衛星互聯網與5G/6G 融合發展探析

■徐冰玉 李俠宇（中國信息通信研究院技術與標準研究所）

衛星互聯網具備全球覆蓋、快速部署等優勢，能夠滿足偏遠地區、海洋、天空等地區的覆蓋需求，有望成為地面蜂窩移動通信網絡的有益補充，助力5G/6G 實現全球全域覆蓋及寬帶連接，滿足用戶全域化通信需求。本文分析了衛星互聯網與地面移動通信融合發展技術和產業研究情況、標準化進展，并深入研究星地融合的技術路線，探索推動衛星互聯網與5G/6G 的融合發展建議。

1 引言

衛星互聯網是以太空域為承載空間，以衛星和地面裝置為關鍵節點，以網絡技術、航天技術、通信技術、數據技術等為支撐的全球、全域、全時新型網絡信息基礎設施。其網絡具有全球覆蓋、寬窄帶融合、高低軌融合、星間鏈路、星上處理等特征，業務類型也在由傳統數據回傳、電話和窄帶數據接入業務向寬帶接入、物聯網、車聯網、導航增強等種類多元化業務拓展。

自衛星移動通信出現以來，其通信技術體制設計與地面移動通信技術體制始終緊密結合。由歐洲電信標準委員會（ETSI）提出的最早的高軌衛星移動通信系統標準體制地球同步靜止軌道衛星移動無線接口（GMR）標準即是基于地面2G 全球移動通信系統（GSM）標準，采用了TDMA/FDD 體制。“舒拉亞”（Thuraya）、“銥星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）、“天通”等衛星系統的標準體制均借鑒了地面的GMR、通用分組無線業務（GPRS）、雙模寬帶擴頻蜂窩系統的移動臺-基站兼容（IS-95）、第三代合作伙伴計劃（3GPP）等標準[1]。

隨著全球5G 網絡規模化商用持續推進，各國均開展針對5G 的技術驗證和產品開發，并開展6G 的戰略性研發部署。星地一體融合組網被視為未來移動通信網絡重要發展方向之一，衛星互聯網和地面移動通信網絡的融合也從覆蓋融合、業務融合走向體制融合、系統融合[2]。終端也在向低成本、小型化、輕量化、一體化方向發展。

2 衛星互聯網與5G/6G 融合情況分析

衛星互聯網與5G/6G 融合發展意義

衛星互聯網將成為地面移動通信網絡的接入能力補充。根據IMT-2030（6G）推進組發布的《6G總體愿景與潛在關鍵技術》白皮書，6G 業務將包含全息通信、數字孿生、沉浸式云XR、感官互聯、全域覆蓋等八大業務應用[3]。衛星互聯網作為潛在架構類關鍵技術之一，能夠實現偏遠地區、海上、空中和海外的廣域立體覆蓋，滿足全時域、全天候的泛在覆蓋需求，實現用戶隨時隨地按需接入。

衛星互聯網將拓展5G/6G 業務應用。衛星互聯網除了傳統機載、船載、車載等典型應用外，還能夠通過與5G/6G、物聯網、大數據等技術緊密結合，拓展智能交通、森林防護、草場保護、海洋開發、遠程教育、應急指揮等領域的市場空間。同時，衛星互聯網將在車聯網、無人機及無人裝備、數字政府及智慧城市等新興領域發揮重要作用。

衛星互聯網與5G/6G 融合系統建設情況

目前，新興的衛星互聯網企業美國太空探索技術公司（SpaceX）、Lynk、AST，地面移動通信公司蘋果（Apple）、愛立信（Ericsson）、聯發科（MediaTek）、高通（Qualcomm）等，以及我國中國移動、華為、中興等企業均在積極開展智能手機與衛星直連通信的相關技術研究和設備研制。

