低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)與5G通信融合的應(yīng)用設(shè)想

文 | 航天恒星科技有限公司 王悅 王權(quán) 張德鵬 李雯婷 于航

一、引言

地面通信系統(tǒng)可為用戶提供方便快捷的通信網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，然而在山區(qū)、荒漠、航海、航空等區(qū)域，由于地面網(wǎng)絡(luò)建設(shè)困難，衛(wèi)星通信成為主要的通信手段。衛(wèi)星通信在發(fā)展過程中，其技術(shù)體制大量借鑒地面通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，該設(shè)計模式下有利于實現(xiàn)衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)的兼容和融合發(fā)展[1]。目前我國5G正處于技術(shù)研發(fā)與試驗的初級階段，低軌衛(wèi)星星座的設(shè)計與研制也正同步進行，如何借鑒并吸收5G網(wǎng)絡(luò)的先進技術(shù)，尋求低軌星座與5G網(wǎng)絡(luò)的融合發(fā)展，已成為業(yè)界發(fā)展研究的熱點課題。

二、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析

1.低軌星座與地面網(wǎng)絡(luò)融合現(xiàn)狀

近年來，互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，其代表系統(tǒng)有“一網(wǎng)”（OneWeb）系統(tǒng)和“星鏈”（Starlink）互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)。

一網(wǎng)公司（OneWeb）致力于采用低軌衛(wèi)星星座群，實現(xiàn)為全球終端用戶提供高速率、低延時的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。OneWeb公司初期預(yù)計發(fā)射720顆低軌衛(wèi)星完成一期建設(shè)，星座分布于1200km高度的18個軌道面上，星上采用透明轉(zhuǎn)發(fā)，借助于地面關(guān)口站實現(xiàn)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)。該星座群的單星質(zhì)量不超過150kg，單星容量可達5Gbit/s，可為0.36m口徑的通信終端提供高達50Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)[2]。OneWeb公司采取產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方式，使衛(wèi)星制造自動化、標(biāo)準(zhǔn)化，并通過新型技術(shù)和高效管理并施等手段，降低成本，以提供高性價比的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。目前，OneWeb公司已獲取美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）授權(quán)，能夠在美國境內(nèi)提供互聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)。通過綜合評估，OneWeb公司將增加1972顆低軌衛(wèi)星，以填補供不應(yīng)求的通信市場空白。

美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）開創(chuàng)了商業(yè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新時代，公司計劃的“星鏈” 互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)擬發(fā)射4000多顆低軌衛(wèi)星，同時利用火箭回收技術(shù)，降低發(fā)射成本，提供低價、優(yōu)質(zhì)的互聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)。北京時間2018年12月4日，SpaceX的獵鷹九號火箭發(fā)射了64顆低軌衛(wèi)星，這項名為“太空飛行SSO－A：小衛(wèi)星快車”的任務(wù)將部署來自多家提供商的7500顆低軌衛(wèi)星，通過將微小的厘米長的衛(wèi)星發(fā)送到低地球軌道來徹底改變物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀。

此外，美國光平方公司的天際陸地系統(tǒng)（SkyTerra）在星地融合方面也取得了有目共睹的成績。該系統(tǒng)利用部署于地面的輔助基站（ATC）解決地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域局限和衛(wèi)星在室內(nèi)覆蓋不佳的問題。通信衛(wèi)星與地面基站共用同一通信頻率，空中接口采用相互兼容的數(shù)據(jù)格式，通信終端可在衛(wèi)星與地面基站之間進行無縫的通信切換，在美國全境依托該系統(tǒng)，用戶可享有全球微波互聯(lián)接入（WiMAX）、通用移動通信技術(shù)的長期演進（LTE）等4G無線寬帶互聯(lián)接入服務(wù)。與SkyTerra同樣使用地面輔助基站實現(xiàn)星地融合的系統(tǒng)還有“陸地星”（TerreStar），該系統(tǒng)的地面段網(wǎng)絡(luò)由美國電話電報公司（AT&T）提供，結(jié)合S頻段的可展開式天線，“陸地星”可為地面網(wǎng)級別的手持機提供通信接入服務(wù)。

