衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 融合發(fā)展探析

■徐冰玉 李俠宇（中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所）

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具備全球覆蓋、快速部署等優(yōu)勢，能夠滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋、天空等地區(qū)的覆蓋需求，有望成為地面蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)的有益補(bǔ)充，助力5G/6G 實現(xiàn)全球全域覆蓋及寬帶連接，滿足用戶全域化通信需求。本文分析了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面移動通信融合發(fā)展技術(shù)和產(chǎn)業(yè)研究情況、標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展，并深入研究星地融合的技術(shù)路線，探索推動衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 的融合發(fā)展建議。

1 引言

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是以太空域為承載空間，以衛(wèi)星和地面裝置為關(guān)鍵節(jié)點，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、航天技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)技術(shù)等為支撐的全球、全域、全時新型網(wǎng)絡(luò)信息基礎(chǔ)設(shè)施。其網(wǎng)絡(luò)具有全球覆蓋、寬窄帶融合、高低軌融合、星間鏈路、星上處理等特征，業(yè)務(wù)類型也在由傳統(tǒng)數(shù)據(jù)回傳、電話和窄帶數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)向?qū)拵Ы尤?、物?lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、導(dǎo)航增強(qiáng)等種類多元化業(yè)務(wù)拓展。

自衛(wèi)星移動通信出現(xiàn)以來，其通信技術(shù)體制設(shè)計與地面移動通信技術(shù)體制始終緊密結(jié)合。由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)委員會（ETSI）提出的最早的高軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體制地球同步靜止軌道衛(wèi)星移動無線接口（GMR）標(biāo)準(zhǔn)即是基于地面2G 全球移動通信系統(tǒng)（GSM）標(biāo)準(zhǔn)，采用了TDMA/FDD 體制。“舒拉亞”（Thuraya）、“銥星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）、“天通”等衛(wèi)星系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)體制均借鑒了地面的GMR、通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）、雙模寬帶擴(kuò)頻蜂窩系統(tǒng)的移動臺-基站兼容（IS-95）、第三代合作伙伴計劃（3GPP）等標(biāo)準(zhǔn)[1]。

隨著全球5G 網(wǎng)絡(luò)規(guī)?；逃贸掷m(xù)推進(jìn)，各國均開展針對5G 的技術(shù)驗證和產(chǎn)品開發(fā)，并開展6G 的戰(zhàn)略性研發(fā)部署。星地一體融合組網(wǎng)被視為未來移動通信網(wǎng)絡(luò)重要發(fā)展方向之一，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的融合也從覆蓋融合、業(yè)務(wù)融合走向體制融合、系統(tǒng)融合[2]。終端也在向低成本、小型化、輕量化、一體化方向發(fā)展。

2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 融合情況分析

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 融合發(fā)展意義

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將成為地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的接入能力補(bǔ)充。根據(jù)IMT-2030（6G）推進(jìn)組發(fā)布的《6G總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)》白皮書，6G 業(yè)務(wù)將包含全息通信、數(shù)字孿生、沉浸式云XR、感官互聯(lián)、全域覆蓋等八大業(yè)務(wù)應(yīng)用[3]。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為潛在架構(gòu)類關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠?qū)崿F(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)、海上、空中和海外的廣域立體覆蓋，滿足全時域、全天候的泛在覆蓋需求，實現(xiàn)用戶隨時隨地按需接入。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將拓展5G/6G 業(yè)務(wù)應(yīng)用。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)除了傳統(tǒng)機(jī)載、船載、車載等典型應(yīng)用外，還能夠通過與5G/6G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)緊密結(jié)合，拓展智能交通、森林防護(hù)、草場保護(hù)、海洋開發(fā)、遠(yuǎn)程教育、應(yīng)急指揮等領(lǐng)域的市場空間。同時，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將在車聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)及無人裝備、數(shù)字政府及智慧城市等新興領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 融合系統(tǒng)建設(shè)情況

目前，新興的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）、Lynk、AST，地面移動通信公司蘋果（Apple）、愛立信（Ericsson）、聯(lián)發(fā)科（MediaTek）、高通（Qualcomm）等，以及我國中國移動、華為、中興等企業(yè)均在積極開展智能手機(jī)與衛(wèi)星直連通信的相關(guān)技術(shù)研究和設(shè)備研制。

（1）新型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)公司加快手機(jī)直連衛(wèi)星部署進(jìn)程

2022 年8 月，SpaceX 公司與美國移動通信運營商T-Mobile 達(dá)成協(xié)議，2023 年發(fā)射的第二代“星鏈”（Starlink）衛(wèi)星將能夠使用T-Mobile 的PCS 頻段（1.9GHz，用于CDMA、GSM 和北美的TDMA 業(yè)務(wù)），為美國地區(qū)提供短信、低速率數(shù)據(jù)服務(wù)。預(yù)計二代“星鏈”衛(wèi)星重量超過1250kg，容量能夠達(dá)到200Gbit/s 以上。同時，二代“星鏈”將支持星上處理和星間鏈路技術(shù)，可降低對地面信關(guān)站的依賴實現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速落地。