（1）新型衛星互聯網公司加快手機直連衛星部署進程

2022 年8 月，SpaceX 公司與美國移動通信運營商T-Mobile 達成協議，2023 年發射的第二代“星鏈”（Starlink）衛星將能夠使用T-Mobile 的PCS 頻段（1.9GHz，用于CDMA、GSM 和北美的TDMA 業務），為美國地區提供短信、低速率數據服務。預計二代“星鏈”衛星重量超過1250kg，容量能夠達到200Gbit/s 以上。同時，二代“星鏈”將支持星上處理和星間鏈路技術，可降低對地面信關站的依賴實現業務的快速落地。

美國AST公司計劃建立一個名為“SpaceMobile”的衛星網絡，包含168 顆衛星，力圖打造世界上第一個可通過標準智能手機訪問的基于空間的蜂窩寬帶網絡。2022 年5 月獲得美國聯邦通信委員會（FCC）授予的試驗許可，2022 年9月成功發射第二顆試驗衛星BlueWalker-3。

美國Lynk 公司擬打造包含5000 顆低軌衛星的星座，目前已經發射6 顆衛星，前5 顆試驗衛星均已經脫離軌道或者停止活動。第6 顆衛星Lynk Tower-1 是其第一顆商用衛星（但尚不具備商用能力），2022 年4 月成功發射。預計2022 年底將通過SpaceX 的“獵鷹”（Falcon）火箭再次發射3 顆衛星，分別命名為Lynk Tower-2，3，4。Lynk 將蜂窩基站的標準軟件堆棧放在衛星載荷上，標準GSM 和LTE 手機可以根據信號特征在地面基站和衛星基站間切換。星座于2022 年9 月獲得美國FCC 的正式運營許可，預計在2022 年底開展商業運營。

美國全能空間公司（Omnispace）擬基于自身擁有的S 頻段（2～4GHz），利用基于3GPP 非地面網絡（NTN）技術的5G 設備實現5G 衛星和地面網絡的無縫通信。Omnispace 將支持3GPP 標準中的N256 頻段，開展手機直連衛星服務。目前，星座的具體規模未知。2022 年4 月，Omnispace 的首顆衛星Spark-1，通過SpaceX 的獵鷹—9 火箭，成功進入預定軌道。

（2）地面移動通信龍頭企業積極開展手機直連衛星技術研究

蘋果公司與全球星衛星通信公司合作開發手機直連衛星通信業務，2022 年11 月該業務已經在美國和加拿大開展。當iPhone 14 用戶超出蜂窩移動網絡信號覆蓋范圍時，可利用衛星向救援機構發送文字、位置、醫療ID 和電池電量等信息，但不能接收信息。全球星也在2022 年向加拿大麥克唐納·德特威勒聯合公司（MDA）采購17 顆衛星，總價值超過3.27億美元，用于服務現有用戶和潛在用戶，可為后續的蘋果手機直連衛星業務提供保障。

2022 年7 月，愛立信公司與法國泰雷茲—阿萊尼亞空間公司（TAS）和美國高通公司聯合宣稱，將在法國開展基于5G NTN 的手機直連衛星技術測試驗證。2022 年8 月，半導體公司聯發科宣布，通過自研的具備5G NTN 衛星網絡功能的移動通信芯片，以及信道模擬器和測試基站，實驗室模擬完成全球首次5G NTN 衛星手機連接，驗證了手機直連衛星通信的可能性。

（3）我國移動通信企業也正加強星地融合的核心技術研究和產品研制

2022 年9 月6 日的華為Mate50 系列發布會上，華為宣布其Mate50 手機將支持北斗衛星短報文功能。通過華為Mate50 手機，用戶能夠在沒有地面移動通信信號覆蓋的場景下，實現文字、位置信息向外發出，支持多條位置信息生成軌跡地圖等功能。不過Mate50 同iPhone14 一樣，只支持單向的衛星通信，不能接收。2022 年8 月，中國移動、中國兵器等聯合完成國內首顆手機北斗短報文通信射頻基帶一體化芯片研制，支持手機開展北斗短報文通信業務。同月，中國移動也聯合中興，基于3GPP NTN 協議，完成了端到端鏈路貫通，開展短消息、語音等低速率業務測試。

