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面向空天地一體多接入的融合6G網絡架構展望

2021-07-14 14:00:33
0   引言
 
空天地一體網絡架構是6G的核心方向之一,被ITU列為七大關鍵網絡需求之一[1]。6G的空天地一體網絡架構將以地面蜂窩移動網絡為基礎,結合寬帶衛星通信的廣覆蓋、靈活部署、高效廣播的特點,通過多種異構網絡的深度融合來實現海陸空全覆蓋,將為海洋、機載、跨國、天地融合等市場帶來新的機遇。國內外產業已經開始積極布局,美國SpaceX公司正在積極儲備太空能力、歐洲也在積極開展OneWeb等項目,希望打造規模巨大、覆蓋全球的低軌衛星互聯網,以搶占衛星網絡的運營先機。
 
衛星網絡和地面網絡差異較大,而空天地一體網絡是多種異構網絡混合組成的網絡,網絡架構更加復雜、組網更加動態,而且多種異構網絡可能長期并存。本文將從空天地融合的應用場景出發,分析幾種典型的空天地融合架構及其關鍵技術,并探索空天地一體化融合組網下可能的新型路由方式、網絡可能采用的新型接口協議。
 
1   應用場景
 
目前,全球范圍內移動通信覆蓋的陸地范圍大約30%,無法覆蓋諸如沙漠、戈壁、海洋、偏遠山區和兩極等區域,6G空天地一體網絡可以實現全球全域立體覆蓋和隨時隨地的超廣域寬帶接入能力,在廣覆蓋、公共安全等方面有廣闊的應用場景。
 
海洋、天空等特殊場景應用。在大力推進海洋經濟發展、加大航運的背景下,衛星通信作為海上唯一通信手段,是潛在的新興通信市場。若采用低軌衛星方案,將可提供時延更短、速率更高、性價比更高、全球覆蓋的寬帶通信網絡,有助于船載、機載通信從低速到高速、從國內至全球的發展。
 
地廣人稀、海外地區提供低成本通信服務。隨著電信普及服務工作不斷深入,針對擴展到地面通信最難覆蓋的邊疆、深山、海島等區域,低軌衛星將具有一定的部署和維護成本優勢。
 
作為傳輸備用鏈路,增強地面網絡穩定性。通過衛星網絡承載基站傳輸備份保障和應急等任務,可以有效提高基站抵御各種自然災害的能力,增強地面網絡穩定性。未來還可考慮無線網、核心網部分設備上星作為容災備份節點的可行性。
 
2   多接入的新型融合架構
 
6G空天地一體網絡是一種多接入的新型融合架構,將在地面蜂窩移動網絡的基礎上,融合天基衛星網絡,通過多種異構網絡混合組網。本章將先簡要介紹傳統天基衛星網絡、地面蜂窩移動網絡,然后重點分析空天地一體化融合組網可能的架構及涉及的關鍵技術。
 
2.1  天基衛星網絡
天基衛星網絡是一個以衛星通信節點為核心的通信系統,由空間的多顆同步衛星、中軌/低軌衛星、中繼衛星、航天器、無人機以及裝載在各種平臺上的地面接收機、地面終端組成,形成一個多層次、多連接的多源數據傳輸和處理系統。衛星具有星上處理、交換和路由能力,多顆衛星之間具有星際鏈路并形成星座。
 
天基衛星網絡主要分為天基骨干網、天基接入網、地基網三部分。天基骨干網由布設在地球同步軌道的若干骨干節點聯網而成,具備寬帶接入、數據中繼、路由交換、信息存儲等功能。天基接入網由布設在高、中、低軌的若干節點組成,負責連接地面以及其他用戶的接入處理。地基網主要是指地面信關站,主要完成網絡控制、資源管理、協議適配等功能,并與地面其他通信系統進行互聯互通[2]。
 
2.2  地面蜂窩移動網絡
地面蜂窩移動網絡是覆蓋范圍最廣的陸地公用移動通信系統。在蜂窩移動網絡中,覆蓋區域一般被劃分為類似蜂窩的多個小區,每個小區內設置固定的基站,為用戶提供接入和信息轉發服務。基站則一般通過有線的方式連接到核心網, 核心網主要負責用戶的簽約管理、互聯網接入等服務、移動性管理和會話管理等功能。
 
5G時代全球采用了統一的標準,具有超高速率、超大連接、超低時延三大特性,核心網采用了顛覆性的服務化架構。2020年,隨著5G的逐步商用,6G的研究成為行業新的關注點。當前各國已競相布局,緊鑼密鼓地開展相關研究工作。國際方面,3GPP[3-5]、ITU等國際標準化組織對6G及2030年網絡技術研究方向都進行了探討。當前業界主流觀點認為[1],在6G網絡中,地面蜂窩移動網絡一定會和天基衛星網絡融合,從而實現空天地一體化的立體網絡。
 
