卫星通信与5G（上）

钟 旻

0 引言

5G是人类社会迈向信息化更高度的产物，目标是要实现任何人、任何事物、任何时间、任何地方、任何业务、任何网络之间的互连。但是人类生活在三维的立体空间里，单靠地面的5G设施与网络，是难以达到上面所述的目标的，因此，便轮到卫星通信“登场”了。在本讲座中，我们将介绍卫星通信在5G中的地位与作用，说明其在一些典型场景中的应用，并介绍卫星通信系统的架构、技术体制，以及卫星与地面网络的融合等。

1 卫星在5G中的作用与典型应用[1]-[5]

1.1 卫星在5G中地位与作用

由世界地理可知，地球上陆地面积为1.49亿平方千米，约为地球表面积的29%。而占陆地面积7%的地区居住着全球70%的人口。但人类的活动是遍及全球的，天空中有飞机，太空中有载人飞船和空间站，海洋上有轮船，等等，因此，5G中安装在地面上的各种基站和其他设施构成的网络“鞭长莫及”，不可能完全满足全球覆盖的需要。在此情况下，卫星则可发挥其优势，起到不可替代的作用。即使人们聚居的陆地上，也可能遇到自然灾害（如地震、台风）和某些突发事件，使基站等设施受到破坏，在修复前，只有借助于卫星、高空平台等通信载荷和通信终端，才能承担通信指挥、组织抢救的职能。此外，在孤岛、边远地区和特殊地区等恶劣条件下，只有卫星才能提供全天候通信和数据传输。

图1给出了卫星在5G中的若干应用举例，由此可见，通过通信卫星可以扩展和补充地面网络，使5G的覆盖与连接更加完善。

1.2 卫星在5G典型场景中的应用

图1 卫星在5G的若干应用举例（图来源：[1]）

ITU定义的5G三大应用场景是：增强型移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）及低时延高可靠通信（uRLLC），下面分别就卫星在其中的应用进行说明。

（1）卫星在eMBB场景中的应用。eMBB主要是指3D、超高清视频等，提升以“人”为中心的娱乐、社交等个人消费业务的通信体验，适用于高速率、大带宽的移动宽带业务。通过直播卫星可提供高清电视、多媒体等直播到家的服务，这可与地面5G系统互为补充；对于地面蜂窝覆盖区边缘，以及远地地面基础设施难以架设的地区，如海洋、湖泊、沙漠、农村，是卫星“用武之地”；此外，卫星还能为飞机、航天器和轮船等支持宽带“动中通”。

（2）卫星在mMTC场景中的应用。eMTC主要满足海量物联的通信需求，面向以传感和数据采集为目标的应用场景，大量的是窄带互联网（NB-IOT）的应用。在这样的互联网中，使用的是低复杂度、低能耗的传感器和调节器，这些器件能感知、检测物体，汇聚信息，通过互联通信网络能彼此交换信息。红外传感器、射频标识器件（RFID）、摄像机、全球定位系统（GPS）和北斗系统终端等便是感知器件的例子。

广域物联网业务：大量的互联网器件分布在广域，它们向一中心服务器报告信息或接受其控制，如油/气管道等设施状态的危急监视、飞行器管理、长途货运列车（如中欧班列）货物跟踪、数字签收、铁路扳道遥控等。

局域物联网业务：在这种应用中，互联网器件用来收集局域（本地）数据并向中心服务器报告。某些典型应用可能是先进的智能计量仪表，或是卡车、轮船甲板上集装箱等子系统的监测报告子系统。

（3）卫星在uRLLC场景中的应用。uRLLC是基于其低时延（1 ms或更低）和高可靠（99.999%）的特点，主要面向垂直行业的特殊应用需求，如无人驾驶汽车、工业自动化操作、远程医疗高难度手术等。由于卫星距地面数百千米以上，信号传播时延远大于1 ms，因此不可能直接支持此场景的应用。但在其中一些重要的场合，卫星仍会有所作为。例如，跨越广域的内容广播和局部（在网络边缘或直接到终端）智能高速缓存处理，可令用户体验时延是短于1 ms的。又如以汽车自动驾驶为例，利用卫星广播的广域覆盖能力，对于汽车软件更新与业务更新等是非常有用的。

2 5G中的通信卫星体制[6]-[8]

卫星通信在全球的应用已有数十年的历史，系统与技术都已十分成熟。现要融入5G的体系，一方面，要充分发挥卫星的优势，另一方面也要考虑到5G的特点，与之适配。通信卫星是卫星通信系统的核心组成部分，与卫星信道的建立和使用有着密切关系，对系统性能具有决定性的影响。通信卫星的体制包括卫星的轨道，星座分布，频谱资源的利用和空中接口等。

