主頁(yè)（http://www.130131.com）：衛(wèi)星通信與地面5G的融合初探

作者 | 汪春霆 李寧 翟立君 盧寧寧

摘要：近年來(lái)，衛(wèi)星通信在全球迎來(lái)新一輪發(fā)展熱潮，地面第五代移動(dòng)通信（5G）也即將進(jìn)入商用，衛(wèi)星通信與地面5G的融合成為衛(wèi)星界和地面界討論的新熱點(diǎn)。本文首先介紹了5G通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信以及衛(wèi)星通信與5G融合的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了衛(wèi)星5G融合的發(fā)展趨勢(shì)；進(jìn)而給出了衛(wèi)星5G融合的初步思路，包括體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、空中接口設(shè)計(jì)、基于SDN/NFV的網(wǎng)絡(luò)虛擬化部署以及協(xié)議優(yōu)化等，并對(duì)融合可能存在的問(wèn)題進(jìn)行了探討；接下來(lái)對(duì)衛(wèi)星5G融合的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理；最后，給出了未來(lái)衛(wèi)星與5G相融合的應(yīng)用場(chǎng)景。

一、概述

相比地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星通信利用高、中、低軌衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)廣域甚至全球覆蓋，可以為全球用戶(hù)提供無(wú)差別的通信服務(wù)。銥星（Iridium）、海事衛(wèi)星（Inmarsat）、瑟拉亞（Thuraya）等商用移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)為海上、應(yīng)急及個(gè)人移動(dòng)通信等應(yīng)用提供了有效的解決方案；O3b、OneWeb、Starlink等中低軌衛(wèi)星星座將衛(wèi)星通信服務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)相融合，為衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)注入新的活力。同時(shí)，未來(lái)地面第五代移動(dòng)通信（5G）將具備完善的產(chǎn)業(yè)鏈、巨大的用戶(hù)群體、靈活高效的應(yīng)用服務(wù)模式等。衛(wèi)星通信系統(tǒng)與5G相互融合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，共同構(gòu)成全球無(wú)縫覆蓋的海、陸、空、天一體化綜合通信網(wǎng)，滿(mǎn)足用戶(hù)無(wú)處不在的多種業(yè)務(wù)需求，是未來(lái)通信發(fā)展的重要方向。衛(wèi)星與5G的融合將充分發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，為用戶(hù)提供更全面優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，主要體現(xiàn)在：

● 在地面5G網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)、飛機(jī)上或者遠(yuǎn)洋艦艇上，衛(wèi)星可以提供經(jīng)濟(jì)可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，將網(wǎng)絡(luò)延伸到地面網(wǎng)絡(luò)無(wú)法到達(dá)的地方。

● 衛(wèi)星可以為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及飛機(jī)、輪船、火車(chē)、汽車(chē)等移動(dòng)載體用戶(hù)提供連續(xù)不間斷的網(wǎng)絡(luò)連接，衛(wèi)星與5G融合后，可以大幅度增強(qiáng)5G系統(tǒng)在這方面的服務(wù)能力。

● 衛(wèi)星優(yōu)越的廣播/多播能力可以為網(wǎng)絡(luò)邊緣及用戶(hù)終端提供高效的數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)。

二、發(fā)展現(xiàn)狀

1、第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）

2018年6月，隨著5G新空口(NR: New Radio)獨(dú)立組網(wǎng)功能的凍結(jié)，5G已經(jīng)完成第一階段的全面標(biāo)準(zhǔn)化工作，進(jìn)入全面產(chǎn)業(yè)化階段，預(yù)計(jì)2020年實(shí)現(xiàn)全面商用。

與前幾代移動(dòng)通信相比，5G的系統(tǒng)性能大幅提高，峰值速率可達(dá)10Gbps～20Gbps，用戶(hù)體驗(yàn)速率可達(dá)100Mbps～1Gbps，連接數(shù)密度每平方公里可達(dá)100萬(wàn)，每平方米流量密度可達(dá)10Mbps，能夠支持500km/h運(yùn)動(dòng)情況下的通信。

從業(yè)務(wù)能力來(lái)說(shuō)，5G能夠滿(mǎn)足更為豐富的業(yè)務(wù)需求。過(guò)去幾代移動(dòng)通信主要實(shí)現(xiàn)“人與人”之間的通信；而在5G時(shí)代，還要實(shí)現(xiàn)“人與物”、“物與物”之間的高效通信，最終實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物互聯(lián)”。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）將增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶（eMBB）、高可靠低延遲通信（uRLLC）以及大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）定義為5G的三大主要應(yīng)用場(chǎng)景。

