CN114189270A - 一种部署UPF的星载gNB基站及其数据处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种部署UPF的星载gNB基站及其数据处理方法，所述方法包括如下步骤：落地地面核心网的数据交换数据处理方法和通过星载用户面UPF功能单元实现T2T的直接数据交换数据处理方法。本发明解决星上再生处理，完成地面5G设备对卫星的直接接入，无需地面关口站协议转换，有利于地面5G网络与卫星网络的深度融合，与现有的星上透明转发相比实现上下链路的解耦，提高传输效率。
Description
技术领域
本发明属于地面5G网络与卫星网络融合***的实现方法技术领域，尤其涉及一种部署UPF的星载gNB基站及其数据处理方法。
背景技术
近年来，互联网卫星星座的发展突飞猛进，典型的代表***包括O3b、一网***(OneWeb)和SpaceX计划打造的Starlink互联网星座。这些互联网星座大都采用几十甚至几百颗小卫星星座组网实现大范围覆盖，多采用Ka或Ku频段，***容量大幅度提高，可以为传统互联网架设成本过于昂贵的地区提供高速宽带互联网接入服务。而5G技术是继4G之后，为了满足智能终端的快速普及和移动互联网的高速发展而研发的新一代移动通信技术，是面向人类信息社会需求构建新型移动通信网络的基石，5G技术的快速发展以及6G技术的开拓研究将为未来社会的发展带来一场巨大的革新。
未来，卫星通信***与地面5G网络相融合，共同构成全球无缝覆盖的海、陆、空、天一体化综合通信网，满足用户无所不在的多种业务需求，而星地一体化***的核心网全部功能如果都置于地面，则终端间通信必须经过卫星中继后回到地面核心网方可实现数据交换，无法支持T2T业务以及宽带网状用户专网的构建。此外，受制于卫星平台功耗等的客观约束，星上处理器资源受限。因此通过一种轻量化技术将核心网UPF网元部署在星载gNB基站上，对实现星上再生处理并支持T2T业务将具有重要意义。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种部署UPF的星载gNB基站及其数据处理方法，解决星上再生处理，完成地面5G设备对卫星的直接接入，无需地面关口站协议转换，有利于地面5G网络与卫星网络的深度融合，与现有的星上透明转发相比实现上下链路的解耦，提高传输效率。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法，所述方法包括如下步骤：落地地面核心网的数据交换数据处理方法和通过星载用户面UPF功能单元实现T2T的直接数据交换数据处理方法。
上述部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法中，落地地面核心网的数据交换数据处理方法包括如下步骤：星地反向链路数据处理步骤和星地前向链路数据处理步骤。
上述部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法中，所述星地反向链路数据处理步骤包括如下步骤：
(1)星载处理器硬件平台物理层通过空中无线接口收到来自地面5G终端的数据，经过MAC、RLC、PDCP以及SDAP层的协议解析后，将解析出的数据包由星载5GgNB基站上的GTP编码解码器进行协议转换处理得到新的数据流；
(2)GTP编码解码器对步骤(1)产生的数据流进行GTP-U隧道编码处理，处理后的数据通过多跳星间链路的承载发送到与目的地面关口站GW连接的卫星，再通过星地馈电接口发送给地面关口站GW；
(3)地面关口站GW将步骤(2)生成的数据通过地面光纤网以透明转发形式发送至地面核心网的地面用户面UPF功能单元；
(4)地面核心网的地面用户面UPF功能单元对步骤(3)得到的数据进行GTP-U的隧道解码处理，对解码处理过的数据做QoS、常规计费，并将由解码处理过的数据产生的管理和状态信息通过地面N4接口传送至地面核心网SMF单元；
(5)地面用户面UPF功能单元通过N6接口将步骤(4)中解码处理过的数据发送到网络侧DN。
