期刊基本参数：CN10-1043/TN*1958*m*16*96*zh*P*￥10.00*7000*15*2023-11

《邮电设计技术》月刊

1958年创刊（1974年复刊）

主管单位：中国联合网络通信集团有限公司

主办单位：中讯邮电咨询设计院有限公司

编委会名誉主任：宋直元

编委会首席顾问：赵厚麟

编委会主任：张 涌

总 编 ：钟志刚

副 总 编 ：唐雄燕 武利强

主 编 ：曹俏梅

执 行 主 编 ：唐艳超

编辑出版：《邮电设计技术》编辑部

地 址：北京市海淀区首体南路9号

主语商务中心3号楼（100048）

编 辑 部：010-68799999-3918，3919，3920

综 合 部：010-68799999-6619，6872

发 行：010-68799999-6619

网 址：http://ydsjjs.paperopen.com

总 发 行：郑州市报刊发行局

订 购 处：全国各地邮局

发行范围：国内外公开发行

邮发代号：36－176

印 刷：河南卓越艺术印刷有限公司

刊 号：

ISSN 1007 - 3043

CN 10 - 1043/TN

出版日期：2023-11-20

每册定价：10.00元（国内）

全年定价：120.00元（国内）

责任编辑：曹俏梅（E－mail：qiaomeic@dimpt.com）

版 式：郭月园

Designing Techniques of Posts

and Telecommunications（Monthly）

First Issue in 1958

Sponsored by

China Information Technology

Designing ＆Consulting Institute

Edited and Published by

Designing Techniques of Posts and

Telecommunications Editorial Office

Address:Zhuyu Commercial Center 3rd Building,

No.9 Shouti South Road, Haidian District,Beijing

Tel：010-68799999-3918,6619

Website：http://ydsjjs.paperopen.com

Publication Number：ISSN 1007 -3043

CN 10 -1043/TN

目次/Contents

2023年第11期

（总第573期）

本期专题策划专家：许 波

毕业于武汉理工大学通信工程专业，正高级工程师，现任中讯邮电咨询

设计院有限公司北京电信规划设计院副总经理，北京通信学会青年委

员会委员。长期从事通信网络规划设计、技术咨询、科技创新等工作，

先后主持或参与完成了中国联通、中国移动及中国铁塔省级以上综合

规划及专项规划数十项，主持大型工程设计项目近百项，荣获住房和城

乡建设部、工业和信息化部、中国工程咨询协会、中国通信协会、北京市

工程咨询协会等国家、省部级以上奖项 29 项，参与国家课题 2 项，申请

和授权专利十余项，发表多篇学术论文。

❘本期专题 / Monthly Topic

P1 星地网络融合架构及组网场景分析 陈婉珺，林 琳，穆 佳，等

Space-ground Network Convergence Architecture and

Networking Scenarios Analysis Chen Wanjun，Lin Lin，Mu Jia，et al

P7 天地融合网络切片技术方案研究 朱 斌，林 琳，胡 悦，等

Research on Network Slicing Technology of Space-ground Intergration

Zhu Bin，Lin Lin，Hu Yue，et al

P14 面向NTN的网络管理标准进展和研究 李 静，崔 航，贺 琳

Progress and Research on Network Management Standards for NTN

Li Jing，Cui Hang，He Lin

P18 5G NTN在连接模式下的测量策略分析 张建国，王 森，杨东来

Analysis on Measurement Strategies of 5G NTN in Connected Mode

Zhang Jianguo，Wang Sen，Yang Donglai

P23 连接模式下5G NTN移动性策略分析 芮 杰，何华伟，张建国，等

Analysis of 5G NTN Mobility Strategies in Connected Mode

Rui Jie，He Huawei，Zhang Jianguo，et al

本刊获中国期刊方阵“双效期刊”、工业和信息化部精品科技期刊、河南省自然科学期刊综合质量检测一级期刊，

并被万方数据数字化期刊群、中国期刊全文数据库、中文科技期刊数据库、超星期刊域出版平台等收录，与C114

达成合作关系。

目次/Contents

November 2023 No.11

（Consecutive No.573）

《邮电设计技术》

第九届编辑委员会名单

一、名誉主任、首席顾问

编委会名誉主任：宋直元

编委会首席顾问：赵厚麟

二、专家顾问委员会名单

（按姓氏笔画排列）

马红兵 牛志升 毛 谦 朱东照

邬贺铨 刘 涛 刘韵洁 沈洪波

张 范 张忠平 陈山枝 郑建飞

闻 库 陶小峰 曹淑敏 韩志刚

三、编委会名单

主 任：张 涌

副 主 任：迟永生 孔 力 唐雄燕

武利强

委 员：

李文胜 耿玉波 袁 鹏 许 波

赵伟灵 杨剑键 梅 斌 吕振通

马季春 王光全 赫 罡 冯 毅

李福昌 陈 勋 顾荣生 王 题

陈崴嵬 程新洲 刘宝庆 臧志宏

谭 蓓 禹 光 马玉娟 高重道

徐 晨 曹俏梅 唐艳超

P28 5G uRLLC应用场景分级及解决方案研究 龙青良，李 展，李 一

Research on 5G uRLLC Application Scenario Classification and Solution

Long Qingliang，Li Zhan，Li Yi

P33 基于信道图谱的5G+北斗融合定位方法 张千坤，陈任翔，曾 炜，等

5G and BDS Fusion Positioning Method Based on Channel Map

Zhang Qiankun，Chen Renxiang，Zeng Wei，et al

P40 基于量子密钥的移动终端保密通信方案研究 李路曼，旷 炜，侯玉华，等

Research on Mobile Terminal Encryption Communication

Based on Quantum Key Distribution Li Luman，Kuang Wei，Hou Yuhua，et al

P44 基于无线技术的VoNR网络感知提升研究 李耀斌，王杉杉，李岩岩

Research on VoNR Network Perception Improvement Based on

Wireless Technology Li Yaobin，Wang Shanshan，Li Yanyan

P49 5G有源室分共享可行性研究 侯彦庄，陈小奎，吕正春

Feasibility Research on 5G Active Indoor System Sharing

Hou Yanzhuang，Chen Xiaokui，Lü Zhengchun

P55 MEC边缘云能力开放研究与实践 袁 健，徐 舒，龙 湛，等

Research and Practice on MEC Edge Cloud Capability Opening

Yuan Jian，Xu Shu，Long Zhan，et al

P62 运营商网络向SRv6技术演进的方案研究 张桂玉，刘博文，马季春，等

Research on Evolution of Operator Network to SRv6 Technology

Zhang Guiyu，Liu Bowen，Ma Jichun，et al

❘无线通信 / Radio Communication

❘数据通信 / Data Commuincation

2023年第11期

（总第573期）

本刊启事：为实现期刊编辑、出版、发行工作的电子化，推进信息交流的网络化进程，本刊内容将提供给国内多家

网站，进入因特网提供信息服务。凡投向本刊并被录用的稿件，将一律由编辑部统一纳入相关网站。本刊寄发

给作者的稿酬，已包含发表在《邮电设计技术》刊物上和相关网站上的稿酬。若有不同意见者，请在来稿中特别

注明。

《邮电设计技术》编辑部

目次/Contents

《邮电设计技术》

审稿专家名单

（排名不分先后）

刘宝庆 蔡子龙 操明立 程 保

程新洲 陈 玲 陈 强 陈任翔

陈巍嵬 陈颖霞 党晓光 丁 伟

刘 扬 曹 畅 范现瑞 冯建民

冯霄鹏 冯 毅 符 刚 高功应

耿庆鹏 耿玉波 关 磊 谷 磊

顾荣生 赫 罡 贺 晓 贺永涛

侯永涛 黄为民 黄志勇 龙青良

姜文颖 荆建中 荆 雷 邢向晖

李福昌 李 衡 李宏伟 李红霞

李家京 陆 钧 刘希禹 王晓东

李文胜 李 翼 卢红波 罗晓翔

吕振通 李轶群 马季春 马为民

马 铮 梅 斌 门 里 南作用

李 萌 乔月强 秦培松 尚海波

沈世奎 石 乐 史文祥 宋齐军

孙 红 汤 泳 腾 达 祝 琳

王殿魁 王光全 王海军 王 森

文 博 曹 恒 王 题 周 伟

吴 罡 巫 峡 吴一波 吴伟平

肖 伟 许 波 薛永备 许建宏

杨艳松 王一骢 叶 祥 尹祖新

袁 鹏 于 冰 于长松 岳向阳

禹 光 臧志宏 翟 慧 张德科

张 贺 张建峥 张 沛 张 琪

张 旭 张 岩 张曜晖 郑 波

P67 基于SDN的SRv6技术在骨干网中的应用研究

吴亚彬，白露莹，李思琦，等

Research on Application of SRv6 Technology Based on SDN in

Backbone Network Wu Yabin，Bai Luying，Li Siqi，et al

P72 基于大数据模型的运营商营销资源配置研究 林 敏，陈 祥，廖 娟

Research on Marketing Resource Allocation of Operators Based on

Big Data Model Lin Min，Chen Xiang，Liao Juan

P77 功能服务链在城域网络中的应用方案研究 孔艺诺，屠礼彪，宋 盈

Research on Application Solution of SFC in MAN

Kong Yinuo，Tu Libiao，Song Ying

P83 SPN接入层搭建相关问题研究 林 炎，吴 辰

Research on Issues Related to SPN Access Layer Construction

Lin Yan，Wu Chen

P88 家用路由器端业匹配数字化诊断方法的探析 邓 煜，袁毓蔓

Analysis on Digital Diagnosis Method of Terminal Service

Matching for Home Router Deng Yu，Yuan Yuman

❘电信传输 / Telecommunication Transmission

❘运营维护 / Operation and Maintenance

星地网络融合了卫星通信和地面移动通信网络，提供多维、多样、广域、可靠的通信服务，是6G

及未来通信的核心基础技术之一。ITU、3GPP、CCSA、ETSI、SaT5G 等国内外标准组织或联盟纷纷

加入星地网络的研究与推进中。

星地网络实现了空天地一体融合通信，通过建立弹性可重构的架构、高效的天基计算、空天地

统一的资源管控机制、高效灵活的移动性管理与路由机制，实现天地的智能频谱共享、极简极智接

入、多波束协同传输设计，实现通信网络全球全域的三维立体“泛在覆盖”，满足用户更广阔的无线

接入服务。发展星地一体化信息网络已成为当下5G演进的重要方向及未来6G的核心形态。当前

以 Starlink为代表的星地网络市场及应用蓬勃发展，自 2021 年开启个人宽带商业服务以来实现了

爆发式增长，截至2023年5月，Starlink 用户数已达到 150 万以上。星地融合，未来可期。

自2020年4月发改委首次将卫星互联网纳入“新基建”以来，工信部等国家相关部委相继出台

《十四五信息通信发展规划》《十四五国家信息化规划》，卫星互联网已作为国家重要战略出现在公

众视野，我国已在空天信息产业开始全面布局。为促进国内“空天地”网络技术发展，推进星地融

合技术研究，推动卫星网络与 5G 网络的标准化演进，加快星地融合互联网产业领域发展，特策划

本期《星地网络》专题。内容涵盖融合架构、组网场景、移动性策略、融合切片等内容，希望为读

者提供国内星地网络组网策略制定、网络架构研发设计、方案试验等方面的参考和借鉴。

许 波

2023年11月10日

专题导读

邮电设计技术/2023/11

0 前言

随着网络的不断发展，通信行业的研究工作已经

向 6G迈进。IMT-2030推进组在《6G总体愿景与潜在

关键技术白皮书》中指出，6G 潜在应用场景包括全域

覆盖和无线立体的超级连接。随着业务的逐渐融合

和部署场景的不断扩展，未来地面蜂窝网与高轨卫星

网络、中低轨卫星网络、高空平台在内的空间网络相

互融合，构建全球广域覆盖的空天地一体化三维立体

组网，为用户提供无盲区的宽带移动通信服务。星地

一体融合组网已经成为未来网络的一项关键技术。

1 卫星通信

1.1 卫星通信优势

卫星通信系统是指利用人造地球卫星作为中继

站转发无线电波，实现 2 个或多个地球站之间或地球

与航天器之间的一种通信系统。相比地面无线通信

网络，卫星通信有如下优势。

a）覆盖广：卫星互联网可作为地面网络的补充，

覆盖地面网络无法覆盖及人群密度低的区域，如海

洋、天空、高原、农村等地区，有效解决这些地区的互

联网接入问题；同时，通过合理部署卫星，可以实现全

球性的通信覆盖，从极地到赤道都可以进行通信。

星地网络融合架构及组网场景分析

Space-ground Network Convergence

Architecture and Networking Scenarios Analysis

关键词：

NTN；卫星通信；星载核心网

doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.11.001

文章编号：1007-3043（2023）11-0001-06

中图分类号：TN927

文献标识码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

摘 要：

随着网络的不断发展，未来通信网络服务范围将扩展至空天地，卫星网络成为

未来重要发展方向。5G 与卫星网络融合能够为用户提供更可靠的服务体验，

降低运营商网络部署成本。从核心网出发，分析卫星网络与通信网络融合发展

现状，探索未来融合网络可能的网络形态，选择边缘计算和VN组通信2个典型

场景，详细分析了其面临的问题，并提出了相应的技术方案。

Abstract：

With the development of the network，the future communication network service scope will be extended to space and earth.

Satellite network will become an important development direction in the future. The integration of 5G and satellite networks

can provide users with a more reliable service experience and reduce network deployment costs for operators. From the core

network，it analyzes the current situation of the space-ground network，and explores the possible network forms. Then two

typical scenarios of edge computing and VN group communication are selected，and the problems they face are analyzed，and

the corresponding technical solutions are put farward.

Keywords：

NTN；Satellite communications；On-board core network

陈婉珺，林 琳，穆 佳，王泽林（中国联通研究院，北京 100048）

Chen Wanjun，Lin Lin，Mu Jia，Wang Zelin（China Unicom Research Institute，Beijing 100048，China）

——————————

基金项目：国家重点研发计划（2022YFB2902503）

收稿日期：2023-10-10

陈婉珺，林 琳，穆 佳，王泽林

星地网络融合架构及组网场景分析

本期专题

Monthly Topic

引用格式：陈婉珺，林琳，穆佳，等. 星地网络融合架构及组网场景分析［J］. 邮电设计技术，2023（11）：1-6.

