5G 时代卫星通信新发展

宋成勇，刘 松，李敬能，赵 均

（78156 部队，成都 610500）

1 卫星通信

卫星通信是天基信息传输系统的重要组成部分，是实现全球无缝覆盖、构建天地一体信息网络的重要手段。虽然卫星通信产业在这几年也有较大的发展，但与地面通信的进步速度比起来还是相对迟缓。目前，5G 在全球范围内迅速发展，5G 商业化运行将在这两年内逐步展开，将在不久的未来成为人类重要的信息基础设施。在5G 部署周期内，如果卫星通信不能取得大幅度突破，那么会在全球范围内进一步边缘化，沦落到“吃地面网的剩饭”。5G 时代的来临，将给卫星通信带来新的机遇和挑战，卫星通信要融入到5G 发展的大战略，为其提供基础性、决定性的支撑，开辟卫星通信应用的新时代。

近年来，高通量卫星从理念逐步成为现实，大大改变着卫星通信资源的瓶颈限制，低轨道卫星网络摆脱过去的颓势重新崛起，卫星互联网技术取得重大突破性革新，这些都为卫星通信融入5G 时代打下了坚实基础，随着5G 通信与卫星通信的融合发展，必将促进卫星通信产业的创新活力。

2 5G 时代卫星通信的发展方向

2.1 中继宽带传输业务

利用卫星通信广域覆盖、高速机动、灵活组网、业务综合的先天优势，构建天基信息系统，与“地网”共同构建栅格化信息网络，充分发挥天基信息多元汇聚、态势融合、按需分发地特点，来实现视频、物联网和其他数据的高速中继到中心站点的通信连接，为本地小区站点等提供服务，构建更加健壮的基础通信网络。

新的低轨卫星通信重新崛起，其传输时延和速率都已经能达到与地面光纤网络相当的性能，初步具备与远程海底和地面光缆竞争的能力，我国在这方面也在积极攻关探索，技术逐步成熟。近年来，航天科技集团的鸿雁星座（低轨道卫星）、中国卫通的“中星16号”（GEO）以及航天五院西安分院研制“高分六号”卫星数传分系统都是采用最新技术的高通量卫星，是我国在研及在轨传输速率最高的卫星。

2.2 数据回传及分发业务

充分利用卫星多播功能优势，将卫星链路直接连接到5G 蜂窝基站进行补充，下一步可能直接将基站系统功能放在通信卫星上，从而能够相同的内容（如视频、HD/UHD 电视以及非视频数据）进行按用户需求分发，以及实现来自多个站点的聚合流量的高效回传。通过在各站点部署若干缓存服务器，将服务内容发布到最接近用户的网络边缘进行缓存，然后通过卫星直接分发，得以实现超低延迟应用（如使用低轨道卫星）。这样用户可方便地就近获得所需信息内容，减小信息拥塞，提高信息流动的效率，有效解决用户分布不均、访问流量不均等问题，从而提高用户服务的响应速度。通过研究卫星分发平台构成的异构网络，可最大限度发挥卫星通信自身优势，同时通过与地面网络的组合，我们还需要不断创新内容提供和服务管理等方面的新技术，可提供更多的面向用户的新服务。

2.3 宽带移动通信业务

宽带移动卫星链路主要提供与高速机动载体上的用户通信系统的连接，并能够根据用户需要的内容在大地域覆盖范围内实现与用户设备或传感器的高效直接连接，以补充现有的地面连接，进行全天候、全地域、全时段的通信业务。

同步轨道卫星的波束覆盖宽，覆盖区域固定，星座设计相对简单。2016年8月，我国自主研制的卫星移动通信系统首星“天通一号”01星成功发射升空，将成为我国社会信息基础设施的重要组成部分，是我国自主研发轨道卫星移动通信系统，真正实现个人卫星移动通信。但是，同步轨道卫星的宽波束会导致波束边缘的地区覆盖性不佳，特别是极地区域无法覆盖到。新兴低轨通信星座大都能够实现时越来越小，与地面光纤网络相当，随着星座技术的成熟，未来用户将大多在使用低轨卫星实现宽带移动通信业务。

2.4 混合多媒体业务

卫星可以向家庭和办公室提供地面宽带以外的补充内容，实现混合多媒体业务，能过网络传输优化，解决地面网络负载过重的问题。中国卫通与泰国信卫星大众有限公司开发的卫星宽带系统IPSTAR，将卫星通信与基于IP 的宽带业务相结合，能够与地面宽带网络相互融合，互为备份和补充，从而向用户提供包括互联网宽带接入、话音、IP 数据、视频和多媒体在内的综合信息服务。随着卫星通信加入5G 物联网、车联网等的快速发展，混合多媒体通信将迎来更加广泛的新的个性化服务。如定于20202年发射的“简阳星一号”将着眼宽带互连网业务，实现基础电信运营商5G 通信回传业务。

3 5G 时代卫星网络的关键技术

3GPP 和ITU 两个标准组织的卫星通信标准进行深入细致研究。例如，ITU-RM.[NGAT_SAT]标准的研究，标准成果最新文件在2018年3月完成，其中对5G 卫星网络的应用场景、网络结构、关键技术等内容进行了定义和分析。3GPP 最早在R14中开展了卫星通信对5G 地面移动通信带来的优势进行研究。随着5G 标准的发展，目前3GPP 在SA 以及RAN 工作组中先后都将卫星接入列为5G 的多种接入技术之一，并对卫星网络的部署方案和应用场景进行了具体研究和分析。

