基于NTN實現(xiàn)衛(wèi)星語音通信的關鍵技術

編者按 空地融合將空中通信與地面通信進行有機結合，以實現(xiàn)廣泛的網(wǎng)絡覆蓋和高效的數(shù)據(jù)傳輸，具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的應用潛力。近年來，商業(yè)航天的興起、星載技術的發(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關于“手機直連衛(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、機遇、挑戰(zhàn)和未來，通信世界全媒體特策劃“6G引領，開啟‘星’征程”專題報道，以期為產(chǎn)業(yè)發(fā)展建言獻策。

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，星載天線技術快速發(fā)展，為衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)注入了新的活力。同時，隨著通信芯片、終端能力的提升，基于星地網(wǎng)絡融合的公眾手持終端直連衛(wèi)星逐步成為現(xiàn)實。“手機直連衛(wèi)星”具有豐富的應用場景和迫切的用戶需求，特別在保障救援、緊急救助和應急通信等情況下，為用戶提供保底通信保障，而實時語音通信能力是此類應用場景下的必要需求。

本文針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)高時延、高路徑損耗及容量受限等制約實時語音通信的問題，從網(wǎng)絡優(yōu)化角度出發(fā)，提出了基于IoT NTN（基于非地面網(wǎng)絡的物聯(lián)終端接入）技術的公眾型手持終端語音能力增強解決方案。

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、實時性強、抗干擾能力強等特點，可在無地面網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域或地面常規(guī)通信基礎設施遭到破壞的情況下提供獨立的應急通信服務。在應急救援場景下，通信雙方迫切需要在短時間內(nèi)建立低時延、高可靠的實時交互，因此，衛(wèi)星通信的實時語音能力是必不可少的。在搶險救災場景下，基于衛(wèi)星語音通信的應急指揮調(diào)度系統(tǒng)具有高度靈活性，是構建國家應急救援通信體系的基礎。在戶外應急場景下，大眾可通過具備衛(wèi)星語音通話功能的手機向外界求援。

相比于GMR（地球靜止軌道移動無線電接口）等傳統(tǒng)的衛(wèi)星移動通信體制，5G NTN體制在標準演進、產(chǎn)業(yè)驅動、星地融合等方面具有天然優(yōu)勢。然而當前國內(nèi)尚無可商用的移動通信衛(wèi)星資源，能夠滿足現(xiàn)行標準下NR NTN(基于非地面網(wǎng)絡的5G智能終端接入)在帶寬、鏈路預算等方面的要求，因此基于IoT NTN實現(xiàn)衛(wèi)星語音通話功能的探索引起業(yè)界的關注。

現(xiàn)狀和可行性分析

近年來，國內(nèi)外IoT NTN應用創(chuàng)新快速發(fā)展。國際方面，海事衛(wèi)星與聯(lián)發(fā)科開展了多次基于IoT NTN技術的雙向衛(wèi)星通信試驗，并宣布未來將聯(lián)手打造智能手機、物聯(lián)網(wǎng)設備、汽車等終端的雙向衛(wèi)星通信功能。國內(nèi)方面，科研機構與設備制造商、衛(wèi)星運營商等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)基于3GPP R17標準，在芯片、終端模組、網(wǎng)絡設備等方面聯(lián)合進行了多次星地融合通信試驗驗證，實現(xiàn)了IoT NTN端到端全鏈路技術貫通。當前IoT NTN多采用短報文和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務先行模式，未來一旦支持衛(wèi)星語音通信，可進一步構建基于NTN產(chǎn)業(yè)生態(tài)的ToC應急通信網(wǎng)，形成顯著的商業(yè)模式競爭優(yōu)勢。

在5G NTN演進過程中，為滿足用戶的語音通話需求，業(yè)界以IoT NTN標準體制為基礎，開展了語音增強方案研究，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)關的語音優(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)頁的實時通信）架構的語音通話解決方案，使用自定義接口實現(xiàn)語音協(xié)議的定制化，可大幅提升語音信令交互效率。方案三為基于IMS（IP多媒體系統(tǒng)）信令優(yōu)化的語音增強解決方案，通過精簡SIP/SDP（會話初始協(xié)議/會話描述協(xié)議）流程及字段，可縮短終端與IMS網(wǎng)絡的交互時延，提升交互效率。

從當前階段研究成果來看，優(yōu)化現(xiàn)有地面體制，壓縮星地語音交互信令開銷，是IoT NTN實現(xiàn)語音業(yè)務的重要基礎?，F(xiàn)有地面4G/5G移動通信網(wǎng)絡語音業(yè)務采用IMS架構，為實現(xiàn)與地面語音通信體制兼容，產(chǎn)業(yè)各方致力于創(chuàng)新基于IMS優(yōu)化的語音通話方案，在網(wǎng)絡及芯片側開展定制化研發(fā)，精簡信令流程，優(yōu)化低速語音編解碼算法，以更好支持IoT NTN場景下的語音通話功能。

02

基于NTN實現(xiàn)

