20字中文标题：5G网络中的卫星链路与服务集成问题

为了获得的目的图卢兹大学博士学位发布人：图卢兹国立理工学院（图卢兹INP）学科或专业：计算机与电信提交人和支持人：M. Youssouf Drif于2022年7月13日星期三标题：5G网络中的"网络切片"：将卫星链路与服务连续性相集成博士学校：图卢兹数学、计算机科学、电信（MITT）研究单位：图卢兹计算机科学研究所（IRIT）论文主任：M.艾曼纽·查普特M.艾曼纽·拉维纳报告员：M. TOUFIK AHMED，波尔多大学评审团成员：ANNE FLADENMULLER女士，索邦大学，校长M. Emmanuel Chaput，图卢兹INP，成员M. Emmanuel Lavinal，图卢兹第三大学，成员M. 法布里斯·阿纳尔，泰勒斯·阿莱尼亚空间，嘉宾：Géraldine Texier女士，IMT ATLANTIQUE，成员M. OLIVIER GREMILLET，IRT圣埃克苏佩里，特邀嘉宾M. Pascal Berthou，图卢兹第三大学，成员i摘要低地球轨道巨型星座的出现和卫星技术的最新进展正在降低卫星连接的成本，并降低工程竞争力。随着连接速度达到Gbps，每个终端的延迟时间低于40毫秒，卫星网络正在实现前所未有的性能。它们主要设计为提供与终端用户的连接，但也可以与现有网络集成卫星-小型网络的一个有希望的用例是将其集成到5G网络中。 5G移动网络正在部署，并提供多种异构服务。 它们是4G网络的演进，并在其定义中集成了网络切片的创新概念，允许为特定服务部署定制的端到端网络连接。这些连接中的每一个都被实例化在单个物理网络基础设施的顶部，这允许资源的集中和它们的使用的更好的优化。无休止的网络切片引入了许多必须解决的问题和挑战。其中一个挑战是在满足服务需求的同时，整合传输网络，弥合无线接入和5G核心网络之间的差距。本文的目的是表明，通过将软件定义的网络和网络功能虚拟化技术以及网络切片技术结合起来，有可能统一卫星和5G网络，或加快5G网络的部署并提高其容量。在此背景下，我们提出了一种新的卫星架构，该架构支持网络工作切片，并在控制平面和数据平面中集成组件，以确保端到端服务的连续性。这一贡献是在一个开源和可扩展的实验平台上验证的，该平台已经测试了5G切片部署、集成卫星链路的不同场景。关键词：软件定义网络、网络融合虚拟化、网络切片、5G、非地面网络。ii.iii摘要L’avènement 凭借高达Gbps的连接速度和每个终端不到40毫秒的延迟，卫星网络正在实现前所未有的性能。它们主要用于为最终用户提供连接，但也可以与现有网络集成卫星网络的一个有前途的用例是将其集成到5G网络中。第五代移动网络正在部署中，并提供多种异构服务它们是这些连接中的每一个都必须在单个物理网络基础架构上进行实例化，从而实现资源的共享并更好地然而，其中一个挑战是在满足服务要求的同时，整合连接无线接入和5G核心网络的传输网络。 在此背景下，我们提出了一种创新的卫星架构，该架构支持网络切片，并将组件集成到控制平面和数据平面中，以确保端到端服务的连续性。这一贡献在一个开放和可扩展的实验平台上得到了验证，在该平台上测试了通过卫星链路部署5G切片的各种场景。关键词：软件定义网络、网络通量虚拟化、网络切片、5G、非地面网络。v谢谢你本论文是在SUPER-G项目的合作背景下进行的，涉及多个利益相关者。 这是一次非常有益的职业和人类冒险，让我发现了学术和工业世界，最重要的是，成长。 在这封电子邮件中，我想感谢每一个使这项工作成为可能并帮助我们走过这条漫长道路的人。首先，感谢论文评审团的成员，详细分析了我的工作的报告员Toufik Ahmed和Guillaume Urvoy-Keller，非常感谢所有支持和支持我的感谢您的建议、精神支持和耐心。 这三年让我在你身边学到了很多东西，培养了被忽视太久的技能。我带着更大的信心离开了，对学术生态系统及其科学贡献有了更丰富的看法，并为我的进一步工作奠定了坚实的基础。