01

2023/11/DTPT

b）克服地理限制：卫星通信可以克服地球的地理

限制，无需受到地形、建筑物、障碍物等因素的影响，

从而在任何地方都可以实现通信。

c）较大的容量和连接密度：卫星通信系统可以支

持大量的设备同时连接，适用于大规模物联网（IoT）应

用，如智能城市、智能交通等。

1.2 轨道卫星分类

基于卫星的高度不同，轨道卫星可以分为3类。

a）近地轨道（LEO）：高度一般在 2 000 km 以下，

由于距离较近，时延一般小于 50 ms。典型的场景包

括绝大多数对地观测卫星、空间站、Starlink等。

b）中地轨道（MEO）：位于 LEO 和 GEO 之间，时延

大于135 ms。典型的场景包括GPS、北斗、伽利略等。

c）高轨及地球静止轨道（GEO）：地球赤道面上方

35 786 km的圆形轨道，时延大于560 ms。典型的场景

包括大多数商用通信卫星、广播电视卫星和辅助定位

卫星等。

基于不同轨道卫星的特点，高、中、低轨卫星也有

各自的优劣势，表 1给出了 3种轨道卫星技术的对比。

从表 1 可以看出，低轨卫星相对于中、高轨卫星，传输

时延短，路径损耗小。地面设备与低轨卫星通信不需

要太大功率，对电话和手持式设备来说更为理想，因

此低轨卫星更适合应用于通信系统。但由于每个低

轨卫星覆盖面积较小，因此需要由多个卫星组成大型

通信系统，也就是星云通信系统。

2 星地融合网络研究进展

当前陆地通信（TN）覆盖不到 20% 的陆地区域和

不到 5% 的海洋区域。卫星通信开始进入快车道，截

至2022年7月23日，SpaceX已发射2 042颗卫星，服务

36个国家和地区，约 40万用户。卫星通信在覆盖、可

靠性、灵活性等方面可以弥补地面移动通信的不足，

5G 与卫星网络融合能够为用户提供更可靠的服务体

验，降低运营商网络部署成本。

3GPP 将 卫 星 网 络 划 入 非 地 面 网 络（NonTerrestrial Networks，NTN）范畴，从 R14 开始开展星地

融合的研究工作，在 R15中明确将支持卫星接入作为

5G 系统需求；在 R16中对 NR 支持 NTN 解决方案进行

SI立项，输出3GPP TR 38.821，明确了透明接入、DU上

星和 NR 上星 3 种卫星接入 5G 系统的架构；在 R17 中

针对卫星接入对核心网的影响问题及解决方案进行

研究和评估，输出3GPP TR 23.737，并将相关成熟研究

结果应用于 3GPP TS 23.501 中，根据 3GPP 的规划，后

续 R18还会对卫星接入多连接、核心网上星和星上边

缘计算等卫星与5G的融合增强特性进行研究，深入推

动5G与卫星网络融合演进。

当前卫星接入演进主要包含三大方向：卫星回

传，卫星作为回传网连接基站和核心网；透明模式，卫

星只做频率转换、数据信令透传；再生模式，基站上

星，NR空口信号星上产生。随着研究的不断深入，卫

星通信融合从透明模式，逐步向核心网（UPF）、基站上

星演进（见图1）。

3 星地网络融合架构及组网场景

3.1 卫星回传组网场景及技术方案

卫星回传方式，主要考虑在偏远区域，如高山、孤

岛等，地面回传网难以铺设，此时需要卫星作为回传

网，典型的组网场景不仅包括单星单链，还包括多星

串联（星际链路）、多星并联（中低轨）（见图 2和图 3）。

这2种组网场景面临不少挑战，采用多星串联方式，不

同卫星的轨道不同，卫星之间的距离是动态变化的，

将导致时延、带宽的动态变化以及报文的乱序；而采

用多星并联方式，同一个基站和 5GC之间存在多条链

路，且时延、带宽不同，需要考虑如何选择合适的路径

和QoS策略。可从链路监测、策略增强、信息开放3个

方面，采用如图4所示流程解决上述问题。

a）链路监测：用户建立 PDU 会话后，AMF 将卫星

回传类型告诉 SMF，进而传递给 PCF，PCF 触发 QoS

Monitoring，测量卫星链路的时延。

b）策略增强：SMF会将从UPF收到的链路时延的

检测结果上报给 PCF。PCF 根据类型、时延等设置不

同QoS策略；当QoS Monitoring的结果不能满足之前预

表1 3种轨道卫星技术对比

对比项

高度/km

周期/h

用户切换

频率

技术优势

技术劣势

典型星座

及能力

高轨

35 768

-

无

部署简单，卫星固定

通信时延大，单星容

量低

VIASAT：总容量为

180 Gbit/s，用户速

率为12~100 Mbit/s，

时延为500 ms

中轨

2 000~35 786

3.5~7.5

低

居中

居中

O3B：16颗星，单星

容量为16Gbit/s，

用户速率为100~

500 Mbit/s，时延

为120~180 ms

低轨

160~2 000

1.5~1.8

高

时延低，星座容量高

组网复杂，卫星相对

地面移动块

星链：第1批4 408

颗星，单星容量为

20 Gbit/s，用户速率

为30~500 Mbit/s，时

延为20~90 ms

陈婉珺，林 琳，穆 佳，王泽林

星地网络融合架构及组网场景分析

本期专题

Monthly Topic

02

邮电设计技术/2023/11

设的QoS策略要求时，PCF可以选择进行策略更新，比

如选择其他合适的UPF或者回传链路。

c）信息开放：PCF还可以将不同卫星回传网络的

信息向AF开放，用于辅助AF应用侧进行相应的调整，

也可以将这些信息告知 CHF，用于制定差异化的计费

策略、网络统计管理或者解决客户投诉等。

3.2 未来星载核心网基本架构

随着卫星网络的发展以及业务需求的丰富，考虑

到尽可能缩短用户面时延，未来也可以考虑按需将部

分核心网设备放置在卫星上。

5G 核心网采用 NFV 架构，控制面与用户面分离。

考虑到卫星的体积有限，算力和存储资源有限，核心

网网元可以考虑仅部分部署至卫星上。其中，控制面

网元如 SMF与 PCF等部署在地面信关站上，用于业务

控制、资源分配、用户管理和安全管控；UPF以及 MEC

等可以考虑部署在卫星上，其中 UPF网元主要负责用

户数据流量的转发。

这种部署方式，可以满足以下 3 种主要的用户需

求。

a）高安全等级的特殊用户为了避免业务落地过

图1 3GPP卫星接入演进三大方向

图3 多星并联（中低轨）

图4 动态时延监控和QoS自适应方案流程

图2 多星串联（星际链路）

I-UPF UPF

AMF SMF

I-UPF UPF

AMF SMF

UPF

GEO

地面回传

LEO

⑥ Path monitoring result

②Nsmf-PDUSession-CreateSMContext Req

Nsmf-PDUSession-UpdateSMContext Req

③Nsmf-PDUSession-Create/Update-SMContext Response

UE

①PDU session

establishment

④SM Policy Association

Establishment

⑦SM Policy Association

Modification

⑧SMF informs the CHF of satellite backhaul

⑨PCF policy control

⑤ SMF requests N3 path monitoring

AMF SMF PCF UPF CHF

未来网络

NR Uu UE

RRU+DU F1 gNB-CU 5GC N2

NR Uu UE gNB 5GC N2

NR Uu UE 5GC gNB+UPF N3/N9

NR Uu UE 5GC UFF，边缘计算 N2/N3/N9 gNB

再生模式：

RRU+DU上星

再生模式：

基站整体上星

再生模式：

基站+UPF上星 R18

5G-A

核心网上星：R17 UPF+MEC上星

LTE Uu UE gNB EPC

拉远射频单元（ N2 RRU）

NR Uu UE gNB 5GC

拉远射频单元（ N2 RRU）

NR Uu UE gNB 5GC

N2/N3

透明模式：

5G NR

透明模式：

NB-IoT/eMTC

卫星回传：

卫星仅做承载

陈婉珺，林 琳，穆 佳，王泽林

星地网络融合架构及组网场景分析

本期专题

Monthly Topic

03

2023/11/DTPT

程中遭到窃听，要求实现直接连接。

b）在某些场景中，落地交换可能具有过大的时

延，不满足QoS指标要求，例如同一颗卫星下2个应急

用户的信息交换，将 UPF调度在该卫星上可明显降低

时延。

c）地面信关站与卫星之间的互联因气象或者其

他因素而不可用时，将 UPF部署在卫星上可提供基本

的服务能力，提升系统的可靠性。

如图 5 所示，基站通过 N2 接口与地面 5G 核心网

相连，并根据接收到的地面5G核心网指示，使用N2接

口将本地用户面数据路由到部署在卫星上的UPF。卫

星上UPF网元，通过N6接口与卫星上MEC平台相连，

实现星上本地用户面数据的路由转发和处理，缩短用

户面时延。卫星上UPF通过N4接口与地面5G核心网

相连，接收N4会话管理指令并进行处理。

3.3 星载核心网组网场景及技术方案

星载核心网与不同的网络技术相结合，可以满足

更多的业务需求，进一步扩展卫星网络的适用场景，

真正让卫星网络成为蜂窝地面网络的有效补充，实现

全域覆盖。

场景 1：卫星网络与边缘计算相结合。在 GEO 卫

星上部署边缘应用，例如地球遥感遥测、天气监测、视

频直播等，避免数据往返多次传输，浪费频谱资源。

组网架构如图6所示，星载UPF作为分流点，同时在卫

星 上 设 置 边 缘 计 算 应 用 服 务 器（Edge Application

Server，EAS），通过 N6 口相连。星载 EAS 能够提供的

服务就不需要再通过回传链路向地面服务器获取，极

大地缩短了传输时延。而星载 EAS不能提供的服务，

再 路 由 回 地 面 网 络 ，接 入 相 应 的 业 务 。 而 对 于

EASDF，考虑到 SMF 和 DNS 服务器均部署在地面，因

此EASDF也可以部署在地面网络。

具体的实现方案如图 7 所示，AMF 将从 gNB 收到

的卫星回传信息及 gNB ID 告知 SMF，SMF 从 UDM 获

取用户签约，并核实 UE 是否授权通过 EASDF 进行

EAS 发现，若没有，则流程终止；若 UE 已授权，则 SMF

基于用户签约选择EASDF。

SMF 基于 EASDF 告知的 EAS 信息、UPF 选择规

则、可能的用户体验、DN的性能分析等找到星载EAS；

同时，SMF 通过之前的 N4 建链消息中获得 AMF 告知

的 gNB ID，如果是对应星载 UPF 的，则选择星载 UPF

作为ULCL/BP分流点及辅锚点（L-PSA）。对于卫星连

接的场景，SMF必须选择星载 UPF作为 ULCL/BP 分流

点及辅锚点。

场景 2：卫星网络与 5G LAN 相结合。5G LAN 有

基于本地转发（Local Switch）、基于N6转发和基于N19

转发3种主要的转发方式（见图8）。

考虑到星载核心网缩短用户面时延的关键诉求，

图5 星载核心网组网架构

图6 通过星载UPF实现边缘计算

图7 星载UPF进行边缘分流流程

AMF SMF

UPF MEC

N6

UDM PCF

UE 基站

N3

N4

N2

终端无线侧 核心网

（部署在卫星上）

核心网

（部署在地面上）

EAS

AMF SMF

Central

DN

EASDF

UPF

（C-PSA）

星载业务用户面业务流

UPF（UL- 地面网络 地面业务用户面业务流 CL+L-PSA）

GEO

N6

UE AMF SMF UL CL/BP UPF

PSA

L-PSA

UPF on-board

EASDF

①PDU Session

Establishment procedure

③Neasdf-DNSContextCreate/Update Request

④Neasdf-DNSContextCreate/Update Response

⑦Neasdf-DNSContext-Notify request/response

⑥Handles the

DNS Query

message

⑧Selects UL CL/BP

and Local PSA on GEO

⑨UL CL/BP and LocalPSA insertion

⓪NG setup procedure

② Selects EASDF

⑤DNS Query

⑩DNS response

陈婉珺，林 琳，穆 佳，王泽林

星地网络融合架构及组网场景分析

本期专题

Monthly Topic

04

邮电设计技术/2023/11

星载核心网可以考虑引入Local Switch及N19转发2种

方式。本地转发方式如图 9 所示，可以由星载 UPF 完

成注册在该 UPF 下的同一 VN 组的多个 UE 之间的互

通，这种方式可以有效地扩大本地转发方式下 VN 组

的覆盖范围；若想进一步扩大 VN 范围，也可以采用

N19 转发方式（见图 10），在 2 个星载 UPF 之间建立

N19 接口。相较于 UPF 部署在地面的方式，由星载

UPF完成 5G LAN 的 VN组用户之间的数据转发，可以

让业务QoS得到很大的提升。

星载 UPF 进行 VN 组通信的流程如图 11 所示，需

要 gNB 告知 AMF，使 AMF 能够发现服务当前 UE 的

gNB 具有卫星回传，并将相关信息告知 SMF。再由

SMF 选择星载 UPF 作为分流点和辅锚点，来完成 VN

组用户之间的通信。

如图 11 所示，UE1 先建立会话，此时 AMF 若依据

DNN/S-NSSAI信息发现该用户关联到一个 5G VN 组，

则为其选择默认的SMF，同时若AMF将从gNB获得的

gNB ID 和卫星回传信息告知 SMF。SMF 从 UDM 获取

签约信息，其中包含VN组ID。此时，SMF决定是否插

入分流点和辅锚点来激活本地交换。若此时该 VN组

没有其他PDU会话建立，则暂时不插入ULCL/BP分流

点和辅锚点。SMF 正常选择地面 UPF 作为主锚点。

此时UE1的会话建立完成。

此后，UE2 建立会话，同样 AMF 发现其关联到一

个 VN 组，选择默认的 SMF。此时 SMF 发现之前该组

已经有 PDU 会话，则插入 ULCL/BP 分流点和辅锚点。

SMF 建立 N4 会话，下发 FAR 和 PDR。若 UE1 和 UE2

由相同的GEO UPF1提供卫星回传，则SMF通过UPF1

实现本地交换；若它们是由不同的GEO UPF提供服务

的，SMF 可以在 2 个 UPF 之间建立 N19 会话。SMF 给

分流点UPF的PDR和FAR指示，由星载UPF服务的所

有的组用户的上行流量会转发到辅锚点，而辅锚点发

送的下行流量会通过N3隧道转发到gNB；下发给辅锚

点的 PDR 和 FAR，则所有的上行流量给 gNB，而所有

的下行流量通过N9给分流点。

最后 SMF 为会话 1 进行会话更新，选择分流点和

辅锚点。

4 后续展望

综上所述，5G 与卫星的互补优势将推动 5G 与卫

星网络走向融合发展，从透明转发到再生模式，再到

星载核心网，人们在不断探索5G网络与卫星网络的融

合形态，不断增强卫星融合网络的业务体验，拓展更

加丰富的融合业务场景，实现空天地一体化业务覆

盖。但卫星通信与 5G 融合的过程中仍存在很多技术

问题，后续也会进行重点研究。

接口协议方面：N4接口之前都是由地面稳定可靠

的光纤传输来实现的，由卫星链路替代地面的光纤传

输，势必需要对现有的接口协议进行相应的协议增强

图8 5G LAN用户面转发方式

图9 星载UPF支持本地转发方式组网

图10 星载UPF支持N19转发方式组网

AMF SMF

UE

UE

UPF on-board

UPF1

Ground GW UPF2

gNB 1

gNB 2

AMF SMF

UPF1

UPF2

UPF2

on-board

UPF1

on-board

UE

UE

gNB 1

gNB 2

N19

AMF SMF

UDM PCF

UPF

N8

N2 N4

N3

N11

UE-X

UE-Y

N3

NG-RAN

NG-RAN

AMF SMF

UDM PCF

N8

N2 N4

N3

N11

N6

UE-X NG-RAN UPF DN

AMF SMF

UDM PCF

N8

N4

N11

N2

N3

UE-X

UE-Y

N3

NG-RAN UPF

NG-RAN UPF

N19

（a）基于Local Switch的转发 （b）基于N6的转发 （c）基于N19的转发

陈婉珺，林 琳，穆 佳，王泽林

星地网络融合架构及组网场景分析

本期专题

Monthly Topic

05

2023/11/DTPT

来提升接口传输的稳定性。此外，若进一步考虑星载

核心网设备与地面核心网设备之间的容灾备份，那么

同类型设备之间的数据同步接口协议增强，也是需要

考虑的问题。

链路管理方面：文中所提出的解决方案，大部分

都是基于高轨卫星，而 UPF部署在卫星上，尤其是中、

低轨卫星，必然面临星间切换问题，需要进一步研究

如何保证地面 SMF与不同的星载 UPF之间 N4链路以

及N19链路快速有效建立。

业务连续性方面：UPF 在 5G 网络中作为会话锚

点，为了保证业务连续性，在用户移动的过程中，通常

需要保证 UPF不变更。若 UPF部署在低轨卫星上，频

繁的星间切换势必对业务连续性带来极大的影响，还

需要进一步研究移动性管理与节能增强技术。

参考文献：

［1］ 3GPP. System Architecture for the 5G System: 3GPP TS 23.501［S/

OL］.［2023-07-22］. https://www.3gpp.org/ftp/.

［2］ 3GPP. Non-Access-Stratum（NAS）functions related to Mobile Sta‐

tion（MS）in idle mode: 3GPP TS 23.122［S/OL］.［2023-07-22］.

https://www.3gpp.org/ftp/.

［3］ 3GPP. Procedures for the 5G System: 3GPP TS 23.502［S/OL］.

［2023-07-22］. https://www.3gpp.org/ftp/.

［4］ 3GPP. General Packet Radio Service （GPRS） enhancements for

Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）

access: 3GPP TS 23.401［S/OL］.［2023-07-22］. https://www. 3gpp.

org/ftp/.

［5］ 3GPP. Study on 5G System with Satellite Backhaul:3GPP TR 23.700

［S/OL］.［2023-07-22］. https://www.3gpp.org/ftp/.

［6］ 王悦，王权. 低轨卫星通信系统与5G通信融合的应用设想［J］. 通

信世界，2019（1）：54-59.

图11 星载UPF进行VN组通信流程

作者简介：

陈婉珺，高级工程师，主要从事5G网络技术、建设方案以及未来网络研究工作；林琳，高

级工程师，主要从事星地融合、网络能力开放、核心网能力应用等相关研究工作；穆佳，

高级工程师，主要从事核心网总体架构和关键技术、网络内生业务等相关研究工作；王

泽林，主要从事网络技术、传输接入、IP网络等领域的研究工作。

UE1 AMF SMF UPF1

（Ground）

UPFs

（on-board）

UPF2

（Ground）

②Nsmf-PDUSession-Create/Update SMContext Req./Res.

③Determines whether to insert an I-UPF

onboard to activate local data switching

basedon DNN and backhaul info

④Selects PSA on the ground

and possibly an I-UPF

①PDU Session Establishment Request

⑤PDU session establishment for UE 1

⑥PDU Session Establishment Request

⑦Nsmf-PDUSession-Create/Update-SMContext Req./Res

⑧Determines whether to insert an I-UPF

on board to activate local data switching

based on DNN and backhaul info

⑨Selects PSA on the ground

and I-UPF on-board

⑩N4 session establishment（PDR，FAR）

???PDU session establishment for UE 2

???Triggers to update the I-UPF

on-board for PDU session1

???N4 session Modification（PDR，FAR）

UE2

陈婉珺，林 琳，穆 佳，王泽林

星地网络融合架构及组网场景分析

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Monthly Topic

06

邮电设计技术/2023/11

0 前言

2020 年国家将 5G 网络和卫星互联网共同纳入

“新基建”范畴，天地网络融合成为新型信息基础设施

的未来趋势，如何高效利用空、天、地信息技术资源并

充分发挥广覆盖、高带宽和低时延等各自优势，解决

网络拓扑结构高动态、服务自成体系、混合业务差异

化、平台异构互操作难等关键问题，提升地面和卫星

网络运营商覆盖范围以及全时全域服务能力，开展天

地融合网络多尺度网络切片与智能适配技术研究，从

而打通通信服务边界拓展需求以及航天新业务应用

诉求，加速推进两个行业深度融合，衍生多样态融合

应用场景，真正发挥空天地海一体化网络优势。

1 融合网络切片关键问题

面向天地融合网络切片的关键技术问题，主要是

传统地面网络切片技术无法适应天地融合网络的“时

空尺度差异大和场景需求多样化”所导致的融合网络

整体拓扑结构时变、天地混合业务难以高效承载的问

天地融合网络切片技术方案研究

Research on Network Slicing Technology of Space-ground Intergration

关键词：

网络切片；融合网络；5G/6G；卫星

doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.11.002

文章编号：1007-3043（2023）11-0007-07

中图分类号：TN927

文献标识码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

摘 要：

天地融合网络是一种将地面网络和空间网络融合在一起的新型网络架构，能够

实现全球无缝覆盖和高效通信。然而，天地融合网络的复杂性和多样性给网络

切片技术带来了巨大的挑战。为了解决天地融合网络切片面临的问题，主要研

究了天地融合网络多尺度网络切片与智能适配技术，提出了资源需求表征方法

及实现、网络切片模型设计和策略、多要素灵活切片与智能适配等关键问题的

技术解决方案建议，从而加速推进 2 个行业深度融合，发挥空天地海一体化网

络的优势。

Abstract：

The space-ground integrated network is a novel network architecture that integrates terrestrial networks and space networks，

enabling global seamless coverage and efficient communication. However，the complexity and diversity of the space-ground

integrated network pose significant challenges to network slicing technology. It aims to address the issues faced by slicing in

the space-ground integrated network，mainly focuses on the research on multi-scale network slicing and intelligent adaptation technology of the space-ground integrated network，and puts forward technical solution suggestions to key issues such

as resource demand characterization method and implementation，network slicing model design and strategy，multi-element

flexible slicing and intelligent adaptation，so as to accelerate the in-depth integration of the two industries and realize the advantages of air-space-groud-sea integrated network.

Keywords：

Network slice；Network intergration；5G/6G；Satellite

朱 斌1

，林 琳1

，胡 悦1

，邢楷初1

，王光全1

，姚海鹏2

（1. 中国联通研究院，北京 100048；2. 北京邮电大学，北京 100876）

Zhu Bin1

，Lin Lin1

，Hu Yue1

，Xing Kaichu1

，Wang Guangquan1

，Yao Haipeng2

（1. China Unicom Research Institute，Beijing 100048，

China；2. Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China）

——————————

基金项目：国家重点研发计划（2021YFB2900602）

收稿日期：2023-09-28

朱 斌，林 琳，胡 悦，邢楷初，王光全，姚海鹏

天地融合网络切片技术方案研究

本期专题

Monthly Topic

引用格式：朱斌，林琳，胡悦，等. 天地融合网络切片技术方案研究［J］. 邮电设计技术，2023（11）：7-13.

07

2023/11/DTPT

题。因此需要从“资源供给、业务需求以及供需平衡”

