一种基于星上UPF与5G基站用户面深度融合方法及系统与流程

一种基于星上upf与5g基站用户面深度融合方法及系统
技术领域
1.本发明涉及星间路由转发领域，特别是涉及一种基于星上upf与5g基站用户面深度融合方法及系统。


背景技术：

2.随着近地轨道(leo)卫星通信技术的发展，卫星通信的技术能力得到了增强，卫星通信的用例和服务得到了丰富。关于卫星与地面移动通信相互融合的讨论与尝试就从未停止。伴随5g技术的日益成熟，包括3gpp、itu在内的标准化组织着手研究星地融合的标准化问题，3gpp在r15和r16版本中开展基于5g技术的ntn卫星移动通信系统研究，在r17版本计划发布第一个采用5g地面蜂窝系统标准规范的卫星通信标准，在r18版本中计划启动星上再生技术研究和标准化。itu提出了星地5g融合的4种应用场景，支持包括智能路由、动态缓存管理一致的服务质量、网络功能虚拟化(nfv)/软件定义网络(sdn)等关键问题研究。2017年6月，bt等16家单位在etsi成立sat5g联盟，研究卫星与地面5g融合技术。在中国、韩国、欧盟、日本等6g研究开展较早的国家，都把未来6g支持天地融合一体化网络作为核心技术目标。
3.根据itu协议描述，未来会形成固定，移动和卫星融合网络架构。在基于卫星的融合网络框架中，接入网和核心网全部或者部分功能会移植到星上处理。结合未来移动通信论坛对未来的空天地一体化通信网络展望，在总体架构设想中leo卫星，更多承担接入和边缘核心网角色。核心网是分布式的，由部署在非地面网络节点的边缘核心网和部署在地面节点的云核心网两部分组成，边缘核心网和云核心网通过算力调度实现边云协作。
4.因卫星节点资源有限，upf上星后，势必会增大对板卡的资源消耗，特别是用户面，对卫星的算力和数据包转发能力提出更高的要求。n3接口是ng ran与upf间的接口，采用gtp-u协议在ng ran与upf之间进行用户数据的隧道传输，n3接口使用gtp-u/udp/ip协议栈。在现有技术中，基站端、upf端和卫星平台端处理上下行数据时，均要对每个数据包进行封装或解封操作，非常耗费平台算力资源。且考虑到5g基站和upf是独立网元，因此将部署在不同载荷上，致使数据面大量数据包转发大大增加了路由交换背板带宽。在数据加速方面，5g基站和upf需要安装并运行两套的数据面加速套件，对卫星平台内存和功耗也是非常大的开销。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于星上upf与5g基站用户面深度融合方法及系统，以解决上述现有技术存在的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供一种基于星上upf与5g基站用户面深度融合方法及系统，包括：
8.将5g基站模块与核心网用户面网元upf深度融合并接收数据包，所述5g基站模块与所述upf均部署在卫星上；
9.深度融合后的所述5g基站模块与所述upf在所述数据包为星上本地业务的情况下，通过星间链路转发所述数据包；
10.深度融合后的所述5g基站模块与所述upf在所述数据包为非星上本地业务的情况下，通过馈电链路将所述数据包转发到地面upf。
11.可选的，所述5g基站模块与所述upf深度融合的过程中包括：
12.所述5g基站模块与所述upf进行协议栈融合。
13.可选的，所述5g基站与所述upf进行协议栈融合的过程中包括：
14.所述5g基站包括5g基站用户面协议栈和5g基站控制面协议栈；
15.将所述5g基站用户面协议栈和所述upf进行协议栈融合。
16.可选的，融合后的所述5g基站模块与所述upf部署在卫星上的方式包括：同一板卡融合部署或独立板卡部署；
17.所述5g基站模块与所述upf采用容器虚拟化方式部署。
18.可选的，将所述5g基站模块用户面协议栈和所述upf进行协议栈融合的过程中包括：
19.所述5g基站模块用户面协议栈包括：sdap层、pdcp层、rlc层、mac层、phy层、gtp-u层、udp层、ip层、l2层和l1层；
20.所述upf的upf用户面协议栈包括：gtp-u层、udp层、ip层、l2层和l1层；
21.融合后的用户面协议栈包括：sdap层、pdcp层、rlc层、mac层、phy层、ip层、l2层和l1层。
22.可选的，深度融合后的所述5g基站模块与所述upf在所述数据包为星上本地业务的情况下，通过星间链路转发所述数据包的过程中包括：
23.基于smf配置的数据包检测规则，深度融合后的所述5g基站模块与所述upf对接收到的所述数据包进行检测；
24.检测所述数据包中的用户数据包并基于检测结果对所述数据包进行分类，通过接口将数据包发送到星间链路进行转发，其中所述接口为n6接口。