5G支持包含毫米波在內(nèi)的廣泛的工作頻段，利用大規(guī)模多天線（Massive MIMO）、高效的信道編碼技術(shù)、非正交多址、多載波等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率和系統(tǒng)容量；在5G網(wǎng)絡(luò)中，核心網(wǎng)的概念進(jìn)一步弱化，網(wǎng)絡(luò)功能下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，從而降低數(shù)據(jù)平面與控制平面的傳輸延時(shí)，通過(guò)軟件定義網(wǎng)路（SDN）/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)發(fā)分離，以及網(wǎng)元功能與物理實(shí)體的解耦，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的高效管控與分配。

從具體技術(shù)發(fā)展上看，大規(guī)模天線目前在用戶(hù)水平分散分布與水平+垂直分散分布兩個(gè)測(cè)試場(chǎng)景下，峰值吞吐量達(dá)到4Gbps@100MHz。SCMA（華為）、MUSA（中興）、大唐（PDMA）等非正交多址方案下行吞吐量增益達(dá)到86%、上行接入能力提升了3倍。華為測(cè)試了Ploar碼，比較于目前LTE采用的turbo碼，在靜止場(chǎng)景下短碼性能增益提升0.35-0.48dB、長(zhǎng)碼性能增益提升0.35-0.6dB，在移動(dòng)場(chǎng)景下短碼性能增益提升約0.34dB、長(zhǎng)碼增益提升約0.37dB。在高頻段通信方面，愛(ài)立信在15GHz頻段測(cè)試中，室外視距/非視距環(huán)境平均下行吞吐量分別為7.2Gbps和5.1Gbps。2018年，華為與日本NTT的28GHz外場(chǎng)測(cè)試中，信號(hào)覆蓋距離達(dá)到了1.2km，網(wǎng)絡(luò)下行吞吐率達(dá)到4.52Gbps、上行達(dá)到了1.55Gbps。

2018年8月，在IMT2020推進(jìn)組組織的中國(guó)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第三階段測(cè)試中，華為、愛(ài)立信等完成了5G 獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone，SA）的C頻段測(cè)試，這標(biāo)志著5G商用已具備基礎(chǔ)。同期，中興通信聯(lián)合中國(guó)電信在雄安區(qū)實(shí)現(xiàn)了首個(gè)5G覆蓋和全景直播試驗(yàn)，面向白洋淀五水共治、智慧治水應(yīng)用，展示了5G在未來(lái)新型智慧城市和生態(tài)治理等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。在終端方面，華為于2018年2月發(fā)布了G商用芯片“Balong 5G01”，同時(shí)支持Sub6GHz（低頻）和mmWave（高頻），支持SA和NSA，可實(shí)現(xiàn)2.3Gbps的傳輸速率。高通推出的X50調(diào)制解調(diào)器主要面向28GHz，Intel推出的XMM 8060 則主要面向Sub6GHz。

2、衛(wèi)星通信發(fā)展現(xiàn)狀

截止2017年底，全球在軌通信衛(wèi)星數(shù)量805顆，占在軌衛(wèi)星總數(shù)的45%。

典型地球同步軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)有Inmarsat、Thuraya、TerreStar、SkyTerra等系統(tǒng)。已經(jīng)發(fā)展到第五代的國(guó)際海事衛(wèi)星（Inmarsat）系統(tǒng)采用Ka頻段，實(shí)現(xiàn)了從移動(dòng)通信向大容量、高帶寬方向的發(fā)展，對(duì)于60cm口徑地面終端可提供50Mbps接收、5Mbps發(fā)送。美國(guó)衛(wèi)訊公司的Viasat是典型的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其Viasat-1容量140Gbps，ViaSat-2衛(wèi)星容量達(dá)到300Gbps。

典型的低軌通信衛(wèi)星星座，如銥星系統(tǒng)（Iridium），1987年由美國(guó)摩托羅拉公司提出，1998年完成由72顆低軌通信衛(wèi)星組網(wǎng)的第一代系統(tǒng)建設(shè)，主要為手持移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)提供全球個(gè)人通信服務(wù)，目前正在部署的下一代系統(tǒng)（Iridium Next），提供通信、氣候變化監(jiān)視、多光譜對(duì)地成像等綜合業(yè)務(wù)。

