【前沿】5G 與衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的融合分析

融合5G的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)

文 | 翟華（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所）

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展和智能終端設(shè)備的推廣應(yīng)用，人們對移動(dòng)通信的速率提出了更大的要求，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)旨在提供10Gbps～20Gbps的峰值速率以及100Mbps～1Gbps的用戶體驗(yàn)速率，滿足更為豐富的業(yè)務(wù)需求。5G憑借其無線通信服務(wù)容量大、業(yè)務(wù)多和速率高等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于人口密集地區(qū)，但在人煙稀少或難以鋪設(shè)地面網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)就很難發(fā)揮其優(yōu)勢。相比地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要具有覆蓋范圍廣、通信容量大、地形影響小、靈活性高和能適應(yīng)多種業(yè)務(wù)等不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因而可以利用衛(wèi)星對人煙稀少或難以鋪設(shè)地面網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)進(jìn)行覆蓋，與地面網(wǎng)絡(luò)形成良好的互補(bǔ)，以此來實(shí)現(xiàn)真正的全球覆蓋，為全球用戶提供無差別的通信服務(wù)。

事實(shí)上，人們對衛(wèi)星通信的應(yīng)用早于地面蜂窩無線通信的建設(shè)。國際上首個(gè)商用的通信衛(wèi)星系統(tǒng)是1965年由國際衛(wèi)星通信組織(INTEＲSAT)發(fā)射運(yùn)營的晨鳥號(Early Bird)衛(wèi)星系統(tǒng)，而國際上第一代蜂窩無線通信系統(tǒng)在上世紀(jì)八十年代才開始建設(shè)。近幾十年來，國際上投入運(yùn)營的衛(wèi)星通信系統(tǒng)不僅有地球靜止軌道的海事衛(wèi)星(Inmarsat)、瑟拉亞(Thuraya)、衛(wèi)訊(Viasat)等，也有低地球軌道的銥星(Iridium)、全球星(Global-star)、軌道通信(Orbcom)等。尤其是自2015年來，國際上涌現(xiàn)出了低軌互聯(lián)網(wǎng)通信星座的建設(shè)熱潮，如OneWeb、Starlink，引發(fā)了備受關(guān)注的國際熱點(diǎn)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面無線通信系統(tǒng)的融合建設(shè)，也再次成為國際范圍內(nèi)深入論證的發(fā)展方向。

21世紀(jì)初，運(yùn)營商通過獲得組建星地混合通信網(wǎng)絡(luò)的授權(quán)，使衛(wèi)星通信進(jìn)入了主流市場，并且為了擴(kuò)展衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，增加了地面輔助組件(ATC)或地面補(bǔ)充組件(CGC)。ATC是指一種用于衛(wèi)星移動(dòng)通信的地面輔助基站，衛(wèi)星和大量ATC基站組合在一起來實(shí)現(xiàn)大區(qū)域無縫覆蓋，因此可用于解決衛(wèi)星信號在高樓林立的城市以及室內(nèi)覆蓋性不佳的問題，但其中也牽涉到一些復(fù)雜問題，例如:衛(wèi)星和ATC基站頻率復(fù)用、天地系統(tǒng)的切換和協(xié)調(diào)控制。

隨著5G技術(shù)的日益成熟，5G與衛(wèi)星的融合引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，包括國際電信聯(lián)盟(ITU)和第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)等標(biāo)準(zhǔn)化組織均投入了大量精力開展衛(wèi)星融合5G系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)論證工作。

1) 國際電信聯(lián)盟在2016年提出了“下一代移動(dòng)通信網(wǎng)應(yīng)滿足用戶能隨時(shí)隨地訪問服務(wù)”的需求，在衛(wèi)星接入技術(shù)領(lǐng)域開展了ITU-ＲM．［NGAT_SAT］標(biāo)準(zhǔn)的研究，針對星地融合提出了4種典型的應(yīng)用場景，包括中繼寬帶傳輸業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)回傳及分發(fā)業(yè)務(wù)、寬帶移動(dòng)通信業(yè)務(wù)、混合多媒體業(yè)務(wù)，如下圖所示，并明確了為支持以上應(yīng)用所具備的關(guān)鍵特性。此外，ITU也積極推進(jìn)關(guān)于衛(wèi)星與5G在頻率使用方面的工作，并開展了一系列關(guān)于衛(wèi)星與5G的頻譜共用與電磁兼容性分析。

