【卫星通信】Skylo与ViaSat标准建议详解：基于NB-IoT NTN通过GEO卫星实现IMS语音通话的解决方案
引言
在2025年5月于日本福冈召开的3GPP SA WG2第169次会议上，Skylo Technologies与ViaSat联合提交了一项提案（文档编号：S2-2504596），旨在解决FS_5GSAT_Ph4_ARC中提出的四个关键问题（KI#1-4）。该提案聚焦于通过地球同步轨道（GEO）卫星在窄带物联网非陆地网络（NB-IoT NTN）接入EPC（演进分组核心网）场景下，如何高效支持IP多媒体子系统（IMS）语音通话及相关服务质量（QoS）需求。作为卫星通信领域的里程碑提案，其核心目标是构建一种基于用户平面非IP数据交付（UP NIDD）回退机制的端到端解决方案，以优化卫星链路中的资源利用效率并保障语音通话的可靠性。
一、关键问题与技术挑战
关键问题1：卫星场景下的IMS语音通话支持
该问题聚焦于在GEO卫星连接EPC网络的环境下，确定支持NB-IoT NTN IMS语音服务所需的系统增强措施。核心挑战包括：
- 高时延与带宽限制：GEO卫星链路通常具有800-1000ms的往返时延，且NB-IoT的可用带宽仅为180kHz，导致传输效率受限。
- QoS保障：如何在资源受限的场景下通过NB-IoT为语音流量分配合理的QoS参数（如QCI值），确保通话质量达标。
关键问题2：IMS协议对NB-IoT NTN的适配优化
根据3GPP TS 22.261标准要求，需满足特定的数据速率及呼叫建立时间。该问题的核心研究方向包括：
- IMS协议栈简化：传统基于SIP的IMS信令流程中，INVITE请求、180振铃、200 OK响应及ACK确认等步骤需多次往返，导致高信令开销（单次约500-1500字节）。
- 设备复杂度优化：NB-IoT终端通常缺乏完整的SIP栈支持能力，需探索轻量化方案以降低设备实现难度。
关键问题3：紧急呼叫支持
根据TS 22.261（用户设备定位要求）和TS 22.101（紧急服务通用需求），提案需确保：
- 紧急呼叫优先级：在卫星链路中为紧急呼叫分配独立资源保障。
- 流程合规性：确保紧急呼叫的拨号、路由及位置传递符合当前陆地网络的协议规范。
关键问题4：紧急呼叫的定位服务
需解决如何在NB-IoT NTN场景下实现符合监管要求的高精度终端定位，具体包括：
- 位置信息传递机制：通过卫星链路可靠地传输终端GPS坐标或其他定位数据。
- 最小时延限制：定位信息需在紧急呼叫建立阶段同步完成，避免额外延迟。
二、解决方案的高层架构
1. 信令与媒体DRB分离
提案建议在无线接入网络（RAN）中为信令与媒体流量分配独立的数据无线承载（DRB）。这一设计基于以下考量：
- 差异化QoS处理：语音媒体需严格的抖动与时延控制，而信令流量需确保可靠性。
- 资源分配优化：独立DRB可支持卫星资源的差异化调度（如为语音包分配更高优先级）。
- 与IMS架构兼容：与IMS网络将信令与媒体分离的传统设计保持一致，简化网络侧流量管理。
2. 用户平面NIDD与UP CIoT EPS优化
针对NB-IoT NTN的带宽瓶颈，提案采用用户平面非IP数据交付（UP NIDD）结合CIoT EPS优化机制，具体优势如下：
-
协议开销显著降低：
通过对比表可以看出，传统IPv4流程总开销高达46字节，而UP NIDD仅需5字节（表1）。这一优化对短时突发的信令消息（如SIP分段）尤为重要。表1 数据传输协议开销对比（以字节为单位）
