深度解析 3GPP TR 21.918：5.2 Discontinuous coverage: “Satellite access Phase 2” (不连续覆盖：“卫星接入第二阶段”)
本文技术原理深度参考了3GPP TR 21.918 V18.0.0 (2025-03) Release 18规范中，关于“5.2 Discontinuous coverage: ‘Satellite access Phase 2’”的核心章节，旨在为读者揭示5G系统在非连续卫星覆盖场景下的关键技术挑战与解决方案。
在上一篇文章中，我们跟随工程师老王，了解了5G系统如何利用卫星作为回传链路（5GSATB），解决了“云端之巅”景区的网络覆盖难题。然而，故事并未就此结束。当网络真正部署运行时，一个更为棘手、也更具现实意义的挑战浮出水面——不连续覆盖（Discontinuous Coverage）。
为了追求更低的时延和全球无死角覆盖，非对地静止轨道（NGSO）卫星星座（如LEO/MEO）成为了业界的热点。但这类星座在部署初期，卫星数量有限，无法做到对全球任何一个地点24/7无间断覆盖。卫星如同天上的“移动基站”，划过一片区域，提供数小时的服务，然后飞离，该区域再次陷入“网络孤岛”，直到下一颗卫星的到来。
为了应对这一挑战，我们引入今天的主角——部署在“云端之巅”深处，一台名为**“雪山之眼-01”**的5G物联网（MIoT）环境监测终端。它由太阳能电池供电，负责采集珍稀动植物活动、气象和地质数据。对它而言，电池续航就是生命线。如何在卫星信号时有时无的环境下，既能可靠地回传数据，又能最大限度地节省能源，成为了决定其能否长期服役的关键。这正是3GPP Release 18中“卫星接入第二阶段”所要解决的核心问题。
1. “雪山之眼-01”的困境：不连续覆盖下的生存挑战
让我们先通过规范的原文，来感受一下“雪山之眼-01”所面临的真实困境。
Dynamic support of discontinuous coverage is required for initial NGSO constellation deployment but as well to support evolution of the constellations such as loss of satellites… UE may have access to satellite service coverage only at specific time and places due to sparse constellation. UE location may not be timely aware of by the network to enable efficient paging… Moreover, UE may not always have to stay awake for the sake of power efficiency, especially for MIoT UE.
这段文字描绘了一幅生动的画面：
- 覆盖的稀疏性：“雪山之眼-01”所在的位置，可能一天之中只有几个小时能接收到卫星信号。
- 寻呼的低效性：网络（5GC）并不能实时精确地知道“雪山之眼-01”的具体位置和下一次覆盖的确切时间，传统的寻呼方式效率低下。
- 功耗的致命性：对于“雪山之眼-01”这样的物联网终端，如果它为了“等待”信号而持续保持唤醒状态，其宝贵的电池能量将被迅速耗尽，这在实际应用中是不可接受的。
因此，必须有一种智能的机制，让“雪山之眼-01”能够预知下一次卫星过顶的时间，从而在无覆盖的漫长时间里进入深度睡眠，仅在“通信窗口”即将开启时才被唤醒。
2. 破局之路：SA2工作组的研究成果
为了解决“雪山之眼-01”的生存难题，3GPP的SA2工作组在技术报告TR 23.700-28中进行了深入的研究，并识别出了两大关键技术方向。
The TR23.700-28, outcome of the study, identifies solutions to cope with discontinuous coverage, given following key issues:
- Mobility Management enhancement with discontinuous satellite coverage… study how to reduce the impact to target RAT or system due to large number of UEs triggering signalling load…
- Power saving enhancement for UE in discontinuous coverage… make sure that the UE does not attempt PLMN access when there is no network coverage; and, when there is network coverage the UE attempts PLMN access as needed…
这两大关键问题直指核心：
- 移动性管理增强：当卫星覆盖窗口开启时，成千上万个像“雪山之眼-01”这样的终端会同时尝试接入网络，这会引发巨大的信令风暴（Signalling Storm），可能导致网络拥塞甚至瘫痪。因此，必须有机制来优化这一过程，控制信令负载。
- 功耗节省增强：这是核心需求。需要增强现有的节电机制（如PSM、MICO、eDRX），让UE在没有网络覆盖时，能够彻底“死心”，不去尝试接入，从而进入最深度的睡眠状态；而在网络覆盖恢复时，又能及时醒来，处理信令、收发数据或响应寻呼。
这些研究成果为Release 18的正式规范指明了方向，最终演变成了5GC和EPC（是的，规范同样考虑了4G核心网的兼容性）的一系列架构增强。
3. 核心网的智慧：预测与调度
要实现智能的节电，关键在于网络侧必须具备“预测未来”的能力，并将这种能力赋予终端。
The “5GC/EPC enhancement for satellite access Phase 2” work item specifies the architectural enhancements… to support satellite discontinuous coverage… on the follow aspects:
- General mobility management and/or power saving with discontinuous coverage: Principles of system behaviour; the information AMF/MME has and how AMF/MME receives it; the role of AMF/MME; the information UE has and how UE retrieves it; the role of the UE
- Signalling overload control when recovering coverage.
