低轨卫星通信系统与5G通信融合的应用设想

2019-02-22航天恒星科技有限公司王悦王权张德鹏李雯婷于航

卫星应用 2019年1期

文 | 航天恒星科技有限公司王悦王权张德鹏李雯婷于航

一、引言

地面通信系统可为用户提供方便快捷的通信网络接入服务，然而在山区、荒漠、航海、航空等区域，由于地面网络建设困难，卫星通信成为主要的通信手段。卫星通信在发展过程中，其技术体制大量借鉴地面通信网络标准，该设计模式下有利于实现卫星与地面网络的兼容和融合发展[1]。目前我国5G正处于技术研发与试验的初级阶段，低轨卫星星座的设计与研制也正同步进行，如何借鉴并吸收5G网络的先进技术，寻求低轨星座与5G网络的融合发展，已成为业界发展研究的热点课题。

二、现状与发展趋势分析

1.低轨星座与地面网络融合现状

近年来，互联网卫星星座产业迅猛发展，其代表系统有“一网”（OneWeb）系统和“星链”（Starlink）互联网星座系统。

一网公司（OneWeb）致力于采用低轨卫星星座群，实现为全球终端用户提供高速率、低延时的卫星互联网接入服务。OneWeb公司初期预计发射720颗低轨卫星完成一期建设，星座分布于1200km高度的18个轨道面上，星上采用透明转发，借助于地面关口站实现数据的中转。该星座群的单星质量不超过150kg，单星容量可达5Gbit/s，可为0.36m口径的通信终端提供高达50Mbit/s的网络通信服务[2]。OneWeb公司采取产业化发展方式，使卫星制造自动化、标准化，并通过新型技术和高效管理并施等手段，降低成本，以提供高性价比的互联网接入服务。目前，OneWeb公司已获取美国联邦通信委员会（FCC）授权，能够在美国境内提供互联网通信服务。通过综合评估，OneWeb公司将增加1972颗低轨卫星，以填补供不应求的通信市场空白。

美国太空探索技术公司（SpaceX）开创了商业卫星互联网新时代，公司计划的“星链” 互联网星座系统拟发射4000多颗低轨卫星，同时利用火箭回收技术，降低发射成本，提供低价、优质的互联网通信服务。北京时间2018年12月4日，SpaceX的猎鹰九号火箭发射了64颗低轨卫星，这项名为“太空飞行SSO－A：小卫星快车”的任务将部署来自多家提供商的7500颗低轨卫星，通过将微小的厘米长的卫星发送到低地球轨道来彻底改变物联网应用现状。

此外，美国光平方公司的天际陆地系统（SkyTerra）在星地融合方面也取得了有目共睹的成绩。该系统利用部署于地面的辅助基站（ATC）解决地面网络覆盖区域局限和卫星在室内覆盖不佳的问题。通信卫星与地面基站共用同一通信频率，空中接口采用相互兼容的数据格式，通信终端可在卫星与地面基站之间进行无缝的通信切换，在美国全境依托该系统，用户可享有全球微波互联接入（WiMAX）、通用移动通信技术的长期演进（LTE）等4G无线宽带互联接入服务。与SkyTerra同样使用地面辅助基站实现星地融合的系统还有“陆地星”（TerreStar），该系统的地面段网络由美国电话电报公司（AT&T）提供，结合S频段的可展开式天线，“陆地星”可为地面网级别的手持机提供通信接入服务。

2.星地融合组织机构发展

随着卫星与5G技术的成熟发展，两者的融合使用逐渐成为业界关注的重点，国际电信联盟（ITU）、第三代合作伙伴计划（3GPP）、SaT5G和CBA等标准化组织组建了专业团队对星地融合相关问题进行深入研究，业界部分研究机构也投入到此项研究工作中。

1）ITU：提出卫星与5G融合的4类应用场景，包括小区回传、中继到站、动中通和混合多播，同时提出了各场景下需重点关注的关键技术。

2）3GPP：根据星地融合的网络架构提出4种建设模型，基于建设模型对相关的卫星接入网络协议进行分析、评估，后续3GPP将继续对5G通信进行深入研究，加强对5G市场现有及新增服务需求的分析，讨论卫星终端的建立、配置和维护等标准，并重点分析卫星网络与地面网络的无缝切换技术。

