衛星通信與地面5G的融合初探（一）

+ 汪春霆 李寧 翟立君 盧寧寧

一、概述

相比地面移動通信網絡，衛星通信利用高、中、低軌衛星可實現廣域甚至全球覆蓋，可以為全球用戶提供無差別的通信服務。銥星（Iridium）、海事衛星（Inmarsat）、瑟拉亞（Thuraya）等商用移動衛星通信系統為海上、應急及個人移動通信等應用提供了有效的解決方案；O3b、OneWeb、Starlink等中低軌衛星星座將衛星通信服務與互聯網業務相融合，為衛星通信產業注入新的活力。同時，未來地面第五代移動通信（5G）將具備完善的產業鏈、巨大的用戶群體、靈活高效的應用服務模式等。衛星通信系統與5G相互融合，取長補短，共同構成全球無縫覆蓋的海、陸、空、天一體化綜合通信網，滿足用戶無處不在的多種業務需求，是未來通信發展的重要方向。衛星與5G的融合將充分發揮各自優勢，為用戶提供更全面優質的服務，主要體現在：

· 在地面5G網絡無法覆蓋的偏遠地區、飛機上或者遠洋艦艇上，衛星可以提供經濟可靠的網絡服務，將網絡延伸到地面網絡無法到達的地方。

· 衛星可以為物聯網設備以及飛機、輪船、火車、汽車等移動載體用戶提供連續不間斷的網絡連接，衛星與5G融合后，可以大幅度增強5G系統在這方面的服務能力。

· 衛星優越的廣播/多播能力可以為網絡邊緣及用戶終端提供高效的數據分發服務。

二、發展現狀

1、第五代移動通信系統（5G）

2018年6月，隨著5G新空口(NR: New Radio)獨立組網功能的凍結，5G已經完成第一階段的全面標準化工作，進入全面產業化階段，預計2020年實現全面商用。

與前幾代移動通信相比，5G的系統性能大幅提高，峰值速率可達10Gbps～20Gbps，用戶體驗速率可達100Mbps～1Gbps，連接數密度每平方公里可達100萬，每平方米流量密度可達10Mbps，能夠支持500km/h運動情況下的通信。

從業務能力來說，5G能夠滿足更為豐富的業務需求。過去幾代移動通信主要實現“人與人”之間的通信；而在5G時代，還要實現“人與物”、“物與物”之間的高效通信，最終實現“萬物互聯”。國際電信聯盟（ITU）將增強的移動寬帶（eMBB）、高可靠低延遲通信（uRLLC）以及大規模機器通信（mMTC）定義為5G的三大主要應用場景。

5G支持包含毫米波在內的廣泛的工作頻段，利用大規模多天線（Massive MIMO）、高效的信道編碼技術、非正交多址、多載波等關鍵技術實現更高的頻譜效率和系統容量；在5G網絡中，核心網的概念進一步弱化，網絡功能下沉到網絡邊緣，從而降低數據平面與控制平面的傳輸延時，通過軟件定義網路（SDN）/網絡功能虛擬化（NFV）等技術實現控制轉發分離，以及網元功能與物理實體的解耦，實現網絡資源的高效管控與分配。

從具體技術發展上看，大規模天線目前在用戶水平分散分布與水平+垂直分散分布兩個測試場景下，峰值吞吐量達到4Gbps@100MHz。SCMA（華為）、MUS（中興）、PDMA（大唐）等非正交多址方案下行吞吐量增益達到86%、上行接入能力提升了3倍。華為測試了Ploar碼，比較于目前LTE采用的turbo碼，在靜止場景下短碼性能增益提升0.35-0.48dB、長碼性能增益提升0.35-0.6dB，在移動場景下短碼性能增益提升約0.34dB、長碼增益提升約0.37dB。在高頻段通信方面，愛立信在15GHz頻段測試中，室外視距/非視距環境平均下行吞吐量分別為7.2Gbps和5.1Gbps。2018年，華為與日本NT的28GHz外場測試中，信號覆蓋距離達到了1.2km，網絡下行吞吐率達到4.52Gbps、上行達到了1.55Gbps。