2.星地融合組織機構(gòu)發(fā)展

隨著衛(wèi)星與5G技術(shù)的成熟發(fā)展，兩者的融合使用逐漸成為業(yè)界關(guān)注的重點，國際電信聯(lián)盟（ITU）、第三代合作伙伴計劃（3GPP）、SaT5G和CBA等標(biāo)準(zhǔn)化組織組建了專業(yè)團隊對星地融合相關(guān)問題進行深入研究，業(yè)界部分研究機構(gòu)也投入到此項研究工作中。

1）ITU：提出衛(wèi)星與5G融合的4類應(yīng)用場景，包括小區(qū)回傳、中繼到站、動中通和混合多播，同時提出了各場景下需重點關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。

2）3GPP：根據(jù)星地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出4種建設(shè)模型，基于建設(shè)模型對相關(guān)的衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行分析、評估，后續(xù)3GPP將繼續(xù)對5G通信進行深入研究，加強對5G市場現(xiàn)有及新增服務(wù)需求的分析，討論衛(wèi)星終端的建立、配置和維護等標(biāo)準(zhǔn)，并重點分析衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的無縫切換技術(shù)。

3）SaT5G：2017年6月，SaT5G聯(lián)盟成立，重點研究衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡(luò)的融合通信技術(shù)，其主要研究工作有網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及仿真驗證、商業(yè)價值主張等，計劃在兩年半的時間里完成無縫集成方案，并進行演示驗證。SaT5G聯(lián)盟還將參與研究衛(wèi)星與5G融合的國際標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

4）CBA：該聯(lián)盟旨在為5G商用服務(wù)開辟新的頻譜資源，后續(xù)，聯(lián)盟將組建商業(yè)工作組和技術(shù)工作組，推動美國移動通信網(wǎng)絡(luò)運營商能夠盡快使用3700～4200MHz頻段中的部分頻譜資源建設(shè)5G商用網(wǎng)絡(luò)，加快推出5G移動通信商用服務(wù)的進程。

3.發(fā)展趨勢

低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)可利用其全球覆蓋的特性，彌補5G地面網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋不足的短板，同時5G網(wǎng)絡(luò)的更高傳輸速率，亦可提升低軌星座系統(tǒng)的用戶體驗度，因此，低軌與5G的通信網(wǎng)絡(luò)融合是未來通信領(lǐng)域發(fā)展的熱門方向。

隨著低軌衛(wèi)星星座的大面積規(guī)劃部署，通信頻率沖突的矛盾將日益突顯，統(tǒng)籌規(guī)劃星地頻率資源、研究高效的頻率資源復(fù)用技術(shù)，是解決星地資源沖突的有效手段；為保障用戶終端的一體化、小型化設(shè)計，5G通信中的大規(guī)模多輸入多輸出、非正交多址、新型多載波傳輸?shù)刃驴湛诩夹g(shù)在低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)中的適配、適用，將成為低軌星座與5G融合的研究熱點；星地網(wǎng)絡(luò)的全IP設(shè)計是星地融合的發(fā)展趨勢，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）[3]技術(shù)也將成為低軌星座與5G融合的關(guān)鍵研究內(nèi)容。

目前，星地網(wǎng)絡(luò)正由相互競爭轉(zhuǎn)變?yōu)楹献鞴糙A模式，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為地面網(wǎng)絡(luò)的擴展與延伸，可實現(xiàn)地面基站的拉遠，并為其提供通信回程服務(wù)。國外星地合作共贏的新型商業(yè)模式已經(jīng)興起，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)割裂的壁壘短期內(nèi)仍然存在，合作共贏的發(fā)展模式還需進一步探索。

三、網(wǎng)絡(luò)融合可行性分析

我國IMT－2020（5G）組織提出了基于“三朵云”的5G網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)[4]，以滿足面向5G應(yīng)用的業(yè)務(wù)指標(biāo)和場景需求。該架構(gòu)下5G網(wǎng)絡(luò)由接入平面、轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面三部分組成[5]，其中，接入平面支持多種無線網(wǎng)絡(luò)的通信接入，可實現(xiàn)多接入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同控制，并提高無線資源的利用率[6]；轉(zhuǎn)發(fā)平面基于通用硬件平臺設(shè)計，滿足業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的低延時、高可靠及均負(fù)載傳輸需求，提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率；控制平面利用網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)技術(shù)，實現(xiàn)功能的集中控制和流程的簡化處理。5G網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

