星地融合网能力开放方案研究

发布日期：2023-02-23 10:16:58  浏览次数：1832 来源：通信世界全媒体

随着移动通信技术飞速演进，用户对移动通信的传输速率、网络覆盖、业务体验和应用提出了新的要求。在此趋势下，5G已经成为数字经济发展的新引擎。5G网络具有传输速率高、业务种类多、连接容量大等关键技术特点，可广泛部署于人口较为密集的城市等，但在人烟稀少或铺设地面网络困难的地区不易部署。

相比地面移动网络，卫星通信以其覆盖范围广、应急保障能力强、不受地理条件限制等突出优势，成为当前弥补边远地区通信网络覆盖不足的重要手段。近年来，O3b、OneWeb以及Starlink等中低轨卫星星座方案的提出，促进了卫星通信服务与互联网业务相融合，为卫星通信产业注入新的活力。

为更好地适应未来社会对全球随遇接入和广域万物智联的要求，以及保障用户对服务的连续性和一致性体验，相关行业积极推进地面移动通信网络和卫星通信网络的融合。如何利用5G产业链已经取得的成果，融合卫星网络和地面网络场景，为世界各地用户随时、随地、无缝漫游提供泛在连接支持，成为当前行业关心的热点话题。

网络能力开放是电信网络实现“网络即服务”的关键，更是实现5G网络与卫星通信网络融合的重要路径。本文针对5G网络与卫星通信网络融合架构的一体化能力开放问题，论述了可行性架构及典型信令流程。

基于5G与卫星通信网络融合的能力开放方案研究能力开放是实现5G网络内外部信息共享、能力调用的重要方式，下面重点论述5G网络与卫星网络融合下的应用场景和能力开放架构。

能力开放分层架构5G与卫星通信网络融合的能力开放分层架构，是指支持星地融合能力开放功能、服务和应用的系统架构，需要充分考虑云原生、虚拟化和微服务等前沿理念，以实现网络资源、功能服务和数据之间的有效组织和联动，其总体框架如图1所示，分为资源层、能力层与应用层。

图1 星地融合网络一致性能力开放分层架构

资源层包括软硬件资源和网络资源，其中网络资源包括卫星网络和5G网络的通信设备资源、感知设备资源、一体化网络设备资源；软硬件资源包括计算存储资源及相关软件、硬件资源。能力开放平台可调用资源层资源，封装后形成不同的原子化能力。

能力层可提供数据处理功能、通信功能、感知功能，以及能力协同，具体包括通信数据、感知数据以及联合数据处理功能，无线接入与通信质量控制功能，目标定位（测距测速测角）、跟踪、检测和遥感成像功能。

应用层则基于能力层提供相应的服务与应用，包括位置服务、测位测距服务、检测识别服务、遥感成像服务等。

能力开放网络架构当前，5G网络为能力开放提供了网络功能，已将其能力开放给第三方（如用户或其他运营商）。在5G网络架构中，NEF（Network Exposure Function，网络能力开放功能）网元是提供能力开放的功能性网元。星地融合网络一致性能力开放网络架构如图2所示，可以看到，网络结构横向分为天基网络、陆基网络和用户终端3个部分，网络结构纵向分为接入网、核心网、第三方等3个部分。其中，接入网包括固定接入网、移动接入网、卫星接入网，核心网包括陆基核心网、卫星基核心网。接入网、核心网为同一运营商提供，第三方为业务调用方，可以是用户或其他运营商。

图2 星地融合网络一致性能力开放网络架构

基于陆基核心网的5G与卫星通信融合方案是一致性能力开放的典型方案。在场景1的方案中，NEF网元位于陆基核心网络中。NEF网元作为能力开放接口，通过卫星基核心网向陆基核心网提供卫星网络的能力，陆基核心网向第三方提供陆基和卫星通信网络的能力。

在场景2的方案中，NEF网元位于卫星基核心网中。NEF网元作为能力开放接口，通过陆基核心网向卫星基核心网提供陆基网络的能力，卫星基核心网向第三方提供陆基和卫星通信网络的能力。

在场景3的方案中，NEF网元位于陆基核心网和卫星基核心网中。NEF网元作为能力开放接口，通过陆基核心网向第三方提供陆基通信网络的能力，通过卫星基核心网络向第三方提供卫星通信网络的能力。

星地融合能力开放应用方案研究本部门将重点论述5G与卫星融合通信网络下的能力场景、能力开放架构及典型应用方案，星地融合网络能力开放主要有四大类型应用场景，即广域宽带接入、广域大规模连接、广域时敏连接和广域高精度定位。

广域宽带接入是指为边远地区用户、飞机、无人机、汽车等提供宽带接入，缩小“数字鸿沟”；广域大规模连接是指为农作物监控、珍稀动物无人区监控、海上浮标信息收集、远洋集装箱信息收集、无人区探险等场景提供网络连接；广域时敏连接是指为远程智能机器（人）等时延敏感场景提供网络连接；广域高精度定位是指为远程智能交通提供精确导航，以及为远程作业提供高精度定位。

