深度解析 3GPP TR 21.918：5.1 5G system with satellite backhaul (5G卫星回传系统)
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“5.1 5G system with satellite backhaul”的核心章节，旨在为读者提供一个5G与卫星通信融合——卫星回传（5GSATB）技术的全景视图。
在5G迈向“万物互联”的征途中，地面的光纤网络构成了信息高速公路的坚实骨架。然而，当地形险峻、人迹罕至，光纤铺设成本高昂或根本无法实现时，5G网络如何延伸其覆盖的触角？无论是浩瀚的海洋、偏远的山区，还是应急通信场景，都对5G的连接能力提出了严峻的考验。
为了应对这一挑战，3GPP在Release 18中将目光投向了广阔的星空，正式将卫星通信作为5G系统的重要组成部分。今天，我们将跟随一位资深的通信工程师老王，一同探索3GPP TR 21.918规范中的5.1 5G system with satellite backhaul章节，揭开5G卫星回传技术的神秘面纱。
老王最近接到了一个颇具挑战性的任务：为地处偏远、风景秀丽但网络覆盖空白的“云端之巅”景区，规划一套完整的5G网络解决方案。由于景区地理位置特殊，铺设光纤回传链路几乎是不可能的，因此，利用卫星作为基站（gNB）与核心网（5GC）之间的回传链路，成为了唯一可行的选择。这项工作在3GPP中被称为“5GSATB”。
1. 5G卫星回传（5GSATB）的宏伟蓝图
在开始深入技术细节之前，老王首先打开了规范，看到了描绘5G卫星回传架构的全局图。
规范原文中的“Figure 1: satellite backhaul (satellite link used between 5GC and 5GRAN)”清晰地展示了5G卫星回传系统的整体架构。这张图描绘了一个gNB通过卫星链路连接到5G核心网的场景。这个链路可以由一颗或多颗卫星组成，例如，通过地球静止轨道（GEO）卫星直接连接，或者通过低地球轨道（LEO）卫星星座，利用星间链路（Inter-Satellite Link, ISL）进行多跳中继，最终连接到地面的核心网关。
The work item “5G system with satellite backhaul” (5GSATB) specifies two different aspects: the 5G system enhancements needed to support dynamic satellite backhaul; and the User Plane Function (UPF) onboard GEO satellite.
老王看到这里，立刻抓住了两个核心要点：
- 动态卫星回传支持：这意味着网络必须能够适应卫星链路本身动态变化的特性，比如时延和带宽的波动。
- GEO卫星板载UPF：这是一个更具革命性的概念，直接将核心网的用户面功能（UPF）部署到了卫星上，为实现太空中的边缘计算和本地流量交换提供了可能。
老王意识到，他的“云端之巅”项目完美契合了这两个技术方向。游客们不仅需要基础的上网服务，更期待着高清直播、AR导览等需要高质量网络保障的体验。而卫星链路的动态性，以及如何在这种动态性下保证服务质量，正是他需要解决的首要问题。
2. 驾驭“动态”：可变的卫星链路与QoS/PCC控制
卫星链路，特别是LEO卫星链路，其时延和可用带宽并非一成不变。卫星的移动、星间链路的切换、天气状况等都可能导致回传质量的抖动。这对于需要稳定低时延的5G业务（如VoNR通话、在线游戏）来说，是致命的。
老王在思考，当游客正在“云端之巅”通过VoNR电话分享美景时，如果gNB的回传链路从一颗即将飞离服务区的LEO卫星切换到另一颗，导致时延突然增加50ms，通话会不会中断？3GPP是如何解决这个问题的？
While using satellites as the backhaul, a gNB may be subject to variable backhaul delay or bandwidth if the backhaul connection involves varying inter-satellite links or if it has different types of satellite backhaul. The change of satellite backhaul delay has impact to PCC/QoS control, hence following enhancements are introduced:
规范明确指出了这一挑战，并为此引入了一系列策略与计费控制（PCC）及服务质量（QoS）的增强功能。
2.1 感知变化：全新的动态卫星回传类别
为了让网络能够“感知”并“理解”回传链路的变化，Rel-18引入了新的回传类别定义。
New dynamic satellite backhaul categories, i.e. DYNAMIC_GEO, DYNAMIC_MEO, DYNAMIC_LEO and DYNAMIC_OTHERSAT, are defined. If AMF is aware that satellite backhaul category changes (e.g. at handover), the AMF reports the current satellite backhaul category and indicates the satellite backhaul category change to SMF.
