● 文 |世訊衛(wèi)星技術(shù)有限公司 楊冬梅 杜凱 唐舟進

一、引言

隨著移動數(shù)據(jù)流量的爆炸性增長，設(shè)備的海量連接和各種新業(yè)務(wù)與應(yīng)用場景的不斷涌現(xiàn)，第五代移動通信系統(tǒng) （5G）應(yīng)運而生，目前已經(jīng)進入試驗部署階段。5G是各種先進通信技術(shù)的集大成者，代表了地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的最高水平。自1965年美國發(fā)射第一顆商用通信衛(wèi)星以來，衛(wèi)星通信系統(tǒng)也取得了令人矚目的巨大成就。目前在軌的通信衛(wèi)星數(shù)以百計，為上億用戶提供通信和廣播服務(wù)[1]。與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要具備覆蓋區(qū)域大、廣播能力強、地形影響小、部署便利等特點。因此在地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的邊遠山區(qū)、空中、遠海等區(qū)域，可以利用衛(wèi)星進行覆蓋，與地面網(wǎng)絡(luò)形成良好的互補[2]。

目前地面移動網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合也成為了研究熱點[3]。但在過去的研究中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)僅僅達到了互聯(lián)互通的程度，這是由于兩者的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和通信體制差異巨大，真正的網(wǎng)絡(luò)融合存在許多困難。5G采用了大量的顛覆性技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)具備了新的特征，從而使得地面移動網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合成為可能。本文研究了5G與衛(wèi)星融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從頻率資源、硬件設(shè)備、空口波形、網(wǎng)絡(luò)控制等方面探索了兩者融合的方式，并指出了有待解決的問題，拋磚引玉為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

二、星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

任何通信系統(tǒng)最終要達到的相互關(guān)系便是無障礙的互聯(lián)互通互操作，并為各種用戶提供隨時隨地與任意對象通信的按需服務(wù)。那么在這個過程中必須明確的是，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)只能是地面移動網(wǎng)絡(luò)的補充和延伸。這是由于在技術(shù)水平、標準化、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等方面地面移動網(wǎng)絡(luò)均處于絕對優(yōu)勢，而且移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等顛覆性技術(shù)的承載實體也以地面網(wǎng)絡(luò)為主。因此在融合的過程中，地面與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)并非是平等協(xié)作的關(guān)系，而是有主次之分的，融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也應(yīng)當以地面移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基礎(chǔ)，并適當兼顧衛(wèi)星傳輸?shù)奶厥庖??；凇疤燧o地主”的思路，本文提出了一種新型的星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示。

星地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于5G移動通信系統(tǒng)“三朵云”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]。通過靈活的接入云支持衛(wèi)星通信傳輸體制，并將衛(wèi)星信號處理轉(zhuǎn)換為標準的IP數(shù)據(jù)送入上層統(tǒng)一處理。轉(zhuǎn)發(fā)云則基于軟件定義網(wǎng)絡(luò) （SDN）技術(shù)，實現(xiàn)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，轉(zhuǎn)發(fā)與業(yè)務(wù)融合?？刂圃苿t基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)（NFV）實現(xiàn)5G系統(tǒng)特有的“網(wǎng)絡(luò)切片”特征，通過添加適用于衛(wèi)星業(yè)務(wù)的虛擬化網(wǎng)元功能，并動態(tài)構(gòu)建新的服務(wù)鏈來支持衛(wèi)星話音傳輸、寬帶接入和基站回傳等衛(wèi)星通信場景的控制。

基于軟件無線電技術(shù) （SDR），未來的終端也將普遍具備多制式的連接和傳輸能力，能夠同時支持衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面移動網(wǎng)絡(luò)的無縫切換甚至同時在線。

基于“三朵云”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，結(jié)合SDR、SDN、NFV等技術(shù)，星地融合的網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對于衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一和協(xié)調(diào)管理，并基于承載與信令分離，信令與制式解耦，實現(xiàn)與接入方式無關(guān)的統(tǒng)一的控制，達到衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)深度融合，無縫結(jié)合的效果，為用戶提供透明、一致的泛在通信服務(wù)。

三、網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)途徑

1. 頻率資源

無論對于衛(wèi)星通信還是地面移動通信系統(tǒng)，可用頻譜的匱乏都已成為亟待解決的問題。由于ITU傳統(tǒng)的頻譜授權(quán)方式，在衛(wèi)星通信方面，傳統(tǒng)的L、S、C、Ku頻段已經(jīng)完全飽和，Ka頻段的爭奪也已經(jīng)白熱化，甚至毫米波頻段也進入了“跑馬圈地”的階段[5]。而地面移動通信系統(tǒng)也不遑多讓，5G為了滿足移動寬帶（eMBB）、具有高可靠性和超低時延的通信 （uRLLC）以及大規(guī)模機器通信 （mMTC）三大類主要應(yīng)用場景的需求，使用的頻率將涵蓋高、中、低頻段，即統(tǒng)籌考慮全頻段。其中的高頻段用于滿足熱點區(qū)域覆蓋和超高速率傳輸，涵蓋24.25～86GHz的可用頻段，而3～6GHz的中頻段也與衛(wèi)星固定、移動業(yè)務(wù)產(chǎn)生了重疊。3G以下的無線通信“黃金頻段”，同樣也需要擴展，與衛(wèi)星廣播電視、衛(wèi)星移動通信等業(yè)務(wù)產(chǎn)生了頻率協(xié)調(diào)問題[6]。

