衛星通信與地面5G的融合初探（二）

+ 汪春霆 李 寧 翟立君 盧寧寧

四、星地5G融合的挑戰

衛星通信系統與地面移動通信系統在部署環境、信道傳播特征等方面存在很多差異，為兩者的融合以及在衛星網絡中支撐5G服務能力帶來了許多挑戰，需要在衛星與5G融合的系統設計過程中加以考慮。

表1 GEO與LEO（600km軌道高度）多普勒頻移評估

1、傳輸體制的挑戰

①多普勒頻移

地面移動通信網絡基礎設施基本固定，基站與終端的相對位置變化主要由終端的移動性產生；對于衛星網絡來說，不止終端具有移動特征，衛星也沿其軌道處于高速運動狀態。地球同步軌道衛星相對地面基本靜止，由于太陽、月亮等天體帶來的擾動和影響地球引力的非球面分量地球引力，衛星也會圍繞其標稱軌道位置小幅度移動；位于中、低軌道的衛星相對地球表面高速運動。3GPP對衛星與地面終端運動帶來的多普勒頻移及變化率進行了評估，并以半徑10km的地面蜂窩小區為基準，進行了對比，如表1所示。

可見，對于衛星通信系統來說，特別是非同步軌道衛星，多普勒頻移帶來的影響不容忽視。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到多普勒頻移的影響，無法滿足衛星系統的需要（主要是低軌道衛星），尤其是在Ka或Ku等高頻段，多普勒頻移將帶來子載波間的干擾。

②頻率管理與干擾

目前衛星通信系統可用的頻率資源較為有限，包括S頻段的2×15MHz（上下行）和Ka頻段的2×2500MHz（上下行）。為提高系統容量，一般通過多色復用提高頻率資源的利用率，在系統設計中需要考慮消除小區間干擾。另外，衛星網絡與地面網絡之間的干擾、在赤道地區同步軌道衛星與非同步軌道衛星系統間的干擾也是制約系統性能的主要因素。

③功率受限

不同于陸地蜂窩網，衛星上的功率資源有限，為了能在給定發射功率條件下最大化吞吐量，功放要工作在鄰近飽和點的狀態。5G的下行鏈路使用CP-OFDM波形，具有較高的峰均比，在衛星的下行鏈路直接使用5G信號波形會降低功放效率，并帶來散熱等問題。因此在保證較高的頻帶利用率的同時降低信號峰均比是5G與衛星通信融合信號體制設計中需要解決的重要問題。

④定時提前

對于非同步軌道衛星來說，高速運動導致無線鏈路傳輸延時快速變化，可能需要動態更新終端的各個定時提前（Time Advance,TA），以確保所有上行鏈路傳輸在gNB接收點處同步。另外，衛星鏈路的延遲遠遠超過了5G新空口的TTI，可能需要適當的TA索引值來解決這一問題。

表2 星地延時特征（信關站仰角5°，終端仰角10°）

2、接入與資源管理的挑戰

衛星飛行在距地面幾百公里到幾萬公里高度的太空中，傳輸延時成為不可忽略的問題，表2對比了包含GEO、LEO和MEO在內不同軌道高度衛星傳輸的單向最大延時與最大延時差。其中，對于透明轉發模式，單向延時指的是從信關站到衛星再到終端的傳輸總延時；對于星上處理模式，單向延時指的是從衛星到終端的傳輸延時。最大延時差指的是一個波束覆蓋區內從最低點到覆蓋區邊緣位置的延時差值。

從表中可見，在GEO衛星接入網絡中，衛星與終端之間的單向傳播延時可以達到240ms，兩者之間收到分組的確認需要1/2秒左右，對于低軌衛星，這一延遲也在20ms以上，遠高于地面5G蜂窩網的傳輸延時，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。

①接入控制

為了在移動條件下支持多變的業務需求，5G要求接入控制的響應時間盡可能小，在衛星系統中，接入控制在衛星基站或者信關站實現，高傳輸延時導致接入控制的響應時間大幅度增加。因此，為了支持5G與衛星的有效融合，需要設計合理的預授權、半持續調度和免授權等接入機制。

②HARQ

HARQ過程對時間有嚴格要求。在衛星通信中，往返時間（Round Trip Time, RTT）長度通常超過了HARQ最大定時器長度，受限于終端的內存以及可以并行處理的信道數量，并不能僅僅簡單地將HARQ過程的數量進行線性擴展以適應衛星信道。

