卫星通信与地面5G融合发展路线探讨

郑重 缪中宇 郑寒雨 蒲明龙 栾珊 陈特 丁睿 张伟

(中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部 国家航天局卫星通信系统创新中心，北京 100094)

地面移动通信系统以约每10年1代的速度高速发展，技术创新层出不穷，自20世纪80年代第1代移动通信系统(1G)诞生至今，第5代移动通信系统(5G)已成功商用，地面蜂窝网络的传输速率与频谱效率不断攀升，人类通信实现了从模拟话音业务到文本与中低速多媒体业务，再到移动互联网与万物互联的飞跃。与此同时，卫星通信也在蓬勃发展，传统的地球静止轨道卫星不断向大容量、高带宽方向演进，高通量卫星研制成为国际宇航企业新一轮的竞争高地。除此之外，以“一网”、“星链”为代表的中低轨互联网卫星也开始进入商业运营，形成多层立体天基通信网络[1]。

随着新兴业务的涌现，卫星与地面移动网络相对独立的发展态势已无法满足未来人们对通信网络的需求，卫星通信与地面移动网络的融合成为学术界与产业界的关注热点。地面移动网络能够为人口相对聚集的区域提供强大的接入能力，但在人迹罕至的乡村、海洋等区域由于地面网络铺设难度大，维护成本高，难以提供高效覆盖[2]。目前，地面移动网络的人口覆盖率约为70%，陆地表面覆盖率约为20%，与全球无缝覆盖的泛在无线通信网络相去甚远。而卫星具有覆盖范围广、覆盖波束大、组网灵活和通信不受地理环境限制等优点，可在偏远山区、空中、沙漠、海洋等地区提供有效服务，弥补地面移动网络因技术或经济因素造成的覆盖不足[3]，为个人与行业用户提供全球无缝、泛在的高速业务体验[4]。面向个人用户，融合网络扩大了地面移动网络覆盖范围，可提供低成本的泛在接入，为用户提供多样化的话音和数据业务；面向行业客户，融合网络传输覆盖广、时延抖动小、可靠性高的特性，则能够为行业客户提供专网服务，实现大时空尺度下的确定性服务与连续业务接入。此外，地面移动网络已形成了完备的通信体制协议与复杂的协议栈，保证了其可靠的通信与优质的用户体验；而卫星通信在通信体制协议的完备性及有效性方面较地面仍有较大的差距。卫星通信与地面5G的融合，也有助于借助快速发展的地面网络产业，吸纳地面5G先进的技术与设计思想，带动卫星产业做大做强，推动统一体制协议的发展与统一基带芯片的设计开发。它们的充分融合、优势互补，将为未来通信发展带来新的机遇[5]，开启我国空间信息网络建设新纪元。

本文面向卫星与地面5G融合问题，首先介绍了国内外研究现状，随后提出承载网融合-核心网融合-接入网融合的融合发展路线，并对各阶段融合的内涵、目标、挑战及关键技术进行了探讨，最后提出了对我国未来卫星系统谋划的启示与建议。

1 国内外研究现状

目前，国内外已从融合架构、标准体系、演示验证等方面对卫星通信与地面5G融合的通信技术开展了研究，两者融合的网络标准化工作也在稳步推进。国际电信联盟(ITU)先后提出了ITU-RM.2176-1，ITU-RM.2047-0，ITU-RM.2083，ITU-RM.2460等一系列报告与建议书，制定了卫星无线接口的要求与详细指标，定义了卫星与下一代地面通信技术结合需要具备的核心能力，并提出了融合网络中继到站、小区回传等4种典型应用场景[6]，如图1所示。第3代合作计划(3Gpp)早在第14版本(R14)标准的研究中就明确将卫星接入列为地面5G的多个接入技术之一，并在TS38.811中明确提出了非地面网络(NTN)[7]。3Gpp在后续的R16研究中相继分析了卫星对地面5G系统架构的影响及NTN对地面5G物理层的影响[8-9]，并探讨了支持卫星接入地面5G网络的典型应用场景与需求。在当前R17的标准化工作中共有3个NTN项目，分别讨论面向弯管卫星通信的地面5G无线空口标准规范、卫星接入对地面5G系统架构的影响及窄带物联网(NB-IoT)系统在卫星通信下的标准化影响。