2.3  空天地融合組網
天基衛星網絡和地面蜂窩移動網絡的融合有多種方案,多種融合的架構將在演進過程中可能長期并存,最終將實現深度融合。最簡單的融合方式是衛星網絡作為地面基站和核心網的回傳或者作為地面有線回傳的備份。此外,衛星可以作為Non-3GPP接入的方式,接入到6G核心網,和地面移動網絡共用核心網。而衛星還可以作為3GPP接入的方式,作為一種特殊的6G基站接入到6G核心網,這種融合方式是衛星網絡和地面網絡的深度融合方式。
 
(1)衛星回傳
衛星回傳在3G、4G網絡中已經有較為普遍的應用,主要用于應急通信或者邊遠地帶的回傳。例如,在山區、海域等光傳輸網絡難于抵達的地區,3G、4G基站回傳需要使用衛星來接入到核心網。
 
在6G時代,衛星回傳除了上述應用場景外,還可能作為有線傳輸增強的補充,例如在城市內光纖難以部署的地方,可以考慮作為機載基站、熱氣球基站等的回傳。隨著低軌衛星的大量部署,考慮到低軌衛星的容量大、時延低,衛星回傳很可能成為6G的一個普遍場景。圖1為衛星回傳的示意圖。
在將衛星用作地面基站節點(例如,在遠程位置或在移動平臺、飛機或輪船)和地面核心網節點之間的回傳的情況下,該衛星連接可能無法為所有流提供滿足其需求的QoS。例如,有的數據流可能需要超低延遲,如幾毫秒到幾十毫秒,但衛星鏈路可能是GEO(對地靜止地球軌道)衛星鏈路,通常單向延遲至少為240 ms~280 ms。在這種情況下,核心網需要感知其和基站之間的鏈路類型以及具備的QoS能力,用戶接入或者會話建立時,網絡根據用戶和會話類型以及當前網絡能滿足的QoS能力,為終端下發特定的QoS,或者采用特殊的接入策略,如重定向UE到有線回傳基站。當用戶在衛星回傳基站和有線回傳基站之間移動時,核心網根據用戶和會話類型以及回傳類型,為用戶及會話選擇特定的數據面錨點,或者為其采用特定的切換策略。
 
(2)衛星作為Non-3GPP接入
在地面基站不容易部署的場景下,終端需要直接和衛星通信。考慮到衛星通信協議棧與蜂窩網絡基站協議棧的差異較大,基站協議棧的衛星通信化改造在標準、方案、產品層面都將面臨很大的挑戰,反之亦然。在這種情況下,衛星網絡和蜂窩移動網絡的融合可能存在下面兩種方式:
 
第一種方式是衛星網絡和蜂窩移動網絡相互獨立,兩張網絡通過一個互通網關互通(如圖2所示)。互通網關完成衛星網絡和蜂窩移動網絡的協議轉換和適配,衛星終端用戶可以與蜂窩網用戶直接建立通信連接,從而實現天網和地網在用戶層面的互通。

第二種方式是衛星網絡和蜂窩移動網絡采用統一的核心網(如圖3所示),從終端能力來看,終端以非3GPP接入,通過采用和蜂窩移動網絡一致或者不一致的NAS(非接入層協議)上層信令接入統一的6G核心網,當采用不一致的NAS協議時,需要在核心網側部署中間網關IWF進行協議轉換。

(3)衛星作為3GPP RAT接入(如圖4所示)
隨著衛星成本的降低以及處理能力的增強,未來的移動設備可能直接與低軌衛星通信,而不必依賴于傳統的受地理分布限制的地面基站。
 
為了簡化網絡架構、簡化信令流程,實現用戶無感的統一接入認證,對網絡資源、拓撲、功能和數據實現統一的、智能的靈活調度,衛星可以作為3GPP RAT接入到和蜂窩移動網絡統一的核心網。這是衛星網絡和地面網絡的深度融合方式,衛星參與構成一種特殊的3GPP基站,空口采用3GPP增強協議,基站的部分或全部功能部署在衛星上。核心網的架構、功能、接口結合衛星接入的特點進行增強和優化,提供增強的移動性管理、會話管理、多連接管理等。衛星作為3GPP RAT和地面移動網絡的融合具備如下四種可能的組網方案:
 
方案1:衛星僅作為地面基站無線信號的再生和放大。
方案2:地面基站的DU部分部署在衛星上,衛星具備基站的部分功能,核心網和地面基站共用,但是需進行移動性管理、會話管理等功能增強。
方案3:衛星具備基站的全部功能,DU、CU均部署在衛星上,核心網進行功能增強,并和地面基站共用。
方案4:結合低軌衛星星座的特點構建星間網絡,在衛星之間建立路由拓撲和通信連接。核心網功能采用分布式架構,在地面和衛星上進行功能柔性分割,地面實現完整的核心功能,在衛星上搭載5G核心網的全部或部分功能組件。
以上方案都要考慮統一的新型移動性管理與會話管理方案,從而實現用戶無差異業務體驗。通過多鏈路與異構傳輸及衛星與地面網絡間業務流的智能分發提升用戶體驗質量(QoE)。
 