规范的核心思想是，在核心网（5GC的AMF或EPC的MME）与UE之间建立一个关于“下一次服务可用性”的信息通道。
3.1 信息的流动：谁来预测，谁来告知？
- 谁拥有信息？ AMF/MME是信息的源头。对于可预测的NGSO卫星星座，其轨道参数是已知的。因此，AMF/MME可以通过计算或从外部实体（如卫星运营商的O&M系统）获取，来预测出在未来的某个时间点，哪些地理区域将被卫星覆盖。
- 信息如何传递？ 当“雪山之眼-01”成功接入网络后，AMF/MME会在其后续的移动性管理流程中（如注册更新、TAU/RAU更新），将“下一次预计的无覆盖开始时间”以及“下一次覆盖恢复时间”等关键信息告知给UE。
- UE如何使用信息？ “雪山之眼-01”在收到这些“未来预测”信息后，如获至宝。它会据此调整自己的节电参数。例如，它会设置一个足够长的PSM（Power Saving Mode）或eDRX（extended Discontinuous Reception）周期，确保在整个无覆盖期间都处于深度睡眠状态。它内部的定时器会在“下一次覆盖恢复时间”即将到来之前，才唤醒射频模块，准备接入网络。
这种机制，从根本上避免了UE在无网络环境下的盲目尝试，实现了极致的功耗节省。
3.2 信令风暴的疏导：有序接入的艺术
当卫星覆盖窗口如期而至，区域内所有的“雪山之眼”们都会从沉睡中醒来，准备上报数据。如果没有任何控制，瞬时的接入请求将如洪水般涌向网络。
对此，规范提出的Signalling overload control when recovering coverage机制就派上了用场。
- 接入控制：当网络预测到大量UE即将同时苏醒时，AMF/MME可以协同RAN（无线接入网），在这些UE尝试接入的初始阶段，通过广播系统消息等方式，实施接入限制（Access Barring）。
- 差异化服务：这种接入限制可以是差异化的。例如，网络可以设置不同的接入等级，让高优先级的终端（如发出紧急告警的“雪山之眼”）能够优先接入，而常规数据上报的终端则根据一个随机退避算法，在稍后的时间点分批接入。
通过这种方式，网络将瞬时的高并发请求平滑地分布在一个时间段内，有效地避免了信令风暴，保障了网络的稳定运行。
4. 无线接入网（RAN）的协同
核心网提供了宏观的调度策略和时间信息，但最终的无线连接还是需要RAN来完成。卫星通信的无线环境与地面有很大不同，例如存在巨大的多普勒频移和更长的传播时延。
RAN aspects See next section, on “NR NTN enhancements”.
正如规范在此处所指出的，关于RAN侧的具体增强，例如物理层和高层协议如何适应卫星信道的挑战，将在后续的“NR NTN enhancements”章节（即5.3.1节）中进行详细阐述。这是一个逻辑清晰的划分，SA工作组定义了系统架构和核心网行为，而RAN工作组则负责无线接口的具体实现。我们将在下一篇文章中，重点解读这些关键的RAN技术。
5. 万物皆有价：不连续覆盖下的计费思考
对于部署了“雪山之眼-01”的科研团队而言，他们需要为使用的网络服务付费。那么，在这种特殊的、服务时断时续的场景下，运营商该如何计费呢？
Charging aspects In SA5, TR 28.844 studied the charging business scenarios, charging requirements and charging solutions, 5GSAT_ Ph2_CH led to update TS 32.255, TS 32.256, TS 32.291 and TS 32.298. It resulted in specifying: the converged charging business scenarios, charging principle, charging requirements and charging information for 5G Satellite Access charging, including SMF based solution for charging of data connectivity via satellite access… and AMF based solution for charging of connection and mobility via satellite access…
3GPP的计费工作组（SA5）对此进行了专门研究，并对融合计费系统（Converged Charging System）进行了一系列增强。这使得运营商可以设计出灵活的计费模型。
- 基于数据连接的计费（SMF-based）：这部分由SMF主导。当“雪山之眼-01”在覆盖窗口期内建立PDU会话并上传数据时，SMF会根据传输的数据量、会话时长、使用的QoS等级等信息生成计费话单。这是最基础的按使用量计费模式。
