卫星通信与5G融合关键技术与应用

汪春霆　翟立君　卢宁宁　李宁　(中国电子科技集团公司第五十四研究所)

地面第五代移动通信（5G）即将进入商用，卫星通信与地面5G的融合成为业界讨论的新热点。本文首先介绍了星地融合的发展历史，分析了星地融合的发展趋势；进而提出了星地融合的设计思路，并在此基础上对可能涉及到的关键技术进行了探讨；最后，给出了未来卫星与5G相融合的应用场景设想。

1　国际星地融合现状与趋势

从20世纪90年代开始，随着移动卫星通信的发展，关于卫星与地面移动通信相互融合的讨论与尝试就从未停止。地面移动通信系统为用户提供了便捷的服务，然而在山地、荒漠及海上等地区，由于基站架设困难，卫星成为地面的补充和延伸。如今，地面移动通信系统即将进入5G时代，卫星通信呈现高中低轨多层立体化发展、由单星系统向网络化发展及宽带高通量发展的特征，星地融合迎来新的时代。

移动卫星通信与地面的融合

随着地面移动通信系统的世代更替，卫星与地面的相互融合也随之不断发展。早期的北美卫星移动通信（MSAT）系统采用地面模拟蜂窝网技术；瑟拉亚（Thuraya）卫星通信系统在设计过程中采用了类似全球移动通信系统（GSM）/通用分组无线服务技术（GPRS）体制的对地静止轨道无线接口（GMR）标准；低轨卫星星座“铱”卫星（Iridium）和全球星（GlobalStar）的空中接口则是以第二代移动通信的GSM和IS-95作为蓝本。国际移动卫星－4（Inmarsat－4）系统采用的IAI-2标准以及欧洲电信标准化协会（ETSI）发布的全球卫星移动通信系统（S-UMTS）标准均基于宽带码分多址（WCDMA）框架设计。在国内，我国从2010年开始启动了一系列基于长期演进（LTE）标准的卫星移动通信相关研究，并于2012年5月向国际电联提交了卫星通信系统LTE标准草案。2016年发射的天通一号（Tiantong－1）卫星在空中接口的设计上也借鉴并部分采用了3GPP-R6的标准。

值得一提的是，美国光平方公司（MSV，其前身为美国移动卫星风险公司）的天际陆地（SkyTerra）系统，其主要思路是通过布设地面辅助基站（Ancillary Terrestrial Component,ATC）来解决卫星在城市及室内覆盖不佳的问题。卫星与基站复用同一频段，空中接口信号格式几乎相同，终端可以在卫星与地面基站间无缝切换，用户无需使用双模终端即可在全美国范围内使用天际陆地系统提供的全球微波互联接入（WiMAX）、LTE等4G无线宽带网络。同样采用地面辅助基站实现星地融合的系统还有支持4G的同步轨道卫星“陆地星”（TerreStar），其地面网络由美国电话电报公司（AT&T）提供，借助18.28m直径的S频段可展开天线，“陆地星”可以直接支持地面网级别的手持机。

互联网卫星星座与地面的融合

近年来，互联网卫星星座的发展突飞猛进，典型的代表系统包括“另外三十亿人”（O3b）系统、“一网”（OneWeb）系统和美国太空探索技术公司（SpaceX）计划打造的“星链”（Starlink）互联网星座。其主要特征包括：多采用中、低轨道，相比同步轨道卫星可以大幅度降低往返传输延时，使卫星传输的体验可以与地面光纤相媲美；采用几十甚至几百颗小卫星星座组网实现大范围覆盖，通过模块化设计大幅度降低卫星生产成本，从而降低通信资费，为用户提供平价的通信服务；多采用Ka或Ku频段，系统容量大幅度提高，例如，“另外三十亿人”系统的单波束可以提供1.6Gbit/s的传输速率，每颗星70个波束，“一网”系统单星传输能力大于6Gbit/s，下行速率可达50Mbit/s，系统总容量约5Tbit/s，可以为传统互联网架设成本过于昂贵的地区提供高速宽带互联网接入服务。