协议层 IPv4 RoHC UP NIDD RTP 12 0 0 UDP 8 0 0 IP 20 0 0 PDCP 1 1 1 RRC 1 1 1 NAS 2 2 1 RLC 2 1 1 MAC BSR 1 1 1 总计 46 7 5 -
避免SIP栈依赖：UP NIDD可通过SCC-AS（服务集中与连续性应用服务器）间接完成IMS信令交互，避免在NB-IoT终端（如可穿戴设备）中部署完整的SIP客户端。
3. IMS服务集中化架构与I1协议
为进一步降低终端复杂度，提案引入3GPP标准中的I1协议（定义于TS 24.294）实现IMS会话建立。关键特性包括：
- 轻量化报头（仅7字节）：相比传统SIP的数百字节开销，大幅缩短传输时间。
- 跨网络兼容性：支持电路交换（CS）与受限带宽场景（如卫星链路）的IMS服务控制，可无缝适配NIDD接入。
- 现有标准复用：依托已部署的SCC-AS架构，无需网络侧重大改造即可支持卫星场景。
三、技术细节与架构实现
整体架构
提案提出如图1所示的系统架构，核心组件包括：
- 终端：通过NB-IoT NTN接入GEO卫星，启用UP NIDD并经由I1协议与SCC-AS交互。
- NTN-RAN：负责DRB分离及卫星链路资源调度，向核心网映射不同QCI等级的流量。
- SGW/PDN-GW：处理用户平面数据路由，确保UP NIDD消息的透明传输。
- IMS网络：SCC-AS通过I1协议控制会话，P-CSCF/S-CSCF处理媒体路径绑定及VoIP编解码协商。
- EPC计费与策略：基于QCI值的差异化策略（如紧急呼叫优先级准入控制）。
QoS实现方案
针对NB-IoT不支持专用承载的特性，提案建议：
- QCI值映射：定义专用APN下的默认承载QCI值（如QCI=1），该值对应参数应优化时延容忍度及丢包率阈值。
- 策略与计费控制（PCRF）：通过动态策略调整（如带宽预留）补偿高时延场景下的资源竞争问题。
- 网络侧调度优化：在NTN-RAN中为高优先级DRB（如语音媒体）分配更频繁的资源块（RB）。
四、呼叫流程
通过 NB-IoT NTN 和 GEO 卫星建立 IMS 语音通话（包括主叫、被叫、紧急呼叫）的端到端信令流程，具体如下：
主叫流程（MO Call Procedures）
-
终端附着与 APN 配置
- 终端通过
Attach Request请求附着，指示其支持通过 UP NIDD 回退实现 IMS 语音服务（GEO 卫星接入）。 - 在默认承载建立过程中，RAN 为 IMS 信令（I1 协议）分配独立 DRB。
- 终端通过
-
IMS 注册
- MSC Server（支持 ICS）触发 IMS 注册流程，确保终端可访问 IMS 核心网。
-
默认承载建立
- 建立 RTP 媒体会话的默认承载，应用第 6.X.2.2 节定义的 QoS 机制（如低时延容忍度与丢包率阈值）。
-
呼叫建立
- 终端通过 I1 协议 发送
ICS Call Initiation Request包含被叫方地址（UE-B）。 - SCC-AS 生成 SCC AS PSI DN 并发送至终端，随后通过 B2BUA（Back-to-Back User Agent）终止终端信令，向 IMS 核心网发起 SIP
INVITE请求，完成媒体会话绑定与编解码协商。 - 媒体会话在 UE-A 与 UE-B 间建立，数据经由 MGW（媒体网关）透明传输。
- 终端通过 I1 协议 发送
被叫流程（MT Call Procedures）
-
终端附着与 IMS 注册
- 流程与主叫流程前几步一致（步骤 0-4），完成终端附着与 IMS 注册。
-
SIP 呼叫接收
- IMS 核心网（如 S-CSCF）将 SIP
INVITE请求转发给 SCC-AS。 - SCC-AS 向终端发送
