星地融合通信中的卫星回传技术

戴翠琴 李时鹏

【摘  要】

星地融合通信网络以其低成本、高覆盖特性，通过地面网络与卫星网络的融合，可实现大流量区域高峰时段通信的快速高效接入，满足日益增长的高速率、大容量通信业务需求。为了满足稳定可靠连续的通信可接入性，提出了星地融合通信中的卫星回传系统架构，从服务质量、移动性管理和资源分配三个方面对星地融合通信中卫星回传技术的研究现状和未来发展趋势进行了分析和展望。

【关键词】星地融合通信;卫星回传;服务质量;移动性管理;资源分配

0   引言

星地融合通信，利用卫星扩展移动通信网络，构造覆盖空中、陆地、海洋的移动信息网络，以满足无处不在的通信需求和应对未来巨量的流量增长。作为一种新型的移动通信网络架构，星地融合通信网络（STIN， Satellite-Terrestrial Integrated Network）正成为全球范围的研究热点[1-3]。

星地融合通信网络需要满足随时随地的、连续且稳定可靠的通信网的可接入性。根据通信服务的泛在性、连续性和可扩展性，可将星地融合通信分为如下三个场景：1）服务的泛在性，即用户的通信可接入性不受地理环境及其他突发自然灾害的影响，例如在农村或偏远地区建设通信基础设施成本较高，或者突发自然灾害（如地震、洪水），导致移动通信网络基础设施匮乏或者被破坏，此时地面网络无法使用，而在星地融合通信网中通过卫星回传可以始终保证用户正常接入;2）服务的连续性，星地融合网络中的用户使用的终端可以在卫星和地面以及卫星之间进行无缝切换，在陆地移动平台、空中移动平台和海上移动平台等一些载有移动基站且具有卫星接入能力的移动平台上提供连续的通信接入服务，使得用户在穿越高山、沙漠、海洋等特殊地理区域时，可以享受不间断的通信接入服务;3）服务的可扩展性，卫星本身就具有广覆盖特性，利用卫星进行多播或者广播可节省通信成本，比如卫星网络可以在非繁忙时段组播或广播非时延敏感数据，在繁忙时段通过并行的地面网络和卫星回传数据到核心网，以保证用户通信的稳定可靠[4]。由以上分析可知：星地融合通信中的卫星回传是实现上述三类服务场景的关键技术。

目前，国内外针对星地融合通信中的卫星回传技术大多是基于地球静止轨道（GEO， Geostationary Orbit）卫星和中轨道（MEO， Medium Earth Orbit）卫星，较少有研究针对低轨（LEO， Low Earth Orbit）卫星回传，对该领域尚处于初步探索阶段。近年来随着SpaceX和OneWeb等公司的大规模低轨卫星组网计划的发布，基于低轨卫星的数据回传开始受到了重视。与GEO和MEO相比，一方面LEO卫星的轨道高度更低，意味着有更低的时延和传输损耗，能更好地融入地面通信系统中;另一方面，由于LEO卫星相对于地面节点高速运动特性，使得对网络的移动性管理提出了更严格的要求。此外，动态的拓扑、时变的链路和回传容量，也增加了星地融合通信网中回传链路上的资源分配难度。由以上分析可知，未来星地融合通信中卫星回传技术的研究方向大致可分为：1）基于服务质量（QoS， Quality of Service）的超密集高通量LEO卫星回传，通过大规模的高通量LEO卫星组网，虽然可以提供较大的回传容量和较低的传输时延，但是动态的拓扑和时变的链路会造成变化的回传容量，从而给用户QoS带来极大的挑战;2）基于移动性管理的大规模LEO卫星回传，相对于地面高速运动的LEO卫星，其某一波束对地面的覆盖时间常常低至几分钟，必须在考慮多方面因素（如：是否具备星上处理能力、切换失败和时间同步等）的条件下尽可能实现快速切换，防止丢失数据;3）基于资源分配的大规模LEO卫星回传，未来大量的智能终端和各种物联网设备的庞大数据流量，将给星地融合通信网的回传链路带来极大的挑战，通过在地面链路和卫星并行的星地融合网中引入软件定义网络（SDN， Software Defined Network）技术，可对基于卫星回传的星地融合通信网络资源高效灵活分配，来有效均衡链路负载，最大化网络效用。