③MAC及RLC過程

RLC層的ARQ過程需要緩存已經發送的分組，直到收到分組確認或者計時器超時發起重傳，在衛星系統中，需要更大的緩存來應對長傳輸延時，并且有可能限制每個傳輸分組所允許重傳的次數。此外，在MAC層及RLC層的調度過程中，衛星系統的長延時也會影響調度的及時性，需要對其調度延遲參數進行調整。

3、移動性管理的挑戰

①位置更新過程

在地面蜂窩網絡中，終端駐留在小區中，該小區在無線接入網中具有唯一標識，只要終端停留的注冊區不變，就不需要更新位置。如果出現指向該終端的通信請求，AMF會嘗試在該注冊區的所有小區上尋呼UE。而在非同步軌道衛星接入網中，隨著衛星的移動，終端會隨著時間的推移而駐留在不同的波束和不同的衛星上，地面上的小區和衛星波束之間沒有對應關系。因此，在入網初始注冊時，網絡將無法基于波束和接收到注冊請求的衛星向AMF提供跟蹤區信息，當終端發生移動時無法順利執行位置更新，如果出現指向該終端的通信請求，將無法順利實現尋呼。

②切換過程

由于衛星或者終端移動帶來的切換主要有兩種，其一是衛星系統內的切換，對于低軌衛星系統，其相對地面位置快速變化，終端被同一顆衛星連續覆蓋的時間只有十幾分鐘，對于采用多波束的低軌衛星，同一波束連續覆蓋終端的時間只有幾分鐘，因此衛星間或波束間切換必須快速執行，并防止切換過程中數據丟失。

其二是終端在地面5G網絡與衛星網絡之間的切換，網絡間的切換過程需要考慮多方面因素：

· 同時支持星上處理和彎管透明轉發架構

· 切換準備與切換失敗處理

· 時間同步

· 測量對象協調

· 無損切換的支持

需要注意的是，切換的方向不同，觸發條件也不一樣，例如，當地面蜂窩網信號足夠的時候，終端由衛星網絡切換到地面網絡；但是，只有當蜂窩網信號非常弱的時候，終端才會離開蜂窩網。

圖7 未來與5G融合的的衛星通信網絡構成

五、衛星5G融合的初步思路

1、未來衛星系統的構成

根據當前我國空間信息網絡規劃以及國內外相關領域發展趨勢，未來衛星通信系統構成如圖7所示。衛星通信系統采用高、低軌衛星混合軌道設計。采用低頻段或者高頻段多波束天線，在地面形成蜂窩狀覆蓋，分別實現中低速和寬帶傳輸服務功能。覆蓋區隨著星下點移動而運動，終端用戶在不同蜂窩小區（波束）間切換。

低軌道衛星星座采用激光或微波鏈路構建星間鏈路，互聯構成空間網絡。星座較為適合采用極軌星座設計，相鄰軌道面衛星之間的相對位置關系較為穩定（除了極區或反向縫），利于星間鏈路的保持，且能夠實現高緯度區域覆蓋。衛星采用Ka或者Q/V等頻段實現饋電鏈路業務在關口站落地,關口站實現衛星網與地面PSTN、PLMN以及互聯網的互聯互通。

目前網絡虛擬化成為5G系統的發展趨勢。信關站可以與地面5G網絡共用同一個云平臺，從而協調彼此之間的服務提供、頻譜配置、干擾管理、用戶移動性管理等信息，實現地面5G網絡與衛星網絡協同融合來為終端提供服務。

2、融合內涵和層次

本文將衛星通信與地面5G融合的劃分為以下5個層次：

①覆蓋融合：衛星網絡用于補充覆蓋地面網絡，兩者仍然是相互獨立的網絡，提供的業務和采用的技術互不相同；

②業務融合：兩者仍然獨立組網，但能夠提供相同或相似的業務質量，在部分服務QoS指標上到達一致水平；

圖8 衛星5G總體架構設想

③用戶融合：使用同一的用戶身份（碼號）提供服務，用戶身份唯一、統一計費，網絡按需選擇利用衛星或者地面網絡提供服務；

④體制融合：采用相同的架構、傳輸和交換技術，用戶終端、關口站或者衛星載荷可大量采用地面網技術成果；

⑤系統融合：星地構成一個整體，提供用戶無感的一致服務，采用協同的資源調度、一致的服務質量、星地無縫的漫游。

目前，從需求發展的角度和3GPP等組織開展的5G NTN工作來看，當前設計目標至少是實現第4層次的體制融合。5G第二階段標準(R16)將研究面向5G“非地面網絡”架構、需求和接入網RAN開展研究。