在论文开始之前，你给了我很大的支持，我不会忘记这一点。伊曼纽尔·L.，也感谢您的指导、耐心和明智的建议。很高兴能和你一起写这篇论文，你帮助我实现了一个人生目标，我在技术和写论文方面真的很开心你相信我的能力，并推动我提供高质量的工作与意想不到的技术成就感谢Pascal的明智建议和良好的幽默感，我们关于研究的讨论，我们的放松时刻，让我恢复活力，重新开始你通过确保学术界和工业界之间的良好凝聚力，为论文带来了一定的和谐 你敏锐的眼光让我质疑自己，改进了我的工作，今天我的工作是成功的。非常感谢鲍里斯，他从我最后的实习开始就一直跟着我，一直陪着我到现在，不管我们的意愿如何，这条路有时会有雾，但我们已经到达了那里。你是这篇论文及其成果的核心要素就像其他人一样，你在关键时刻支持我，帮助我克服我遇到的邪教挑战。感谢Fabrice根据您的长期经验提供的务实建议，这最后，非常感谢Olivier，感谢您非凡的善良和每天的好心情。 如果不是你每天都在那里分享我们所有的时刻，结果肯定会有所不同。非常感谢IRT的同事卡里姆，六菲利普五世，Tanissia、Ahmad、Laure、Michel和Jean-Michel，感谢他们在我工作 期 间 的 共 同 努 力 和 帮 助 感 谢 IRIT实验室RMESS团队的所有成员：André-Luc、Gentian、Riadh、Béa-trice、Jérôme、Katia、Jullien、Jean-Luc和Sylvie感谢我的办公室同事贾斯汀和罗曼，我会保留与你的虚拟现实党和完全爆发的笑话，可能会来这里和那里忘记冒名顶替者综合症，击中我们。特别要提到你贾斯汀和你的最后一分钟救援感谢凯文和穆罕默德，我们与他们分享了美味的饭菜，并解决了一些社会工程的挑战非常感谢所有的博士生Dorin，Oana，Firmin，Chaïma，Elene，Amal，Akash，Adrien和Chaïma，他们同时完成了他们的论文，我们与他们并肩作战。 我还要感谢路易斯和泰奥，我在这篇论文中指导了他们，他们为这座大厦做出了贡献，让我在我的结果中得到了安慰。感谢我的整个家庭Djamila，Houda，Khadija，Imenne和Ali以你们自己的方式给予的支持。如果没有你，这三年就很难坚持下去谢谢你，Ibtissam，谢谢你每天的支持，如果没有你，这篇论文的结尾会比现在更有挑战性最后，我要感谢Roufia，Ibrahim，Hafsa，Assiya，Youssouf和我的朋友Loïc，Thomas，Mohamed S.，哈立德，哈基姆，梅赞。这项工作材料表引言115G网络和卫星71.1支持5G8的技术进步1.1.1软件定义网络（SDN）81.1.2网络功能虚拟化（NFV）101.2第五代网络141.2.1L’émergence de nouveaux services dans les réseaux1.2.25G15的新功能1.2.3基于服务的体系结构151.2.4L’accès radio en 5G1.3卫星网络241.3.1L’architecture broadband1.3.2卫星网络的技术发展251.3.3宽带巨型星座261.4L’intégration des réseaux 5G et satellites1.4.1L’utilisation des réseaux satellites en réseau d’accès 5G1.4.2L’intégration du segment satellite dans les réseaux 5G1.5结论312网络切片332.1向网络切片的融合342.1.1网络中的新服务342.1.2初步工作352.1.3在不同的组织中考虑到这一概念。