衛星通信與5G融合關鍵技術與應用

汪春霆　翟立君　盧寧寧　李寧　(中國電子科技集團公司第五十四研究所)

地面第五代移動通信（5G）即將進入商用，衛星通信與地面5G的融合成為業界討論的新熱點。本文首先介紹了星地融合的發展歷史，分析了星地融合的發展趨勢；進而提出了星地融合的設計思路，并在此基礎上對可能涉及到的關鍵技術進行了探討；最后，給出了未來衛星與5G相融合的應用場景設想。

1　國際星地融合現狀與趨勢

從20世紀90年代開始，隨著移動衛星通信的發展，關于衛星與地面移動通信相互融合的討論與嘗試就從未停止。地面移動通信系統為用戶提供了便捷的服務，然而在山地、荒漠及海上等地區，由于基站架設困難，衛星成為地面的補充和延伸。如今，地面移動通信系統即將進入5G時代，衛星通信呈現高中低軌多層立體化發展、由單星系統向網絡化發展及寬帶高通量發展的特征，星地融合迎來新的時代。

移動衛星通信與地面的融合

隨著地面移動通信系統的世代更替，衛星與地面的相互融合也隨之不斷發展。早期的北美衛星移動通信（MSAT）系統采用地面模擬蜂窩網技術；瑟拉亞（Thuraya）衛星通信系統在設計過程中采用了類似全球移動通信系統（GSM）/通用分組無線服務技術（GPRS）體制的對地靜止軌道無線接口（GMR）標準；低軌衛星星座“銥”衛星（Iridium）和全球星（GlobalStar）的空中接口則是以第二代移動通信的GSM和IS-95作為藍本。國際移動衛星－4（Inmarsat－4）系統采用的IAI-2標準以及歐洲電信標準化協會（ETSI）發布的全球衛星移動通信系統（S-UMTS）標準均基于寬帶碼分多址（WCDMA）框架設計。在國內，我國從2010年開始啟動了一系列基于長期演進（LTE）標準的衛星移動通信相關研究，并于2012年5月向國際電聯提交了衛星通信系統LTE標準草案。2016年發射的天通一號（Tiantong－1）衛星在空中接口的設計上也借鑒并部分采用了3GPP-R6的標準。

值得一提的是，美國光平方公司（MSV，其前身為美國移動衛星風險公司）的天際陸地（SkyTerra）系統，其主要思路是通過布設地面輔助基站（Ancillary Terrestrial Component,ATC）來解決衛星在城市及室內覆蓋不佳的問題。衛星與基站復用同一頻段，空中接口信號格式幾乎相同，終端可以在衛星與地面基站間無縫切換，用戶無需使用雙模終端即可在全美國范圍內使用天際陸地系統提供的全球微波互聯接入（WiMAX）、LTE等4G無線寬帶網絡。同樣采用地面輔助基站實現星地融合的系統還有支持4G的同步軌道衛星“陸地星”（TerreStar），其地面網絡由美國電話電報公司（AT&T）提供，借助18.28m直徑的S頻段可展開天線，“陸地星”可以直接支持地面網級別的手持機。

互聯網衛星星座與地面的融合

近年來，互聯網衛星星座的發展突飛猛進，典型的代表系統包括“另外三十億人”（O3b）系統、“一網”（OneWeb）系統和美國太空探索技術公司（SpaceX）計劃打造的“星鏈”（Starlink）互聯網星座。其主要特征包括：多采用中、低軌道，相比同步軌道衛星可以大幅度降低往返傳輸延時，使衛星傳輸的體驗可以與地面光纖相媲美；采用幾十甚至幾百顆小衛星星座組網實現大范圍覆蓋，通過模塊化設計大幅度降低衛星生產成本，從而降低通信資費，為用戶提供平價的通信服務；多采用Ka或Ku頻段，系統容量大幅度提高，例如，“另外三十億人”系統的單波束可以提供1.6Gbit/s的傳輸速率，每顆星70個波束，“一網”系統單星傳輸能力大于6Gbit/s，下行速率可達50Mbit/s，系統總容量約5Tbit/s，可以為傳統互聯網架設成本過于昂貴的地區提供高速寬帶互聯網接入服務。

在與地面移動通信系統的融合方面，互聯網星座大多采用IP交換技術，實現與地面互聯網的融合互通。在市場策略上，互聯網衛星星座摒棄了衛星星座的鼻祖——“銥”衛星系統獨立建網、與地面移動通信相競爭的策略，轉而與電信運營商開展合作。用衛星為地面蜂窩提供回程服務，拓展現有地面電信運營商的網絡覆蓋范圍；或是用衛星接收設備為周圍一定范圍內的用戶提供高速無線接入服務，滿足車輛、偏遠地區家庭等用戶的上網需要。不出售類似銥星電話似的專用衛星終端設備，用戶可以繼續使用現有的智能手機和平板電腦訪問衛星網絡。