3、從衛星網絡的業務構成來看，與地面網絡互通仍然占據主要份額。

短期內衛星網絡仍然是以透明轉發為主、星上處理為主要工作模式。對于透明轉發器，衛星充當射頻信號轉發單元。衛星5G的架構的研究主要面向星上轉發業務，具體擬解決以下問題：

①如何實現5G網元功能的合理星地、星間分割，尤其是星上處理業務流量處于次要地位情況下。

②如何支持星上不落地的直接交換，如TtT(TerminaltoTerminal)呼叫，以及寬帶網狀用戶專網的構建。

圖8給出了一種可能的衛星5G網絡架構設想。對于星上處理業務中接入網gNB基站部署在衛星上，實現空中接口的處理，然后借助星間網絡將基于IP承載業務和信令傳遞給核心網。核心網部署在由衛星星上處理載荷和關口站處理載荷構成的一體化虛擬的“云”設施上，其各種服務可以根據需求部署在衛星或者關口站。星上處理器是非常寶貴的，大部分業務的核心網功能應該調度在關口站，當支持少量TtT業務或者空間多跳回傳業務時，核心網功能可以部署在星上。

在研究5G功能的星地分割合理問題時，主要研究內容集中在以下幾點：

a)研究和仿真長延時、高誤碼、LEO衛星運動條件下網元和協議棧功能在星地之間不同分割方式對主要流程以及系統技術指標（如業務建立延時、呼通率等）的影響，包括位置更新、隨機接入、RRC連接建立、與核心網連接建立、鑒權和加密、無線承載建立和釋放、尋呼以及切換等；

b)在不同部署方案中，梳理、和評估協議內上述流程涉及的所有定時器或者定時機制受到的影響；

c)在不同部署方案中，梳理、評估所有閉環調整機制的性能受到的影響，包括HARQ、定時提前、功率調整、測量和信道信息反饋等機制。

4、空中接口設計

①空中接口分層結構

我國的天通1號、國外的Thuraya-3、Inmarsat-4衛星均采用與3GPP-R4/R6相同架構以及空中接口分層方法，在保留了上層協議（主要是NAS層）大部分設計前提下，主要在MAC層以下以及RRC協議上針對衛星特點進行了適應性設計。因此，在空中接口分層結構上，未來衛星網絡與地面5G可采用相同的設計方案，如圖9所示。

②雙工模式

衛星網絡中雙工模式選擇需要考慮幾個因素：

a）衛星、波束（小區）和終端不斷運動造成的定時困難；

b）MIMO在衛星中的適用受限，TDD上下行互易性帶來的優勢不能發揮；

c）衛星網絡需要全球范圍內的頻率協調，并遵循ITU的分配方案，目前可用頻段內尚存在可用的對稱頻段資源，如L頻段的1668-1675MHz（地對空）、1518-1525MHz（空對地）。

③波形設計

信道模型是空中波形接口設計的主要考慮因素。根據ITU發布的“Recommendation ITU-R P.681-10(12/2017)，Propagation data required for the design of Earth-space land mobile telecommunication systems”，衛星通信信道可以采用兩狀態Markov模型描述，每個狀態又服從Loo模型,模型適應性覆蓋0-20Ghz以及城區、郊區等多個場景。低頻段傳輸由于終端的設計最小通信仰角可能較低（如銥星為10度），必須考慮信號多徑傳播效應。高頻段由于接收天線存在增益，只能接收有限到達角范圍多徑信號，且最小仰角較高（如OneWeb為55度），可以不考慮多徑效應。

目前5G下行采用CP-OFDM波形方案，上行采用基于DFT擴展的OFDM波形方案DFT-SOFDM或者CP-OFDM，對應子載波帶寬可選15KHz、30KHZ、60KHz、120Kz、240KHz。在衛星系統中，波形設計除了要考慮對信道特性的適配之外，峰均比PAPR是一個重要的約束。根據目前的研究，DFT-S-OFDM在峰均比性能上優于CP-OFDM，但其在抗多徑、寬帶傳輸性能上不具備優勢，這可能導致我們在高低兩個頻段上作出不同的設計組合。

