融合5G的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)①

翟 華

(北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094)

0 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展和智能終端設備的推廣應用，人們對移動通信的速率提出了更大的要求，第五代移動通信系統(tǒng)(5G)旨在提供10Gbps～20Gbps的峰值速率以及100Mbps～1Gbps的用戶體驗速率，滿足更為豐富的業(yè)務需求[1-2]。5G憑借其無線通信服務容量大、業(yè)務多和速率高等特點，可廣泛應用于人口密集地區(qū)，但在人煙稀少或難以鋪設地面網(wǎng)絡的地區(qū)就很難發(fā)揮其優(yōu)勢。相比地面移動通信網(wǎng)絡，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、靈活性高和能適應多種業(yè)務等不可比擬的優(yōu)點，因而可以利用衛(wèi)星對人煙稀少或難以鋪設地面網(wǎng)絡的地區(qū)進行覆蓋，與地面網(wǎng)絡形成良好的互補，以此來實現(xiàn)真正的全球覆蓋，為全球用戶提供無差別的通信服務。事實上，人們對衛(wèi)星通信的應用早于地面蜂窩無線通信的建設。國際上首個商用的通信衛(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)在上世紀八十年代才開始建設。近幾十年來，國際上投入運營的衛(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(Globalstar)、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)通信星座的建設熱潮，如OneWeb、Starlink，引發(fā)了備受關注的國際熱點。衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面無線通信系統(tǒng)的融合建設，也再次成為國際范圍內(nèi)深入論證的發(fā)展方向[3-6]。

1 衛(wèi)星與5G融合的研究現(xiàn)狀

21世紀初，運營商通過獲得組建星地混合通信網(wǎng)絡的授權，使衛(wèi)星通信進入了主流市場，并且為了擴展衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，增加了地面輔助組件(ATC)或地面補充組件(CGC)。ATC是指一種用于衛(wèi)星移動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雜問題，例如：衛(wèi)星和ATC基站頻率復用、天地系統(tǒng)的切換和協(xié)調(diào)控制。

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

1)國際電信聯(lián)盟在2016年提出了“下一代移動通信網(wǎng)應滿足用戶能隨時隨地訪問服務”的需求，在衛(wèi)星接入技術領域開展了ITU-R M.[NGAT_SAT]標準的研究[7]，針對星地融合提出了4種典型的應用場景，包括中繼寬帶傳輸業(yè)務、數(shù)據(jù)回傳及分發(fā)業(yè)務、寬帶移動通信業(yè)務、混合多媒體業(yè)務，如下圖所示，并明確了為支持以上應用所具備的關鍵特性。此外，ITU也積極推進關于衛(wèi)星與5G在頻率使用方面的工作，并開展了一系列關于衛(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種應用場景

2)第三代合作伙伴計劃(3GPP)自2017年的Release14標準開始論證衛(wèi)星通信對地面移動通信系統(tǒng)帶來優(yōu)勢[8,9]。在2017年底發(fā)布的技術報告TR22.822中，3GPP工作組SA1定義了連續(xù)服務、泛在服務和擴展服務這三大在5G中使用衛(wèi)星接入的用例，并討論了新的及現(xiàn)有服務的需求。目前，3GPP主要依托名為“非地面網(wǎng)絡(NTN)”研究項目，開展衛(wèi)星通信在5G中的部署場景、空口設計等研究工作[6]。

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)及研究機構，旨在為5G提供一種性價比高、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)增長的市場機會[10]。2018歐洲網(wǎng)絡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)絡架構的融合，其中包括VT iDirect公司、SES公司。

圖2 Sat5G給出的衛(wèi)星5G應用場景

4)為了應對5G系統(tǒng)提出的容量增長1000x的目標，在歐盟H2020資助下啟動的SANSA (Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas)計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[11]。SANSA項目提出了低開銷的智能天線波束成形技術、針對星地融合無線網(wǎng)絡的動態(tài)智能無線資源管理技術、基于數(shù)據(jù)庫輔助的動態(tài)頻譜共享技術等，深入開展研究工作。

2 衛(wèi)星5G融合的關鍵技術

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，實現(xiàn)兩者的深度融合面臨著一些不可避免的挑戰(zhàn)[12-16]，以下從體系架構、波束覆蓋、空口波形、頻譜共享、網(wǎng)絡控制等五個方面分析衛(wèi)星5G融合的關鍵技術。

2.1 體系架構

在衛(wèi)星5G融合的體系架構中，考慮高低軌混合的衛(wèi)星星座方面，同時通信頻段的設計也包括低頻段(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需求。衛(wèi)星覆蓋區(qū)隨著星下點移動而運動，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成，并且多顆衛(wèi)星互聯(lián)在一起，可構成一個以衛(wèi)星作為交換節(jié)點的空間通信網(wǎng)絡。星座通常采用極軌星座進行設計，這是由于相鄰軌道面衛(wèi)星之間有著較為穩(wěn)定的相對位置關系(除了極區(qū)或反向縫)，有利于保持星間鏈路并實現(xiàn)高緯度區(qū)域覆蓋。此外，衛(wèi)星的饋電鏈路業(yè)務在關口站落地，關口站實現(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等頻段實現(xiàn)。

