編者按 空地融合將空中通信與地面通信進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和高效的數(shù)據(jù)傳輸，具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用潛力。近年來，商業(yè)航天的興起、星載技術(shù)的發(fā)展，以及衛(wèi)星制造和發(fā)射成本的大幅降低，為空地融合注入了新的活力。6G空天地一體化無線泛在愿景的清晰、ITU關(guān)于“手機(jī)直連衛(wèi)星”頻率規(guī)劃的提出，明確了空地融合產(chǎn)業(yè)方向。為探索空地融合的現(xiàn)狀、機(jī)遇、挑戰(zhàn)和未來，通信世界全媒體特策劃“6G引領(lǐng)，開啟‘星’征程”專題報(bào)道，以期為產(chǎn)業(yè)發(fā)展建言獻(xiàn)策。

近年來，隨著商業(yè)航天的興起，衛(wèi)星制造和發(fā)射成本大幅降低，星載天線技術(shù)快速發(fā)展，為衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)注入了新的活力。同時(shí)，隨著通信芯片、終端能力的提升，基于星地網(wǎng)絡(luò)融合的公眾手持終端直連衛(wèi)星逐步成為現(xiàn)實(shí)。“手機(jī)直連衛(wèi)星”具有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景和迫切的用戶需求，特別在保障救援、緊急救助和應(yīng)急通信等情況下，為用戶提供保底通信保障，而實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信能力是此類應(yīng)用場(chǎng)景下的必要需求。

本文針對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)高時(shí)延、高路徑損耗及容量受限等制約實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信的問題，從網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化角度出發(fā)，提出了基于IoT NTN（基于非地面網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)終端接入）技術(shù)的公眾型手持終端語(yǔ)音能力增強(qiáng)解決方案。

01

需求和現(xiàn)狀研究

需求概述

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可在無地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域或地面常規(guī)通信基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞的情況下提供獨(dú)立的應(yīng)急通信服務(wù)。在應(yīng)急救援場(chǎng)景下，通信雙方迫切需要在短時(shí)間內(nèi)建立低時(shí)延、高可靠的實(shí)時(shí)交互，因此，衛(wèi)星通信的實(shí)時(shí)語(yǔ)音能力是必不可少的。在搶險(xiǎn)救災(zāi)場(chǎng)景下，基于衛(wèi)星語(yǔ)音通信的應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)具有高度靈活性，是構(gòu)建國(guó)家應(yīng)急救援通信體系的基礎(chǔ)。在戶外應(yīng)急場(chǎng)景下，大眾可通過具備衛(wèi)星語(yǔ)音通話功能的手機(jī)向外界求援。

相比于GMR（地球靜止軌道移動(dòng)無線電接口）等傳統(tǒng)的衛(wèi)星移動(dòng)通信體制，5G NTN體制在標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)、產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)、星地融合等方面具有天然優(yōu)勢(shì)。然而當(dāng)前國(guó)內(nèi)尚無可商用的移動(dòng)通信衛(wèi)星資源，能夠滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下NR NTN(基于非地面網(wǎng)絡(luò)的5G智能終端接入)在帶寬、鏈路預(yù)算等方面的要求，因此基于IoT NTN實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星語(yǔ)音通話功能的探索引起業(yè)界的關(guān)注。

現(xiàn)狀和可行性分析

近年來，國(guó)內(nèi)外IoT NTN應(yīng)用創(chuàng)新快速發(fā)展。國(guó)際方面，海事衛(wèi)星與聯(lián)發(fā)科開展了多次基于IoT NTN技術(shù)的雙向衛(wèi)星通信試驗(yàn)，并宣布未來將聯(lián)手打造智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、汽車等終端的雙向衛(wèi)星通信功能。國(guó)內(nèi)方面，科研機(jī)構(gòu)與設(shè)備制造商、衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)基于3GPP R17標(biāo)準(zhǔn)，在芯片、終端模組、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等方面聯(lián)合進(jìn)行了多次星地融合通信試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了IoT NTN端到端全鏈路技術(shù)貫通。當(dāng)前IoT NTN多采用短報(bào)文和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)先行模式，未來一旦支持衛(wèi)星語(yǔ)音通信，可進(jìn)一步構(gòu)建基于NTN產(chǎn)業(yè)生態(tài)的ToC應(yīng)急通信網(wǎng)，形成顯著的商業(yè)模式競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

在5G NTN演進(jìn)過程中，為滿足用戶的語(yǔ)音通話需求，業(yè)界以IoT NTN標(biāo)準(zhǔn)體制為基礎(chǔ)，開展了語(yǔ)音增強(qiáng)方案研究，提出三種解決方案。方案一采用多域體制融合思路，提出基于新增信令網(wǎng)關(guān)的語(yǔ)音優(yōu)化解決方案，可有效減少終端與衛(wèi)星的信令交互，節(jié)約衛(wèi)星資源。方案二為基于Web-RTC（源自網(wǎng)頁(yè)的實(shí)時(shí)通信）架構(gòu)的語(yǔ)音通話解決方案，使用自定義接口實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音協(xié)議的定制化，可大幅提升語(yǔ)音信令交互效率。方案三為基于IMS（IP多媒體系統(tǒng)）信令優(yōu)化的語(yǔ)音增強(qiáng)解決方案，通過精簡(jiǎn)SIP/SDP（會(huì)話初始協(xié)議/會(huì)話描述協(xié)議）流程及字段，可縮短終端與IMS網(wǎng)絡(luò)的交互時(shí)延，提升交互效率。