角度来解决时变情况融合网络切片的技术落地应用

问题，针对性开展“资源需求表征、资源虚拟化与智能

编排、多尺度多要素切片模型与策略、业务需求驱动

的智能适配与自动化网络配置”研究，提出3类关键技

术方案。

技术方案1：针对天地融合网络资源异质的特性，

构建由天地物理资源共同构成的多维多域聚合资源

池模型，形成天地融合资源统一全局视图，保证基础

信息网络服务资源的统筹供给。

技术方案 2：针对天基节点时变拓扑特性和高差

异性业务需求，分别构建大时空尺度下高动态网络拓

扑时变模型和切片策略，实现对天基资源可用性的度

量以及切片性能指标的确定。

技术方案 3：针对资源供给侧天地资源的动态拓

扑特性和资源需求侧切片需求灵活、要素可调的特

点，研究资源供需平衡的动态跨域智能适配机制，实

现全场景混合业务的资源按需灵活分配的目标。

针对多尺度网络切片及智能适配技术要求，从以

下几个方面进行相对应的研究（见图1）。

a）资源表征方法及实现。通过虚拟化与智能编

排将物理资源分类解析，结合图论的方法，抽象出天

地融合物理资源的整体供给情况。

b）多尺度多要素网络切片模型与策略。以应用

场景指标化为约束，采用业务功能链和数组构建模型

方式，体现混合业务整体需求情况。

c）业务需求驱动的智能适配与自动化网络配置。

采用与人工智能相结合的方法，将需求与供给灵活匹

配，最终实现融合网络切片场景应用。

2 融合网络切片技术方案

2.1 资源表征方法及实现

2.1.1 资源抽象、度量和统一标准

针对天地融合网络差异化服务保障需求，解决融

合网络物理资源因异构异质难以归类抽象、统一度量

和聚合表征，难以有效聚合以及不适应时空多变条件

下对全量资源提供高频度周期性编排能力等问题，实

现资源的有效聚合及统一表征，虚拟化资源、网元容

量及功能高效编排管控能力。

天地融合物理网络资源的抽象、度量和统一表征

技术方案如图2所示。针对天地网络异质物理资源难

以统一描述的问题，在网络资源具备虚拟化基础条件

图1 多尺度多要素天地融合网络切片技术方案示意

高速移动宽带 密集连接 大容量传输

超远程实时 强安全保障 时延 带宽 丢包率

吞吐量 连接密度

要素

提取

高速移动宽带：

优先卫星接入，带宽≥20M

大容量传输：

时延≤20 ms，带宽≥60M

……

优先级约束 业务服务等级

切片模型

功能链约束 生命周期

切片策略

②多尺度多要素网络切片

天地融合物理网络 多维资源池

分类

中继 接入

馈电 服务

节点

地面 星间

星地

8 5

6

3

1

3

有权无向图 链路

多维

矢量

模型

A

B

C

E

D

接入网

控制器

传输网

控制器

核心网

控制器

③智能适配与

自动化网络配置

①资源虚拟化与智能编排

资源监听 物理映射 资源需求约束

调度策略

资源供给

约束 深度强化学习

资源分配模型 独立切片智能体

解析结构

……

朱 斌，林 琳，胡 悦，邢楷初，王光全，姚海鹏

天地融合网络切片技术方案研究

本期专题

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08

邮电设计技术/2023/11

背景下，首先，按照通信节点功能实现方式划分，抽象

天基和地基网络设施中计算、存储、频率、波束、路由

等通用物理基础设施能力以及接入、中继、交换服务

等虚拟化网络通用功能属性；其次，进行初始归类、聚

合统一和矢量化表征，提供“节点（多维矢量量化）+链

路（多维矢量量化）+状态（邻接关系的可见性与连通

性）+时间”聚合资源池（多维多域）模型；最后，考虑采

用图信号处理的表征方法，将整个天地融合物理网络

抽象为有权无向图，图谱节点表示网元，节点属性表

示实现特定网元功能所提供的物理设施资源量，图谱

的边则表示连接 2 个网元的虚拟链路，其权重表示实

现该虚拟链路所提供的物理链路资源量。由此提供

并构成了底层基础设施资源池的全局视图。

进一步，全局视图可为资源池提供整体拓扑解析

结构，其中节点和链路资源属性由多维矢量量化表

示，并结合节点间的邻接关系共同构建出时空尺度下

的多维多域聚合资源池模型，实现对天地融合网络高

度异质资源的统一表征。节点和链路携带可度量的

多维属性参数，节点由资源种类、资源数量以及节点

标识等参数构成，链路由带宽种类、带宽容量、连接端

点、连通状态和链路种类等参数构成。此外，为解决

天基链路和天地馈电链路等时空约束问题，提出采用

结合星历外推的邻接矩阵表示方法，利用星历外推天

基节点位置，依据天基节点间以及天地节点（与信关

站等）相对位置关系判定节点的可见性和连通性，通

过邻接矩阵表示节点间的拓扑关系和传输能力，在邻

接矩阵中用权重表示 2 类链路的连通性和带宽容量，

进一步刻画天地融合网络中连接关系的时空约束。

2.1.2 资源虚拟化及智能编排

针对统一资源池的全局视图，构建多维多域聚合

虚拟化资源池和资源智能编排架构，分别实现底层物

理设施资源虚拟化和资源池功能实例及容量管控。

对于多尺度网络切片对融合网络资源池的节点资源

虚拟化需求，底层提供硬件资源抽象与共享机制，将

物理设备转化成虚拟化基础设施，便于达到地基及天

基受约束物理资源共享性下的最大化利用率，利用

“SDN 的集中控制与协同”和“NFV 的软硬件解耦与网

元功能虚拟化”的互补特点。一方面，SDN 专注网络

控制与转发面的分离，重点应用于链路资源，并考虑

顶层采用集中控制器与单域SDN控制器结合联动，分

别通过南北向、东西向接口实现多级控制和跨域协同

管理，屏蔽星上控制器和地面网络控制器协议栈的差

异性，进而实现传输层面链路资源的统一管控调配；

另一方面，NFV实现天地融合物理节点异构硬件资源

的软硬件解耦，同时提供网元功能虚拟化，为切片的

业务链服务提供共享基础。此外，考虑采用基于多维

图2 资源抽象、度量和统一表征技术路线

星历

天地邻

接关系

轨道

外推

A

B

C

D

E

3 6

3

1 5 8

A

B

C

D

E

3 6

5 8

A

B

C

D

E

3

6

5 连接状态-可见性（相对位置）、

连通性（接权重）

节点属性-多维属性参数

（种类、数量、标识等）

链路属性-多维属性参数

（种类、容量、状态等）

星

星 星

星

星

星

星 星 星 星

星

星 星 星

地 地

地 地

地 地

人 物 人 物

有权无向图G

T0 T1 Tn

天基邻接关系

接入/交换

点（空间段）

承载点

（空间段） 链路

点—点

（星地）

通用 天基

资源

地基

资源 分域

初始

归类

统一化

表征

无线

接入点

交换/接入

点（地面段）

核心

处理点

传输/

承载点

星地 地地 星间

链接状态（邻接关系）

中继 馈电 接入 服务

运维/控制 星历/推算

物理节点（P类） 物理链路（Q类）

多维矢

量模型

MEC 核心网

GEO

MEO

LEO

MEO MEO

同步轨道卫星

GEO

LEO

控制中心

5G基站 关口站

低轨卫星

地基传输网络（IP及光传送网） G =｛V，X，T｝

图信号处理

é

ë

ê

ê

ê

ù

û

ú

ú

ú

Y1,1 Y1,2 ⋯

Y2,1 ⋯ ⋯

⋯ ⋯ Ya,b t

波束

资源

频率

资源

路由

资源

存储

资源

计算

资源

全局视图

（有权无向图G）

资源池

（多维多域聚合）

整体拓扑解析结构

抽象

天地融合

物理网络 多维资源池

朱 斌，林 琳，胡 悦，邢楷初，王光全，姚海鹏

天地融合网络切片技术方案研究

本期专题

Monthly Topic

09

2023/11/DTPT

物理资源受限条件下的轻量化虚拟架构的抽象方法，

提供聚合多类别虚拟技术要素支撑的聚合资源池。

2.2 融合网络切片策略及模型

2.2.1 融合网络切片策略

针对天地融合网络拓扑的时变特性和差异化业

务的服务需求，构建大时空尺度下的高动态网络拓扑

时变模型和切片策略，实现对天基资源可用性的度量

以及对切片性能指标的确定，其技术路线如图3所示。

针对高差异性业务需求，围绕天地融合网络中超

远程实时类、密集连接类、高速移动宽带类、大容量传

输类、强安全保障类等典型切片应用场景，提供一种

指标要素映射粗细可调的切片需求指标方法。针对

具体业务应用特点，进行关键要素提取，形成业务指

标参数需求（如时延、带宽、吞吐量、连接密度、频谱效

率、网络效率、流量容量、安全性等），可调技术可实现

对关键参数及可选参数的灵活配置，并制定对应参数

下的SLA性能指标。进一步，针对网络能力供给情况，

按照多域划分域内颗粒度，通过全域统一匹配、单域

分解执行的方式实现切片策略，具备按需动态分配资

源并同时满足性能需求的能力。此外，针对多要素灵

活切片的指标需求，构建时空要素约束的天地融合网

络端到端切片策略。在多要素匹配上，将切片策略与

“网络能力指标供给方式+切片需求性能指标+资源节

点及链路能力”对应，作为后续资源适配的优化约束

条件，在系统容量的约束条件下，满足切片策略的性

能需求，实现差异化服务。

2.2.2 融合网络切片模型

切片模型的技术路线如图4所示。针对可调颗粒

度、可灵活适配的切片需求，在切片策略和大尺度时

空拓扑模型的基础上，构建网络切片模型，在资源需

求侧度量资源需求和性能指标。

针对可调颗粒度、可灵活适配的网络切片需求，考

虑采用基于多元组数学表征构建面向天地融合网络全

要素资源的切片模型的方法，用于描述切片资源需求，

多元组数学表达的要素包括业务功能链、用户身份标

识、业务优先级、生命周期以及业务服务等级。其中，

核心要素业务服务等级由切片策略指定，不同业务服

务等级依照映射表将对应于不同切片策略，有相应的

业务时延、时延抖动、业务可靠性等SLA性能指标。进

一步，通过灵活调整映射表，匹配不同的切片策略，可

实现切片性能颗粒度调整，灵活适配业务特性的能力，

满足高差异性业务需求。

2.3 智能适配及自动化配置

2.3.1 混合业务跨域智能适配

针对资源供给侧天地资源的动态拓扑特性和资

源需求侧切片需求灵活、要素可调的特点，研究资源

供需平衡的动态跨域智能适配机制，实现全场景混合

业务的资源按需灵活分配的目标。资源智能适配编

排技术路线如图5所示。基于网络资源监听的智能化

网络检测监视系统，考虑虚拟化网络资源池与切片需

求之间的自适应动态适配编排方法，实现实时适配的

天地动态跨域切片。

针对资源供给侧时变网络拓扑及链路条件，根据

资源时变情况自适应动态调整智能适配的编排策略，

按需分配资源。

首先，将典型业务场景初设的切片模型和基于有

图3 切片策略技术路线

能力指标供给（全域统一匹配，单域分解执行）

场景指标需求（多要素的映射，指标粗细可调）

成本

低功耗 高可靠

覆盖

大带宽 连接密度

超低时延

移动

性

安全 强安全保障类

高速移动宽带类

密集连接类

大容量传输类

超远程实时类

典型业务应用场景 业务指标需求（多要素提取）

业务场景差异化需求

网元完全独享

核心域

端到端

全域

星历周期

多尺度多要素切片策略

网络能力指标供给（单域颗粒度）

网元部分共享

网元完全共享

映射与匹配

接入域

承载域

独立端口

部分共享

核心域

承载域

完全共享

独立端口

共享端口

载波隔离 接入域

Flex-E

VPN+QoS

载波隔离

RB资源预留

QCI Non-GBR

GBR

上行 下行

多要素

资源预留

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天地融合网络切片技术方案研究

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Monthly Topic

10

邮电设计技术/2023/11

权无向图的多维资源池作为资源需求和资源供给，以

特定时刻的物理资源池容量和切片模型SLA服务性能

指标分别作为优化、约束条件，将业务功能链匹配映

射至资源池物理节点和链路，为资源分配目标。

图4 切片模型技术路线

图5 智能适配技术路线

业务服

务等级

功能链

约束

有权

无向图

识别标识

用户身份属性

业务

优先级

接入优

先级

切片生

命周期

时域长度

切片

策略

SLA约束

切片模型

多元组要素

切片模型

约束

业务服务等级SLA

多元组数学表征

切片模型

业务功能链

用户身份标识

业务优先级

用户/切片

身份属性

SLA约束

时间约束

接入优先级

拓扑匹配

星历

时空高动态 邻接关系

全局视图

（有权无向图）

动态切片模型

按需动态分配策略

（结合图信号处理+深度强化学习）

深度强化学习

深度学

习网络

切片

智能体

准静态切片SLA指标

（可按需灵活调整，增删参

数指标和调整参数阈值）

多维资源池

分配策略

业务指标要求（对网络）

业务需求（差异化场景）

网络能力指标

（网络供给服务）

动态

多要素提取

匹配(强/弱可调节)

生命周期

资源调用颗粒度

（大小可调节）

5

4

3

2

1 拓扑解析

多维资源池

资源供给

存储

资源

计算

资源

路由

资源

端口

资源

带宽

资源

资源池（多维

多域聚合）

全局视图

（周期更新）

匹配Match：

SLA和容量双约束

地面网络 控制器

卫星

网络

业务动态特征识别

网络时

变流量

神经网络

回归模式

更新

网络状态 预测需求

资源全局视图

资源需求

成本

低功耗 高可靠

覆盖

大带宽 连接密度 超低时延

移动

性

安全 强安全

保障类

高速移动

宽带类

密集

连接类

大容量

传输类

超远程

实时类

多要素

切片模型

切片智能体n状态动作对 深度学习网络n

切片智能体m状态动作对 深度学习网络m

切片智能体2 状态动作对 深度学习网络2

切片智能体1 状态动作对 深度学习网络1

……

Take

action

Observe state

Environment

DNN policy

TT（θ s，a） Agent

State

parameter θ

Reward

AI 深度强化学习 有约束

马尔科夫决策模型

动态切片方法

智能体协同

PPO/IPO

联合动作A

满足SLA约束的编排策略

协同动作映射层 神经回归网络模型

满足容量约束的编排策略

联合状态A

切片智能体1

切片智能体2

切片智能体N 环境

协同

动作1

协同

动作2 动作n

回报1

回报2

回报n

总回

报R

状态1 状态2 状态n

网络检测

拉格朗

日对偶

朱 斌，林 琳，胡 悦，邢楷初，王光全，姚海鹏

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11

2023/11/DTPT

进一步，提出基于在线深度强化学习方法来实现

动态自适应的资源分配，具体过程如下。

步骤1：建立有约束的马尔科夫决策模型，该模型

主要包括2个约束条件，一是系统容量瞬时约束条件，

使用物理资源池容量代表；二是服务性能指标约束条

件，使用累计随机统计量形式的切片模型 SLA指标要

求代表。

步骤 2：提供由业务功能链至资源池映射配置动

作智能适配的动态编排策略，该策略以满足最优目标

函数（如以最小资源利用率或最小队列长度）为条件，

业务功能链在状态空间（特性时刻资源池）的瞬时可

用信息由采用资源侦听技术的网络监视器进行反馈。

步骤3：提供了深度学习拟合后的动态编排策略，

该基于参数化形式的策略涉及有约束的马尔科夫决

策模型，其求解过程通过分解转化为分布式多智能体

协同的方式进一步实施。

步骤 4：分布式智能体借助拉格朗日对偶法。将

切片策略约束条件通过拉格朗日乘子引入目标函数，

将原匹配问题转化为对偶问题，使独立切片在资源分

配时满足服务性能指标约束。

步骤5：多智能体协同问题通过构建第2层深度学

习网络予以解决，提供了一种将原始调度策略映射至

物理资源池容量约束域内的方法，该深度学习目标函

数设置为 KL 散度，用以度量潜在动作和编排动作间

的差异，并借助拉格朗日对偶法同时将系统容量约束

条件引入该目标函数。

步骤 6：深度学习网络依据整合后的目标函数进

行训练，在同时满足系统容量和服务性能指标约束的

条件下，实现智能适配的编排动作目标要求，有效解

决强化学习在动作探索阶段可能出现的背离物理资

源池容量约束或服务性能指标的问题。

针对同时运行多类切片的业务需求，将每种切片

的业务设计构建成相应的切片智能体并作为资源编

排器，采用上文所述的基于智能体联动的“单类型切

片隔离、多切片间资源协同”分配优化策略，在资源适

配过程中按照切片模型服务 SLA 和资源系统容量等

约束条件，将各类切片的业务功能链配置在资源池图

节点和链路中，采用“单智能体独立、多智能体协同”

的两级深度优化学习方法在线动态编排资源，保证独

立切片的性能隔离，使各类切片性能的调整互不影

响。支持多切片同时在线运行，实现性能可达、性能

隔离的目标。

2.3.2 自动化配置方法

自动化网络配置方法的技术路线如图6所示。针

对业务需求生成的资源动态适配的网络编排与切片

控制策略，通过多层级的网络编排器与各域子网切片

图6 自动化网络配置技术路线

星 星

星

星 星

地

人 物

虚拟星地网络切片#N

密集连接…

星 星

地 地

地 地

大容量传输…

虚拟星地网络切片1

星

星

星

星

星

星 星

地

人 物

虚拟星地网络切片#m

高速移动…

地基单域切片管理控

制器（接入/承载/核心）

天基单域切片管理控

制器（接入/承载/核心）

网络基础设置层

业务对网络的要求

跨域/协同管理

（端到端星地协同）

政府大

型企业 海外

一带一路

资源

性价比

大带宽

快速 低时延

开通 业务需求驱动

动态编排调度策略

时域资源节

点/链路管理

多尺度网络切片运营管理层

业务映射

与适配

空域星地协

同智能编排

自动化

部署

业务需求

API开放

切片开通

与策略

多尺度切片

模型设计

接口适配及

分布式调度

闭环

监控

智能

保障

生命周期

管理

多维聚合

资源抽象

NFVI

（天基或地面网元）

星间/星地链路

地面传输链路

NFVI

（天基或地面网元）

星间/星地链路

地面传输链路

NFVI

（天基或地面网元）

虚拟基础设施

物理网络功能控制器

（天地网元）

VNFM

东西向接口

南北向接口

东西向接口

南北向接口

VIM VIM VIM

全域网络编排器

（天地面网元）

NFVO

朱 斌，林 琳，胡 悦，邢楷初，王光全，姚海鹏

天地融合网络切片技术方案研究

本期专题

Monthly Topic

12

邮电设计技术/2023/11

管理控制器的联合跨域协同配合执行策略，下达网络

编排和切片配置动作指令，实现资源端到端的实时协

同调度。

针对多尺度网络资源与网络切片服务模型的映

射，构建面向高差异性服务的网络配置最优分割模

型。面向切片编排和管理等功能的自动化网络配置

需求，通过多层级的网络编排器与各域子网切片管理

控制器的联合跨域协同配合执行策略，首先，为天基

和地基各域子网分别设置切片管理控制器，其次，为

天基和地基设置独立的网络编排器，并设置融合网络

的集中切片管理和网络资源编排器。通过多域多层

级的设置，跨域协同配合执行策略，可调度各域内资

源执行端到端的资源编排动作，便于智能体在线学习

时评估配置动作效果，下达网络编排和切片配置动作

指令，从而实现资源端到端的实时协同调度。进一

步，可在某个已执行的切片内，根据业务智能感知和

识别到的切片内业务需求（如语音，视频等），在其所

在的切片模型框架内调度可调的业务保障，并在业务

发起后执行端到端的QoS等保障机制。

针对自动化配置业务需求，通过动态跨域智能资

源编排器生成编排策略，进而通过多层级的管理控制

器实现后续端到端的自动化网络配置，快速执行由资

源编排器给出的资源调度动作，可将不同层级的管理

控制器布置于半实物试验系统平台的基础物理设施

侧，通过监视资源管理器的实际资源调度执行情况，

验证自动化网络配置结果。

3 总结及展望

本文主要针对天地融合网络中面临的问题，从资

源供给、业务需求以及供需关系智能匹配角度，提出

天地融合网络切片技术的初步解决思路和方案，采用

了图论、多元数组及深度强化学习等方法，但目前仅

初步分析融合切片可实现的方案，后续还需要持续深

入研究。天地网络融合作为新型信息基础设施未来

趋势，除了本文提及的网络切片之外，还有其他领域

的系列问题待解决，例如目前卫星与通信仍然存在 2

套标准体系以及对融合发展路线的研究，包括业务融

合、系统融合、体制融合等演进过程，从对应的技术角

度来看，还包括星上/地面技术、多模融合终端、业务及

应用等待攻关的技术点。因此，后续需积极布局空间

网络研究及建设方案，实现空间与地面设施互联互

通；探索运营商5G/6G网络与卫星互联网一体化，推动

相关产业发展，从而为运营商的标准推进及网络发展

规划提出策略建议，真正实现全球用户无缝通信连接

的愿景目标。

参考文献：

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OL］.［2023-01-17］. ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.

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4%BD% 93%E5%8C% 96%E9%80%9A% E4%BF% A1%E7%BD%

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架构及关键技术分析［C］//第十六届卫星通信学术年会论文集 .

北京：中国通信学会卫星通信委员会，2020：5-12.

作者简介：

朱斌，毕业于北京邮电大学，教授级高级工程师，主要从事5G网络能力开放、天地一体

化新技术及创新业务的研究工作；林琳，高级工程师，毕业于北京邮电大学，主要从事

5G网络能力开放、天地一体化新技术及创新业务产品的研究工作；胡悦，毕业于西安电

子科技大学，工程师，主要从事核心网及星地网络融合、5G消息相关领域的研究工作；

邢楷初，毕业于中国科学院空天信息创新研究院，主要从事天地一体化网络切片及创新

业务产品的研究工作；王光全，教授级高级工程师，主要从事网络技术、光通信、量子加

密通信等领域的研究及管理工作；姚海鹏，北京邮电大学副教授，博士生导师，主要研究

方向包括网络人工智能、机器学习、未来网络体系架构、卫星互联网等。

朱 斌，林 琳，胡 悦，邢楷初，王光全，姚海鹏

天地融合网络切片技术方案研究

本期专题

Monthly Topic

13

2023/11/DTPT

——————————

基金项目：国家重点研发计划（2020YFB1808000）

收稿日期：2023-09-04

0 引言

随着5G技术的快速发展，无线通信领域正在进入

一个崭新的时代，其中卫星通信的重要性日益凸显［1］

。

在 3GPP标准化组织中，为了满足卫星通信的需求，一

系列针对非地面网络（NTN）的项目已经启动。这些项

目旨在将 5G技术与卫星通信相融合，以提供更广泛、

更强大的通信覆盖。3GPP 标准化组织一直致力于推

动卫星通信与5G技术的融合，为此在RAN组和SA组

都启动了一系列关键的标准化项目。

从R15版本开始，3GPP启动了与卫星通信相关的

SI/WI 项目，本文聚焦于 3GPP SA5 工作组所开展的相

关项目，在 R17 版本中，SA5 启动了 FS_5GSAT_MO 项

目，该项目研究了卫星组件的商业角色、服务和 5G 网

络管理编排等关键问题，并提出了相关解决方案。这

一工作的成果包含在 3GPP TR 28.808［3］

中，包括了与

网络切片管理、卫星管理和卫星监控相关的用例、需

求和解决方案。这些成果为卫星通信与 5G 技术的融

合奠定了坚实的基础。在R18版本中，3GPP继续深化

了卫星通信与 5G 技术的融合工作，SA5 工作组在

FS_IoT_NTN 项目中继续深入研究，研究了 NR NTN 和

面向NTN的网络管理标准

进展和研究

Progress and Research on Network Management Standards for NTN

关键词：

NTN；5G；卫星；IoT

doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.11.003

文章编号：1007-3043（2023）11-0014-04

中图分类号：TN927

文献标识码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

摘 要：

对NTN网络管理的关键技术进行深入探讨，涉及管理架构、网络切片管理方案

以及邻区关系和PCI冲突解决方案，这些方案旨在适应NTN引入卫星带来的不

同需求。此外，还深入研究了 IoT NTN 网络管理的关键技术，涵盖了不连续卫

星覆盖下的网络管理和监测下行空口时延的解决方案。

Abstract：

It deeply discusses the key technologies of NTN network management，including management architecture，network slice

management scheme and PCI conflict resolution，in order to meet the different needs brought by the introduction of NTN satellites. In addition，the in-depth study of the key technologies of IoT NTN network management are conducted，which covers

the solution to the network management and monitoring of DL air delay under discontinuous satellite coverage.

Keywords：

NTN；5G；Satellite；IoT

李 静，崔 航，贺 琳（中国联通研究院，北京 100048）

Li Jing，Cui Hang，He Lin（China Unicom Research Institute，Beijing 100048，China）

李 静，崔 航，贺 琳

面向NTN的网络管理标准进展和研究

本期专题

Monthly Topic

引用格式：李静，崔航，贺琳. 面向NTN的网络管理标准进展和研究［J］. 邮电设计技术，2023（11）：14-17.

