卫星网络与地面网络融合的5G网络架构

王言坤

摘要:为了解决5G技术在全球范围当中的无死角覆盖问题,并充分的满足融合网络时代下的具体要求,现阶段将卫星网络与地面网络相互融合，并在此基础上架构了以5G网络为主的体系，在发挥此项结构设计架构整体效用的同时，设计了终端接入以及信令呼叫等相关流程。在新架构当中地面网络与卫星网络共同使用同一套核心网络，并基于核心网络体系实现了双方的融合，进而打破了传统网络作用下的局限，提高了用户体验的效果。

关键词：卫星网络；地面网络；融合；5G；网络架构

目前5G的发展前景、应用需求以及关键技术已经逐渐成为移动通信领域的研究热点，但对于卫星的应用研究较少。卫星系统具有覆盖广泛、波数较大以及网络组件灵活等方面的优势，同时还能够打破时间以及空间方面的限制。相关人员需要结合地面网络与卫星网络的融合特点，并及时的解决融合过程中的问题与不足，为5G网络的发展提供保障。

1.地面网络与卫星网络在融合5G架构过程中所面临的挑战

1.1传输体制方面的挑战

1.1.1功率受损

由于收到卫星功能资源的局限，为了保障基本的额定发射功率，相关人员在实施功放时，需要保持功放的临近饱和状态。将5G信号直接作用于卫星系统的下链路，所产生的波形会影响功放的整体效率，且无法有效散热，相关人员需要在保障频带利用率的基础上，降低信号的峰值，进而确保融合信号体制设计工作的有效实施。

1.1.2多普勒频移

地面网络基础设施基本固定，但卫星网络却具有移动的特征，同时还会持续处于高速运转的状态。多普勒频移对卫星通讯系统的合理化运转具有关键作用，所以5G网络多是采用多载波进行传输，但由于仍然无法满足卫星系统的运行需求，在多普勒频移的同时，还会带来子载波间的干扰问题。

1.1.3定时提前
对于非同步的轨道卫星来说，高速的运动会导致无线链路的传输出现延时情况，并随之带来快速的变化。另外，卫星链路所产生的延迟效果，已经超过了5G新空口的TTI。

1.1.4频率管理与干扰

目前卫星系统可以使用的频率资源具有局限性的特点，为了提高系统的容量，一般可以采用多色复用，提高频率资源的利用效率。另外，卫星系统与地面网络在融合的过程中，也会由于干扰问题，制约系统性能的实施效果。

1.2接入资源管理的挑战

1.2.1HARQ

HARQ过程对于时间有着严格的要求，在卫星的通信过程中，如果往返的时间长度超过了HARO最大的定时器程度,那么不仅会限制终端的内存，还会影响并行处理过程中的信道总量。

1.2.2接入控制

为了在保障移动的条件下，满足不同客户的多样化以及差异化需求，并缩短信令响应的时间，那么相关人员必须在卫星系统当中接入控制卫星基站，或者融入信关站，进而发挥这两者的最大效用。然而，高效的传输效果，会引发时间延迟等方面的问题，同时还会增加接入控制过程的响应时间。

1.2.3MAC以及RLC过程
RLC层的ARQ过程，可以实现对已发送分组信息的缓存，当相关人员能够确认分组，并且延时器已经超时之后，那么必须重新传输。所以，在卫星系统当中需要更大的缓存来应对长时间传输所带来的延时问题,并对允许重传的次数进行限制。此外，调度MAC层或者RLC层的过程中，卫星系统所展现出来的长延时效果，也会对调度的及时性产生影响。

1.3移动性管理的挑战

1.3.1切换过程

切换的过程主要包括卫星系统的内部切换，和终端在地面与卫星网络之间的切换。卫星系统的内部切换对于地面的位置变化要求较高，但面对多波束的低轨卫星时，相同波束的覆盖时间较短，所以卫星之间或波数之间的切换必须要快速进行，避免在切换的过程中出现数据丢失的现象。在实施地面5G网络和卫星网络之间的切换时，需要同时支持星上处理和弯管透明转发架构，并保持时间同步，测量对象相互协调。需要注意的是，由于切换的整体方向不同，则触发的条件也具有较大的差异。

