融合5G的卫星移动通信系统①

翟 华

(北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

0 引言

随着移动互联网的飞速发展和智能终端设备的推广应用，人们对移动通信的速率提出了更大的要求，第五代移动通信系统(5G)旨在提供10Gbps～20Gbps的峰值速率以及100Mbps～1Gbps的用户体验速率，满足更为丰富的业务需求[1-2]。5G凭借其无线通信服务容量大、业务多和速率高等特点，可广泛应用于人口密集地区，但在人烟稀少或难以铺设地面网络的地区就很难发挥其优势。相比地面移动通信网络，卫星通信系统主要具有覆盖范围广、通信容量大、地形影响小、灵活性高和能适应多种业务等不可比拟的优点，因而可以利用卫星对人烟稀少或难以铺设地面网络的地区进行覆盖，与地面网络形成良好的互补，以此来实现真正的全球覆盖，为全球用户提供无差别的通信服务。事实上，人们对卫星通信的应用早于地面蜂窝无线通信的建设。国际上首个商用的通信卫星系统是1965年由国际卫星通信组织(INTERSAT)发射运营的晨鸟号(Early Bird)卫星系统，而国际上第一代蜂窝无线通信系统在上世纪八十年代才开始建设。近几十年来，国际上投入运营的卫星通信系统不仅有地球静止轨道的海事卫星(Inmarsat)、瑟拉亚(Thuraya)、卫讯(Viasat)等，也有低地球轨道的铱星(Iridium)、全球星(Globalstar)、轨道通信(Orbcom)等。尤其是自2015年来，国际上涌现出了低轨互联网通信星座的建设热潮，如OneWeb、Starlink，引发了备受关注的国际热点。卫星通信系统与地面无线通信系统的融合建设，也再次成为国际范围内深入论证的发展方向[3-6]。

1 卫星与5G融合的研究现状

21世纪初，运营商通过获得组建星地混合通信网络的授权，使卫星通信进入了主流市场，并且为了扩展卫星通信网络，增加了地面辅助组件(ATC)或地面补充组件(CGC)。ATC是指一种用于卫星移动通信的地面辅助基站，卫星和大量ATC基站组合在一起来实现大区域无缝覆盖，因此可用于解决卫星信号在高楼林立的城市以及室内覆盖性不佳的问题，但其中也牵涉到一些复杂问题，例如：卫星和ATC基站频率复用、天地系统的切换和协调控制。

随着5G技术的日益成熟，5G与卫星的融合引起了国内外的广泛关注，包括国际电信联盟(ITU)和第三代合作伙伴计划(3GPP)等标准化组织均投入了大量精力开展卫星融合5G系统的相关技术论证工作。

1)国际电信联盟在2016年提出了“下一代移动通信网应满足用户能随时随地访问服务”的需求，在卫星接入技术领域开展了ITU-R M.[NGAT_SAT]标准的研究[7]，针对星地融合提出了4种典型的应用场景，包括中继宽带传输业务、数据回传及分发业务、宽带移动通信业务、混合多媒体业务，如下图所示，并明确了为支持以上应用所具备的关键特性。此外，ITU也积极推进关于卫星与5G在频率使用方面的工作，并开展了一系列关于卫星与5G的频谱共用与电磁兼容性分析。

图1 ITU给出的星地融合系统4种应用场景

2)第三代合作伙伴计划(3GPP)自2017年的Release14标准开始论证卫星通信对地面移动通信系统带来优势[8,9]。在2017年底发布的技术报告TR22.822中，3GPP工作组SA1定义了连续服务、泛在服务和扩展服务这三大在5G中使用卫星接入的用例，并讨论了新的及现有服务的需求。目前，3GPP主要依托名为“非地面网络(NTN)”研究项目，开展卫星通信在5G中的部署场景、空口设计等研究工作[6]。

3)2017年6月，欧洲成立了SaT5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)联盟，成员包括BT、SES、Avanti、University of Surrey等欧洲企业及研究机构，旨在为5G提供一种性价比高、即插即用的卫星解决方案，为卫星产业链提供持续增长的市场机会[10]。2018欧洲网络与通信会议在斯洛文尼亚卢布里雅那举行，在会议上，5家SaT5G成员现场演示了卫星与3GPP网络架构的融合，其中包括VT iDirect公司、SES公司。

图2 Sat5G给出的卫星5G应用场景

4)为了应对5G系统提出的容量增长1000x的目标，在欧盟H2020资助下启动的SANSA (Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas)计划旨在为未来大容量无线通信系统提供很好的回程链路解决方案[11]。SANSA项目提出了低开销的智能天线波束成形技术、针对星地融合无线网络的动态智能无线资源管理技术、基于数据库辅助的动态频谱共享技术等，深入开展研究工作。