这些新类别（动态GEO、动态MEO、动态LEO等）不仅仅是标签，它们代表了不同类型卫星链路的时延、带宽特征。核心机制在于：
- AMF的感知能力：作为移动性管理的“大脑”，AMF能够感知到gNB所使用的卫星回传链路类别发生了变化（例如，gNB的卫星天线从一个MEO卫星切换到了另一个，或者整个回传路径经过的星间链路数量变了）。
- 及时的信息通报：一旦感知到变化，AMF会立刻将新的回传类别信息上报给会话管理功能（SMF）。
在老王的“云端之巅”场景中，这意味着当gNB的回传路径发生变化时，核心网能够近乎实时地了解到这一变化，而不是对此一无所知。
2.2 精准调控：基于回传变化的QoS监控
仅仅知道变化还不够，关键在于如何根据变化做出调整。
Based on the dynamic satellite backhaul category indication, the SMF or PCF can determine to enforce QoS monitoring to measure the packet delay between UE and PSA UPF.
当SMF或策略控制功能（PCF）收到了来自AMF的回传类别变化通知后，它们就能采取行动。比如，SMF/PCF可以决定启动一次QoS监控流程。
这个流程会精确测量数据包从用户手机（UE）到作为PDU会话锚点的用户面功能（PSA UPF）之间的端到端时延。如果测量到的时延超出了当前业务（如VoNR）的要求，PCF就可以触发策略调整，例如，为该业务分配更高的优先级，或者在极端情况下，平滑地将会话切换到更稳定的回传链路上，从而保障用户体验。
老王的项目规划书中，这一机制被清晰地标注出来：通过部署支持Rel-18特性的AMF和SMF/PCF，可以确保即使在使用动态的LEO卫星回传时，游客的关键业务体验也能得到最大程度的保障。
3. 星辰大海中的边缘计算：GEO卫星上的板载UPF
解决了动态回传的QoS问题后，老王开始思考如何进一步提升“云端之巅”的网络性能，尤其是对于那些对时延极其敏感的新型应用。他想到了景区计划推出的AR导览应用，这个应用需要将大量渲染计算放在云端，如果数据每次都要在卫星和地面核心网之间走一个来回，几百毫秒的延迟会让AR体验大打折扣。
此时，规范中的第二个关键特性——板载UPF，为他提供了完美的解决方案。
As dynamic satellite backhaul may introduce long packet delivery latency and limited bandwidth, … Edge computing and local switch via UPF onboard satellite is a way to avoid/reduce using satellite backhaul. However, deploying UPF on NGSO satellite would lead to UPF mobility, which may bring too much impact to current 5G network architecture. Therefore, Rel-18 only considers the scenario where UPF is onboard GEO satellite…
规范解释道，将UPF部署到卫星上，可以极大地缩短数据传输路径，实现边缘计算和本地流量交换。但考虑到非对地静止轨道（NGSO，如LEO/MEO）卫星的UPF会频繁移动，给网络架构带来巨大冲击，因此Rel-18明智地将研究焦点放在了相对固定的地球静止轨道（GEO）卫星上。
3.1 卫星边缘计算：让云端应用触手可及
通过在GEO卫星上部署UPF，相当于在太空中建立了一个5G的边缘数据中心。规范详细描述了如何让用户接入这个“太空边缘节点”。
A UE can establish a PDU session with PSA UPF onboard GEO satellite, or a PDU session with an UL CL/BP and local PSA UPF onboard GEO satellite, to access satellite edge computing service. The SMF selects UPF on board GEO satellite as the PSA UPF or UL CL/BP and local PSA based on the DNAI corresponding to the GEO Satellite ID reported by the AMF and other factors.