下面将从四个方面阐述星地融合通信中的卫星回传技术的研究现状和发展动态：1）星地融合通信网络;2）基于QoS的卫星回传;3）基于移动性管理的卫星回传;4）基于资源分配的卫星回传。

1   星地融合通信网络

如图1所示，与地面通信系统架构类似，星地融合通信系统也包括接入网、传输网和核心网三个基本组成部分。其中传输网由并行的地面链路和具备透明转发功能的卫星所组成，接入网和核心网部分与地面移动通信系统共享。地面移动蜂窝基站在接收到来自智能终端设备发送的数据流时，对于难以部署地面光纤链路的农村或偏远地区，可通过透明转发的弯管式卫星将数据流回传到核心网，为地面移动通信基站提供无线回传功能，或者是在人流密集的大流量区域，通过并行的地面链路和卫星回传数据流。

此外，国际电信联盟提出了星地5G融合的四种应用场景，如图2所示，包括中继回传到站、独立小区回传、动中通回传以及混合多播回传场景[5]。

1）汇聚业务中继回传，利用高通量卫星的高吞吐量链路，有效补充或替代建设成本较高的地面光纤回传或无线回传，实现视频、物联网和其他数据高速中继回传到核心网，以便能更好地为本地小区站点提供高质量服务。

2）小小区数据独立回传，可借助于卫星多播功能，将卫星直接连接到多个小区基站，从而实现了将来自多个站点的聚合物联网（IoT， Internet of Things）流量进行高效回传。且将内容缓存在网络边缘，通过卫星分发内容，可支持超低延迟应用。

3）移动通信业务回传，卫星能够实时跟踪高速行驶中的车辆、飞机、火车和船只等移动平台，并为之提供不间断的通信连接，将各种通信业务在大覆盖范围内进行本地存储或播发，以实现各种紧急情况和移动条件下的应用通信连接。

4）混合多媒体业务，在混合多媒体通信场景中，卫星可以在其覆盖范围内向家庭和办公室等多个场所广播多媒体应用内容，以解决地面网络负载过重的问题，支持海量用户的宽带业务需求（如视频、高清电视以及其他非视频数据）。

由以上分析可知，星地融合通信网络是将卫星和地面移动通信二者的优势结合起来，实现优势互补，提高通信网的全球覆盖率，增强网络弹性。目前的星地融合通信网还处于初步阶段，即基于卫星回传的星地融合通信网。具备透明转发功能的弯管式卫星，将接收到来自地面移动通信基站的信号放大后转发给地面网关，再通过地面网关连接地面移动通信系统核心网。在未来的星地融合通信网络中，具备星上处理和星间链路的卫星可直接接收来自用户智能终端的信号，通过星间链路到达远处的地面网关站。这是未来较为理想的星地融合发展方式，可支持地面5G中的三大业务场景如增强移动带宽、大规模机器类通信和高可靠低时延通信，但需要较高的星载技术要求和大容量的星间链路[6]。

2   基于QoS的卫星回传

服务质量指一个网络能够利用各种基础技术，为指定的网络通信提供更好的服务能力，一般衡量的指标为延迟、丢包率和吞吐量。在星地融合通信网中为提供给用户稳定可靠的应用服务来保证用户QoS，必须保持低延迟、大容量和较低中断概率的传输链路，由此带来较低的链路传输延迟和丢包率，以及大吞吐量。

在星地融合通信网中，由于紧急情况导致地面链路损坏中断，或者是移动中船只、飞机等地面链路不可达时，可利用卫星的持续服务能力回传数据，即基于卫星回传保证星地融合网中用户QoS。在文献[7]中基于无线传感器、高速第三代（3.5G）和GEO卫星组成的集成网络，研究了一种3.5G网络技术高速分组接入在紧急情况下通过卫星回传进行危机管理和提供紧急应用的最佳QoS。文献[8]中利用MEO卫星提供在船舶、飞机上移动小基站的数据回传，提出了一种适用于长期演进（LTE， Long Term Evolution）信元互联的星载回传业务管理中不同优先级的时延容忍方法，通过设计和评估中断管理代理方案，充当LTE和卫星之间的桥梁，在星地融合通信网中提供端到端的QoS。

