天地大融合時代，衛星通信何去何從
——融合5G的衛星網絡方案建議

+ 郭正標

當我們研究一個事物并且會解決具體問題的時候，有時候不妨換個角度，看看它的本質到底是什么，用第一性原理去解釋它，尋找解決問題的辦法也許會更加合理。

通信是人類社會生活中實現信息傳輸和交換的重要手段，通信技術的進步也伴隨著人類發展的歷史長河不斷演變和進步。到了近現代，以無線電為代表的現代通信手段徹底改變了人類生活的面貌，衛星通信作為一種典型的無線電通信方式，早已登上歷史舞臺。

就目前的社會生活來說， 雖然廣泛普及的移動通信技術為整個世界的聯通做出了不可磨滅的貢獻，但是衛星通信看起來距離人們的日常生活仍比較遙遠。衛星通信作為一種高勢能的通信技術手段，在泛在通信層面有著不可替代的作用。物理空間的優勢決定著它相比地面通信而言可以用更高的效率實現廣泛覆蓋。如何利用大眾消費的移動通信需求使這種高屋建瓴的通信手段落地？或者說有什么樣的需求和技術動力可能會推動衛星通信成為大眾消費品呢？

本文基于國際移動通信技術標準，就如何最終實現衛星網絡深度融合，并無縫集成到地面網絡等問題，發表一些淺見。

融合5G的天地一體化網絡和傳統意義上天地一體化網絡的最大區別在于融合的程度，在地面移動通信還處于3G/4G的時代，沒有重要的技術演進趨勢可以讓我們相信衛星網絡能夠集成到地面網絡當中，成為其網絡切片的一部分。但如今，世界進入軟件定義的時代，網絡、數據、云計算等等都可以經過通用的規則和開源的代碼來實現。扁平化的管理，使衛星網絡無論作為一種信息管道或是射頻前端，從整體架構上都可以符合地面網絡建設的預期，以SDN/NFV為主的虛擬化技術將深刻影響衛星網絡的發展趨勢，這同時也為衛星本身的發展帶來了巨大的影響，衛星將變成空中基站的一部分。

國際衛星行業發展趨勢

在國際移動通信發展的大趨勢下，我們擁有融合的相關研究基礎。3GPP組織業已意識到這個趨勢的重要性，已經責成對此課題進行研究。不久的未來，建立在新型5G空口框架下的衛星接入方案將成為現實：有一天，衛星通信服務將會走進千家萬戶，甚至個人的手機里。

R14版本的3GPP TS 22.261文件，已經開始認識到衛星作為空間基站的一部分對于5G通訊覆蓋等場景的應用價值，并將其作為5G接入技術的一個分支開展了研究。在3GPP對于非地面網絡的空口研究中還有兩個重要的項目“These Non-terrestrial networks feature in TSG RAN’s TR38.811”以及“TR 22.822”，前者研究的是信道模型，后者研究的是接入方案。其中，TR 38.811的研究項目旨在尋求在其第一階段定義5G中衛星的部署場景和相關的系統參數，以及獲得更多關于信道模型的信息。第二階段將處理與衛星相關的RAN協議和體系結構并為之設計接入方案。

高低軌衛星與移動通信

典型意義上的高軌通信衛星主要的擅長領域在廣播和固定寬帶業務上，而新興的低軌衛星星座則是實現移動通信和增加系統帶寬的唯一途徑。二者將在未來的5G異構網絡中以互補的形式，一起為地面網絡實現高效率的覆蓋提供支撐。目前看來，高軌衛星通信要深度融合進入5G網絡的難度很大，存量業務比如轉發器業務及部分HTS業務都有固定的客戶需求，加上本身建設在軌維持周期都比較長，這種TOB的模式本身也制約著高軌衛星為大眾提供消費服務。所以本文所討論的天地一體化融合的主要對象，特指新興的低軌衛星。

為什么說低軌衛星星座是實現移動通信和增加系統容量的唯一途徑？本質上是因為低軌衛星的能量利用效率要比高軌衛星高得多。高軌衛星通信有著難以解決的空間損耗問題，這就意味著它需要更多能力把信號送達地面，因此對射頻器件產生更高的要求，一些地面移動通信普及的半導體工藝在高軌上無法實現。

實現大融合的技術路徑

實現衛星通信與5G網絡的融合是系統性工程，尚有很多需要解決的難題。首先需要從系統架構層面設計每一個環節，也就是說，是否擁有領先的系統架構設計能力，是一個衛星通信系統性能優劣的關鍵要素。

