【前沿】“低軌衛(wèi)星+5G”融合網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)趨勢(shì)、探索與挑戰(zhàn)

衛(wèi)星通信是以衛(wèi)星為中繼節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信方式。具有覆蓋地域廣、建設(shè)速度快、抗毀能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，相比5G網(wǎng)絡(luò)具有“三維優(yōu)勢(shì)”，可彌補(bǔ)全球地面通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋死角。衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要包括通信衛(wèi)星（核心設(shè)施）、地面通信站以及對(duì)衛(wèi)星跟蹤遙測(cè)的地面測(cè)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)衛(wèi)星通信主要為中高軌衛(wèi)星，技術(shù)相對(duì)成熟，但由于距離地球距離較遠(yuǎn)，存在較高的傳輸時(shí)延和鏈路損耗，并且受數(shù)量等原因限制，可用帶寬較小，資費(fèi)較高。大大限制了衛(wèi)星通信作為民用業(yè)務(wù)的普及。

如今衛(wèi)星通信已呈現(xiàn)商業(yè)化、規(guī)模化、低軌道小型星座化發(fā)展趨勢(shì)。隨著政策開(kāi)放打開(kāi)商業(yè)航天門(mén)檻，全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)全產(chǎn)業(yè)鏈（電器元件材料廠商、衛(wèi)星研制商、發(fā)射服務(wù)提供商與地面設(shè)備制造商、衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商與衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)提供商）已漸具規(guī)模。微電子、材料、電池制造、火箭電推等技術(shù)不斷發(fā)展，近十年全球小型衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，呈現(xiàn)可靠性逐步提高、成本不斷降低、部署靈活及反應(yīng)敏捷等趨勢(shì)，特別是以太空探索公司（SpaceX ）代表的商用載人航天器連續(xù)穩(wěn)定推出，其星鏈計(jì)劃和已啟動(dòng)的商用進(jìn)程，對(duì)全球航天業(yè)及通信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)影響深遠(yuǎn)。

與此同時(shí)，中國(guó)衛(wèi)星通信市場(chǎng)也快速增長(zhǎng)，2020年發(fā)改委將“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”首次納入“新基建”范疇，預(yù)計(jì)2023年國(guó)內(nèi)的低軌衛(wèi)星星座也將完成階段性部署建設(shè)。低軌衛(wèi)星星座在航空通信、航海通信、海島通信、偏遠(yuǎn)地區(qū)通信等商業(yè)場(chǎng)景具有明顯的覆蓋與成本優(yōu)勢(shì)。

2.1 星地融合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

基于前述衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，特別是低軌衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信在速率和時(shí)延上已能夠滿足大多數(shù)5G業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)已完成R16版本凍結(jié)，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與5G地面通信網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)上已具備融合的條件。通過(guò)構(gòu)建架構(gòu)、功能、接口、流程一體化的天地一體5G網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋融合、系統(tǒng)融合、網(wǎng)絡(luò)融合、業(yè)務(wù)融合、用戶融合，在提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率的同時(shí)，為用戶提供全球全域無(wú)縫連接、業(yè)務(wù)連續(xù)性和通信服務(wù)保障，使能豐富多樣的通信業(yè)務(wù)和應(yīng)用，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

國(guó)際通信標(biāo)準(zhǔn)組織ITU、3GPP、SAT5G等已在5G標(biāo)準(zhǔn)中研究制定、6G愿景中明確提出星地融合的發(fā)展方向，目標(biāo)是構(gòu)成全球無(wú)縫覆蓋的海、陸、空、天一體化綜合通信網(wǎng)，滿足用戶無(wú)處不在的多種業(yè)務(wù)需求。我國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)CCSA也已成立TC12航天通信技術(shù)委員會(huì)，開(kāi)展航天及衛(wèi)星相關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)化工作。

2.2星地融合網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)趨勢(shì)

如2.1章節(jié)所述，目前國(guó)內(nèi)外天地一體5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)要求均在研究階段，尚無(wú)完整體系的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布及應(yīng)用化案例。