上述部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法中，所述星地前向链路数据处理步骤包括如下步骤：
(11)网络侧DN通过N6接口将第二数据发送给地面用户面UPF功能单元；
(12)地面用户面UPF功能单元对接收到的步骤(11)中的第二数据做QoS、常规计费，并将第二数据产生的管理和状态信息通过N4接口传送至核心网SMF单元，并对第二数据进行GTP-U的隧道编码处理得到编码后的数据流；
(13)地面核心网的地面用户面UPF功能单元将步骤(12)得到的编码后的数据流通过地面光纤网发送给地面关口站GW；
(14)地面关口站GW对步骤(13)中收到的编码后的数据流通过星地馈电接口发送给卫星；
(15)星载5GgNB基站上的GTP编码解码器将步骤(14)收到的编码后的数据流进行GTP-U隧道译码处理，得到处理后的数据包；
(16)将步骤(15)得到的数据包以星间链路透明承载方式通过若干颗卫星中继传输至目的卫星，目的卫星把收到的数据包通过星地空中无线接口发送给地面5G设备，完成星地前向链路数据处理。
上述部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法中，通过星载用户面UPF功能单元实现T2T的直接数据交换数据处理方法包括本地星下T2T直接数据交换数据处理步骤和需要星载用户面UPF功能单元锚点迁移的端到端数据交换的数据处理步骤。
上述部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法中，所述本地星下T2T直接数据交换数据处理步骤包括如下步骤：
(21)星载处理器硬件平台物理层通过空中无线接口收到来自地面5G终端设备A发来的数据，经过MAC、RLC、PDCP、SDAP层的协议解析后，将解析出的数据包由星载用户面UPF功能单元的GTP编码解码器进行协议转换处理得到数据流；
(22)星载用户面UPF功能单元的GTP编码解码器对步骤(21)得到的数据流进行GTP-U的隧道译码处理得到新的数据流；
(23)将步骤(22)中新的数据流经过星上SDAP、PDCP、RLC、MAC层的封装后经过空中接口发送给地面5G终端设备B。
上述部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法中，需要星载用户面UPF功能单元锚点迁移的端到端数据交换的数据处理步骤包括如下步骤：
(31)星Ⅰ上星载处理器硬件平台物理层通过空中无线接口收到来自地面5G终端设备A发来的的数据，经过MAC、RLC、PDCP、SDAP层的解封装后，将SDAP层解析出的数据由星载用户面UPF功能单元的GTP编码解码器进行协议转换处理得到新的数据流；
(32)GTP编码解码器将步骤(31)得到的数据流进行GTP-U隧道编码处理后，通过经过路径的各个卫星的星载用户面UPF功能单元进行数据流转发，经过多跳星间链路承载，将数据流传送到5G终端设备B所在的卫星；
(33)设备B所在的星载用户面UPF功能单元的GTP编码解码器将步骤(32)收到的数据流完成隧道译码处理，然后进行SDAP、PDCP、RLC、MAC层的封装后经过空中无线接口直接发送给地面5G终端设备B，实现数据从终端A到终端B的传输；
(34)若地面5G终端设备A在星Ⅰ覆盖时间内只传输了部分数据，星Ⅰ过境，星Ⅱ开始服务设备A，将触发切换流程，发生星载用户面UPF功能单元锚点迁移；
(35)地面核心网SMF单元根据星历信息通过地面关口站GW向星Ⅱ的星载用户面UPF功能单元建立N4会话，分配隧道信息并下发PDR和FAR的规则使星Ⅱ的星载用户面UPF功能单元可以与星Ⅰ的星载用户面UPF功能单元之间建立N9隧道，将星Ⅱ的星载用户面UPF功能单元通知给星Ⅰ的星载用户面UPF功能单元，控制星Ⅰ的星载用户面UPF功能单元建立N9隧道，建立起承载切换后用户流量的新的用户面路径；
(36)地面5G终端设备A重复步骤(31)-步骤(33)完成剩余数据的发送。