我國低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相同，也包括接入平面、轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面，低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。其中，接入平面部署在星上，通過衛(wèi)星基站實現(xiàn)空口協(xié)議的處理，并由星載路由交換單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，與5G接入平面相比，低軌星座接入平面既有接入、控制功能，也有轉(zhuǎn)發(fā)功能；低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面部署與關(guān)口站的核心網(wǎng)中，與5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)平面不同的是，低軌轉(zhuǎn)發(fā)平面主要進行終端與地面網(wǎng)絡(luò)之間的業(yè)務(wù)處理。

由上述分析可以看出，低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面與5G網(wǎng)絡(luò)相似，兩者融合接入時只需做簡單的融合處理即可。

圖 1 5G網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)圖

由于低軌星座的特殊性，在低軌星座中不能直接使用5G通信協(xié)議，需要依據(jù)低軌星座的特點逐層對協(xié)議進行針對性的設(shè)計和優(yōu)化。因此，兩網(wǎng)進行通信融合時，協(xié)議適應(yīng)性開發(fā)是待攻克的重點問題。

圖 2 低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

四、方案設(shè)想

全球范圍內(nèi)交通、運輸、油礦業(yè)、漁業(yè)、物流業(yè)以及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對全球統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了較高要求，低軌星座與5G網(wǎng)絡(luò)的通信融合是解決上述問題的有效手段。星地網(wǎng)絡(luò)的一體化融合設(shè)計有利于打破天基與地基網(wǎng)絡(luò)相互獨立的局面，通過搭載相應(yīng)載荷，提供覆蓋全球的航空航海監(jiān)視、導(dǎo)航增強以及廣域互聯(lián)網(wǎng)接入等服務(wù)。本設(shè)計給出低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)融合通信的設(shè)計思路，重點從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能部署和關(guān)鍵技術(shù)三方面進行分析設(shè)計。

1.網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

低軌與5G網(wǎng)絡(luò)的融合架構(gòu)可采用兩種設(shè)計方式實現(xiàn)，第一種為松耦合分立組網(wǎng)建設(shè)方式，低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)相互獨立，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)通信衛(wèi)星中繼至地面信關(guān)站，再由地面通信網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)接分發(fā)；第二種為緊耦合建設(shè)方式，低軌星座網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一的空中接口協(xié)議，天基和地基網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理、協(xié)同服務(wù)，終端采用高集成、融合設(shè)計方式，通過單一終端實現(xiàn)低軌星座網(wǎng)絡(luò)與5G通信網(wǎng)絡(luò)的無縫切換。低軌星座系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)圖如圖3所示。

2.網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化部署

5G網(wǎng)絡(luò)引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)兩項新型技術(shù)，該技術(shù)的引入實現(xiàn)了控制平面與數(shù)據(jù)平面的功能分離。低軌星座系統(tǒng)和5G網(wǎng)絡(luò)的融合也將基于網(wǎng)絡(luò)功能解耦的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)獨立部署、升級與擴展，提高系統(tǒng)應(yīng)用靈活性與適應(yīng)性。在融合網(wǎng)絡(luò)中，功能的部署執(zhí)行只需要建立在空閑的處理器基礎(chǔ)上，而無需關(guān)注該處理器隸屬于天基系統(tǒng)或地面系統(tǒng)，是預(yù)先固化配置或是臨時調(diào)用。對于應(yīng)用優(yōu)先級高的業(yè)務(wù)信息，完成星上資源配置處理后，后續(xù)處理盡量交由地面節(jié)點完成，改變以往由于網(wǎng)元功能緊耦合所導(dǎo)致的星地網(wǎng)絡(luò)功能分割絕對化。

除上述規(guī)劃外，實現(xiàn)低軌星座系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)的通信融合尚需突破多項技術(shù)難點：

1）多載波技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)初期仍以正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)為主。對于低軌衛(wèi)星星座而言，由于移動過程中通信傾角變化較大，采用多載波技術(shù)可有效解決多徑效應(yīng)和遮擋等問題，但由于通信覆蓋區(qū)域較大，星地鏈路的循環(huán)前綴、隨機接入信道（RACH）導(dǎo)頻設(shè)計是需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

圖 3 低軌星座系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)圖

2）新型編碼技術(shù)。低軌星座與5G的融合通信網(wǎng)絡(luò)需滿足不同業(yè)務(wù)類型的傳輸需求，業(yè)務(wù)速率、傳輸時延、誤碼率等均有不同的標(biāo)準(zhǔn)要求，融合網(wǎng)絡(luò)既要支持百兆速率的互聯(lián)網(wǎng)寬帶業(yè)務(wù)傳輸，也要支持幾百比特的物聯(lián)網(wǎng)短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸，需提供一套完備的編碼調(diào)制方案，以適應(yīng)不同通信業(yè)務(wù)的傳輸需求。