圖1 ITU給出的星地融合系統(tǒng)4種應(yīng)用場景

2) 第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)自2017年的Ｒelease14標(biāo)準(zhǔn)開始論證衛(wèi)星通信對地面移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來優(yōu)勢。在2017年底發(fā)布的技術(shù)報(bào)告TＲ22．822中，3GPP工作組SA1定義了連續(xù)服務(wù)、泛在服務(wù)和擴(kuò)展服務(wù)這三大在5G中使用衛(wèi)星接入的用例，并討論了新的及現(xiàn)有服務(wù)的需求。目前，3GPP主要依托名為“非地面網(wǎng)絡(luò)(NTN)”研究項(xiàng)目，開展衛(wèi)星通信在5G中的部署場景、空口設(shè)計(jì)等研究工作。

3) 2017年6月，歐洲成立了SaT5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)聯(lián)盟，成員包括BT、SES、Avanti、University of Surrey等歐洲企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)，旨在為5G提供一種性價(jià)比高、即插即用的衛(wèi)星解決方案，為衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈提供持續(xù)增長的市場機(jī)會。2018歐洲網(wǎng)絡(luò)與通信會議在斯洛文尼亞盧布里雅那舉行，在會議上，5家SaT5G成員現(xiàn)場演示了衛(wèi)星與3GPP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的融合，其中包括VT iDi-rect公司、SES公司。

圖2 Sat5G給出的衛(wèi)星5G應(yīng)用場景

4) 為了應(yīng)對5G系統(tǒng)提出的容量增長1000x的目標(biāo)，在歐盟H2020資助下啟動(dòng)的SANSA(Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas)計(jì)劃旨在為未來大容量無線通信系統(tǒng)提供很好的回程鏈路解決方案。SANSA項(xiàng)目提出了低開銷的智能天線波束成形技術(shù)、針對星地融合無線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)智能無線資源管理技術(shù)、基于數(shù)據(jù)庫輔助的動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)等，深入開展研究工作。

由于衛(wèi)星通信與地面無線通信在傳播距離、覆蓋范圍、功率能力等方面存在區(qū)別，實(shí)現(xiàn)兩者的深度融合面臨著一些不可避免的挑戰(zhàn)，以下從體系架構(gòu)、波束覆蓋、空口波形、頻譜共享、網(wǎng)絡(luò)控制等五個(gè)方面分析衛(wèi)星5G融合的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1體系架構(gòu)

在衛(wèi)星5G融合的體系架構(gòu)中，考慮高低軌混合的衛(wèi)星星座方面，同時(shí)通信頻段的設(shè)計(jì)也包括低頻段(如L、S頻段)和高頻段(如Ku、Ka頻段)，兼顧中低速和寬帶傳輸服務(wù)需求。衛(wèi)星覆蓋區(qū)隨著星下點(diǎn)移動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，終端用戶在不同蜂窩小區(qū)間切換。

低軌道衛(wèi)星星座的星間鏈路由激光或微波鏈路構(gòu)成，并且多顆衛(wèi)星互聯(lián)在一起，可構(gòu)成一個(gè)以衛(wèi)星作為交換節(jié)點(diǎn)的空間通信網(wǎng)絡(luò)。星座通常采用極軌星座進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是由于相鄰軌道面衛(wèi)星之間有著較為穩(wěn)定的相對位置關(guān)系(除了極區(qū)或反向縫)，有利于保持星間鏈路并實(shí)現(xiàn)高緯度區(qū)域覆蓋。此外，衛(wèi)星的饋電鏈路業(yè)務(wù)在關(guān)口站落地，關(guān)口站實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)與地面PSTN、PLMN以及互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通，這些操作都是在Ka或者Q/V等頻段實(shí)現(xiàn)。

