卫星互联网标准化发展分析

王 鹏,祝思婷*,李 辰,易 轩

(1.中国信息通信研究院泰尔终端实验室,北京 100191;2.中国信息通信研究院,北京 100191)

0 引言

卫星互联网是一个由卫星及其链路共同组成的多层立体通信网络,多颗卫星通过卫星链路互联在一起构成空间通信网络,每颗卫星成为其中的一个交换节点,使通信信号能不依赖于地面通信网络进行传输,具备移动通信、信号处理、数据存储、交换路由、宽带接入的能力。2022年9月,华为公司发布了全球第一款具备卫星通信能力的手机,应用了我国的北斗短报文通信系统,同月,苹果公司发布了基于全球星(Globalstar)卫星星座,具备卫星紧急通信功能的iPhone手机,开启了手机直连卫星的商业元年。

随着成熟的手机产品面市,卫星互联网的标准化进程也在加快,国际标准以3GPP(3rd Generation Partnership Project)为主,在国内,中国通信标准化协会(China Communication Standard Association,CCSA)和电信终端产业协会(Telecommunication Terminal Industry Forum Association,TAF)均进行了卫星互联网网络侧及终端侧的标准研究。本文将对卫星互联网标准化发展现状及未来发展路线进行分析研判。

1 3GPP国际卫星互联网标准

1.1 非地面网络标准化发展历程

为了克服蜂窝网络无法覆盖偏远地区和无人区的缺点,同时面向航空、渔业以及能源电力等产业的通信需求,从R15阶段开始,3GPP展开卫星通信的研究工作,提出了非地面网络(Non-Terrestrial Network,NTN)研究项目[1-3],在TR 38.811中提出了在NTN下,主要包括面向时延敏感低的设备的多重泛在连接、面向偏远地区和工业场景(如海上作业平台)的固定卫星互联网连接、面向移动平台(飞机、货轮)等的移动卫星互联网连。此外,对信道模型进行了初步研究,主要包括:

① 两个支持频段:S band和Ka band;

② 同步地球轨道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)、近地轨道(Low Earth Orbit,LEO)和高空平台(High Altitude Platform Station,HAPS);

③ 地球固定波束和地球移动波束,终端还需要具备 GNSS(Global Navigation Satellite System) 能力,针对UL(Up Link)传输,能够以足够的精度估计和预补偿定时和频率偏移;

④ 支持FR1中PC3的手持或IOT设备(发射功率23 dBm);

⑤ 支持FR2中规定的具有外部天线的甚小孔径终端站设备(固定或安装在移动平台上);

⑥ 支持将智能手机连接到轨道高达 1 200 km、最小仰角为5°的卫星。

R16阶段,3GPP开展了对NTN解决方案的技术研究,主要解决的是实现非地面网络通信,核心网以及卫星和终端节点应满足的最小能力要求,包括对网络架构、高层协议、物理层技术等方面的技术研究,最终输出TR38.821,初步拟定了透明转发和星上再生两种NTN架构,在接入、寻呼等方面的高层协议面尽可能地复用了NR高层协议的逻辑架构。R16阶段的结果输出在TR38.821中,这一阶段的NTN技术研究,奠定NTN的主要技术路线。

2022年6月,3GPP R17冻结,R17被视为NTN进入5G的开端,其基于R16的NTN初始要求,进一步对NTN协议进行了增强。在透明转发的网络架构、FDD(Frequency-division Duplex)模式的框架下,对协议中的初始接入、回传策略、时延及多普勒频偏补偿和UE移动性管理等方面进行了技术增强。

R18阶段,较为突出的增强则是为未来消费级商用终端引入了更多的可用频段,在RAN4中,包括NR NTN LSband[4]、IoT NTN extLband[5]、IoT NTN FDD LSband[6]等多项工作项目将NTN的应用频段扩展到低频的L band和S band,包括苹果公司与华为公司正在使用的上行1.6 GHz、下行2.4 GHz频段。R18在时间上与卫星互联网商用移动智能终端推向市场的时间重叠,商用终端与标准协同在R18阶段清晰地规划了商用卫星终端的发展路线,VSAT(Very Small Aperture Terminal)在10 GHz以上频段的部署,将以Ka频段作为参考。PC3等手持类低功率终端在L band和S band部署,包含物联网类型和智能手机类型的终端,3GPP对两类终端的参数设定如表1所示。

