蜂窝通信和卫星通信融合的机遇、挑战及演进*

(中国西南电子技术研究所，成都610036)

1 引 言

自出现电报电话以来，人类就与通信产生了密切联系。随着经济社会发展，人们对通信提出了更高要求。由此，通信产业界于20世纪90年代提出了关于个人通信的“5W”目标，即任何人在任何时候和任何地方都能与其他任何用户实现用户自己预定的任何电信业务的通信[1]。

在2010前的数十年里，全球通信技术和产业朝着“5W”目标不断前行。“5W”目标中的“任何地方”要求个人通信的许多应用处于无线或移动环境，蜂窝通信和卫星通信就是其中的主要代表。蜂窝通信主要针对陆地(尤其是人口密集地区)和中低速移动终端设计，迄今为止已推出四代商用系统，成为发展最为成功、影响最为广泛的陆地移动通信网络。卫星通信因具有覆盖范围广、设施部署快、灵活性高、容灾性强等优点，虽发展几经起伏，但也取得了较大成功。由于技术和市场等因素，蜂窝通信和卫星通信虽有交叠，但总体而言属于独立发展。同时，由于自身特点所限，它们都没能真正实现“5W”目标(尤其是“任何地方”)。

2010年前后，随着移动互联网、物联网、云计算等新技术的蓬勃发展，通信网络呈现出许多新趋势。2009年9月，国际电联(International Telecommunications Union,ITU)定义了泛在网络(ubiquitous network)——在预订服务情况下，个人和/或设备无论何时何地何种方式以最少技术限制接入到服务和通信；并描绘了泛在网络愿景：5C(融合、内容、计算、通信、连接)和5A(任意时间、任意地点、任意服务、任意网络、任意对象)[2]。此愿景可视为“5W”目标的演进，指明了未来通信发展的基本方向。泛在网络的基本特征是泛在通信和万物互联，对单一的蜂窝通信或卫星通信带来了巨大挑战，也为两者的融合发展提供了良好机遇。

本文在回顾和梳理蜂窝通信和卫星通信历史及现状的基础上，结合泛在通信和万物互联的趋势和要求，通过分析蜂窝通信和卫星通信继续独立发展面临的挑战，指出两者应走融合发展之路，并阐明了两者融合的巨大优势，然后提出两者融合发展可按照三个阶段演进——联合网络、混合网络、一体网络，最后展望了相关技术挑战和未来研究方向。

2 蜂窝通信和卫星通信的历史回顾和最新进展

2.1 蜂窝通信和卫星通信的历史回顾

个人通信“5W”目标中含有“任何地方”这一重要指标，而人类主要活动区域就在陆地。20世纪40～60年代，各种陆地移动通信系统相继建立，并实现了与公众电话网(Public Switched Telephone Network,PSTN)的连接。70年代中后期，随着用户数量增加、业务范围扩大，移动通信频率资源日趋紧张。由此，美国贝尔实验室提出并验证了蜂窝组网理论[3]，凭借其小区制覆盖、小功率发射、频率复用、越区切换、无线有线有效互联等几大优势，为移动通信之后数十年的骄人发展奠定了基础。

由于成本和市场等因素，蜂窝通信至今也只覆盖了陆地较小面积，离“任何地方”要求还有较大差距，这促使人们探索其他通信方式。早在20世纪40～50年代，Clarke等先驱就提出了卫星通信构想。此后，自1964年国际通信卫星组织Intelsat成立，并于次年发射首颗商用通信卫星“Early Bird”以来，卫星通信凭借其广覆盖、大容量、快部署等优势，得到持续发展[4]：为全球提供音/视频广播，为偏远陆地、海空提供必要通信，为受灾地区提供应急通信。

图1给出了近40年蜂窝通信与卫星通信的大致演进路线。两者在技术和市场上既有共通之处，又各具特点，这导致它们先后经历独立发展、竞争发展、错位发展等不同发展阶段。

图1 近40年陆地蜂窝系统和卫星通信系统的演进Fig.1 Evolution of cellular communications and satellite communications in recent 40 years