衛(wèi)星語音通信的關鍵技術

網(wǎng)絡架構優(yōu)化

鑒于IoT NTN體制本身的網(wǎng)絡特性，為滿足衛(wèi)星通信網(wǎng)絡演進過程中用戶語音通話的需求，可以借鑒現(xiàn)有地面蜂窩網(wǎng)絡的體制及建設方案，壓縮星地語音交互信令開銷?，F(xiàn)有地面4G/5G移動通信網(wǎng)絡語音業(yè)務采用IMS網(wǎng)絡架構，在衛(wèi)星網(wǎng)絡中對該架構進行優(yōu)化，可以實現(xiàn)衛(wèi)星與地面語音通信體制的兼容。

在信令交互方面，考慮在終端和IMS網(wǎng)絡間使用精簡的IMS SIP信令，對IMS進行增強，實現(xiàn)精簡SIP和標準SIP的轉換，在IMS網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡間使用標準的SIP信令進行交互。

在語音媒體流交互方面，為了實現(xiàn)低速語音媒體流傳輸，在終端和IMS網(wǎng)絡網(wǎng)關中部署低速語音編解碼器。其中，在終端和IMS語音網(wǎng)關間，語音流采用低速的語音編解碼交互；在IMS語音網(wǎng)關處，實現(xiàn)低速語音編碼和標準語音編碼之間的轉換。

核心網(wǎng)UP面承載語音解決方案

IoT NTN無線側數(shù)據(jù)傳輸支持CP（控制面）模式和UP（用戶面）模式。CP模式支持數(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；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）進行數(shù)據(jù)傳輸，適合持續(xù)性數(shù)據(jù)業(yè)務。

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

考慮對基站進行增強，通過設定網(wǎng)絡觸發(fā)條件，使得基站在某些條件下釋放數(shù)據(jù)承載并建立語音承載。該過程中終端收到了網(wǎng)絡觸發(fā)的承載釋放，可能導致終端發(fā)起TAU（跟蹤區(qū)域更新）過程，造成信令消耗，因此也需要對終端進行部分增強。當用戶停止語音通話時，語音承載釋放，此時網(wǎng)絡應具備退回至數(shù)據(jù)承載的能力。

SIP精簡方案

1．IMS SIP精簡原則分析

由于NTN網(wǎng)絡的空口資源有限，標準的IMS SIP信令消息冗長，終端呼叫建立時間較長，導致語音建立成功率降低。用較小的信令長度優(yōu)化語音建立信令交互流程，縮短呼叫建立時長，是IoTNTN實現(xiàn)語音業(yè)務支持能力的主要方法?，F(xiàn)有地面網(wǎng)絡語音業(yè)務以VoNR、VoLTE為主，為推動與5G NTN網(wǎng)絡架構的互聯(lián)互通，以及向未來語音業(yè)務平滑遷移，應優(yōu)先考慮基于IMS優(yōu)化的語音網(wǎng)絡架構。

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)絡功能添加；第三，UE發(fā)送的SIP/SDP消息IPv6地址編碼使用簡化格式；第四，部分語音（可根據(jù)優(yōu)先級或資源實時情況）省略信令交互步驟。

除上述信令精簡外，在地面網(wǎng)絡引入增強型語音信令網(wǎng)關設備，支持衛(wèi)星通信語音編解碼協(xié)商和轉換，在SIP消息精簡方案中屏蔽UE與IMS網(wǎng)絡間語音媒體流的差異。

NTN網(wǎng)絡帶寬資源有限、時延較高，SIP信令需適配NTN網(wǎng)絡的性能特征，簡化信令交互的復雜度、降低時延。為實現(xiàn)基于IMS網(wǎng)絡的SIP消息精簡，終端與IMS部分網(wǎng)絡功能需進行增強，屏蔽SIP信令在終端與標準IMS網(wǎng)絡之間的消息差異化，使得IMS網(wǎng)絡在保障終端用戶呼叫體驗的同時，提升網(wǎng)絡交互效率。

2．時延分析

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

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

03

總結與展望

本文以3GPP前期研究及標準化進程為基礎，提出可支持語音通信的IoTNTN融合組網(wǎng)架構和體制優(yōu)化方向，并綜合考慮衛(wèi)星資源受限及時延較高的網(wǎng)絡特性，針對語音交互信令的精簡與優(yōu)化提出了解決方案，降低星地語音交互信令對星地資源的消耗，保證衛(wèi)星接入場景下的語音業(yè)務質(zhì)量。但仍存在一些關鍵問題有待研究，例如衛(wèi)星通信空口時延相對較高，需進一步對協(xié)議進行適配和優(yōu)化，對網(wǎng)元進行功能及性能上的增強；又如衛(wèi)星動態(tài)變化導致多普勒頻移影響語音信號質(zhì)量和穩(wěn)定性，需要通過算法及編解碼能力的增強，提高語音業(yè)務的穩(wěn)定性。

業(yè)界已經(jīng)開啟對于下一代實時語音通信的研究，在科技創(chuàng)新、用戶需求、網(wǎng)絡演進的驅動下，“虛實共生、沉浸多感、類人智能、萬物智聯(lián)”將成為未來實時通信的發(fā)展愿景。NTN網(wǎng)絡作為未來天地融合、泛在連接的重要技術，具有廣闊的應用前景和實際意義，是實現(xiàn)泛在實時、多維連接、高質(zhì)量通信服務的重要基石。

審核編輯：黃飛