目前關(guān)于星地融合網(wǎng)絡(luò)主要有三種架構(gòu)。第一種是星地互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)。在這種架構(gòu)下，5G系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)共用網(wǎng)管中心，但是各自的接入網(wǎng)、核心網(wǎng)保持獨(dú)立性。接入網(wǎng)和部分核心網(wǎng)功能由衛(wèi)星信關(guān)站提供，蜂窩和衛(wèi)星中的任意一種或兩種接入模式由終端進(jìn)行支持。第二種是星地混合網(wǎng)絡(luò)。在這種架構(gòu)下，地面系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)共用網(wǎng)管中心，同時(shí)空口部分也盡量統(tǒng)一，保持各自核心網(wǎng)和所用頻段的獨(dú)立性。終端可以支持地面和衛(wèi)星兩種接入模式。第三種是星地一體網(wǎng)絡(luò)。其主要特征是:整個(gè)系統(tǒng)的接入點(diǎn)(AP)、頻率、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)完全統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)。需要指出的是，星地一體網(wǎng)絡(luò)是星地融合通信系統(tǒng)的最高階段，面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

2.2波束覆蓋

在星地融合移動(dòng)通信系統(tǒng)中，通過調(diào)整其點(diǎn)波束和無線資源，為熱點(diǎn)地區(qū)提供超過預(yù)定容量的話音和數(shù)據(jù)服務(wù)，這種靈活的功能是通過數(shù)字波束成形(DBF)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。目前衛(wèi)星通信的數(shù)字波束成形技術(shù)主要有地面DBF、星載DBF和混合DBF三種形式，其中混合數(shù)字波束成形在性能和復(fù)雜度之間有很好的折中并得到了廣泛的研究。當(dāng)采用混合DBF時(shí)，地面網(wǎng)絡(luò)控制中心根據(jù)波束調(diào)整需求和相應(yīng)的策略，計(jì)算出優(yōu)化后的波束成形矩陣，然后通過饋電鏈路將波束成形矩陣的參數(shù)發(fā)送到衛(wèi)星，通過在星上進(jìn)行多波束天線的重構(gòu)，動(dòng)態(tài)調(diào)整對地的波束覆蓋。

由衛(wèi)星或者終端移動(dòng)帶來的切換主要有兩種:一種是衛(wèi)星系統(tǒng)內(nèi)部的切換。對于低軌衛(wèi)星而言，其相對地面位置快速變化，使得終端被同一顆衛(wèi)星連續(xù)覆蓋的時(shí)間只有十幾分鐘。因此為了防止切換過程中數(shù)據(jù)丟失，衛(wèi)星間或波束間切換必須提前做好準(zhǔn)備，并且快速執(zhí)行。另一種是終端在地面5G網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的切換。這種切換需要考慮支持星上處理和彎管透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)、時(shí)間同步、測量和信息協(xié)調(diào)等因素。當(dāng)蜂窩網(wǎng)信號非常弱的情況下，終端才會由蜂窩網(wǎng)切換到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，否則就維持在地面網(wǎng)絡(luò)的接入。

2.3空口波形

正交頻分復(fù)用(OFDM)仍為5G系統(tǒng)的基本傳輸體制，但其中的載波間干擾(ICI)會造成系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降，這是由于正交頻分復(fù)用技術(shù)本身對頻率偏移十分敏感，頻偏帶來的子載波間的串?dāng)_會降低通信性能。為了有效抵抗殘余頻偏對系統(tǒng)性能的影響，可采用可變子載波帶寬的設(shè)計(jì)方案。對于頻帶較窄的L頻段來說由于其支持的話音業(yè)務(wù)的碼率低至2．4Kbps，應(yīng)采用15KHz或者更窄的子載波設(shè)計(jì)。在Ka頻段，可以采用的子載波寬度較大，這是由于用戶往往是寬帶上網(wǎng)，且最小仰角較大，可有效降低多普勒效應(yīng)的影響。