在与地面移动通信系统的融合方面，互联网星座大多采用IP交换技术，实现与地面互联网的融合互通。在市场策略上，互联网卫星星座摒弃了卫星星座的鼻祖——“铱”卫星系统独立建网、与地面移动通信相竞争的策略，转而与电信运营商开展合作。用卫星为地面蜂窝提供回程服务，拓展现有地面电信运营商的网络覆盖范围；或是用卫星接收设备为周围一定范围内的用户提供高速无线接入服务，满足车辆、偏远地区家庭等用户的上网需要。不出售类似铱星电话似的专用卫星终端设备，用户可以继续使用现有的智能手机和平板电脑访问卫星网络。

星地融合国际组织

随着5G技术的日益成熟，卫星与5G的融合也引起了许多关注，包括3GPP、ITU在内的标准化组织成立了专门工作组着手研究星地融合的标准化问题，业内的部分企业与研究组织也投入到星地一体化的研究工作当中。

1）SaT5G：2017年 6月，BT、Avanti、SES、University of Surrey等16家企业及研究机构联合成立了SaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）联盟，研究卫星与地面5G融合技术，计划在30个月内完成无缝集成方案，并进行试用。其工作内容包括网络体系结构、商业价值主张、关键技术及验证等，最终将进行演示验证，同时还将推进星地5G融合在国际组织中的标准化工作。

2）3GPP：3GPP也对卫星与地面5G的融合开展了一系列探讨，认为在一些工业应用场景中，卫星的广域覆盖能力是不可或缺的，但是由于星地传输时延较大，因此需要网络至少能够支持280ms的传输延时。对于星地融合的网络架构，3GPP提出了4种初步模型，并对与卫星相关的接入网协议及架构进行了评估，并计划进一步开展基于5G的接入研究，重点讨论新的以及现有服务的需求，卫星终端特性的建立、配置与维护，以及在卫星网络与地面网络间的切换问题。

3）ITU：国际电信联盟（ITU）提出了星地5G融合的4种应用场景，包括中继到站、小区回传、动中通及混合多播场景，并提出支持这些必须考虑的关键因素，包括多播支持、智能路由支持、动态缓存管理及自适应流支持、延时、一致的服务质量（QoS）、网络功能虚拟化（NFV）/软件定义网络（SDN）兼容、商业模式的灵活性等。

星地融合趋势

从发展历史来看，星地融合包含了技术与市场两方面。

1）技术方面。星地融合架构既有透明弯管转发，也有星上接入，松耦合与紧耦合的星地融合网络架构将在很长时间内并存；目前，制约星地融合的主要瓶颈是频率资源，随着低轨星座的大面积部署，频率冲突的问题将愈发严重，探索星地频率规划及频率复用新技术是实现星地融合需要解决的首要问题；为了实现地面终端一体化、小型化，卫星与地面的空中接口逐步趋向融合，大规模多输入多输出（Massive MIMO）、非正交多址及新型多载波传输等5G新的空中接口技术在卫星通信中的应用将成为未来一段时期内的研究热点，目前有部分技术已经逐步在浮空平台等非地面网络中开展试验；星地网络全IP化是大势所趋，NFV/SDN等技术在星地融合中发挥突出作用。

2）市场方面。星地网络由竞争走向合作，卫星网络以提供回程服务、基站拉远等方式成为地面网络的补充。在国外，合作共赢的星地融合新商业模式正在兴起；在国内，产业割裂的壁垒短期内仍然存在，需要依托政府力量，通过企业间的合作实现产业融合。

3GPP非陆地网络架构示意图

2 设计思路

总体思路

截至2017年年中，全球互联网普及率仅为51.7%，我国为54.3%，尚有近一半的人群未能接入互联网，而这些人中的绝大多数位于老少边穷地区，网络基础设施架设困难，如何利用卫星通信来弥合数字鸿沟成为脱贫致富的重要因素。全球范围内物流、交通、油矿业、林业、渔业以及工业互联网等新型业态的发展，对统一的全球信息基础设施提出很高的要求，星地融合设计提供了解决该问题的思路。通过引入先进地面商用通信技术，军民融合聚焦国防科技创新，也可改善军事卫星通信装备作战效能。最后，星地一体的融合设计有助于打破天网与地网的分立局面，实现频谱等无线资源的优化配置，采用虚拟化等新技术，提升卫星有效载荷的能效，简化终端设计，降低用户成本。

本文提出了一种全面星地融合的设计思路，重点考虑了以下三个方面的内容：首先，要实现星地网络架构的一体化设计，实现网络层面的互联互通；其次，要从整体角度出发进行统一的频率规划，避免星地间的频率冲突与干扰，提高频率资源使用效率；最后，考虑星地网络功能的协同部署将网络和信息服务功能分解，实现功能的就近按需调度。