在上述应用场景中，卫星与地面通信网络融合的能力应用主要包括应急救援保障、航空网络服务、海洋信息服务三大场景。

应急救援保障

我国幅员辽阔、人口众多，自然灾害、社会安全突发事件、重大公共卫生事件多发。当灾害和事件突发时，现有的公网或者专网往往无法满足现场应急通信需求。通过星地融合网，灾害现场的救援人员可利用卫星、固定基站、应急便携基站等多种途径建立灾害现场与救援指挥中心、救援部队之间的高速数据通道，满足应急救援任务中的各种功能需求。例如，可以提供无人机AI视频图像回传及分析、视化功能、失联人员数据回传及分析、灾区人员迁移数据回传及分析、无人机直播与回放等功能，实现救援中心与灾害现场信息及时交互和无缝连接，便于实时掌握灾区的人、地、物全貌及灾情发展趋势，达到对灾害应急救援实时指挥、精确管理和科学决策的目的。

无人机AI视频图像回传及分析：根据无人机拍摄的视频/图像，实现在灾情发生时（如地震、洪涝、泥石流等），实时提供受灾人员位置分布、房屋坍塌检测与统计、道路坍塌损毁点检测等数据的回传和智能分析，并呈现在三维模型/GIS 地图上，便于救援专业人员实施救助。

失联人员数据回传及分析：救援人员通过运营商建立的专项通道接口，获取相关用户通信数据，经过大数据分析，实现对灾害发生区域疑似失联人员的名单确定及失联之前最后活动区域的定位，辅助应急救援队伍快速决策并大大缩小救援范围。

灾区人员迁移数据回传及分析：救援人员通过运营商建立的专项通道接口，获取相关用户通信数据，经过事故分析区域圈选、圈选区域涉及用户查找、迁移人员查找和迁移人员去向统计4个步骤，可完成迁移人员的名单确定及迁移前最后活动区域定位，辅助应急救援队伍的快速决策。

无人机直播与回放：无人机直播与回放可以满足无人机现场拍摄的多路视频接入需求，支持无人机视频实时直播与历史视频回放，支持在GIS地图上展示前端无人机的实时飞行位置，并通过5G网络能力开放等记录与统计无人机飞行高度、飞行速度等信息。

航空网络服务

航空公司提供的机舱无线网络基本只能实现飞机内的网络连接，乘客可以通过自己的智能设备播放飞机上的音乐、视频等文件，或者实现与机上乘客的视频通话等，但是并不能与外网相连，无法使用微信、微博等应用。

通过接入星地融合网，航空公司可为机舱内旅客提供与外网的连接，同时提供高速数据服务，满足旅客在航行过程中的各类上网需求，实现旅客“空—地”上网感受的无差异体验，提升航空公司的服务质量。基于卫星通信的方式，通过安装在飞机机身顶部的天线连接卫星，并向地面站传输信号，完成数据互联，航空通信网络组网方案如图3所示，其优势是覆盖范围广、可实现国际漫游。

飞机与地面建立高速数据通道后，可通过舱内数据建模，帮助地面运行控制部门加强对客舱安全的监测，降低恐怖袭击的风险。

图3 航空通信网络组网方案

海洋信息服务

我国海域辽阔，在沿海区域存在大量以传统渔业及现代海洋勘探业为主的经济圈。由于地面移动信号的覆盖困难，海上“信息孤岛”造成的通信、监管、运作困难始终是难以解决的问题。

近年来国内运营商结合卫星通信产业资源开展了相关业务探索和布局，运营商结合低轨卫星资源，通过卫星互联网把5G、物联网延伸至海洋，充分发挥“人与人、人与物、物与物”的连接能力，不仅可以有效地解决海上通信难题，还可以衍生出更多的应用场景，如实时远程监测船只航行情况、收集船员身体状况等。

不仅如此，后续还可以把星地融合网应用到邮轮、远洋货轮、钻井平台上，其发挥更大的作用。在没有5G信号覆盖的远海区域，可在高速移动的远洋渔政船上部署轻量船载用户站、5G轻量基站及核心网，船载用户站能够准确指向并全程跟踪以第一宇宙速度相对于地面高速飞行的低轨卫星，向信关站发送入网请求，通过卫星互联网构建的天基宽带通信链路成功实现视频浏览、语音通信等系列常规网络测试。船上的5G手机通过卫星可以接入运营商的业务网，实现与其他4G/5G手机用户的正常语音通话。

通过本文提出的基于5G与卫星通信网络融合的能力开放方案，一方面可以连通卫星通信网络与地面5G网络能力调用路径，串联卫星通信网络与5G网络，将5G网络能力扩展至卫星通信领域应用。另一方面，串联卫星管理系统与5G能力平台，为卫星管理系统信息用于5G能力决策、5G网络能力应用于卫星链路选择提供技术参考。