3）SaT5G：2017年6月，SaT5G联盟成立，重点研究卫星与5G网络的融合通信技术，其主要研究工作有网络体系架构、关键技术及仿真验证、商业价值主张等，计划在两年半的时间里完成无缝集成方案，并进行演示验证。SaT5G联盟还将参与研究卫星与5G融合的国际标准制定工作。

4）CBA：该联盟旨在为5G商用服务开辟新的频谱资源，后续，联盟将组建商业工作组和技术工作组，推动美国移动通信网络运营商能够尽快使用3700～4200MHz频段中的部分频谱资源建设5G商用网络，加快推出5G移动通信商用服务的进程。

3.发展趋势

低轨卫星星座系统可利用其全球覆盖的特性，弥补5G地面网络通信覆盖不足的短板，同时5G网络的更高传输速率，亦可提升低轨星座系统的用户体验度，因此，低轨与5G的通信网络融合是未来通信领域发展的热门方向。

随着低轨卫星星座的大面积规划部署，通信频率冲突的矛盾将日益突显，统筹规划星地频率资源、研究高效的频率资源复用技术，是解决星地资源冲突的有效手段；为保障用户终端的一体化、小型化设计，5G通信中的大规模多输入多输出、非正交多址、新型多载波传输等新空口技术在低轨卫星星座系统中的适配、适用，将成为低轨星座与5G融合的研究热点；星地网络的全IP设计是星地融合的发展趋势，网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）[3]技术也将成为低轨星座与5G融合的关键研究内容。

目前，星地网络正由相互竞争转变为合作共赢模式，卫星网络作为地面网络的扩展与延伸，可实现地面基站的拉远，并为其提供通信回程服务。国外星地合作共赢的新型商业模式已经兴起，国内产业割裂的壁垒短期内仍然存在，合作共赢的发展模式还需进一步探索。

三、网络融合可行性分析

我国IMT－2020（5G）组织提出了基于“三朵云”的5G网络总体架构[4]，以满足面向5G应用的业务指标和场景需求。该架构下5G网络由接入平面、转发平面和控制平面三部分组成[5]，其中，接入平面支持多种无线网络的通信接入，可实现多接入网络的协同控制，并提高无线资源的利用率[6]；转发平面基于通用硬件平台设计，满足业务数据的低延时、高可靠及均负载传输需求，提高数据转发效率；控制平面利用网络重构技术，实现功能的集中控制和流程的简化处理。5G网络总体架构图如图1所示。

我国低轨卫星星座系统网络架构与5G网络架构相同，也包括接入平面、转发平面和控制平面，低轨卫星星座系统架构图如图2所示。其中，接入平面部署在星上，通过卫星基站实现空口协议的处理，并由星载路由交换单元实现数据转发，与5G接入平面相比，低轨星座接入平面既有接入、控制功能，也有转发功能；低轨卫星星座系统的转发平面和控制平面部署与关口站的核心网中，与5G网络转发平面不同的是，低轨转发平面主要进行终端与地面网络之间的业务处理。

由上述分析可以看出，低轨卫星星座系统在网络架构方面与5G网络相似，两者融合接入时只需做简单的融合处理即可。

图 1 5G网络总体架构图

由于低轨星座的特殊性，在低轨星座中不能直接使用5G通信协议，需要依据低轨星座的特点逐层对协议进行针对性的设计和优化。因此，两网进行通信融合时，协议适应性开发是待攻克的重点问题。

图 2 低轨卫星星座网络架构图

四、方案设想

全球范围内交通、运输、油矿业、渔业、物流业以及工业网络互联等新型产业的发展，对全球统一的信息网络基础设施建设提出了较高要求，低轨星座与5G网络的通信融合是解决上述问题的有效手段。星地网络的一体化融合设计有利于打破天基与地基网络相互独立的局面，通过搭载相应载荷，提供覆盖全球的航空航海监视、导航增强以及广域互联网接入等服务。本设计给出低轨卫星星座系统与5G网络融合通信的设计思路，重点从网络架构、网络功能部署和关键技术三方面进行分析设计。