上述部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法中，星载用户面UPF功能单元以容器方式轻量化部署在星载gNB基站上。
上述部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法中，部署方法包括如下步骤：
(41)在星载处理器硬件平台上搭建嵌入式Linux***；
(42)从远程的镜像仓库中拉取Docker镜像，通过拉取的Docker镜像在移植的Linux***内核上创建多个Docker容器；
(43)在Linux***内核上加载适合卫星低功耗环境的轻量级容器编排平台Kubernetes K3S，自动化完成上步部署的多个容器的复制、随时扩展收缩、调度、升级；
(44)采用编排平台Kubernetes K3S在容器中部署5G核心网网络功能虚拟化管理和编排器MANO以及5G核心网网络功能虚拟化协作器NFVO；
(45)以步骤(44)中的编排器MANO和5G核心网网络功能虚拟化协作器NFVO为接口完成5G核心网网元的VNFD定义、模板导入后，由MANO调用K3S编排平台的接口实现核心网网元功能UPF的实例化功能部署。
一种部署UPF的星载gNB基站，包括：星载处理器硬件平台、操作***、GTP编码解码器、星载用户面UPF功能单元和星载gNB基站逻辑单元；其中，星载处理器硬件平台包括CPU和FPGA，实现星载gNB基站功能和星载用户面UPF功能；星载处理器硬件平台对外通过空中无线接口实现与终端的数据交互，通过网络端口实现与互联网的数据交互，对内与操作***、GTP编码解码器、星载用户面UPF功能单元和星载gNB基站逻辑单元相连接；操作***部署在CPU上，实现对所有星载处理器硬件平台和功能单元的控制、管理和调度；GTP编码解码器，具备数据的隧道编解码处理功能；星载用户面UPF功能单元，以容器方式轻量化部署在星载gNB基站上；星载gNB基站逻辑单元，运行在CPU和FPGA处理器上，实现与地面5G基站类似的功能。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明采用星上搭载5G gNB基站，解决星上再生处理，完成地面5G设备对卫星的直接接入，无需地面关口站协议转换，有利于地面5G网络与卫星网络的深度融合，与现有的星上透明转发相比实现上下链路的解耦，提高传输效率；
(2)本发明利用容器技术，使核心网UPF网元可以轻量化部署在星载5G gNB基站上，不仅节省了卫星资源，而且解决了与5G融合后的端到端直接通信问题，数据无需回传到核心网才能实现数据交换，极大降低了传输时延。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明中在5G gNB基站上轻量化部署核心网网元功能UPF的原理示意图；
图2(a)是本发明的实施例中通过落地地面核心网的数据交换数据处理方法的场景示意图；
图2(b)是本发明的部署了UPF的星载5GgNB基站的端到端数据交换的数据处理方法的场景示意图；
图3是本发明的通过落地地面核心网的数据交换数据处理方法的示意图；
图4是本发明的终端位于不同卫星下发生业务交换的需要锚点迁移的端到端数据交换的数据处理方法的示意图；
图5是卫星星载用户面UPF功能单元锚点迁移处理方法的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
5G核心网涉及的主要网元包括接入和移动性管理功能AMF、会话管理功能SMF、用户面功能UPF、认证服务器功能AUSF、策略控制功能PCF、统一数据管理UDM、网络切片选择功能NSSF、网络功能注册功能NRF、网络能力开放功能NEF以及应用功能AF。其中UPF属于用户面，除了UPF之外的5G核心网网元都属于控制面，在星地5G融合网络的框架下，若要实现端到端通信，将UPF网元功能迁移至卫星将是最好的技术途径，但考虑到星上处理器资源的能力受限，必须将地面UPF的计费、Qos等功能裁剪，只保留数据转发功能后置于卫星上。因此，本专利将UPF搭载至卫星5G gNB基站上，完成星地数据处理业务。