1.3.2位置更新过程

在地面蜂窝网络中，将终端进行驻留，只要终端能够持续停留在注册的区域保持不变，那么就不需要对位置进行更新。将非同步轨道卫星接入网端的过程中，卫星会随着使时间的推移不断产生移动，且终端也会驻留在差异化的波束和卫星上，此时，地面系统和卫星部署环节不具有直接联系，且无法一一对应，当终端发生移动时，系统则难以顺利执行指令，并实现对位置的更新。当出现对终端通讯请求时，则难以实现有效寻呼。

2.实现卫星网络与地面网络融合的5G网络架构

2.1网络架构

2.1.1新架构的组成部分

架构新型的卫星网络与地面网络融合的5G网络，需要将用户终端、基站以及核心网等几部分的内容共同构成。其中，用户终端具有卫星模式和地面模式等两种类型，且分别都需要在进入卫星基站和地面基站之前进行操作。此外，地面类型主要包括卫星基站和地面基站，且主要功能与LTE系统具有相似的特点。核心网是由核心网处理云以及核心网转发云等两部分的内容组合而成，前者需要对所有的控制信息进行处理；而后者只负责对所有业务数据的转发。

2.1.2此项架构的思想与功能

将软件定义网络思想融入到网络融合的过程中，可以有效摒弃传统体系架构的封闭性，进而保障拓展与配置的开放化、集中化以及精准化特点，为核心网的建设进程提供便利。此外，由于控制处理功能对于计算系统方面的资源需求较大，相关人员可以使用虚拟化技术对其进行集中部署。转发面功能具有简易性、稳定性以及高性能等多方面的特点。云计算技术可以直接用于中央控制服务器，并实现对数据的储存和执行应用，确保卫星网络与地面网络的有效融合。

2.1.3此架构的特点和布局方式

核心网借鉴了软件定义网络以及云计算这两方面的思想内容，并实现了转发与控制的分离，新型的核心网架构可以发挥出灵活性以及开放性的特点，并且具备良好的编程能力。此外，地面基站所采用的光纤拉远方式，有助于实施大面积的分布式布局，且卫星网络与地面网络可以基于核心网的角度进行融合，并打破传统网络的独立运行模式的局限性，提高网络性能以及用户体验。

2.2新型网络架构当中的主要指令流程

2.2.1终端呼叫

在进行终端呼叫时，可以结合实际的应用场景，并将其分为卫星网络终端呼叫卫星网络终端、卫星网络终端呼叫地面网络终端、地面网络终端呼叫卫星网络终端、地面网络终端呼叫地面网络终端等四种主要情况。

2.2.2终端注册

当终端开机之后，相关人员可以直接获取本机的信息，并利用网络进行注册。终端需要判断自己所处的环境，并对卫星网络模式以及地面网络模式做出明确的选择，进而选择正确的模式向网络进行注册。首先，随机接入过程需要在基站和终端的共同协作之下才能够完成。基站主要是通过接收不同终端所传输的签到信息和己接入信息来发挥自身职能，而中端系统则需要发送前导信息和随机接入信息，当基站收到注册请求的信令之后，需要将信令当中所携带的主机信息打包处理成IP协议信令，并转发到核心网络的内部处理网元当中，再利用核心网实施终端的认证和安全密匙的分发等过程，之后返回对注册信令进行响应，从而保障所分配的IP地址具有实时性。

2.3仿真实现

2.3.1卫星网络终端与地面网络终端通信

相关人员需要结合卫星网络终端与地面网络终端通信的实验结果，并进行深入分析，可以得出相应的结论：在建立融合架构体系的过程中，卫星网络与地面网络同时覆盖的区域，系统会优先选择地面网络。此外，在融合架构当中，当系统处于卫星网络终端1时，则能够实现与地面网络终端2的正常通信。

2.3.2终端注册

当卫星信号与地面基站信号同步出现时，四个终端可以直接利用地面基站注册到核心网络，进而切断终端与地面基站之间的连路。当只有卫星信号存在时，四个终端可以换用卫星基站直接注册到核心网。

结语：卫星网络与地面网络的融合5G网络架构设计，是通过对卫星网络与地面网络的有效融合来实现的，并充分的发挥出了卫星网络的整体优势，解决了地面移动网络在使用过程中的问题与不足。在处理网络扁平化问题时，相关人员可以利用控制与转发分离的方式提高核心网的性能，简化信令的处理流程。卫星具有覆盖化的优势，且可以对地面5G网络缺陷进行补充和拓展，并实现了与地面网络的融合，形成了无缝覆盖，为未来的网络发展提供了良好的前景。

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