近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座的發(fā)展突飛猛進(jìn)，典型的代表系統(tǒng)包括O3b、一網(wǎng)系統(tǒng)（OneWeb）和SpaceX計(jì)劃打造的Starlink互聯(lián)網(wǎng)星座。其主要特征包括：多采用中、低軌道，相比同步軌道衛(wèi)星可以大幅度降低往返傳輸延時(shí)，使衛(wèi)星傳輸?shù)捏w驗(yàn)可以與地面光纖相媲美；采用幾十甚至幾百顆小衛(wèi)星星座組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)大幅度降低衛(wèi)星生產(chǎn)成本，從而降低通信資費(fèi)，為用戶(hù)提供平價(jià)的通信服務(wù)；多采用Ka或Ku頻段，系統(tǒng)容量大幅度提高，例如O3b的單波束可以提供1.6Gbps的傳輸速率，每顆星70個(gè)波束，OneWeb單星容量5-8Gbps，系統(tǒng)總?cè)萘砍�過(guò)7Tbps，可以為0.36 m口徑天線的終端提供50 Mbit/s的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。可以為傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)架設(shè)成本過(guò)于昂貴的地區(qū)提供高速寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。

我國(guó)衛(wèi)星通信系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾十年獨(dú)立自主發(fā)展，已形成一定建設(shè)規(guī)模。目前正在發(fā)展以固定業(yè)務(wù)為主的高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)和以移動(dòng)業(yè)務(wù)為主的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，低軌通信衛(wèi)星也進(jìn)入試驗(yàn)階段，發(fā)展歷程如圖1所示。

圖 1我國(guó)衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展歷程

民用衛(wèi)星通信領(lǐng)域，主要建設(shè)發(fā)展中星、亞太系列通信廣播衛(wèi)星系統(tǒng)，通信業(yè)務(wù)基本實(shí)現(xiàn)亞洲、歐洲、非洲、太平洋等區(qū)域覆蓋，在全球衛(wèi)星空間段運(yùn)營(yíng)服務(wù)商排名第六位。目前，在軌運(yùn)行C、Ku、Ka頻段的民用通信衛(wèi)星共15顆。我國(guó)高通量寬帶衛(wèi)星發(fā)展剛剛起步，整體技術(shù)水平、系統(tǒng)容量和服務(wù)能力與國(guó)外先進(jìn)衛(wèi)星系統(tǒng)尚有差距，2017年發(fā)射的首顆高通量Ka寬帶衛(wèi)星“中星16號(hào)”，容量達(dá)到20Gbps。2016年我國(guó)發(fā)射的“天通一號(hào)”01星是我國(guó)自主建設(shè)的首顆移動(dòng)通信衛(wèi)星，采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器，窄帶單載波傳輸體制，常規(guī)模式業(yè)務(wù)支持最低1.2Kbps電路域話(huà)音、最高分組域384Kbps的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

圖 2天通1號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)方面，我國(guó)正在規(guī)劃的系統(tǒng)主要包括國(guó)家科技創(chuàng)新-2030重大項(xiàng)目“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)低軌接入網(wǎng)”，航天科技集團(tuán)的“鴻雁工程”、航天科工集團(tuán)的“虹云工程”等。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大項(xiàng)目低軌接入網(wǎng)軌道高度800~1100km，提供全球無(wú)縫覆蓋的移動(dòng)、寬帶通信服務(wù)，支持航空/航海監(jiān)視、頻譜監(jiān)視、導(dǎo)航增強(qiáng)以及廣域物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等。鴻雁星座軌道高度1100公里，由324顆衛(wèi)星組成，支持移動(dòng)通信、寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入、物聯(lián)網(wǎng)接入、熱點(diǎn)信息推送、導(dǎo)航增強(qiáng)、航空航海監(jiān)視六大應(yīng)用；虹云工程軌道高度1040公里，由156顆星組成，支持互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