图1是本发明中在5G gNB基站上轻量化部署核心网网元功能UPF的原理示意图。如图1所示，该部署UPF的星载gNB基站包括星载处理器硬件平台、操作***、GTP编码解码器、星载用户面UPF功能单元和星载gNB基站逻辑单元。其中，
星载处理器硬件平台包括CPU和FPGA，实现星载gNB基站功能和星载用户面UPF功能。星载处理器硬件平台对外通过空中无线接口实现与终端的数据交互，通过网络端口实现与互联网的数据交互，对内与载荷其他功能单元相连接；操作***，部署在CPU上，实现对所有星载处理器硬件平台和功能单元的控制、管理和调度；GTP编码解码器，具备数据的隧道编解码处理功能；星载用户面UPF功能单元，以容器方式轻量化部署在星载gNB基站上；星载gNB基站逻辑单元，运行在CPU和FPGA处理器上，实现与地面5G基站类似的功能。其功能包括L2层的RLC/MAC，基本的无线资源管理以及无线资源管理的算法实现，以及上层RRC、PDCP、SDAP，无线资源的控制和PDCP、SDAP用户数据的处理。
该部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法包括如下步骤：落地地面核心网的数据交换数据处理方法(如图2(a)所示)和通过星载用户面UPF功能单元实现T2T的直接数据交换数据处理方法(如图2(b)所示)。
落地地面核心网的数据交换数据处理方法包括如下步骤：星地反向链路数据处理步骤和星地前向链路数据处理步骤。
星地反向链路数据处理依次包括如下步骤：
(1)星载处理器硬件平台物理层通过空中无线接口收到来自地面5G终端的数据，经过MAC、RLC、PDCP以及SDAP层的协议解析后，将解析出的数据包由星载5GgNB基站上的GTP编码解码器进行协议转换处理得到新的数据流；
(2)与地面传输不同的是，GTP编码解码器对步骤(1)产生的数据流进行GTP-U隧道编码处理，处理后的数据通过多跳星间链路的承载发送到与目的地面关口站GW连接的卫星，再通过星地馈电接口发送给地面关口站GW；
(3)地面关口站GW对步骤(2)生成的数据，无需解析数据包内容，只需将接收到的数据通过地面光纤网以透明转发形式发送至地面核心网的地面用户面UPF功能单元；
(4)地面核心网的地面用户面UPF功能单元对步骤(3)得到的数据进行GTP-U的隧道解码处理，对解码处理过的数据做QoS、常规计费等，并将由解码处理过的数据产生的管理和状态信息通过地面N4接口传送至地面核心网SMF单元；
(5)地面用户面UPF功能单元通过N6接口将步骤(4)中解码处理过的数据发送到网络侧DN，完成星地反向链路数据处理过程。
星地前向链路数据处理依次包括如下步骤：
(11)网络侧DN通过N6接口将数据发送给地面用户面UPF功能单元；
(12)地面用户面UPF功能单元对接收到的步骤(11)中的数据做QoS、常规计费，并将此数据产生的管理和状态信息通过N4接口传送至核心网SMF单元，并对该数据进行GTP-U的隧道编码处理得到编码后的数据流；
(13)地面核心网的地面用户面UPF功能单元将步骤(12)得到的数据流通过地面光纤网发送给地面关口站GW；
(14)地面关口站GW对步骤(13)中收到的数据流通过星地馈电接口发送给卫星；
(15)星载5GgNB基站上的GTP编码解码器将步骤(14)收到的数据流进行GTP-U隧道译码处理，得到处理后的数据包；
(16)将步骤(15)得到的数据包以星间链路透明承载方式通过若干颗卫星中继传输至目的卫星，目的卫星把收到的数据包通过星地空中无线接口发送给地面5G设备，完成星地前向链路数据处理。
T2T的直接数据交换数据处理方法包括两个5G终端在同一颗星下发生业务交换且业务持续时间小于卫星覆盖时长和两终端不在同一颗星覆盖范围下发生业务交换且业务持续时间超过卫星覆盖时长，即本地星下T2T直接数据交换数据处理方法和需要星载UPF锚点迁移的T2T数据交换数据处理方法。
终端间要实现T2T交换，需要将地面5G核心网的用户面UPF功能搬至星上，但是考虑到卫星本身资源受限，为适应星上有限算力，需将地面UPF功能进行简化，只保留其GTP-U协议的封装及解封装功能以及分组转发功能，去除数据流QoS处理、流量使用监控、策略控制和计费功能。同时采用容器化部署方式实现简化的UPF功能上星，具体部署方式如下：