美國AST公司計劃建立一個名為“SpaceMobile”的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，包含168 顆衛(wèi)星，力圖打造世界上第一個可通過標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)訪問的基于空間的蜂窩寬帶網(wǎng)絡(luò)。2022 年5 月獲得美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）授予的試驗許可，2022 年9月成功發(fā)射第二顆試驗衛(wèi)星BlueWalker-3。

美國Lynk 公司擬打造包含5000 顆低軌衛(wèi)星的星座，目前已經(jīng)發(fā)射6 顆衛(wèi)星，前5 顆試驗衛(wèi)星均已經(jīng)脫離軌道或者停止活動。第6 顆衛(wèi)星Lynk Tower-1 是其第一顆商用衛(wèi)星（但尚不具備商用能力），2022 年4 月成功發(fā)射。預(yù)計2022 年底將通過SpaceX 的“獵鷹”（Falcon）火箭再次發(fā)射3 顆衛(wèi)星，分別命名為Lynk Tower-2，3，4。Lynk 將蜂窩基站的標(biāo)準(zhǔn)軟件堆棧放在衛(wèi)星載荷上，標(biāo)準(zhǔn)GSM 和LTE 手機(jī)可以根據(jù)信號特征在地面基站和衛(wèi)星基站間切換。星座于2022 年9 月獲得美國FCC 的正式運營許可，預(yù)計在2022 年底開展商業(yè)運營。

美國全能空間公司（Omnispace）擬基于自身擁有的S 頻段（2～4GHz），利用基于3GPP 非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）技術(shù)的5G 設(shè)備實現(xiàn)5G 衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)的無縫通信。Omnispace 將支持3GPP 標(biāo)準(zhǔn)中的N256 頻段，開展手機(jī)直連衛(wèi)星服務(wù)。目前，星座的具體規(guī)模未知。2022 年4 月，Omnispace 的首顆衛(wèi)星Spark-1，通過SpaceX 的獵鷹—9 火箭，成功進(jìn)入預(yù)定軌道。

（2）地面移動通信龍頭企業(yè)積極開展手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)研究

蘋果公司與全球星衛(wèi)星通信公司合作開發(fā)手機(jī)直連衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)，2022 年11 月該業(yè)務(wù)已經(jīng)在美國和加拿大開展。當(dāng)iPhone 14 用戶超出蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍時，可利用衛(wèi)星向救援機(jī)構(gòu)發(fā)送文字、位置、醫(yī)療ID 和電池電量等信息，但不能接收信息。全球星也在2022 年向加拿大麥克唐納·德特威勒聯(lián)合公司（MDA）采購17 顆衛(wèi)星，總價值超過3.27億美元，用于服務(wù)現(xiàn)有用戶和潛在用戶，可為后續(xù)的蘋果手機(jī)直連衛(wèi)星業(yè)務(wù)提供保障。

2022 年7 月，愛立信公司與法國泰雷茲—阿萊尼亞空間公司（TAS）和美國高通公司聯(lián)合宣稱，將在法國開展基于5G NTN 的手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)測試驗證。2022 年8 月，半導(dǎo)體公司聯(lián)發(fā)科宣布，通過自研的具備5G NTN 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)功能的移動通信芯片，以及信道模擬器和測試基站，實驗室模擬完成全球首次5G NTN 衛(wèi)星手機(jī)連接，驗證了手機(jī)直連衛(wèi)星通信的可能性。

（3）我國移動通信企業(yè)也正加強(qiáng)星地融合的核心技術(shù)研究和產(chǎn)品研制

2022 年9 月6 日的華為Mate50 系列發(fā)布會上，華為宣布其Mate50 手機(jī)將支持北斗衛(wèi)星短報文功能。通過華為Mate50 手機(jī)，用戶能夠在沒有地面移動通信信號覆蓋的場景下，實現(xiàn)文字、位置信息向外發(fā)出，支持多條位置信息生成軌跡地圖等功能。不過Mate50 同iPhone14 一樣，只支持單向的衛(wèi)星通信，不能接收。2022 年8 月，中國移動、中國兵器等聯(lián)合完成國內(nèi)首顆手機(jī)北斗短報文通信射頻基帶一體化芯片研制，支持手機(jī)開展北斗短報文通信業(yè)務(wù)。同月，中國移動也聯(lián)合中興，基于3GPP NTN 協(xié)議，完成了端到端鏈路貫通，開展短消息、語音等低速率業(yè)務(wù)測試。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 融合標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)情況