Incoming Call Request，指示其建立 NIDD UP 承载以承载 RTP 媒体流。
- IMS 核心网（如 S-CSCF）将 SIP
-
媒体承载建立
- 终端通过 NIDD UP 协议建立 RTP 媒体会话承载，MGW 完成编解码协商或转码。
-
寻呼与应答
- 终端向 SCC-AS 发送
I1 ALERT（对应 SIP180 Ringing）及I1 SUCCESS（对应 SIP200 OK），最终完成会话建立。
- 终端向 SCC-AS 发送
紧急呼叫流程（Emergency Call Procedures）
定义了 NB-IoT NTN 终端如何通过 GEO 卫星发起 IMS 紧急呼叫，并确保符合 TS 22.261 和 TS 22.101 的监管要求。关键流程如下：
-
紧急呼叫检测
- SCC-AS 检测到终端通过 NIDD-UP 发送的 I1 初始消息 中包含紧急服务指示，或基于拨号的紧急号码（如 112）。
-
匿名紧急呼叫处理
- 若本地法规允许匿名紧急呼叫（如公共安全场景），SCC-AS 跳过 IMS 注册 流程，直接向 IMS 核心网 E-CSCF 发送匿名紧急会话请求，使用预配置或临时匿名标识。
-
eCall 指示与数据传递
- 若终端在 I1 信令中携带 eCall 标识（如特殊信息元素），SCC-AS 在 SIP
INVITE中向 E-CSCF 添加 IMS eCall 指示，并通过 用户平面 NIDD 媒体承载 传输最低紧急数据集（MSD，如车辆位置、碰撞信息）。 - MSD 数据在 UE 到 PSAP（公共安全应答点）间 端到端透明传输，保持终端生成的原始格式。
- 若终端在 I1 信令中携带 eCall 标识（如特殊信息元素），SCC-AS 在 SIP
-
无注册终端处理
- 对未完成 IMS 逻辑注册的终端（仅建立 NIDD 承载），SCC-AS 采用后备行为：
- 使用预配置的紧急处理机制或默认服务逻辑路由呼叫。
- 对未完成 IMS 逻辑注册的终端（仅建立 NIDD 承载），SCC-AS 采用后备行为：
-
定位服务支持
- 终端的地理位置（如 GPS 坐标）通过 NB-IoT NTN 与 GEO 卫星链路传输，确保符合监管要求（如 TS 22.261 用户设备定位需求）。
五、行业影响与未来演进
潜在优势
- 终端轻量化：免除SIP栈需求，降低NB-IoT设备成本与功耗。
- 应急通信增强：通过卫星覆盖偏远地区，填补传统陆地网络盲区。
- 协议兼容性：复用现有IMS架构，降低运营商部署门槛。
可能挑战
- 多普勒效应补偿：GEO卫星的固定轨道可能引入频率偏移，需在物理层增加校正机制。
- 门限管理复杂度：共享卫星信道下需精细控制并发通话数量，避免信令拥塞。
- 与NGSO系统兼容性：低轨（LEO）卫星场景的动态IP及切换需求可能需扩展I1协议定义。
演进方向
- NGSO支持扩展：研究I1协议在非GEO卫星（如星链）中的适用性。
- AI驱动的资源分配：利用机器学习预测终端位置与流量特征，动态优化卫星资源。
- 多接入边缘计算（MEC）集成：在卫星网关侧部署MEC节点以降低时延敏感业务处理时延。
六、结论
Skylo与ViaSat的提案通过清晰的技术分层与创新性协议设计（如I1与UP NIDD结合），为卫星场景下的IMS语音服务设立了新基准。其核心贡献在于平衡了协议效率、终端复杂度与网络兼容性，为5G-Advanced及6G的天地一体化网络架构提供了可复用的实践经验。下一步的工作应聚焦于解决非地球同步轨道卫星的动态特性适配问题，同时推动相关3GPP标准的同步更新以支持大规模商用部署。