(41)在星载处理器硬件平台上搭建嵌入式Linux***，实现Linux***内核在ARM处理器平台上的移植；
(42)从远程的镜像仓库中拉取Docker镜像，通过拉取的Docker镜像在移植的Linux***内核上创建多个Docker容器，这些容器共享Linux操作***并且相互隔离；
(43)在Linux***内核上加载适合卫星低功耗环境的轻量级容器编排平台Kubernetes K3S，自动化完成上步部署的多个容器的复制、随时扩展收缩、调度、升级等，由k3s对硬件资源进行统一管理并提供容器间的负载均衡；
(44)采用K3S编排平台在容器中部署5G核心网网络功能虚拟化管理和编排器MANO以及5G核心网网络功能虚拟化协作器NFVO，支持5G核心网网元的实例化部署；
(45)以步骤(44)中的MANO和NFVO为接口完成5G核心网网元的VNFD定义、模板导入后，由MANO调用K3S编排平台的接口实现核心网网元功能UPF的实例化功能部署。
通过星载用户面UPF功能单元实现T2T的直接数据交换数据处理方法包括本地星下T2T直接数据交换数据处理步骤和需要星载用户面UPF功能单元锚点迁移的端到端数据交换的数据处理步骤。
本地星下T2T直接数据交换数据处理方法依次包括如下步骤：
(21)星载处理器硬件平台物理层通过空中无线接口收到来自地面5G终端设备A发来的数据，经过MAC、RLC、PDCP、SDAP层的协议解析后，将解析出的数据包由星载用户面UPF功能单元的GTP编码解码器进行协议转换处理得到新的数据流；
(22)星载用户面UPF功能单元的GTP编码解码器对步骤(1)得到的数据流进行GTP-U的隧道译码处理得到新的数据流；
(23)将步骤(22)中得到的数据流经过星上SDAP、PDCP、RLC、MAC层的封装后经过空中接口发送给地面5G终端设备B，实现数据从终端A到终端B的传输；
(24)同样，终端B完成(21)-(23)步实现数据从终端B到终端A的传输。
需要星载用户面UPF功能单元锚点迁移的端到端数据交换的数据处理方法包括以下步骤：
(31)星Ⅰ上星载处理器硬件平台物理层通过空中无线接口收到来自地面5G终端设备A发来的的数据，经过MAC、RLC、PDCP、SDAP层的解封装后，将SDAP层解析出的数据由星载用户面UPF功能单元的GTP编码解码器进行协议转换处理得到新的数据流；
(32)GTP编码解码器将步骤(31)得到的数据流进行GTP-U隧道编码处理后，通过经过路径的各个卫星的星载用户面UPF功能单元进行数据流转发，经过多跳星间链路承载，将数据流传送到5G终端设备B所在的卫星；
(33)设备B所在的星载用户面UPF功能单元的GTP编码解码器将步骤(32)收到的数据流完成隧道译码处理，然后进行SDAP、PDCP、RLC、MAC层的封装后经过空中无线接口直接发送给地面5G终端设备B，实现数据从终端A到终端B的传输；
(34)若地面5G终端设备A在星Ⅰ覆盖时间内只传输了部分数据，星Ⅰ过境，星Ⅱ开始服务设备A，将触发切换流程，发生星载用户面UPF功能单元锚点迁移；
(35)地面核心网SMF根据星历信息通过地面关口站GW向星Ⅱ的星载用户面UPF功能单元建立N4会话，分配隧道信息并下发PDR和FAR等规则使星Ⅱ的星载用户面UPF功能单元可以与星Ⅰ的星载用户面UPF功能单元之间建立N9隧道，将星Ⅱ的星载用户面UPF功能单元通知给星Ⅰ的星载用户面UPF功能单元，控制星Ⅰ的星载用户面UPF功能单元建立N9隧道，建立起承载切换后用户流量的新的用户面路径。
(36)地面5G终端设备A重复(31)-(33)步完成剩余数据的发送；
(37)若地面5G终端设备A数据未发送完成又切换了服务卫星，则重复步骤(35)和步骤(36)完成星载用户面UPF功能单元的锚点迁移及剩余数据传输。
(38)同样，终端B完成(31)-(37)步实现数据从终端B到终端A的传输。