（1）國際電信聯(lián)盟（ITU）積極制定5G 衛(wèi)星應(yīng)用場景、性能指標(biāo)和技術(shù)評估標(biāo)準(zhǔn)

2019 年7 月，ITU-R SG4 WP4B 組正式發(fā)布報告書《衛(wèi)星系統(tǒng)與下一代接入技術(shù)融合的關(guān)鍵要素》（Report ITU-R M.2460 -“Key elements for integration of satellite systems into Next Generation Access Technologies”）。該報告書參考了3GPP NTN 項目中關(guān)于5G 衛(wèi)星接入和空口的相關(guān)技術(shù)報告書，對5G 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、詳細(xì)指標(biāo)等內(nèi)容進(jìn)行了定義和分析[4]。2022 年5 月，我國牽頭的《IMT-2020 衛(wèi)星無線電接口愿景與需求報告書》（Report ITU-R M.[SAT-IMT2020.VISION &REQUIREMENTS]）在ITU-R 成功立項，主要開展5G 衛(wèi)星應(yīng)用場景、關(guān)鍵性能指標(biāo)和技術(shù)評估標(biāo)準(zhǔn)，為制定關(guān)于5G 衛(wèi)星部分無線電接口的詳細(xì)規(guī)范建議指明了方向。

（2）3GPP 開展透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下的衛(wèi)星接入技術(shù)研究

3GPP 從R15 階段開始啟動NTN 網(wǎng)絡(luò)的預(yù)研工作，重點研究衛(wèi)星接入地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景和信道模型。R16-R17 階段，3GPP 重點研究NR NTN 增強(qiáng)方案，全面開展了衛(wèi)星通信的系統(tǒng)架構(gòu)和空口接入技術(shù)以及接口協(xié)議研究。R17 階段，3GPP重點研究了衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下的關(guān)鍵技術(shù)[5]。2021年年底，3GPP 公布了首批R18 5G-Advanced 項目，其中包含NR NTN 增強(qiáng)和IoT NTN 增強(qiáng)這兩個衛(wèi)星通信相關(guān)議題，將進(jìn)一步利用衛(wèi)星的廣覆蓋特性輔助地面通信。

（3）中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）正開展多項星地融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究工作

CCSA 也在開展5G 衛(wèi)星通信融合場景和技術(shù)研究。2021 年，CCSA 完成了《面向5G 增強(qiáng)和6G 的星地融合技術(shù)研究》和《天地一體5G 網(wǎng)絡(luò)場景及需求》的研究工作。2022 年，中國信通院聯(lián)合中國衛(wèi)通、中國移動和華為等二十余家單位完成了《基于5G 的衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究》的研究工作。中國移動單位等正在開展《基于IoT NTN 的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)研究》的研究工作。

3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 發(fā)展技術(shù)路線

總體來看，未來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 的技術(shù)路線有兩個：一是獨立發(fā)展體制借鑒，二是終端融合無感接入。這兩條路線在標(biāo)準(zhǔn)體制、頻段、終端類型、產(chǎn)業(yè)鏈和業(yè)務(wù)類型等方面存在較大差異。

獨立發(fā)展體制借鑒

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)和地面移動通信系統(tǒng)采用不同的標(biāo)準(zhǔn)體制和系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)間相互獨立發(fā)展。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以充分借鑒地面移動通信標(biāo)準(zhǔn)體制，提升系統(tǒng)能力和用戶服務(wù)質(zhì)量。

在傳統(tǒng)衛(wèi)星Ka、Ku 高頻頻段，受到路徑損耗和智能終端能力的限制，衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)很難做到小型化智能終端上。終端類型以非手持式衛(wèi)星專用終端為主。目前一代“星鏈”“一網(wǎng)”（Oneweb）、“柯伊伯”（Kuiper）等星座均采用這種發(fā)展模式，主要為用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

在L（1～2GHz）、S（2～4GHz）、C（4～8GHz）等衛(wèi)星通信低頻頻段，由于衛(wèi)星信道環(huán)境較好，衛(wèi)星移動通信終端類型以手持式衛(wèi)星專用終端為主?！笆胬瓉啞薄叭蛐恰薄般炐恰薄疤焱ā薄氨倍范虉笪摹钡刃l(wèi)星系統(tǒng)均采用這種模式發(fā)展，為用戶提供短信、話音、低速率數(shù)據(jù)等窄帶業(yè)務(wù)。部分衛(wèi)星移動通信終端（例如“舒拉亞”“銥星”“天通”等衛(wèi)星終端）支持衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)的雙卡雙待，或允許用戶通過類似漫游的方式接入地面移動通信網(wǎng)絡(luò)，但系統(tǒng)間相互獨立運營，獨立進(jìn)行用戶鑒權(quán)、計費管理等功能。