14

邮电设计技术/2023/11

IoT NTN 的网管运维工作。这项工作的成果包含在

3GPP TR 28.841［4］

中，包括了卫星管理架构、与具有再

生/透明卫星的 NTN 管理相关的用例和解决方案。这

些成果进一步完善了卫星通信与 3GPP技术的标准化

工作。这一项目于 2023 年 6 月成功结项，而相应的

OAM_NTN WI 项目正在 R18 版本中进行，预计将在

2023年底之前完成。未来 R19版本的标准化工作，将

重点考虑卫星接入的各个方面，同时结合 RAN 和 SA

领域的相关工作，这些工作方向将在 R19版本中成为

潜在的标准化内容，涵盖了多个关键方面的研究，包

括管理和编排能力、存储转发卫星操作、端到端管理

以及移动性管理增强。这些工作的推进将有助于进

一步推动卫星通信与 3GPP 标准的融合，为未来的网

络提供更广泛的覆盖和更多的创新应用。

NTN 网络包括 2 种主要类型，即 NR NTN 和 IoT

NTN，以满足不同类型终端的接入卫星的需求。NR

NTN 主要面向宽带卫星通信，IoT NTN 主要面向窄带

物联网卫星通信应用。为了支持非地面网络，NTN网

络 通 过 地 球 同 步 轨 道（GSO）、非 地 球 同 步 轨 道

（NGSO），以及高空平台系统（HAPS）等多种平台进行

接入，其中，NGSO 包括低地球轨道（LEO）和中地球轨

道（MEO）。

1 NR NTN网络管理标准化关键技术

1.1 管理架构

带有卫星接入和卫星回传的NR NTN网络架构如

图 1所示。可以基于此来考虑 NR NTN 网络的管理架

构。目前在带有卫星的5G网络中，卫星以透明模式传

输用户数据。在使用卫星作为回传的5G网络中，卫星

网络作为gNB和5GC之间的传输网络。

图2 支持NR接入NTN的管理架构

3GPP

网管系统

3GPP RAN

卫星

NR接入

核心网

用户面

地面

无线接入

UE 核心网

控制面

管理面 控制面/用户面

图1 带有卫星的NR NTN网络架构示意

gNB

gNB

N1/N2/N3

NR Uu

NR Uu

卫星回传

NR Uu

NG

5GC N6 DN

UE

UE

图3 支持非3GPP接入NTN的管理架构

3GPP

网管系统 卫星

非3GPP接入

核心网

用户面

地面

3GPP无线接入

UE 核心网

控制面

管理面 控制面/用户面

基于带有卫星的 NR NTN网络架构，在研究 3GPP

与卫星相关的5G网络管理标准化时，引入了3种不同

的管理架构，以满足NTN引入的不同场景和需求［2］

。

1.1.1 支持NR接入NTN的管理架构

该架构考虑了UE通过NR接入NTN的情况，同时

也考虑了UE通过地面无线接入技术（Terrestrial RAT）

接入的情况。如图2所示，3GPP管理系统负责管理5G

网络，包括非地面和地面网络，且 3GPP管理系统通过

API 与通信服务客户或垂直行业客户交互，同时为

UEs提供服务。

1.1.2 支持non-3GPP接入NTN的管理架构

该架构适用于UE通过非3GPP接入NTN的情况。

如图3所示，3GPP管理系统负责管理3GPP 和非3GPP

接入，包括非地面和地面网络，且 3GPP管理系统通过

API 与通信服务客户或垂直行业客户交互，同时为

UEs提供服务。

1.1.3 支持卫星提供5G回传的管理架构

该架构考虑了卫星提供 5G 回传服务的情况。如

图 4 所示，在这一架构下，3GPP 管理系统可以直接管

理卫星传输网，或与卫星传输网管理系统协同工作，

同时仍然管理5G网络，通过API接口与通信服务客户

或垂直行业交互，并为UEs提供服务。

李 静，崔 航，贺 琳

面向NTN的网络管理标准进展和研究

本期专题

Monthly Topic

垂直

行业/

通信

客户

垂直

行业/

通信

客户

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2023/11/DTPT

这3种管理架构的引入为NTN网络管理提供了更

多的灵活性，能够适应不同类型的5G网络中集成卫星

的应用场景。通过明确定义不同管理架构的功能和

接口，有助于管理 NR 接入 NTN、非 3GPP 接入 NTN 以

及卫星提供 5G 回传的 3 种应用场景，为 5G NTN 网络

提供了多样化的管理解决方案。

1.2 支持卫星相关的网络切片管理方案

在 NR NTN 网中，网络切片管理方案对于确保高

效的资源分配和满足不同网络切片的需求是至关重

要的。本文将探讨以下网络切片管理方案，以支持与

卫星相关的网络切片实例。通过将卫星纳入切片管

理范畴，能够更灵活地优化网络资源，扩大覆盖范围，

并满足多样化的通信需求。

如 3GPP TS 28.541［5］

中所述，网络切片管理接口

可以引用 1 个或多个 ServiceProfiles，这些 ServicePro‐

files描述了与网络切片相关的要求属性。在实例化专

用的NetworkSliceSubnet时，可以将NTN 纳入网络切片

实例中。为了实现这一目标，ServiceProfile 应该包括

NTN专属的要求属性。大部分情况下，为地面网络定

义的切片要求属性也适用于 NTN。例如，时延的要求

属性规定了通过RAN、核心和传输网的数据包传输时

延的服务需求，对于 NTN，这一切片要求属性适用于

卫星切片，用来描述最大500 ms往返时延的卫星切片

的时延服务要求。

可能影响 NTN 使用的切片要求属性是覆盖区域

的要求属性。这个要求属性确定了切片可访问的地

理区域。在 GSMA NG.116［6］

中有 2种定义网络切片的

覆盖区域的提案，一种是通过列出提供切片的 gNBs

和/或扇区，另一种是通过指定特定的地理区域。在某

些情况下，由于指定卫星 gNB的覆盖区域可能是非静

止的（如没有固定波束的MEO和LEO卫星），因此对于

NTN的切片应用，更倾向于使用地理区域来指定覆盖

区域。

1.3 解决邻区关系和PCI冲突的网络管理解决方案

NTN 中 的 卫 星 可 以 是 低 轨 道（LEO）、中 轨 道

（MEO）、同步轨道（GEO）卫星或多种轨道卫星组合。

LEO和MEO卫星相对于地面是非静止的，在卫星轨道

上高速运行，因此卫星波束的覆盖区域不断变化，如

图 5所示。这在 3GPP TR 38.821［7］

的 8.5.3节中也有更

详细的描述。NTN 包含透明转发和再生转发 2 种模

式。在透明转发模式下，卫星不进行数据解调/解码等

处理，只对接收信号进行放大、变频以及转发。卫星

通过卫星地面站与位于地面的 gNB连接；在再生模式

下，卫星在对接收信号放大、变频、转发过程中会进行

解调/解码等处理，相当于在卫星上实现基站全部或部

分功能，此外，再生模式可通过卫星间链路与其他卫

星gNB进行通信。对于移动波束的MEO和LEO卫星，

由于小区覆盖区域不固定在地球上的特定位置，卫星

的覆盖区域可能跨越多个国家，因此卫星 gNB的相邻

（地面）小区可能会不断变化。这可能导致 NTN 小区

的覆盖区域与地面小区重叠，从而不断出现邻区小区

关系重配置以及 PCI（Physical Cell Identity）冲突和/或

PCI混淆等问题。为了解决这些问题，可以使用/扩展

3GPP TS 28.313［8］

的自组织网络的自动邻区关系（SelfOrganizing Network Automatic Neighbor Relation，SON

ANR）和自组织网络中的物理小区标识（Self-Organiz‐

ing Network Physical Cell Identity，SON PCI）重配置功

能，使其支持连续移动的小区。SON PCI 重配置过程

可能在NTN小区和地面小区之间发生PCI冲突时解决

PCI 冲突。SON ANR 可以用于在 NTN 小区覆盖区域

移动过地球大气层时自动配置新的邻区。SON ANR

和SON PCI功能应满足每5~30 s移动卫星带来的新邻

区需求。对于具有固定地球波束的 GEO 卫星或具有

固定覆盖区域的 MEO 和 LEO 卫星，无需调整 SON

图4 支持卫星提供5G回传的管理架构

3GPP

网管系统

核心网

用户面

UE 核心网

控制面

管理面 控制面/用户面

RAN 卫星

传输网

图5 MEO或LEO卫星在多个地理区域上飞行的示意

geographical area #3

PLMN ID #1

TAC #3

geographical area #2 geographical area #1

foorprint

卫星#1

10：30：00

卫星#1

10：15：00 卫星#1

10：00：00

PLMN ID #1

TAC #2 PLMN ID #1

TAC #1

李 静，崔 航，贺 琳

面向NTN的网络管理标准进展和研究

本期专题

Monthly Topic

垂直

行业/

通信

客户

16

邮电设计技术/2023/11

ANR和SON PCI重配置功能。

2 IoT NTN网络管理标准化关键技术

2.1 解决不连续的卫星覆盖的网络管理方案

IoT NTN 中，尤其是在使用 MEO/LEO 卫星或卫星

星座时，存在不连续覆盖的情况。为了解决覆盖空洞

或不连续的卫星覆盖问题，可以使用卫星辅助信息

（如星历信息）。物联网终端能够基于卫星辅助信息

来预测不连续的覆盖情况。网管系统应向提供非地

面接入的基站提供以下 IoT-NTN 卫星星历信息，如

3GPP TS 38.300［9］

中所述，星历信息有 2 种格式，一种

是包含卫星位置和速度状态向量；另一种是卫星轨道

六根数格式。此外，网管还会向基站提供与星历表数

据相关联的显式历元时间以及NTN网关的位置信息。

除了卫星星历数据，3GPP网络管理系统还可以向

AMF 提供卫星覆盖可用性的信息。卫星覆盖可用性

信息描述了卫星在特定区域提供覆盖的预期可用时

间和地点。这些信息不是针对特定 UE 的，可以被

AMF应用于该区域内的任何 UE。该解决方案考虑使

用网络配置（例如TA列表）来表示预期的卫星/卫星星

座覆盖可用的相关的时间和位置信息。

2.2 支持监测NTN下行空口时延的管理解决方案

与传统的地面情况相比，NTN UE 与 MEO/GEO 卫

星之间的往返时延可能相对较大，针对这种情况，需

要引入新的 HARQ 机制来处理这些高延迟。在 3GPP

TR 38.821［7］

中提出了对 MEO 和 GEO 卫星优化 HARQ

进程的建议，其中包括增加HARQ进程数量，并在增加

的HARQ进程数量仍不足的情况下禁用HARQ反馈。

下行空口平均时延的测量（3GPP TS 28.552 的

5.1.1.1.1）和 下 行 空 口 分 布 时 延 的 测 量（3GPP TS

28.552 的 5.1.1.1.2）根据 HARQ 反馈消息来判断 RLC

SDU 数据包是否被物联终端成功接收。但是，当 NTN

网络禁用 HARQ 反馈时，没有 HARQ 反馈会影响该测

量的使用。为了解决这一问题，建议对这 2 个测量项

进行改进，以确保无论HARQ反馈是否启用，都能够准

确测量下行空口的时延，从而提高NTN网络的性能和

可靠性。该解决方案可以考虑定义不依赖于 HARQ

反馈的时延测量方法，以确保即使没有 HARQ 反馈，

也可以获得准确的时延测量结果。

3 总结

本文在 NR NTN 网络管理标准化方面，强调了网

络管理架构的重要性，并考虑 3 种不同的管理架构。

还讨论了如何通过网络切片管理方案有效地支持卫

星以满足不同卫星类型的需求。此外，讨论了解决邻

区关系和 PCI 冲突网络管理方案的实现方法，以提高

网络性能和可靠性。而在IoT NTN网络管理标准化方

面，探讨了如何解决不连续的卫星覆盖下的网络管理

问题，以确保设备能够在卫星信号覆盖变化时无缝切

换，保持连通性。同时，还介绍了监测下行空口时延

的解决方案，以确保数据传输的可靠性。综上所述，

3GPP在 NTN 网络管理标准化方面的工作取得了显著

进展，并不断提高 NTN 网络的性能、可靠性和管理能

力。随着5G和物联网的不断发展，这些标准将为未来

的卫星通信提供坚实的基础，为各种应用场景提供更

强大的支持，从而推动整个行业的发展。期待未来的

研究和标准化工作能够进一步完善和丰富这些关键

技术，以满足不断增长的通信需求。

参考文献：

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［2023-08-10］. https://www.doc88.com/p-94459506701517.html.

［7］ 3GPP. Solutions for NR to support non-terrestrial networks（NTN）：

3GPP TR 38.821［S/OL］.［2023-08-10］. ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.

［8］ 3GPP. Management and orchestration；self-organizing networks

（SON）for 5G networks：3GPP TS 28.313［S/OL］.［2023-08-10］.

ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.

［9］ 3GPP. NR；NR and NG-RAN overall description；stage-2：3GPP TS

38.300［S/OL］.［2023-08-10］. ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.

作者简介：

李静，高级工程师，主要从事移动通信无线技术研究、工业互联网技术研究等相关工作；

崔航，工程师，主要从事空天地一体化网络架构、无线技术研究等相关工作；贺琳，高级

工程师，主要从事移动通信网络无线新技术研究等工作。

李 静，崔 航，贺 琳

面向NTN的网络管理标准进展和研究

本期专题

Monthly Topic

17

2023/11/DTPT

——————————

收稿日期：2023-09-15

1 概述

为了实现无处不在的通信服务，3GPP 在 Rel-17

版本中将卫星通信作为地面 5G 蜂窝移动通信网的重

要补充，简称为非地面网络（Non-Terrestrial Networks，

NTN）。NTN由地面NTN网关（含gNB）、卫星、UE三大

部分组成，卫星包括低轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫

星、中轨道（Middle Earth Orbit，MEO）卫星、地球静止

轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）卫星［1］

。卫星和

UE之间的链路称为服务链路，NTN网关和卫星之间的

链路称为馈电链路。根据卫星对无线信号处理的不

同，NTN分为透明转发和再生转发2个场景。

5G NTN 的移动性管理包括空闲模式下的移动性

和连接模式下的移动性，空闲模式下的移动性由 UE

驱动，包括小区选择和小区重选，连接模式下的移动

性由网络驱动，主要是切换。在连接模式下，网络为

5G NTN在连接模式下的

测量策略分析

关键词：

5G NTN；连接模式；测量间隙；SMTC；传播时延

差值

doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.11.004

文章编号：1007-3043（2023）11-0018-05

中图分类号：TN927

文献标识码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

摘 要：

首先介绍了5G NR的SMTC和测量间隙的背景知识，由于地面网络的小区半径

小，Rel-15/Rel-16 的 SMTC 和测量间隙配置适合地面网络。然后分析了 5G

NTN测量面临的问题，由于 LEO 卫星高速运动，导致 UE和 NTN服务小区之间

以及UE和NTN邻小区之间产生大的且快速变化的传播时延，为SMTC和测量

间隙配置带来了极大的挑战。最后对 5G NTN 在连接模式下的测量策略进行

了分析，包括 SMTC配置策略、UE上报位置信息策略和 UE上报传播时延差值

策略。

Abstract：

Firstly，it introduces the background knowledge of SMTC and measurement gap configuration for 5G NR，the SMTC and measurement configuration of Rel-15/Rel-16 is appropriate for terrestrial network due to small cell Radius of terrestrial network.

Then，it analyzes the challenges on measurement of 5G NTN. Due to the LEO satellites’high-speed movement，large and

rapidly changing propagation delays are generated between UE and NTN serving cells，as well as between UE and NTN neighboring cells，which brings great challenges for SMTC and measurement gap configuration. Finally，it analyzes the measurement strategies of 5G NTN in connected mode，including SMTC configuration，UE location report，propagation delay difference

report.

Keywords：

5G NTN；Connected mode；Measurement gap；SMTC；Propagation delay difference

张建国1

，王 森2

，杨东来1

（1. 华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052；2. 中讯邮电咨询设计院有限公司，北京

100048）

Zhang Jianguo1

，Wang Sen2

，Yang Donglai1

（1. Huaxin Consulting Co.，Ltd.，Hangzhou 310052，China；2. China Information Technology

Designing & Consulting Institute Co.，Ltd.，Beijing 100048，China）

Analysis on Measurement Strategies of 5G NTN in Connected Mode

张建国，王 森，杨东来

5G NTN在连接模式下的测量策略分析

本期专题

Monthly Topic

引用格式：张建国，王森，杨东来. 5G NTN在连接模式下的测量策略分析［J］. 邮电设计技术，2023（11）：18-22.