2018年8月，在IMT2020推進組組織的中國5G技術研發試驗第三階段測試中，華為、愛立信等完成了5G獨立組網（Standalone，SA）的C頻段測試，這標志著5G商用已具備基礎。同期，中興通信聯合中國電信在雄安區實現了首個5G覆蓋和全景直播試驗，面向白洋淀五水共治、智慧治水應用，展示了5G在未來新型智慧城市和生態治理等領域的應用潛力。在終端方面，華為于2018年2月發布了G商用芯片“Balong 5G01”，同時支持Sub6GHz（低頻）和mmWave（高頻），支持SA和NSA，可實現2.3Gbps的傳輸速率。高通推出的X50調制解調器主要面向28GHz，Intel推出的XMM 8060 則主要面向Sub6GHz。

2、衛星通信發展現狀

截止2017年底，全球在軌通信衛星數量805顆，占在軌衛星總數的45%。

典型地球同步軌道衛星移動通信系統有Inmarsat、Thuraya、TerreStar、SkyTerra等系統。已經發展到第五代的國際海事衛星（Inmarsat）系統采用Ka頻段，實現了從移動通信向大容量、高帶寬方向的發展，對于60cm口徑地面終端可提供50Mbps接收、5Mbps發送。美國衛訊公司的Viasat是典型的寬帶衛星通信系統，其Viasat-1容量140Gbps，ViaSat-2衛星容量達到300Gbps。

典型的低軌通信衛星星座，如銥星系統（Iridium），1987年由美國摩托羅拉公司提出，1998年完成由72顆低軌通信衛星組網的第一代系統建設，主要為手持移動電話用戶提供全球個人通信服務，目前正在部署的下一代系統（Iridium Next），提供通信、氣候變化監視、多光譜對地成像等綜合業務。

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O3b、一網系統（OneWeb）和SpaceX計劃打造的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O3b的單波束可以提供1.6Gbps的傳輸速率，每顆星70個波束，OneWeb單星容量5-8Gbps，系統總容量超過7Tbps，可以為0.36m口徑天線的終端提供50Mbps的互聯網接入服務。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。

我國衛星通信系統經過幾十年獨立自主發展，已形成一定建設規模。目前正在發展以固定業務為主的高通量衛星通信系統和以移動業務為主的衛星移動通信系統，低軌通信衛星也進入試驗階段，發展歷程如圖1所示。

圖1 我國衛星通信系統發展歷程

圖2 天通1號衛星移動通信系統

民用衛星通信領域，主要建設發展中星、亞太系列通信廣播衛星系統，通信業務基本實現亞洲、歐洲、非洲、太平洋等區域覆蓋，在全球衛星空間段運營服務商排名第六位。目前，在軌運行C、Ku、Ka頻段的民用通信衛星共15顆。我國高通量寬帶衛星發展剛剛起步，整體技術水平、系統容量和服務能力與國外先進衛星系統尚有差距，2017年發射的首顆高通量Ka寬帶衛星“中星16號”，容量達到20Gbps。2016年我國發射的“天通一號”01星是我國自主建設的首顆移動通信衛星（圖2），采用透明轉發器，窄帶單載波傳輸體制，常規模式業務支持最低1.2Kbps電路域話音、最高分組域384Kbps的數據業務。

低軌通信衛星系統方面，我國正在規劃的系統主要包括國家科技創新-2030重大項目“天地一體化信息網絡低軌接入網”，航天科技集團的“鴻雁工程”、航天科工集團的“虹云工程”等。天地一體化信息網絡重大項目低軌接入網軌道高度800～1100km，提供全球無縫覆蓋的移動、寬帶通信服務，支持航空/航海監視、頻譜監視、導航增強以及廣域物聯網服務等。鴻雁星座軌道高度1100公里，由324顆衛星組成，支持移動通信、寬帶互聯網接入、物聯網接入、熱點信息推送、導航增強、航空航海監視六大應用；虹云工程軌道高度1040公里，由156顆衛星組成，支持互聯網、物聯網等應用。

從衛星通信的發展歷程來看，目前分立的衛星通信系統逐步向著天地異構網絡互聯互通、天地一體的方向發展。一方面，需求和市場牽引天基網絡走向泛在，天基、地面網絡優勢結合互補，各類應用滲透到陸海空天各個角落和人們生活的方方面面。另一方面，在科學技術創新驅動下，天基網絡的容量快速增大、速率顯著提高、服務不斷拓展、成本明顯降低，正在顛覆傳統的電信行業概念，引領產業創新和商業模式創新。

