衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)摘要:為了解決5G技術(shù)在全球范圍當(dāng)中的無死角覆蓋問題,并充分的滿足融合網(wǎng)絡(luò)時(shí)代下的具體要求,現(xiàn)階段將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)相互融合，并在此基礎(chǔ)上架構(gòu)了以5G網(wǎng)絡(luò)為主的體系，在發(fā)揮此項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)架構(gòu)整體效用的同時(shí)，設(shè)計(jì)了終端接入以及信令呼叫等相關(guān)流程。在新架構(gòu)當(dāng)中地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)共同使用同一套核心網(wǎng)絡(luò)，并基于核心網(wǎng)絡(luò)體系實(shí)現(xiàn)了雙方的融合，進(jìn)而打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)作用下的局限，提高了用戶體驗(yàn)的效果。關(guān)鍵詞：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；地面網(wǎng)絡(luò)；融合；5G；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)目前5G的發(fā)展前景、應(yīng)用需求以及關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)逐漸成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但對(duì)于衛(wèi)星的應(yīng)用研究較少。衛(wèi)星系統(tǒng)具有覆蓋廣泛、波數(shù)較大以及網(wǎng)絡(luò)組件靈活等方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能夠打破時(shí)間以及空間方面的限制。相關(guān)人員需要結(jié)合地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合特點(diǎn)，并及時(shí)的解決融合過程中的問題與不足，為5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供保障。地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在融合5G架構(gòu)過程中所面臨的挑戰(zhàn)1.1傳輸體制方面的挑戰(zhàn)功率受損由于收到衛(wèi)星功能資源的局限，為了保障基本的額定發(fā)射功率，相關(guān)人員在實(shí)施功放時(shí)，需要保持功放的臨近飽和狀態(tài)。將5G信號(hào)直接作用于衛(wèi)星系統(tǒng)的下鏈路，所產(chǎn)生的波形會(huì)影響功放的整體效率，且無法有效散熱，相關(guān)人員需要在保障頻帶利用率的基礎(chǔ)上，降低信號(hào)的峰值，進(jìn)而確保融合信號(hào)體制設(shè)計(jì)工作的有效實(shí)施。1.1.2多普勒頻移地面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施基本固定，但衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)卻具有移動(dòng)的特征，同時(shí)還會(huì)持續(xù)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。多普勒頻移對(duì)衛(wèi)星通訊系統(tǒng)的合理化運(yùn)轉(zhuǎn)具有關(guān)鍵作用，所以5G網(wǎng)絡(luò)多是采用多載波進(jìn)行傳輸，但由于仍然無法滿足衛(wèi)星系統(tǒng)的運(yùn)行需求，在多普勒頻移的同時(shí)，還會(huì)帶來子載波間的干擾問題。1.1.3定時(shí)提前對(duì)于非同步的軌道衛(wèi)星來說，高速的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致無線鏈路的傳輸出現(xiàn)延時(shí)情況，并隨之帶來快速的變化。另外，衛(wèi)星鏈路所產(chǎn)生的延遲效果，已經(jīng)超過了5G新空口的TTI。1.1.4頻率管理與干擾目前衛(wèi)星系統(tǒng)可以使用的頻率資源具有局限性的特點(diǎn)，為了提高系統(tǒng)的容量，一般可以采用多色復(fù)用，提高頻率資源的利用效率。另外，衛(wèi)星系統(tǒng)與地面網(wǎng)絡(luò)在融合的過程中，也會(huì)由于干擾問題，制約系統(tǒng)性能的實(shí)施效果。接入資源管理的挑戰(zhàn)1.2.1HARQHARQ過程對(duì)于時(shí)間有著嚴(yán)格的要求，在衛(wèi)星的通信過程中，如果往返的時(shí)間長度超過了HARO最大的定時(shí)器程度,那么不僅會(huì)限制終端的內(nèi)存，還會(huì)影響并行處理過程中的信道總量。接入控制為了在保障移動(dòng)的條件下，滿足不同客戶的多樣化以及差異化需求，并縮短信令響應(yīng)的時(shí)間，那么相關(guān)人員必須在衛(wèi)星系統(tǒng)當(dāng)中接入控制衛(wèi)星基站，或者融入信關(guān)站，進(jìn)而發(fā)揮這兩者的最大效用。然而，高效的傳輸效果，會(huì)引發(fā)時(shí)間延遲等方面的問題，同時(shí)還會(huì)增加接入控制過程的響應(yīng)時(shí)間。