5G 時代衛星通信新發展

宋成勇，劉 松，李敬能，趙 均

（78156 部隊，成都 610500）

1 衛星通信

衛星通信是天基信息傳輸系統的重要組成部分，是實現全球無縫覆蓋、構建天地一體信息網絡的重要手段。雖然衛星通信產業在這幾年也有較大的發展，但與地面通信的進步速度比起來還是相對遲緩。目前，5G 在全球范圍內迅速發展，5G 商業化運行將在這兩年內逐步展開，將在不久的未來成為人類重要的信息基礎設施。在5G 部署周期內，如果衛星通信不能取得大幅度突破，那么會在全球范圍內進一步邊緣化，淪落到“吃地面網的剩飯”。5G 時代的來臨，將給衛星通信帶來新的機遇和挑戰，衛星通信要融入到5G 發展的大戰略，為其提供基礎性、決定性的支撐，開辟衛星通信應用的新時代。

近年來，高通量衛星從理念逐步成為現實，大大改變著衛星通信資源的瓶頸限制，低軌道衛星網絡擺脫過去的頹勢重新崛起，衛星互聯網技術取得重大突破性革新，這些都為衛星通信融入5G 時代打下了堅實基礎，隨著5G 通信與衛星通信的融合發展，必將促進衛星通信產業的創新活力。

2 5G 時代衛星通信的發展方向

2.1 中繼寬帶傳輸業務

利用衛星通信廣域覆蓋、高速機動、靈活組網、業務綜合的先天優勢，構建天基信息系統，與“地網”共同構建柵格化信息網絡，充分發揮天基信息多元匯聚、態勢融合、按需分發地特點，來實現視頻、物聯網和其他數據的高速中繼到中心站點的通信連接，為本地小區站點等提供服務，構建更加健壯的基礎通信網絡。

新的低軌衛星通信重新崛起，其傳輸時延和速率都已經能達到與地面光纖網絡相當的性能，初步具備與遠程海底和地面光纜競爭的能力，我國在這方面也在積極攻關探索，技術逐步成熟。近年來，航天科技集團的鴻雁星座（低軌道衛星）、中國衛通的“中星16號”（GEO）以及航天五院西安分院研制“高分六號”衛星數傳分系統都是采用最新技術的高通量衛星，是我國在研及在軌傳輸速率最高的衛星。

2.2 數據回傳及分發業務

充分利用衛星多播功能優勢，將衛星鏈路直接連接到5G 蜂窩基站進行補充，下一步可能直接將基站系統功能放在通信衛星上，從而能夠相同的內容（如視頻、HD/UHD 電視以及非視頻數據）進行按用戶需求分發，以及實現來自多個站點的聚合流量的高效回傳。通過在各站點部署若干緩存服務器，將服務內容發布到最接近用戶的網絡邊緣進行緩存，然后通過衛星直接分發，得以實現超低延遲應用（如使用低軌道衛星）。這樣用戶可方便地就近獲得所需信息內容，減小信息擁塞，提高信息流動的效率，有效解決用戶分布不均、訪問流量不均等問題，從而提高用戶服務的響應速度。通過研究衛星分發平臺構成的異構網絡，可最大限度發揮衛星通信自身優勢，同時通過與地面網絡的組合，我們還需要不斷創新內容提供和服務管理等方面的新技術，可提供更多的面向用戶的新服務。

2.3 寬帶移動通信業務

寬帶移動衛星鏈路主要提供與高速機動載體上的用戶通信系統的連接，并能夠根據用戶需要的內容在大地域覆蓋范圍內實現與用戶設備或傳感器的高效直接連接，以補充現有的地面連接，進行全天候、全地域、全時段的通信業務。