(1)独立发展阶段。此阶段移动通信属于蓝海市场，蜂窝通信和卫星通信都处于发展初期，基本是独立发展。陆地移动通信在1980年前后完成了由大区制向小区制的革命，诞生了以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝通信系统(1st Generation,1G)，为用户提供模拟语音服务[5]。另一方面，以Intelsat、Eutelsat、Inmarsat为代表的国际卫星通信组织在20世纪60～70年代相继成立，并先后发射多颗对地静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星开展语音和窄带数据通信服务；它们在2000年前后完成了私有化改革之后，至今还在继续运营[4]。

(2)竞争发展阶段。此阶段，蜂窝通信和卫星通信都希望抢占更大市场，由此竞争加剧。20世纪90年代早中期，以GSM和IS-95等为代表的第二代蜂窝通信系统(2nd Generation,2G)先后商用，采用数字通信技术改善用户体验，规模极速扩大。2000年后，以WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA为代表的第三代蜂窝通信系统(3rd Generation,3G)为系统性能提升和市场规模扩大锦上添花[6]。在2G商用前后，以Iridium、Globalstar和Orbcomm为代表的卫星通信系统使用低轨(Low Earth Orbit,LEO)星座，期望通过提供面向个人的语音和低速数据业务取代蜂窝通信，以实现真正的全球覆盖，但它们在市场定位与用户选择、技术复杂度与投人成本、系统研发周期把控等方面出现失误，最终败给了2G/3G，并于2000年前后相继破产[4,7]。

(3)错位发展阶段。一方面，蜂窝系统乘2G和3G蓬勃发展之势，继续向前演进和深耕陆地通信，并于2010年前后推出了以LTE/LTE-Advanced为代表的第四代移动通信系统(4th Generation,4G)，持续提升频谱效率和传输速率，为移动互联网提供更为通畅的信息“管道”[8]。另一方面，2000年后，Iridium、Globalstar和Orbcomm利用破产机会摆脱了巨额债务，并吸取失败教训，实现浴火重生。在市场定位方面，它们将自身聚焦于蜂窝系统不易覆盖的偏远地区或专业用户；在系统能力方面，通过提升系统吞吐量和用户数据率、减小终端尺寸和重量等手段，提升了特定场景下的竞争力[4]。因此，此阶段形成了错位发展态势。

2.2 蜂窝通信的最新发展

2010年后，4G的全球商用催生了不少新业务，进一步推动移动通信技术和产业继续向前。一方面，移动互联网深入发展。预计到2020年，超高清显示、移动三维投影、移动云等新业务将促使移动流量达到2010年的200～1 000倍，这要求通信“管道”变得更为宽阔通畅。另一方面，物联网逐渐兴起，它将人与人通信扩大至物与物、人与物通信，并使移动通信渗透到更多行业和领域。预计到2020年，车联网、智能家居、工业互联网等新业务将会推动物联网爆发式增长，全球物联网设备连接数将达70亿，从而实现真正的“万物互联”[9]。移动互联网和物联网的发展为第五代蜂窝通信系统(5th Generation,5G)的技术研发、标准制定、产业推进奠定了坚实的需求基础。目前，ITU和第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)等机构正主导着5G技术规范和标准制定工作：3GPP已在2017年年底制定了5G标准首个版本(Rel-15)以满足早期商用需求，ITU将在2019～2020年评估5G技术方案并完成技术规范。图1展示了5G发展的时间维度。

5G与前几代蜂窝系统相比，呈现出以下新特点：

(1)场景拓展。4G及其以前的蜂窝系统主要用于广域覆盖，5G发展则主要面向增强型移动互联网和物联网。因此，ITU提出了5G应支持的三大应用场景[10]：增强型移动宽带、超可靠和低延迟通信、大规模机器类型通信。其中，前者是在移动宽带这一传统业务上对4G的继续增强，后两者则针对物联网应用而设计。