星地融合國際組織

隨著5G技術的日益成熟，衛星與5G的融合也引起了許多關注，包括3GPP、ITU在內的標準化組織成立了專門工作組著手研究星地融合的標準化問題，業內的部分企業與研究組織也投入到星地一體化的研究工作當中。

1）SaT5G：2017年 6月，BT、Avanti、SES、University of Surrey等16家企業及研究機構聯合成立了SaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）聯盟，研究衛星與地面5G融合技術，計劃在30個月內完成無縫集成方案，并進行試用。其工作內容包括網絡體系結構、商業價值主張、關鍵技術及驗證等，最終將進行演示驗證，同時還將推進星地5G融合在國際組織中的標準化工作。

2）3GPP：3GPP也對衛星與地面5G的融合開展了一系列探討，認為在一些工業應用場景中，衛星的廣域覆蓋能力是不可或缺的，但是由于星地傳輸時延較大，因此需要網絡至少能夠支持280ms的傳輸延時。對于星地融合的網絡架構，3GPP提出了4種初步模型，并對與衛星相關的接入網協議及架構進行了評估，并計劃進一步開展基于5G的接入研究，重點討論新的以及現有服務的需求，衛星終端特性的建立、配置與維護，以及在衛星網絡與地面網絡間的切換問題。

3）ITU：國際電信聯盟（ITU）提出了星地5G融合的4種應用場景，包括中繼到站、小區回傳、動中通及混合多播場景，并提出支持這些必須考慮的關鍵因素，包括多播支持、智能路由支持、動態緩存管理及自適應流支持、延時、一致的服務質量（QoS）、網絡功能虛擬化（NFV）/軟件定義網絡（SDN）兼容、商業模式的靈活性等。

星地融合趨勢

從發展歷史來看，星地融合包含了技術與市場兩方面。

1）技術方面。星地融合架構既有透明彎管轉發，也有星上接入，松耦合與緊耦合的星地融合網絡架構將在很長時間內并存；目前，制約星地融合的主要瓶頸是頻率資源，隨著低軌星座的大面積部署，頻率沖突的問題將愈發嚴重，探索星地頻率規劃及頻率復用新技術是實現星地融合需要解決的首要問題；為了實現地面終端一體化、小型化，衛星與地面的空中接口逐步趨向融合，大規模多輸入多輸出（Massive MIMO）、非正交多址及新型多載波傳輸等5G新的空中接口技術在衛星通信中的應用將成為未來一段時期內的研究熱點，目前有部分技術已經逐步在浮空平臺等非地面網絡中開展試驗；星地網絡全IP化是大勢所趨，NFV/SDN等技術在星地融合中發揮突出作用。

2）市場方面。星地網絡由競爭走向合作，衛星網絡以提供回程服務、基站拉遠等方式成為地面網絡的補充。在國外，合作共贏的星地融合新商業模式正在興起；在國內，產業割裂的壁壘短期內仍然存在，需要依托政府力量，通過企業間的合作實現產業融合。

3GPP非陸地網絡架構示意圖

2 設計思路

總體思路

截至2017年年中，全球互聯網普及率僅為51.7%，我國為54.3%，尚有近一半的人群未能接入互聯網，而這些人中的絕大多數位于老少邊窮地區，網絡基礎設施架設困難，如何利用衛星通信來彌合數字鴻溝成為脫貧致富的重要因素。全球范圍內物流、交通、油礦業、林業、漁業以及工業互聯網等新型業態的發展，對統一的全球信息基礎設施提出很高的要求，星地融合設計提供了解決該問題的思路。通過引入先進地面商用通信技術，軍民融合聚焦國防科技創新，也可改善軍事衛星通信裝備作戰效能。最后，星地一體的融合設計有助于打破天網與地網的分立局面，實現頻譜等無線資源的優化配置，采用虛擬化等新技術，提升衛星有效載荷的能效，簡化終端設計，降低用戶成本。

本文提出了一種全面星地融合的設計思路，重點考慮了以下三個方面的內容：首先，要實現星地網絡架構的一體化設計，實現網絡層面的互聯互通；其次，要從整體角度出發進行統一的頻率規劃，避免星地間的頻率沖突與干擾，提高頻率資源使用效率；最后，考慮星地網絡功能的協同部署將網絡和信息服務功能分解，實現功能的就近按需調度。