目前業(yè)界主流的星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，由天基網(wǎng)絡(luò)和地基網(wǎng)絡(luò)組成，其中天基網(wǎng)絡(luò)包括天基接入網(wǎng)和天基核心網(wǎng)，地基網(wǎng)絡(luò)包括地面接入網(wǎng)和地面核心網(wǎng)，而地面核心網(wǎng)又可細(xì)分為公眾核心網(wǎng)和衛(wèi)星專用核心網(wǎng)，公眾核心網(wǎng)和衛(wèi)星專業(yè)核心網(wǎng)初期建議獨(dú)立組網(wǎng)，后期協(xié)同組網(wǎng)。具體融合方式按照演進(jìn)的不同階段分為三種層次：①業(yè)務(wù)融合；②體制融合；③系統(tǒng)融合。下面對(duì)于不同融合層次進(jìn)行詳細(xì)描述：

a）業(yè)務(wù)融合

星地融合的互聯(lián)互通階段。通過(guò)過(guò)衛(wèi)星接入網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入地面核心網(wǎng)；衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用于補(bǔ)充覆蓋地面網(wǎng)絡(luò)，提供地面網(wǎng)絡(luò)延伸服務(wù)；兩者網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同，用戶終端不同。衛(wèi)星作為基站的傳輸中繼，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)覆蓋以及應(yīng)急應(yīng)用。

b）體制融合

星地融合的混合接入階段。通過(guò)衛(wèi)星互通網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星接入與地面接入互補(bǔ)，地面控制與星上控制并存；衛(wèi)星和地面沿用現(xiàn)有技術(shù)，通過(guò)接口互通和信息交互實(shí)現(xiàn)兩張網(wǎng)絡(luò)按需選網(wǎng)提供服務(wù)；兩張網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以相同或不同，可以通過(guò)多模終端選擇接入。

c）系統(tǒng)融合

星地融合統(tǒng)一組網(wǎng)階段，即融合的理想階段。全面融合天基和地基網(wǎng)絡(luò)，提供用戶無(wú)感的一致服務(wù)；星地融合為一個(gè)整體，采用統(tǒng)一的技術(shù)協(xié)議，統(tǒng)一的終端接入，實(shí)現(xiàn)一致的服務(wù)質(zhì)量、星地?zé)o縫的漫游；實(shí)現(xiàn)資源管理統(tǒng)一、最大化實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈復(fù)用。

基于5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，中國(guó)聯(lián)通和航天科工于2020年12月基于運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)的星地融合通信實(shí)驗(yàn)組網(wǎng)架構(gòu)下，成功實(shí)現(xiàn)我國(guó)首個(gè)“5G+低軌衛(wèi)星”融合網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)演示。演示當(dāng)日低軌技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星過(guò)境東海海域，在遠(yuǎn)海中韓漁業(yè)界定線附近的遠(yuǎn)洋漁政船現(xiàn)場(chǎng)，演示人員使用5G手機(jī)撥打聯(lián)通移動(dòng)號(hào)碼，同漁政碼頭實(shí)現(xiàn)了通話，聲音清晰無(wú)卡頓，使用5G手機(jī)上網(wǎng)觀看視頻、發(fā)送微信操作流暢。

該案例作為我國(guó)低軌衛(wèi)星和5G網(wǎng)絡(luò)首次實(shí)現(xiàn)融合組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)，對(duì)于星地融合網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與研究的意義體現(xiàn)如下幾個(gè)方面：

a）在業(yè)務(wù)體驗(yàn)演進(jìn)方面，以往解決傳統(tǒng)海事衛(wèi)星電話成本高，使用衛(wèi)星終端或手機(jī)APP方式用戶體驗(yàn)差，安全性低。5G網(wǎng)絡(luò)與低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)打破壁壘，實(shí)現(xiàn)普通5G用戶終端直接通過(guò)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，使用語(yǔ)音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，客戶使用體驗(yàn)好，安全可靠。

b）在海洋拓展應(yīng)用場(chǎng)景方面，通過(guò)輕量化、特種化等設(shè)備形態(tài)與運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，適應(yīng)空天地海復(fù)雜的通信環(huán)境。

c）在星地融合網(wǎng)絡(luò)研究發(fā)展方面，通過(guò)搭建現(xiàn)網(wǎng)驗(yàn)證環(huán)境，探索分析星地融合網(wǎng)絡(luò)端到端業(yè)務(wù)可行性，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)和參考。

d）從泛在接入角度來(lái)看，未來(lái)可實(shí)現(xiàn)了多種連接方式的端到端的協(xié)同，將運(yùn)營(yíng)商5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，與光纖固定網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)空天地一體化的覆蓋，實(shí)現(xiàn)了跨地域、跨空域，跨海域等多種業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)不斷演進(jìn)，低軌衛(wèi)星的全面覆蓋，星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)逐步清晰和標(biāo)準(zhǔn)化，未來(lái)此類業(yè)務(wù)可廣泛用于鉆井平臺(tái)及遠(yuǎn)洋船舶，海外基地及勘察車輛等場(chǎng)景，地面移動(dòng)業(yè)務(wù)不僅能夠覆蓋城市、鄉(xiāng)村，還能夠覆蓋廣裘的天空和海洋。