3   動態的新型路由方式
 
空天地一體化網絡中存在同一層衛星之間的星間鏈路、不同層衛星間的軌道間鏈路以及衛星與地面站或者移動終端之間的鏈路[6]。通常每顆衛星至少具有5條激光鏈路才能建立起低時延低軌衛星星座,例如SpaceX公司的Starlink系統[7]。
 
星間鏈路建立時間短而且需要不斷動態切換。為了適應空天地一體網絡中拓撲、路由的快速變化,網絡中需要引入動態的新型路由方式。動態路由算法主要包括距離矢量路由算法和鏈路狀態路由算法。其中,鏈路狀態路由算法擴展能力強,收斂速度更快,適用于大型網絡或路由信息變化劇烈的環境。適用于空天地一體網絡的具有代表性的路由算法主要有:
 
(1)基于OSPF的路由算法[8]。根據衛星運動軌跡可以預先計算的特點,可以在傳統域內路由協議OSPF上,引入拓撲預測,來優化鏈路狀態數據庫的同步,實現低開銷、高穩定性的自適應動態路由。
 
(2)基于虛擬節點的路由算法[9]。其基本思想是利用星座運動的規律性,將真實衛星節點與虛擬節點映射,當衛星移動或地面終端進行切換時,虛擬節點之間的路由表在物理節點之間進行交換,從而完成路由信息交換。這種算法常用于面向連接的網絡,具有實現簡單,處理時延短的優點,但是其健壯性較差,只適合于極軌道衛星網絡。
 
(3)基于虛擬拓撲的路由算法[6]。利用衛星網絡拓撲結構的周期性,把動態拓撲按時間片劃分為一系列連續的靜態拓撲。路由計算可在地面離線完成后再上傳到衛星,衛星上不需要實時計算路由,只需在時間片分割點更換路由表。其優點是路由開銷低且算法實現簡單,但是大量的時間片需要大量的路由表存儲空間,且針對流量變化、擁塞和故障時的實時性較差。
 
具體選擇路由算法時,需根據星座的規模、衛星軌道的高低以及業務的性能要求綜合進行考慮。
 
4   輕量級的新型接口協議
 
空天地一體網絡中,衛星計算資源、星間及星地鏈路資源寶貴,傳統的接口協議在這種高時延、高誤碼、非對稱的鏈路特性下工作效率低下,需要設計天地協同多網絡一體化的輕量級新型接口協議。
 
在傳輸層,可考慮使用QUIC協議[10]。QUIC協議是一種基于UDP的低時延輕量級協議,它減少了TCP三次握手和TLS握手時間,改進了擁塞控制機制,能夠避免隊頭阻塞的多路復用。然而QUIC最初是為網頁流量設計,并不針對具有超大帶寬時延積的鏈路,如包含衛星信道的網絡。衛星鏈路特征對擁塞控制的影響包括:
 
(1)傳輸初始化時延長;
(2)所需窗口大小;
(3)端到端重傳可靠性低;
(4)慢啟動的速度較慢;
(5)鏈路非對稱會影響ACK流量。
 
為了提高QUIC協議在天地一體網絡中的性能,需要做出以下改進。首先,為了充分利用鏈路容量,默認的最大擁塞窗口并不適用衛星通信環境,而需要提高窗口大小。其次,在高RTT的鏈路環境下,包丟失與恢復帶來額外的時延,為了解決這一問題,可以引入鏈路自適應的FEC,或者引入網絡編碼以及QUIC隧道等技術來提高鏈路可靠性。最后,由于鏈路非對稱,反向鏈路的吞吐量會被前向鏈路的ACK流量限制,需要降低ACK的比率。
 
對于網絡層,由于衛星軌道可預測,所以路由路徑可以提前規劃,所以可以考慮引入SRv6協議[11]。Segment Routing(SR)協議基于源路由理念而設計,網絡中集中算路模塊(例如SDN控制器)通過對源節點配置即可靈活簡便地實現數據包轉發路徑控制與調整。SR技術應用于IPv6網絡轉發的協議稱為SRv6協議。SRv6具有協議簡化、易部署、支持大規模網絡等優勢,還具備可編程能力,支持功能平滑演進,是支撐未來數據面轉發的基礎協議之一。
 
5    結束語
 
按照移動通信產業“使用一代、建設一代、研發一代”的發展節奏,業界預期2030年左右商用6G[12]。6G空天地一體網絡可以實現全球全域立體覆蓋和隨時隨地的超廣域寬帶接入能力,通過衛星網絡與地面網絡融合,能夠提供更好的用戶體驗,已經成為6G網絡的核心發展方向。多種融合的架構將在演進過程中可能長期并存,最終將實現衛星網絡和地面網絡的深度融合,采用統一的空口協議和統一的核心網。為了適應衛星星座拓撲的動態性,需設計新的路由策略。針對衛星網絡的特點,可考慮采用基于SRv6和QUIC等的輕量級接口協議來提升網絡性能。
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