組網設計

星地網絡融合的模式可以采用松耦合的分立組網模式與緊耦合的融合組網模式。在松耦合的模式下，衛星與地面網絡各自獨立，由衛星將數據中繼到地面中心站，再由地面網絡實現數據分發，或者由衛星為地面基站提供回傳服務；在緊耦合的模式下，衛星與地面采用統一的空口設計，衛星與地面網協同服務、統一管理、統一計費，終端采用融合設計，用戶只需要一臺終端就可以在衛星與地面網絡間實現無縫切換。

2017年12月，3GPP凍結了非獨立組網NSA方案（R15），作為5G商用的初期架構，在物理層面上，尤其是業務傳輸信道上采用5G關鍵技術，在接入網協議體系上，仍然采用類似于LTE的方案。作為5G獨立組網SA的接入網協議架構標準尚在研究與制定中，考慮到部署時間，未來星地融合的衛星接入網可以考慮采用與 SA同樣的協議體系。

頻率設計

頻率資源是制約星地融合的瓶頸之一，無論是用于移動衛星業務（MSS）的低頻段，還是用于寬帶業務的高頻資源都極其緊張，因此，頻率的使用需要通過星地協同規劃實現資源的優化配置。例如，在L、S等低頻段，星地采用不同載頻，由地面基站服務小區中心用戶，由衛星為小區邊緣用戶提供服務，此方案可以同時提高地面蜂窩網的頻率復用效率；在Ku、Ka等高頻段，由于天線波束角較窄，可以利用波束的自然空間分割降低系統間干擾。

星地頻率協同規劃

網絡功能虛擬化部署

在5G的新型網絡架構中，引入了網絡功能虛擬化與軟件定義網絡這兩種技術，實現了控制平面與數據平面的分離。星地網絡的融合也將建立在網絡功能的解耦基礎上，實現獨立部署、升級和擴展，使整個系統更具敏捷性、適應應用的變化。在星地融合網絡中，功能的執行只需要空閑的處理器，而并不關心這個處理器來自衛星或者地面站，是永久配置的還是臨時調度的。對于高優先級、高服務質量的業務和用戶，在星上劃分資源完成其所有相關處理，反之盡量推送給地面節點以降低載荷成本，這改變了以往由于網元功能緊耦合和集中導致的星地功能分割絕對化。

3　關鍵技術

一體化的空中接口

星地網絡采用統一的空中接口設計有助于實現天地網絡間無縫漫游與平滑切換，也有助于減小終端體積并降低終端功耗，為用戶提供高質量的一致化服務體驗。考慮到未來與地面5G系統的融合，空中接口上可以采用的關鍵技術包括多載波、新型編碼及非正交多址等。

1）多載波技術。對于新型的波形，正交頻分復用（OFDM）仍然是5G初期的主要技術，而對于非同步軌道衛星來說，由于移動過程通信傾角變化較大，采用多載波技術也可以有效解決多徑、遮擋等問題。不同的是，由于覆蓋區很大，星地鏈路的循環前綴、上行隨機接入物理信道（RACH）導頻獨立設計是需要考慮的首要問題。

2）新型編碼技術。未來星地一體化網絡的空中接口面臨復雜的業務需求，業務速率范圍寬、誤碼率和時延要求多樣化，既需要支持業務速率達每秒數百兆比特的寬帶互聯網業務，也需要支持每秒幾百比特的物聯網短數據業務，編碼調制方案必須提供多種組合以適應上述復雜業務的需求，因此可考慮與地面5G采用類似的極化碼（Polar）與低密度奇偶校驗碼（LDPC）組合方案。

3）非正交多址技術（NOMA）。非正交多址對天基的物聯網場景支持以及提升頻譜利用率具有很強的吸引力。目前，該技術主要包括功率域方案以及碼域的稀疏碼多址接入（SCMA）、多用戶共享接入MUSA。在星地融合空中接口上，功率域方案不易實施，碼域方案是較為可行的實現途徑。由于星上處理能力有限，低復雜度多址算法設計是需要突破的主要技術問題。

組網與服務

1）端到端傳輸。采用了高速星間傳輸后，低軌星座具有了顯著的“大延時帶寬積”特性。當前主流的端到端控制TCP協議并不能很好地適應上述“大延時帶寬積”的場景。當網絡出現擁塞時，窗口下降太快會導致線性恢復過程緩慢。因此，對端到端傳輸協議的優化是需要解決的首要問題。