同时，也有将强化学习、边缘缓存技术、虚拟化技术和网络切片技术等新兴技术与卫星回传技术相结合，尽可能降低链路传输延迟和中断概率，以保证星地融合通信网中用户QoS。在文献[9]中，将强化学习应用于卫星物联网的拥塞控制中，实现了延迟/中断容忍网络中的快速拥塞控制，以解决卫星回传链路中的高传输延迟和中断概率问题，从而保证用户QoS。在文献[10]中卫星链路作为5G回传网络的补充部分，基于服务的体系结构中通过卫星回传支持4K流的直播应用，并引入虚拟化技术使视频内容提供商能够在5G网络的边缘移动计算服务器上部署自己的虚拟网络功能，以此来保证实时流媒体用户QoS。文献[11]提出了一种协作移动边缘缓存策略，通过缓存最流行的文件来实现较高的缓存命中率，减少卫星回传上的数据量和降低由于缓存丢失而导致的内容访问延迟，以保证星地融合通信网中用户QoS。文献[12]根据业务QoS要求进行灵活的网络片分配，在满足不同片的带宽和计算资源需求下，减少时延，提高吞吐量，降低网络回传带宽压力，提高回传链路的综合效益。

通过采用更高的频段，以自由空间光作为星地间传输链路，或者物理层优化可提高卫星链路的容量，以在星地融合通信网中通过卫星回传时保证用户QoS。文献[13]中卫星采用比Ku、Ka频率更高的Q/V波段的频率作为星地间的传输链路，并介绍了将其应用于实践所存在的挑战性。文献[14]提出利用自由空间光通信作为星-地間链路，可提高回传容量，降低传输时延。另外，卫星通信链路的频率一般都在10 GHz以上，信号易受降雨的影响而衰减，表现出了明显的空间不均匀的大气现象。为了支持高吞吐量和克服衰落效应，将多输入多输出技术应用于卫星回传链路中，即通过空间复用来提高回传容量[15]。其次，可通过抑制波束间的多用户干扰的波束共享，即独立波束同时服务时多用户时，具有强相互干扰的用户共享同一波束，也可以提高回传容量[16]。

由以上分析可知，在星地融合通信网中利用GEO卫星和MEO卫星回传数据有上百毫秒的固有传播延迟，在未来地面通信系统中融合高轨道卫星回传会造成较高的延迟，不利于为未来的生态应用提供服务。同样，过高的轨道也会造成较大的传输损耗。近年来，人们越来越关注制造成本更低的小型化LEO卫星，大规模的低轨卫星组网技术也逐渐成熟，研究人员开始聚焦于星地融合通信系统中利用LEO卫星回传业务。LEO卫星在降低传播延迟的同时，还可以通过多点波束、频率复用、高波束增益等关键技术提升容量，高通量LEO卫星会有更大容量回传小区业务。未来，还可以将强化学习、边缘缓存和虚拟化等新兴技术应用于星地融合的卫星回传中，来降低传输延迟和中断概率，使核心网和接入网能够均衡其负载，并以较少的延迟交付内容，保证用户QoS[17]。但是，相对于地面高速运动的LEO卫星，其动态的拓扑和时变的链路会造成变化的回传容量，从而给用户QoS带来挑战。

3   基于移动性管理的卫星回传

移动性管理主要包括切换管理和位置管理[18]，以保证为网络中的用户提供不间断的应用服务。星地融合通信网为给智能终端提供持续的通信服务，必须在卫星和地面以及卫星波束之间实现无缝切换来保证服务的连续性，这是移动性管理中的切换问题。卫星从一个点波束切换到另一个点波束，称为水平切换，卫星与地面之间的切换称为垂直切换。另外，为了使卫星能随时给地面的移动通信基站提供无线回传来保证用户的通信服务，必须要时刻知道卫星作为移动节点位置及移动基站的位置，即移动性管理中的位置管理。

在基于卫星回传的星地融合通信网中，正处于运动中的如飞行中的飞行器、航行中的船舶和行驶中的火车等载有的移动基站在与卫星传输数据的过程中，其位置可能会离开此颗卫星的覆盖范围，进入到另一颗卫星的覆盖范围，要保证卫星回传数据的连续性，通信链路就要在两颗卫星进行切换，同时还要更新移动基站的位置。