2022年5月3GPP SA1在R19立项了 Study on satellite access-Phase 3(卫星接入研究-阶段3)研究报告,2023年6月结束。研究提供了一种卫星接入5G系统的操作模式,当卫星连接间歇性/暂时不可用时,5G系统可以为卫星提供存储和转发数据的服务。未来3GPP SA3将开展空天地网络安全方面的相关标准研究。

当前,高通、MTK、紫光展锐、vivo等终端与芯片厂商宣布支持NTN卫星方案,但当前各类卫星厂商并未宣布支持NTN方案,多数推行的是各卫星厂商的私有协议。NTN的部署,依赖传统地面运营商与卫星运营企业的合作模式探索以及未来以Starlink、我国星网、垣信卫星等为代表的低轨卫星运营企业对NTN方案的支持程度。3GPP层面,NTN方案的发展路径如表2所示。

表2 3GPP NTN发展路径Tab.2 3GPP NTN development path

1.2 NTN标准化关键技术

目前NTN解决的关键问题是在透明转发的体制下,解决卫星高轨道、高移动速度带来的大时延、大多普勒问题,对移动性管理、网络接入等方面的问题进行技术研究[7]。本文对于相关度较高的几种关键技术进行梳理分析。

1.2.1 频率资源管理

当地面5G和基于5G的卫星通信系统共存时,一个重要的问题是频率资源的分配和利用。在传统的频率分配中,卫星和地面资源是分离的,随着技术和产业的发展,这两种通信模式是融合的,甚至是一个运营商管理,因此完全有可能采用统一的频率分配。因此技术上需要考虑通信模式共存时的资源联合分配和优化利用,可以考虑半静态或动态的资源共享模式。

对于采用星地双连接传输技术,频率资源的利用可以充分动态共享,网络可以基于业务类型来确定星地频率资源的分配。在频率管理中,一个重要的环节是干扰管理,一般来说,卫星的波束具有较大的方向性,可以用作干扰规避的基础条件。在多星之间、星地之间,干扰管理需要考虑不同运营主体和相同运营主体的应用条件,来确定采用不同的干扰规避或者频率监管的策略。在频率资源管理流程上,形成了划分、规划、许可、监督、评价、调整、回收、再划分这样一个完整的闭环。其中划分是根据ITU《无线电规则》出台的《中华人民共和国无线电频率划分规定》,是我国开发、利用、保护频率资源的基础性行政规章,随着ITU《无线电规则》的更新和无线电业务发展趋势而定期修订。划分主要针对频段,是对频率比较粗略的分割。规划对重要的业务系统,规定其使用频段、技术体制、射频指标、许可权限、台站管理、干扰保护原则等,指导其规范、安全和高效运行。许可则是授权部门或台站使用特定的频率资源。监督与评价是对频率资源的使用效率等情况做出评估,以便后续对频率资源的调整与回收。无线电频率资源具有有限性、非耗竭性、固有性和易污染性等特点,世界各国家和地区越来越多地参与到无线电规则修订,以谋取更多频谱利益。

频谱管理在潜在技术解决方案上主要是频谱共享技术。首先,在频段应用上通过划分地面频段给卫星应用,这是欧美国家的做法,通过这种频率资源的共享,激发卫星通信的业务活力。其次,通过将星地系统按固定的时间周期进行业务需求预测,并按系统优先级和调度算法进行频谱资源重新分配。在周期内每个系统只能使用各自分配的资源传输数据。资源重分配的时间周期越短,频谱资源分配的精确度就越高,整段频谱的利用率就越高。

因此,我国需积极参与国际频谱资源的竞争,对国内频谱资源的应用积极推动面向行业需求的灵活管理策略,同时通过对运营商进行频谱资源使用监督的方式加强频谱合法使用的监管,推动频谱共享策略与相关技术的研究,提高频谱资源的利用率。

1.2.2 卫星对其他业务的干扰

卫星互联网较为明显的发展趋势是低轨卫星、巨型卫星星座的发展,这对传统的高轨高通量卫星的业务无疑带来一定程度的干扰。同时,无论是高轨高通量卫星还是中低轨道的巨型卫星星座,这些卫星产生的业务对射电天文的干扰同样不可忽视。

根据ITU规则,高轨卫星拥有频率和业务保护的高优先级。由于高轨卫星在导航、遥感以及应急通信方面长期的应用,尤其在导航和遥感方面具备的广覆盖优势是中低轨卫星无法比拟的,所以ITU规定了非高轨卫星在卫星发射功率、卫星天线指向等方面的技术要求,旨在降低对高轨卫星业务的影响。