理想固然美好，但同時(shí)道路也充滿荊棘。星地融合網(wǎng)絡(luò)涉及多系統(tǒng)、節(jié)點(diǎn)規(guī)模龐大，環(huán)境復(fù)雜多變等特點(diǎn)。同時(shí)考慮外在環(huán)境，如中美貿(mào)易摩擦的不確定性，衛(wèi)星星座建設(shè)程度及滲透速度不達(dá)預(yù)期，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)政策支持不及預(yù)期等客觀因素。

對(duì)于星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的關(guān)鍵問(wèn)題，考慮在2.2節(jié)描述的不同融合階段，存在如下關(guān)鍵問(wèn)題及技術(shù)突破點(diǎn)：

a）對(duì)于業(yè)務(wù)融合的互聯(lián)互通階段衛(wèi)星接入節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的移動(dòng)性，需要研究低時(shí)延、高效率，健壯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及靈活的功能部署方案應(yīng)對(duì)接入節(jié)點(diǎn)的頻繁切換，開(kāi)展空口一體化技術(shù)，智能接入管理以及頻繁切換帶來(lái)的尋呼、漫游等移動(dòng)性管理問(wèn)題技術(shù)研究。

b）對(duì)于體制融合的混合接入階段，由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性、星上限制性以及物理傳播特性等，需要突破衛(wèi)星網(wǎng)元與地面網(wǎng)元隔離的難題。

在衛(wèi)星接入架構(gòu)方面，衛(wèi)星接入方式分為衛(wèi)星作為無(wú)線基站接入及作為非3GPP接入點(diǎn)接入，需要對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中星座衛(wèi)星和信關(guān)站的網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行重新的梳理和分割，重構(gòu)衛(wèi)星接入網(wǎng)元，實(shí)現(xiàn)資源綠色集約化配置。

在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議互通方面，互通網(wǎng)關(guān)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系和地面網(wǎng)絡(luò)IP協(xié)議體系之間，需要做協(xié)議轉(zhuǎn)換和適配；基于衛(wèi)星通信時(shí)延長(zhǎng)、丟包率高的現(xiàn)狀，結(jié)合話音、消息、5G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，需要研究衛(wèi)星互通網(wǎng)關(guān)的性能增強(qiáng)技術(shù)，解決用戶接入認(rèn)證和連接管理等問(wèn)題。

c）對(duì)于系統(tǒng)融合的統(tǒng)一組網(wǎng)階段，核心網(wǎng)架構(gòu)及位置劃分是研究的重點(diǎn)。

對(duì)于衛(wèi)星核心網(wǎng)，需研究如何基于衛(wèi)星通信需求對(duì)核心網(wǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化和增強(qiáng)，研究多連接管理、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、業(yè)務(wù)連續(xù)性、容災(zāi)等技術(shù)專題；研究衛(wèi)星核心網(wǎng)和地面核心網(wǎng)后期如何協(xié)同組網(wǎng)發(fā)展，以及從獨(dú)立組網(wǎng)到協(xié)同組網(wǎng)的演進(jìn)路線。

對(duì)于核心網(wǎng)功能上星，重點(diǎn)問(wèn)題在于核心網(wǎng)通信載荷能否上星，研究和規(guī)劃如何分割、處理及選擇上星的核心功能，攻關(guān)核心網(wǎng)通信載荷上星的低軌移動(dòng)性、大規(guī)模用戶連續(xù)性及用戶遷移等重點(diǎn)技術(shù)問(wèn)題。

對(duì)于星上體制協(xié)議，需要明確星上體制協(xié)議發(fā)展路線（3GPP體制/非3GPP體制）的可行性及一致性。

“低軌衛(wèi)星+5G”星地融合網(wǎng)絡(luò)將衛(wèi)星通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)各自優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，使通信網(wǎng)絡(luò)邊界拓展到無(wú)人區(qū)、海洋、天空，可實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)在任意時(shí)間、任意空間的全覆蓋，真正實(shí)現(xiàn)全球用戶無(wú)縫通信連接的愿景目標(biāo)，具有很強(qiáng)的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

從網(wǎng)絡(luò)接入的角度看，全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)目標(biāo)群體包括航空及航海員工和旅客、偏遠(yuǎn)地區(qū)的富裕階級(jí)及戶外作業(yè)、科考、旅行人員，長(zhǎng)期來(lái)看衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)滿足的是全球性用戶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求，以及“物”、“人”、“星”之間的全面互聯(lián)，具有廣闊的應(yīng)用空間。隨著5G網(wǎng)絡(luò)及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)“新基建”政策的持續(xù)推動(dòng)，對(duì)于通信運(yùn)營(yíng)商而言，積極布局空間網(wǎng)絡(luò)研究及建設(shè)方案，實(shí)現(xiàn)空間與地面設(shè)施互聯(lián)互通，探索5G/6G一體化網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。