從衛(wèi)星通信的發(fā)展歷程來(lái)看，目前分立的衛(wèi)星通信系統(tǒng)逐步向著天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、天地一體的方向發(fā)展。一方面，需求和市場(chǎng)牽引天基網(wǎng)絡(luò)走向泛在，天基、地面網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)結(jié)合互補(bǔ)，各類(lèi)應(yīng)用滲透到陸�？仗旄鱾�(gè)角落和人們生活的方方面面。另一方面，在科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)下，天基網(wǎng)絡(luò)的容量快速增大、速率顯著提高、服務(wù)不斷拓展、成本明顯降低，正在顛覆傳統(tǒng)的電信行業(yè)概念，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)新。

三、衛(wèi)星通信與5G的融合

1、星地融合通信的發(fā)展歷史

從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，隨著移動(dòng)衛(wèi)星通信的發(fā)展，關(guān)于衛(wèi)星與地面移動(dòng)通信相互融合的討論與嘗試就從未停止。地面移動(dòng)通信系統(tǒng)為用戶(hù)提供了便捷的服務(wù)，然而在山地、荒漠及海上等地區(qū)，由于基站架設(shè)困難，衛(wèi)星成為地面的補(bǔ)充和延伸。隨著地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的世代更替，衛(wèi)星與地面的相互融合也隨之不斷發(fā)展。

早期的MSAT系統(tǒng)采用地面模擬蜂窩網(wǎng)技術(shù)；Thuraya系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了類(lèi)似GSM/GPRS體制的GMR標(biāo)準(zhǔn)；低軌衛(wèi)星星座銥星和GlobalStar的空中接口則是以GSM和IS-95作為藍(lán)本。Imarsat-4衛(wèi)星系統(tǒng)采用的IAI-2標(biāo)準(zhǔn)以及ETSI發(fā)布的S-UMTS標(biāo)準(zhǔn)均基于WCDMA框架設(shè)計(jì)。在國(guó)內(nèi)，從2010年開(kāi)始，我國(guó)啟動(dòng)了一系列基于LTE標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)研究，并于2012年5月向國(guó)際電聯(lián)提交了衛(wèi)星通信系統(tǒng)LTE標(biāo)準(zhǔn)草案。2016年發(fā)射的天通一號(hào)衛(wèi)星在空中接口的設(shè)計(jì)上也借鑒并部分采用了3GPP的標(biāo)準(zhǔn)。

值得一提的是美國(guó)光平方公司（前身為美國(guó)移動(dòng)衛(wèi)星風(fēng)險(xiǎn)公司MSV）的SkyTerra系統(tǒng)，其主要思路是通過(guò)布設(shè)地面輔助基站（Ancillary Terrestrial Component, ATC）來(lái)解決衛(wèi)星在城市及室內(nèi)覆蓋不佳的問(wèn)題。衛(wèi)星與基站復(fù)用同一頻段，空中接口信號(hào)格式幾乎相同，終端可以在衛(wèi)星與地面基站間無(wú)縫切換，用戶(hù)無(wú)需使用雙模終端即可在全美國(guó)范圍內(nèi)使用SkyTerra提供的WiMAX、LTE等4G無(wú)線寬帶網(wǎng)絡(luò)。同樣采用地面輔助基站實(shí)現(xiàn)星地融合的系統(tǒng)還有支持4G的同步軌道衛(wèi)星TerreStar，其地面網(wǎng)絡(luò)由美國(guó)電話(huà)電報(bào)公司（AT&T）提供，借助18.28米直徑的S頻段可展開(kāi)天線，TerreStar可以直接支持地面網(wǎng)級(jí)別的手持機(jī)。

近年來(lái)快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座采用基于統(tǒng)一的IP交換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與地面互聯(lián)網(wǎng)的融合互通。在市場(chǎng)策略上，互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座摒棄了銥星（Iridium）系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)營(yíng)初期獨(dú)立建網(wǎng)、與地面移動(dòng)通信相競(jìng)爭(zhēng)的策略，轉(zhuǎn)而與電信運(yùn)營(yíng)商開(kāi)展合作。用衛(wèi)星為蜂窩提供回程服務(wù)，解決“最后1公里”的問(wèn)題，或是將衛(wèi)星接收設(shè)備做小區(qū)“熱點(diǎn)”，拓展現(xiàn)有的地面網(wǎng)絡(luò)，用戶(hù)可以使用現(xiàn)有的智能手機(jī)和平板電腦訪問(wèn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