组网设计

星地网络融合的模式可以采用松耦合的分立组网模式与紧耦合的融合组网模式。在松耦合的模式下，卫星与地面网络各自独立，由卫星将数据中继到地面中心站，再由地面网络实现数据分发，或者由卫星为地面基站提供回传服务；在紧耦合的模式下，卫星与地面采用统一的空口设计，卫星与地面网协同服务、统一管理、统一计费，终端采用融合设计，用户只需要一台终端就可以在卫星与地面网络间实现无缝切换。

2017年12月，3GPP冻结了非独立组网NSA方案（R15），作为5G商用的初期架构，在物理层面上，尤其是业务传输信道上采用5G关键技术，在接入网协议体系上，仍然采用类似于LTE的方案。作为5G独立组网SA的接入网协议架构标准尚在研究与制定中，考虑到部署时间，未来星地融合的卫星接入网可以考虑采用与 SA同样的协议体系。

频率设计

频率资源是制约星地融合的瓶颈之一，无论是用于移动卫星业务（MSS）的低频段，还是用于宽带业务的高频资源都极其紧张，因此，频率的使用需要通过星地协同规划实现资源的优化配置。例如，在L、S等低频段，星地采用不同载频，由地面基站服务小区中心用户，由卫星为小区边缘用户提供服务，此方案可以同时提高地面蜂窝网的频率复用效率；在Ku、Ka等高频段，由于天线波束角较窄，可以利用波束的自然空间分割降低系统间干扰。

星地频率协同规划

网络功能虚拟化部署

在5G的新型网络架构中，引入了网络功能虚拟化与软件定义网络这两种技术，实现了控制平面与数据平面的分离。星地网络的融合也将建立在网络功能的解耦基础上，实现独立部署、升级和扩展，使整个系统更具敏捷性、适应应用的变化。在星地融合网络中，功能的执行只需要空闲的处理器，而并不关心这个处理器来自卫星或者地面站，是永久配置的还是临时调度的。对于高优先级、高服务质量的业务和用户，在星上划分资源完成其所有相关处理，反之尽量推送给地面节点以降低载荷成本，这改变了以往由于网元功能紧耦合和集中导致的星地功能分割绝对化。

3　关键技术

一体化的空中接口

星地网络采用统一的空中接口设计有助于实现天地网络间无缝漫游与平滑切换，也有助于减小终端体积并降低终端功耗，为用户提供高质量的一致化服务体验。考虑到未来与地面5G系统的融合，空中接口上可以采用的关键技术包括多载波、新型编码及非正交多址等。

1）多载波技术。对于新型的波形，正交频分复用（OFDM）仍然是5G初期的主要技术，而对于非同步轨道卫星来说，由于移动过程通信倾角变化较大，采用多载波技术也可以有效解决多径、遮挡等问题。不同的是，由于覆盖区很大，星地链路的循环前缀、上行随机接入物理信道（RACH）导频独立设计是需要考虑的首要问题。

2）新型编码技术。未来星地一体化网络的空中接口面临复杂的业务需求，业务速率范围宽、误码率和时延要求多样化，既需要支持业务速率达每秒数百兆比特的宽带互联网业务，也需要支持每秒几百比特的物联网短数据业务，编码调制方案必须提供多种组合以适应上述复杂业务的需求，因此可考虑与地面5G采用类似的极化码（Polar）与低密度奇偶校验码（LDPC）组合方案。

3）非正交多址技术（NOMA）。非正交多址对天基的物联网场景支持以及提升频谱利用率具有很强的吸引力。目前，该技术主要包括功率域方案以及码域的稀疏码多址接入（SCMA）、多用户共享接入MUSA。在星地融合空中接口上，功率域方案不易实施，码域方案是较为可行的实现途径。由于星上处理能力有限，低复杂度多址算法设计是需要突破的主要技术问题。

组网与服务

1）端到端传输。采用了高速星间传输后，低轨星座具有了显著的“大延时带宽积”特性。当前主流的端到端控制TCP协议并不能很好地适应上述“大延时带宽积”的场景。当网络出现拥塞时，窗口下降太快会导致线性恢复过程缓慢。因此，对端到端传输协议的优化是需要解决的首要问题。