18

邮电设计技术/2023/11

UE 下发配置，包括测量配置、报告配置等，UE 上报测

量报告，由gNB根据测量报告来决定是否进行切换。

测量是移动性管理的第一步，有效的测量是 5G

NTN 移动性管理的关键，本文接下来分析 5G NTN 在

连接模式下的测量策略。

2 SMTC和测量间隙

在连接模式下，UE的测量目标可以是同步信号块

（Synchronization Signal Block，SSB），也可以是信道状

态信息参考信号（Channel State Information-Reference

Signal，CSI-RS），对于 NTN，UE 通常只测量 SSB。SSB

在无线帧的第1个或者第2个半帧，即SSB突发占用的

时间不超过5 ms，根据频率的不同，每个SSB突发最多

可以配置 4、8 或者 64 个 SSB，SSB 突发的周期可以配

置为5、10、20、40、80或者160 ms［2-3］

。

由于设备复杂度和尺寸的原因，UE通常只装备一

个射频模块。UE 通过使用 SSB 测量定时配置（SSB

Measurement Timing Configuration，SMTC）来完成 SSB

的测量，SMTC 的周期是 5、10、20、40、80 或 160 个子

帧，每个 SMTC 窗口的持续时间是 1、2、3、4 或 5 个子

帧，在 3GPP Rel-16 版本，网络共可以为 UE 配置 3 个

SMTC［4］

。根据 3GPP TS 38.133协议，只有当服务小区

的SSB的中心频率和邻小区的SSB的中心频率相同且

子载波间隔相同时，才定义为同频测量，UE 完成同频

测量不需要配置测量间隙［5］

。

当 UE 测量异频邻小区的时候，为了解码邻小区

的 SSB，UE 必须中断在服务小区的服务，这个中断的

时间称为测量间隙（Measurement Gap，MG），如图 1 所

示。测量间隙长度（Measurement Gap Length，MGL）定

义了测量间隙的长度，可以配置为 1.5、3、3.5、4、5.5或

者6 ms。测量间隙重复周期（Measurement Gap Repeti‐

tion Period，MGRP）定义了测量间隙的重复周期，可以

配置为 20、40、80 或者 160 ms。测量间隙定时提前

（Measurement Gap Timing Advance，MGTA）是 UE 开始

测量的偏移，用于射频器件调整频率，可以在测量窗

口之前和之后各预留 0.5 ms的时间，实际的定时提前

可能是0.5 ms（FR1）或者0.25 ms（FR2）［6］

。

SMTC 和测量间隙通常是在一起配置的，本文接

下来不严格区分SMTC和测量间隙。

在地面网络（Terrestrial Network，TN）中，服务小区

和邻小区之间的 SSB 在时间上的相对位置是固定的，

小区内的传播时延与小区半径和 UE 位置有关，由于

TN 小区半径小，传播时延非常小，即使小区半径达到

100 km，传播时延只是在0.5 ms以内；从UE角度来看，

仅仅是由于 UE 运动引起非常小的传播时延变化，现

有的SMTC和测量间隙配置是足够的。

3 NTN测量面临的挑战

在 NTN 中，传播时延非常大，LEO 卫星的双向传

播时延最大可达 25.77 ms（LEO，卫星高度 600 km，透

明转发）或者 41.77 ms（LEO，卫星高度 1 500 km，透明

转发），GEO 卫星的双向传播时延最大可达 541.46 ms

（透明转发），且高速移动的 LEO 卫星还会导致 UE 和

服务小区之间以及 UE和邻小区之间的传播时延随着

时间的推移而变化，随着卫星高度的增加以及考虑到

馈电链路的时延，这个传播时延将变得更为复杂和恶

劣，大且快速变化的传播时延为 SMTC 和测量间隙配

置带来了巨大的挑战［7］

。

LEO 卫星的部署场景如图 2 所示，SAT1 和 SAT2

在同一个或并行的轨道上，卫星的高度是 600 km。

SAT1 是当前为 UE 提供服务小区的卫星，称为服务卫

星，SAT1正在离开UE，SAT1和UE之间（服务链路）的

传播时延定义为dSAT1-UE（t）。SAT2是潜在的目标小区，

称为邻卫星，SAT2 正在向 UE 移动，SAT2 和 UE 之间

（服务链路）的传播时延定义为dSAT2-UE（t）。在透明卫星

场景，传播时延还与NTN网关的位置有关，在本例中，

SAT1 连接到 NTN-GW1 并且向其移动，SAT1 和 NTNGW1 之间（馈电链路）的传播时延定义为 dSAT1-GW（1 t）。

图1 测量间隙示意

MGL

MGTA

SSB突发

MGRP

t

间隙

偏移

SSB周期

t

张建国，王 森，杨东来

5G NTN在连接模式下的测量策略分析

本期专题

Monthly Topic

19

2023/11/DTPT

SAT2 连接到 NTN-GW2 并且向其移动，SAT2 和 NTNGW2 之间（馈电链路）的传播时间定义为 dSAT2-GW（2 t）。

dSAT1-UE（t）、dSAT2-UE（t）、dSAT1-GW（1 t）和 dSAT2-GW（2 t）随着时间

的推移而变化，都是时间的函数［8］

。

UE与卫星之间以及卫星和 NTN 网关之间的传播

时延与UE或网关到卫星的仰角有关。以图2为例，在

T1时刻，UE 与 SAT1 和 SAT2 的仰角都是 30°；在 T2时

刻，UE与SAT1和SAT2的仰角分别是10°和50°。在T1

时刻，SAT1 与 NTN-GW1、SAT2 与 NTN-GW2 的仰角

分别是10°和65°；在T2时刻，SAT1与NTN-GW1、SAT2

与NTN-GW2的仰角分别是30°和80°。由此可以计算

出UE到卫星、卫星到网关的传播时延（见表1）。

根据图 2 假定的几何位置，NTN-GW1 和 UE 之间

的传播时延约保持在 10.4 ms，而 NTN-GW2 和 UE 之

间的传播时延从 T1时刻的 6.2 ms 减少到 T2时刻的 4.5

ms，因此 GW1-NTN-UE和 GW2-NTN-UE之间的传播

时延差值，在 T1时刻是 4.2 ms，而在 T2时刻是 5.9 ms。

图 2 仅仅是个示例，根据 UE 和地面网关位置的不同，

实际的传播时延差值可能会更大。SMTC窗口的最大

持续时间是 5 个子帧，对于 15 kHz 的子载波间隔，

SMTC 的最大持续时间是 5 ms，由于 Rel-15/Rel-16 的

SMTC1 是个静态的 SMTC 窗口，且 UE 不需要监测

SMTC 窗口以外的 SSB，因此静态的 SMTC 窗口处理超

过5 ms的传播时延差值具有很大的挑战性。

4 NTN在连接模式下的测量策略

4.1 SMTC配置策略

为了解决 LEO 卫星高速运动引起的大且快速变

化的传播时延问题，需要对Rel-15/Rel-16的测量策略

进行调整，否则 UE 将丢失测量。潜在的解决方案包

括：

方案 1：为 UE 配置足够长的测量窗口，以解决来

自不同卫星导致的传播时延差值过大问题。

方案2：由UE自动调整测量窗口。

方案3：网络为UE配置多个SMTC和测量间隙，例

如为 GEO 和 LEO 卫星分别配置 SMTC 和测量间隙，为

不同仰角的卫星分别配置SMTC和测量间隙等。

方案 1 会使得 UE 用于数据发送和接收的资源减

少，导致调度灵活性变差，数据速率降低；方案 2 将导

致不可预期的 UE行为，可能引起 UE在下一个传输窗

口不能正确接收服务小区的数据。因此建议采用方

案3，即为UE配置多个SMTC和测量间隙［9］

。

针对 NTN，3GPP Rel-17 在原有的 3 个 SMTC 配置

的基础上，增加了第 4个 SMTC。即在 Rel-17版本中，

共定义了4个SMTC［10］

。分别如下：

a）SMTC1：提供了主要的 SMTC 配置，包括 SMTC

的周期、偏移和持续时间。

b）SMTC2：主要配置与 SMTC1 基本相同，但是相

比于SMTC1，具有更小的周期。

c）SMTC3：用于集成接入与回传（Integrated Ac‐

cess and Backhaul，IAB）的测量。

d）SMTC4：测量周期和持续时间与 SMTC1 相同，

表1 UE在不同时刻与2个透明卫星的传播时延

卫星

SAT1

SAT2

时

间

T1

T2

T1

T2

UE

仰角/°

30

10

30

50

传播时延/ms

4.0

6.4

4.0

2.5

NTN-GW（SAT1是GW1，

SAT2是GW2）

仰角/°

10

30

65

80

传播时延/ms

6.4

4.0

2.2

2.0

GW-SATUE的联合

时延/ms

10.4

10.4

6.2

4.5

图2 LEO卫星部署场景示意

卫星的

运动方向

dSAT2-GW（2 t）

dSAT1-GW

（1 t）

dSAT1-UE（t）

dSAT2-UE（t）

UE

NTN-GW1 NTN-GW2

SAT1 SAT2

张建国，王 森，杨东来

5G NTN在连接模式下的测量策略分析

本期专题

Monthly Topic

20

邮电设计技术/2023/11

基于UE位置和卫星星历，网络

产生SMTC/测量间配置

UE上报位置信息

基于位置触发的事件报告

网络为UE配置SMTC/测量间隙

基于当前的SMTC配置，UE在

某个周期内检测不到邻小区

网络更新SMTC配置

网络请求UE上报位置信息

但是定义了相对于 SMTC1的偏移，可以最多配置 4个

偏移。

对于 NTN，主要使用 SMTC1 和 SMTC4，即一个具

有相同 SSB 频率的测量目标，可以配置的 SMTC 数量

最大为 5 个（1 个由 SMTC1 配置，4 个由 SMTC4 配置），

并且每个 SMTC 可以与一组小区相关联。根据 UE 能

力的不同，UE 能够在每个载波上并行支持 2个或 4个

SMTC。图3所示为5G NTN的SMTC配置示意。

与 SMTC 配置类似，在 Rel-17 版本，5G NTN 的测

量间隙可以最多配置8个，在此不再赘述。

由于 NTN 小区半径大，UE在不同位置导致 UE到

NTN网关的传播时延差值最大可达8 ms（LEO卫星，高

度 600 km）或 20 ms（LEO 卫星，高度 1 500 km）［11］

。为

了配置SMTC和测量间隙，网络需要UE提供辅助信息

以便计算 UE 与服务小区和邻小区的传播时延差值。

根据 3GPP Rel-17协议，UE提供给网络的辅助信息既

可以是 UE 的位置信息，也可以是精确的传播时延差

值。

4.2 UE上报位置信息

如果 UE 提供给网络的辅助信息是 UE 的位置信

息，SMTC的调整步骤如图4所示。

在开始阶段，网络提供给UE的SMTC和测量间隙

配置应该覆盖所有的或者大部分邻区。为了保护用

户的隐私，网络应该在接入层（Access Stratum，AS）连

接安全建立后，请求UE上报位置信息，UE以椭圆点模

型的形式上报位置信息。基于 UE上报的位置信息以

及服务卫星和邻卫星的星历信息，网络生成 SMTC 和

测量间隙配置，随着卫星的运动，UE 重新上报位置信

息，网络更新SMTC 配置［12］

。

考虑到用户的隐私，UE报告的位置信息不必非常

精确，只需达到2 km的精度即可，称为粗略位置信息。

由于 SMTC和测量间隙配置的颗粒度是 ms级的，对应

距离的颗粒度是 300 km，2 km 的精度对于 SMTC 和测

量间隙配置是足够的。

UE 通过信令 MeasurementReport 上报位置信息。

既可以周期性上报位置信息，也可以基于事件上报位

置信息。5G NTN使用的事件与TN使用的事件略有区

别，TN 使用基于信号强度触发的事件报告，在 NTN

中，由于卫星的轨道非常高，远近效应不明显，不能使

用基于信号强度触发的事件报告，而是使用基于位置

触发的事件报告，即 D1 事件。D1 事件的定义为：UE

与服务小区参考位置的距离大于门限值 1，UE与邻小

区参考位置的距离小于门限值2，D1事件与A5事件类

似，只是测量对象为距离，参考位置定义为小区的中

心，以椭圆点模型（经度和纬度）来表示［13］

。除此之

外，UE也可以根据网络请求，通过信令UEInformation‐

Response上报自身的位置信息。

该方案不需要邻卫星的星历信息，且2 km的定位

精度只需要上报 28 bit 的信息（经度和纬度各 14 bit）

即可，因此具有传输信令少、复杂度低、效率高等优

点，适合对位置信息不敏感的用户［14］

。

4.3 UE上报传播时延差值

考虑到隐私问题，一些 UE 不允许上报精确的位

置信息，因此网络不能根据 UE 的位置信息获得传播

时延差值，在这种情况下，UE 通过上报敏感性低的传

播时延差值来辅助网络配置SMTC和测量间隙［15］

。

UE为了计算传播时延，需要知道服务卫星和邻卫

图4 基于UE位置信息的SMTC调整步骤

图3 5G NTN的SMTC配置示意

t

SMTC

持续

时间

SMTC周期

偏移1 SSB突发

偏移2

偏移3

张建国，王 森，杨东来

5G NTN在连接模式下的测量策略分析

本期专题

Monthly Topic

21

2023/11/DTPT

星的位置信息，因此网络应该为 UE 提供服务卫星和

邻 卫 星 的 星 历 信 息 以 及 邻 卫 星 的 物 理 小 区 标 识

（Physical Cell Identifier，PCI）。网络为了计算 UE 与服

务小区和邻小区的传播时延差值，需要知道以下几个

时延。

a）UE 到服务卫星的传播时延，即图 2中的 dSAT1-UE

（t）。

b）UE 到邻卫星的传播时延，即图 2 中的 dSAT2-UE

（t）。

c）服务卫星到 NTN网关的传播时延，即图 2中的

dSAT1-GW（1 t）。

d）邻卫星到 NTN 网关的传播时延，即图 2 中的

dSAT2-GW（2 t）。

UE到邻小区和UE到服务小区总的传播时延差值

是dSAT2-UE（t）- dSAT1-UE（t）+ dSAT2-GW（2 t）- dSAT1-GW（1 t）。

考虑到安全性，网络不会把网关的位置信息通知

给 UE，因此 UE 不知道馈电链路的传播时延，即 UE 不

知道 dSAT1-GW（1 t）和 dSAT2-GW（2 t），所以 UE并不是上报总的

传播时延差值，而是上报 UE 到邻卫星和服务卫星的

传播时延差值，即上报 dSAT2-UE（t）- dSAT1-UE（t）。由于

Rel-17 的 NTN UE 具 有 全 球 导 航 卫 星 系 统（Global

Navigation Satellite System，GNSS）能力且 UE 知道服务

卫星和邻卫星的星历信息，UE 可以计算 dSAT1-UE（t）和

dSAT2-UE（t）。至于dSAT1-GW（1 t）和dSAT2-GW（2 t），与网络部署有

关，可以通过网关之间的通信获得。除此之外，UE 也

可以只上报 dSAT2-UE（t），因为在连接模式下，通过 UE 上

报的定时提前（Timing Advance，TA）和 TA 调整，服务

卫星能够知道 dSAT1-UE（t）。相比 dSAT2-UE（t），dSAT2-UE（t）-

dSAT1-UE（t）的信令负荷通常较小，因此 3GPP Rel-17 协

议规定，UE上报的是传播时延差值。

对于传播时延差值，网络通过重配置信令 RR‐

CReconfigurantion 给 UE 下发传播时延差值上报配置

（propDelayDiffReportConfig），传播时延差值上报配置

包括传播时延差值门限（threshPropDelayDiff）以及邻

卫星列表（neighCellInfoList），传播时延差值门限取值

是 0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9或 10 ms，邻卫星列表可以

配置最多 4 个邻卫星的星历信息。UE 在最近一次上

报传播时延差值后，如果邻卫星和服务卫星之间的服

务链路传播时延差值变化量超过门限，UE 通过信令

UEAssistanceInformation 上报邻卫星的服务链路和服

务卫星的服务链路的传播时延差值，即上报 dSAT2-UE

（t）- dSAT1-UE（t）。

5 结束语

与传统的地面 5G 蜂窝移动通信网相比，5G NTN

具有传播时延大、传播时延变化快的特点，对 5G NTN

的测量策略带来了极大的挑战，本文分析了连接模式

下的测量策略，包括 SMTC 配置策略、UE 上报位置信

息策略和 UE 上报传播时延差值策略，这些策略可以

确保 UE 有效测量邻小区的信息，为后续的切换奠定

良好的基础。

参考文献：

［1］ 3GPP. Study on new radio（NR）to support non-terrestrial networks：

3GPP TR 38.811［S/OL］.［2023-03-15］. ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.

［2］ 3GPP. NR；physical channels and modulation：3GPP TS 38.211［S/

OL］.［2023-03-15］. ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.

［3］ 3GPP. NR；physical layer procedures for control：3GPP TS 38.213［S/

OL］.［2023-03-15］. ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.

［4］ 3GPP. NR；radio resource control（RRC）；protocol specification：

3GPP TS 38.331［S/OL］.［2023-03-15］. ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.

［5］ 3GPP. NR；requirements for support of radio resource management：

3GPP TS 38.133［S/OL］.［2023-03-15］. ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.

［6］ 3GPP. SMTC and MG configuration for NTN：R2-2106386［S/OL］.

［2023-03-15］. ftp：//3gpp.org/tsg_ran/.

［7］ 3GPP. Solutions for NR to support non-terrestrial networks（NTN）：

3GPP TR 38.821［S/OL］.［2023-03-15］. ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.

［8］ 3GPP. Further views on SMTC configurations for NTN：R2-2107521

［S/OL］.［2023-03-15］. ftp：//3gpp.org/tsg_ran/.

［9］ 3GPP. Discussion on connected mode aspects for NTN：R2-2105460

［S/OL］.［2023-03-15］. ftp：//3gpp.org/tsg_ran/.

［10］ 3GPP. SMTC and MG enhancements：R2-2109972［S/OL］.［2023-

03-15］. ftp：//3gpp.org/tsg_ran/.

［11］ 3GPP. NTN timers and common delay update in moving satellite sce‐

nario：R2-2009984［S/OL］.［2023-03-15］. ftp：//3gpp.org/tsg_ran/.

［12］ 3GPP. Discussion on remaining issues on SMTC：R2-2109638［S/

OL］.［2023-03-15］. ftp：//3gpp.org/tsg_ran/.

［13］ 3GPP. LTE positioning protocol（LPP）：3GPP TS 37.355［S/OL］.

［2023-03-15］. ftp：//ftp.3gpp.org/Specs/.

［14］ 3GPP. UE location report and TAC in NTN：R2-2110467［S/OL］.

［2023-03-15］. ftp：//3gpp.org/tsg_ran/.

［15］ 3GPP. UE assistance for measurement gap and SMTC configuration

in NTN：R2-2105819［S/OL］.［2023-03-15］. ftp：//3gpp.org.

作者简介：

张建国，毕业于南京邮电学院，正高级工程师，硕士，主要从事无线网络的规划和设计工

作；王森，高级工程师，注册咨询师，硕士，主要从事运营商移动通信网络规划建设和解

决方案课题研究工作；杨东来，毕业于北京邮电大学，高级工程师，学士，主要从事无线

网络的规划和设计工作。

张建国，王 森，杨东来

5G NTN在连接模式下的测量策略分析

本期专题

Monthly Topic

22

邮电设计技术/2023/11

——————————

收稿日期：2023-10-10

0 引言

除了传统的地面蜂窝移动通信外，3GPP 在 Rel17版本中将卫星通信网作为地面5G蜂窝移动通信网

的重要补充，简称为非地面网络（Non-Terrestrial Net‐

works，NTN）。

NTN 由地面网关（含 gNB）、卫星、UE 三大部分组

成，卫星包括低轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星、中

轨道（Middel Earth Orbit，MEO ）卫星、地球静止轨道

（Geostationary Earth Orbit，GEO）卫星［1］

。

卫星视野范围内由多个波束（小区）组成，波束覆

盖区是典型的椭圆形，可以产生固定波束或可调整波

束，因此在地面上产生移动的或固定的波束覆盖区，

波束分为3种类型。

a）地面固定波束。在所有的时间内，同一个地理

区域由固定的波束持续地覆盖，例如GEO卫星产生的

波束。

b）准地面固定波束。在某个有限的周期内，某个

地理区域由一个波束覆盖，在其他周期内，该区域由

其他波束覆盖，例如非GEO卫星产生的可调整波束。

连接模式下5G NTN

移动性策略分析

Analysis of 5G NTN Mobility Strategies in Connected Mode

关键词：

5G NTN；连接模式；切换；事件

doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.11.005

文章编号：1007-3043（2023）11-0023-05

中图分类号：TN927

文献标识码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

摘 要：

研究了 5G NTN在连接模式下的移动性策略，包括基于位置触发的切换（D1事

件）、基于时间触发的切换（T1事件）、UE上报粗略位置信息、D1事件和T1事件

的选择、目标小区的选择、大量UE几乎同时切换引起的信令风暴。最后分析了

NTN-TN 间的移动性策略，对于 NTN 向 TN 的切换，建议采取基于信号强度和

位置联合触发的切换策略；对于 TN 向 NTN 的切换，建议采取基于信号强度触

发的切换策略。

Abstract：

It studies the 5G NTN mobility strategies in connected mode，including on location triggering（D1 event）based hand-over and

time triggering（T1 event）based hand-over，UE coarse location report，how to select D1 event and T1 event，how to select

the target cell，signaling storm caused by a large number of UE handover almost at the same time. Finally，it analyzes mobility

strategies between NTN and TN in connected mode，suggests that hand-over based singnal strength and location triggering

is used for NTN to TN，and hand-over based singnal strength triggering is used for TN to NTN.

Keywords：

5G NTN；Connected mode；Hand-over；Event

芮 杰1

，何华伟1

，张建国2

，王 森3

（1. 中国电信股份有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310000；2. 华信咨询设计研究院有限

公司，浙江 杭州 310052；3. 中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048）

Rui Jie1

，He Huawei1

，Zhang Jianguo2

，Wang Sen3

（1. China Telecom Co.，Ltd. Hangzhou Branch，Hangzhou 310000，China；2. Huaxin

Consulting Co.，Ltd.，Hangzhou 310052，China；3. China Information Technology Designing & Consulting Institute Co.，Ltd.，Beijing 100048，

China）

芮 杰，何华伟，张建国，王 森

连接模式下5G NTN移动性策略分析

本期专题

Monthly Topic

引用格式：芮杰，何华伟，张建国，等. 连接模式下5G NTN移动性策略分析［J］. 邮电设计技术，2023（11）：23-27.

23

2023/11/DTPT

c）地面移动波束。波束的覆盖区域沿着地面滑

动，例如非 GEO 卫星产生的固定的或不可调整的波

束［2］

。

NTN 具有高传播时延、更大的小区半径、快速移

动的小区等特点，给 5G NTN 的移动性管理带来了新

的挑战，本文重点分析连接模式下的移动性策略［3］

。

1 NTN移动性场景

非地面网络（NTN）和地面网络（Terrestrial Net‐

works，TN）联合部署的移动性场景如图 1 所示。NTN

和TN为所有终端提供服务，终端类型包括静止的UE、

步行移动的 UE、机器类型的 UE 以及静止的中继 UE、

在交通工具上（汽车、高铁、轮船、飞机）的中继 UE，其

中 TN 和 NTN（LEO）提供中到高速的吞吐量，NTN

（GEO）提供低到中速的吞吐量。为了保证用户有良好

的体验，需要确保 NTN 内以及 NTN 和 TN 之间的无缝

连接和服务［4］

。

5G 引入 NTN 后，有 3 种类型的切换，分别是卫星

内的切换（即服务小区和目标小区由同一个卫星提供

服务）、卫星间的切换（即服务小区和目标小区由不同

的卫星提供服务）、NTN 和 TN 之间的切换〔即服务小

区和目标小区由不同接入方式（NTN 和 TN）提供服

务〕。卫星内的切换和卫星间的切换称为 NTN 内切

换，NTN 小区和 TN 小区之间的切换称为 NTN-TN 切

换。

如果 NTN 和 TN 使用相同的频率，由于 NTN 小区

具有大的小区半径、低的SINR，而TN小区具有小的小

区半径、高的SINR，NTN小区和TN小区之间不可避免

的产生较大的干扰。为了避免干扰，在网络部署的时

候，需考虑 NTN 和 TN 运行在不同的频段上或者同一

个频段的不同频率。

2 NTN内的移动性策略

在连接模式下，5G NTN 的移动性管理与 2G、3G

和 4G 网络一样，也是网络为 UE 下发测量配置和报告

配置，UE 完成测量后上报测量报告，由网络根据测量

报告来决定是否进行切换，上报的形式有周期性触发

和基于事件触发［5］

。

对于 TN，采用基于信号强度触发的切换策略，

3GPP定义了5个同系统测量事件，即A1~A5事件。

A1事件：服务小区高于一定门限。

A2事件：服务小区低于一定门限。

A3事件：邻小区高于主服务小区的偏滞。

A4事件：邻小区高于一定门限。

图1 NTN和TN联合部署的移动性场景

非常高速飞机

有限的/主要的TN连接

范围广的/次要的NTN

LEO/GEO连接

低速，行人

农村/边远地区

好的/主要的TN连接

范围广的/次要的NTN LEO连接

室内/室外

低速轮船

边远地区/海洋

有限的/次要的TN连接

好的/主要的NTN LEO/GEO连接

室外 A2G系统

中高速汽车/火车

农村/郊区

好的/主要的TN连接

范围广的/次要的NTN LEO连接

LEO1

GEO

LEO2

GEO卫星

非GEO卫星

地面gNB

芮 杰，何华伟，张建国，王 森

连接模式下5G NTN移动性策略分析

本期专题

Monthly Topic

24

邮电设计技术/2023/11

A5事件：服务小区低于某一门限值1，且邻小区高

于某一门限值2。

对于 A1~A5 事件，测量目标是同步信号块（Syn‐

chronization Signal Block，SSB）或者信道状态信息参考

信号（Channel State Information-Reference Signal，CSIRS）的RSRP、RSRQ、SINR。对于TN，UE可以测量SSB

或者 CSI-RS；对于 NTN，UE 只测量 SSB，通常只测量

RSRP。

基于信号强度触发的切换策略非常适合 TN 小

区，这是因为当 UE 远离 TN 小区中心时，信号强度会

急剧下降，UE通过信号强度很容易区分出是位于小区

的中心还是小区的边缘。由于卫星的轨道非常高，来

自卫星的信号几乎是垂直到达地面，导致NTN小区中

心的信号强度和 NTN 小区边缘的信号强度只有很小

的差异，也即对于NTN小区，没有明显的远近效应，见

表1

［6］

。

为了解决基于信号强度触发的切换的局限性问

题，对于 NTN，引入了基于位置触发的切换和基于时

间触发的切换，即分别定义了D1事件和T1事件。

2.1 D1事件和T1事件

D1 事件：UE 与服务小区参考位置的距离大于门

限值1，UE与邻小区参考位置的距离小于门限值2，D1

事件与 A5事件类似，只是测量对象为距离，参考位置

定义为小区的中心，以椭圆点模型（经度和纬度）来表

示。

T1 事件：UE 在高于 UTC（Universal Time Coordi‐

nated）但是低于 UTC+duration 内测量。其中 UTC以原

子时秒为基础，在时刻上与世界时的误差不超过 0.9

ms；duration是持续时间，取值是 1~6 000的整数，单位

为100 ms，即最大持续时间是600 s。

为了降低 UE 功耗和改善用户体验，一般将 T1 事

件与 A3事件、A4事件或 A5事件（以下称为 A事件）结

合起来配置。UE 将接收到的 UTC、持续时间 duration

和 A 事件作为条件，UE 仅在 UTC 之后才开始测量，如

果满足 A 事件，则 UE 向网络报告 A 事件，网络下发候

选小区的配置信息给 UE，UE 完成面向目标小区的切

换。在 UTC 之前，即使满足 A 事件，也不会触发测量

和切换。在UTC+duration之后，如果UE没有成功接入

目标小区，由于UE不可能再进行切换，UE和网络丢弃

目标小区的切换配置，这样做的好处是可以避免目标

小区为 UE 长时间预留资源［7］

。同理，网络将 D1 事件

与A事件结合起来配置，只有当D1事件满足后，UE才

开始评估A事件。

NTN 引入 D1 事件和 T1 事件后，还需要解决以下

问题：UE 如何上报位置信息；网络为 UE 配置 D1 事件

还是 T1 事件；当多个候选小区满足切换条件时，如何

选择目标小区；信令风暴。

2.2 UE粗略位置信息

3GPP Rel-17规定，NTN UE需要具有全球导航卫

星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）能力，

因此 UE 清楚自身的位置信息，UE 上报位置信息可以

更好地辅助网络进行移动性管理，例如，判断 UE是在

小区边缘还是小区中心、计算T1事件的duration、辅助

选择目标小区等。UE既可以按照网络请求，被动地上

报 UE的位置信息，也可以在上报测量报告时，主动携

带 UE 的位置信息。根据 3GPP 协议，UE 以椭圆点模

型的形式上报位置信息，椭圆点模型是把地球当做椭

圆的球体，用经度和纬度二维向量来指示位置信息［8］

。

为了进一步减少信令负荷，UE上报的位置信息精度只

需要达到2 km即可，因此称为粗略位置信息［9］

。

2.3 D1事件和T1事件的选择

对于地面固定波束，由于在所有的时间内，同一

个地理区域都是由固定的波束持续覆盖，建议为 UE

配置D1事件。

对于移动波束，由于小区的中心位置是随时间变

化的，UE难以评估与小区中心的距离，建议为UE配置

T1事件。

对于准地面固定波束，视情况配置 D1 事件和 T1

事件。图 2所示为准地面固定波束的示意。卫星 1的

3个小区是A、B、C，卫星2的3个小区是A2、B2、C2，卫

星 3 的 3 个小区是 D、E、F。当覆盖小区 A 的卫星 1 离

开覆盖区A时，小区A2将进入原来由小区A覆盖的区

域，小区 B 是小区 A 的邻区，小区 B2 将进入原来由小

区 B 覆盖的区域［10］

。一种策略是根据切换原因选择

D1事件和T1事件，对于卫星运动引起的切换，建议配

置 T1事件，例如位于 A小区中心位置的 UE1；对于 UE

表1 卫星信号的传播特征

卫星类型

LEO卫星

LEO卫星

MEO卫星

GEO卫星

卫星高

度/km

600

1 200

21 500

35 786

小区半

径/km

50

100

500

1 000

UE距离卫星的距离/km

小区中心

600

1 200

21 500

35 786

小区边缘

602.08

1 204.16

21 505.81

35 799.97

自由空间的

损耗差异/dB

0.030 1

0.030 1

0.002 3

0.003 4

芮 杰，何华伟，张建国，王 森

连接模式下5G NTN移动性策略分析

本期专题

Monthly Topic

25

2023/11/DTPT

运动引起的切换，建议配置 D1 事件或者 D1 事件+T1

事件，例如位于 A 小区边缘的 UE2。另一种策略是根

据选择的目标小区，例如，对于 UE2，如果选择的目标

小区是A2，则建议配置T1事件；如果选择的目标小区

是B，则建议配置D1事件。

2.4 目标小区的选择

如果多个候选小区同时满足切换执行条件，建议

选择具有最长保持服务时间的小区。还以图2为例来

分析，在图2中，UE2正由卫星1的A小区提供服务，经

过UE评估，发现卫星1的B小区和卫星2的B2小区同

时满足切换执行条件。选择B小区的优点是卫星1的

高度低，可以减少 UE 的功耗，缺点是 B 小区的服务时

间短，这将使 UE在短时间后执行另一起切换，进而导

致不必要的信令负荷和可能的服务中断。选择 B2 小

区的优点是服务时间长，缺点是卫星 2 的高度较高。

考虑到在 NTN 小区内有许多 UE，为了减轻信令负荷

和不必要的服务中断，建议 UE 选择 B2小区作为目标

小区。选择 B2 小区的另外一个好处是可以避免卫星

1调整B小区波束覆盖范围时引起的切换失败［11］

。

2.5 信令风暴

对于准地面固定波束和移动波束，卫星高速运动

使得波束覆盖某个区域的时间很短，导致 UE 频繁的

切换，且卫星具有很大的覆盖范围，如果大量的 UE几

乎在同一时间接入到同一个小区，有可能导致信令风

暴和接入资源短缺，进而导致切换困难和服务中断。

可能的解决方案是 UE在服务小区配置的时间范围内

随机选择一个时间接入到目标小区，或者根据 UE 标

识和网络提供的参数，完成一个模数运算，以得到 UE

接入到目标小区的特定时刻。对于短时间内大量 UE

产生的频繁切换，如果一些信令和消息对所有的 UE

都是相同的，可以通过系统消息广播给 UE。除此之

外，源 gNB可以将 UE的信息，如 UE上下文、协议信息

和定时器、UE位置信息等，直接提前传递给目的gNB，

以进一步减少UE和网络之间的信令负荷［12］

。

3 NTN-TN间的移动性策略

NTN 和 TN 之间的移动性管理包括 NTN 向 TN 的

切换和 TN 向 NTN 的切换。接下来，以轮船的进出港

为例来分析 NTN 和 TN 间的切换策略（见图 3）。当轮

船从海上向港口移动时，先后经过NTN小区1、NTN小

区2的覆盖区域后进入TN小区的覆盖区域；当轮船离

开港口后，先后经历 TN 小区、NTN 小区 2、NTN 小区 1

的覆盖区域［13］

。

3.1 NTN向TN的切换策略

图3 NTN-TN之间的移动性

陆地

TN小区

NTN小区

NTN小区2

NTN小区1

海洋

卫星

图2 准地面固定波束的示意

UE1 UE2

卫星1 卫星2 卫星3

A B C D E F

A2 B2 C2

芮 杰，何华伟，张建国，王 森

连接模式下5G NTN移动性策略分析

本期专题

Monthly Topic

26

邮电设计技术/2023/11

NTN 向 TN 的切换可以采取 2 种策略。分别是基

于信号强度触发的切换策略以及基于位置和信号强

度联合触发的切换策略。

a）基于信号强度触发的切换策略。例如为轮船

上的UE配置A3事件，只要UE进入NTN小区2的覆盖

范围，UE 就开始搜索 TN 小区，当 UE 向海岸靠近并进

入TN小区覆盖范围后，UE向网络报告A3事件。这种

方案会导致被调度用户吞吐量急剧下降，这是因为

NTN和TN通常工作在2个异频点上，需要配置测量间

隙来完成测量，由于 NTN 传播时延大、定时变化率大

（对于 LEO 卫星和 MEO 卫星），UE 离开 NTN 小区，在

TN 小区完成测量，再返回 NTN 小区后，需要重新进行

同步和定时调整，这将导致调度的低效率，因此不建

议采用这种切换策略。

b）基于信号强度和位置联合触发的切换策略。

当轮船上的UE由NTN小区1提供服务时，由于网络知

道 NTN 小区 1 与 TN 小区的覆盖区域没有重叠，因此

UE 不需要搜索 TN 小区使用的频率。当 UE 向港口移

动时，服务小区由NTN小区1变更为NTN小区2，由于

NTN 小区 2 与 TN 小区覆盖区域有重叠，网络为 UE 配

置 TN 小区使用的频率，UE 先检测自身位置，当 UE 的

位置超过某个门限后，触发UE上报D1事件，为了响应

该报告，网络为UE配置一个测量间隙以便UE测量TN

小区使用的频率，网络接收到 A3事件报告后，将发起

从 NTN 小区 2 到 TN 小区的切换。该策略的好处是避

免了 UE持续测量 TN小区导致的服务中断，为了改善

连接模式下 UE的性能，UE应该尽快从 NTN小区切换

到TN小区。

3.2 TN向NTN的切换策略

对于 TN 向 NTN 的切换，可以采用基于信号和位

置联合触发的切换策略，类似于 NTN 向 TN 的切换。

该策略的缺点是 UE 上报的位置精度信息只有 2 km，

网络无法判断UE是靠近NTN小区还是TN小区。

TN 向 NTN 的切换建议采用基于信号强度触发的

切换策略，例如为 UE 配置 A2 事件和 A3 事件。当 UE

进入 TN 小区的覆盖边缘时，网络为 UE 配置 A2事件，

UE 通过测量服务小区的信号强度，可以很容易判断

UE 位于小区的边缘，触发 UE 上报 A2 事件，为了响应

该事件，网络为 UE 配置 A3 事件，网络接收到 A3 事件

报告后，将发起从TN小区到NTN小区2的切换。该策

略的好处是不管TN小区的邻小区是TN小区还是NTN

小区，都可以实现统一的切换策略。

4 结束语

与传统的地面 5G 蜂窝移动通信网相比，5G NTN

具有传播时延高、小区半径大、小区快速移动等特点，

对 5G NTN 的移动性管理带了极大的挑战，本文分析

了连接模式下的移动性策略，包括基于位置触发的切

换和基于时间触发的切换、TNT 与 TN 之间的切换，这

些策略可以确保 5G NTN 和 TN之间的无缝连接，为用

户提供无处不在的通信服务，极大地扩展5G网络的应

用范围。

参考文献：

［1］ 3GPP. Study on New Radio（NR）to support non-terrestrial net‐

works：3GPP TR 38.811［S/OL］. ［2023-09-13］. ftp：//3gpp. org/

specs/.