1.网络架构

低轨与5G网络的融合架构可采用两种设计方式实现，第一种为松耦合分立组网建设方式，低轨卫星通信网络和地面网络相互独立，业务数据经通信卫星中继至地面信关站，再由地面通信网实现数据的转接分发；第二种为紧耦合建设方式，低轨星座网络和5G网络采用统一的空中接口协议，天基和地基网络统一管理、协同服务，终端采用高集成、融合设计方式，通过单一终端实现低轨星座网络与5G通信网络的无缝切换。低轨星座系统与5G网络融合架构图如图3所示。

2.网络功能虚拟化部署

5G网络引入网络功能虚拟化和软件定义网络两项新型技术，该技术的引入实现了控制平面与数据平面的功能分离。低轨星座系统和5G网络的融合也将基于网络功能解耦的基础上，实现独立部署、升级与扩展，提高系统应用灵活性与适应性。在融合网络中，功能的部署执行只需要建立在空闲的处理器基础上，而无需关注该处理器隶属于天基系统或地面系统，是预先固化配置或是临时调用。对于应用优先级高的业务信息，完成星上资源配置处理后，后续处理尽量交由地面节点完成，改变以往由于网元功能紧耦合所导致的星地网络功能分割绝对化。

除上述规划外，实现低轨星座系统与5G网络的通信融合尚需突破多项技术难点：

1）多载波技术。5G网络初期仍以正交频分复用（OFDM）技术为主。对于低轨卫星星座而言，由于移动过程中通信倾角变化较大，采用多载波技术可有效解决多径效应和遮挡等问题，但由于通信覆盖区域较大，星地链路的循环前缀、随机接入信道（RACH）导频设计是需要攻克的关键技术。

图 3 低轨星座系统与5G网络融合架构图

2）新型编码技术。低轨星座与5G的融合通信网络需满足不同业务类型的传输需求，业务速率、传输时延、误码率等均有不同的标准要求，融合网络既要支持百兆速率的互联网宽带业务传输，也要支持几百比特的物联网短数据业务传输，需提供一套完备的编码调制方案，以适应不同通信业务的传输需求。

3）动态资源分配技术。基于频谱感知技术，对特定频段进行频谱扫描，寻找未被用户使用的和利用空分复用技术处理后可共用的通信频率，动态地分配给低轨通信星座使用，解决资源紧缺、通信冲突、调度困难等问题。

4）移动性管理技术。与同步静止轨道卫星不同，低轨卫星星座相对于地面是进行高速运动的，地面终端会在不同卫星与不同波束之间进行频繁切换，因此用户的资源管理、锚点管理、数据管理等信息变得异常复杂，研发一套安全、可靠、实用性强的移动管理平台意义重大。

五、应用场景

1.不间断网络连接

低轨与5G融合网络支持移动用户在低轨5G接入网与地面5G接入网间无缝切换，通过在飞机、舰船、高铁、汽车等移动平台上安装具有低轨星座接入能力的通信终端，即可在移动过程中保持连续、不间断的5G网络接入服务。

以移动终端为例，在有地面网络的场景下，优先选用地面5G通信网进行业务传输；当无地面网络的场景时，终端优先选用低轨通信网，保障信号的不间断通信。移动终端在低轨和地面5G网络间可自动实现切换与漫游。

2.广播分发

利用低轨卫星星座组播、广播技术特性，为广域范围内的终端用户提供业务分发服务（包括高清视频、3D电视等）。平时通过地面5G网络实现业务数据的分发，当广播业务繁忙时，利用低轨5G融合接入网络实现对地面业务的分流，避免因网络拥塞而导致的业务分发服务质量下降。该场景下，用户可同时接收融合网络和地面5G网络的双重业务内容，并可对两路数据进行兼容使用。

3.物联网服务

低轨与5G融合网络可利用低轨卫星星座提供海量机器通信（mMTC）和窄带物联网（NBIoT）服务，通过在智慧产业、物流运输、管道监控等物联网应用中布设具有低轨接入和网络自动切换选择功能的通信终端，基于现场网络布设情况、网络信号强度以及网络负载等多种因素综合分析，自动进行低轨卫星和5G网络的通信切换，实现位置、状态等信息的实时传送。