图1 ITU提出的融合应用场景Fig.1 Integrated scenario proposed by ITU

在工程实践方面，2019年韩国KT Sat公司成功进行了全球首次通过卫星的地面5G数据传输，2020年吉莱特公司利用地面5G蜂窝回程解决方案成功开展了地面5G通信演示，联发科技股份有限公司与国际海事卫星组织开展了地面5G卫星物联网数据连接测试，由欧盟支持的SaT5G项目则完成了基于Pre-5G测试平台的卫星与3Gpp架构的融合，验证了卫星在提供蜂窝基站回程、向网络边缘传递内容等方面的优势[10]。与此同时，国内也正在加大力度进行相关探索，开展了地面5G技术应用于低轨卫星互联网的空中接口标准技术研究，并在2019年发射了“天象”试验卫星，在轨验证了地面5G的软件定义网络(SDN)等关键技术。2020年，银河航天公司发射的银河1号卫星搭载了Q/V高频段载荷，并对地面5G通信协议进行了传输验证。尽管卫星通信与地面5G融合研究已成为国内外的研究热点，也已开展工程探索，但目前卫星通信与地面5G融合的内涵与层次仍有待分析与明确，卫星通信场景的特性与地面5G技术难点也有待进一步挖掘。

2 卫星通信与地面5G融合路线

地面5G作为地面最新一代移动通信技术，它与卫星通信融合的一种内涵即是卫星通信借鉴地面5G先进技术，实现卫星通信技术的快速发展与应用，此类技术借鉴并未涉及网络架构的融合，并不在本文的讨论范畴之中。唯有互相融入对方的网络架构，才能形成面向未来的星地一体化网络。

当前，卫星通信主要使用星上透明转发的模式，其网络架构如图2所示。

图2 透明转发卫星通信网络架构Fig.2 Network architechture of satellite communicationswith transparent transponder

卫星终端将信息发送给卫星，透明卫星不对信息进行任何处理，仅做频率搬移，将信息转发至地面信关站，信关站与卫星网络运行中心相连，由网络运行中心执行信息处理与网络控制，并最终与外部数据网络进行数据交换。地面5G则是基本继承了地面移动通信“接入网-承载网-核心网”的网络架构，如图3所示。

目前，卫星通信系统一般有自己独立的网络架构，通过自身的核心网可以与地面通信网络互联互通，可以认为卫星通信与地面网络并无融合。进入融合阶段后，可借鉴地面完整的网络架构，在不同的网络层面开展技术与体系架构研究，即承载网融合、核心网融合与接入网融合，最大化继承现有网络设计与能力，以最小的代价实现卫星与地面移动网络的深度融合。为实现空天地一体化通信网络的终极目标，保证融合系统的稳步推进与平滑过渡，卫星通信与地面移动网络应经历由浅入深、分步骤分阶段融合，在最顶层按照承载网融合、核心网融合、接入网融合的网络融合步骤研究，逐步实现更深层次的融合，最终形成资源共享、随遇接入的一体化网络。图4为卫星通信与地面5G/6G融合网络发展路线。

注：RF为射频；D/A为数模；PHY为物理层；MAC为媒体接入层；RLC为无线链路控制层；PDCP为实时传输协议；RRC为无线资源控制；AAU为有源阵列单元；DU为分布单元；CU为中央单元；NSSF为网络切片选择功能；NEF为网络开放功能；NRF为网络仓储功能；AUSF为鉴权服务功能；UDM为统一数据管理；PCF为策略控制功能；NF为网络功能；SBI为基于服务的接口；AMF为接入管理功能；SMF为会话管理功能；UPF为用户面功能。图3 5G通信网络架构Fig.3 Network architechture of 5G

图4 卫星通信与地面5G/6G融合发展路线Fig.4 Development roadmap of integration of satellite communications and ground 5G/6G