老王立刻构思出AR导览应用的部署方案：
- 应用部署：将AR应用的服务端部署在GEO卫星的边缘计算平台上。
- 网络协同：当游客在“云端之巅”打开AR导览App时，她的手机（UE）会根据PCF下发的URSP（UE路由选择策略）规则，发起一个指向特定数据网络（DNN）或网络切片（S-NSSAI）的PDU会话请求。
- 智能选路：AMF识别出这是一个需要接入卫星边缘业务的请求，并将对应的GEO卫星ID告知SMF。
- 会话建立：SMF根据卫星ID和DNN等信息，选择部署在该GEO卫星上的UPF作为本次PDU会话的锚点（PSA UPF）。
最终，游客手机的数据流量，特别是AR应用产生的大量交互数据，将直接在UE与GEO卫星之间交互，时延可以从数百毫秒降低到几十毫秒，极大地提升了AR应用的流畅度和沉浸感。
3.2 卫星本地交换：景区内部通信的“天路”
除了服务游客，景区内部的管理和安防也需要高效的通信。比如，两名护林员在“云端之巅”的不同山头需要进行高清视频通话，用于实时沟通巡检情况。按照传统方式，他们的数据需要通过卫星→地面核心网→卫星的漫长路径，不仅时延高，还白白占用了宝贵的卫星-地面回传带宽。
板载UPF的本地交换功能（Local Switch）完美解决了这个问题。
The UE to UE traffic may be locally routed by UPF(s) deployed on GEO satellite (i.e. through local switch) to the target UE without traversing back to the satellite gateway on the ground. In Rel-18, only the communication between UEs within same 5G VN group is supported.
规范指出，同一5G虚拟网络组（5G VN group）内的两个UE之间的流量，可以直接通过卫星上的UPF进行本地路由，无需返回地面。
- 工作流程：当SMF检测到两个护林员（属于同一个5G VN组）正在进行通信时，它可以决策激活本地交换。
- UPF角色：SMF会在GEO卫星上插入一个上行分类器（UL CL）和一个本地PSA（L-PSA）。从一个护林员手机发出的数据，到达UL CL后被识别出是发往另一个本地护林员的，于是直接被路由到L-PSA，再由L-PSA转发给目标护林员的手机。
这样一来，两名护林员的视频通话数据流就像在景区内部架起了一条“天路”，在太空中完成交换，时延和效率都得到了质的飞跃。
4. 运筹帷幄：卫星回传系统的管理与运维
任何先进的技术，如果缺乏有效的管理和监控手段，都无法在实际网络中稳定运行。老王深知这一点，因此他特别关注了规范中关于管理运维（O&M）的章节。
The corresponding management capabilities, covered by updates to specifications TS 28.541 and TS 28.552, support the following aspects:
规范通过对现有网管模型（如TS 28.541）的扩展，确保了卫星回传系统的可管可控。
- 回传类别上报：网管系统可以通过
AMFFunction模型的新增属性，清晰地了解到每个gNB当前关联的卫星回传类别（GEO/LEO/MEO等）和GEO卫星ID。 - QoS监控运维：网管系统可以通过
QFQoSMonitoringControl信息对象，配置和收集针对动态卫星回传场景下的QoS监控数据，例如UE到PSA UPF的端到端时延。 - 板载UPF运维：网管系统可以通过
SMFFunction模型，管理和查看数据网络标识（DNAI）与GEO卫星ID的关联关系，从而对卫星边缘计算和本地交换的资源进行有效配置和监控。
这些管理功能的增强，为老王未来的网络运维团队提供了必要的工具，确保“云端之巅”的5G网络不仅能建得起来，更能稳定运行下去。
总结