如图1所示，包括星载处理器硬件平台、linux操作***、容器编排工具，通过轻量化部署方式将核心网网元功能UPF部署在卫星星载5GgNB基站上。首先在多个星载处理器硬件平台上搭建嵌入式Linux***，实现Linux***内核在星载处理器硬件平台上的移植；通过拉取Docker镜像在移植的Linux***内核上创建多个Docker容器；通过加载轻量级容器编排平台Kubernetes K3S在Linux***内核上完成多个容器的复制、收缩、调度和升级；利用K3S在容器中部署5G核心网网络功能虚拟化管理和编排器MANO以及5G核心网网络功能虚拟化协作器NFVO，由MANO调用K3S的接口实现核心网网元功能UPF在容器中的实例化部署。
实施例1：
1)星载处理器硬件平台物理层通过空中无线接口收到来自地面5G终端的数据，经过MAC、RLC、PDCP以及SDAP层的协议解析后，将解析出的数据包由星载5GgNB基站上的GTP编码解码器进行协议转换处理得到新的数据流；
2)与地面传输不同的是，地面关口站GW对步骤2)生成的数据，无需解析数据包内容，只需将接收到的数据通过地面光纤网以透明转发形式发送至地面核心网的地面用户面UPF功能单元；
3)地面关口站GW无需解析数据包内容，只需将接收到的数据通过地面光纤网以透明转发形式发送至地面核心网；
4)地面核心网的地面用户面UPF功能单元对步骤3)得到的数据进行GTP-U的隧道解码处理，对解码处理过的数据做QoS、常规计费等，并将由解码处理过的数据产生的管理和状态信息通过地面N4接口传送至地面核心网SMF单元；
5)地面用户面UPF功能单元通过N6接口将步骤4)中解码处理过的数据发送到网络侧DN，完成星地反向链路数据处理过程。
实施例2：
1)星Ⅰ上星载处理器硬件平台物理层通过空中无线接口收到来自地面5G终端设备A发来的的数据，经过MAC、RLC、PDCP、SDAP层的解封装后，将SDAP层解析出的数据由星载用户面UPF功能单元的GTP编码解码器进行协议转换处理得到新的数据流；
2)GTP编码解码器将步骤1)得到的数据流进行GTP-U隧道编码处理后，通过经过路径的各个卫星的星载用户面UPF功能单元进行数据流转发，经过多跳星间链路承载，将数据流传送到5G终端设备B所在的卫星；
3)设备B所在的星载用户面UPF功能单元的GTP编码解码器将步骤2)收到的数据流完成隧道译码处理，然后进行SDAP、PDCP、RLC、MAC层的封装后经过空中无线接口直接发送给地面5G终端设备B，实现数据从终端A到终端B的传输；
4)若地面5G终端设备A在星Ⅰ覆盖时间内只传输了部分数据，星Ⅰ过境，星Ⅱ开始服务设备A，将触发切换流程，发生星载用户面UPF功能单元锚点迁移；
5)地面核心网SMF根据星历信息通过地面关口站GW向星Ⅱ的星载用户面UPF功能单元建立N4会话，分配隧道信息并下发PDR和FAR等规则使星Ⅱ的星载用户面UPF功能单元可以与星Ⅰ的星载用户面UPF功能单元之间建立N9隧道，将星Ⅱ的星载用户面UPF功能单元通知给星Ⅰ的星载用户面UPF功能单元，控制星Ⅰ的星载用户面UPF功能单元建立N9隧道，建立起承载切换后用户流量的新的用户面路径。
6)地面5G终端设备A重复1)-3)步完成剩余数据的发送；
7)若地面5G终端设备A数据未发送完成又切换了服务卫星，则重复步骤5)6)完成星载用户面UPF功能单元的锚点迁移及剩余数据传输。
8)同样，终端B完成1)-7)步实现数据从终端B到终端A的传输。
本实施例中，一方面，地面5G gNB基站搭载至卫星上，在星上直接做再生处理，实现了地面5G网络及卫星网络的接入一体化融合；另一方面，5G核心网的用户面功能网元UPF通过容器方式实现星载轻量化部署，不仅节省卫星资源，而且降低了终端端到端通信时延，使网络实现了去中心化。
本发明采用星上搭载5G gNB基站，解决星上再生处理，完成地面5G设备对卫星的直接接入，无需地面关口站协议转换，有利于地面5G网络与卫星网络的深度融合，与现有的星上透明转发相比实现上下链路的解耦，提高传输效率；本发明利用容器技术，使核心网UPF网元可以轻量化部署在星载5G gNB基站上，不仅节省了卫星资源，而且解决了与5G融合后的端到端直接通信问题，数据无需回传到核心网才能实现数据交换，极大降低了传输时延。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