3 融合网络架构

3.1 承载网融合

承载网融合是一种较为松散的融合方式，技术难度小，松耦合。卫星通信网络作为承载网，实现5G基站(gNB)的回传，如图5所示。5G基站的回传可以根据需求在地面承载网与卫星承载网间进行切换；而基站与用户终端仍为地面5G系统的基站与终端，用户无需改变终端。承载网融合将成为应用范围最为广阔的一种融合方式，目前已有部分厂商开展工程应用探索。

图5 承载网融合Fig.5 Bearer network integration

3.1.1 面临挑战

当前5G承载网主要指标要求为：传输带宽方面，4G基站承载网带宽仅为200 Mbit/s，典型5G低频单基站的峰值带宽为5 Gbit/s，高频单基站的峰值带宽为15 Gbit/s。时延方面，增强移动宽带(eMBB)业务要求用户面和控制面的时延分别低于4.0 ms和10.0 ms；超可靠低延迟通信(uRLLC)业务要求用户面和控制面的时延分别低于0.5 ms和10.0 ms。5G承载网的高速传输和低时延对卫星通信提出了更高的要求，需要通过更高频段、更窄波束等技术满足5G承载网的要求。目前，卫星的能力无法满足城市大流量的5G基站回传需求，只能通过建立临时5G基站的回传链路拓展5G网络覆盖范围，在郊区等人烟稀少地区或者在应急条件下为5G基站提供降级回传服务。

3.1.2 关键技术

高通量卫星与低轨卫星系统可以作为支撑卫星与5G承载网融合的关键技术，实现5G承载网对大容量、低时延回传链路的需求。

1)高通量卫星系统

对于5G增强宽带带来的高速大容量承载网的需求，现有在轨的及正在快速发展的高轨高通量卫星通信系统可较好地满足。目前，中星16号卫星可形成26个用户点波束。卫星首次搭载Ka频段通信载荷，卫星通信总容量达20 Gbit/s，实践20号卫星则通过Q/V载荷将地面关口站容量从10 Gbit/s提升到40 Gbit/s。为了实现高通量卫星系统，一是要发展多波束天线技术，二是要大力发展毫米波通信技术。其中：星载多波束天线的核心在于波束形成技术，具体分为星上波束形成技术与地基波束形成技术。星上波束形成技术主要利用星上波束形成网络，通过对每个馈源进行加权处理，形成所需指向的多点波束；地面波束形成技术则是将数字波束形成技术与其他数字处理技术放到地面上，通过地基波束形成设备同时控制上下行波束形成，实现波束大小与覆盖区域的灵活调整，智能适配流量的时空非均匀分布与动态变化特性。同时，未来通信卫星将向越来越高的频段发展，高通量卫星将搭载Q/V/W频段载荷，工作在毫米波频段。影响高频段载荷应用的关键是接收机、功率放大器等射频部件，以及天线、馈源等产品设备。为了克服Q/V频段固有的大气传播衰减特性，需要对地面关口站的上行链路发射功率进行控制，设计与下行链路信号接收条件相适应的调制编码方案，同时通过空间分集等手段提升整体增益，提高系统的整体吞吐量性能。

2)低轨卫星星座组网技术

低轨卫星通信系统因其轨道位置低、传输时延小、能量利用效率高等特点，对承载高可靠、低时延及海量低功耗业务具有天然的优势。从2014年起，以一网(OneWeb)公司、太空技术探索(SpaceX)公司为代表研制的大规模低轨互联网星座迅速发展，得到了产业界资本、运营商的广泛关注，印度卫星技术(Vestaspace Technology)公司设计的星座实现了小于34 ms延迟、速度超过400 Mbit/s的直播高清视频数据传输。低轨卫星星座组网，重点依赖低时延组网技术，其中网络协议的设计是实现大规模组网的关键问题。目前，在天基信息领域的组网协议，主要包括针对深空通信设计的容延迟网络(DTN)协议，以及面向航天测控通信场景提出的空间数据系统咨询委员会(CCSDS)协议。其中：CCSDS为了克服空间通信大时延、低信噪比、强多普勒频移与高动态等难题，对地面成熟的传输控制协议/网际协议(TCP/IP)进行适应性改进，提出了以空间通信协议规范-传输协议(SCPS-TP)为核心的关键传输体制设计，通过简化连接管理、乱序、重传机制，以及报文头部压缩，以低开销实现端到端可靠传输[5]。但是，低轨卫星星座规模大、拓扑动态性高、星地间相对移动性强及空间节点资源受限等特点，使得现有的组网协议无法满足未来低轨卫星星座间的低时延组网要求，因此，具备高效的路由与资源管理机制的新型协议仍然是低轨卫星星座低时延组网的瓶颈问题。

