基于IoT NTN實作衛星語音通信的關鍵技術研究

通信世界網消息（CWW）近年來，随着商業航天的興起，衛星制造和發射成本大幅降低，星載天線技術快速發展，為衛星通信産業注入了新的活力。同時，随着通信晶片、終端能力的提升，基于星地網絡融合的公衆手持終端直連衛星逐漸成為現實。“手機直連衛星”具有豐富的應用場景和迫切的使用者需求，特别在保障救援、緊急救助和應急通信等情況下，為使用者提供保底通信保障，而實時語音通信能力是此類應用場景下的必要需求。

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

需求和現狀研究

需求概述

衛星通信具有覆寫範圍廣、實時性強、抗幹擾能力強等特點，可在無地面網絡覆寫區域或地面正常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内建立低延遲時間、高可靠的實時互動，是以，衛星通信的實時語音能力是必不可少的。在搶險救災場景下，基于衛星語音通信的應急指揮排程系統具有高度靈活性，是建構國家應急救援通信體系的基礎。在戶外應急場景下，大衆可通過具備衛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）等傳統的衛星移動通信體制，5G NTN體制在标準演進、産業驅動、星地融合等方面具有天然優勢。然而目前國内尚無可商用的移動通信衛星資源，能夠滿足現行标準下NR NTN(基于非地面網絡的5G智能終端接入)在帶寬、鍊路預算等方面的要求，是以基于IoT NTN實作衛星語音通話功能的探索引起業界的關注。

現狀和可行性分析

近年來，國内外IoT NTN應用創新快速發展。國際方面，海事衛星與聯發科開展了多次基于IoT NTN技術的雙向衛星通信試驗，并宣布未來将聯手打造智能手機、物聯網裝置、汽車等終端的雙向衛星通信功能。國内方面，科研機構與裝置制造商、衛星營運商等産業鍊上下遊企業基于3GPP R17标準，在晶片、終端模組、網絡裝置等方面聯合進行了多次星地融合通信試驗驗證，實作了IoT NTN端到端全鍊路技術貫通。目前IoT NTN多采用短封包和物聯網業務先行模式，未來一旦支援衛星語音通信，可進一步建構基于NTN産業生态的ToC應急通信網，形成顯著的商業模式競争優勢。

在5G NTN演進過程中，為滿足使用者的語音通話需求，業界以IoT NTN标準體制為基礎，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關的語音優化解決方案，可有效減少終端與衛星的信令互動，節約衛星資源。方案二為基于Web-RTC（源自網頁的實時通信）架構的語音通話解決方案，使用自定義接口實作語音協定的定制化，可大幅提升語音信令互動效率。方案三為基于IMS（IP多媒體系統）信令優化的語音增強解決方案，通過精簡SIP/SDP（會話初始協定/會話描述協定）流程及字段，可縮短終端與IMS網絡的互動時延，提升互動效率。

從目前階段研究成果來看，優化現有地面體制，壓縮星地語音互動信令開銷，是IoT NTN實作語音業務的重要基礎。現有地面4G/5G移動通信網絡語音業務采用IMS架構，為實作與地面語音通信體制相容，産業各方緻力于創新基于IMS優化的語音通話方案，在網絡及晶片側開展定制化研發，精簡信令流程，優化低速語音編解碼算法，以更好支援IoT NTN場景下的語音通話功能。

基于NTN實作衛星語音通信的關鍵技術

網絡架構優化

鑒于IoT NTN體制本身的網絡特性，為滿足衛星通信網絡演進過程中使用者語音通話的需求，可以借鑒現有地面蜂窩網絡的體制及建設方案，壓縮星地語音互動信令開銷。現有地面4G/5G移動通信網絡語音業務采用IMS網絡架構，在衛星網絡中對該架構進行優化，可以實作衛星與地面語音通信體制的相容。

在信令互動方面，考慮在終端和IMS網絡間使用精簡的IMS SIP信令，對IMS進行增強，實作精簡SIP和标準SIP的轉換，在IMS網絡和地面網絡間使用标準的SIP信令進行互動。

在語音媒體流互動方面，為了實作低速語音媒體流傳輸，在終端和IMS網絡網關中部署低速語音編解碼器。其中，在終端和IMS語音網關間，語音流采用低速的語音編解碼互動；在IMS語音網關處，實作低速語音編碼和标準語音編碼之間的轉換。