2、5G時(shí)代星地融合的新發(fā)展

國(guó)際進(jìn)展情況

隨著5G技術(shù)的日益成熟，衛(wèi)星與5G的融合也引起了許多關(guān)注，包括3GPP、ITU在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化組織成立了專(zhuān)門(mén)工作組著手研究星地融合的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，業(yè)內(nèi)的部分企業(yè)與研究組織也投入到星地一體化的研究工作當(dāng)中。

① ITU

針對(duì)衛(wèi)星與地面5G融合的問(wèn)題，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU，International Telecommunication Union）提出了星地5G融合的4種應(yīng)用場(chǎng)景，包括中繼到站、小區(qū)回傳、動(dòng)中通及混合多播場(chǎng)景，并提出支持這些場(chǎng)景必須考慮的關(guān)鍵因素，包括多播支持、智能路由支持、動(dòng)態(tài)緩存管理及自適應(yīng)流支持、延時(shí)、一致的服務(wù)質(zhì)量、NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）/SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）兼容、商業(yè)模式的靈活性等。

(a)中繼到站場(chǎng)景

(b)小區(qū)回傳場(chǎng)景

(c)動(dòng)中通場(chǎng)景

(d)混合多播場(chǎng)景

圖 3 ITU衛(wèi)星5G融合場(chǎng)景示意圖

②3GPP

3GPP從R14開(kāi)始著手開(kāi)展星地融合的研究工作。在TS22.261中，對(duì)衛(wèi)星在5G系統(tǒng)中的角色和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了探討，作為5G多種接入技術(shù)之一，衛(wèi)星在一些要求廣域覆蓋的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中具有顯著優(yōu)勢(shì)。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以在地面5G覆蓋的薄弱地區(qū)提供低成本的覆蓋方案，對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)中的M2M/IoT，以及為高速移動(dòng)載體上的乘客提供無(wú)所不及的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，借助衛(wèi)星優(yōu)越的廣播/多播能力，可以為網(wǎng)絡(luò)邊緣網(wǎng)元及用戶(hù)終端提供廣播/多播信息服務(wù)。

在2017年底發(fā)布的技術(shù)報(bào)告22.822中，3GPP工作組SA1對(duì)與衛(wèi)星相關(guān)的接入網(wǎng)協(xié)議及架構(gòu)進(jìn)行了評(píng)估，并計(jì)劃進(jìn)一步開(kāi)展基于5G的接入研究。在這份報(bào)告中，定義了在5G中使用衛(wèi)星接入的三大類(lèi)用例，分別是連續(xù)服務(wù)、泛在服務(wù)和擴(kuò)展服務(wù)。并討論了新的及現(xiàn)有服務(wù)的需求，衛(wèi)星終端特性的建立、配置與維護(hù)，以及在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)間的切換問(wèn)題。

在3GPP名為“面向‘非地面網(wǎng)絡(luò)’中的5G新空口”研究項(xiàng)目中，定義了包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN:Non-terrestrial networks）的部署場(chǎng)景。按照3GPP的定義，5G網(wǎng)絡(luò)中的NTN應(yīng)用場(chǎng)景包括8個(gè)增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）場(chǎng)景和2個(gè)大規(guī)模機(jī)器類(lèi)通信（mMTC）場(chǎng)景。借助衛(wèi)星的廣域覆蓋能力，可以使運(yùn)營(yíng)商在地面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施不發(fā)達(dá)地區(qū)提供5G商用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)5G業(yè)務(wù)連續(xù)性，尤其是在應(yīng)急通信、海事通信、航空通信及鐵路沿線通信等場(chǎng)景中發(fā)揮作用。38.811規(guī)定的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可能包含的系統(tǒng)組成包括：