2 卫星5G融合的关键技术

由于卫星通信与地面无线通信在传播距离、覆盖范围、功率能力等方面存在区别，实现两者的深度融合面临着一些不可避免的挑战[12-16]，以下从体系架构、波束覆盖、空口波形、频谱共享、网络控制等五个方面分析卫星5G融合的关键技术。

2.1 体系架构

在卫星5G融合的体系架构中，考虑高低轨混合的卫星星座方面，同时通信频段的设计也包括低频段(如L、S频段)和高频段(如Ku、Ka频段)，兼顾中低速和宽带传输服务需求。卫星覆盖区随着星下点移动而运动，终端用户在不同蜂窝小区间切换。低轨道卫星星座的星间链路由激光或微波链路构成，并且多颗卫星互联在一起，可构成一个以卫星作为交换节点的空间通信网络。星座通常采用极轨星座进行设计，这是由于相邻轨道面卫星之间有着较为稳定的相对位置关系(除了极区或反向缝)，有利于保持星间链路并实现高纬度区域覆盖。此外，卫星的馈电链路业务在关口站落地，关口站实现卫星网与地面PSTN、PLMN以及互联网的互联互通，这些操作都是在Ka或者Q/V等频段实现。

目前关于星地融合网络主要有三种架构。第一种是星地互补网络。在这种架构下，5G系统和卫星系统共用网管中心，但是各自的接入网、核心网保持独立性。接入网和部分核心网功能由卫星信关站提供，蜂窝和卫星中的任意一种或两种接入模式由终端进行支持。第二种是星地混合网络。在这种架构下，地面系统和卫星系统共用网管中心，同时空口部分也尽量统一，保持各自核心网和所用频段的独立性。终端可以支持地面和卫星两种接入模式。第三种是星地一体网络。其主要特征是： 整个系统的接入点(AP)、频率、接入网、核心网完全统一规划和设计。需要指出的是，星地一体网络是星地融合通信系统的最高阶段，面临着巨大的技术挑战。

2.2 波束覆盖

在星地融合移动通信系统中，通过调整其点波束和无线资源，为热点地区提供超过预定容量的话音和数据服务，这种灵活的功能是通过数字波束成形(DBF)技术来实现的。目前卫星通信的数字波束成形技术主要有地面DBF、星载DBF和混合DBF三种形式，其中混合数字波束成形在性能和复杂度之间有很好的折中并得到了广泛的研究。当采用混合DBF时，地面网络控制中心根据波束调整需求和相应的策略，计算出优化后的波束成形矩阵，然后通过馈电链路将波束成形矩阵的参数发送到卫星，通过在星上进行多波束天线的重构，动态调整对地的波束覆盖。

由卫星或者终端移动带来的切换主要有两种：一种是卫星系统内部的切换。对于低轨卫星而言，其相对地面位置快速变化，使得终端被同一颗卫星连续覆盖的时间只有十几分钟。因此为了防止切换过程中数据丢失，卫星间或波束间切换必须提前做好准备，并且快速执行。另一种是终端在地面5G网络与卫星网络之间的切换。这种切换需要考虑支持星上处理和弯管透明转发架构、时间同步、测量和信息协调等因素。当蜂窝网信号非常弱的情况下，终端才会由蜂窝网切换到卫星网络，否则就维持在地面网络的接入。

2.3 空口波形

正交频分复用(OFDM)仍为5G系统的基本传输体制，但其中的载波间干扰(ICI)会造成系统性能的严重下降，这是由于正交频分复用技术本身对频率偏移十分敏感，频偏带来的子载波间的串扰会降低通信性能。为了有效抵抗残余频偏对系统性能的影响，可采用可变子载波带宽的设计方案。对于频带较窄的L频段来说由于其支持的话音业务的码率低至2.4Kbps，应采用15KHz或者更窄的子载波设计。在Ka频段，可以采用的子载波宽度较大，这是由于用户往往是宽带上网，且最小仰角较大，可有效降低多普勒效应的影响。

另外，5G支持的非正交多址(NOMA)并不要求每个用户独占资源，用户可以在非正交的资源上同时收发信息，基于多用户联合检测，可以通过信号处理的手段避免用户间的互相干扰。相对传统的正交接入方式，NOMA技术的应用可以使得频谱效率提高3倍以上。目前已有面向地面5G系统的NOMA芯片开发出来，并获得推广应用。NOMA技术是利用复杂度换取频谱效率，也意味着会很难适用于长时延的静止轨道(GEO)卫星通信场景，因为大量的信令交互用来动态控制用户接入参数。后续应针对卫星通信中的NOMA技术开展技术研究工作。

2.4 频谱共享

无论对于卫星通信还是地面移动通信系统，可用频谱的匮乏都已成为亟待解决的问题。尤其是卫星通信和地面通信已在频谱资源方面形成了激烈的竞争态势，如卫星通信系统使用多年的C频段和Ka频段，已经被ITU授权给了地面5G系统。两者的频谱竞争态势具体包括：