衛星互聯網與5G/6G 融合標準推進情況

（1）國際電信聯盟（ITU）積極制定5G 衛星應用場景、性能指標和技術評估標準

2019 年7 月，ITU-R SG4 WP4B 組正式發布報告書《衛星系統與下一代接入技術融合的關鍵要素》（Report ITU-R M.2460 -“Key elements for integration of satellite systems into Next Generation Access Technologies”）。該報告書參考了3GPP NTN 項目中關于5G 衛星接入和空口的相關技術報告書，對5G 衛星網絡的應用場景、網絡結構、詳細指標等內容進行了定義和分析[4]。2022 年5 月，我國牽頭的《IMT-2020 衛星無線電接口愿景與需求報告書》（Report ITU-R M.[SAT-IMT2020.VISION &REQUIREMENTS]）在ITU-R 成功立項，主要開展5G 衛星應用場景、關鍵性能指標和技術評估標準，為制定關于5G 衛星部分無線電接口的詳細規范建議指明了方向。

（2）3GPP 開展透明轉發模式下的衛星接入技術研究

3GPP 從R15 階段開始啟動NTN 網絡的預研工作，重點研究衛星接入地面移動通信網絡的應用場景和信道模型。R16-R17 階段，3GPP 重點研究NR NTN 增強方案，全面開展了衛星通信的系統架構和空口接入技術以及接口協議研究。R17 階段，3GPP重點研究了衛星透明轉發模式下的關鍵技術[5]。2021年年底，3GPP 公布了首批R18 5G-Advanced 項目，其中包含NR NTN 增強和IoT NTN 增強這兩個衛星通信相關議題，將進一步利用衛星的廣覆蓋特性輔助地面通信。

（3）中國通信標準化協會（CCSA）正開展多項星地融合網絡技術研究工作

CCSA 也在開展5G 衛星通信融合場景和技術研究。2021 年，CCSA 完成了《面向5G 增強和6G 的星地融合技術研究》和《天地一體5G 網絡場景及需求》的研究工作。2022 年，中國信通院聯合中國衛通、中國移動和華為等二十余家單位完成了《基于5G 的衛星通信系統研究》的研究工作。中國移動單位等正在開展《基于IoT NTN 的衛星物聯網系統技術研究》的研究工作。

3 衛星互聯網與5G/6G 發展技術路線

總體來看，未來衛星互聯網與5G/6G 的技術路線有兩個：一是獨立發展體制借鑒，二是終端融合無感接入。這兩條路線在標準體制、頻段、終端類型、產業鏈和業務類型等方面存在較大差異。

獨立發展體制借鑒

衛星移動通信系統和地面移動通信系統采用不同的標準體制和系統架構，系統間相互獨立發展。衛星互聯網系統可以充分借鑒地面移動通信標準體制，提升系統能力和用戶服務質量。

在傳統衛星Ka、Ku 高頻頻段，受到路徑損耗和智能終端能力的限制，衛星通信業務很難做到小型化智能終端上。終端類型以非手持式衛星專用終端為主。目前一代“星鏈”“一網”（Oneweb）、“柯伊伯”（Kuiper）等星座均采用這種發展模式，主要為用戶提供寬帶互聯網業務。

在L（1～2GHz）、S（2～4GHz）、C（4～8GHz）等衛星通信低頻頻段，由于衛星信道環境較好，衛星移動通信終端類型以手持式衛星專用終端為主。“舒拉亞”“全球星”“銥星”“天通”“北斗短報文”等衛星系統均采用這種模式發展，為用戶提供短信、話音、低速率數據等窄帶業務。部分衛星移動通信終端（例如“舒拉亞”“銥星”“天通”等衛星終端）支持衛星和地面網絡的雙卡雙待，或允許用戶通過類似漫游的方式接入地面移動通信網絡，但系統間相互獨立運營，獨立進行用戶鑒權、計費管理等功能。