2.1 卫星的轨道

由天文学知，从地球表面发射人造卫星达到一定速度时，卫星将以圆轨道围绕地球运转。需要指出，无论卫星在什么样的高度上，都只能在“看得见”地球表面的那一部分区域，可利用卫星作为通信的中继站，实现覆盖区内用户间的通信。而为了满足通信区域的需要，人造卫星必需严格在指定的轨道上运行。

地球卫星轨道形状有椭圆形和圆形两种，地球的中心（简称地心）就处在椭圆的一个焦点或圆心上。按照轨道平面与赤道平面的夹角i（称为轨道倾角）大小不同（如图2所示），地球卫星通信轨道可分为三种：赤道轨道（i=0°）；极轨道（i=90°）；倾斜轨道（0°

随着对卫星使用需求和技术的发展，在低轨道之下，增加了极低轨道（Very Low orbit， VLEO），其轨道高度在100–450 km之间，这样就为大量的微型卫星和更低传播时延卫星及其应用提供了丰富的轨道资源。

图2 通信卫星的轨道

图3 GEO，HEO，MEO和LEO

如图3所示，在高轨道中，当卫星的轨道是圆形且在赤道平面上，卫星离地面35，786.6 km，其飞行方向与地球自转方向相同，则从地面上任何一点看去，卫星是“静止”不动的，这种对地静止的同步卫星称为静止卫星，其轨道为对地静止轨道（Geostationary-Satellite Orbit， GSO）；更一般地，运转周期等于地球绕其轴自转周期（23小时56分）的地球卫星称为同步地球卫星，其轨道称为地球同步卫星轨道（Geosynchronous Earth Orbit， GEO），其轨道高度与GSO相同。而另一种高椭圆轨道（High Elliptical Orbit， HEO），则是远地点大于35，768 km的椭圆轨道。

在5G应用中，卫星的覆盖和路径时延是最需关注的。以具有代表性的GEO，MEO和LEO为例，卫星的高度、覆盖和覆盖区边缘至卫星的电波传播时延如图4和表1所示。

图4 不同高度上的卫星和对地球的覆盖

表1 不同高度上的卫星覆盖区及电波传播时延

由图4和表1可见，GEO卫星能获得对地面的最大覆盖，理论上，单颗卫星可覆盖除两极区外约1/3的地球表面，也即用三颗GEO卫星实现对全球的覆盖（两极极区除外），但其时延达百毫秒级，这对5G的超可靠、超低时延场景应用，是很不理想的。相反，LEO卫星的时延甚短，若进一步降低其高度，则可获得更短的时延。还要指出，对于GEO，MEO和LEO，距卫星最近与最远距离不同，传播时延是不等的，其时延差称为差分时延，例如，表1中三种轨道卫星的差分时延分别为3 ms、7.2 ms和6.1 ms。另外，对于LEO，单星的覆盖有限，为要实现对全球的无缝隙覆盖，需要建立多星的星座系统。

此外，非静止轨道（NGEO）中，卫星与地面用户存在相对运动，将产生多普勒频移。计算表明，当卫星高度为400 km、工作频率为2.5 GHz时，最大多普勒频移为59.4 kHz；而工作频率为20 GHz时，最大多普勒频移达到475 kHz。随着卫星与地面用户之间相对位置的变化，多普勒频移是时变的，在窄带系统如（NB-IOT）的应用中，可能使载波频率偏离滤波器的中心频率，甚至漂出带外；在信号一个码元周期内引入较大的相位误差，严重影响载波的同步，并引起滑周等。必须采取有效的技术措施予以解决。

2.2 低轨星座系统

星座系统由多颗卫星组成，卫星的相互配合可以完成单颗卫星难以实现的功能。理论上，包含在一个星座内的卫星可以位于任何轨道上，只要它们共同完成某一特定的任务就可以认为是一个星座。但从实际应用的角度考虑，星座系统设计应结合应用目的，具有较稳定的构型。

卫星星座可分为随机星座和相位星座两种，随机星座由轨道高度和倾角均不相同的卫星组成，由于这种星座的覆盖有很大的冗余成分，并且卫星的相对位置不确定。相位星座由时间上具有相对固定位置的卫星组成，因此，可以利用各种优化方法得到最佳的星座。同随机星座相比，卫星数量相同的条件下，相位卫星星座的覆盖面积相对较大，卫星的可视时间相对较长。

为了能均匀地覆盖南北半球，圆轨道的卫星星座是常用的星座，描述其状态和性能的参数主要有：星座的卫星数量；卫星轨道平面数量；卫星轨道平面的倾角；不同轨道平面的相对间隔；每一轨道平面拥有的卫星数；同一轨道平面内卫星的相对相位；相邻轨道平面卫星的相对相位；每颗卫星的轨道高度（或轨道周期）。