- 基于连接与移动性的计费（AMF-based）：这部分由AMF主导。在这种特殊场景下，每次UE从无覆盖状态恢复并成功注册到网络，都可以被视为一个可计费的“移动性事件”。运营商可以针对这种“网络唤醒/注册”服务收取一定的费用，尤其是在需要网络提供精确的覆盖预测信息时。这种模式可以看作是为“网络可用性保障”服务付费。
通过将这两种计费方案结合，运营商可以为卫星物联网客户提供更为灵活和公平的套餐，例如，“每月N次网络唤醒+M兆字节数据流量”的组合套餐，完美契合了“雪山之眼-01”这类终端的工作模式。
总结
3GPP Release 18中关于“不连续覆盖”的增强，是5G卫星通信从“可用”迈向“好用”和“易用”的关键一步。它通过在核心网引入预测机制，并与终端的节电功能深度结合，成功解决了物联网终端在稀疏卫星星座下的核心生存难题——功耗。同时，通过增强移动性管理和信令过载控制，确保了网络在大规模终端同时苏醒时的稳定性。
对于“雪山之眼-01”而言，这些标准化的成果意味着它可以在严酷的高山环境中，以极低的能耗可靠工作数年之久，持续不断地为人类守护着那片净土。对于整个通信行业而言，这标志着5G真正具备了为全球最偏远角落的数以亿计的物联网设备提供连接服务的能力，一个真正意义上的“全球物联”时代，正随着卫星的每一次过顶，离我们越来越近。
FAQ - 常见问题解答
Q1：UE是如何获取到“下一次卫星覆盖时间”的精确信息的？这个信息是UE自己计算的吗？ A1：不是UE自己计算的。这个精确的预测信息是由网络侧的核心网元（5GC中的AMF或EPC中的MME）提供给UE的。网络侧拥有卫星星座的完整轨道参数，能够精确计算出在未来任意时间点，哪颗卫星将覆盖哪个地理区域。当UE接入网络后，AMF/MME会在移动性管理相关的信令流程中（如注册更新流程）将这个预测信息（如下一次无覆盖开始时间、下一次覆盖恢复时间等）下发给UE。UE只需接收并根据这些信息来配置自己的休眠和唤醒策略。
Q2：“信令风暴”或“惊群效应”（Thundering Herd）在不连续覆盖场景下具体指什么？网络如何应对？ A2：在不连续覆盖场景下，“信令风暴”指的是当卫星覆盖窗口重新开启时，该区域内大量处于休眠状态的物联网终端（如成千上万的“雪山之眼”）几乎在同一时刻被唤醒，并同时尝试发起注册、建立连接等信令流程。这种瞬时、集中的信令请求会给核心网和无线基站带来巨大的处理压力，可能导致信令拥塞、部分UE接入失败，甚至网络过载瘫痪。网络主要通过“信令过载控制”机制来应对，核心手段是接入控制（Access Barring），即在系统信息中广播控制参数，让UE根据分配的接入等级和随机退避算法，分时分批地发起接入，从而将集中的请求流量削峰填谷，平滑地疏导到网络中。
Q3：规范中提到的增强节电机制（如PSM, MICO, eDRX）与不连续覆盖场景是如何结合的？ A3：这些节电机制与网络下发的“覆盖预测信息”紧密结合。在传统地面网络中，PSM/MICO/eDRX的周期设置需要权衡节电效果和网络可达性。但在不连续覆盖场景下，由于网络明确告知了UE在未来很长一段时间内（例如，接下来的10个小时）将没有覆盖，UE就可以毫无顾虑地设置一个超长的PSM休眠周期或eDRX非监听周期，覆盖整个无覆盖时段。这意味着UE的射频和大部分处理单元可以进入最深度的睡眠状态，功耗降至最低。只有当内部定时器计算出“下一次覆盖恢复时间”临近时，UE才会被唤醒，从而实现最大化的电量节省。
Q4：Rel-18的这些增强是只针对5G NR的卫星接入吗？对LTE卫星接入是否适用？ A4：Rel-18的这些增强同时考虑了5G（5GC）和4G（EPC）两种核心网架构。规范原文中明确提到了“5GC/EPC enhancement”，并且在描述核心网元时，常常使用“AMF/MME”并列的方式。这意味着，无论是接入5G核心网的NR终端，还是接入EPC核心网的LTE-M/NB-IoT终端，只要核心网和终端都支持Rel-18的这些新特性，就能从不连续覆盖的增强功能中受益。这保证了技术演进的平滑性和对存量物联网技术的兼容性。
Q5：对于部署在移动平台（如远洋货轮）上的物联网终端，不连续覆盖增强机制是否依然有效？ A5：依然有效，但会更复杂。对于移动平台上的终端，其地理位置在不断变化。网络侧在预测覆盖窗口时，不仅需要考虑卫星的运动轨迹，还需要考虑终端自身的移动轨迹。这就要求UE需要定期上报自己的位置信息，或者网络通过其他方式获取其位置。AMF/MME在下发覆盖预测信息时，会综合卫星和UE的动态位置进行计算，提供的将是一个动态的、与UE未来路径相关的覆盖预测。虽然挑战更大，但其核心原理——即基于预测信息进行智能休眠和唤醒——是完全一致的。