另外，5G支持的非正交多址(NOMA)并不要求每個(gè)用戶獨(dú)占資源，用戶可以在非正交的資源上同時(shí)收發(fā)信息，基于多用戶聯(lián)合檢測，可以通過信號處理的手段避免用戶間的互相干擾。相對傳統(tǒng)的正交接入方式，NOMA技術(shù)的應(yīng)用可以使得頻譜效率提高3倍以上。目前已有面向地面5G系統(tǒng)的NOMA芯片開發(fā)出來，并獲得推廣應(yīng)用。NOMA技術(shù)是利用復(fù)雜度換取頻譜效率，也意味著會很難適用于長時(shí)延的靜止軌道(GEO)衛(wèi)星通信場景，因?yàn)榇罅康男帕罱换ビ脕韯?dòng)態(tài)控制用戶接入?yún)?shù)。后續(xù)應(yīng)針對衛(wèi)星通信中的NOMA技術(shù)開展技術(shù)研究工作。

2.4頻譜共享

無論對于衛(wèi)星通信還是地面移動(dòng)通信系統(tǒng)，可用頻譜的匱乏都已成為亟待解決的問題。尤其是衛(wèi)星通信和地面通信已在頻譜資源方面形成了激烈的競爭態(tài)勢，如衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用多年的C頻段和Ka頻段，已經(jīng)被ITU授權(quán)給了地面5G系統(tǒng)。兩者的頻譜競爭態(tài)勢具體包括:

1) Ka頻段方面:為了滿足用戶速率和系統(tǒng)容量快速的增長需求，5G和衛(wèi)星通信都希望采用Ka頻段甚至是毫米波頻段。例如:2019年世界無線電通信大會(WＲC－19)在全球范圍內(nèi)把24．25 GHz－27．5 GHz、37 GHz－43．5 GHz、66 GHz－71 GHz共14．75GHz帶寬的頻譜標(biāo)識用于5G和未來國際移動(dòng)通信系統(tǒng);美國FCC已經(jīng)將27．5GHz－28．35GHz、37 GHz－38．6 GHz頻段授權(quán)給地面5G使用，而這些頻段跟衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用的頻段有一定的交疊。

2) 3GHz－6GHz的C頻段:很多國家均提出要將C頻段作為5G系統(tǒng)的候選頻段，其中就有中國、歐盟、日本、韓國。但在亞洲地區(qū)，中國、越南、馬來西亞等國已經(jīng)在該頻段建設(shè)了大量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，地面5G系統(tǒng)使用C頻段的協(xié)調(diào)難度較大。

通過星地協(xié)同規(guī)劃實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置可提高頻率資源的高效使用。通過構(gòu)建星地聯(lián)合的頻譜感知系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)星地通信系統(tǒng)之間的頻譜共享，提高頻譜利用效率。與地面無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，認(rèn)知用戶對所處網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中所有頻譜的檢測難度大大增加，這是衛(wèi)星通信覆蓋范圍的廣域性引起的，頻譜數(shù)據(jù)庫更新迅速、波束形成、頻譜感知的精確性與認(rèn)知區(qū)域描述都是這一技術(shù)的研究重點(diǎn)。此外，從資源整合的角度來看，統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)蜂窩通信和衛(wèi)星通信，以“頻譜共享”的方式解決干擾，因此促進(jìn)頻率資源的共享使用，可以為衛(wèi)星通信系統(tǒng)與5G系統(tǒng)的深度融合提供兼容的基礎(chǔ)。