3.1 卫星星座组网技术

在卫星星座建设中，不同轨道高度的卫星具有各自不同的优势。地球静止轨道卫星（GSO）能提供经济高效、即时的网络覆盖；中、低轨道卫星（MEO、LEO）具有较低传播延迟。卫星通信星座建设要融入到5G 建设规化中去考虑，充分发挥高、中、低轨卫星各自优势组建设混合型网络。

在考虑制造成本方面，目前一些卫星制造商引入三维打印和建设组装生产线来生产小卫星、微纳卫星等，这可使这些小卫星的单颗制造成本远远低于常规大卫星。同时，相比同步轨道卫星，低轨卫星所需的功率和天线尺寸都要小很多，低轨道卫星一箭多星技术已相当成熟，大大降低了卫星建设成本。目前，全球新兴低轨通信星座蓬勃发展多达几十个，其中比较典型的是OneWeb公司、Telesat 公司和SpaceX 公司的低轨卫星星座。目前国内也在积极开展小卫星及其应用技术研究，已涌现出多个小卫星星座计划，如我国航天科技集团和航天科工集团分别提出了建设300余颗的“鸿雁星座”和156颗的“虹云工程”低轨道通信卫星星座的计划。我们要及早谋划和争取频率和轨位资源的问题，重点研究干扰分析、智能避让、时空统筹应用等技术为未来潜在的发展应用需求奠定基础。

3.2 高通量卫星通信技术

高通量卫星（HTS）是近年来卫星通信领域发展的热点，高通量卫星系统利用多波束、点波束，星上波束交换、搭载宽带有效载荷，高频率复用和使用更高频段来等技术，显著提高大范围区域的传输容量和传输速度。高通量卫星能大幅降低每比特成本，是卫星通信得以再次蓬勃发展的重要技术基础。

当前在轨应用的高通量卫星主要以静止轨道卫星为主，但非静止轨道星座技术近年也有了较大发展，将在5G 时代提供大容量、低延迟、全球覆盖的服务发挥独特的作用。目前披露的商业低轨通信星座计划大多采用高频段频率，C 频段和Ku 频段资源日趋紧张，因此目前高通卫星越来越多地向Ka 频段发展，甚至更高的V 频段（40 ～75GHz）、太赫兹以及激光等频段发展。

3.3 卫星系统地面段技术

以3GPP 和GPP2所主导的下一代移动通信网络都将采用IP作为其核心网承载技术，并逐步实现全网的IP 化。卫星通信系统要融入5G 通信，卫星通信系统地面段的全IP 化必将是未来的发展趋势。

从网络应用来说，将5G 地面先进技术应用于卫星网络中，主要包括服务内容、网络切片、移动边缘计算、IP 化互操作和资源虚拟化等，以便卫星网络透明地支持端到端系统服务。随着研究深入，卫星调制解调器、管理系统和网络平台等将在地面网络架构中实现标准化、IP 化，从而实现与其他网络的产IP 化互操作。同时，地面体系结构的虚拟化技术以及硬件产品向固件和软件应用的转变，使得地面基础设施结构变得简单和经济有效，业务提供更加动态。例如，Kratos 推出了一套名为SpectralNet 的数字中频产品，它通过在IP 网络上传输数字射频信号，从而摆脱了射频传输的距离限制。在这个过程中，频率和定时信息得以保存，射频信号在远端可以被完整恢复出来。通过SpectralNet 数字中频这类功能，用户就可以利用他们现有的信号处理设备（如中心站、调制器、加解密设备等），只要能够连接到IP 网络，它们就能就地提供这些新的服务。

卫星通信地面段应用只有主动适应地面通信系统协议标准的规范化，实现卫星通信与5G 地面系统的充分融合，不断取长补短，充分释放自身优势潜能。随着卫星载荷的IP 化、灵活化和软件化，也将不断促进地面系统更新升级，功能更加强大、更加智能，深度融合在一起。

3.4 相控阵天线技术

近年来，相控阵技术在军用和民用领域获得了广泛应用。采用有源相控阵技术可很好地满足卫星通信中提高星座系统的单星波束覆盖范围。同时对于星座系统来说，其通道数量一般较多，星载有源相控阵需要有比较大的增益满足用户终端发射功率小、业务带宽大的要求。随着新型相控阵天线技术的突破发展，将降低新型移动卫星通信终端成本，降低了尺寸、重量和功率要求，适合移动平台的卫星通信应用场景。

随着5G 通信系统研究发展，特别是5G 无线通信领域Massive MIMO（大规模多入多出）天线的应用，把相控阵技术推向了广泛应用的特别高度，成为各国争相研发的重点，技术创新研究层出不穷。中国工程院院士李世东教授研究采用“空间优化采样法”设计制造新一代相控阵天线产品，如超薄S 波段相控阵（卫星通信）动中通天线、5G 无线通信Massive MIMO 基站天线和Ka 波段环形超稀疏相控阵天线，这些产品可使通信终端的天线制造成本降低50%，并且能有效解决困扰我们的散热等难题。

总之，随着5G 通信时代的到来，卫星通信不断发挥卫星通信广覆盖、高容量、组网灵活、接入低成本、容灾抗毁能力强的特点，与地面信息网络、全球信息栅格等优势互补、紧密融合，构建出天地一体化信息通信网络，更好地适应满足5G 通信广覆盖、高速率、超密度连接通信的需求，实现信息在全球范围内的传输和交互，必将促进全球信息产业的更大更新发展。