從當(dāng)前階段研究成果來看，優(yōu)化現(xiàn)有地面體制，壓縮星地語(yǔ)音交互信令開銷，是IoT NTN實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)的重要基礎(chǔ)。現(xiàn)有地面4G/5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音業(yè)務(wù)采用IMS架構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)與地面語(yǔ)音通信體制兼容，產(chǎn)業(yè)各方致力于創(chuàng)新基于IMS優(yōu)化的語(yǔ)音通話方案，在網(wǎng)絡(luò)及芯片側(cè)開展定制化研發(fā)，精簡(jiǎn)信令流程，優(yōu)化低速語(yǔ)音編解碼算法，以更好支持IoT NTN場(chǎng)景下的語(yǔ)音通話功能。

02

基于NTN實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)星語(yǔ)音通信的關(guān)鍵技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化

鑒于IoT NTN體制本身的網(wǎng)絡(luò)特性，為滿足衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程中用戶語(yǔ)音通話的需求，可以借鑒現(xiàn)有地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的體制及建設(shè)方案，壓縮星地語(yǔ)音交互信令開銷。現(xiàn)有地面4G/5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音業(yè)務(wù)采用IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中對(duì)該架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面語(yǔ)音通信體制的兼容。

在信令交互方面，考慮在終端和IMS網(wǎng)絡(luò)間使用精簡(jiǎn)的IMS SIP信令，對(duì)IMS進(jìn)行增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)SIP和標(biāo)準(zhǔn)SIP的轉(zhuǎn)換，在IMS網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)間使用標(biāo)準(zhǔn)的SIP信令進(jìn)行交互。

在語(yǔ)音媒體流交互方面，為了實(shí)現(xiàn)低速語(yǔ)音媒體流傳輸，在終端和IMS網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)中部署低速語(yǔ)音編解碼器。其中，在終端和IMS語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)間，語(yǔ)音流采用低速的語(yǔ)音編解碼交互；在IMS語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)處，實(shí)現(xiàn)低速語(yǔ)音編碼和標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音編碼之間的轉(zhuǎn)換。

核心網(wǎng)UP面承載語(yǔ)音解決方案

IoT NTN無線側(cè)數(shù)據(jù)傳輸支持CP（控制面）模式和UP（用戶面）模式。CP模式支持?jǐn)?shù)據(jù)通過NAS信令傳輸，承載數(shù)據(jù)少，適合物聯(lián)網(wǎng)突發(fā)小包業(yè)務(wù)；UP模式通過建立正常的數(shù)據(jù)無線承載DRB（數(shù)據(jù)無線承載）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，適合持續(xù)性數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

在IoT NTN體制中，UP模式僅支持兩個(gè)DRB，無法同時(shí)承載數(shù)據(jù)和語(yǔ)音業(yè)務(wù)。對(duì)于衛(wèi)星移動(dòng)通信而言，語(yǔ)音是重要業(yè)務(wù)。本文考慮在UP面實(shí)現(xiàn)的三種承載（數(shù)據(jù)承載、語(yǔ)音信令承載和語(yǔ)音媒體流承載）可在不同業(yè)務(wù)間自動(dòng)切換，即隨著業(yè)務(wù)的變更為用戶更新不同的承載。

考慮對(duì)基站進(jìn)行增強(qiáng)，通過設(shè)定網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)條件，使得基站在某些條件下釋放數(shù)據(jù)承載并建立語(yǔ)音承載。該過程中終端收到了網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)的承載釋放，可能導(dǎo)致終端發(fā)起TAU（跟蹤區(qū)域更新）過程，造成信令消耗，因此也需要對(duì)終端進(jìn)行部分增強(qiáng)。當(dāng)用戶停止語(yǔ)音通話時(shí)，語(yǔ)音承載釋放，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備退回至數(shù)據(jù)承載的能力。

SIP精簡(jiǎn)方案

1．IMS SIP精簡(jiǎn)原則分析

由于NTN網(wǎng)絡(luò)的空口資源有限，標(biāo)準(zhǔn)的IMS SIP信令消息冗長(zhǎng)，終端呼叫建立時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致語(yǔ)音建立成功率降低。用較小的信令長(zhǎng)度優(yōu)化語(yǔ)音建立信令交互流程，縮短呼叫建立時(shí)長(zhǎng)，是IoTNTN實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音業(yè)務(wù)支持能力的主要方法。現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音業(yè)務(wù)以VoNR、VoLTE為主，為推動(dòng)與5G NTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的互聯(lián)互通，以及向未來語(yǔ)音業(yè)務(wù)平滑遷移，應(yīng)優(yōu)先考慮基于IMS優(yōu)化的語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