对射电天文的保护同样也是卫星通信面对的重要研究课题,美国联邦通信委员会(Federal Communication Commission,FCC)在其制定的卫星通信法规Part25.216中明确了美国境内射电天文台站的具体位置,对卫星和地球站的等效功率通量密度在这些位置提出了明确的限值。

因此,保证卫星通信不影响其他通信以及非通信行业的业务,将是卫星通信健康发展的必要课题。针对空间网络与地面系统可能面临的干扰场景,一方面,可研究传统方法的干扰抑制、规避和协调方法在场景下的应用可行性,并通过波束管理和小区复用技术、多点波束、宽波束和窄波束结合等技术对卫星波束进行动态管理;另一方面,针对传统方法大概率失效的可能性,突破频谱扩展与灵活分配技术和全双工技术在实用化进程中尚需解决的问题和技术挑战,消除频谱使用限制,实现对干扰的抑制、规避和协调。

1.2.3 卫星传输链路技术

卫星传输链路按照空间分布可以分为星地链路(卫星-地面站)和星间链路(卫星-卫星)。在星地链路上主要使用微波通信,由于无线电波要穿过大气层,跨越距离大,加之雨衰等各种近地大气因素的影响,大容量通信不易实现,通过采用比Ka更高的波段可实现通过无线电波的大容量通信。在星间链路上主要使用激光通信,通过光通信可实现大容量数据传输。为满足卫星移动通信系统大业务量,星际链路势必采用较高的工作频段或采用激光星际链路。星间链路通信按照工作频段分为微波(L、S、C、Ku、Ka频段)、毫米波(部分Ka频段和Q/V频段)、太赫兹和激光。

2 国内卫星互联网标准

2.1 CCSA通信行业标准

CCSA制定我国通信行业标准,是由工业和信息化部主管的标准化组织,同时也是3GPP主要组成成员。随着3GPP对NTN的技术研究,CCSA也开始加快了各类卫星标准的研究过程,其中主要由TC5、TC12、TC11分别对卫星互联网的各个方面做了标准化研究。以下对CCSA部分卫星互联网方面的标准工作进行梳理。

2.1.1 TC5主要标准

卫星互联网设备相关标准研究主要在TC5的卫星与微波通信技术组展开,其技术保持与3GPP的技术同步,在终端侧,对高频段(Ka/Ku)的小型地球站终端和L/S频段的天通终端进行了完备的标准化研究。具体如下。

(1) 卫星互联网系列标准

•基于NTN的NB-IoT:接入网总体技术要求(第一阶段);

•基于NTN的NB-IoT:终端设备技术要求(第一阶段);

•基于NTN的NB-IoT:终端设备测试方法(第一阶段);

•基于NTN的NB-IoT:卫星接入节点设备技术要求(第一阶段);

•基于NTN的NB-IoT:卫星接入节点设备测试方法(第一阶段)。

(2) 天通一号手持/非手持终端的主要标准

•天通一号卫星移动通信系统物联网模块技术要求和测试方法;

•天通一号卫星移动通信系统多模非手持终端技术要求和测试方法;

•天通一号卫星移动通信系统多模手持终端技术要求和测试方法;

•天通一号卫星移动通信系统非手持终端测试方法;

•天通一号卫星移动通信系统非手持终端技术要求;

•天通一号卫星移动通信系统手持终端测试方法;

•天通一号卫星移动通信系统手持终端技术要求。

2.1.2 TC11移动互联网应用和终端技术组主要标准

TC11主要对新型终端进行标准化工作的研究,2022年利用北斗短报文实现智能手机直连卫星的终端以来,TC11在WG3中快速对该种设备的技术要求与测试方法进行了标准的研究,面向北斗短报文终端产业的监管,支持北斗短报文在移动智能终端上的正式商用。具体标准如下:

•民用蜂窝通信终端设备支持北斗三号短报文功能的技术要求;

•民用蜂窝通信终端设备支持北斗三号短报文功能的测试方法。

2.1.3 TC12航天通信技术组主要标准

TC12是传统的航天通信技术标准组,目前在NTN等通信与航天融合的趋势下,在地面通信网络与卫星通信网络融合等方面进行了大量的研究,具体如下。

(1) TC12 WG1工作组主要标准

TC12 WG1的研究重点是航天通信系统,主要包括宽带移动卫星通信协议、宽带VSAT卫星通信系统调制解调器等方面,具体如下:

•宽带移动卫星通信协议要求第1部分:总体;

•宽带VSAT卫星通信系统单路单载波(SCPC)调制解调器空口协议规范;

•宽带VSAT卫星通信系统调制解调器通用技术要求;