通过对3GPP TR 21.918中5.1章节的深度研读，老王对5G卫星回传（5GSATB）技术有了全面而深刻的理解。从应对链路动态变化的QoS/PCC增强，到革命性的板载UPF边缘计算和本地交换，再到完善的管理运维支持，Release 18为5G网络突破地面束缚、走向“星辰大海”铺平了道路。
老王的“云端之巅”项目规划也因此变得清晰而具体。他相信，借助3GPP标准化的力量，将卫星通信无缝融入5G系统，必将为全球更多偏远地区的人们带来前所未有的连接体验。
FAQ - 常见问题解答
Q1：为什么Rel-18规范中的板载UPF（Onboard UPF）优先选择部署在GEO（地球静止轨道）卫星上，而不是时延更低的LEO卫星？ A1：主要原因是技术复杂度和对现有网络架构的影响。LEO卫星高速移动，如果在LEO卫星上部署UPF，这个UPF会频繁地在不同地面站覆盖范围间移动，即“UPF移动性”问题。这会引入频繁的IP地址重分配、路由更新和会话切换，对5G核心网的会话管理、移动性管理和计费系统都将带来巨大的冲击和改造需求。相比之下，GEO卫星相对地面静止，在上面部署UPF不会引入UPF移动性问题，可以更容易地与现有5G架构集成。因此，3GPP选择先在相对简单的GEO场景下进行标准化，作为技术演进的第一步。
Q2：当gNB的卫星回传链路特性（如时延）发生动态变化时，AMF（接入与移动性管理功能）具体扮演了什么角色？ A2：AMF在此场景中扮演着“变化感知者”和“信息枢纽”的关键角色。当gNB的卫星回传链路因卫星切换、星间链路变化等原因导致其类别（如从一个LEO路径切换到另一个）发生改变时，AMF能够感知到这一变化。随后，AMF会立即将这个新的“卫星回传类别”信息通知给与用户会话相关的SMF（会话管理功能）。这个及时的通知是后续所有QoS保障措施的基础，确保了核心网能够根据最新的链路状况做出正确的策略决策。
Q3：网络是如何引导用户的特定业务（如AR应用）流量流向卫星上的边缘计算节点的？URSP规则在其中起什么作用？ A3：这是一个策略驱动的流量引导过程。首先，PCF（策略控制功能）会根据用户的签约信息或应用服务器的请求，生成URSP（UE路由选择策略）规则并下发给UE。这个规则会告诉UE，当某个特定应用（如AR应用）或访问某个特定域名时，应该使用哪个S-NSSAI（网络切片标识）或DNN（数据网络名称）来发起PDU会话。当UE发起这个带有特定S-NSSAI/DNN的会话请求后，AMF和SMF就能识别出这是一个需要接入卫星边缘业务的请求，进而选择部署在卫星上的UPF作为会话锚点，从而将流量精准地引导至卫星边缘计算节点。
Q4：在通过卫星实现的UE-to-UE本地交换中，“L-PSA”和“UL CL”分别是什么意思？ A4：“L-PSA”指的是本地PSA（Local PDU Session Anchor），它是在卫星上为本地交换流量提供锚点功能的一个UPF实例。“UL CL”指的是上行分类器（Uplink Classifier），它也是UPF的一个功能，部署在UE接入卫星的第一个UPF节点上。当一个UE的数据包到达UL CL时，UL CL会检查数据包的目的地址。如果发现目的地是同一个卫星覆盖下的另一个UE，它就不会将数据包转发到地面的核心网，而是直接在卫星内部将数据包路由到L-PSA，再由L-PSA转发给目标UE，从而实现流量的“本地交换”。
Q5：从运营商的角度看，部署Rel-18定义的5G卫星回传系统，主要的商业价值和面临的挑战是什么？ A5：主要商业价值包括：1）扩大覆盖范围：能够以更经济的方式将5G服务扩展到光纤无法到达的地区，如偏远地区、海洋、空中航线，开辟新的市场。2）提升网络韧性：在地面通信设施因自然灾害等原因中断时，卫星回传可以作为应急备份，保障关键通信。3）催生新业务模式：通过卫星边缘计算，可以为航空、航海、矿业等特定行业提供低时延的定制化服务，创造新的收入来源。 面临的主要挑战包括：1）成本问题：卫星的发射、运营以及地面卫星网关的建设成本依然高昂。2）技术集成与运维复杂性：将卫星系统与地面移动通信系统深度融合，对网络规划、管理和运维提出了更高的要求，需要跨领域的专业技术人才。3）频谱资源协调：卫星通信和地面通信需要协调频谱使用，避免相互干扰，尤其是在全球范围内运营时，频谱协调更为复杂。