(2)技术变革。回顾蜂窝通信发展历程，每一代都可通过标志能力指标和核心关键技术来定义。根据ITU所提IMT-2020的要求，5G标志能力指标主要含6项性能指标(10～20 Gbit/s峰值速率、0.1～1 Gbit/s用户体验速率、10 Mbit/s/m2流量密度、1 ms端到端时延、500 km/h以上终端移动性、106/km2连接密度数)和2项效率指标(频效和能效比4G分别提升3～5倍和百倍以上)[10]。标志能力指标提升需要核心关键技术支撑。从1G到4G，网络架构虽有所优化，但划代主要标志是无线技术(含物理层和数据链路层技术)的变革[8]。目前，业界对无线(尤其是物理层)技术的挖掘已近极限，要满足5G上述指标，须从无线技术和网络技术两方面突破。5G的大规模天线、超密组网、非正交多址和全频谱接入等无线技术虽已成为业界关注焦点，但它们相对4G并无太大颠覆性。在网络技术领域，5G将采用基于软件定义网络(Software Defined Networking,SDN)和网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)的新网络架构，并可能使用网络切片和移动边缘计算等新技术，这将是对4G的巨大突破[9]。

(3)服务提升。从2G到4G都采用了数字通信技术，且传输速率和频谱效率不断提升,但没有从根本上改变蜂窝系统全球覆盖能力不足的缺点。在IMT-2020给出的5G愿景中，5G除了上面所述指标上比4G有较大提升外，还将构建连接世界的无线基础设施，使宽带连接将变得和日常用电一样不可或缺[10]。这表明5G将更加关注全球覆盖和高效服务。

2.3 卫星通信的最新发展

卫星通信在与蜂窝通信的竞争中曾一度处于下风，其主要不足是：较高的建设运维成本和较小的市场规模增加了用户支出，GEO卫星为主的星座导致的大时延影响了用户体验。但是，卫星通信以其广域覆盖、快速部署等优点一直吸引着人们去探索新的发展思路。近年来，一些新的卫星通信系统吸取以前教训，通过降低建设运维成本、提升系统容量、减小用户支出，并采取与地面电信运营商合作的策略，掀起了卫星通信发展的新一轮热潮。图1也展示了卫星通信在新阶段的典型系统。

首先，为满足提升用户通信速率和降低用户单位比特速率成本的需求，多家卫星运营商/设备商纷纷致力于建设高通量卫星(High Throughput Satellite,HTS)星座。自2004年全球首颗HTS发射以来，截至2016年底，国外共发射了56颗HTS，并正向全球化和产业化方向发展。我国也于2017年4月成功发射了首颗HTS——中星-16号。目前，产业界对HTS的概念逐渐达成共识，即“HTS是以点波束和频率复用为标志，可运行在任何频段，通量取决于分配的频谱和频率复用次数，可提供固定、广播和移动等各类商业卫星通信服务的一类卫星系统”[11]。表1给出了不同通信方式的成本、容量和时延[8，10，12]。就系统容量和用户月支出而言，GEO-HTS相比GEO-FSS(Fixed Satellite System)有了数量级改善。例如，Viasat-1和Viasat-2作为GEO-HTS星座的代表，单星容量就分别达140 Gbit/s和350 Gbit/s。

表1 不同通信方式的成本、容量和时延Tab.1 Costs,throughputs and delays of various communication approaches

其次，在提升通信速率和降低用户成本的基础上，为进一步降低传输时延，基于MEO/LEO卫星的HTS星座开始受到更多关注。O3b、OneWeb、STEAM、Leosat等新一代互联网星座是其中的典型代表[13]。如表1所示，传输时延由GEO卫星的250 ms降低至中轨(Medium Earth Orbit,MEO)卫星的150 ms(主要用于干线传输和蜂窝回传等)或LEO卫星的30～50 ms(与LTE的10 ms用户面时延已较接近)。此外，这些新一代LEO星座与20世纪90年代曾经兴起而又衰落的LEO卫星计划(如Teledesic和Skybridge)显著不同，前者通过引入互联网开放合作的思维及商业批量研制的方式，帮助企业迅速汇聚资本、缩短建设周期、降低综合成本。这使得LEO-HTS的用户月支出虽比LTE要高，但比GEO-FSS已有了数量级下降。