● NTN終端：3GPP 用戶(hù)終端（UE）和非3GPP UE （衛(wèi)星終端）

● 用戶(hù)鏈路(Service Link)：UE和衛(wèi)星之間的鏈路

● 空間平臺(tái)(Space Platform)：搭載彎管或者具備星上處理能力的衛(wèi)星

● 星間鏈路(ISL: Inter-Satellite Links)：對(duì)于具備星上處理能力衛(wèi)星間的鏈路

● 信關(guān)站(Gateway)：連接衛(wèi)星和地面核心網(wǎng)的網(wǎng)元

● 饋電鏈路

圖 4 5G網(wǎng)絡(luò)中非地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在非地面網(wǎng)絡(luò)與地面5G融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，3GPP提出了星地融合的4種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)初步模型（圖 5）。這份報(bào)告還對(duì)衛(wèi)星5G場(chǎng)景中的傳輸延時(shí)、多普勒頻移進(jìn)行了估計(jì)，并對(duì)在非地面網(wǎng)絡(luò)中部署5G新空口需要做的適應(yīng)性修改進(jìn)行了討論，包括由于衛(wèi)星等空間飛行器的移動(dòng)性帶來(lái)的切換和尋呼問(wèn)題、定時(shí)提前的調(diào)整、下行鏈路同步等問(wèn)題，星地鏈路長(zhǎng)延時(shí)對(duì)HARQ、MAC/RLC過(guò)程、物理層ACM及功率控制等過(guò)程的影響，衛(wèi)星小區(qū)尺寸過(guò)大給PRACH和隨機(jī)過(guò)程帶來(lái)的影響以及對(duì)隨機(jī)接入響應(yīng)消息中定時(shí)提前的影響，多徑時(shí)延擴(kuò)展帶來(lái)的問(wèn)題，雙工模式問(wèn)題，對(duì)CP-OFDM技術(shù)在衛(wèi)星上的適用性也進(jìn)行了分析。

圖 5 3GPP非陸地網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

③Sat5G

2017年6月，BT、Avanti、SES、University of Surrey等16家企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合成立了SaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）聯(lián)盟，計(jì)劃在30個(gè)月內(nèi)完成衛(wèi)星與5G的無(wú)縫集成方案，并進(jìn)行試用。整個(gè)項(xiàng)目將完成以下6個(gè)方面的工作：

1) 定義和評(píng)估將星地5G融合的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)解決方案；

2) 研究星地5G融合的商業(yè)價(jià)值主張；

3) 定義和開(kāi)發(fā)星地5G融合的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)；

4) 在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試環(huán)境中驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)；

5) 對(duì)星地5G融合的特性和用例進(jìn)行演示；

6) 推進(jìn)星地5G融合在3GPP和ETSI中的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信與5G的即插即用，Sat5G提出了6大技術(shù)研究支柱，開(kāi)展重點(diǎn)研究工作，如圖 6所示。

圖 6 Sat5G工作內(nèi)容

1）5G SDN與NFV在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的部署，提供衛(wèi)星功能組件的虛擬化，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)元素的集成，從而使衛(wèi)星系統(tǒng)適應(yīng)5G環(huán)境。

2）融合網(wǎng)絡(luò)的管理與編排，實(shí)現(xiàn)涉及衛(wèi)星和移動(dòng)集成網(wǎng)絡(luò)切片的端到端編排和管理。

3）多鏈路與異構(gòu)傳輸，通過(guò)衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)間業(yè)務(wù)流的智能分發(fā)提升用戶(hù)體驗(yàn)質(zhì)量（QoE）。

4）衛(wèi)星通信與5G控制面與用戶(hù)面的協(xié)調(diào)，在3GPP的層2及更高協(xié)議層中支持衛(wèi)星通信，也有可能會(huì)涉及到物理層的調(diào)整。

5）5G安全在衛(wèi)星中的擴(kuò)展，驗(yàn)證5G網(wǎng)絡(luò)安全特性在衛(wèi)星網(wǎng)元中的無(wú)縫操作。

6）用于優(yōu)化內(nèi)容和NFV分發(fā)的緩存與多播，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)額外利用衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)內(nèi)容更有效地分發(fā)。

根據(jù)最新報(bào)道，在斯洛文尼亞盧布里雅那舉行的2018歐洲網(wǎng)絡(luò)與通信會(huì)議上，包括VT iDirect公司、SES公司在內(nèi)的5家SaT5G成員現(xiàn)場(chǎng)演示了衛(wèi)星與3GPP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的融合，該P(yáng)re-5G測(cè)試平臺(tái)由軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）/移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）和GEO衛(wèi)星組成，同時(shí)還演示了衛(wèi)星回程功能及Pre-5G網(wǎng)絡(luò)中多媒體內(nèi)容的邊緣分發(fā)功能。