关于星地融合通信网中的移动性管理问题，文献[19]提出了一种基于互操作代理的移动性管理体系结构，这种网络互操作代理能识别并支持水平切换和垂直移动性。在使用互操作代理协议的同时，还设计了一种跨层管理方案，旨在提前预测可能切换的目的地，以便在实际切换之前进行身份验证、授权和移动IP注册。文献[20]设计了基于卫星回传的LTE网络体系架构，并研究了一种新的从卫星到地面组件的切换机制，在该机制中将触发切换准备算法与切换执行相分离，然后从用户的应用角度触发，对隧道的准备阶段和隧道管理进行定制，仿真结果表明，所提出的优化切换过程提供了比标准切换更高的性能。文献[21]则重点研究了一种基于IEEE 802.21标准的切换机制，并将其集成到星地融合通信网中，以期在星地融合通信网中根据当前的地面链路和卫星链路条件，选出最合适的链路。

由以上分析可知，卫星是处于不断运动之中，用户切换和位置更新相比于地面蜂窝网络更加频繁。根据卫星波束的覆盖，将地球划分为若干区域，卫星只接受波束覆盖范围内的设备信号，且丢弃前一覆盖区域的用户信息，从而完成用户切换和位置更新。未来，随着大规模LEO卫星的出现，相对于地面高速运动的LEO卫星，其某一波束的覆盖范围非常短暂，常常低至几分钟，会导致地面固定的移动基站与卫星之间发生频繁切换，使得星地融合通信网中切换十分频繁，移动性管理难度很大。另外，由于受体积、功率等條件限制，LEO卫星有限的处理能力难以满足复杂的移动性管理技术要求。同时，考虑到相比于地面链路具有更长信令往返传输时延，使得未来LEO卫星回传的移动性管理问题更加突出，对移动性管理有了更严格的要求。因此，未来在星地融合通信网的LEO卫星回传中，在面对更为复杂的地面通信系统进行移动性管理时，必须在考虑多方面因素（是否具备星上处理能力、切换失败和时间同步等）的条件下尽可能实现快速切换，防止丢失数据[22]。

此外，在研究移动性管理时，还可考虑以下两个方面：1）对比分析目前已有的移动性管理协议在星地融合通信网中的性能，了解链路动态变化的拓扑结构是如何影响移动性管理性能;2）如何利用链路动态拓扑结构的可预测性和周期性降低其对移动性管理性能的影响，提高星地融合通信网移动性管理的性能[23]。

4   基于资源分配的卫星回传

各种智能终端和物联网设备正以前所未有的速度接入通信网络，将产生大量的数据流量，尤其是人流密集区域。尽管星地融合通信网中并行的卫星和地面链路提供了非常大的链路容量，但是限于发射功率和基站能力的差异，即使用户在地理位置上分布均匀，庞大的数据流量也会带来各小区之间的负载不均衡。因此，在基于卫星回传的星地融合通信网中需要引入高效的联合用户关联和资源分配策略，既能够达到链路负载均衡，又能提高星地融合通信网性能。

卫星回传中，用户关联是协调回传与无线接入网的一种方法，在此基础上，进行有效的资源分配，可增强回传网络的负载平衡、提高其频谱效率和提高能效等[24]。文献[25]在异构网络的回传约束下，考虑用户关联和资源分配之间的耦合关系，基于SDN的网络体系结构设计了一种联合虚拟用户关联和资源分配方案，仿真结果表明，该方案有效改善了网络效用和负载均衡。文献[26]针对每个基站通过多载波的传输方式为多个用户提供单天线服务，提出了用户关联配对、子载波映射和不同对（子载波）之间回传容量共享，从而使有限的回传容量资源进行最优分配。文献[27]基于正交频分多址接入的星地混合协作网络中研究了联合中继选择和功率分配问题，目的是在功率约束、QoS要求和回传容量一定的条件下，最大限度地提高能量效率。

也有研究文献将无人机集成到了星地融合网络，或者是考虑超密集的LEO卫星链路回传，再联合用户关联进行资源分配。文献[28]在通过卫星和宏基站回传无人机基站或小蜂窝基站的数据流的情况下，联合无人机基站和地面小蜂窝基站的用户关联，以及回传链路和接入链路的资源分配，并引入竞争市场环境建模，仿真结果表明，该资源分配策略有效实现了链路负载均衡和提高了链路速率。文献[29]针对超密集的低轨卫星回传，在每个小区的回程容量约束下，通过联合多小区的用户关联和资源分配优化，以使回程容量约束下访问用户的总和、速率最大化，从而提高网络性能。