3.2 核心网融合

核心网融合是卫星通信与5G融合的第2个阶段。它能实现卫星通信终端与地面移动通信终端的统一编址、统一认证、统一计费、统一管理等功能，网络按需选择利用卫星或者地面网络提供服务，而接入网部分仍保留各自的空口体制协议。

与4G核心网不同，5G核心网采用了基于服务的架构(SBA)，传统的网元功能被拆解为多个网络功能服务(NFS)，其中最重要的为UPF，AMF，SMF。UPF负责分组数据的监测及路由转发、用户面部分的策略执行等。AMF负责非接入层信令处理、接入层安全控制、移动性管理等。SMF负责会话管理、用户IP地址的分配管理、下行数据到达指示等[11]。当前，卫星网络主要作为地面移动网络的补充，提供偏远山区及沙漠海洋的覆盖，二者并无融合，如图6所示。一个透明卫星通常需要地面信关站和网络运行中心实现地面接入网与核心网的功能，以完成与外部数据网络的通信。在这样的架构下，卫星与地面移动网络无法互通有无，数据传输效率低，灵活性弱。

卫星与5G网络的核心网融合架构如图7所示，采用SBA，5G核心网成为一个开放的平台，可基于服务对外提供统一的接口。另外，5G核心网实现了控制面和用户面的彻底分离。然而，卫星通信系统与地面移动通信系统在部署环境、信道传播特征等方面存在很多差异，为两者的核心网融合及在卫星网络中支撑5G服务能力带来了许多挑战，需要在卫星与5G融合的系统设计过程中加以考虑。

注：RRU为射频拉远单元；BBU为室内基带处理单元；AF为应用功能。图6 当前卫星通信与地面5G互联互通架构Fig.6 Interconnection architechture of current satellite communications and ground 5G

图7 核心网融合Fig.7 Core network integration

3.2.1 面临挑战

卫星网络的高动态、空间大时延特性会对核心网的控制面协议和用户转发面功能产生影响，在卫星与地面5G融合网络架构下，将卫星通信基于地面5G核心网进行统一管理，现有的位置更新与切换等过程上无法与卫星网络的信道环境特性相匹配。

(1)位置更新。在地面蜂窝网络中，终端驻留在小区中，该小区在无线接入网中具有唯一标志，只要终端停留的注册区不变，就不需要更新位置。如果出现指向该终端的通信请求，核心网中的接入与AMF会尝试在该注册区的所有小区上寻呼用户设备。而在非同步轨道卫星接入网中，随着卫星的移动，终端会随着时间的推移而驻留在不同的波束和不同的卫星上，地面上的小区和卫星波束之间没有对应关系。因此，在入网初始注册时，网络将无法基于波束和接收到注册请求的卫星向AMF提供跟踪区信息，当终端发生移动时无法顺利执行位置更新，如果出现指向该终端的通信请求，将无法顺利实现寻呼。

(2)切换。由于卫星或者终端移动带来的切换主要有2种。①卫星系统内的切换，对于低轨卫星系统，其相对地面位置快速变化，终端被同一颗卫星连续覆盖的时间只有十几分钟，对于采用多波束的低轨卫星，同一波束连续覆盖终端的时间只有几分钟，因此，卫星间或波束间切换必须快速执行，并防止切换过程中数据丢失。②终端在地面5G网络与卫星网络之间的切换，网络间的切换过程需要考虑多方面因素，包括：同时支持星上处理和弯管透明转发架构；切换准备与切换失败处理；时间同步；测量对象协调；无损切换的支持。除此之外，切换的方向不同，触发条件也不一样，例如：当地面5G网络服务质量较好时，终端由卫星网络切换到地面网络；但是，只有当蜂窝网信号非常弱的时候，终端才会离开地面移动网络。波束及卫星切换等移动性管理过程对核心网融合提出了严峻挑战。