落地地面核心网的数据交换数据处理方法和通过星载用户面UPF功能单元实现T2T的直接数据交换数据处理方法。
2.根据权利要求1所述的部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法，其特征在于：落地地面核心网的数据交换数据处理方法包括如下步骤：星地反向链路数据处理步骤和星地前向链路数据处理步骤。
3.根据权利要求2所述的部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法，其特征在于：所述星地反向链路数据处理步骤包括如下步骤：
(1)星载处理器硬件平台物理层通过空中无线接口收到来自地面5G终端的数据，经过MAC、RLC、PDCP以及SDAP层的协议解析后，将解析出的数据包由星载5GgNB基站上的GTP编码解码器进行协议转换处理得到新的数据流；
(2)GTP编码解码器对步骤(1)产生的数据流进行GTP-U隧道编码处理，处理后的数据通过多跳星间链路的承载发送到与目的地面关口站GW连接的卫星，再通过星地馈电接口发送给地面关口站GW；
(3)地面关口站GW将步骤(2)生成的数据通过地面光纤网以透明转发形式发送至地面核心网的地面用户面UPF功能单元；
(4)地面核心网的地面用户面UPF功能单元对步骤(3)得到的数据进行GTP-U的隧道解码处理，对解码处理过的数据做QoS、常规计费，并将由解码处理过的数据产生的管理和状态信息通过地面N4接口传送至地面核心网SMF单元；
(5)地面用户面UPF功能单元通过N6接口将步骤(4)中解码处理过的数据发送到网络侧DN。
4.根据权利要求2所述的部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法，其特征在于：所述星地前向链路数据处理步骤包括如下步骤：
(11)网络侧DN通过N6接口将第二数据发送给地面用户面UPF功能单元；
(12)地面用户面UPF功能单元对接收到的步骤(11)中的第二数据做QoS、常规计费，并将第二数据产生的管理和状态信息通过N4接口传送至核心网SMF单元，并对第二数据进行GTP-U的隧道编码处理得到编码后的数据流；
(13)地面核心网的地面用户面UPF功能单元将步骤(12)得到的编码后的数据流通过地面光纤网发送给地面关口站GW；
(14)地面关口站GW对步骤(13)中收到的编码后的数据流通过星地馈电接口发送给卫星；
(15)星载5GgNB基站上的GTP编码解码器将步骤(14)收到的编码后的数据流进行GTP-U隧道译码处理，得到处理后的数据包；
(16)将步骤(15)得到的数据包以星间链路透明承载方式通过若干颗卫星中继传输至目的卫星，目的卫星把收到的数据包通过星地空中无线接口发送给地面5G设备，完成星地前向链路数据处理。
5.根据权利要求1所述的部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法，其特征在于：通过星载用户面UPF功能单元实现T2T的直接数据交换数据处理方法包括本地星下T2T直接数据交换数据处理步骤和需要星载用户面UPF功能单元锚点迁移的端到端数据交换的数据处理步骤。
6.根据权利要求5所述的部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法，其特征在于：所述本地星下T2T直接数据交换数据处理步骤包括如下步骤：
(21)星载处理器硬件平台物理层通过空中无线接口收到来自地面5G终端设备A发来的数据，经过MAC、RLC、PDCP、SDAP层的协议解析后，将解析出的数据包由星载用户面UPF功能单元的GTP编码解码器进行协议转换处理得到数据流；
(22)星载用户面UPF功能单元的GTP编码解码器对步骤(21)得到的数据流进行GTP-U的隧道译码处理得到新的数据流；