目前關于星地融合網(wǎng)絡主要有三種架構。第一種是星地互補網(wǎng)絡。在這種架構下，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)保持獨立性。接入網(wǎng)和部分核心網(wǎng)功能由衛(wèi)星信關站提供，蜂窩和衛(wèi)星中的任意一種或兩種接入模式由終端進行支持。第二種是星地混合網(wǎng)絡。在這種架構下，地面系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)共用網(wǎng)管中心，同時空口部分也盡量統(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。其主要特征是： 整個系統(tǒng)的接入點(AP)、頻率、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)完全統(tǒng)一規(guī)劃和設計。需要指出的是，星地一體網(wǎng)絡是星地融合通信系統(tǒng)的最高階段，面臨著巨大的技術挑戰(zhàn)。

2.2 波束覆蓋

在星地融合移動通信系統(tǒng)中，通過調(diào)整其點波束和無線資源，為熱點地區(qū)提供超過預定容量的話音和數(shù)據(jù)服務，這種靈活的功能是通過數(shù)字波束成形(DBF)技術來實現(xiàn)的。目前衛(wèi)星通信的數(shù)字波束成形技術主要有地面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雜度之間有很好的折中并得到了廣泛的研究。當采用混合DBF時，地面網(wǎng)絡控制中心根據(jù)波束調(diào)整需求和相應的策略，計算出優(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，通過在星上進行多波束天線的重構，動態(tài)調(diào)整對地的波束覆蓋。

由衛(wèi)星或者終端移動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備，并且快速執(zhí)行。另一種是終端在地面5G網(wǎng)絡與衛(wèi)星網(wǎng)絡之間的切換。這種切換需要考慮支持星上處理和彎管透明轉發(fā)架構、時間同步、測量和信息協(xié)調(diào)等因素。當蜂窩網(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，否則就維持在地面網(wǎng)絡的接入。

2.3 空口波形

正交頻分復用(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)性能的嚴重下降，這是由于正交頻分復用技術本身對頻率偏移十分敏感，頻偏帶來的子載波間的串擾會降低通信性能。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計方案。對于頻帶較窄的L頻段來說由于其支持的話音業(yè)務的碼率低至2.4Kbps，應采用15KHz或者更窄的子載波設計。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的影響。

另外，5G支持的非正交多址(NOMA)并不要求每個用戶獨占資源，用戶可以在非正交的資源上同時收發(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技術的應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，并獲得推廣應用。NOMA技術是利用復雜度換取頻譜效率，也意味著會很難適用于長時延的靜止軌道(GEO)衛(wèi)星通信場景，因為大量的信令交互用來動態(tài)控制用戶接入?yún)?shù)。后續(xù)應針對衛(wèi)星通信中的NOMA技術開展技術研究工作。

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帶寬的頻譜標識用于5G和未來國際移動通信系統(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)劃實現(xiàn)優(yōu)化配置可提高頻率資源的高效使用。通過構建星地聯(lián)合的頻譜感知系統(tǒng)，可以實現(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)絡相比，認知用戶對所處網(wǎng)絡環(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知區(qū)域描述都是這一技術的研究重點。此外，從資源整合的角度來看，統(tǒng)一規(guī)劃和設計蜂窩通信和衛(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。

2.5 網(wǎng)絡控制

通過SDN和NFV技術實現(xiàn)了端到端的網(wǎng)絡切片是5G系統(tǒng)中網(wǎng)絡控制云最大的特征。SDN和NFV技術分別實現(xiàn)了網(wǎng)絡承載和控制的分離和核心網(wǎng)網(wǎng)元的軟件化，它們?yōu)閷崿F(xiàn)網(wǎng)絡切片提供了堅實的基礎。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面5G進行深度融合時，可以將衛(wèi)星核心網(wǎng)的控制功能和轉發(fā)功能進行分離，進一步使轉發(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載調(diào)度，可將業(yè)務存儲和計算能力從網(wǎng)絡中心下移到網(wǎng)絡邊緣。

為了支持與地面的融合，除了3GPP提供基本服務功能的9個網(wǎng)絡功能，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。

3 衛(wèi)星5G融合面臨的挑戰(zhàn)及研究方向

盡管衛(wèi)星5G融合工作已經(jīng)取得了諸多進展，但要真正實現(xiàn)衛(wèi)星與5G融合這一美好愿景，還將面臨許多的技術挑戰(zhàn)。在衛(wèi)星和陸地領域有許多共同的挑戰(zhàn)，下面我們列出了其中主要的技術挑戰(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)絡傳輸中，多普勒頻移，頻率管理與干擾、功率受限和定時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，其子載波間隔設計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降低信號峰均比。最后關于定時提前，無線鏈路傳輸延時的快速變化可能導致需要動態(tài)更新終端的各個定時提前，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)絡的長延時對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，需要設計合理的預授權、半持續(xù)調(diào)度和免授權等接入機制。對于HARQ，其往返時間長度通常超過了HARQ最大定時器長度，HARQ過程對時間有嚴格要求。在MAC層及RLC層的調(diào)度過程中，衛(wèi)星系統(tǒng)的長延時也會影響調(diào)度的及時性，需要對其調(diào)度延遲參數(shù)進行調(diào)整。

3)移動性管理的挑戰(zhàn)：在星地一體網(wǎng)絡中，移動性管理的挑戰(zhàn)更為嚴峻。按通信層次可分為網(wǎng)絡級切換和鏈路級切換。按照應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，但還需進一步研究。

4 結束語

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”的轉換，實現(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，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，則將迎來新的發(fā)展機遇。本文從衛(wèi)星通信與5G融合的發(fā)展現(xiàn)狀、關鍵技術、面臨的挑戰(zhàn)等方面進行了介紹和探討，希望為該技術的發(fā)展提供參考和方向。