三、衛星通信與5G的融合

1、星地融合通信的發展歷史

從上世紀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。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MSAT系統采用地面模擬蜂窩網技術；Thuraya系統在設計過程中采用了類似GSM/GPRS體制的GMR標準；低軌衛星星座銥星和GlobalStar的空中接口則是以GSM和IS-95作為藍本。Imarsat-4衛星系統采用的IAI-2標準以及ETSI發布的S-UMTS標準均基于WCDMA框架設計。在國內，從2010年開始，我國啟動了一系列基于LTE標準的衛星移動通信技術研究，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年發射的天通一號衛星在空中接口的設計上也借鑒并部分采用了3GPP的標準。

值得一提的是美國光平方公司（前身為美國移動衛星風險公司MSV）的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SkyTerra提供的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TerreStar，其地面網絡由美國電話電報公司（AT&T）提供，借助18.28米直徑的S頻段可展開天線，TerreStar可以直接支持地面網級別的手持機。

近年來快速發展的互聯網衛星星座采用基于統一的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銥星（Iridium）系統建設運營初期獨立建網、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。用衛星為蜂窩提供回程服務，解決“最后1公里”的問題，或是將衛星接收設備做小區“熱點”，拓展現有的地面網絡，用戶可以使用現有的智能手機和平板電腦訪問衛星網絡。

2、5G時代星地融合的新發展

2.1 國際進展情況

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 ITU

圖3 ITU提出的衛星5G融合場景示意圖

針對衛星與地面5G融合的問題，國際電信聯盟（ITU，International Telecommunication Union）提出了星地5G融合的4種應用場景(圖3)，包括中繼到站、小區回傳、動中通及混合多播場景，并提出支持這些場景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、NFV（Network Function Virtualization，網絡功能虛擬化）/SDN（Software Def i ned Network，軟件定義網絡）兼容、商業模式的靈活性等。

② 3GPP

3GPP從R14開始著手開展星地融合的研究工作。在TS22.261中，對衛星在5G系統中的角色和優勢進行了探討，作為5G多種接入技術之一，衛星在一些要求廣域覆蓋的工業應用場景中具有顯著優勢。衛星網絡可以在地面5G覆蓋的薄弱地區提供低成本的覆蓋方案，對于5G網絡中的M2M/IoT，以及為高速移動載體上的乘客提供無所不及的網絡服務，借助衛星優越的廣播/多播能力，可以為網絡邊緣網元及用戶終端提供廣播/多播信息服務。

在2017年底發布的技術報告22.822中，3GPP工作組SA1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。在這份報告中，定義了在5G中使用衛星接入的三大類用例，分別是連續服務、泛在服務和擴展服務。并討論了新的及現有服務的需求，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。

在3GPP名為“面向‘非地面網絡’中的5G新空口”研究項目中，定義了包括衛星網絡在內的非地面網絡（NTN:Non-terrestrial networks）的部署場景。按照3GPP的定義，5G網絡中的NTN應用場景包括8個增強型移動寬帶（eMBB）場景和2個大規模機器類通信（mMTC）場景。借助衛星的廣域覆蓋能力，可以使運營商在地面網絡基礎設施不發達地區提供5G商用服務，實現5G業務連續性，尤其是在應急通信、海事通信、航空通信及鐵路沿線通信等場景中發揮作用。38.811規定的衛星網絡架構可能包含的系統組成包括：

· NTN終端：3GPP 用戶終端（UE）和非3GPP UE （衛星終端）

· 用戶鏈路(Service Link)：UE和衛星之間的鏈路

· 空間平臺(Space Platform)：搭載彎管或者具備星上處理能力的衛星

· 星間鏈路(ISL: Inter-Satellite Links)：對于具備星上處理能力衛星間的鏈路

· 信關站(Gateway)：連接衛星和地面核心網的網元

· 饋電鏈路

在非地面網絡與地面5G融合的網絡架構上，3GPP提出了星地融合的4種網絡架構初步模型（圖5）。這份報告還對衛星5G場景中的傳輸延時、多普勒頻移進行了估計，并對在非地面網絡中部署5G新空口需要做的適應性修改進行了討論，包括由于衛星等空間飛行器的移動性帶來的切換和尋呼問題、定時提前的調整、下行鏈路同步等問題，星地鏈路長延時對HARQ、MAC/RLC過程、物理層ACM及功率控制等過程的影響，衛星小區尺寸過大給PRACH和隨機過程帶來的影響以及對隨機接入響應消息中定時提前的影響，多徑時延擴展帶來的問題，雙工模式問題，對CP-OFDM技術在衛星上的適用性也進行了分析。

圖4 5G網絡中非地面網絡架構

圖5 3GPP非陸地網絡架構示意圖

圖6 Sat5G工作內容

③ 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，計劃在30個月內完成衛星與5G的無縫集成方案，并進行試用。整個項目將完成以下6個方面的工作：