由以上分析可知，通过联合用户关联和资源分配策略，可均衡星地融合通信网中回传链路负载，提高网络效益，但用户与基站之间需要进行交互调整，在面对未来大量基站和大规模LEO卫星部署的情况下，需要更灵活、高效的分配策略。未来的地面移动通信网络体系是基于SDN。因此，将卫星组件无缝地集成到移动回传网络中，应该同移动和传输网络向SDN的演进保持一致[30]。SDN架构可通过控制和数据分离，加速硬件基础设施和软件网络算法的创新，通过网络功能虚拟化（NFV， Network Function Virtulizaiton）实现网络资源的高效和自适应共享，通过基于云的协作处理提高频谱效率，并通过基于SDN的基站计算能力的动态缩放来提高能源效率[31]。

集中式控制简化了资源分配、策略管理及流量工程等一些难以解决的问题。SDN控制器具有对网络资源的全局视图和对这些资源状态的全局控制，可以根据不断变化的服务需求和不断变化的管理、策略及其他输入做出有效的资源分配决策。星地融合网络中支持SDN的卫星回传，有如下步骤[32]：1）路径计算，选择地面或卫星链路进行回传;2）卫星容量资源预留，以应对有限或没有的地面链路回传容量;3）根据业务类别的不同采取不同的分配标准;4）接入控制和速率控制，面对过载时以保证资源最低（标准）传输速率;5）效用最大化标准，选择在地面或卫星链路传输特定流，并根据不同链路的不同业务来分配数据速率。

最后，流量应用以分配的比特率通过确定路径（卫星或地面），在有效均衡传输链路负载的同时也最大化星地融合通信网效益。

5   未来研究方向

目前，有关星地融合通信中的卫星回传技术研究正在紧密进行中，在后续研究工作中，还可以从以下几个方面展开深入的探讨。

（1）从融合架构角度。面对未来更具个性化和多样化的用户服务需求，传统基于单一GEO、MEO或LEO卫星回传的星地融合通信网难以满足不同类型用户的通信需求。在新一代的星地融合通信网中，针对不同的服务需求，可考虑应用不同轨道的卫星协同回传数据，以较低成本实现较高的用户通信质量。因此，如何基于多轨道卫星回传设计出具有高灵活性低成本的星地融合通信网成为当前值得探讨的重难点之一。

（2）从卫星性能角度。卫星回传链路是否高效，很大程度上受卫星性能的影响。与GEO、MEO相比，LEO卫星具有较低传播延迟和传输损耗，可以更好地融入地面通信系统中来保证用户QoS。此外，还可以通过多点波束、频率复用、高波束增益等关键技术提升卫星容量，通过采用更高频段或者自由空间光通信提高链路容量，通过缓存技术提高缓存命中率和降低延迟。但是，相对于地面高速运动的LEO卫星也给移动性管理带来极大挑战。因此，在基于大规模高通量LEO卫星回传的星地融合通信中，需要了解链路动态变化的拓扑结构对移动性管理性能的影响，从而利用动态拓扑可预测性和周期性降低其对移动性管理的影响，进而提供高效的卫星回传链路来保证用户QoS。

（3）从支持SDN/NFV的角度。面对未来巨量的數据流量增长，在基于卫星回传的星地融合通信网中引入SDN技术可实现数据高效回传到核心网，从而有效均衡链路负载、最大化网络效用。部署在星地融合通信回传网中的所有不同技术和网络层的SDN集中控制将大大简化网络资源分配，并使其更加灵活和高效（如：容量感知端到端路径计算）。同NFV结合使用，充分利用两者之间较强的互补性，结合两者优势可增强网络架构性能，减轻运营和维护的负担，改变传统星地功能分割的绝对化现象，使得星地融合网络中的回传功能更灵活、高效。

6   结束语

传统的地面网络技术成熟、资源丰富，但受地理环境影响较大，卫星通信网技术相对地面则不那么成熟，但容量较大，具有广覆盖特性且不受地理条件限制。如何将不受地理条件限制且具有较大容量的卫星和地面网络融合，以满足用户随时随地、稳定可靠连续的通信网接入需求，提出了星地融合通信网中的卫星回传技术。本文首先给出基于卫星回传的星地融合通信网架构;其次，从QoS、移动性管理和资源分配三个方面阐述了星地融合通信网中卫星回传的国内外研究现状和存在的挑战;最后，给出了下一步的研究方向和建议。

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