2.5網(wǎng)絡(luò)控制

通過SDN和NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)了端到端的網(wǎng)絡(luò)切片是5G系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)控制云最大的特征。SDN和NFV技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)承載和控制的分離和核心網(wǎng)網(wǎng)元的軟件化，它們?yōu)閷?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面5G進(jìn)行深度融合時(shí)，可以將衛(wèi)星核心網(wǎng)的控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能進(jìn)行分離，進(jìn)一步使轉(zhuǎn)發(fā)功能簡化下沉，并且為支持高流量的傳輸要求和靈活均衡的流量負(fù)載調(diào)度，可將業(yè)務(wù)存儲和計(jì)算能力從網(wǎng)絡(luò)中心下移到網(wǎng)絡(luò)邊緣。

為了支持與地面的融合，除了3GPP提供基本服務(wù)功能的9個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能，需要在5G衛(wèi)星核心網(wǎng)的用戶平面上新增加非3GPP互聯(lián)功能和用戶平面功能。

盡管衛(wèi)星5G融合工作已經(jīng)取得了諸多進(jìn)展，但要真正實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與5G融合這一美好愿景，還將面臨許多的技術(shù)挑戰(zhàn)。在衛(wèi)星和陸地領(lǐng)域有許多共同的挑戰(zhàn)，下面我們列出了其中主要的技術(shù)挑戰(zhàn)以及未來的研究方向。

1) 傳輸體制的挑戰(zhàn):在星地一體網(wǎng)絡(luò)傳輸中，多普勒頻移，頻率管理與干擾、功率受限和定時(shí)提前是亟需解決的問題。針對多普勒頻移，5G在傳輸體制上采用多載波OFDM，其子載波間隔設(shè)計(jì)沒有考慮大多普勒頻移的影響，會帶來子載波間的干擾。在功率受限方面，保證較高的頻帶利用率的同時(shí)降低信號峰均比。最后關(guān)于定時(shí)提前，無線鏈路傳輸延時(shí)的快速變化可能導(dǎo)致需要?jiǎng)討B(tài)更新終端的各個(gè)定時(shí)提前，以確保所有上行鏈路傳輸同步。

2) 接入與資源管理的挑戰(zhàn):考慮到星地一體網(wǎng)絡(luò)的長延時(shí)對MAC層與ＲLC層的接入控制、HAＲQ、AＲQ等過程都帶來了挑戰(zhàn)。在接入控制方面，為了支持5G與衛(wèi)星的有效融合，需要設(shè)計(jì)合理的預(yù)授權(quán)、半持續(xù)調(diào)度和免授權(quán)等接入機(jī)制。對于HAＲQ，其往返時(shí)間長度通常超過了HAＲQ最大定時(shí)器長度，HAＲQ過程對時(shí)間有嚴(yán)格要求。在MAC層及ＲLC層的調(diào)度過程中，衛(wèi)星系統(tǒng)的長延時(shí)也會影響調(diào)度的及時(shí)性，需要對其調(diào)度延遲參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3) 移動(dòng)性管理的挑戰(zhàn):在星地一體網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)性管理的挑戰(zhàn)更為嚴(yán)峻。按通信層次可分為網(wǎng)絡(luò)級切換和鏈路級切換。按照應(yīng)用場景分為地面小區(qū)間切換、衛(wèi)星和地面小區(qū)之間的切換、衛(wèi)星小區(qū)之間的切換、星間切換。這一問題已有探索，但還需進(jìn)一步研究。

衛(wèi)星通信和地面蜂窩通信系統(tǒng)經(jīng)歷了近三十年的發(fā)展，都取得了輝煌的成績。但由于其各自固有的局限，難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的移動(dòng)通信和海量數(shù)據(jù)互聯(lián)需求。近幾年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，未來的無線通信系統(tǒng)將面向從“人與人”到“人與物”、“物與物”的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)泛在通信和萬物互聯(lián)。通過衛(wèi)星通信和地面蜂窩通信的融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，則將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。本文從衛(wèi)星通信與5G融合的發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)、面臨的挑戰(zhàn)等方面進(jìn)行了介紹和探討，希望為該技術(shù)的發(fā)展提供參考和方向。

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