3）動態(tài)資源分配技術(shù)?；陬l譜感知技術(shù)，對特定頻段進行頻譜掃描，尋找未被用戶使用的和利用空分復(fù)用技術(shù)處理后可共用的通信頻率，動態(tài)地分配給低軌通信星座使用，解決資源緊缺、通信沖突、調(diào)度困難等問題。

4）移動性管理技術(shù)。與同步靜止軌道衛(wèi)星不同，低軌衛(wèi)星星座相對于地面是進行高速運動的，地面終端會在不同衛(wèi)星與不同波束之間進行頻繁切換，因此用戶的資源管理、錨點管理、數(shù)據(jù)管理等信息變得異常復(fù)雜，研發(fā)一套安全、可靠、實用性強的移動管理平臺意義重大。

五、應(yīng)用場景

1.不間斷網(wǎng)絡(luò)連接

低軌與5G融合網(wǎng)絡(luò)支持移動用戶在低軌5G接入網(wǎng)與地面5G接入網(wǎng)間無縫切換，通過在飛機、艦船、高鐵、汽車等移動平臺上安裝具有低軌星座接入能力的通信終端，即可在移動過程中保持連續(xù)、不間斷的5G網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。

以移動終端為例，在有地面網(wǎng)絡(luò)的場景下，優(yōu)先選用地面5G通信網(wǎng)進行業(yè)務(wù)傳輸；當(dāng)無地面網(wǎng)絡(luò)的場景時，終端優(yōu)先選用低軌通信網(wǎng)，保障信號的不間斷通信。移動終端在低軌和地面5G網(wǎng)絡(luò)間可自動實現(xiàn)切換與漫游。

2.廣播分發(fā)

利用低軌衛(wèi)星星座組播、廣播技術(shù)特性，為廣域范圍內(nèi)的終端用戶提供業(yè)務(wù)分發(fā)服務(wù)（包括高清視頻、3D電視等）。平時通過地面5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分發(fā)，當(dāng)廣播業(yè)務(wù)繁忙時，利用低軌5G融合接入網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對地面業(yè)務(wù)的分流，避免因網(wǎng)絡(luò)擁塞而導(dǎo)致的業(yè)務(wù)分發(fā)服務(wù)質(zhì)量下降。該場景下，用戶可同時接收融合網(wǎng)絡(luò)和地面5G網(wǎng)絡(luò)的雙重業(yè)務(wù)內(nèi)容，并可對兩路數(shù)據(jù)進行兼容使用。

3.物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)

低軌與5G融合網(wǎng)絡(luò)可利用低軌衛(wèi)星星座提供海量機器通信（mMTC）和窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NBIoT）服務(wù)，通過在智慧產(chǎn)業(yè)、物流運輸、管道監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中布設(shè)具有低軌接入和網(wǎng)絡(luò)自動切換選擇功能的通信終端，基于現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)布設(shè)情況、網(wǎng)絡(luò)信號強度以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等多種因素綜合分析，自動進行低軌衛(wèi)星和5G網(wǎng)絡(luò)的通信切換，實現(xiàn)位置、狀態(tài)等信息的實時傳送。

4.應(yīng)急通信

在戶外開采、野外科考等地面網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達地區(qū)，低軌與5G融合網(wǎng)絡(luò)可提供應(yīng)急通信手段，實現(xiàn)區(qū)域的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋；在地震、洪水、戰(zhàn)爭等突發(fā)事件地區(qū)，地面網(wǎng)絡(luò)遭受破壞，低軌與5G融合網(wǎng)絡(luò)可快速搭建通信鏈路，實現(xiàn)前后方的通信暢通。

六、結(jié)束語

低軌與5G的通信融合將為用戶提供覆蓋更廣、速率更快的通信網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，將移動寬帶、互聯(lián)網(wǎng)接入、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用拓展到更廣闊的范圍，實現(xiàn)天地一體化的通信服務(wù)保障。本文對低軌與5G網(wǎng)絡(luò)融合的可行性進行了分析，并結(jié)合業(yè)務(wù)需求對應(yīng)用場景進行了綜合描述，為低軌與5G的融合建設(shè)提供了參考。