1) 定義和評估將星地5G融合的網絡體系結構解決方案；

2) 研究星地5G融合的商業價值主張；

3) 定義和開發星地5G融合的相關關鍵技術；

4) 在實驗室的測試環境中驗證關鍵技術；

5) 對星地5G融合的特性和用例進行演示；

6) 推進星地5G融合在3GPP和ETSI中的標準化工作。

為了實現衛星通信與5G的即插即用，Sat5G提出了6大技術研究支柱，開展重點研究工作，如圖6所示。

1）5G SDN與NFV在衛星網絡的部署，提供衛星功能組件的虛擬化，以實現衛星和移動網絡元素的集成，從而使衛星系統適應5G環境。

2）融合網絡的管理與編排，實現涉及衛星和移動集成網絡切片的端到端編排和管理。

3）多鏈路與異構傳輸，通過衛星與地面網絡間業務流的智能分發提升用戶體驗質量（QoE）。

4）衛星通信與5G控制面與用戶面的協調，在3GPP的層2及更高協議層中支持衛星通信，也有可能會涉及到物理層的調整。

5）5G安全在衛星中的擴展，驗證5G網絡安全特性在衛星網元中的無縫操作。

6）用于優化內容和NFV分發的緩存與多播，在移動網絡小區額外利用衛星通信實現內容更有效地分發。

根據最新報道，在斯洛文尼亞盧布里雅那舉行的2018歐洲網絡與通信會議上，包括VT iDirect公司、SES公司在內的5家SaT5G成員現場演示了衛星與3GPP網絡架構的融合，該Pre-5G測試平臺由軟件定義網絡（SDN）/網絡功能虛擬化（NFV）/移動邊緣計算（MEC）和GEO衛星組成，同時還演示了衛星回程功能及Pre-5G網絡中多媒體內容的邊緣分發功能。

④ ALIX項目

ALIX項目源于歐洲航天局（ESA）的“5G衛星計劃”，其目標是積極參與3GPP標準化過程，以定義5G衛星組件及其與其它網絡的接口。項目計劃從2018年1月開始，持續2年。ALIX項目建立了標準化特別任務小組（SSIG），共包含38名成員（Airbus, Avanti,ESA, Echostar, Eutelsat, Inmarsat, Intelsat, SES,Thales Alenia Space, Surrey等），其中28個是3GPP成員，包括衛星運營商、服務和技術提供商、地面和衛星部門制造商以及國際機構和高校。

項目組已經成功提交了3項研究/工作項目，將衛星列入3GPP R16的一部分，涉及服務和系統（SA）和無線接入網絡（RAN），分別是：

· SA1 工作項目：衛星一體化的標準化階段

· SA2 研究項目：衛星5G系統架構

· RAN1/2/3研究項目：支持非地面網絡（NTN）的NR解決方案

每個季度，項目進展將在3GPP的全體會議上進行匯報并在會后加以完善。從3GPP發布的會議內容來看，ALIX項目在下一階段的工作重點包括物理層解決方案、接口架構、協議和資源控制、通用地面無線接入體系結構和接口協議規范以及服務和系統方面。

2.2 發展趨勢

衛星通信在覆蓋、可靠性及靈活性方面的優勢能夠彌補地面移動通信的不足，衛星通信與地面5G的融合能夠為用戶提供更為可靠的一致性服務體驗，降低運營商網絡部署成本，連通空、天、地、海多維空間，形成一體化的泛在網絡格局。

從技術方面來看，衛星與5G的融合架構既有透明彎管轉發模式，也有星上接入/處理模式，兩種模式在實現復雜度和應用場景上均不相同，長期看來，將地面基站的部分或全部功能逐步遷移到星上是發展趨勢，能夠有效降低處理延時、提高用戶體驗；為了實現地面終端一體化、小型化，衛星與地面5G的空中接口將逐步趨向融合，非正交多址及多載波傳輸等技術在衛星通信中的應用將成為未來一段時間內的研究熱點，但是受限于星上功率、處理能力以及星地鏈路長延時、大動態等特點，5G新空口在衛星系統中的適應性改造及優化是需要解決的主要問題；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，重點需要解決網絡功能的星地分割問題；頻率資源仍是制約星地融合的主要瓶頸，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。

從市場方面來看，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，需要政府、企業共同努力，抓住機遇，推動衛星5G產業融合快速發展。