2）邊緣計算服務架構。隨著智能設備的快速發展，用戶正從以數據消費者為主的單一角色過渡到兼顧數據生產者的雙重角色，在網絡邊緣產生數據、處理數據這一趨勢日益明顯。業界因此提出了“霧計算”概念，又稱邊緣計算。數據首先通過身邊的“霧節點”進行計算、抽象、存儲和壓縮，從而減小了向云內傳輸以及組織云內節點計算帶來的開銷，同時也減輕了云端處理用戶數據帶來的安全問題。對于處理能力有限的衛星來說，邊緣計算是提高服務質量、降低服務成本的有效手段。

4　應用場景

連續接入服務

衛星/5G融合網絡支持用戶終端在不同地面5G接入網和衛星5G接入網之間的無縫切換，在行人、家用汽車、火車、長途汽車、商用飛機，以及艦艇等移動平臺上裝載具有衛星接入能力的用戶終端，可以在長距離移動過程中提供連續的5G接入能力，使其在穿越海洋、山區、沙漠等地理區域的同時，享受不間斷的5G網絡服務。

該服務可以支持兩種典型應用場景：星地5G網絡切換與漫游、衛星5G跨國境接入。

1）星地5G網絡切換與漫游。以遠洋運輸為例，為了實現集裝箱全過程監控，可以在每個集裝箱上安裝具備衛星接入、網絡重選擇功能的用戶終端。在港口區域，用戶終端優先選擇使用地面5G接入網將位置、溫度等參數上報給中心服務器；在公海區域，由于無地面網絡可用，用戶終端優先選擇使用衛星5G接入網。用戶終端在地面5G接入網和衛星5G接入網之間自動實現漫游、切換。

2）衛星5G跨國境接入。網絡運營商TA和TB分別在國家A和國家B提供地面5G接入服務，衛星SA和衛星SB的覆蓋區域同TA和TB部分重合。通過在跨國境移動的行人、車輛以及其他平臺上，裝配具備衛星接入、網絡重選擇能力的用戶終端，衛星/5G融合網絡可以為它們提供連續、不間斷的一致性5G服務體驗，使其在TA、TB、SA、SB之間自動切換。

泛在接入服務

衛星/5G融合網絡可以實現對大地理區域的廣域覆蓋，為曠野、邊遠地區及受災區域提供連續不間斷的5G泛在接入服務，并且支持物聯網節點的大規模接入。其主要應用場景包括以下兩種。

1）衛星5G物聯網接入。衛星/5G融合網絡使用低軌衛星星座提供海量機器通信（mMTC）或窄帶物聯網（NB-IoT）服務，在智慧農業、智慧漁業、智慧海洋、輸油管道監控、物流運輸等物聯網應用中使用的用戶終端，應具備衛星接入，網絡優化選擇能力。當存在地面5G接入覆蓋時，用戶終端使用地面網絡上報位置、狀態信息；當不存在地面網絡時，用戶終端使用衛星5G接入網上報位置和狀態信息。

2）衛星5G應急補充。在人煙稀少、且地面運營商預期經濟收益不高的地理區域，衛星/5G融合網絡可以為偏遠地區家庭用戶提供5G網絡接入服務；在地震、洪水、戰爭等突發事件，導致地面網絡臨時中斷或地面網絡基礎設施整體毀滅的情況下，衛星/5G融合網絡可以為潛在用戶提供5G接入服務。

可擴展接入服務

在3GPP R14中已明確提出使用蜂窩網傳送視頻內容的需求。在衛星/5G融合網絡中，衛星5G接入網可以使用廣播、組播技術為較大地理范圍內的移動/固定設備提供數字內容分發（包括3D電視、高清視頻等）服務。在業務繁忙的時間段，還可以使用路由重定向技術，使用衛星5G接入網分流地面5G接入網的用戶流量，避免網絡擁塞。

可擴展接入服務可以支持衛星5G廣播與組播等應用場景。隨著流媒體數量和質量的快速增長，利用衛星信道的廣播特征，使用衛星5G接入網，實現對特定地理區域中多個用戶終端的數字內容并行分發，以降低地面5G接入網的傳輸負載。在該應用場景中，用戶終端可以同時從衛星5G接入網和地面5G接入網接收數字內容，并具備將兩種來源的數據流組合在一起使用的能力。

5　結束語

衛星通信與5G系統的融合將為用戶帶來更廣泛連續的覆蓋，將話音、互聯網、物聯網等應用拓展到更廣闊的范圍，實現空天地的綜合通信服務保障。本文對星地融合的網絡架構、頻率規劃、功能部署等核心問題進行了探討，并對星地融合的關鍵技術進行了分析，為5G與衛星系統的融合，以及天地一體化信息網絡的建設提供了切實可行的思路。