LEO星座高度在600–2，000 km之间，是综合考虑了空气阻力和范•艾伦辐射带的结果。如果卫星高度太低，受大气阻力影响，轨道寿命较短，并且原子腐蚀严重；高度更高，受范•艾伦辐射带的环境影响，对卫星提出更高的抗辐射要求，增加了卫星设计的复杂性和卫星重量。

如图5所示，范•艾伦辐射带是指在地球附近的近层宇宙空间中包围着地球的高能辐射层，在赤道附近呈环状绕着地球，并向极地弯曲。从1，500 km–6，000 km之间带有高能粒子的空间称为“内带”，13，000 km–20，000 km之间含较低高能粒子的高空称为“外带”。范•艾伦辐射带内的高能粒子对载人空间飞行器、卫星等都有一定危害，其内外带之间的缝隙则是辐射较少的安全地带。

图5 范•艾伦辐射带示意图

卫星5G应用中的一个重要特点是能够在地面网络不能覆盖的地方提供通信服务，因此，星座通信系统应该具有完备的通信功能。星际链路是实现该功能的重要保证，它的运用对星座的结构有一定影响，同轨相邻卫星必须可见，同时卫星的覆盖区应该相互重叠，使得同轨卫星的覆盖区形成覆盖带。

（1）极地轨道星座，极地轨道星座卫星轨道倾角接近90°，星座设计利用覆盖带组合的方法，组成星座的卫星轨道高度一致，轨道倾角相同，同一轨道内的卫星等间隔分布，从而形成均匀一致的覆盖通道，利用不同轨道平面的覆盖通道的组合实现全球或纬度带的覆盖。同轨卫星覆盖带关系图如图6所示，ψ为覆盖带半宽度，n为同轨卫星数。

图6 覆盖带宽度关系图

（2）倾斜轨道星座。在倾斜轨道星座设计中，Walker星座得到广泛的应用。在这种星座中，各轨道均为圆轨道，具有相同的轨道倾角和轨道周期，每个轨道平面内的卫星均匀分布。Walker星座具有两个特点：一是由于每颗卫星的运动情况基本类似，所以各卫星所受的摄动（即因宇宙中某些因素导致卫星偏离理想轨道的现象）影响基本相同，卫星间相互位置保持不变，星座整体的形状保持不变；二是星座采用近圆轨道，卫星运行的角速率基本保持恒定，对于全球均匀覆盖极为有利。

图7是利用低轨卫星星座对全球实现无缝隙覆盖的三维视图。实际上，卫星星座与地面之间存在着相对运动，每颗卫星对地面的覆盖区随卫星的运动而移动，这里有几点是值得注意和需要解决的：一是覆盖区的切换，即卫星更换后，地面上的用户仍能保持通信线路连续不中断；二是卫星通过互连保证用户能实现“全球通”；三是保证高速大容量的信息传输，这也是低轨通信卫星体制的关键问题。

图7 低轨星座的全球覆盖三维示意图

2.3 低轨卫星星座覆盖的关键技术

2.3.1 切换控制

将业务与控制由当前波束或卫星转移至相邻波束或卫星的过程，称为切换控制。在地面蜂窝系统中，切换主要是由于用户终端的移动造成的，而在卫星移动通信系统中，用户终端的移动性已经不再是造成切换的主要因素，卫星的高速运动成为切换的主要原因。切换对用户而言应当是透明的，也即是说用户不应当感觉到切换的存在。卫星切换主要包括网络层的切换管理和链路层的切换管理，如图8所示。

图8 卫星的切换管理

切换主要有三个过程：第一步是初始化，用户终端或网络根据卫星与终端的相对位置、星座拓扑结构的变化以及系统通信质量来确定是否需要进行越区切换。第二步是新连接的产生，这里必须为切换连接寻找新的资源和执行一些路由选择的操作。在由网络控制的切换或移动终端辅助的切换过程中，由网络产生新的连接；在由移动终端控制的越区切换中，由移动终端寻找新的资源。路由选择用来避免大的时延抖动，平衡业务分布。第三步是数据流控制，将数据流从旧链路转移到新链路上来。

2.3.2 星间链路

如图9（a）所示，当两个要通信的用户在同一卫星的覆盖区内时，可通过该卫星彼此联系；若二用户分别位于二颗卫星的覆盖区，则需要通过二卫星共视的地面网关站转接，但因跳接数增加，时延加大，较好的办法是通过如图9（b）所示的星间链路连接。

星间链路（Inter-Satellite link， ISL）是指连接卫星之间的无线电链路，其作用是将星座内的各卫星互连，构成一个天基网络，进而实现信息的获取、处理、传输和分发。