1、頻率

首先要解決的是頻率問題。我們認為，行業傳統的由國家無線電管理局向國際電聯申報網絡資料的方式已經不足以解決今天的問題。

融合5G的衛星通信技術的重要創新點之一是采用頻譜共享方案，可以制定一種動態的高級頻譜共享機制（類似于空間分層的CBRS頻譜接入系統），將允許多個服務提供商或終端接入一個頻帶或一組頻帶，通過不同等級的分層管理來控制來自衛星或者地面基站的信號接入，提升現有頻譜的利用效率，這種方法尤其適用于中低頻段。

對于高頻段則可結合采用頻率調諧的方案，即系統具備一定的動態感知能力，能在主流的5G頻段內實現兼容，當衛星位于不同國家不同5G網絡內，通過調取頻譜數據調諧至相關頻率并開展頻譜共享。例如在中美歐日韓都會分配的28Ghz頻段，可實現在不同國家上空27.25GHZ～28.25GHZ范圍內的調諧。具體該調諧參數的設計主要取決于國家間對于5G網絡用頻的不同設定，比如我國根據國內具體無線電干擾情況，對27.75Ghz附近頻率酌情分配；美國人則已經開始分配28GHZ以上頻段用于5G通信。我們可以采用提前整理各國無線電頻譜使用資料作為數據庫備案的手段，開展星上調諧。

在這里需要說明的是，民營公司似乎在國際間頻率協調時擁有更多回旋和操作的空間，也許是平衡各方利益訴求的較好的操作對象。據了解一些公司已經聯合國家合作伙伴開展了國家間協調工作。

2、頻譜利用效率

解決完頻率干擾的問題，接下來需討論如何提高頻譜利用效率了。目前在高軌衛星中提高頻率復用率并使用多波束技術是主流解決方案。而針對低軌衛星使用新型可重構的相控陣多波束天線，對提升衛星性能有非常明顯的作用。該新型載荷能產生大量的點波束并可以動態地進行波束調節，能根據用戶使用需求來動態地分配帶寬。

如何將新型載荷用于較小體積、較低功率要求的小衛星上，成為創新研究的重點。由于低軌衛星軌道高度較低，如果結合第三代半導體工藝，使用氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）甚至是磷化銦（InP）研制的相控陣天線，在較小的空間損耗下實現和地面終端的互聯互通，可以實現極低功耗和極高增益的要求，使得衛星通信融合5G網絡，甚至是直接連接移動終端成為可能。據悉，有企業研發中的高性能寬帶衛星相控陣多波束載荷，使用了大量地面成熟工藝，比如將TR模塊直接實現AIC(antenna in Chips)集成到芯片上去，最大程度克服多余的星上能量損耗，最終實現衛星的超大系統容量，單星指標有望達到百吉比特量級。

3、標準化

兩個獨立的網絡需要融合，就必須在標準化層面做好工作，這也是決定這兩個系統是否能夠深度融合的關鍵要素。

我們的建議是，利用5G軟件定義自適應空口的技術特點，結合衛星特殊的信號環境——快速移動和時延特點，設計獨立于地面基站的新的接入方案。利用好3GPP組織在非地面網絡接入方案的研究成果，制定具有中國獨立知識產權的接入標準，提出具有中國特點的通信物理層設計，尤其是幀結構的設計，并推動以TDD動態時分多址為標準的接入方案成為國際衛星接入標準之一。

同時，基于5G軟件定義自適應空口技術，制定具備中國獨立知識產權的衛星接入方案，針對衛星信道模型設計新的通信物理層幀結構方案。提升多終端接入能力和降低系統時延，并推動基于5G NR TDD的天地網絡標準成為3GPP beyond 5G的主要候選標準之一。

天地網絡深度融合之下，衛星網絡也將開始使用地面網絡的網狀網架構。系統新型拓撲結構和無線回傳方案成為決定融合程度的關鍵，衛星系統既可作為純射頻前端，做透明轉發，也可以自帶路由和星上處理能力。對此可結合地面網絡的SDN和C-RAN技術，將衛星網絡數據處理等復雜功能交由地面處理。事實上，分布式虛擬路由技術已經可以很好地解決這一問題，最終建設成一個具有共同標準的、涵蓋高低軌衛星不同路由方式的異構網絡架構。