［2］ 3GPP. NR；NR and NG-RAN Overall Description；Stage 2：3GPP TS

38.300［S/OL］.［2023-09-13］. ftp：//3gpp.org/specs/.

［3］ 缪德山，柴丽，孙建成，等. 5G NTN关键技术研究与演进展望［J］.

电信科学，2022（3）：10-21.

［4］ 3GPP. Solutions for NR to support non-terrestrial networks（NTN）：

3GPP TR 38.821［S/OL］.［2023-09-13］. ftp：//3gpp.org/specs/.

［5］ 3GPP. NR；Radio Resource Control（RRC）protocol specification：

3GPP TS 38.331［S/OL］.［2023-09-13］. ftp：//3gpp.org/specs/.

［6］ Mobility enhancement for NTN（R2-2008982）［EB/OL］.［2023-09-

13］. ftp：//3gpp.org/tsg_ran/.

［7］ Remaining issues on connected mode mobility for NTN（R2-2109977）

［EB/OL］.［2023-09-13］. ftp：//3gpp.org/tsg_ran/.

［8］ LTE Positioning Protocol（LPP）：3GPP TS 37.355［S/OL］.［2023-

09-13］. ftp：//3gpp.org/specs/.

［9］ UE location report and TAC in NTN（R2-2110467）［EB/OL］.［2023-

09-13］. ftp：//3gpp.org/tsg_ran/.

［10］ Further discussion on NTN mobility aspec（R2-2109555）［EB/OL］.

［2023-09-13］. ftp：//3gpp.org/tsg_ran/.

［11］ Remaining issues in NTN CHO（R2-2110229）［EB/OL］.［2023-09-

13］. ftp：//3gpp.org/tsg_ran/.

［12］ Further discussion on intra-NTN mobility（R2-2110266）［EB/OL］.

［2023-09-13］. ftp：//3gpp.org/tsg_ran/.

［13］ Mobility for NTN-TN scenarios（R2-2109635）［EB/OL］.［2023-09-

13］. ftp：//3gpp.org/tsg_ran/.

作者简介：

芮杰，高级工程师，主要从事5G+工业、5G+医疗、5G+教育等产业数字化转型升级解决

方案支撑等工作；何华伟，高级工程师，主要从事物联网、5G行业解决方案支撑等工作；

张建国，毕业于南京邮电学院，正高级工程师，硕士，主要从事无线网络的规划和设计工

作；王森，高级工程师，注册咨询师，硕士，主要从事运营商移动通信网络规划建设和解

决方案课题研究工作。

芮 杰，何华伟，张建国，王 森

连接模式下5G NTN移动性策略分析

本期专题

Monthly Topic

27

2023/11/DTPT

——————————

收稿日期：2023-10-25

1 概述

5G uRLLC 应用场景多种多样，很多应用场景对

试验和可靠性有更好的性能要求。uRLLC对时延、可

靠性要求极高，一般采用专网形式。而专网场景下，

一般采用 UPF 下沉、服务器本地化等方式，基站到服

务器时延相对固定。因此，uRLLC场景主要的不稳定

因素来自无线网络。

目前在标准层面uRLLC的技术已相对成熟，但当

前整体产业链相对滞后，uRLLC特性特别是在工业领

域的应用仍处于初步探索阶段，为深入挖掘超高可

靠、低时延的应用场景和需求，有效将 uRLLC 的能力

最优匹配到行业应用中，本文聚焦uRLLC无线应用场

景分级，结合当前标准定义、垂直行业洞察以及产业

在商用初期产品实现上的进展，定义了多目标优化模

型，从时延、可靠性、速率和移动性4个维度描绘了“1+

3”uRLLC 无线场景分级体系。此外，根据上述 uRLLC

不同场景分级体系，结合产业链成熟度，给出可复制

的场景化解决方案。

2 5G uRLLC发展的现状和存在的问题

5G uRLLC 的技术标准基本就绪。uRLLC 标准主

要有 3个演进版本，分别为 R15、R16和 R17，各版本逐

步完善 uRLLC 的业务需求、应用场景和性能指标。

5G uRLLC应用场景分级及

解决方案研究 Research on 5G uRLLC Application Scenario

Classification and Solution

关键词：

uRLLC；低时延；高可靠；场景分级

doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.11.006

文章编号：1007-3043（2023）11-0028-05

中图分类号：TN929.5

文献标识码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

摘 要：

为深入挖掘超高可靠、低时延的应用场景和需求，将uRLLC的能力最优匹配到

行业应用中，从时延、可靠性、速率和移动性 4个维度构建了“1+3”uRLLC无线

场景分级体系，对低时延、高可靠各关键技术及产业成熟度进行研究分析，提出

基于关键功能点组合的各场景分级的解决方案，并通过外场试点进行测试验

证。

Abstract：

In order to deeply explore the application scenarios and requirements of ultra reliable and low latency，and effectively match

the capabilities of uRLLC to industrial applications. A \"1+3\" uRLLC wireless scenario classification system is built from four dimensions of latency，reliability，rate and mobility，then it researchs and analyzes the key technologies and industrial maturity of

low latency and high reliability，and proposes a solution based on the combination of key function points to classify each scenario，and conducts testing and verification through field pilot.

Keywords：

uRLLC；Low latency；High reliability；Scene grading

龙青良1

，李 展1

，李 一2

（1. 中国联合网络通信集团有限公司，北京 100033；2. 中国联通研究院，北京 100048）

Long Qingliang1

，Li Zhan1

，Li Yi2

（1. China United Network Communications Group Co.，Ltd.，Beijing 100033，China；2. China Unicom Re⁃

search Institute，Beijing 100048，China）

龙青良，李 展，李 一

5G uRLLC应用场景分级及解决方案研究

无线通信

Radio Communication

引用格式：龙青良，李展，李一. 5G uRLLC应用场景分级及解决方案研究［J］. 邮电设计技术，2023（11）：28-32.

28

邮电设计技术/2023/11

2019 年冻结的 R15 版本是 5G 的基础标准，支持链路

级的基础 uRLLC 能力，设计目标场景单一，主要保障

单链路业务性能。R15侧重于中低频率的uRLLC标准

的制定，通过引入传输时间间隔（Transmission Time In‐

terval，TTI）结构来降低时延并引入多项提升可靠性的

方案，满足空口单向 1 ms时延和 99.999% 的可靠性要

求。2020 年冻结的 R16 版本是 5G 的完整标准，完善

了中低频和毫米波频段全覆盖的uRLLC技术方案，支

持多业务场景的uRLLC能力。R16标准引入时间敏感

网络（Time Sensitive Networking，TSN）基础协议，为多

种业务提供 uRLLC 通信能力，满足 99.9999% 的高可

靠性和空口单向 0.5~1 ms时延的业务需求，并提供低

至1 μs的抖动和20 ns级别的精准授时同步，为R16新

增的工业自动化、智能交通和电网管理等场景提供更

高可靠、更低时延的技术解决方案。R17版本是5G的

增强标准，于 2022 年冻结，支持更高的定时精度和更

灵活的频谱方案，扩展支持免许可频段的 uRLLC 能

力，并进一步将5G与TSN结合，目标是利用5G无线技

术替代有线连接，解决传统工业网络布线杂乱、维护

难度大、设备移动性低等问题。

uRLLC 整体产业链滞后。虽然 3GPP 标准 R17版

本已经冻结，但无论是网络设备还是芯片终端，还仅

支持R15版本的相关技术和功能。uRLLC整体产业链

的滞后，也会阻碍运营商进入工业生产核心环节的进

度，不利于推动运营商在垂直行业的发展。因此，合

理有效的uRLLC场景分级，一方面可以量化uRLLC的

网络能力，另一方面也可以帮助产业链清晰地推动

uRLLC技术的有序发展。

uRLLC场景分级目前尚没有清晰的定义。uRLLC

理论上可以提供1 ms的低时延、99.999%的可靠性，不

同的行业及场景对于时延、可靠性、隔离度等的要求

不尽相同，要满足相关要求所需的网络成本也不同。

如何定义和划分不同等级的 uRLLC 场景对服务的提

供者及消费者都至关重要。然而目前业界还没有

uRLLC 场景等级划分，大多数行业用户对网络的

uRLLC能力没有清晰的认识，也不清楚uRLLC如何与

自身的行业应用场景相匹配以及 uRLLC 能够带来的

商业价值。

综上，uRLLC场景分级划分是垂直行业和5G技术

之间的桥梁，也是 uRLLC 迈向规模化商业运营的第 1

步。充分了解各行业的 uRLLC 场景需求及其对网络

的实际需求，支撑客户确定性的连接体验，是现阶段

的重要工作。

3 uRLLC场景分级研究

3.1 uRLLC业务需求

uRLLC将主要面向行业应用，3GPP在不同的协议

中对 uRLLC 的业务以及业务的 SLA 要求、网络的 SLA

要求进行了相关描述。其中，3GPP TS 22.261 给出了

一些需要低时延、高可靠业务的示例，3GPP TS 22.104

给出了一些对于 uRLLC 业务性能需求的示例，3GPP

TS 23.501 协议定义了承载不同 5QI 的不同特性，如

5QI82-90I 是 delay critical GBR，应用的场景均服务于

uRLLC 业务。通过协议描述分析，不同行业、不同场

景的不同业务，对于网络的时延、可靠性、速率、移动

性等都有不同的需求。表 1 所示为 3GPP 标准中典型

uRLLC场景及其时延、可靠性要求。这些场景对时延

的需求为0.5~50 ms，可靠性为99.9%~99.9999%。

3.2 uRLLC场景分级

通过对现有协议的分析和对行业的洞察，本文定

义了多目标优化模型，从时延、可靠性、速率和移动性

4 个维度构建了“1+3”uRLLC 无线场景分级体系。其

中，“1”代表移动性，将uRLLC场景按照移动性分为静

止场景和移动场景。“3”分别代表时延、可靠性和感知

速率。

为更便于行业用户理解场景分级，并快速与业务

需求相结合，提出了“分级调色板”。行业用户可以在

时延T1~T5、可靠性R1~R4、感知速率Th1~Th4等选项

中，根据业务需求进行选择和调色。

时延指端到端 RTT 时延，具体等级划分如图 1 所

示。可靠性指在目标时间内成功传输的数据包占比，

具体等级划分如图2所示。感知速率具体等级划分如

图3所示。

目前 uRLLC 业务场景主要集中在静止场景。在

表1 3GPP标准中典型uRLLC场景及其时延、可靠性要求

场景

端到端时延/ms

可靠性/%

离散自动化运动控制

1

99.9999

离散自动

化

10

99.99

流程自动化远程控制

50

99.9999

流程自动化监控

50

99.9

配电-中压

25

99.9

配电-高压

5

99.9999

智能交通-技

术设施回程

10

99.9999

触觉互动

0.5

99.9999

远程控制

5

99.999

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5G uRLLC应用场景分级及解决方案研究

无线通信

Radio Communication

29

2023/11/DTPT

静止场景下，根据对于时延、可靠性和感知速率的不

同需求，将场景细分为如下四大类。

场 景 1：低 时 延 应 用 场 景 。 在 应 用 场 景 1 中 ，

uRLLC业务对时延有更高的要求，典型的业务场景为

视频渲染，视频渲染业务 SLA 要求时延为 5 ms，可靠

性达99.9%。

场 景 2：高 可 靠 应 用 场 景 。 在 应 用 场 景 2 中 ，

uRLLC业务对于可靠性要求较高，典型的业务场景为

智能交通系统。智能交通业务 SLA 要求的时延为

30 ms，可靠性达99.999%。

场景 3：低时延、高可靠应用场景。在应用场景 3

中，uRLLC 业务对于时延和可靠性要求均较高，一般

面向小业务包数据，典型的业务场景为配电。配电业

务SLA要求时延为5 ms，可靠性达99.999%。

场景 4：低时延、高可靠、高速率感知应用场景。

在应用场景 4 中，uRLLC 业务对于速率、时延、可靠性

都有一定要求，典型的业务场景为5G塔式起重机远程

控制。该业务对上行速率有较高的要求，塔机视频摄

像头通常有4~6 个，用于远程控制室远程辅助操控，每

个摄像头要求 5~10 Mbit/s 的速率；网络时延要求：地

面 IO（紧急停车）与 PLC之间时延要求 10 ms。远程控

制室 PLC 与塔机 PLC 之间进行心跳校验，时延要求为

20 ms。网络可靠性至少需要达到99.99%。

具体如表2所示。

uRLLC 使能的业务用例包括工业控制、运动自动

化、远程控制、实时游戏等，不同业务用例和uRLLC场

景分级的匹配关系如图4所示。

4 uRLLC应用场景分级解决方案

4.1 uRLLC空口关键技术产业进展

为实现uRLLC低时延、高可靠特性，3GPP在R15、

R16 和 R17 阶段分别增加了降低时延、提升可靠性的

物理层以及高层技术方案。为了实现 uRLLC 场景的

低时延需求，主要通过快速接入、细时间颗粒度、快速

反馈、高优先级业务抢占资源等机制保障低时延；为

实现高可靠性要求，主要通过重复、低编码率等鲁棒

图1 时延分级示意

图2 可靠性分级示意

图3 感知速率分级示意

图4 uRLLC行业应用与场景分级

表2 具体对应到场景分类表（S代表Stationary）

场景分类

低时延

高可靠

低时延、高可靠

低时延、高可

靠、高速率感知

场景代号

S-T1/T2/T3

S-R1/R2

S-（T1/T2/T3）&

（R1/R2）

S-Th1/Th2/Th3

时延

T1、T2、T3

T4、T5

T1、T2、T3

T4

可靠性

R3、R4

R1、R2

R1、R2

R3

感知

Th4

Th4

Th4

Th1、Th2、

Th3

T1：1~5 ms T2：5~10 ms T3：10~20 ms T4：20~50 ms T5：50 ms以上

低时延 有时延需求

R1：99.999% R2：99.99% R3：99.9% R4：99%及以下

高可靠 有可靠性需求

Th1：>50 Mbit/s Th2：10~50 Mbit/s Th3：1~10 Mbit/s Th4：<1 Mbit/s

高感知 有感知需求

可靠性

distributed

energy storage

Control to control

in motion control

control to

visualization

0 5 10 20 50 100

时延/ms

99.999%

99.99%

99.9%

Remote

control

Robot aided surgery

Mobile

robots

Cloud gaming

AR

Motion Control

control to Control

Wired to Wireless

时延可靠性场景 时延场景

可靠性场景 高感知场景 移动场景

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Radio Communication

30

邮电设计技术/2023/11

性传输方案，保证控制信道和数据信道的高可靠性。

目前主设备和终端芯片厂商主要实现 R15 版本

uRLLC 的关键技术和功能，对于 R16 版本的功能点，

2023 年上半年陆续支持，对于 R17 版本的功能点，各

厂商尚未有明确研发路标（见表3）。

目前商用能力主要先聚焦非实时业务，并向链路

级实时业务拓展，实现如机器视觉、监控配置、C2C 控

制AGV等。

4.2 应用场景分级解决方案

结合产业链成熟度，本文主要针对 uRLLC静止场

景分级给出建议的解决方案。

4.2.1 低时延场景解决方案

低时延场景主要对于时延有要求，通过低时延关

键技术叠加即可满足。根据理论研究，建议的功能组

合如下。

a）开免调度/预调度、minislot、乱序递交、low-SE、

slot repetitions、HARQ最大次数限制等功能的叠加。

b）开免调度/预调度、minislot、low-SE、slot repeti‐

tions、HARQ最大次数限制等功能的叠加。

4.2.2 高可靠场景解决方案

高可靠场景主要对可靠性有较高要求，需要叠加

高可靠相关技术。根据理论研究，建议采用如下功能

组合。

a）开 免 调 度/预 调 度 、slot repetitions、low-SE、

PDCCH Aggregation level 16等功能的叠加。

b）对于存在双载波场景，建议的功能组合为：开

免调度/预调度、slot repetitions、low-SE、PDCCH Aggre‐

gation level 16和PDCP duplication等功能的叠加。

4.2.3 低时延高可靠场景解决方案

低时延高可靠场景对时延和可靠性同时有要求，

而部分增加可靠性的技术会降低时延，部分降低时延

的技术会降低可靠性。因此建议的功能组合如下。

a）开免调度/预调度、minislot、low-SE、slot repeti‐

tions、PDCCH Aggregation level 16、HARQ 最大次数限

制等上述功能的叠加。

b）对于存在双载波场景，建议功能组合为：开免

调 度/预 调 度 、low-SE、slot repetitions、PDCP duplica‐

tion、PDCCH Aggregation level 16、HARQ最大次数限制

等上述功能的叠加。

4.2.4 高感知时延可靠场景解决方案

高感知时延可靠场景主要对用户的感知速率有

要求，同时对时延和可靠性也有一定需求。而部分

uRLLC 针对性的功能虽然可以提升可靠性、降低时

延，但都是以资源为代价的，不适合高速率需求的业

务。因此，对这类业务的建议方案为：通过QoS调度优

先级或切片组资源预留的方式保障业务资源，如果是

双载波场景，可以叠加PDCP duplication功能。

4.2.5 试验结果

在对各应用场景解决方案理论研究的基础上，通

过在外场试点对以下功能组合进行测试，分别验证小

包业务和大包业务在各种功能组合能达到的最小时

延和最优时延可靠性指标，具体功能组合如表4所示。

4.2.5.1 小包业务场景的SLA性能测试结果

在小包业务场景下，分别测试表 4 各种功能组合

能达到的最小时延和最优时延可靠性。测试结果如

图5和图6所示。

从图5可以看出，在小包业务场景下，采用uRLLC

R15 的技术功能后，无线空口平均时延能从 15.58 ms

下降到8 ms以内，其中组合3和组合4的时延最小，分

别达到7.24 ms和7.23 ms。

从图 6可以看出，采用功能组合 3后，其时延可靠

性能从 20 ms@99% 提升到 10 ms@99.99%，效果提升

明显。

表3 uRLLC各协议版本空口关键技术列表

表4 功能组合说明

关键

技术

低时

延关

键技

术

高可

靠关

键技

术

R15

支 持 灵 活 的 帧 结 构 ；基 于

OFDM 符 号 的 mini-slot 调 度

粒度；上行配置授权/上行免

调度；基于时隙的 PDCCH 盲

检测；PDCP乱序递交；下行资

源抢占机制

低码率 MCS/CQI 表格设计；

PDSCH/PUSCH 时隙级重复传

输 ；PDCCH 高 聚 合 等 级

（PDCCH 聚合等级 16）；PDCP

重复传输（2条冗余）

R16

基于 sub-slot 的 HARQACK；上行免调度增强；

基 于 Span 的 PDCCH 监

测；sub-slot level HARQ

快速反馈；UE 间上行资

源抢占/复用

UCI 增强 - 多 HARQ 码

本；PUSCH 重复传输增

强；PDCP 重复增强（4 条

冗 余 ）；多 TRP 传 输

PDSCH

R17

UE内

复用

HARQ

-ACK

增强

功能组合类型

基线

组合1

组合2

组合3

组合4

组合5

组合6

组合7

组合功能项

基线

开启预调度

预调度+ low-SE

预调度+ low-SE +minislot

预调度+low-SE+minislot+乱序递交

预调度+ low-SE +slot repetitions

预调度+ low-SE +slot repetitions

预调度+ low-SE +slot repetitions+minislot+乱序递交

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Radio Communication

31

2023/11/DTPT

4.2.5.2 大包业务场景的SLA性能测试结果

在大包业务场景下，分别测试各种功能组合能达

到的最小时延和最优时延可靠性。测试结果如图7和

图8所示。

从图7可以看出，在大包业务场景下，采用uRLLC

R15的技术功能后，无线空口平均时延从20 ms以上下

降到8 ms以内，其中组合3和组合4的时延最小，分别

达到7.56 ms和7.59 ms。

从图 8可以看出，采用功能组合 3后，其时延可靠

性能从 50 ms@99.99% 提升到 10 ms@99.99%，效果提

升明显。

4.2.5.3 小结

通过小包业务场景和大包业务场景下，各功能组

合测试的结果分析可以看出，采用 uRLLC R15的技术

和功能后，在时延和可靠性方面都有显著提升，因此，

对于低时延场景，建议采用功能组合 3或功能组合 4，

即开启预调度、low-SE、minislot的功能组合，或在此基

础上再叠加乱序递交功能，对于低时延、高可靠场景，

建议采用功能组合 3，即开启预调度、low-SE、minislot

的功能组合。

5 结束语

本文聚焦 uRLLC无线应用场景分级，结合当前标

准定义、垂直行业洞察以及产业在商用初期产品实现

上的进展，定义了多目标优化模型，从时延、可靠性、

速率和移动性等 4 个维度构建了“1+3”uRLLC 无线场

景分级体系。此外，根据上述uRLLC不同场景分级体

系，结合产业链成熟度，给出可复制的场景化解决方

案，并通过外场试点进行测试验证，结果表明采用本

文提出的功能组合，能有效地将uRLLC无线网络平均

时延从 20 ms 降低至约 7 ms，可靠性从 20 ms@99% 提

升至 10 ms@99.99%。显著提升的 uRLLC 网络性能为

垂直行业的引入奠定了坚实的网络基础，从而推动

uRLLC 技术在各行各业的应用和推广，促进配套的产

业生态发展，进一步催生更多的5G创新应用。

参考文献：

［1］ POPOVSKI P，NIELSEN J J，STEFANOVI E，et al.Wireless Access

for Ultra-Reliable Low-Latency Communication：Principles and

Building Blocks［J］. IEEE Network，2017，32（2）.