終端融合無感接入

終端融合體制下，衛(wèi)星移動通信與地面5G/6G體制深度融合構(gòu)成一個整體，為用戶提供無感的接入服務(wù)，采用協(xié)同的資源調(diào)度、星地?zé)o縫漫游。在L 和S 等頻段，衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)將能夠融合到普通手機(jī)或者IoT 終端上。受到帶寬和手機(jī)發(fā)射功率的限制，衛(wèi)星通信主要提供短信、通話和低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，未來可能向?qū)拵I(yè)務(wù)拓展。衛(wèi)星運營商將與地面移動通信產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)深度合作，聯(lián)合開展協(xié)同組網(wǎng)、協(xié)議增強(qiáng)和設(shè)備兼容三大能力的技術(shù)攻關(guān)，充分借鑒地面5G/6G 產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)，提升衛(wèi)星通信的產(chǎn)業(yè)化水平。

目前，ITU、3GPP 等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織也在積極討論衛(wèi)星與地面融合技術(shù)體制和標(biāo)準(zhǔn)。國外企業(yè)包括愛立信、高通、泰雷茲、聯(lián)科發(fā)，以及我國的紫光展銳、中興、中國移動等均開展相關(guān)技術(shù)研究和測試驗證，共同推動衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)與地面移動通信融合發(fā)展。終端融合、無感接入的技術(shù)路線是目前衛(wèi)星與地面融合發(fā)展的重點方向，也是業(yè)界關(guān)注的焦點。

4 我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 融合發(fā)展建議

加快衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 交叉學(xué)科人才培養(yǎng)

以“高精尖缺”為導(dǎo)向，積極招引頭部企業(yè)、軍工央企外溢高層次人才和團(tuán)隊。加大國際航天領(lǐng)域青年人才儲備，尤其在新技術(shù)、新領(lǐng)域，支持高校、企業(yè)、科研院所全球招募青年人才，并加大核心示范人才的獎勵，并為“專精特新”型企業(yè)及其關(guān)鍵人才提供一系列配套和優(yōu)惠條件。加大對衛(wèi)星通信、5G/6G、平臺經(jīng)濟(jì)、人工智能、大數(shù)據(jù)、車聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化治理等多領(lǐng)域的融合型數(shù)字化人才的引進(jìn)和培養(yǎng)力度，提升衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的數(shù)字經(jīng)濟(jì)科技創(chuàng)新和轉(zhuǎn)化能力，推動衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 融合產(chǎn)業(yè)智能化、數(shù)字化發(fā)展。

推動衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 融合應(yīng)用場景構(gòu)建和平臺開發(fā)

結(jié)合我國高低軌的衛(wèi)星資源優(yōu)勢，推動衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與各領(lǐng)域融合應(yīng)用。探索政府側(cè)和市場側(cè)應(yīng)用，建立面向各行業(yè)部門的支持多場景的衛(wèi)星數(shù)據(jù)綜合服務(wù)平臺。深化衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 融合技術(shù)在智慧城市、防險救災(zāi)、無人機(jī)、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，樹立典型示范應(yīng)用標(biāo)桿，打造國內(nèi)一流的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 融合應(yīng)用創(chuàng)新平臺。針對不同用戶和應(yīng)用場景，做定制化、模塊化開發(fā)服務(wù)，打造特色化天地融合應(yīng)用產(chǎn)品，提升產(chǎn)品的綜合競爭力。

深化衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 融合技術(shù)研究

以ITU、3GPP 中NTN 技術(shù)研究成果為基礎(chǔ)，研究星地融合網(wǎng)絡(luò)高效傳輸技術(shù)、星地按需確定性服務(wù)管控、自主掌控星地端到端網(wǎng)絡(luò)切片、星地一體化資源編排、多域聯(lián)合管控等關(guān)鍵技術(shù)。開展5G寬帶衛(wèi)星通信相關(guān)技術(shù)試驗和應(yīng)用演示，驗證5G信號體制和關(guān)鍵協(xié)議流程在星地融合場景下的正常高效運行。把握新一代通信技術(shù)發(fā)展趨勢和方向，推動衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和6G 融合技術(shù)布局和發(fā)展。

加快衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G/6G 融合標(biāo)準(zhǔn)體系制訂和推進(jìn)工作

充分借鑒我國地面移動通信4G、5G 標(biāo)準(zhǔn)研制成功經(jīng)驗，積極參與推動ITU、3GPP 和CCSA 衛(wèi)星與地面融合發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)化工作，大力推動手機(jī)直連衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)多模終端產(chǎn)業(yè)規(guī)?；腿蚧l(fā)展。制定標(biāo)準(zhǔn)體系國際推進(jìn)策略，以我國自主可控的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)為牽引，在滿足業(yè)務(wù)需求的基礎(chǔ)上具備較強(qiáng)的先進(jìn)性、國際性以及通用性。