25.可选的，深度融合后的所述5g基站模块与所述upf在所述数据包为非星上本地业务的情况下，通过馈电链路将所述数据包转发到地面upf的过程中包括：
26.基于所述smf配置的数据包检测规则，深度融合后的所述5g基站模块与所述upf将所述数据包通过n9接口传输到馈电链路，再通过所述馈电链路转发到地面upf。
27.一种基于星上upf与5g基站用户面深度融合系统，包括：
28.深度融合模块，用于将卫星上的5g基站模块和用户面网元upf进行深度融合，并接收数据包；
29.星上传输模块，用于深度融合后的所述5g基站模块与所述upf在数据包为星上本地业务的情况下，通过星间链路转发所述数据包；
30.星地传输模块，用于深度融合后的所述5g基站模块与所述upf在数据包为非星上本地业务的情况下，通过馈电链路将所述数据包转发到地面upf。
31.可选的，所述5g基站模块包括5g基站板卡模块和5g基站协议栈模块，其中，
32.所述5g基站板卡模块包括公共平台软件和底层依赖库；
33.所述5g基站协议栈模块包括5g基站用户面协议栈和5g基站控制面协议栈。
34.可选的，基于所述深度融合模块融合后的所述5g基站模块与所述upf部署在卫星上的方式包括：同一板卡融合部署或独立板卡部署。
35.可选的，所述深度融合模块包括板卡部署融合模块和协议栈融合模块，其中，
36.所述板卡部署融合模块用于对所述分布单元du与进行了容器虚拟化部署的所述upf进行板卡部署融合；
37.所述协议栈融合模块用于对所述5g基站用户面协议栈与所述upf用户面协议栈进行融合。
38.可选的，所述5g基站用户面协议栈包括：sdap层、pdcp层、rlc层、mac层、phy层、gtp-u层、udp层、ip层、l2层和l1层；
39.所述upf的upf用户面协议栈包括：gtp-u层、udp层、ip层、l2层和l1层；
40.融合后的用户面协议栈包括：sdap层、pdcp层、rlc层、mac层、phy层、ip层、l2层和l1层。
41.可选的，所述星上传输模块包括n6接口和配置信息模块，其中，
42.所述n6接口用于将数据包发送到星间链路；
43.所述配置信息模块用于对数据包进行检测并分类。
44.可选的，所述星地传输模块包括n9接口和所述配置信息模块，其中，
45.所述n9接口用于将数据包传输到馈电链路；
46.所述配置信息模块用于对数据包进行检测并分类。
47.本发明公开了以下技术效果：
48.本发明通过将基站与upf深度融合，取消基站与upf之间的n3接口，针对用户上下行数据包无需频繁进行gtp-u封包、解封包操作，有效降低卫星平台算力开销，降低包处理时延，有效降低卫星平台路由交换背板带宽；针对同一板卡部署方式，可以复用数据面加速套件，减少对卫星平台内存、功耗开销；通过将基站与upf深度融合，实现卫星用户数据包分流，将用户数据流本地卸载，减少传输时延，缓解星地馈电链路传输压力，提升网络数据处理效率；通过将基站与upf深度融合，基于3gpp协议修改，除了取消n3接口外，不改变基站与upf功能，不改变其他接口协议。
附图说明
49.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
50.图1为本发明实施例中的基站主要功能示意图；
51.图2为本发明实施例中的核心网upf的主要功能示意图；
52.图3为本发明实施例中的基站处理数据包流程示意图；
53.图4为本发明实施例中的upf上星网络架构示意图；
54.图5为本发明实施例中的卫星独立板卡部署示意图；
55.图6为本发明实施例中的upf与基站基带共板容器虚拟化部署示意图；
56.图7为本发明实施例中的基站与upf深度融合部署示意图；
57.图8为本发明实施例中的基站与upf深度融合前用户面协议栈示意图；
58.图9为本发明实施例中的基站与upf深度融合后用户面协议栈示意图；
59.图10为本发明实施例中的基站与upf深度融合后用n9接口协议示意图；
60.图11为本发明实施例中的基站与upf深度融合前数据包处理过程示意图；
61.图12为本发明实施例中的基站与upf深度融合前数据包处理过程示意图。
具体实施方式
62.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
63.如图1所示，5g基站主要功能如下：
64.小区间无线资源管理、承载控制、连接态移动性控制、无线接纳控制、测量配置与准备、动态资源分配(调度)；
65.如图2所示，用户平面功能(upf)是负责所有用户平面处理的核心网络功能，其主要功能如下：
66.数据包路由和转发、移动性锚点、qos流映射、数传服务。
67.此外，还包含数据包标记，数据包缓冲，流量使用情况报告等。它也可能是pdu会话的锚点，支持分支点以支持多宿主pdu会话。
68.基站处理数据包的流程示意图如图3所示。
69.本发明的网络架构：