［2］ JUNIOR E J D S，SOUZA R D，REBELATTO J L. Hybrid Multiple

Access for Channel Allocation‐AidedeMBB and uRLLC Slicing in 5G

and Beyond Systems［J］. Internet Tech- nology Letters，2021，4（6）.

［3］ BAIRAGI A K，MUNIR M S，ALSENWI M，et al. Coexistence Mecha‐

nism Between eMBB and uRLLC in 5G Wireless Networks［J］. IEEE

TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS，2021，69（3）：1736-

1749.

作者简介：

龙青良，高级工程师，主要从事LTE/VoLTE/5G技术原理研究、网络评估与优化技术研

究及5G共建共享方案等工作；李展，工程师，主要从事5G共建共享工程规划、建设等工

作；李一，工程师，主要从事5G技术原理、新技术试验、网络优化技术研究等工作。

图7 大包业务各功能组合平均时延测试结果

图8 大包业务各功能组合时延可靠性测试结果

图6 小包业务各功能组合时延可靠性测试结果

基线 组合1 组合2 组合3 组合4 组合5 组合6 组合7

16.00

14.00

12.00

10.00

8.00

6.00

4.00

2.00

0

15.58

9.18 8.05 7.24 7.23

8.90

7.73 7.71

时延/ms

基线 组合1 组合2 组合3 组合4 组合5 组合6 组合7

120

99.36

100

80

60

40

20

0

76.95

0.00

23.03

99.96

0.03

99.99

0.01

99.97

0.03

94.44

5.56

99.98

0.02

99.97

0.03

（0，10］ （10，20］

百分比/%

基线 组合1 组合2 组合3 组合4 组合5 组合6 组合7

25.00

20.00

15.00

10.00

5.00

0

20.86

8.84 8.07 7.56 7.59 8.76 8.04 8.02 时延/ms

基线 组合1 组合2 组合3 组合4 组合5 组合6 组合7

120

69.08

100

80

60

40

20

0

85.51

0.00

14.44

99.96

0.04

99.99

0.01

99.97

0.03

97.09

2.89

98.86

1.14

98.86

1.14

（0，10］ （10，20］

百分比/%

图5 小包业务各功能组合平均时延测试结果

龙青良，李 展，李 一

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无线通信

Radio Communication

32

邮电设计技术/2023/11

——————————

收稿日期：2023-09-27

1 概述

近年来，随着科技的不断进步，人们对导航定位

的要求越来越高，促使导航定位技术不断革新。然而

在很多场景下，传统的卫星定位技术［1］

并不能很好地

解决定位问题，包括精度要求不满足、定位结果不连

续、定位时间过长，同时在定位过程中常会受到信号

干扰、地形遮挡、多径效应等，尤其是在城市峡谷中，

卫星信号强度会大幅降低［2］

，从而导致定位精度会受

到影响，不能满足特殊情况下的定位需求。当可见卫

星数不足，难以得到定位结果时，在测试区域内部署

定位 5G 基站，利用 5G 定位技术同卫星定位技术相结

合进行联合定位是一种有效的解决途径。

目前 5G 现网设备进行定位的方式有基于时间或

者基于角度的方法［3-4］

，在进行时间估计时，会引入相

位误差，需要联合多个射频单元采用上行到达时间差

（UTDOA）进行定位，这种定位方法需要射频单元之间

严格同步，因此需要在设备上电之前进行校正。另外

一种是基于AOA的方式进行定位，这种方法在室内射

频单元只有 2 通道时，无法完成角度估计解算［5］

。同

基于信道图谱的5G+北斗

融合定位方法 5G and BDS Fusion Positioning Method

Based on Channel Map

关键词：

北斗；卷积神经网络；信道图谱；图像识别；室内定

位

doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.11.007

文章编号：1007-3043（2023）11-0033-07

中图分类号：TN929.5

文献标识码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

摘 要：

针对城市峡谷以及室内环境，卫星信号强度大幅降低，导致定位精度不能满足

需求以及在室内环境下需要联合多个射频单元才能进行定位的问题，提出一种

基于信道图谱的 5G+北斗融合定位方法，在室内环境下，将位置信息与信道特

征直接进行关联，将信道特征以图像的方式进行展现，将定位的问题转化为图

像识别的问题，采用3D卷积神经网络将信道图像和位置信息关联起来，在室外

环境下将 5G定位与北斗定位进行融合，采用最小二乘拟合算法来处理测量数

据，建立北斗+5G联合定位模型，实现联合定位。

Abstract：

In urban canyons and indoor environments，the strength of satellite signals will be greatly reduced，resulting in insufficient positioning accuracy to meet the needs and the need to combine multiple radio frequency units for positioning in indoor environments. A 5G+ Beidou fusion positioning based on channel map is proposed. method，in the indoor environment，the location

information is directly associated with the channel features，the channel features are displayed in the form of images，and the

problem of positioning is transformed into the problem of image recognition. Integrate 5G positioning and Beidou positioning in

outdoor environment，use least squares fitting algorithm to process measurement data，establish Beidou and 5G joint positioning model，and realize joint positioning.

Keywords：

BDS；Convolutional neural network；Channel map；Image identification；Indoor position

张千坤1

，陈任翔1

，曾 炜2

，钟志刚1

，刘西西1

，张宸宾1

（1. 中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048；2. 中国联通江西

分公司，江西 南昌 330000）

Zhang Qiankun1

，Chen Renxiang1

，Zeng Wei2

，Zhong Zhigang1

，Liu Xixi1

，Zhang Chenbin1

（1. China Information Technology De⁃

signing & Consulting Institute Co.，Ltd.，Beijing 100048，China；2. China Unicom Jiangxi Branch，Nanchang 330000，China）

张千坤，陈任翔，曾 炜，钟志刚，刘西西，张宸宾

基于信道图谱的5G+北斗融合定位方法

无线通信

Radio Communication

引用格式：张千坤，陈任翔，曾炜，等. 基于信道图谱的5G+北斗融合定位方法［J］. 邮电设计技术，2023（11）：33-39.

33

2023/11/DTPT

时现有的基于5G和北斗融合定位技术主要有2种，一

种是建立北斗地基参考网络，由5G基站广播差分数据

给用户终端，从而提高定位的精度［6］

，但是这种定位方

式同样需要用户终端搜到足够的星才能进行定位，当

可见卫星数不足时依然无法定位，另外一种是采用

GNSS/5G 紧组合融合定位方法［7］

，这种方法是研究 5G

毫米波［8］

与GNSS融合定位模型，毫米波基站需要与用

户处于可视环境下才能正常通信，如果处于非可视环

境下定位误差会很大，而且，目前毫米波基站没有商

用，实施起来有一定的困难。

基于此，本文提出的一种基于信道图谱的5G与北

斗融合定位方法，首先在室内环境下采用基于信道图

谱的 5G 定位方法，把定位问题转化为图像识别问题，

不需要对角度或者时间进行估计。其次针对室外城

市高楼林立的场景，由于建筑物等遮挡导致的非视距

信号也会使卫星导航系统可靠性下降甚至失效，将5G

定位与北斗定位进行融合，可以弥补北斗在室内及遮

挡条件下定位性能的不足。

2 基于信道图谱的5G定位技术

5G定位的整体框图如图1所示。

a）给要测量的终端配置上行SRS信息（信道探测

参考信号）。

b）在对应的SRS信息位置，基带单元测量每个射

频天线（RRU）收到信号的信道估计矩阵H。

c）基带单元根据信道估计矩阵 H，得到信道图

谱。

d）位置解算服务器（LBS）的位置解算分 2 个阶

段：离线阶段和在线阶段。在离线阶段，建立信道图

谱与用户位置之间的关系；在在线阶段，根据信道图

谱来解算用户的位置信息。

2.1 信道估计矩阵H

在现网设备中，信道矩阵H并没有对外开放，基于

此，本文根据 3GPP 发布的 5G NR 标准对信道进行建

模，基于CDL信道模型［9］

生成5G NR信道数据。

信道仿真数据配置如表1所示。

根据设置的参数S'，采用射线跟踪模型［10-12］

，模拟

从 BS 到 UE 的传播路径，如图 2 所示。其中红色标记

代表 BS，蓝色标记代表 UE，图 2 中的射线是通过射线

追踪产生，其颜色对应的是电磁波传播的路径损耗

（dB）。

将 UE 到 BS 天线的所有路径合并生成通道数据，

即上行SRS参考信号数据，并进行信道估计，获得信道

状态信息CSI，即信道矩阵H。

H [ fn ] = ∑k = 1

D

αk e

-j2π( f0 + nΔf) τk

= α1 e

-j2π( f0 + nΔf) τk

+

∑k = 2

D

αk e

-j2π( f0 + nΔf) τk

（1）

式中：

D——信号路径的个数

αk和 τk——第 k条路径的信号衰减系数以及信号

传播时延

fn——载波频率，fn = f0 + nΔf

Δf——相邻2个子载波之间的间隔

α1 e

-j2π( f0 + nΔf) τk

——直射路径的信道矩阵。其中，

H ∈ CNC × NOFDM × NT × NR

，NC 表 示 子 载 波 个 数 ，NOFDM 表 示

OFDM符号个数，NT表示发射机天线个数，NR表示接收

机天线个数

SRS参数配置如图3所示。

2.2 信道估计矩阵压缩

根据 3GPP 协议，频域 12 个子载波称之为 1 个 RB

（Resource Block），1 个时隙为 14 个 OFDM 符号，为了

减少计算量，本文将信道矩阵H按照1个时隙的RB作

为基本单位进行压缩，信道时频图如图4所示，信道矩

阵压缩步骤如图5所示。

图1 5G定位框图

表1 信道仿真数据配置

信道参数S'

RB数量

子载波间隔/kHz

RRU通道个数

UE通道个数

默认值

273

30

2TR

2TR

信道参数S'

中心频点/GHz

PRRU经纬度

UE经纬度

-

默认值

3.5

-

-

-

信道图谱

基站 移动终端

矩阵H

计算

RRU

测量

基带处

理模块

基带处

理模块

基带处

理模块

RRU RRU

反馈

坐标

解算

终端位

置信息

基带单元 SRS信息

LBS

测量 测量 测量

张千坤，陈任翔，曾 炜，钟志刚，刘西西，张宸宾

基于信道图谱的5G+北斗融合定位方法

无线通信

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34

邮电设计技术/2023/11

原始的信道矩阵如下：

H =

é

ë

ê

ê

ê

ê

ê

ê

ê

ê

ê

ê

ù

û

ú

ú

ú

ú

ú

ú

ú

ú

ú

ú

HCO

S1 (1,1) HCO

S1 (1,2) ⋯ HCO

S1 (1,NT )

HCO

S1 ( 2,1) HCO

S1 ( 2,2) ⋯ HCO

S1 ( 2,NT )

⋮ ⋮ ⋱ ⋮

HCO

S1 ( NR,1) HCO

S1 ( NR,2) ⋯ HCO

S1 ( NR,NT )

（2）

其中

HCO

S1 =

é

ë

ê

ê

ê

ê

ê

ê

ê

ê

ê

ê

ù

û

ú

ú

ú

ú

ú

ú

ú

ú

ú

ú

h (1,1) h ( 2,1) ⋯ h (1,NOFDM )

h ( 2,1) h ( 2,2) ⋯ h ( 2,NOFDM )

⋮ ⋮ ⋱ ⋮

h ( NC,1) h ( NC,2) ⋯ h ( NC,NOFDM )

（3）

在时域按照1个时隙进行压缩得到：

HC

S2 = 1

14 ∑

j = 1

14

HCO

S1 (i,j) =

[ H ] C

S2 (1,1),HC

S2 (1,2),⋯,HC

S2 (1,NC) T

（4）

在频域按照RB进行压缩：

HRB

S3 ( n) = 1

12 ∑k = 12(n - 1) + 1

12n

Hc

S2 ( k) =

[ H ] RB

S3 (1,1),HRB

S3 (1,2),⋯,HRB

S3 (1,NC /12) T

（5）

图3 SRS配置

图4 信道矩阵时频图

图5 信道矩阵压缩

图2 BS到UE的信号传播路径

55

65

75

85

95

105

115

125

135

145

155

160

45

55

65

75

85

95

105

115

125

135

145

155

160

45

200

300

400

500

600

700

800

900

1 000

100

50 100 150 200 250

OFDM符号数

子载波数

基于SRS的实际信道估计（TxAnt=1，RxAnt=1）

2 500

0

0

2 000

1 500

1 000

500

3 000

50 100 150 200 250

1.0

0.5

1.5

子载波数

OFDM符号数

信道矩阵的幅值

12 个子载波

平均

RB

OFDM符号数

14

0

张千坤，陈任翔，曾 炜，钟志刚，刘西西，张宸宾

基于信道图谱的5G+北斗融合定位方法

无线通信

Radio Communication

35

2023/11/DTPT

最终得到的压缩矩阵D表示为：

D =

æ

è

ç

ç

ç

ç

ç

ç

ç

ç

ç

ç

ç

ç

ç

ç

ö

ø

÷

÷

÷

÷

÷

÷

÷

÷

÷

÷÷

÷

÷

÷

HRB

S3 (1,1) HRB

S3 (1,2) ⋯ HRB

S3 (1,NT )

HRB

S3 ( 2,1) HRB

S3 ( 2,2) ⋯ HRB

S3 ( 2,NT )

⋮ ⋮ ⋱ ⋮

HRB

S3 ( NR,1) HRB

S3 ( NR,2) ⋯ HRB

S3 ( NR,NT )

（6）

仿真结果如图6所示，x轴表示的是子载波数，y轴

表示信道矩阵的幅值，可以看到，压缩后的信道矩阵

的幅值的变化趋势基本和原始数据保持一致，因此通

过信道插值［13］

的方式也可以通过压缩后的信道将原

始的信道恢复出来。

2.3 信道矩阵图谱

信道矩阵D是复数的形式，代表的是IQ 2路数据，

信道矩阵D可以表征信号的幅值和相位信息。在这里

本文对相位信息进行归一化处理表示为信道图谱的

像素，得到的信道图谱如图7所示。

图7所示为100个不同位置的信道图谱，从图7中

可以看出，在不同的位置，反应的像素是不相同的。

由于设备和线路会引入固定误差 ϕ0，采集到的信

号实际为：

H [ fn ] = ∑k = 1

D

αk e

-j2π( f0 + nΔf) τk

= α1 e

-j2π( f0 + nΔf) τ1

+

∑k = 2

D

αk e

-j2π( f0 + nΔf) τk

（7）

导致信道图谱存在噪声干扰，为了消除这种误

差，在测距时引入了标定点，当标定点距离收发天线

较近时，条件较理想，即认为标定点多径影响很弱，可

忽视多径存在，接收到的CSI相位角为：

θ0

n = ∠a1 e

-j2πfn τ1 + ϕ0

（8）

待测点距离收发天线较远时，经过多径的叠加，

接收到的CSI相位角为：

θ1

n = ∠

é

ë

êê

ù

û

ú a1 ú e

-j

( ) 2πfn

d1 + △d

c + ϕ0

+ ∑k = 2

D

ak e

-j

( ) 2πfn

d1 + △dk

c + ϕ0

（9）

其中，△d 为待测点 LOS 径与标定点的 LOS 径的

距离差，△dk为待测点第k条多径的径长与标定点LOS

径的距离差，则待测点与标定点之间的相位差可以表

示为：

θ1

n - θ0

n = ∠

é

ë

êê

ù

û

ú a1 ú e

-j

( ) 2πfn

d1 + △d

c + ϕ0

+ ∑k = 2

D

ak e

-j

( ) 2πfn

d1 + △dk

c + ϕ0

-

∠a1 e

-j

( ) 2πfn

d1

c + ϕ0

=

∠

é

ë

êê

ù

û

ú a1 ú e

-j

( ) 2πfn

d1 + △d

c + ϕ0

+ ∑k = 2

D

ale

-j

( ) 2πfn

d1 + △dk

c + ϕ0

×

a0 e

j2πfn

d1

c + ϕ0

= ∠ é

ë

ê ù

û a1 e ú -j2πfn

△d

c + ∑k = 2

D

ak e

-j2πfn

△dk

c （10）

从式（10）可知，将待测点与标定点的相位做差，

消除了由设备和线路引入的固定相位误差 ϕ0，得到完

全由待测点与标定点相对传播距离差导致的相位，基

于此可以消除一部分图谱噪声。

2.4 建立信道图谱和位置关联模型

信道模型构建如图8所示。

构建训练数据库的步骤如下。

a）UE 在不同位置发送 SRS 信号，基站侧进行信

道估计得到信道矩阵，并对信道矩阵进行压缩得到信

道压缩矩阵。

b）提取信道矩阵的相位信息得到信道图谱。

c）将信道矩阵 D的幅值信息进行归一化处理，表

征为图像的深度信息，将二维图像映射为三维图像，

将信道图谱映射到三维空间中，作为后端卷积神经网

络［14］

的输入。

图7 信道图谱 d）将信道图谱输入到3D卷积神经网络［15］

进行训

图6 信道压缩仿真

5.0

4.5

5.5 ×10-5

3 500

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

信道压缩数据

原始信道数据

0 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000

信道矩阵的幅值

子载波数

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

子载波数

位置

张千坤，陈任翔，曾 炜，钟志刚，刘西西，张宸宾

基于信道图谱的5G+北斗融合定位方法

无线通信

Radio Communication

36

邮电设计技术/2023/11

练，通过在CNN的卷积层进行3D卷积运算，捕捉时间

和空间维度上的特征信息，3D卷积神经网络的输入为

多个连续帧组成的信道图谱，然后在信道图谱上运用

3D 卷积实现较短序列数据特征提取，3D 卷积神经网

络架构包含1个输入层、3个3D卷积层、2个3D下采样

层和 1个全连接层。在输入数据前端用 1个固定的输

入层对原始的数据进行处理，产生多个通道的信息，

然后对多个通道分别进行 3D 卷积及 3D 下采样处理，

以提取出输入数据中短时间片的序列信息。最后再

将所有通道的信息通过全连接层组合在一起，实现信

道图谱最终的特征描述。

e）采 用 长 短 期 存 储 模 型（LSTM）构 建 RNN 模

块［16］

，网络架构如图9所示。

LSTM中存在4个神经网络层，以“门”的结构形式

存在，主要包括输入门、输出门、遗忘门和更新门。其

中，输入门控制不同时刻输入 LSTM 单元的外界信息，

如式（11）所示。输出门控制不同时刻LSTM单元的输

出信息，如式（12）所示。遗忘门控制 LSTM 单元在不

同时刻丢弃信息，如式（13）所示。更新门控制 LSTM

单元更新内部存储信息，如式（14）所示。

it = sigmoid(θxi + θhiht - 1 + bi) （11）

ot = sigmoid(θxo + θhoht - 1 + bo ) （12）

ft = sigmoid(θxf + θhfht - 1 + bf) （13）

gt = sigmoid(θxg + θhg ht - 1 + bg) （14）

其中，it为输入门输入信息，ot为输出门的输出信

息，ft 为遗忘门的输出信息，gt 为更新门的输出信息。

式（11）中 θxi 为当前时刻外部输入信息 xt 所对应的权

重变量，θhi为上一时刻状态信息所对应的权重变量，bi

为输入门的偏执变量。

f）CTC 网络首先将神经网络的输出映射到位置

序列的条件概率分布上，然后为输入序列选出最可能

的位置序列。RNN层输出是一组属于各类的概率值，

CTC 网络设计了一种结构化损失，建立了输入序列和

输出序列的映射法则，CTC损失函数即表示RNN层输

出的概率值通过 CTC 层映射后与样本（位置序列）之

间的差异。

在线定位阶段：

a）待测目标站在测试参考点，基站侧根据待测目

标发送的SRS参考信号进行信道估计得到信道矩阵。

b）提取信道矩阵的幅值和相位信息得到三维信

道图谱。

c）将三维图谱输入到训练好的模型中得到待测

目标的位置信息。

图8 信道模型构建

图9 LSTM网络架构

数据三维

空间映射

数据三维

空间映射

数据三维

空间映射

数据三维

空间映射

数据三维

空间映射

数据三维

空间映射

数据三维

空间映射

数据三维

空间映射

数据三维

空间映射

RNN RNN RNN

数据预处理

卷积神经网络

3DCNN 3DCNN 3DCNN

信道图谱

位置序列

t-1

信道图谱

位置序列

1

信道图谱

位置序列

2

信道图谱

位置序列

3

信道图谱

位置序列

4

信道图谱

位置序列

5

信道图谱

位置序列

6

信道图谱

位置序列

t-2

信道图谱

位置序列

t

……

……

……

……

CTC网络

输出位置

状态m-1

循环神经网络

状态1 状态2

输出1 输出m

σ σ tanh σ

A A

h

（t-1） h

（t） h

（t+1）

x

（t-1） x

（t）

x

（t+1）

tanh

张千坤，陈任翔，曾 炜，钟志刚，刘西西，张宸宾

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无线通信

Radio Communication

37

2023/11/DTPT

3 5G+北斗融合定位技术

在室内环境下可以采用基于信道图谱的 5G 定位

方法。在城市、矿井、树林等有遮挡的环境中，由于卫

星信号受到遮挡时衰减严重，终端可视北斗卫星数目

不足4颗，这时加入5G基站的测量数据参与定位解算

就可以弥补卫星不足的情况。这也就是北斗+5G联合

定位系统的应用场景。5G定位与北斗定位进行融合，

采用最小二乘拟合的算法来处理测量数据，建立北

斗+5G 联合定位模型，利用分析结果加上最小二乘算

法［17］

进行迭代计算，当收敛误差小于判决门限时即为

最后定位结果。融合定位解算流程如图10所示。

为了构造联合定位模型，在得到5G的定位结果以

后，可以得到待测用户与基站之间的角度信息θ，5G基

于AOA的定位模型如式（15）所示：

ì

í

î

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

θ1 = ( x1 - x)