3.2.2 关键技术

为了实现核心网的统一高效管理，可以增强现有地面5G核心网功能，匹配卫星通信特性；还可以将卫星核心网功能进一步下沉，实现控制与转发功能的分离，支持融合网络的高速率传输与灵活调度。

1)核心网网元功能适配技术

目前，由于星地网络不同的通信体制与巨大的通信链路差异，地面5G核心网在参数配置及网元功能设置上无法兼容卫星通信网络，使得二者无法互联互通。为了打通地面与卫星通信的核心网，使得现有核心网网元能够适配卫星通信网络，可沿2条技术路线进行。①增加核心网网元，即在现有核心网中增加专门用于支持卫星及其他制式的通信网络的非3Gpp互连功能(N3IWF)[12]，卫星移动通信业务通过N3IWF与地面5G核心网的UPF与AMF相连，完成卫星终端与UPF的上下行用户面数据包与AMF控制信令的转发，还可负责用户终端的加密与安全保障[13]。②升级网元功能，即在不改变现有核心网架构的条件下，评估随机接入、位置更新等物理层过程及卫星与地面网络功能分割方案对系统技术指标(如业务时延、阻塞率及定时机制)的影响，更新核心网参数设置，使其能够适配卫星通信网络。或者，增加现有网元功能，如通过NSSF建立用于卫星接入的功能切片，使得卫星网络能够顺利接入融合核心网。

2)天基核心网网元技术

地面5G核心网的核心设计目标之一是实现控制平面与用户面的完全分离，通过部分核心网功能下沉的分布式架构，克服集中式网络的缺点，大大节省信令开销与业务时延。在低轨卫星星座中，用户信息通过星间链路转发至目的节点，但传统卫星网络的核心网功能部署在信关站中，卫星接收到的用户数据需要下传至信关站以建立用户业务与UPF的连接，进而获得转发策略；接入卫星从信关站处获得路由信息后才能选择正确的星间链路，将用户数据转发至下一跳卫星。卫星与信关站间的交互过程极大地增加了用户业务的传输时延，因此，低轨卫星也可借鉴核心网下沉的思想，将UPF上星，建立天基核心网网元，使得用户在接入卫星后即可建立UPF连接，获得必要的转发策略，避免卫星与信关站的频繁交互。

3.3 接入网融合

地面5G与卫星通信融合的最终形态是空中接口融合，卫星接入网应支持地面5G终端的无感接入，即在不改变终端空口协议栈的前提下，基于地面空口协议对卫星接入网空口协议进行适应性修改，以适配星地无线环境。最终，星地构成一个整体，为用户提供无感的一致服务，采用协同的资源调度、一致的服务质量、星地无缝的漫游。在空中接口融合过程中，随着星载计算存储能力的提升，接入网的功能逐渐上星，以减小网络时延；另外，卫星通信与地面移动通信的通信体制协议将逐渐合并统一。

在接入网融合的网络体系下，根据卫星的功能强弱，其在网络中可承担不同的角色。当卫星不具备处理功能时，卫星在网络中只起到中继作用；当卫星具备有限的处理能力时，可实现基站DU的部分功能；当卫星具备较强的处理能力时，卫星可实现基站的全部功能。根据卫星功能与角色的不同，可形成不同的网络架构。

在星上部署透明转发载荷的场景下，卫星有效载荷在上行和下行方向完成变频和射频放大，即卫星只作为一个模拟射频中继器，如图8所示。因此，卫星将5G用户设备(NR-Uu)空口传输内容从馈电链路(在NTN网关和卫星之间)转发到服务链路(在卫星和终端之间)，反之亦然。馈电链路上的卫星空中接口(SRI)是NR-Uu。换句话说，卫星不终止NR-Uu。信关站(NTN-GW)支持转发NR-Uu接口信号所需的所有功能，不同的透明卫星可以连接到地面上的同一基站(gNB)上。