352.1.4榜样372.1.5体系结构和编排392.1.6控制计划422.1.7数据计划432.1.8参考文件442.2网络切片47的功能2.2.1切片网络的属性472.2.2相关挑战502.3结论553迈向支持网络切片的卫星架构573.1卫星网络的网络切片583.2卫星资源的分配593.3卫星基础设施的共享623.4更灵活的卫星架构63x目录3.4.1网关卫星633.4.2卫星核心网络653.5管理和编排Slice Satellite66网络3.5.1网络切片卫星的角色模型673.5.2卫星管理系统683.5.3切片管理系统703.6结论7145G73中NTN的网络切片4.1整合的主要阶段4.2L’interface entre les systèmes de gestion4.3切片之间互连级别的定义4.4切片连续性和QoS794.4.1切片连续性建模和QoS794.4.2数据平面中的切片分类器824.4.3QoS84参数的动态交换4.4.4功能性端到端体系结构854.5结论885切片和QoS91的连续性5.1开发5.1.1我们的需求925.1.2现有平台925.1.3评估和平台选择5.2用于网络切片的容器网格945.2.1L’architecture dela plateforme5.2.2功能要素965.2.3我们实验的基础985.3评估我们的"切片感知NTN"提案5.3.1场景1005.3.2实验验证1015.3.3绩效评估1035.3.4结论108结论和展望109A 新无线电112的5G频段A.1 频率范围2>= 24 GHz112B COMETS113平台B.1 场景配置文件113B.2 一般情况114B.3 场景的生命周期117目录xiC IPerf 118应用程序服务器C.1 配置IPerf118客户端和服务器D 切片分类器120D.1 数据结构120D.2 队列配置D.3 运行时122D.3.1启动运行时122D.3.2新会话PDU123定义125首字母缩略词128图表1.1SDN体系结构[7]81.2从1.3ETSI NFV MANO12框架1.4采用CUPS的4G架构[42]161.5基于服务的5G架构 [3]171.6将gNB分离为CU和DU [44]201.7Cloud-RAN21的协议栈分离1.8Cloud-RAN22架构1.9O-RAN22架构1.10 宽带24卫星架构1.11 卫星网络在5G中的集成模式2.1使用不同切片划分2.2NGMN36提出的网络切片概念2.35G中的榜样[40]382.45G网络切片的关系模型[103]392.5GSMA GST和服务配置文件之间的关系[104]402.63GPP定义的切片的生命周期3.15G58网络中集成的卫星切片3.2在卫星段为backhau预留资源Ling5G603.3共享卫星系统以切断网络OkSli-62岁3.4基于服务的体系结构网关643.5卫星核心网络和无线电网络之间的卫星网络分离3.6网络切片卫星的角色模型673.7卫星管理系统683.8Netw Ork Slice Satellite 69的实例化步骤3.9切片管理系统714.1端到端切片网络的实例化阶段4.2卫星切片管理接口754.35G端到端切片，非地面网络（NTN）切片感知为TRansport网络（TN）764.4卫星网络与5G之间的互联水平4.5端到端切片824.6切片分类器83中的流处理4.7QoS84参数的动态协商4.8功能性端到端体系结构86图十三表4.9PDU会话建立过程874.10 卫星网络切片和5G集成的步骤。