終端融合無感接入

終端融合體制下，衛星移動通信與地面5G/6G體制深度融合構成一個整體，為用戶提供無感的接入服務，采用協同的資源調度、星地無縫漫游。在L 和S 等頻段，衛星通信業務將能夠融合到普通手機或者IoT 終端上。受到帶寬和手機發射功率的限制，衛星通信主要提供短信、通話和低速率數據業務，未來可能向寬帶業務拓展。衛星運營商將與地面移動通信產業鏈企業深度合作，聯合開展協同組網、協議增強和設備兼容三大能力的技術攻關，充分借鑒地面5G/6G 產業鏈基礎，提升衛星通信的產業化水平。

目前，ITU、3GPP 等國際標準化組織也在積極討論衛星與地面融合技術體制和標準。國外企業包括愛立信、高通、泰雷茲、聯科發，以及我國的紫光展銳、中興、中國移動等均開展相關技術研究和測試驗證，共同推動衛星移動通信業務與地面移動通信融合發展。終端融合、無感接入的技術路線是目前衛星與地面融合發展的重點方向，也是業界關注的焦點。

4 我國衛星互聯網與5G/6G 融合發展建議

加快衛星互聯網與5G/6G 交叉學科人才培養

以“高精尖缺”為導向，積極招引頭部企業、軍工央企外溢高層次人才和團隊。加大國際航天領域青年人才儲備，尤其在新技術、新領域，支持高校、企業、科研院所全球招募青年人才，并加大核心示范人才的獎勵，并為“專精特新”型企業及其關鍵人才提供一系列配套和優惠條件。加大對衛星通信、5G/6G、平臺經濟、人工智能、大數據、車聯網、數字化治理等多領域的融合型數字化人才的引進和培養力度，提升衛星互聯網產業的數字經濟科技創新和轉化能力，推動衛星互聯網與5G/6G 融合產業智能化、數字化發展。

推動衛星互聯網與5G/6G 融合應用場景構建和平臺開發

結合我國高低軌的衛星資源優勢，推動衛星互聯網與各領域融合應用。探索政府側和市場側應用，建立面向各行業部門的支持多場景的衛星數據綜合服務平臺。深化衛星互聯網與5G/6G 融合技術在智慧城市、防險救災、無人機、車聯網等領域的創新應用，樹立典型示范應用標桿，打造國內一流的衛星互聯網與5G/6G 融合應用創新平臺。針對不同用戶和應用場景，做定制化、模塊化開發服務，打造特色化天地融合應用產品，提升產品的綜合競爭力。

深化衛星互聯網與5G/6G 融合技術研究

以ITU、3GPP 中NTN 技術研究成果為基礎，研究星地融合網絡高效傳輸技術、星地按需確定性服務管控、自主掌控星地端到端網絡切片、星地一體化資源編排、多域聯合管控等關鍵技術。開展5G寬帶衛星通信相關技術試驗和應用演示，驗證5G信號體制和關鍵協議流程在星地融合場景下的正常高效運行。把握新一代通信技術發展趨勢和方向，推動衛星互聯網和6G 融合技術布局和發展。

加快衛星互聯網與5G/6G 融合標準體系制訂和推進工作

充分借鑒我國地面移動通信4G、5G 標準研制成功經驗，積極參與推動ITU、3GPP 和CCSA 衛星與地面融合發展標準化工作，大力推動手機直連衛星互聯網多模終端產業規模化和全球化發展。制定標準體系國際推進策略，以我國自主可控的衛星互聯網新技術為牽引，在滿足業務需求的基礎上具備較強的先進性、國際性以及通用性。