1.2.3MAC以及RLC過程RLC層的ARQ過程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)已發(fā)送分組信息的緩存，當(dāng)相關(guān)人員能夠確認(rèn)分組，并且延時(shí)器已經(jīng)超時(shí)之后，那么必須重新傳輸。所以，在衛(wèi)星系統(tǒng)當(dāng)中需要更大的緩存來應(yīng)對(duì)長時(shí)間傳輸所帶來的延時(shí)問題，并對(duì)允許重傳的次數(shù)進(jìn)行限制。此外，調(diào)度MAC層或者RLC層的過程中，衛(wèi)星系統(tǒng)所展現(xiàn)出來的長延時(shí)效果，也會(huì)對(duì)調(diào)度的及時(shí)性產(chǎn)生影響。1.3移動(dòng)性管理的挑戰(zhàn)切換過程切換的過程主要包括衛(wèi)星系統(tǒng)的內(nèi)部切換，和終端在地面與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的切換。衛(wèi)星系統(tǒng)的內(nèi)部切換對(duì)于地面的位置變化要求較高，但面對(duì)多波束的低軌衛(wèi)星時(shí)，相同波束的覆蓋時(shí)間較短，所以衛(wèi)星之間或波數(shù)之間的切換必須要快速進(jìn)行，避免在切換的過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。在實(shí)施地面5G網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的切換時(shí)，需要同時(shí)支持星上處理和彎管透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)，并保持時(shí)間同步，測(cè)量對(duì)象相互協(xié)調(diào)。需要注意的是，由于切換的整體方向不同，則觸發(fā)的條件也具有較大的差異。位置更新過程在地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，將終端進(jìn)行駐留，只要終端能夠持續(xù)停留在注冊(cè)的區(qū)域保持不變，那么就不需要對(duì)位置進(jìn)行更新。將非同步軌道衛(wèi)星接入網(wǎng)端的過程中，衛(wèi)星會(huì)隨著使時(shí)間的推移不斷產(chǎn)生移動(dòng)，且終端也會(huì)駐留在差異化的波束和衛(wèi)星上，此時(shí)，地面系統(tǒng)和衛(wèi)星部署環(huán)節(jié)不具有直接聯(lián)系，且無法一一對(duì)應(yīng)，當(dāng)終端發(fā)生移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)則難以順利執(zhí)行指令，并實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的更新。當(dāng)出現(xiàn)對(duì)終端通訊請(qǐng)求時(shí)，則難以實(shí)現(xiàn)有效尋呼。實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)新架構(gòu)的組成部分架構(gòu)新型的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的5G網(wǎng)絡(luò)，需要將用戶終端、基站以及核心網(wǎng)等幾部分的內(nèi)容共同構(gòu)成。其中，用戶終端具有衛(wèi)星模式和地面模式等兩種類型，且分別都需要在進(jìn)入衛(wèi)星基站和地面基站之前進(jìn)行操作。此外，地面類型主要包括衛(wèi)星基站和地面基站，且主要功能與LTE系統(tǒng)具有相似的特點(diǎn)。核心網(wǎng)是由核心網(wǎng)處理云以及核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)云等兩部分的內(nèi)容組合而成，前者需要對(duì)所有的控制信息進(jìn)行處理；而后者只負(fù)責(zé)對(duì)所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。此項(xiàng)架構(gòu)的思想與功能將軟件定義網(wǎng)絡(luò)思想融入到網(wǎng)絡(luò)融合的過程中，可以有效摒棄傳統(tǒng)體系架構(gòu)的封閉性，進(jìn)而保障拓展與配置的開放化、集中化以及精準(zhǔn)化特點(diǎn)，為核心網(wǎng)的建設(shè)進(jìn)程提供便利。此外，由于控制處理功能對(duì)于計(jì)算系統(tǒng)方面的資源需求較大，相關(guān)人員可以使用虛擬化技術(shù)對(duì)其進(jìn)行集中部署。轉(zhuǎn)發(fā)面功能具有簡易性、穩(wěn)定性以及高性能等多方面的特點(diǎn)。云計(jì)算技術(shù)可以直接用于中央控制服務(wù)器，并實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和執(zhí)行應(yīng)用，確保衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的有效融合。此架構(gòu)的特點(diǎn)和布局方式核心網(wǎng)借鑒了軟件定義網(wǎng)絡(luò)以及云計(jì)算這兩方面的思想內(nèi)容，并實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)發(fā)與控制的分離，新型的核心網(wǎng)架構(gòu)可以發(fā)揮出靈活性以及開放性的特點(diǎn)，并且具備良好的編程能力。