④ALIX項(xiàng)目

ALIX項(xiàng)目源于歐洲航天局（ESA）的“5G衛(wèi)星計(jì)劃”，其目標(biāo)是積極參與3GPP標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程，以定義5G衛(wèi)星組件及其與其他網(wǎng)絡(luò)的接口。項(xiàng)目計(jì)劃從2018年1月開(kāi)始，持續(xù)2年。ALIX項(xiàng)目建立了標(biāo)準(zhǔn)化特別任務(wù)小組（SSIG），共包含38名成員（Airbus, Avanti, ESA, Echostar, Eutelsat, Inmarsat, Intelsat, SES, Thales Alenia Space, Surrey等），其中28個(gè)是3GPP成員，包括衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商、服務(wù)和技術(shù)提供商、地面和衛(wèi)星部門(mén)制造商以及國(guó)際機(jī)構(gòu)和高校。

項(xiàng)目組已經(jīng)成功提交了3項(xiàng)研究/工作項(xiàng)目，將衛(wèi)星列入3GPP R16的一部分，涉及服務(wù)和系統(tǒng)（SA）和無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN），分別是：

● SA1 工作項(xiàng)目：衛(wèi)星一體化的標(biāo)準(zhǔn)化階段

● SA2 研究項(xiàng)目：衛(wèi)星5G系統(tǒng)架構(gòu)

● RAN1/2/3研究項(xiàng)目：支持非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）的NR解決方案

每個(gè)季度，項(xiàng)目進(jìn)展將在3GPP的全體會(huì)議上進(jìn)行匯報(bào)并在會(huì)后加以完善。從3GPP發(fā)布的會(huì)議內(nèi)容來(lái)看，ALIX項(xiàng)目在下一階段的工作重點(diǎn)包括物理層解決方案、接口架構(gòu)、協(xié)議和資源控制、通用地面無(wú)線接入體系結(jié)構(gòu)和接口協(xié)議規(guī)范以及服務(wù)和系統(tǒng)方面。

發(fā)展趨勢(shì)

衛(wèi)星通信在覆蓋、可靠性及靈活性方面的優(yōu)勢(shì)能夠彌補(bǔ)地面移動(dòng)通信的不足，衛(wèi)星通信與地面5G的融合能夠?yàn)橛脩?hù)提供更為可靠的一致性服務(wù)體驗(yàn)，降低運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)部署成本，連通空、天、地、海多維空間，形成一體化的泛在網(wǎng)絡(luò)格局。

從技術(shù)方面來(lái)看，衛(wèi)星與5G的融合架構(gòu)既有透明彎管轉(zhuǎn)發(fā)模式，也有星上接入/處理模式，兩種模式在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和應(yīng)用場(chǎng)景上均不相同，長(zhǎng)期看來(lái)，將地面基站的部分或全部功能逐步遷移到星上是發(fā)展趨勢(shì)，能夠有效降低處理延時(shí)、提高用戶(hù)體驗(yàn)；為了實(shí)現(xiàn)地面終端一體化、小型化，衛(wèi)星與地面5G的空中接口將逐步趨向融合，非正交多址及多載波傳輸?shù)燃夹g(shù)在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用將成為未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的研究熱點(diǎn)，但是受限于星上功率、處理能力以及星地鏈路長(zhǎng)延時(shí)、大動(dòng)態(tài)等特點(diǎn)，5G新空口在衛(wèi)星系統(tǒng)中的適應(yīng)性改造及優(yōu)化是需要解決的主要問(wèn)題；星地網(wǎng)絡(luò)全I(xiàn)P化是大勢(shì)所趨，NFV/SDN等技術(shù)在星地融合中發(fā)揮突出作用，重點(diǎn)需要解決網(wǎng)絡(luò)功能的星地分割問(wèn)題；頻率資源仍是制約星地融合的主要瓶頸，隨著低軌星座的大面積部署，頻率沖突的問(wèn)題將愈發(fā)嚴(yán)重，探索星地頻率規(guī)劃及頻率復(fù)用新技術(shù)是實(shí)現(xiàn)星地融合需要解決的首要問(wèn)題。

從市場(chǎng)方面來(lái)看，星地網(wǎng)絡(luò)由競(jìng)爭(zhēng)走向合作，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以提供回程服務(wù)、基站拉遠(yuǎn)等方式成為地面網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充。在國(guó)外，合作共贏的星地融合新商業(yè)模式正在興起，在國(guó)內(nèi)，產(chǎn)業(yè)割裂的壁壘短期內(nèi)仍然存在，需要政府、企業(yè)共同努力，抓住機(jī)遇，推動(dòng)衛(wèi)星5G產(chǎn)業(yè)融合快速發(fā)展。