图9（a） 同一覆盖区终端之间通信

图9（b） 不同卫星覆盖区内用户通信链路

按连接两颗卫星所处轨道的不同，星间链路可分成轨道面内星间链路（Intra-ISL）和轨道面间星间链路（Inter-ISL）。就是说，Intra-ISL存在于一个轨道面内相邻两颗卫星之间，而Inter-ISL则存在于两个不同轨道平面内两颗相邻卫星之间。其例如图10所示。

星间链路可用毫米波或激光实现。一方面，所产生的波束应较窄，以免对其他卫星产生干扰；另一方面，应具有较宽的频带，以支持高速、大容量的信息传输。建立星间链路有三个基本步骤：捕获、跟踪和通信。捕获指的是通信双方波束指向对接，一旦成功后，便进入彼此瞄准的跟踪状态，进行星间信息传输。

图10 具有星间链路的低轨星座图

2.3.3 多波束天线

低轨卫星对地覆盖的区域距离达数百千米或更多，采用多波束覆盖，即卫星天线产生多个子波束对星下的视区形成蜂窝形的覆盖，如图11（a）所示；图11（b）是某低轨卫星的天线照射到地面的覆盖图，图中的坐标表示沿经、纬度的角度，共有48个窄波束，每个波束之间在峰值下降3 dB处相交，这样可认为波束间是无缝连接的。

图11（a） 卫星天线的多波束覆盖

图11（b） 低轨卫星48个波束产生的覆盖图

利用多波束技术的一个优点是可实现同频的多重复用，大大提高射频频带利用率，以图12为例，覆盖区中使用了3个频率，每一频率和所占用的频带均能获得13重复用的好处。

图12 卫星多波束的频率复用

另一方面，由于多波束中每个子波束方向性增强，接收灵敏度（接收天线增益与接收系统噪声温度之比，G/T）和发射等效全向辐射功率（发射机射频功率与天线增益之积，EIRP）提高，通信链路计算公式表明，系统的通信能力与这两个参数成正比，高的G/T值和EIRP可支持更多的用户和更大的通信容量。

2.4 频谱利用

根据ITU-R的规定，分配给卫星使用的频率如图13所示。

图13 卫星使用的频率

20世纪末至21世纪初，L、S频段用于移动卫星通信，商用固定业务卫星广泛地采用C和Ku频段，占用带宽从500 MHz扩展至800 MHz；随着通信容量的增长，再将频谱扩展至Ka频段，并向更高的频段（Q、V、W）开拓。这是因为射频越高，所能提供的频带越宽。据ITU-R的规定，（17 GHz–70 GHz）中分配给卫星通信的频带如表2所示。

表2 17 GHz–70 GHz中分配给卫星通信的频带

由表2可见，上述频带资源中，可供卫星通信使用的带宽达21.4 GHz，这是较低频段无法做到的。注意到，这些高频段资源，既考虑到了固定业务，也考虑了移动卫星业务的需要，为二者大容量的需求提供了保障。

以往国际上对频谱分配采用了固定指派的方式，许多频谱已被传统的业务占领，出现了一些频谱资源闲置不用，或利用效率不高，而新出现的通信方式又分不到所需的频谱资源。到5G时代，地面移动通信前几代的频谱已远不能满足需要，这促使人们寻求频谱共享的规则与技术，如软件定义无线电（SDR）、认知无线电（CR）等。

2.5 星上处理

通信卫星的核心是通信有效载荷，包含天线和转发器。按功能划分，转发器有透明（弯管式）和处理转发器两种。前者仅具有信号放大、变频等功能，卫星对来自地面的信号只具有接收转发的作用；处理转发器又称再生转发器，除具有转发功能外，还有信号处理功能，包括对多波束信号的分路、交换（包括卫星间、波束间和波束内）、解调和再调制、解码和再编码、多址方式变换等；为实现频谱共享，还需具有软件定义无线电（SDR）和认知无线电（CR）的功能。作为例子，图14给出了具有再生处理和非再生处理的转发器组成框图。在这两种处理转发器中，在接收端由多波束天线接收到的上行射频信号，变换为中频后，通过中频交换矩阵，得到要送给用户的各路信号，通过发射侧的中频交换矩阵，经上变频，进入多端口放大器到达多波束发射天线，发送给位于不同覆盖区的用户。例如，来自波束1、2、3的三个上行信号， 经上述过程分别转到下行波束2、3、1去，即1→2，2→3，3→1。对于具有再生处理的系统，则要将接收侧中频交换矩阵送来的信号加以处理，按要求进行解调-再调制和解码-编码等或其他波形变换，再作相应的下行处理，通过发端的多波束天线发向地面。

图14 具有再生处理和非再生处理的转发器组成框图

（未完待续）