•宽带VSAT卫星通信系统调制解调器通用测试方法;

•宽带移动卫星通信协议要求第2部分:无线电接口物理层。

(2) TC12 WG2工作组主要标准

TC12 WG2的研究重点是航天通信应用。主要包括宽带移动卫星通信协议、天地一体5G网络、卫星网络的LoRaWAN、航空机载通信等方面。具体如下:

•宽带移动卫星通信协议要求第3部分:链路层;

•宽带移动卫星通信协议要求第4部分:上层协议;

•天地一体5G网络应用场景及需求;

•适用于卫星网络的LoRaWAN技术要求;

•航空机载通信客舱基站子系统技术要求;

•航空机载通信舱内局域网子系统技术要求;

•航空机载通信ATG子系统技术要求;

•航空机载通信卫星网络子系统技术要求;

•航空机载通信系统总体技术要求;

•C/Ku/Ka频段静止轨道卫星系统中卫星固定业务地球站发射设备射频特性要求和测量方法。

(3) TC12 WG3工作组主要标准

TC12 WG3的研究重点在协同组网通信技术,主要包括北斗短报文与地面网短消息互通、北斗短报文星地融合通信业务和北斗短报文与互联网应用互通等方面,具体如下:

•北斗短报文与地面网短消息互通总体技术要求;

•北斗短报文星地融合通信业务总体要求;

•北斗短报文与互联网应用互通技术要求;

•基于5G的卫星互联网第1部分:总体要求。

2.2 TAF团体标准

TAF是由中国信息通信研究院联合行业各企业,对我国通信团体标准进行制定的标准化组织,其中WG6卫星终端技术组。协同我国各终端厂商、运营商等参加单位共同开展卫星互联网终端技术研究、标准制定和测试验证,服务于国家需求与产业发展需求。

TAF WG6于2023年开展了卫星终端标准化的技术研究工作,具体如下:

•卫星互联网终端技术与产业发展问题研究[8];

•支持卫星通信的移动智能终端技术要求和测试方法第1部分:多模天通卫星终端[9];

•支持卫星通信的移动智能终端技术要求和测试方法第2部分:低轨卫星终端[10]。

值得注意的是,TAF WG6是我国第一个开展低轨卫星通信终端标准化研制的标准化工作组,这是对未来卫星互联网广泛部署阶段及商用阶段的终端标准化进行的有效技术预研,对我国未来低轨卫星互联网的标准化发展和终端发展起到重要的基础作用。

3 我国卫星互联网标准化发展建议

3.1 完善并推动NTN技术路线

技术上,NR NTN能够将成熟的地面移动通信技术复用于卫星互联网的发展,透明转发和再生转发的模式均将地面网络在核心网管理、初始接入、上下行同步、寻呼管理等高层协议复用了地面网络的技术,针对性地对卫星高试验和大多普勒频移的特点进行了增强;商业上,NTN对地面运营商、终端及芯片厂商等传统通信行业进入卫星网络的壁垒极低,在垂直行业上多年深耕也有利于卫星行业拓展其在通信领域的应用面和消费群体。因此,目前NTN是有利于卫星互联网生态发展的最佳路线,产业各方应积极推进NTN技术发展,推动传统的卫星行业和通信行业双向奔赴。

3.2 加强手持终端标准的完备性

卫星互联网终端的形态目前尚不确定,手持卫星终端将是卫星互联网终端发展的亮点。目前包括3GPP在内的各标准化组织对小型地面站、物联网类型终端的技术标准进行了充分的研究和制定。面向手机直连,考虑到太空卫星的全球业务可实现性、终端连接卫星的业务稳定性等,应尽快完善手持卫星互联网终端在信息安全、OTA技术要求和测量方法、射频要求、SAR等方面的技术要求以及相关的标准,同时加强研究手机直连在抢险救灾、大型活动等场景下是否会对有效的卫星资源进行挤占问题和对应的管理策略。为我国管理部门对卫星互联网终端的监管提供有效抓手,强化卫星直连手机业务的健康生态和行业自律。

4 结束语

对NTN以及各类私有协议的标准化进程正逐步加快,能够对现有的各类技术进行快速协调,使行业达成统一,推进卫星互联网的发展。但多类卫星体制,也对行业推行何种卫星互联网发展的路线产生了不同的引导,终端厂商与运营商将主推NTN的统一技术标准,已完成卫星星座建设的企业将主推各自的私有技术体制,但完成对NTN的兼容将是卫星企业不得不采取的路线,标准化的发展也将呈现NTN为主、私有体制为辅的发展趋势。