3 蜂窝通信和卫星通信独立发展的挑战及融合发展的机遇

3.1 未来无线通信的发展趋势

如前所述，蜂窝通信和卫星通信系统历经数十年发展，都取得了辉煌业绩，但由于固有局限，它们难以独自解决无线通信的所有问题，难以满足人们对“5W通信”和物联网等新业务的需求。此外，随着芯片制造、射频识别、信息传感、无线接入、网络传输等信息通信技术的发展，未来网络将会更全面地加深人与人、人与物、物与物之间的联系，向无所不在的泛在网络方向演进。泛在网络要求泛在通信和万物互联。若蜂窝通信和卫星通信继续独立发展，则势必都会面临巨大挑战；若它们优势互补，走融合发展之路，则会迎来新的机遇。

3.2 星地独立发展挑战及星地融合发展优势

3.2.1空间泛在

“任何地方”要求通信网络具有空间泛在特性，即能实现广域甚至全球覆盖。目前，因市场效益和技术局限等因素，蜂窝系统对陆地偏远地区、海洋、空天基本不能覆盖；卫星通信虽理论上能覆盖全球，但由于其传输衰减大和穿透能力差，对城市热点区域及室内覆盖能力严重不足。

地面蜂窝系统和卫星通信系统的融合有助于构建能真正实现全球覆盖和提供全球服务的泛在网络。一方面，卫星通信迫切希望能与蜂窝系统融合。长期以来，卫星通信依赖的视距传播在市区难以保证，导致卫星移动通信(Mobile Satellite System,MSS)业务普及率很低。21世纪初，为帮助卫星通信进入主流市场，运营商获得了组建星地混合通信网络(可视为星地融合的一种形式)的授权，通过增加地面部分(欧盟和美国分别称为地面补充组件(Complementary Ground Component,CGC)或地面辅助组件(Ancillary Terrestrial Component,ATC)扩展卫星通信网络[14]。CGC/ATC本质上是卫星通信的地面辅助基站，可改善卫星网络在城市、室内等区域的信号质量，实现卫星网络与地面网络的无缝集成。

事实上，ITU一直在推动基于星地混合(hybrid)网络的MSS的研究和标准制定工作。表2列举了相应的卫星无线接口[15]，它们都参考了相应的蜂窝无线接口。此外，2016年10月，ITU WP4B工作组发布了3 GHz以下频段星地混合网络的体系结构、部署场景、性能评估等方面研究成果。2017年6月，全球卫星通信行业相关机构成立了SaT5G联盟，旨在探索卫星通信和5G集成的最佳方案，并在欧洲试用。该工作成果将影响5G标准的制定。

表2 典型的基于星地混合网络的卫星移动通信无线接口Tab.2 Typical satellite radio interface of MSS based hybrid satellite-terrestrial networks

另一方面，欧盟在2000年前后制定3G标准时曾考虑过卫星在蜂窝系统中的作用[16]，但当时2G/3G正发展得如火如荼而MSS却处于低潮，故并未出现实际的星地融合3G系统。这一局面在4G时代得以延续。不过，ITU在描述5G愿景时指出[10]，“为实现用户随时随地访问服务的目标，各类接入技术间的互通合作至关重要，这或许包括结合不同的固定、地面和卫星网络。各组件除应充分发挥其作用外，还应和其他组件整合配合，从而提供无处不在的无缝覆盖。”3GPP在定义5G业务需求时也明确提出[17]，“5G应能支持各种3GPP和非3GPP接入(包括卫星接入)；5G应支持属于同一运营商或达成一致的不同运营商的陆地5G接入和卫星接入。”这说明ITU和3GPP已充分认识到卫星对于5G的重要作用。

