 条图 6 的步骤 9 中，使用策略控制请求触发消息向 PCF 告知无法满足的 QoS 要求。策略控制请求触发消息应声明 “请求的包延迟预算（PDB）无法满足”，这是一个新的触发条件。PCF 根据 QoS 限制做出策略决策，并向 SMF 提供更新后的策略。PCF 的策略决策可以是：i) 使用更改后的 5G QoS 特性 PDB 更新 5QI；或者 ii) 指示 SMF 释放 PDU 会话。

图6 用户设备（UE）请求的用于非漫游以及带本地数据分流的漫游场景下的分组数据单元（PDU）会话建立

  在协议数据单元（PDU）会话修改期间，会话管理功能（SMF）可以利用用户面功能（UPF）的服务质量（QoS）限制信息，在图 7 的步骤 1a 中调整用户设备（UE）所请求的 QoS。动态变化的 QoS 限制也可作为触发条件，让 UPF 促使 SMF 启动 PDU 会话修改流程（参见新的信息流 1f 和 1g）。

  当在 PDU 会话修改期间部署了策略控制功能（PCF）时，SMF 可以采用与 PDU 会话建立期间类似的方式，向 PCF 告知 QoS 限制情况。

图7用户设备（UE）或网络请求的（用于非漫游以及带本地数据分流的漫游情况的）分组数据单元（PDU）会话修改

1f. （UPF 发起的修改）
  用户面功能（UPF）通过发送 N4 关联更新请求（QoS 限制列表）来发起协议数据单元（PDU）会话修改流程。
1g. 对于 UPF 发起的修改情况
  会话管理功能（SMF）应使用 N4 关联更新响应来回复 UPF。
3b. 对于 SMF 请求的修改或 UPF 发起的修改
  SMF 调用 Namf_Communication_N1N2MessageTransfer（N2 会话管理信息（PDU 会话 ID、QoS 流标识（QFI）、QoS 配置文件、会话聚合最大比特率（Session - AMBR）），N1 会话管理容器（PDU 会话修改命令（PDU 会话 ID、QoS 规则、与 QoS 规则关联的 QoS 流所需的 QoS 流级 QoS 参数、QoS 规则操作以及 QoS 流级 QoS 参数操作、Session - AMBR）））。

  如果用户设备（UE）处于连接管理空闲（CM - IDLE）状态且接入和移动性管理功能（AMF）触发连接（ATC）已激活，AMF 会基于 Namf_Communication_N1N2MessageTransfer 更新并存储 UE 上下文，同时跳过步骤 4、5、6 和 7。当 UE 可达时，例如当 UE 进入连接管理连接（CM - CONNECTED）状态时，AMF 会转发 N1 消息以使 UE 上下文与 UE 同步。

该解决方案会对以下方面产生影响：

   用户面功能（UPF）：该功能得到增强，能够获取与其接口相连的连接的服务质量（QoS）限制信息。这些 QoS 限制可以是最小延迟、最大吞吐量、最小数据包错误率等。
   会话管理功能（SMF）：该功能得到增强，具备从 UPF 获取 QoS 限制信息、根据 QoS 限制选择 UPF、向策略控制功能（PCF）提供 QoS 限制信息，以及根据 QoS 限制信息调整发送给接入和移动性管理功能（AMF）和（无线）接入网（® AN）的 QoS 的能力。
 策略控  制功能（PCF）：该功能得到增强，能够从 SMF 接收 QoS 限制信息，并根据这些 QoS 限制做出策略决策。

该解决方案的优点如下：

   该解决方案支持将（高延迟的）卫星回程连接与标准化的 5G 系统用户平面功能（UPF）选择机制以及标准化的 5G 系统服务质量（QoS）机制结合使用。
   该解决方案允许混合使用具有不同服务质量限制的用户平面功能（UPF），从而支持其他（非特定于卫星的）部署场景。
   该解决方案支持部署涉及地面回程、卫星回程或两者结合的各种场景。
   该解决方案并不假定控制平面和用户平面都使用相同的回程连接，例如，控制平面可以使用传统的（低延迟）回程连接，而用户平面则可以使用卫星（高延迟）回程连接。

该解决方案的缺点如下：

   该解决方案需要扩展在 N4 接口上使用的协议。
   该解决方案需要在用户平面功能（UPF）、策略控制功能（PCF）和会话管理功能（SMF）中增加额外的功能。
   策略控制功能（PCF）需要进行增强，以支持根据从会话管理功能（SMF）接收到的服务质量限制触发条件来调整策略决策。

3 参考文献：

【1】3GPP TR 23.737