2

+ ( y1 - y)

2

+ ( z1 - z)

2

θ2 = ( x2 - x)

2

+ ( y2 - y)

2

+ ( z2 - z)

2

θ3 = ( x3 - x)

2

+ ( y3 - y)

2

+ ( z3 - z)

2

θ4 = ( x4 - x)

2

+ ( y4 - y)

2

+ ( z4 - z)

2

（15）

其中θ表示终端与基站之间的方位角，( xi,yi,zi) 是

基站的实际位置，( x,y,z) 是终端定位坐标。

北斗卫星导航系统基于 TOA 估计进行操作，以确

定用户位置。在一般情况下，利用3颗卫星就可组成3

个基于星站距离的公式，组成方程式就可解算出用户

观测站的空间位置( x,y,z)。在现实定位的过程中，卫

星时钟与接收机时钟存在偏差，把误差作为未知量一

起进行计算，如式（16）所示：

ì

í

î

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ρ1 = ( x1 - x)

2

+ ( y1 - y)

2

+ ( z1 - z)

2

- δ

ρ2 = ( x2 - x)

2

+ ( y2 - y)

2

+ ( z2 - z)

2

- δ

ρ3 = ( x3 - x)

2

+ ( y3 - y)

2

+ ( z3 - z)

2

- δ

ρ4 = ( x4 - x)

2

+ ( y4 - y)

2

+ ( z4 - z)

2

- δ

（16）

其中，ρi表示卫星到接收机的空间伪距，( x,y,z) 是

待求卫星接收机的坐标，δ 为卫星时钟与接收机时钟

之间的误差。

建立联合定位数学模型如下：

ì

í

î

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ï

ρ1 = ( xs1 - x)

2

+ ( ys1 - y)

2

+ ( zs1 - z)

2

- δ

⋮

ρM = ( xsM - x)

2

+ ( ysM - y)

2

+ ( zsM - z)

2

- δ

θ1 = ( xb1 - x)

2

+ ( yb1 - y)

2

+ ( zb1 - z)

2

⋮

θN = ( xbN - x)

2

+ ( ybN - y)

2

+ ( zbN - z)

2

（17）

用观测向量的形式描述定位模型如下：

Y = h ( X) + V （18）

其中，X = [ x,y,z,δ ]

T

为待求向量。

Y = [ ρ1,ρ2,⋯,ρM,θ1,θ2,⋯,θN ]

T

M + N

，为观测向量，V =

[ vp1,vp2,⋯,vpM,vθ1,vθ2,⋯,vθN ]

T

M + N

为观测噪声向量。

对函数h进行全微分可得：

dY = H × dX （19）

其中，H为h的雅可比矩阵。

根据式（19）可知 dY 与 dX 满足线性关系，且 X 中

待求向量个数小于 Y 中观测向量个数，采用最小二乘

法中的高斯—牛顿迭代法，它的基本思想是使用泰勒

级数展开式去近似地代替非线性回归模型，然后通过

多次迭代，多次修正回归系数，使回归系数不断逼近

图10 5G+北斗融合框架

提取星历数据和观测数据

开始最小二乘

开始

系统初始化

超过限定次数

进行迭代计算

收敛误差是否

小于判决门限？

定位误差是否

小于判决门限？

定位结果修正

返回

否

是

否

是

否

是

张千坤，陈任翔，曾 炜，钟志刚，刘西西，张宸宾

基于信道图谱的5G+北斗融合定位方法

无线通信

Radio Communication

38

邮电设计技术/2023/11

非线性回归模型的最佳回归系数，最后使原模型的收

敛误差平方和达到最小，通过多次迭代，当收敛误差

小于判决门限时，得到的结果即为联合定位的最终结

果。仿真结果如图11所示。

4 结论

5G使用了更大的频率带宽，为高精度定位提供了

有力的支撑。本文提出的基于信道图谱的5G+北斗融

图11 仿真区域及仿真结果

作者简介：

张千坤，工程师，硕士，主要从事移动增值业务相关咨询设计工作；陈任翔，高级工程师，

学士，主要从事移动增值业务相关咨询设计工作；曾炜，工程师，学士，主要从事移动网

络建设规划相关方面的工作；钟志刚，中讯邮电咨询设计院有限公司总工程师，教授级

高级工程师，先后在微波通信、卫星通信和移动通信领域开展了工程咨询、规划、设计和

研究等工作；刘西西，助理工程师，硕士，主要从事移动增值业务相关咨询设计工作；张

宸宾,工程师，硕士，主要从事移动增值业务研发相关工作。

45

160

145

125

105

85

65

1.0

0 2 4 6 8 10 12

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0

误差累积分布

北斗

文本算法

定位误差/m

合定位算法，将基于 5G 的网络定位与北斗定位相融

合，在只有单射频天线的情况下，即可在室内环境下，

利用信道矩阵将5G定位问题转化为图像识别问题，利

用3D卷积神经网络将信道图像和位置信息关联起来，

满足室内高精度定位的需求，同时也可在室外环境

下，基于 5G+北斗联合定位模型，利用 5G 的定位结果

来辅助北斗进行定位，从而弥补北斗在遮挡条件下定

位性能的不足，大幅度拓展北斗应用场景。

参考文献：

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张千坤，陈任翔，曾 炜，钟志刚，刘西西，张宸宾

基于信道图谱的5G+北斗融合定位方法

无线通信

Radio Communication

39

2023/11/DTPT

——————————

收稿日期：2023-09-08

1 概述

随着移动通信产业的迅猛发展，移动终端逐渐转

变为互联网业务的关键入口［1］

。然而，随之而来的非

法截听、信息窃取、诱骗欺诈等移动终端信息安全问

题也开始让人担忧，国际国内发生的“飞马”事件、“窃

听门”事件等网信安全事件层出不穷，不仅损害个人

和企业合法权益，更是威胁到国家安全和发展利益［2］

。

因此，如何解决移动通信信息安全问题，为用户提供

移动通信安全服务，是亟待解决的问题。

目前国内移动通信系统没有对语音业务提供端

到端的安全措施，信息被非法截取的现象极易发生。

传统的保密通信技术是通过经典加密算法对信息进

行加密，但随着计算机运算能力的快速提高，尤其是

云计算、大数据、量子计算的兴起，给依赖数学复杂度

来保障安全的经典网络加密方法带来了巨大挑战［3］

。

基于量子密钥技术实现的量子保密通信，是以量

子力学为基础，利用量子的不确定性原理、不可克隆

基于量子密钥的

移动终端保密通信方案研究

Research on Mobile Terminal Encryption Communication

Based on Quantum Key Distribution

关键词：

移动终端；信息安全；量子密钥；量子保密通信

doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.11.008

文章编号：1007-3043（2023）11-0040-04

中图分类号：TN929.5

文献标识码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

摘 要：

随着移动互联网的高速发展，移动终端已被广泛普及，与此同时，网络信息安全

面临严峻挑战。为解决移动通信信息安全问题，满足移动终端高安全保密通信

需求，基于量子密钥技术，利用量子制密系统和量子密钥管理系统，将量子密钥

分发到每个移动终端，通过密钥中转加密的方式实现移动终端保密通信。该方

案可以为政企和个人的移动终端保密通信提供安全保障。

Abstract：

With the rapid development of mobile Internet，the use of mobile terminals has been widely popularized，and the network information security is facing severe challenges. In order to solve the security of mobile communication information and meet

the safe secure communication requirements of mobile terminals，it uses the secret system and quantum key management

system to distribute quantum keys to each mobile terminal based on Quantum Key Distribution technology，and realizes the

secure communication of mobile terminal through the key transfer encryption method. This scheme can provide security guarantee for the mobile secure communication of government，enterprise and individual.

Keywords：

Mobile terminal；Information security；Quantum key distribution；Quantum secure communication

李路曼，旷 炜，侯玉华，李兴新，彭成智（中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048）

Li Luman，Kuang Wei，Hou Yuhua，Li Xingxin，Peng Chengzhi（China Information Technology Designing & Consulting Institute Co.，

Ltd.，Beijing 100048，China）

李路曼，旷 炜，侯玉华，李兴新，彭成智

基于量子密钥的移动终端保密通信方案研究

无线通信

Radio Communication

引用格式：李路曼，旷炜，侯玉华，等. 基于量子密钥的移动终端保密通信方案研究［J］. 邮电设计技术，2023（11）：40-43.

40

邮电设计技术/2023/11

原理等物理特性［4］

，使通信的双方能够产生并分享一

个用来加密和解密消息的随机密钥，从而实现安全通

信［5］

。它具有密钥分发和生成后不会被破译或计算破

解、信息不会泄密的优势，可以保证绝对的安全性。

本文将量子密钥技术和传统移动通信相结合，利用量

子制密系统和量子密钥管理系统，将量子通信密钥和

量子通话密钥分发到移动终端，通过密钥中转加密的

方式实现移动终端保密通信，为政企和个人的移动通

信提供安全保障。

2 量子保密通信技术

2.1 量子密码学

在密码学中，无论是非对称加密算法，还是对称

加密算法，其使用的密钥都是来源于随机数。传统密

码技术中使用的随机数是由确定性算法产生，具有可

预测性，因此，被广泛称为伪随机数［8］

，其安全性依赖

于算法的复杂度，但随着计算机技术的发展，计算能

力、运行速度和应用范围均呈现指数增长，使得任何

加密算法都存在被破译的风险［9］

。基于经典物理过程

所产生的随机数来源于自然界中的模拟信号［10］

，但从

理论上讲，这种随机过程属于经典物理范畴，并非绝

对安全，只是安全系数较高，如果获取足够多的信息，

计算能力强大的窃听者也是可以破解的［8］

。

进入信息化时代，对于安全性的需求越来越高，

由量子力学与密码学结合形成的量子密码学应运而

生［11］

。量子密码学的理论基础是量子力学，使用的随

机 数 来 源 于 量 子 随 机 数 发 生 器（Quantum Random

Number Generator，QRNG）产生的量子信号，其安全性

由量子的不确定性原理和不可克隆原理保证，具备不

可预测性、不可重复性和无偏性等特征，满足真随机

性的所有条件［12］

，从根本上保证了随机序列的不可预

测性和不可再生性［17-18］

。结合一次性密码（One Time

Password，OTP）技术，可以有效抵抗任意的量子计算和

非量子计算破译威胁，保障信息传输的“无条件”安

全［19］

，从而构建保密系统。其中：

a）不确定性原理［13］

。由德国物理学家海森堡于

1927 年提出，即对于微观粒子的某些物理量，当确定

其中一个量时，就无法同时确定另一个量，例如微观

世界的一个粒子永远无法同时确定粒子的位置和其

动量。当有人对量子系统进行偷窥时，一定会破坏这

个系统。

b）不可克隆原理［13-14］

。任意一个未知的量子态

进行完全相同的复制过程是不可实现的，因为复制的

前提是测量，而测量一般会改变该量子的状态。任何

量子密码都不可能被第三方复制而被窃取信息。

基于以上2个原理，即使量子密钥不幸被截获，也

会因为测量过程中对量子状态的改变使得攻击者只

能得到一些毫无意义的数据［14］

。因此，相较于传统密

码技术，量子密码技术拥有无条件安全性的优势，能

够有效避免信息被攻击破译，保障了信息传输的绝对

安全［15］

。

2.2 量子保密通信

随着信息技术的飞速发展和网络通信技术的广

泛应用，信息安全日益成为事关国家安全和发展利

益、企业合法权益和个人隐私的重要问题，在要求信

息安全传送，不被第三方窃取、修改和伪造的基础上，

还要求通信过程方便快捷。目前，我国量子保密通信

技术已经达到了实用化、产业化的发展水平，在国家

政策的大力支持下，在金融、政务、国防军事等领域得

到了广泛的应用［6］

，试点部署和示范应用最多的量子

保密通信方案是结合量子密钥分发和对称密码技术

的加密通信，也是通信领域研讨和标准化推进的重点

方向。

根据量子密钥分发和使用方式的不同，量子保密

通信主要分为2种模式，一种是量子密钥在线分发，通

过量子密钥分发网络生成的量子密钥直接分发到移

动终端。典型的行业应用包括政企保密专线或专网、

高端安全会议、数据中心之间的数据灾备及数据安全

传输等。这种模式的优势在于方案成熟、改造量小

等，劣势在于量子密钥分发网络覆盖有限、部署成本

高、支持的业务类型少等。另一种是量子密钥在线与

离线结合分发，通过安全通信技术和手段将量子密钥

分发到移动终端，典型的行业应用包括量子安全移动

通信、量子安全物联网、量子安全远程办公等场景。

这种模式支持的业务类型多样，使用方式便捷灵活，

可与现有业务系统更好地结合，成本相对较低，因此，

本文基于此模式进行移动终端保密通信方案设计。

3 基于量子密钥的移动终端保密通信

3.1 量子密钥获取及分发

为保证通信的无条件安全性，本文采用 QRNG 作

为密钥源，分别与量子制密系统和量子密钥管理系统

对接，将生成的量子密钥进行加密存储。量子密钥分

发涉及 QRNG、量子制密系统和量子密钥管理系统以

李路曼，旷 炜，侯玉华，李兴新，彭成智

基于量子密钥的移动终端保密通信方案研究

无线通信

Radio Communication

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2023/11/DTPT

及移动终端，分发过程如图 1 所示。每部移动终端在

初始状态下均需初始化和离线充注 N 组量子通信密

钥，注入的量子通信密钥由量子制密系统分发。完成

量子通信密钥分发后，量子制密系统与量子密钥管理

系统在线同步更新量子密钥，使量子密钥管理系统与

移动终端拥有完全一致的对称密钥，且每部移动终端

中存储的量子通信密钥互不相同。当移动终端中的

量子通信密钥小于一定阈值或使用期限到期时，移动

终端自动向量子制密系统发起新的量子通信密钥充

注请求。同时，量子制密系统需与量子密钥管理系统

同步更新密钥。

3.2 移动终端保密通信

移动终端保密通信由移动终端和量子密钥管理

系统构成，有以下3种通信机制。

方案 1（见图 2）：双方通信时，首先移动终端 A 向

量子密钥管理系统发起与移动终端 B 之间的通信请

求。然后，量子密钥管理系统随机产生一组用于此次

安全通话的量子通话密钥，并分别在分配到各自的量

子通信密钥组里随机选择一个量子通信密钥进行加

密，分发给双方。最后，移动终端A和移动终端B分别

使用各自的量子通信密钥解密得到量子通话密钥，并

进行加密通话。通话结束后，立即销毁此次通话所使

用的量子通信密钥和量子通话密钥，不重复使用。

方案 2（见图 3）：双方通信时，首先移动终端 A 向

量子密钥管理系统发起与移动终端 B 之间的通信请

求。然后，双方使用各自的量子通信密钥组进行密钥

协商，获取量子通话密钥。最后，移动终端A和移动终

端 B 使用量子通话密钥进行加密通话。通话结束后，

立即销毁此次通话所使用的量子通信密钥和量子通

话密钥，不重复使用。

方案3：假设移动终端未提前充注量子密钥，通话

机制如图 4 所示，由移动终端与量子密钥管理系统通

过传统公钥证书方式进行身份认证和密钥协商，获取

通话密钥进行加密通话。通话结束后，立即销毁此次

通话所使用的量子通信密钥和量子通话密钥，不重复

使用。

3.3 量子密钥在线充注

当移动终端中存储的量子通信密钥小于一定阈

值 n 或使用期限到期时，移动终端会自动向量子制密

系统提交认证信息，发起新的量子通信密钥充注请

求，量子制密系统对该终端提交的认证信息进行核

图1 量子密钥分发过程

图2 保密通信机制（方案1）

图3 保密通信机制（方案2）

在线分发

通话密钥

量子随机数

发生器（QRNG）

移动终端

通信密钥<n组？

否

结束

移动终端

在线同步

更新密钥 量子密钥管理系统

初始离线分发

N组通信密钥

在线分发（N-n）

组通信密钥

是

量子随机数

发生器（QRNG）

量子制密系统

对随机数加密存储 对随机数加密存储

移动终端A 量子密钥

管理系统 移动终端A 移动终端B 分发通

话密钥

分发通

话密钥

移动终端A 量子密钥

管理系统 移动终端A 移动终端B 发起请求

移动终端A 移动终端B

加密通话

（量子通信

密钥保护）

移动终端A 量子密钥

管理系统 移动终端A 移动终端B

发起请求

移动终端A 移动终端B

双方协商获取通话密钥

移动终端A 移动终端B

加密通话

李路曼，旷 炜，侯玉华，李兴新，彭成智

基于量子密钥的移动终端保密通信方案研究

无线通信

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邮电设计技术/2023/11

验，核验成功后，向该终端在线分发（N-n）组新的量子

通信密钥，以保证每部移动终端都能拥有源源不断的

量子通信密钥以供使用，其在线分发流程如图5所示。

4 结束语

数字经济时代，移动终端逐渐成为人们生活和工

作中不可或缺的产品，其为人们带来智能化便利的同

时，也导致了一系列日益凸显的移动通信信息安全问

题，可靠的移动通信安全已经成为护航经济发展、保

障社会安全的重要基石。因此，高安全的移动终端保

密通信成为保障信息安全的核心需求。本文利用量

子态的不确定性原理和不可克隆原理，将量子密钥技

术、国密算法和传统移动通信相结合，开展了基于量

子密钥的移动终端保密通信方案研究，为用户提供高

可靠的端到端的移动通信安全保障。

参考文献：

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2020（3）：119-121.

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图5 量子密钥在线分发流程

作者简介：

李路曼，毕业于中国科学院大学，工程师，硕士，主要从事移动终端信息安全相关研究工

作；旷炜，毕业于清华大学，工程师，硕士，主要从事安全平台相关研究工作；侯玉华，毕

业于沈阳工业大学，高级工程师，硕士，主要研究方向为移动信息安全、终端操作系统；

李兴新，高级工程师，硕士，主要从事移动终端信息安全、终端操作系统相关研究工作；

彭成智，毕业于北京电子科技学院，工程师，学士，主要从事密码应用、数据安全、通信安

全相关研究工作。

分发（N-n）组量子通信密钥

移动终端

检测到端内量子通信密钥组

小于阈值n或使用期限到期

验证认证信息

提交认证信息

量子制密系统

充注成功

图4 保密通信机制（方案3）

移动终端A 量子密钥

管理系统 移动终端A 移动终端B 分发通

话密钥

分发通

话密钥

移动终端A 量子密钥

管理系统 移动终端A 移动终端B

发起请求

移动终端A 移动终端B

加密通话

（公钥证

书保护）

李路曼，旷 炜，侯玉华，李兴新，彭成智

基于量子密钥的移动终端保密通信方案研究

无线通信

Radio Communication

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2023/11/DTPT

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收稿日期：2023-10-11

1 概述

新空口承载语音（Voice over New Radio，VoNR）是

5G网络的目标语音解决方案［1-5］

，即用户可以基于 NR

网络直接进行语音业务，无需回落到 LTE 网络，从而

获得更高质量的语音业务体验和更高速率的数据业

务体验。

数据业务已成为当前网络发展的主要驱动力，但

语音业务作为通信网络基础业务仍占有至关重要的

地位。传统 2G/3G 语音业务承载于 CS 域，从 4G 网络

开始，语音业务迁移至基于IMS Server的VoLTE网络，

在当前 4G 网络为主力承载、5G 网络高速发展的情况

下，形成了语音业务VoLTE与VoNR并存的局面，并具

有向VoNR全面快速过渡的发展趋势。

2 VoNR网络架构

语音业务是无线通信网络服务的基本业务，3GPP

在 R15 版本定义 5G 时，明确了 5G 仍以 IMS 为基础提

供语音业务的设计原则，并要求5G部署要尽量减少对

现有IMS的影响［6］

。基于上述原则，根据5G NSA和SA

两大方式，5G 语音有 3 种部署方案：VoLTE、EPS Fall‐

back和VoNR，3种部署方案的MOS与时延指标对比如

基于无线技术的

VoNR网络感知提升研究

Research on VoNR Network Perception Improvement

Based on Wireless Technology

关键词：

VoNR；无线优化；5G网络；网络感知

doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2023.11.009

文章编号：1007-3043（2023）11-0044-05

中图分类号：TN929.5

文献标识码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

摘 要：

VoNR 是基于 IMS 网络的 5G 语音最终解决方案，可充分利用 5G 大带宽、低时

延的特性，给用户带来更佳的通话体验。通过介绍 VoNR 网络架构，对比

VoNR、EPS Fallback、VoLTE 等语音技术的关键指标，深入研究了提升网络覆

盖、网络质量、无线互操作性能的关键技术，从网络覆盖、质量、互操作3个方面

提升用户网络使用感知，为后续VoNR网络无线优化提供技术指导。

Abstract：

VoNR is the final solution of 5G voice based on IMS network, which can make full use of the characteristics of 5G large bandwidth and low delay, and bring users a better call experience. By introducing the VoNR network architecture and comparing

the key indicators of VoNR，EPS Fallback，and VoLTE，it deeply studies the key techniques to improve network coverage，network quality，and wireless interoperability，which can improve user perception from three aspects of network coverage，quality，and interoperability，and provide technical guidance for the subsequent VoNR network wireless optimization.

Keywords：

VoNR；Wireless optimization；5G；Network perception

李耀斌1

，王杉杉1

，李岩岩2

（1. 中国联通河南分公司，河南 郑州 450000；2. 中国联通开封分公司，河南 开封 475000）

Li Yaobin1

，Wang Shanshan1

，Li Yanyan2

（1. China Unicom Henan Branch，Zhengzhou 450000，China；2. China Unicom Kaifeng Branch，

Kaifeng 475000，China）

李耀斌，王杉杉，李岩岩

基于无线技术的VoNR网络感知提升研究

无线通信

Radio Communication

引用格式：李耀斌，王杉杉，李岩岩. 基于无线技术的VoNR网络感知提升研究［J］. 邮电设计技术，2023（11）：44-48.

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