同步軌道衛星的波束覆蓋寬，覆蓋區域固定，星座設計相對簡單。2016年8月，我國自主研制的衛星移動通信系統首星“天通一號”01星成功發射升空，將成為我國社會信息基礎設施的重要組成部分，是我國自主研發軌道衛星移動通信系統，真正實現個人衛星移動通信。但是，同步軌道衛星的寬波束會導致波束邊緣的地區覆蓋性不佳，特別是極地區域無法覆蓋到。新興低軌通信星座大都能夠實現時越來越小，與地面光纖網絡相當，隨著星座技術的成熟，未來用戶將大多在使用低軌衛星實現寬帶移動通信業務。

2.4 混合多媒體業務

衛星可以向家庭和辦公室提供地面寬帶以外的補充內容，實現混合多媒體業務，能過網絡傳輸優化，解決地面網絡負載過重的問題。中國衛通與泰國信衛星大眾有限公司開發的衛星寬帶系統IPSTAR，將衛星通信與基于IP 的寬帶業務相結合，能夠與地面寬帶網絡相互融合，互為備份和補充，從而向用戶提供包括互聯網寬帶接入、話音、IP 數據、視頻和多媒體在內的綜合信息服務。隨著衛星通信加入5G 物聯網、車聯網等的快速發展，混合多媒體通信將迎來更加廣泛的新的個性化服務。如定于20202年發射的“簡陽星一號”將著眼寬帶互連網業務，實現基礎電信運營商5G 通信回傳業務。

3 5G 時代衛星網絡的關鍵技術

3GPP 和ITU 兩個標準組織的衛星通信標準進行深入細致研究。例如，ITU-RM.[NGAT_SAT]標準的研究，標準成果最新文件在2018年3月完成，其中對5G 衛星網絡的應用場景、網絡結構、關鍵技術等內容進行了定義和分析。3GPP 最早在R14中開展了衛星通信對5G 地面移動通信帶來的優勢進行研究。隨著5G 標準的發展，目前3GPP 在SA 以及RAN 工作組中先后都將衛星接入列為5G 的多種接入技術之一，并對衛星網絡的部署方案和應用場景進行了具體研究和分析。

3.1 衛星星座組網技術

在衛星星座建設中，不同軌道高度的衛星具有各自不同的優勢。地球靜止軌道衛星（GSO）能提供經濟高效、即時的網絡覆蓋；中、低軌道衛星（MEO、LEO）具有較低傳播延遲。衛星通信星座建設要融入到5G 建設規化中去考慮，充分發揮高、中、低軌衛星各自優勢組建設混合型網絡。

在考慮制造成本方面，目前一些衛星制造商引入三維打印和建設組裝生產線來生產小衛星、微納衛星等，這可使這些小衛星的單顆制造成本遠遠低于常規大衛星。同時，相比同步軌道衛星，低軌衛星所需的功率和天線尺寸都要小很多，低軌道衛星一箭多星技術已相當成熟，大大降低了衛星建設成本。目前，全球新興低軌通信星座蓬勃發展多達幾十個，其中比較典型的是OneWeb公司、Telesat 公司和SpaceX 公司的低軌衛星星座。目前國內也在積極開展小衛星及其應用技術研究，已涌現出多個小衛星星座計劃，如我國航天科技集團和航天科工集團分別提出了建設300余顆的“鴻雁星座”和156顆的“虹云工程”低軌道通信衛星星座的計劃。我們要及早謀劃和爭取頻率和軌位資源的問題，重點研究干擾分析、智能避讓、時空統籌應用等技術為未來潛在的發展應用需求奠定基礎。

3.2 高通量衛星通信技術

高通量衛星（HTS）是近年來衛星通信領域發展的熱點，高通量衛星系統利用多波束、點波束，星上波束交換、搭載寬帶有效載荷，高頻率復用和使用更高頻段來等技術，顯著提高大范圍區域的傳輸容量和傳輸速度。高通量衛星能大幅降低每比特成本，是衛星通信得以再次蓬勃發展的重要技術基礎。