2）边缘计算服务架构。随着智能设备的快速发展，用户正从以数据消费者为主的单一角色过渡到兼顾数据生产者的双重角色，在网络边缘产生数据、处理数据这一趋势日益明显。业界因此提出了“雾计算”概念，又称边缘计算。数据首先通过身边的“雾节点”进行计算、抽象、存储和压缩，从而减小了向云内传输以及组织云内节点计算带来的开销，同时也减轻了云端处理用户数据带来的安全问题。对于处理能力有限的卫星来说，边缘计算是提高服务质量、降低服务成本的有效手段。

4　应用场景

连续接入服务

卫星/5G融合网络支持用户终端在不同地面5G接入网和卫星5G接入网之间的无缝切换，在行人、家用汽车、火车、长途汽车、商用飞机，以及舰艇等移动平台上装载具有卫星接入能力的用户终端，可以在长距离移动过程中提供连续的5G接入能力，使其在穿越海洋、山区、沙漠等地理区域的同时，享受不间断的5G网络服务。

该服务可以支持两种典型应用场景：星地5G网络切换与漫游、卫星5G跨国境接入。

1）星地5G网络切换与漫游。以远洋运输为例，为了实现集装箱全过程监控，可以在每个集装箱上安装具备卫星接入、网络重选择功能的用户终端。在港口区域，用户终端优先选择使用地面5G接入网将位置、温度等参数上报给中心服务器；在公海区域，由于无地面网络可用，用户终端优先选择使用卫星5G接入网。用户终端在地面5G接入网和卫星5G接入网之间自动实现漫游、切换。

2）卫星5G跨国境接入。网络运营商TA和TB分别在国家A和国家B提供地面5G接入服务，卫星SA和卫星SB的覆盖区域同TA和TB部分重合。通过在跨国境移动的行人、车辆以及其他平台上，装配具备卫星接入、网络重选择能力的用户终端，卫星/5G融合网络可以为它们提供连续、不间断的一致性5G服务体验，使其在TA、TB、SA、SB之间自动切换。

泛在接入服务

卫星/5G融合网络可以实现对大地理区域的广域覆盖，为旷野、边远地区及受灾区域提供连续不间断的5G泛在接入服务，并且支持物联网节点的大规模接入。其主要应用场景包括以下两种。

1）卫星5G物联网接入。卫星/5G融合网络使用低轨卫星星座提供海量机器通信（mMTC）或窄带物联网（NB-IoT）服务，在智慧农业、智慧渔业、智慧海洋、输油管道监控、物流运输等物联网应用中使用的用户终端，应具备卫星接入，网络优化选择能力。当存在地面5G接入覆盖时，用户终端使用地面网络上报位置、状态信息；当不存在地面网络时，用户终端使用卫星5G接入网上报位置和状态信息。

2）卫星5G应急补充。在人烟稀少、且地面运营商预期经济收益不高的地理区域，卫星/5G融合网络可以为偏远地区家庭用户提供5G网络接入服务；在地震、洪水、战争等突发事件，导致地面网络临时中断或地面网络基础设施整体毁灭的情况下，卫星/5G融合网络可以为潜在用户提供5G接入服务。

可扩展接入服务

在3GPP R14中已明确提出使用蜂窝网传送视频内容的需求。在卫星/5G融合网络中，卫星5G接入网可以使用广播、组播技术为较大地理范围内的移动/固定设备提供数字内容分发（包括3D电视、高清视频等）服务。在业务繁忙的时间段，还可以使用路由重定向技术，使用卫星5G接入网分流地面5G接入网的用户流量，避免网络拥塞。

可扩展接入服务可以支持卫星5G广播与组播等应用场景。随着流媒体数量和质量的快速增长，利用卫星信道的广播特征，使用卫星5G接入网，实现对特定地理区域中多个用户终端的数字内容并行分发，以降低地面5G接入网的传输负载。在该应用场景中，用户终端可以同时从卫星5G接入网和地面5G接入网接收数字内容，并具备将两种来源的数据流组合在一起使用的能力。

5　结束语

卫星通信与5G系统的融合将为用户带来更广泛连续的覆盖，将话音、互联网、物联网等应用拓展到更广阔的范围，实现空天地的综合通信服务保障。本文对星地融合的网络架构、频率规划、功能部署等核心问题进行了探讨，并对星地融合的关键技术进行了分析，为5G与卫星系统的融合，以及天地一体化信息网络的建设提供了切实可行的思路。