核心網UP面承載語音解決方案

IoT NTN無線側資料傳輸支援CP（控制面）模式和UP（使用者面）模式。CP模式支援資料通過NAS信令傳輸，承載資料少，适合物聯網突發小包業務；UP模式通過建立正常的資料無線承載DRB（資料無線承載）進行資料傳輸，适合持續性資料業務。

在IoT NTN體制中，UP模式僅支援兩個DRB，無法同時承載資料和語音業務。對于衛星移動通信而言，語音是重要業務。本文考慮在UP面實作的三種承載（資料承載、語音信令承載和語音媒體流承載）可在不同業務間自動切換，即随着業務的變更為使用者更新不同的承載。

考慮對基站進行增強，通過設定網絡觸發條件，使得基站在某些條件下釋放資料承載并建立語音承載。該過程中終端收到了網絡觸發的承載釋放，可能導緻終端發起TAU（跟蹤區域更新）過程，造成信令消耗，是以也需要對終端進行部分增強。當使用者停止語音通話時，語音承載釋放，此時網絡應具備退回至資料承載的能力。

SIP精簡方案

1．IMS SIP精簡原則分析

由于NTN網絡的空口資源有限，标準的IMS SIP信令消息冗長，終端呼叫建立時間較長，導緻語音建立成功率降低。用較小的信令長度優化語音建立信令互動流程，縮短呼叫建立時長，是IoTNTN實作語音業務支援能力的主要方法。現有地面網絡語音業務以VoNR、VoLTE為主，為推動與5G NTN網絡架構的互聯互通，以及向未來語音業務平滑遷移，應優先考慮基于IMS優化的語音網絡架構。

具體信令優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發送給IMS的SIP消息部分參數可在空口省略，之後由IMS網絡功能添加；第三，UE發送的SIP/SDP消息IPv6位址編碼使用簡化格式；第四，部分語音（可根據優先級或資源實時情況）省略信令互動步驟。

除上述信令精簡外，在地面網絡引入增強型語音信令網關裝置，支援衛星通信語音編解碼協商和轉換，在SIP消息精簡方案中屏蔽UE與IMS網絡間語音媒體流的差異。

NTN網絡帶寬資源有限、時延較高，SIP信令需适配NTN網絡的性能特征，簡化信令互動的複雜度、降低延遲時間。為實作基于IMS網絡的SIP消息精簡，終端與IMS部分網絡功能需進行增強，屏蔽SIP信令在終端與标準IMS網絡之間的消息差異化，使得IMS網絡在保障終端使用者呼叫體驗的同時，提升網絡互動效率。

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、衛星空口時延、基站協定棧時延、核心網到IMS使用者面時延、IMS使用者面語音編解碼轉換時延、大網處理時延、大網終端處理時延等。受限于空口帶寬（無法頻繁發包）和高軌衛星遠距離傳輸，上行時延集中在聲碼器子產品和衛星空口傳輸，約占整體時延的80%；下行時延集中在衛星空口傳輸和IMS語音轉換過程，約占整體時延的80%。

分析顯示，通過包壓縮、聲碼器優化、編解碼優化可有效減少語音包在衛星接入場景下的傳輸時延，提升NTN網絡語音通話使用者體驗。

總結與展望

本文以3GPP前期研究及标準化程序為基礎，提出可支援語音通信的IoTNTN融合組網架構和體制優化方向，并綜合考慮衛星資源受限及時延較高的網絡特性，針對語音互動信令的精簡與優化提出了解決方案，降低星地語音互動信令對星地資源的消耗，保證衛星接入場景下的語音業務品質。但仍存在一些關鍵問題有待研究，例如衛星通信空口時延相對較高，需進一步對協定進行适配和優化，對網元進行功能及性能上的增強；又如衛星動态變化導緻多普勒頻移影響語音信号品質和穩定性，需要通過算法及編解碼能力的增強，提高語音業務的穩定性。

業界已經開啟對于下一代實時語音通信的研究，在科技創新、使用者需求、網絡演進的驅動下，“虛實共生、沉浸多感、類人智能、萬物智聯”将成為未來實時通信的發展願景。NTN網絡作為未來天地融合、泛在連接配接的重要技術，具有廣闊的應用前景和實際意義，是實作泛在實時、多元連接配接、高品質通信服務的重要基石。