當前，DVB-S2采用的單載波時分復用模式SC-TDM用于低軌道星座高頻段的下行也受到一定關注，主要是其具有更低PAPR。OneWeb星座采用了下行SC-TDM、上行DFTS-OFDM的方案，巧妙融合了DVB和3GPP兩個協議體系的成果。目前羅德與施瓦茨公司提供了SMW-K130和SMW-K355選件，借助R&SSMW200A信號源可實現OneWeb信號模擬。

④復用

當采用CP-OFDM、DFT-S-OFDM作為波形后，高低頻仍然能夠參考5G的時、頻、空域資源劃分方式。5G的無線資源是一個三維結構，涉及天線端口、載波、時隙等多種概念的組合，圖10給出了其基本概念的邏輯組織關系。

在衛星系統中，需要為低速話音業務（天通1號系統話音速率可低至1.2Kbps）或者物聯網業務設計資源塊RB，減少每個RB占據子載波數和持續符號數，從而降低物聯網終端、話音終端的發射功率、功放線性度要求，并提升同時接入的連接數。也可以設計更小的子載波，如增加7.5KHz配置。如果類似于OneWeb在下行采用SC-TDM，MAC層和物理層需要重新設計邏輯信道、物理信道和資源建模方式。

在復用方面還可以考慮非正交多址技術,但考慮到多個終端與衛星距離差異不大，功率域方案適用性需要仔細研究。

圖9 空中接口控制面結構

⑤定時問題

對于GEO衛星而言，相對運動主要由用戶終端的低速移動造成，由此造成的衛星與用戶終端的距離變化率和時延變化率可忽略，定時提前TA值具有一定的穩定性。對于LEO衛星而言，由于衛星相對于終端在不斷運動，導致衛星與終端的距離變化率和時延變化率不斷變化。

在LEO剛出現或者剛消失時，對于終端而言，具有最大的距離變化率，即存在最大的時延變化率。LEO衛星在剛出現的時刻相對于終端的徑向速度最大，但不大于衛星飛行速度。以軌道高度為800km的衛星為例，衛星飛行速度約為7.5km/s，終端的往返傳輸時延約為22ms，期間由于衛星移動造成的最大距離變化值不高于165m，由此引起的時間不確定度不高于0.55us。LEO軌道高度分別為800km和1200km時，最快延時變化率分別約為22us/s和20us/s，且軌道高度越低，距離和延時的變化率越高。

在衛星移動通信中，循環前綴CP的持續時間須達到最大往返時延差和最大時延擴展之和，這樣就確保了星上基站在觀察間隔內能夠接受到衛星移動終端發送的完整序列。衛星覆蓋很大，波束中心和波束邊緣用戶的延時差較大。天通1號的波束覆蓋區的10萬平方公里，如果簡單的以直徑除以光速來設置CP，則CP長達1.2ms。銥星大概一個波束16萬平方公里，CP需要長達1.51ms。由于5G的一個時隙僅1ms，這顯然是不可行的，此外如前所述這個延時還在不停地變化。由于低軌道衛星的軌跡是可預測的，基于位置進行延時補償是一個可能的思路。

圖10 5G無線資源的多維組織結構

圖11 星地虛擬化架構示意圖

5、基于SDN/NFV的網絡虛擬化部署

通過將與呼叫緊密相關的核心網就近天基部署在用戶接入衛星上，可以達到加快接入的目的。基于歐洲電信標準組織（ETSI）的NFV 架構以及國內電信廠商的建議，本文設想了了天地一體化網絡虛擬化架構，如圖11所示。實現5G網絡虛擬化管理實體主要包括虛擬設施管理（VIM）、虛擬網元管理（VNFM）和虛擬業務編排（VNFO）。

虛擬設施管理（Virtual Infrastructure Management，VIM）負責虛擬化基礎設施的管理。作為基礎設施中處理單元CPU、FPGA等硬件資源既能夠設置于衛星上，也可設置于地面站。虛擬網元管理（Virtual Network Function Management，VNFM）負責5G虛擬網絡功能的生命周期管理及其資源使用情況的監控。虛擬任務編排（Virtual Network Function Organization，VNFO）：VNFO負責基礎設施和虛擬化網絡功能VNF的管理和編排，進而實現完整的網絡服務。