图8 卫星透明转发示意Fig.8 Transparent transponder using satellite

考虑卫星有效载荷实现基站DU功能的场景，可基于地面5G接入网提出的CU/DU拆分的逻辑架构实现星地融合组网，如图9所示。此时，卫星和用户设备之间业务链路上的空口为NR-Uu，NTN信关站和卫星之间馈电链路上的空口为SRI，SRI传输F1协议。此外，卫星有效载荷还支持星间链路。NTN信关站应作为一个传输网络层节点，支持所有必要的传输协议。不同卫星上的DU可以连接到地面上的同一个CU。如果卫星承载多个DU，同一SRI将传输所有相应的F1接口实例。

图9 星载gNB基站DUFig.9 DU of gNB on satellite

对于星上实现gNB全部处理功能的场景，终端和卫星之间业务链路上的空口为NR-Uu，NTN信关站和卫星之间馈电链路上的空口为SRI，如图10所示。卫星有效载荷还可支持星间链路(ISL)，ISL可能是无线接口或光接口。NTN信关站应是一个传输网络层节点，支持所有必要的传输协议。卫星gNB服务的用户设备可以通过ISL接入5GCN。不同卫星上的gNB可以连接到地面上的同一个5GCN。如果卫星承载多个gNB的功能，则同一个SRI将传输所有相应的核心网接口实例。

图10 星载gNB基站全部功能Fig.10 All functions of gNB on satellite

3.3.1 面临挑战

在接入网的融合过程中，随着星载计算存储能力的提升，接入网的功能逐渐上星，以减小网络时延；此外，卫星通信与地面移动通信的通信体制协议将逐渐合并统一。然而，卫星通信系统与地面移动网络在部署环境、信道传播特征等方面存在很多差异，为两者的接入网融合带来了许多挑战，需要在卫星通信与地面5G融合的系统设计过程中加以考虑。卫星通信信道特点和地面通信相比差别很大。地面5G/6G通信系统针对地面无线信道环境设计，难以直接应用于星地链路，需要分析星地链路和地面无线信道的差异。具体的挑战如下。

(1)多普勒频移。地面移动网络基础设施基本固定，基站与终端的相对位置变化主要由终端的移动性产生；对于卫星网络来说，不止终端具有移动特征，卫星也沿其轨道处于高速运动状态。可见，对于卫星通信系统来说，特别是非同步轨道卫星，多普勒频移带来的影响不容忽视。5G在传输体制上采用多载波正交频分复用(OFDM)技术，其子载波间隔设计没有考虑到多普勒频移的影响，无法满足卫星系统的需要(主要是低轨卫星)，尤其是在Ka或Ku等高频段，多普勒频移将带来子载波间的干扰。

(2)频率管理与干扰。目前，卫星通信系统可用的频率资源较为有限，包括S频段的2×15 MHz(上下行)和Ka频段的2×2500 MHz(上下行)。为提高系统容量，一般通过多色复用提高频率资源的利用率，在系统设计中需要考虑消除小区间干扰。另外，卫星网络与地面网络之间的干扰、在赤道地区同步轨道卫星与非同步轨道卫星系统间的干扰也是制约系统性能的主要因素。

(3)功率受限。不同于陆地蜂窝网，卫星上的功率资源有限，为了能在给定发射功率条件下最大化吞吐量，功率放大器要工作在邻近饱和点的状态。地面5G的下行链路使用带循环前缀的OFDM(CP-OFDM)波形，具有较高的峰均比，在卫星的下行链路直接使用5G信号波形会降低功率放大器效率，并带来散热等问题。因此，在保证较高的频带利用率的同时降低信号峰均比，是地面5G与卫星通信融合信号体制设计中需要解决的重要问题。

(4)定时提前。对于非同步轨道卫星来说，高速运动导致无线链路传输延时快速变化，可能需要动态更新终端的各个定时提前(TA)，以确保所有上行链路传输在gNB接收点处同步。另外，卫星链路的延迟远远超过了5G新空口(NR)设的传输时间间隔(TTI)，可能需要适当的TA索引值来解决这一问题。