3.2.2接入异构

无线通信网络一般由接入网和核心网组成，具有鲜明无线特征的接入网又包括接入点(Access Point,AP)和终端两种主要网络节点。未来应用千变万化，导致终端形态多样：不同对象属性(人持终端或独立物体)、不同移动速度(从静止到1 000 km/h级)、不同传输速率(从kbit/s级到10 Gbit/s级)、不同功耗(从mW级到100 W级)、不同传输时延(从ms级到s级)。此外，不同形态的终端还分布于不同区域(如陆地人口稠密区域/稀疏区域、海洋、空中等)，导致不同区域的流量密度呈现较大差异。终端形态的多样化和流量密度的差异化必然要求网络提供不同能力的AP，使整个接入网呈现终端异构、流量密度异构、AP异构的特征。独立的蜂窝通信系统和卫星通信系统显然不能满足这种接入异构的需求。

在LTE-Advanced标准制定过程中，就已提出异构网(HetNet)概念[18]，它包含了宏基站、小基站、微基站、家庭基站及中继站(Relay Node,RN)等不同覆盖能力的AP，为多样化终端接入和差异化流量密度提供了解决方案，但仅限于陆地蜂窝可达地区。未来网络的空间泛在(全球覆盖)要求接入网具有更强的异构特性。因此，可将蜂窝通信和卫星通信联合设计，构建包括卫星、各种地面基站和中继站在内的超级异构网络，其中，卫星可视为远比蜂窝宏基站覆盖更广的“卫星宏基站”。超级异构网络的主要优点包括：

(1)接入与回传。蜂窝系统各种AP仍可接入以往支持的终端，卫星则可接入空中、海洋及陆地偏远开阔地区的终端，以保证各种终端在不同区域的连续接入。此外，目前蜂窝系统的回传方式一般是“地面AP→光纤→地面核心网”，这限制了AP的适用范围。借助卫星，AP可就近部署于荒漠、海岛等区域和飞机、轮船等移动平台，并通过“AP→卫星→地面核心网”方式实现回传[19-20]。

(2)控制信令卸载。5G要服务大量流量高密的小区，主要问题之一是增加信令开销，从而降低数据吞吐量和增加能耗。因蜂窝系统可将用户面和控制面分离，并通过地面基站传输用户面数据，用“卫星宏基站”传输控制面数据，以更好节省频谱和降低能耗[21]。

(3)超高速移动终端接入。LTE虽提出要在终端移动速度达350～500 km/h时仍能支持通信[8]，但此时要么性能不佳，要么以增加建设成本和系统开销为代价来专门设计(如针对高铁的LTE-R标准[22])。这是由蜂窝系统单个基站覆盖范围有限的固有缺陷所致。但在卫星的广域覆盖下，飞机、高铁等超高速移动可转化为中低速移动，更易避免频繁的越区切换，从而以更低成本接入(高铁接入一般还需漏泄电缆等其他方式配合)。

(4)物联网应用。5G要开拓物联网应用。物联网中存在分散于广域范围和偏远地区的海量传感器和激励器，以极低功耗发射低速数据，十分适合通过卫星对这些设备进行远程监视、远程跟踪、数据传输，以确保服务连续性[20]。

3.2.3频谱共享

频谱是无线通信的宝贵资源。5G为满足自身愿景，频率将涵盖高(6 GHz以上)、中(3～6 GHz)、低(3 GHz以下)频段，以高频和中低频互补方式解决网络连续覆盖问题。而卫星除了使用传统的L/S/C频段，近几年兴起的HTS逐渐将频率迁移至Ku/Ka频段。这势必会造成两大系统所用载频的交叠，从而引起相互干扰，具体表现如下：

(1)高频段冲突。5G和卫星通信都希望向Ka频段/毫米波拓展，满足用户速率和系统容量的快速增长需求。比如，美国联邦通信委员会将27.5～28.35 GHz、37～38.6 GHz、38.6～40 GHz频段规划给5G使用，并对27.5～28.3 GHz频段卫星地球站的规模进行限制[23]，而OneWeb的馈电链路包含了27.5～29.1 GHz频段[11]，两者频段有一定交叠。

(2)C频段冲突。中国、欧盟、日本、韩国等均提出要将C频段作为5G系统的候选频段，但在亚洲地区，由于C频段卫星产业和卫星轨道资源的使用现状等因素，中国、越南、马来西亚等国在5G和卫星通信之间使用C频段的协调难度较大[23]。