(23)将步骤(22)中新的数据流经过星上SDAP、PDCP、RLC、MAC层的封装后经过空中接口发送给地面5G终端设备B。
7.根据权利要求5所述的部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法，其特征在于：需要星载用户面UPF功能单元锚点迁移的端到端数据交换的数据处理步骤包括如下步骤：
(31)星Ⅰ上星载处理器硬件平台物理层通过空中无线接口收到来自地面5G终端设备A发来的的数据，经过MAC、RLC、PDCP、SDAP层的解封装后，将SDAP层解析出的数据由星载用户面UPF功能单元的GTP编码解码器进行协议转换处理得到新的数据流；
(32)GTP编码解码器将步骤(31)得到的数据流进行GTP-U隧道编码处理后，通过经过路径的各个卫星的星载用户面UPF功能单元进行数据流转发，经过多跳星间链路承载，将数据流传送到5G终端设备B所在的卫星；
(33)设备B所在的星载用户面UPF功能单元的GTP编码解码器将步骤(32)收到的数据流完成隧道译码处理，然后进行SDAP、PDCP、RLC、MAC层的封装后经过空中无线接口直接发送给地面5G终端设备B，实现数据从终端A到终端B的传输；
(34)若地面5G终端设备A在星Ⅰ覆盖时间内只传输了部分数据，星Ⅰ过境，星Ⅱ开始服务设备A，将触发切换流程，发生星载用户面UPF功能单元锚点迁移；
(35)地面核心网SMF单元根据星历信息通过地面关口站GW向星Ⅱ的星载用户面UPF功能单元建立N4会话，分配隧道信息并下发PDR和FAR的规则使星Ⅱ的星载用户面UPF功能单元可以与星Ⅰ的星载用户面UPF功能单元之间建立N9隧道，将星Ⅱ的星载用户面UPF功能单元通知给星Ⅰ的星载用户面UPF功能单元，控制星Ⅰ的星载用户面UPF功能单元建立N9隧道，建立起承载切换后用户流量的新的用户面路径；
(36)地面5G终端设备A重复步骤(31)-步骤(33)完成剩余数据的发送。
8.根据权利要求5所述的部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法，其特征在于：星载用户面UPF功能单元以容器方式轻量化部署在星载gNB基站上。
9.根据权利要求8所述的部署UPF的星载gNB基站的数据处理方法，其特征在于：部署方法包括如下步骤：
(41)在星载处理器硬件平台上搭建嵌入式Linux***；
(42)从远程的镜像仓库中拉取Docker镜像，通过拉取的Docker镜像在移植的Linux***内核上创建多个Docker容器；
(43)在Linux***内核上加载适合卫星低功耗环境的轻量级容器编排平台KubernetesK3S，自动化完成上步部署的多个容器的复制、随时扩展收缩、调度、升级；
(44)采用编排平台Kubernetes K3S在容器中部署5G核心网网络功能虚拟化管理和编排器MANO以及5G核心网网络功能虚拟化协作器NFVO；
(45)以步骤(44)中的编排器MANO和5G核心网网络功能虚拟化协作器NFVO为接口完成5G核心网网元的VNFD定义、模板导入后，由MANO调用K3S编排平台的接口实现核心网网元功能UPF的实例化功能部署。
10.一种部署UPF的星载gNB基站，其特征在于包括：星载处理器硬件平台、操作***、GTP编码解码器、星载用户面UPF功能单元和星载gNB基站逻辑单元；其中，
星载处理器硬件平台包括CPU和FPGA，实现星载gNB基站功能和星载用户面UPF功能；星载处理器硬件平台对外通过空中无线接口实现与终端的数据交互，通过网络端口实现与互联网的数据交互，对内与操作***、GTP编码解码器、星载用户面UPF功能单元和星载gNB基站逻辑单元相连接；
操作***部署在CPU上，实现对所有星载处理器硬件平台和功能单元的控制、管理和调度；
GTP编码解码器，具备数据的隧道编解码处理功能；
星载用户面UPF功能单元，以容器方式轻量化部署在星载gNB基站上；
星载gNB基站逻辑单元，运行在CPU和FPGA处理器上，实现与地面5G基站类似的功能。
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