3.3.2 关键技术

接入网融合的核心在于统一的空口体制设计，以保证天地网络间无缝漫游与平滑切换。为了解决接入网融合所带来的各项挑战，需要大力发展新型信道编技术及多址技术等，攻克接入网融合难题，实现星地网络融合的终极形态。

1)低峰均比多载波技术

目前，地面5G的一系列新空口波形优化设计仍基于OFDM方案，无法规避OFDM高峰均比(PAPR)的缺点。然而在上行，卫星通信系统为功率受限系统；在下行，高PAPR信号要求前端采样器具有较大的采样范围和采样精度，增加卫星成本。为了提升融合网络的传输效率，低峰均比的新型多载波波形技术对提升卫星功率效率至关重要。为实现这一目标，一系列新型低峰均比的多载波波形应运而生，在当前主流的OFDM调制系统的框架下，寻找满足所期望的波形性能的滤波器形式，并进一步针对系统的带外干扰，对滤波器的系数进行优化设计，使其取得最佳的滤波器系数。基于离散傅立叶变换的OFDM(DFTS-OFDM)技术是一种基于经典OFDM波形设计的新型波形，能够有效缓和OFDM方案所带来的高峰均比，该技术在长期演进技术(LTE)的上行链路中取得广泛应用，是较为成熟的低峰均比波形技术。5G新标准中也新增了基于滤波的正交频分技术(F-OFDM)，实现了在频域与时域的资源灵活复用，并把保护间隔降到了最小程度。此外，在CP-OFDMA框架下，通过对成型滤波器进行重新设计，使滤波器函数形状在频域满足产生恒模信号的条件，还可产生具有近似包络波形的发生信号。

2)低复杂度极化码信道编码技术

地面5G的业务特性及能力要求为新空口设计更加高效的新型信道编码方案，极化码(Polar码)因具备优异的性能已被确定为5G的信道编码方案之一，卫星信道也可借鉴Polar码技术提升卫星通信的传输可靠性。但是，在进行卫星通信系统Polar编码方案设计时，需要结合星地信道的特点，即：①卫星飞行高度较高，因此星地通信距离较远，在通信过程中会发生大尺度衰落；②星地通信过程中，信号的传送会受到来自于天然和人为的各种电磁波的干扰，在电磁干扰下会严重影响接收信号的幅度与频率；③星地通信过程中，卫星星下点轨迹会随时间变化，而信号传播过程中地形地貌都会随之发生变化，因此信道模型的建立应反映信道的实时状态；④星地通信过程中由于卫星飞行速度快，信号载波频率高，因此存在较大的多普勒频移，并且随着飞行速度的变化，相应的最大多普勒频移也会发生变化。此外，由于星上处理能力有限，新型极化码在充分考虑星地信道特点进行编码方案设计的同时还应具有较低的复杂度，以保证星上应用的可行性。

3)多普勒频移估计与补偿

多普勒效应造成的子载波干扰在低轨卫星星座中是不可忽略的。为了弥补由于低轨卫星快速移动带来的多普勒频移，可采用多普勒频移估计与补偿策略。在下行，卫星以预补偿的方式发送同步信号，接收端根据收到的同步信号进行频偏估计，利用参考信号进行细频偏估计，并进行基于位置的预补偿。在上行，卫星终端以预补偿方式发送随机接入导频信号，卫星基于上行参考信号进一步进行频率估计与补偿[14]。此外，目前主流的卫星通信协议支持星历信息的广播传输，如数字视频广播(DVB)协议将星历信息携带在卫星位置信息表(SPB)中，使得卫星终端能够通过前向信令信息获取卫星的运动态势，更加精确地计算自身与卫星的相对运动，增强频偏估计的准确度。

4)非正交多址技术(NOMA)