895.1COMETS95的架构5.2场景的功能体系结构995.3通过QoS流ID（QFI）和切片104的流量5.4按QFI和切片105划分的数据包错误率5.5按QFI和切片106划分的数据包延迟预算5.6通过QFI和切片107进行抖动图片列表1.14G功能与5G功能的映射181.2低地球轨道巨型星座（基于[80]并丰富1.3不同的集成模式2.1从事网络切片工作的组织362.25G标准切片及相关服务432.3标准化文档-网络切片442.45G项目处理网络切片472.5与网络切片相关的挑战563.1卫星网络切片的挑战类别593.2应用于卫星的网络切片挑战和我们的相关建议714.1端到端网络切片模型764.2用户设备（EU）和PDU80型号4.3流量模型814.4应用于卫星的网络切片问题及相关建议885.1场景的定义1005.2提案108A.15G FR2频率[194]112植入物列表1UE连接到网络并建立PDU会话1022通过SMF103建立PDU会话3情景的定义1144彗星117的一般情况5COMETS117场景的生命周期6IPerf119应用程序的配置7数据结构1218队列配置9启动运行时12310新会话PDU124简介电信网络一直在不断发展以适应社会的需要。今天出现了大量异构服务[1]，例如视频流服 务 （ 例 如 ， Netflix 、 Hulu 、 YouTube ） 、 社 交 网 络 （ 例 如 Facebook 、Instagram、TikTok）、亚马逊、Ebay）、治理体系（如电子投票、电子公民身份）、即时消息（如Whatsapp、Telegram、Signal）和服务都允许远程协作工作（如Zoom、Microsoft Teams、Google Meet）。这些服务中的每一种都有其自身的健康带宽、容量、延迟要求，并且除了网络提供的连接之外还需要其自身的应用程序来访问它们 对于诸如视频流和协作工具之类的一些服务，服务提供商和网络运营商之间的合作甚至是必要的，以便能够部署最佳服务。C’est 然而，这些改进本身并不足以支持新的、日益异构的服务的部署。到2023年，思科预计将有大约300亿台设备连接到互联网[ 2 ]，使用数百万种不同的服务。 这将导致当前网络无法支持的带宽的显著增加。此外，随着远程医疗、车辆到一切（V2X）、工业4.0、大规模物联网（MIoT）等更加受限的服务的到来，有必要彻底重新思考网络部署架构，以集成这些服务并实现其可扩展性。可以设想为每种服务建立专用的基础设施，但这将是非常昂贵的，而且几乎不可能管理，因为必须在网络中部署大量的服务，加上参与这些服务的参与者的级联。C’est 网络切片是一种网络概念，其中在网络中创建多个分区，称为"网络切片"，每个分区专用于特定服务。 这些切片在单个物理基础架构上实例化，并在网络和自己的体系结构中具有完全的自主性。 它们在从用户到应用程序服务器的所有网段上进行编排、部署和扩展，以满足端到端服务要求。2简介与此同时，第三代合作伙伴计划（3GPP）标准第15版中对非地面网络（NTN）（因此特别是卫星网络）的支持为两个网络的完全集成铺平了道路近年来，技术进步使在低地球轨道部署巨型卫星星座成为可能，从而实现了前所未有的性能。因此，卫星网络凭借其性能和全球覆盖区域，今天可以被认为是移动网络部署的加速器。网络切片开辟了新的可能性，旨在跨多个管理域网络提供端到端服务，因此是确保这种集成的候选者这就是本手稿中描述的研究工作的背景。论文的背景与问题论文框架本论文该项目汇集了4家航天公司（空中客车防务与航天公司、泰雷兹阿莱尼亚航天公司、Viveris公司、QoS设计公司）、2个研究实验室（IRIT公司、LAAS公司）、i2CAT研究基金会和国家空间研究中心，共同努力实现卫星它是VITAL和SaT5G项目的后续项目，这些项目旨在研究卫星网络的虚拟化，并在第一阶段将卫星网络集成到新的该项目的目标是提出将卫星网络集成到5G网络中的方法，以加快其部署和采用，开发灵活的实验平台来部署各种场景并评估其性能，并为向5G、5G和6G网络的过渡做好准备。论文的问题L’intégration 这些先决条件目前尚未实现，例如卫星网络中的虚拟化及其架构不适合5G网络的动态。未定义体系结构、原型学校和管理级别的互连方法。我们的工作重点软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）技术本身并不足以增强卫星链路以允许这两种类型的完全集成。