1)Ka频段方面：为了满足用户速率和系统容量快速的增长需求，5G和卫星通信都希望采用Ka频段甚至是毫米波频段。例如：2019年世界无线电通信大会(WRC-19)在全球范围内把24.25 GHz-27.5 GHz、37 GHz-43.5 GHz、66 GHz-71 GHz共14.75GHz带宽的频谱标识用于5G和未来国际移动通信系统；美国FCC已经将27.5GHz-28.35GHz、37 GHz-38.6 GHz频段授权给地面5G 使用，而这些频段跟卫星通信系统使用的频段有一定的交叠。

2)3GHz-6GHz的C频段：很多国家均提出要将C频段作为5G系统的候选频段，其中就有中国、欧盟、日本、韩国。但在亚洲地区，中国、越南、马来西亚等国已经在该频段建设了大量卫星通信系统，地面5G系统使用C频段的协调难度较大。

通过星地协同规划实现优化配置可提高频率资源的高效使用。通过构建星地联合的频谱感知系统，可以实现星地通信系统之间的频谱共享，提高频谱利用效率。与地面无线通信网络相比，认知用户对所处网络环境中所有频谱的检测难度大大增加，这是卫星通信覆盖范围的广域性引起的，频谱数据库更新迅速、波束形成、频谱感知的精确性与认知区域描述都是这一技术的研究重点。此外，从资源整合的角度来看，统一规划和设计蜂窝通信和卫星通信，以“频谱共享”的方式解决干扰，因此促进频率资源的共享使用，可以为卫星通信系统与5G系统的深度融合提供兼容的基础。

2.5 网络控制

通过SDN和NFV技术实现了端到端的网络切片是5G系统中网络控制云最大的特征。SDN和NFV技术分别实现了网络承载和控制的分离和核心网网元的软件化，它们为实现网络切片提供了坚实的基础。

卫星通信系统与地面5G进行深度融合时，可以将卫星核心网的控制功能和转发功能进行分离，进一步使转发功能简化下沉，并且为支持高流量的传输要求和灵活均衡的流量负载调度，可将业务存储和计算能力从网络中心下移到网络边缘。

为了支持与地面的融合，除了3GPP提供基本服务功能的9个网络功能，需要在5G卫星核心网的用户平面上新增加非3GPP互联功能和用户平面功能。

3 卫星5G融合面临的挑战及研究方向

尽管卫星5G融合工作已经取得了诸多进展，但要真正实现卫星与5G融合这一美好愿景，还将面临许多的技术挑战。在卫星和陆地领域有许多共同的挑战，下面我们列出了其中主要的技术挑战以及未来的研究方向。

1)传输体制的挑战：在星地一体网络传输中，多普勒频移，频率管理与干扰、功率受限和定时提前是亟需解决的问题。针对多普勒频移，5G在传输体制上采用多载波OFDM，其子载波间隔设计没有考虑大多普勒频移的影响，会带来子载波间的干扰。在功率受限方面，保证较高的频带利用率的同时降低信号峰均比。最后关于定时提前，无线链路传输延时的快速变化可能导致需要动态更新终端的各个定时提前，以确保所有上行链路传输同步。

2)接入与资源管理的挑战：考虑到星地一体网络的长延时对MAC层与RLC层的接入控制、HARQ、ARQ等过程都带来了挑战。在接入控制方面，为了支持5G与卫星的有效融合，需要设计合理的预授权、半持续调度和免授权等接入机制。对于HARQ，其往返时间长度通常超过了HARQ最大定时器长度，HARQ过程对时间有严格要求。在MAC层及RLC层的调度过程中，卫星系统的长延时也会影响调度的及时性，需要对其调度延迟参数进行调整。

3)移动性管理的挑战：在星地一体网络中，移动性管理的挑战更为严峻。按通信层次可分为网络级切换和链路级切换。按照应用场景分为地面小区间切换、卫星和地面小区之间的切换、卫星小区之间的切换、星间切换。这一问题已有探索，但还需进一步研究。

4 结束语

卫星通信和地面蜂窝通信系统经历了近三十年的发展，都取得了辉煌的成绩。但由于其各自固有的局限，难以满足人们日益增长的移动通信和海量数据互联需求。近几年来，随着物联网技术的快速发展，未来的无线通信系统将面向从“人与人”到“人与物”、“物与物”的转换，实现泛在通信和万物互联。通过卫星通信和地面蜂窝通信的融合发展，实现优势互补，则将迎来新的发展机遇。本文从卫星通信与5G融合的发展现状、关键技术、面临的挑战等方面进行了介绍和探讨，希望为该技术的发展提供参考和方向。