70.随着未来卫星平台能力提升，未来星地融合将主要基于5g非地面网络(non-terrestrial network，ntn)网络架构。核心网upf网元上星后，其网络架构将如图4所示。其中，卫星终端通过用户链路与卫星接入网连接。卫星接入网采用cu和du分离架构，包含集中单元(centralized unit，cu)和分布单元(distributed unit，du)。不同卫星之间采用星间链路进行信息传输和交换。卫星通过馈电链路将卫星信息传输到信关站，信关站定义专有接口与地面核心网连接，实现与地面网路互联互通。
71.卫星平台板卡部署方式设计：
72.upf上星后，可能存在的部署场景有下面两种，分别是：
73.a)独立板卡部署
74.upf以独立板卡的方式部署，集中负责多个通道的数据处理转发功能，独立板卡部署场景如图5所示。
75.b)upf与基站基带共板容器虚拟化部署
76.upf采用容器虚拟化部署的方式，可以与基站基带共板融合部署，共板部署场景图如图6所示。
77.当基站用户面与upf深度融合后，其部署方式参考如图7所示，此时upf和基站都部署在同一板卡。针对接入网cu和du分离架构，则考虑upf和du部署在同一板卡。
78.5g基站的协议栈架构为：
79.5g网络架构协议栈分为两个平面：用户面和控制面。用户面(user plane,up)协议
栈即用户数据传输采用的协议簇，控制面(control plane,cp)协议栈即系统的控制信令传输采用的协议簇。
80.本发明提出的基站与upf深度融合主要关注用户面。其中：
81.基站与upf深度融合前用户面协议栈：
82.如图8所示，核心网upf网元用户面协议栈从上到下分别是：gtp-u层、udp层、ip层、l2层和l1层。5g基站用户面协议从上到下依次是：sdap层、pdcp层、rlc层、mac层和phy层，为了和upf能够通过n3接口进行用户面数据转发，因此还要同时具备upf协议栈。
83.基站与upf深度融合后用户面协议栈：
84.如图9所示，5g基站与upf深度融合后，从用户面协议栈来看，只需要和终端协议栈对齐即可，无需再通过添加/去除gpt-u头与upf进行数据交互，而是sdap处理完从终端收到的数据包后，直接交给upf处理即可。
85.针对现有技术中的n3接口：
86.本发明提出的5g基站与upf深度融合方法，从图8和图9中可以看出，上行、下行数据包在基站和upf之间进行数据传输时，无需再对数据包进行gtp-u的封包和解封包操作。即基站与upf之间的n3接口可以直接取消。
87.星上传输用到的n6接口：
88.从图8和图9中可以看出，5g基站与upf深度融合后，对n6接口而言，上行、下行数据包处理过程是没有影响的。upf可以将sdap收到的数据包，根据smf配置的数据包检测规则，检测传入的用户数据流量并对流量进行分类，然后转发到路由交换。
89.星地传输用到的n9接口：
90.n9接口是upf与upf之间接口，从图10可以看出，对于卫星星座的之间的upf而言，可以等效为直接通过n6接口进行数据包的转发。对于地面upf而言，则需要通过n9接口进行数据包的转发，对比基站与核心网融合前后，对5g核心网协议栈而言，也是没有做任何修改的。
91.本实施例中的数据包处理流程包括：
92.基站与upf深度融合前数据包转发流程：
93.如图11所示，基站与upf深度融合前数据包处理流程为：来自终端的数据包经过phy/mac/rlc/pdcp/sdap处理后通过n3接口转发给upf。upf根据配置信息，将数据包通过星间路由(n6接口)分发到本地网络，或是通过n9接口转发到地面upf。
94.基站与upf深度融合后数据包转发流程：
95.如图12所示，采用本发明提出的基站与upf深度融合方法，数据包处理流程为：来自终端的数据包经过phy/mac/rlc/pdcp/sdap处理后直接交给upf处理。upf根据配置信息，将数据包通过星间路由(n6接口)分发到本地网络，或是通过n9接口转发到地面upf。
96.本发明在用户面角度，星上基站与upf深度融合，取消基站与upf之间n3接口。基站可以直接将sdap协议实体的数据包直接交给upf处理，而无需进行gtp-u包的封包和解封包操作、有效降低算力开销；
97.去除基站与upf之间n3接口消息转发，避免多次内存拷贝，且降低包处理时延，且降低卫星平台路由交换背板带宽。
98.在数据转发时，可以复用(共用)数据面加速套件，而无需在卫星平台，分别为基站
载荷和upf载荷分别部署两套服务，减少对卫星平台内存、功耗开销。
99.在逻辑上等同于基站分离方案。即基于分流技术，将卫星用户数据流实现本地卸载，减少传输时延，缓解星地馈电链路传输压力，从而提升网络数据处理效率。
100.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。