(3)3 GHz附近频段冲突。现有主要业务与卫星、航空移动、军事应用等密切相关，5G与之协调难度较大。例如，ITU 将3.4～3.6 GHz标识用于移动通信，并逐渐成为全球协调统一频段，而美国将3.55～3.7 GHz频段用于其海岸警卫队雷达，存在一定冲突[23]。

按现有规划，全球5G和卫星通信在中低频段冲突不算严重，在高频段(尤其是Ka频段)存在较大交叠，相互干扰将非常严重，很难通过技术手段解决。因此，将蜂窝通信和卫星通信作统一规划和设计，以“频谱共享”或“频谱错位”的方式解决频段冲突产生的干扰，并可在一定程度上提升总体的频谱使用效率。

3.2.4基础设施共享

在独立发展模式下，卫星通信借助CGC/ATC等设备来提升性能，欧盟等则提出引入卫星来扩大5G覆盖范围[20]，这些都会造成基础设施重复建设，无疑将增加相关厂商成本，与当前绿色通信理念相悖。

电信环境全面融合一直是电信行业重要的发展方向之一。一旦星地基础设施实现融合，就可能实现多个虚拟网络运营商之间共享基础设施，而且可根据应用需求和当前网络负载，对特定传输进行动态选择，从而减少成本并提升使用效率。

3.2.5网络弹性

蜂窝系统容灾性较差，很容易受地震、台风、海啸、断电等自然或人为因素影响，网络弹性较差,卫星通信则具有更好的网络弹性。

今后5G在继续推进通信行业向前发展的同时，还将向各个垂直行业渗透，对网络整体弹性要求会越来越高。借助卫星，5G可架构更扁平、功能更灵活，从而减少硬件故障的限制，提升系统的网络弹性。

4 蜂窝通信和卫星通信的融合演进

4.1 融合的三个阶段

尽管蜂窝通信和卫星通信融合发展有着巨大优势，但它涉及技术、市场、政府管制等多种因素，不能一蹴而就。结合前人研究成果及国内外已有的一些局部融合实例，并根据融合层次的深浅和技术实现的难易，初步考虑融合可按以下三个阶段演进。

(1)初级阶段：星地联合网络

蜂窝通信和卫星通信融合的初级阶段是星地联合网络(federated network)，其模型如图2所示。其主要特征是：蜂窝系统和卫星系统除了共用网管中心之外，保持各自接入网、核心网(卫星信关站兼具接入网和部分核心网功能)、所用频段的独立性。终端可支持蜂窝和卫星中的任意一种接入模式或两种接入模式。在图2中，终端A处于卫星波束覆盖范围内，选择卫通模式直接通过卫星接入；终端B处于地面蜂窝覆盖范围内，选择蜂窝模式直接通过基站接入；终端C处于卫星和蜂窝的覆盖交叠范围内，可选择以卫通模式通过卫星接入或以蜂窝模式通过基站接入。网管中心主要提供对网络的配置管理、性能管理、故障管理、安全管理和计费管理等功能。文献[24]给出了类似网络模型,Thuraya公司的欧星系统也曾成功地将卫星通信和GSM整合在一起。

图2 蜂窝通信和卫星通信融合的初级阶段模型：联合网络Fig.2 Model of primary phase for cellular-satellite integration:federated network

(2)中级阶段：星地混合网络

蜂窝通信和卫星通信融合的中级阶段是星地混合网络(hybrid network)，其模型如图3所示。其主要特征是：蜂窝系统和卫星系统共用网管中心，空口部分基本统一，保持各自核心网和所用频段的独立性。几乎所有终端都可支持蜂窝和卫星两种接入模式，且可自适应选择。

图3 蜂窝通信和卫星通信融合的中级阶段模型：混合网络Fig.3 Model of middle phase for cellular-satellite integration:hybrid network

在接入方面，包含几种情形：终端A处于卫星波束覆盖范围内，选择卫通模式直接通过卫星接入；终端B处于地面蜂窝覆盖范围内，选择蜂窝模式直接通过基站接入；终端C处于卫星和蜂窝覆盖交叠范围内，可选择卫通模式通过卫星接入或蜂窝模式通过基站接入；终端D处于卫星波束覆盖范围内，但直接接入困难，可选择卫通模式通过CGC转接至卫星。