當前在軌應用的高通量衛星主要以靜止軌道衛星為主，但非靜止軌道星座技術近年也有了較大發展，將在5G 時代提供大容量、低延遲、全球覆蓋的服務發揮獨特的作用。目前披露的商業低軌通信星座計劃大多采用高頻段頻率，C 頻段和Ku 頻段資源日趨緊張，因此目前高通衛星越來越多地向Ka 頻段發展，甚至更高的V 頻段（40 ～75GHz）、太赫茲以及激光等頻段發展。

3.3 衛星系統地面段技術

以3GPP 和GPP2所主導的下一代移動通信網絡都將采用IP作為其核心網承載技術，并逐步實現全網的IP 化。衛星通信系統要融入5G 通信，衛星通信系統地面段的全IP 化必將是未來的發展趨勢。

從網絡應用來說，將5G 地面先進技術應用于衛星網絡中，主要包括服務內容、網絡切片、移動邊緣計算、IP 化互操作和資源虛擬化等，以便衛星網絡透明地支持端到端系統服務。隨著研究深入，衛星調制解調器、管理系統和網絡平臺等將在地面網絡架構中實現標準化、IP 化，從而實現與其他網絡的產IP 化互操作。同時，地面體系結構的虛擬化技術以及硬件產品向固件和軟件應用的轉變，使得地面基礎設施結構變得簡單和經濟有效，業務提供更加動態。例如，Kratos 推出了一套名為SpectralNet 的數字中頻產品，它通過在IP 網絡上傳輸數字射頻信號，從而擺脫了射頻傳輸的距離限制。在這個過程中，頻率和定時信息得以保存，射頻信號在遠端可以被完整恢復出來。通過SpectralNet 數字中頻這類功能，用戶就可以利用他們現有的信號處理設備（如中心站、調制器、加解密設備等），只要能夠連接到IP 網絡，它們就能就地提供這些新的服務。

衛星通信地面段應用只有主動適應地面通信系統協議標準的規范化，實現衛星通信與5G 地面系統的充分融合，不斷取長補短，充分釋放自身優勢潛能。隨著衛星載荷的IP 化、靈活化和軟件化，也將不斷促進地面系統更新升級，功能更加強大、更加智能，深度融合在一起。

3.4 相控陣天線技術

近年來，相控陣技術在軍用和民用領域獲得了廣泛應用。采用有源相控陣技術可很好地滿足衛星通信中提高星座系統的單星波束覆蓋范圍。同時對于星座系統來說，其通道數量一般較多，星載有源相控陣需要有比較大的增益滿足用戶終端發射功率小、業務帶寬大的要求。隨著新型相控陣天線技術的突破發展，將降低新型移動衛星通信終端成本，降低了尺寸、重量和功率要求，適合移動平臺的衛星通信應用場景。

隨著5G 通信系統研究發展，特別是5G 無線通信領域Massive MIMO（大規模多入多出）天線的應用，把相控陣技術推向了廣泛應用的特別高度，成為各國爭相研發的重點，技術創新研究層出不窮。中國工程院院士李世東教授研究采用“空間優化采樣法”設計制造新一代相控陣天線產品，如超薄S 波段相控陣（衛星通信）動中通天線、5G 無線通信Massive MIMO 基站天線和Ka 波段環形超稀疏相控陣天線，這些產品可使通信終端的天線制造成本降低50%，并且能有效解決困擾我們的散熱等難題。

總之，隨著5G 通信時代的到來，衛星通信不斷發揮衛星通信廣覆蓋、高容量、組網靈活、接入低成本、容災抗毀能力強的特點，與地面信息網絡、全球信息柵格等優勢互補、緊密融合，構建出天地一體化信息通信網絡，更好地適應滿足5G 通信廣覆蓋、高速率、超密度連接通信的需求，實現信息在全球范圍內的傳輸和交互，必將促進全球信息產業的更大更新發展。