此外，地面基站所采用的光纖拉遠(yuǎn)方式，有助于實(shí)施大面積的分布式布局，且衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)可以基于核心網(wǎng)的角度進(jìn)行融合，并打破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立運(yùn)行模式的局限性，提高網(wǎng)絡(luò)性能以及用戶體驗(yàn)。新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)當(dāng)中的主要指令流程終端呼叫在進(jìn)行終端呼叫時(shí)，可以結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，并將其分為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端呼叫衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端呼叫地面網(wǎng)絡(luò)終端、地面網(wǎng)絡(luò)終端呼叫衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端、地面網(wǎng)絡(luò)終端呼叫地面網(wǎng)絡(luò)終端等四種主要情況。終端注冊(cè)當(dāng)終端開機(jī)之后，相關(guān)人員可以直接獲取本機(jī)的信息，并利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行注冊(cè)。終端需要判斷自己所處的環(huán)境，并對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模式以及地面網(wǎng)絡(luò)模式做出明確的選擇，進(jìn)而選擇正確的模式向網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行注冊(cè)。首先，隨機(jī)接入過程需要在基站和終端的共同協(xié)作之下才能夠完成?；局饕峭ㄟ^接收不同終端所傳輸?shù)暮灥叫畔⒑图航尤胄畔戆l(fā)揮自身職能，而中端系統(tǒng)則需要發(fā)送前導(dǎo)信息和隨機(jī)接入信息，當(dāng)基站收到注冊(cè)請(qǐng)求的信令之后，需要將信令當(dāng)中所攜帶的主機(jī)信息打包處理成IP協(xié)議信令，并轉(zhuǎn)發(fā)到核心網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部處理網(wǎng)元當(dāng)中，再利用核心網(wǎng)實(shí)施終端的認(rèn)證和安全密匙的分發(fā)等過程，之后返回對(duì)注冊(cè)信令進(jìn)行響應(yīng)，從而保障所分配的IP地址具有實(shí)時(shí)性。仿真實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端與地面網(wǎng)絡(luò)終端通信相關(guān)人員需要結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端與地面網(wǎng)絡(luò)終端通信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行深入分析，可以得出相應(yīng)的結(jié)論：在建立融合架構(gòu)體系的過程中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)同時(shí)覆蓋的區(qū)域，系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先選擇地面網(wǎng)絡(luò)。此外，在融合架構(gòu)當(dāng)中，當(dāng)系統(tǒng)處于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)終端1時(shí)，則能夠?qū)崿F(xiàn)與地面網(wǎng)絡(luò)終端2的正常通信。終端注冊(cè)當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)與地面基站信號(hào)同步出現(xiàn)時(shí)，四個(gè)終端可以直接利用地面基站注冊(cè)到核心網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而切斷終端與地面基站之間的連路。當(dāng)只有衛(wèi)星信號(hào)存在時(shí)，四個(gè)終端可以換用衛(wèi)星基站直接注冊(cè)到核心網(wǎng)。結(jié)語：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的融合5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，是通過對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的有效融合來實(shí)現(xiàn)的，并充分的發(fā)揮出了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的整體優(yōu)勢(shì)，解決了地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在使用過程中的問題與不足。在處理網(wǎng)絡(luò)扁平化問題時(shí)，相關(guān)人員可以利用控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的方式提高核心網(wǎng)的性能，簡化信令的處理流程。衛(wèi)星具有覆蓋化的優(yōu)勢(shì)，且可以對(duì)地面5G網(wǎng)絡(luò)缺陷進(jìn)行補(bǔ)充和拓展，并實(shí)現(xiàn)了與地面網(wǎng)絡(luò)的融合，形成了無縫覆蓋，為未來的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提