在回传方面，包含几种情形：终端A和终端D以卫通模式接入卫星，并通过卫星馈电链路回传；终端B以蜂窝模式接入基站，基站以地面传统方式回传至蜂窝核心网；终端C对应基站既可以类似终端B对应基站的传统方式回传，在受到地域等因素限制时也可通过地星回传链路→卫星馈电链路回传至蜂窝核心网。

混合网络模型借鉴了文献[14,25]涉及ATC/CGC的接入方式和文献[19]给出的回传方式。据笔者所知，目前尚无完整采用此模型的商用系统，不过，3GPP正在研究面向Rel-16(预计2019年下半年发布)的“基于卫星接入的5G”，可能会采用与本模型(部分)相似的架构。

(3)高级阶段：星地一体网络

蜂窝通信和卫星通信融合的高级阶段是星地一体网络(unified network)，其模型如图4所示。其主要特征是：整个系统的AP、频率、接入网、核心网完全统一规划和设计。

图4 蜂窝通信和卫星通信融合的高级阶段模型：一体网络Fig.4 Model of advanced phase for cellular-satellite integration:unified network

在AP方面，根据覆盖范围由大至小包含卫星宏基站，地面宏基站/小基站/微基站/家庭基站，及综合中继站(Integrated Relay Node,IRN)。其中，卫星宏基站由卫星及其地面站共同组成，具有与地面宏基站相似的功能；IRN是CGC和RN的综合和升级，支持地地中继和地星中继，主要起覆盖补盲和信号增强作用。由此，以上各种AP形成了一个超级异构网络。

在频率方面，根据网络异构特性统一规划设计。卫星宏基站的每个点波束覆盖范围一般远大于一个地面基站的覆盖范围，因此只要限制卫星点波束下的地面蜂窝不使用该点波束分配的频率即可。以4色频率复用为例，图4中不同颜色代表不同频率,大六边形表示卫星小区，小六边形表示地面小区。卫星小区1(红色)使用频率1，其中的地面小区使用频率2(黄色地面基站)、频率3(蓝色地面基站)和频率4(紫色地面基站)，从而避开所在卫星小区使用的频率1。同理，卫星小区2(黄色)使用频率2，其中的地面小区使用频率2、频率3和频率4；卫星小区3(蓝色)使用频率3，其中的地面小区使用频率1、频率2和频率4。

在接入方面，终端可自适应选择不同接入模式，包含几种情形：终端A处于卫星和地面覆盖交叠范围内，当卫星信号很强时选择直接通过卫星接入(A-1)；当卫星信号较强但不足以直接接入时，选择通过IRN转接至卫星接入(A-2)；当地面信号很强时选择直接通过地面基站接入(A-3)；当地面信号较强但不足以直接接入时，选择通过IRN转接至另一地面基站接入(A-4)。终端B、C均处于地面小区直接覆盖范围内，选择通过地面基站接入。

在回传方面，包含几种情形：终端A若通过卫星直接(A-1)或间接(A-2)接入，则由卫星馈电链路回传；若通过地面基站直接(A-3)或间接(A-4)接入，则通过一定准则选择以地面传统方式或卫星馈电链路回传；终端B通过地面基站接入，地面基站以传统方式回传至蜂窝核心网；终端C通过地面基站接入，但该基站难以用地面传统方式回传，则通过卫星回传。

在核心网方面，整个一体网络共用一个核心网，使用SDN/NFV技术把各网元功能软件化，并借鉴5G网络中控制与转发分离思想，使其能提供最大的灵活性、开放性和可重构性。

据笔者所知，目前尚无文献提出与一体网络相似的模型；文献[25-26]针对星地混合/融合网络提出的架构也有统一核心网的构想，但没有全面考虑AP、频率、接入网的统一规划和设计，与本模型差别较大。一体网络作为星地融合演进的高级阶段，面临技术挑战最大，但一旦成功实现，可具有第3部分提到的星地融合所有优势，为未来的泛在通信和万物互联提供有效的解决方案，最终形成一个全球覆盖、超级异构、高度可靠、富有弹性的泛在网络。