在轉發層面的網絡協議棧上，也需要考慮如何兼容地面的TCP/IP協議，便于實現互聯網化API化，具體操作可以結合IPV6等新的技術方案，甚至可以大膽想象，未來在軌道部署自己的根服務器（使用一種充氣膠囊式可伸縮、充滿低溫惰性氣體的在軌空間根服務器），這種系統建設也許能觸發BAT們投資商業航天項目的決心。

軟硬件解耦合與扁平化控制要求將衛星作為地面基站的節點延伸，不需要采用專用芯片，可以降低系統開發難度。衛星和地面基站的芯片系統高度一致，由通用白盒芯片和開源軟件組成的系統實現軟硬件解耦合。衛星網絡后期可以隨著地面網的升級換代而升級，不再需要重新發射衛星。在使用基于OPENFLOW等開源軟件的基礎上搭建的SDN/NFV網絡，實現地面對衛星網絡的扁平化控制，甚至在控制層面實現地面對衛星網絡的測控和確保系統安全性。需要說明的是，上升的芯片層面在應用層上使用軟件定義技術有其合理性，但專用和通用本身就是一種矛盾的關系，對于衛星的射頻信號處理，星上交換還是需要尋找專用的解決方案。

4、新型載荷及芯片

新型載荷及其芯片方案決定衛星性能的直接體現，整個系統架構都需要依托在這個方案上才能落地，如果沒有先進的載荷和芯片方案，一切融合都是空中樓閣，發展融合5G的低軌衛星通信，首先就應該把行業目標的方向聚集在此。

新型載荷實現陣列天線、射頻芯片和數字基帶高度集成，大量采用第三代寬禁帶半導體材料。對于陣列天線可采用將傳統TR模塊做到晶圓當中來降低功耗，提升TR的數量。對于射頻芯片，可采用部分地面系統使用的射頻工藝，比如PLL鎖相環設計，盡可能地把技術水平更高、開放程度更高的地面5G通信射頻解決方案帶到衛星通信當中。比如采用超高采樣速率的ADC，不需要經過變中頻的射頻架構，直接采集送達基帶進行處理。這種做法可以極大提升傳統衛星通信系統的性能，做到小平臺大容量。對于數字IC，類似龍芯等完全自主可控的芯片類型一般不會考慮使用國際同行的IP解決方案，而特殊工藝的FPGA又面臨國際限制和成本過高的問題，對此建議，民營企業可通過自研ASIC的辦法，集成國內高可靠性IP核心和國際高性能的IP核心，比如eFPGA和DSP陣列，再通過臺積電等廠家進行量產，實現自主可控高可靠和商用高性能之間的折中。

衛星通信運營前景展望

對于傳統的地面通信運營商而言，基站等基礎設施僅僅是冰山一角，剩下的龐雜工作還需要在整個通信運營層面體現。融合5G的衛星網絡是否具備活下來的機會，同樣在于運營商是否擁有這樣的能力，業界也在呼喚天地一體的新型運營商的出現。

特別應注意的是，低軌移動通信衛星網絡必然是全球性的，如何實現在不同國家間落地，除了在系統方案上的考量之外，利用互聯網思維去開發更多應用級的場景也很有必要。衛星網絡未必就是一個管道，最大的收益還是在應用上：服務于200多個國家的低軌星座網絡急需要解決落地和跨境結算的問題。而今天如果把區塊鏈技術結合到衛星運營領域，將碰撞出完全不一樣的火花，這甚至比單單做一個星座收益更大。但話說回來，沒有這樣的空間基礎設施，一切都將是鏡中月水中花，區塊鏈本身只是一個工具，需要依托現實的服務來衡量它的價值。

在這里我們普及一個新的名詞“CAAS”(CommunicationASA Settlement)——通信即結算。可以類比一下主流的PAAS SAAS系統理念，每一次數據交換都會被記錄下來，并且以固定的數字貨幣形式完成交易。這種模式非常適合在不同國家、不同運營商、不同系統之間實現數據交易和結算，這將大幅度降低衛星通信運營的成本。而這種區塊鏈技術的落地需要基于成熟合理的協議架構，這種數字貨幣也絕非今天被熱炒的比特幣，僅僅是傳統電信運營商通信資費的一個呈現形式，本身并不具備炒作的空間。

當然，通過TOKEN的形式預支了未來空間又沒有任何監管，始終是當今脆弱的金融系統難以接受的。我們也呼吁達成新的共識機制，依托現實的服務來完成空間基礎設施的建設。