与正交频分多址接入(OFDMA)相比，NOMA在时间、频率和空间等物理资源基础上，引入了功率域、码域维度，进一步提高了用户的连接数和信道容量。低轨卫星星座与地面系统在卫星信道环境方面有类似的多径特点，而且载荷功率受限，从这点上来说，非正交接入更适合低轨卫星。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。码域的稀疏码多址接入(SCMA)包含低密度扩频技术和多维/高维调制技术两大关键技术。SCMA和Polar码在F-OFDM的基础上，进一步提升了连接数、可靠性和频谱效率。目前，针对非正交多址接入的研究还不够全面深入，由于低轨卫星星座的多谱勒是地面的几十倍，在低轨卫星上使用更需要考虑卫星的多谱勒影响。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。

3.4 小结

承载网融合、核心网融合与接入网融合的对比分析，如表1所示。

表1 3种融合网络对比Table 1 Comparison of three integration networks

4 启示与建议

本文提出了卫星与地面5G的承载网-核心网-接入网渐进发展的融合网络架构，并梳理出在融合过程中面临的技术挑战和关键技术，根据各类融合网络架构形态，提出以下发展建议。

(1)面向承载网应用需求，加快高通量卫星技术攻关。高通量卫星采用多点波束、频率复用、高波束增益等技术，通过更大的带宽、更高的频谱效率提供几十倍于传统卫星的通信容量，可提供与地面5G相近的广播传输能力(单信道300 Mbit/s以上)，有望满足地面5G对承载网的要求。多波束覆盖是提升空间频率复用率的关键技术，其中，星载多波束天线是核心设备。为实现更高的容量，需要更多、更窄的点波束，这意味着需要更大的星载多波束天线口径，也会直接导致星上载荷的质量及复杂度成几何级的增长。因此，需要着力发展超大口径可展开多波束天线、毫米波通信、高功率载波聚合等技术，攻克技术工程实用性难题，加快高通量卫星通信与地面5G承载网的融合。

(2)面向低轨卫星星座组网发展，进行组网体制创新。低轨卫星通信系统因其轨道位置低、传输时延小、能量利用效率高等特点，对承载高可靠、低时延及海量低功耗业务具有天然的优势。低轨卫星高速移动带来的星间拓扑高动态性、星间的大传输时延及卫星计算能力与功耗的限制等特性，使得地面成熟的组网协议难以为空间组网提供有效支撑，如何保证大规模卫星节点网络中的高效信息交换是需要解决的难题。为了满足空间网络的组网需求，需要发展新型的组网协议，设计新型星间组网体制协议，攻克高动态拓扑下网络节点的编址、路由与星载资源受限下的交换技术。

(3)基于地面5G核心网架构，开展卫星通信核心网设计。为了实现与地面5G的高效、可靠融合，亟需开展面向卫星5G融合的核心网技术研究。将卫星核心网的控制功能和转发功能实现分离，转发功能进一步简化下沉，将业务存储和计算能力从网络中心下移到网络边缘，以支持高流量的传输要求和灵活均衡的流量负载调度。其中：重点突破融合核心网中的移动性管理难题，开展星地解耦编址、基于星历信息切换、双连接软切换等移动性管理技术，实现终端在星地网络之间按需自由切换。

(4)面向终端随遇接入目标，大力推进统一空口体制论证。统一的空口体制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。在星地无线通信环境中，存在链路损耗大、传播时延长、频率资源受限、超大小区半径、星上与终端功率受限等不同于地面无线传播环境的特点。地面5G演进空口体制，包括基本波形、同步及参考信号、上行用户随机接入，以及用户数据及控制信息传输等，均针对地面无线传播环境的特点设计，难以直接应用于星地用户链路。因此，需要研究面向大动态环境的同步与广播信息传输，面向大小区半径的上行用户随机接入，面向功率受限环境的波形设计等关键技术，推动统一的空口体制论证。

5 结束语

面向卫星通信与地面5G融合的发展需求，本文从发展与前瞻的视角，总结卫星通信与地面5G融合的需求与趋势，对地面5G通信系统与卫星通信系统的网络架构开展深入分析，形成了融合发展趋势，提出了承载网融合、核心网融合、接入网融合的由浅至深的融合发展路线，并在此基础上就各个融合发展阶段的网络架构进行了设想，分析了融合探索过程中面临的挑战与关键使能技术，可为未来卫星新系统谋划提供参考。