4.2 融合的技术挑战和研究方向

已有诸多文献针对蜂窝通信和卫星通信融合的初级阶段(联合网络)、中级阶段(混合网络)或它们的相似模型提出了各种技术问题。这里主要讨论星地融合的高级阶段(一体网络)将面临的技术挑战，同时也是未来的研究方向。

(1)频率规划和利用。在星地一体网络中，虽可统一规划和复用频率以有效避免因频率冲突带来的“硬干扰”，但整体频率资源毕竟有限，且不用业务适用频段(高、中、低)有所差异，仍需要探索在一体网络框架下的频率复用及频率灵活动态分配与控制技术。

(2)统一空口设计。星地一体网络具有超级异构特性，但用户需要“透明”接入，故要求统一的空口技术和协议设计。对AP而言，“统一”的本质是无线技术框架一致；对终端而言，“统一”的本质是应做到一套“基带处理单元+射频处理单元+天线”就能实现自适应接入各种AP。这需要在认知无线电、自适应编码调制、自适应帧结构、高效宽带射频和天线处理等技术上均有所突破。

(3)干扰管理。星地一体网络的频率复用和超级异构特性导致实际应用时仍会存在同频或异频干扰。LTE-Advanced曾针对地面异构网的干扰问题提出了干扰协调、干扰抑制、干扰对消等多种干扰处理技术[18]，卫星通信领域也有大量关于解决星地间干扰问题的研究[7]，可借鉴这些已有成果并根据星地一体网络的特点探索合适的干扰管理方案。

(4)移动性管理。在独立的蜂窝系统或卫星系统中，移动性管理已然重要；在更为复杂的星地一体网络中，移动性管理的重要性和复杂性更为凸显。按通信层级，可分为网络级切换(AP或终端改变了其IP(Internet Protocol)地址)和链路级切换(通信双方的链路发生变化)；链路级切换按范围由大到小又可分为卫星间切换、同卫星之卫星小区间切换、地面小区和卫星小区间切换、地面小区间切换。文献[27]等对这一问题已有探索，但还有待进一步研究。

(5) 接入/控制/转发分离。5G为满足其标志能力指标，提出了将接入、控制和转发三个功能平面分离设计的思想[28]，能实现快速灵活的整体无线接入和更高的无线资源利用率，实现集中的控制功能和简化的控制梳程，实现数据转发效率和灵活性的极大提升。星地一体网络可借鉴此思想，在整个系统中合理地分配地面和卫星资源，以提升网络整体性能。

(6) SDN/NFV扩展。5G较之前蜂窝系统的一大革命是引入了源于有线网络的SDN/NFV思想[28]。NFV技术将软硬件分离(网元功能与物理实体解耦)，使网元功能按需分配和动态伸缩，以达到最优资源利用；SDN技术将控制功能和转发功能分离，有利于通过控制平面从全局感知和调度网络资源。文献[26]已初步涉及这一问题，其仿真成果表明将SDN/NFV扩展至星地融合系统可提升核心网性能。但SDN/NFV在5G中的应用还面临无线环境远比有线环境复杂的实际挑战，它能否在未来的星地一体网络中发挥作用，还有待进一步研究。

5 结束语

移动互联网、物联网、云计算等技术和应用的兴起正推动电信业务朝泛在通信和万物互联方向发展。蜂窝通信和卫星通信在过去几十年沿各自路径发展，都已取得辉煌成就，然而，若它们继续独立前行，则很难应对电信业务发展的新趋势和新挑战。因此，两者融合发展就成为解决这一问题的重要解决方案。本文通过总结两者近40年的历史和现状，全面深入分析了蜂窝通信和卫星通信继续独立发展面临的挑战及融合发展获取的益处，并在已有成果基础上，提出了两者按照联合网络、混合网络和一体网络三个阶段实现融合发展的路径，最后，重点针对一体网络(高级阶段)讨论了相关关键技术和未来研究方向。

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