具體信令優(yōu)化可基于但不限于如下原則：第一，SIP頭部名稱使用縮寫格式編碼，SIP中未定義縮寫的頭部名稱不進(jìn)行自定義處理；第二，UE發(fā)送給IMS的SIP消息部分參數(shù)可在空口省略，之后由IMS網(wǎng)絡(luò)功能添加；第三，UE發(fā)送的SIP/SDP消息IPv6地址編碼使用簡(jiǎn)化格式；第四，部分語(yǔ)音（可根據(jù)優(yōu)先級(jí)或資源實(shí)時(shí)情況）省略信令交互步驟。

除上述信令精簡(jiǎn)外，在地面網(wǎng)絡(luò)引入增強(qiáng)型語(yǔ)音信令網(wǎng)關(guān)設(shè)備，支持衛(wèi)星通信語(yǔ)音編解碼協(xié)商和轉(zhuǎn)換，在SIP消息精簡(jiǎn)方案中屏蔽UE與IMS網(wǎng)絡(luò)間語(yǔ)音媒體流的差異。

NTN網(wǎng)絡(luò)帶寬資源有限、時(shí)延較高，SIP信令需適配NTN網(wǎng)絡(luò)的性能特征，簡(jiǎn)化信令交互的復(fù)雜度、降低時(shí)延。為實(shí)現(xiàn)基于IMS網(wǎng)絡(luò)的SIP消息精簡(jiǎn)，終端與IMS部分網(wǎng)絡(luò)功能需進(jìn)行增強(qiáng)，屏蔽SIP信令在終端與標(biāo)準(zhǔn)IMS網(wǎng)絡(luò)之間的消息差異化，使得IMS網(wǎng)絡(luò)在保障終端用戶呼叫體驗(yàn)的同時(shí)，提升網(wǎng)絡(luò)交互效率。

2．時(shí)延分析

涉及IoT NTN語(yǔ)音通信的傳輸時(shí)延包括終端聲碼器時(shí)延、基帶時(shí)延、衛(wèi)星空口時(shí)延、基站協(xié)議棧時(shí)延、核心網(wǎng)到IMS用戶面時(shí)延、IMS用戶面語(yǔ)音編解碼轉(zhuǎn)換時(shí)延、大網(wǎng)處理時(shí)延、大網(wǎng)終端處理時(shí)延等。受限于空口帶寬（無法頻繁發(fā)包）和高軌衛(wèi)星遠(yuǎn)距離傳輸，上行時(shí)延集中在聲碼器模塊和衛(wèi)星空口傳輸，約占整體時(shí)延的80%；下行時(shí)延集中在衛(wèi)星空口傳輸和IMS語(yǔ)音轉(zhuǎn)換過程，約占整體時(shí)延的80%。

分析顯示，通過包壓縮、聲碼器優(yōu)化、編解碼優(yōu)化可有效減少語(yǔ)音包在衛(wèi)星接入場(chǎng)景下的傳輸時(shí)延，提升NTN網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音通話用戶體驗(yàn)。

03

總結(jié)與展望

本文以3GPP前期研究及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程為基礎(chǔ)，提出可支持語(yǔ)音通信的IoTNTN融合組網(wǎng)架構(gòu)和體制優(yōu)化方向，并綜合考慮衛(wèi)星資源受限及時(shí)延較高的網(wǎng)絡(luò)特性，針對(duì)語(yǔ)音交互信令的精簡(jiǎn)與優(yōu)化提出了解決方案，降低星地語(yǔ)音交互信令對(duì)星地資源的消耗，保證衛(wèi)星接入場(chǎng)景下的語(yǔ)音業(yè)務(wù)質(zhì)量。但仍存在一些關(guān)鍵問題有待研究，例如衛(wèi)星通信空口時(shí)延相對(duì)較高，需進(jìn)一步對(duì)協(xié)議進(jìn)行適配和優(yōu)化，對(duì)網(wǎng)元進(jìn)行功能及性能上的增強(qiáng)；又如衛(wèi)星動(dòng)態(tài)變化導(dǎo)致多普勒頻移影響語(yǔ)音信號(hào)質(zhì)量和穩(wěn)定性，需要通過算法及編解碼能力的增強(qiáng)，提高語(yǔ)音業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性。

業(yè)界已經(jīng)開啟對(duì)于下一代實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信的研究，在科技創(chuàng)新、用戶需求、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的驅(qū)動(dòng)下，“虛實(shí)共生、沉浸多感、類人智能、萬物智聯(lián)”將成為未來實(shí)時(shí)通信的發(fā)展愿景。NTN網(wǎng)絡(luò)作為未來天地融合、泛在連接的重要技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)際意義，是實(shí)現(xiàn)泛在實(shí)時(shí)、多維連接、高質(zhì)量通信服務(wù)的重要基石。

審核編輯：黃飛