2015年11月在瑞士日內(nèi)瓦舉辦的世界無線電通信大會上，衛(wèi)星與地面通信系統(tǒng)之間頻率沖突日益激烈的問題引起關(guān)注。很顯然，傳統(tǒng)的頻率獨占授權(quán)方式已經(jīng)越來越制約了技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了大量的頻率協(xié)調(diào)問題，并且造成了資源的極大浪費。在政策方面，未來的頻率規(guī)劃必然是從國家層面統(tǒng)籌規(guī)劃，實現(xiàn)資源高效利用，在“共享經(jīng)濟”的引導下通過法規(guī)制定、技術(shù)約束等條件鼓勵頻率資源實現(xiàn)共用。在技術(shù)方面，逐漸成熟的認知無線電技術(shù)則從實施層面為頻率共享提供了可行的實現(xiàn)途徑。

未來衛(wèi)星通信和地面移動通信系統(tǒng)的頻率分隔將打破，雙方互相共享利用頻率資源，也就意味著技術(shù)體制、系統(tǒng)組成、元器件配套等方面會趨于統(tǒng)一。所以從資源整合的角度來看，利用大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)，構(gòu)建統(tǒng)一的資源協(xié)調(diào)平臺，促進頻率資源的共享使用，可以為衛(wèi)星通信系統(tǒng)與5G系統(tǒng)的深度融合提供兼容的基礎(chǔ)。

2. 硬件設(shè)備

三維多入多出（3D MIMO）技術(shù)是5G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，采用大規(guī)模二維天線陣列，可以靈活調(diào)整波束寬度和指向，能夠結(jié)合空分復用（SDM）技術(shù)極大地提高頻譜利用率[4]。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，大規(guī)模相控陣天線技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)有數(shù)十年的歷史，走過了從模擬到數(shù)字，從L到Ka頻段，從數(shù)十到上萬陣元，從磚塊式到瓦片式的發(fā)展道路，已經(jīng)普遍應(yīng)用于各種類型的衛(wèi)星載荷，形成了一大批優(yōu)秀成果和應(yīng)用實例。因此5G的發(fā)展可以借鑒衛(wèi)星通信領(lǐng)域相控陣天線和SDM技術(shù)的發(fā)展經(jīng)驗和成果，衛(wèi)星行業(yè)也能借助5G的標準化、規(guī)模化和芯片化優(yōu)勢，降低高頻率相控陣天線的成本，提高可靠性和集成化水平。最終在頻譜共享的環(huán)境中，低成本高性能的天線能夠同時應(yīng)用于衛(wèi)星和地面移動網(wǎng)絡(luò)，促進星地網(wǎng)絡(luò)進一步深度融合。

在毫米波射頻器件方面，衛(wèi)星通信領(lǐng)域也積累了豐富的經(jīng)驗和成果。特別是美國2010年發(fā)射的“先進極高頻”（AEHF）衛(wèi)星通信系統(tǒng)成功地應(yīng)用了V頻段60GHz的星間鏈路，表明了衛(wèi)星通信在高性能毫米波射頻器件上的先進水平[7]。射頻器件是無線連接的核心，未來5G系統(tǒng)需要將毫米波技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用至物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，必須要極大地降低器件成本，提高集成化芯片化水平。地面移動通信和衛(wèi)星通信在射頻器件方面的優(yōu)勢也是互補的，雙方開放融合將會是一個共贏的局面。

在用戶終端方面，軟件無線電技術(shù)的出現(xiàn)模糊了通信體制的邊界。目前的手機通信模塊支持多種通信體制，部分模塊甚至能通過軟件升級適應(yīng)新的體制。未來通過在基帶芯片中采用軟件無線電技術(shù)，不僅可以支持現(xiàn)有的地面移動和衛(wèi)星通信體制，并且通過軟件升級就可以支持新的協(xié)議和體制。這就打破了通信功能的實現(xiàn)僅僅依賴于硬件的發(fā)展格局，消除了網(wǎng)絡(luò)融合的硬件藩籬。用戶終端必然是多模式、多頻段和多功能的通信設(shè)備，能夠按需接入衛(wèi)星或者地面網(wǎng)絡(luò)，滿足用戶動態(tài)變化的需求。

3. 空口波形

衛(wèi)星通信和地面移動通信都面對更大容量、更高頻譜效率、更多連接的總體需求，因此系統(tǒng)必須要最大化資源利用率。5G關(guān)鍵技術(shù)中的非正交多址（NOMA）技術(shù)在資源利用率方面可以說是取得了革命性的突破[8]。傳統(tǒng)的接入技術(shù)，無論是頻分多址 （FDMA）、時分多址 （TDMA）、碼分多址 （CDMA）、空分多址（SDMA）或者是混合多址技術(shù)，本質(zhì)上還是在不同的維度為用戶分配獨占的資源用于承載業(yè)務(wù)信息。而5G的NOMA則另辟蹊徑，分配給用戶的資源在碼域、時域、頻域、空域甚至功率域等任何維度下都不是獨占的，而是呈現(xiàn)出稀疏的疊加特性，在接收端通過多用戶聯(lián)合檢測，將調(diào)制映射、碼域擴展和功率優(yōu)化聯(lián)合進行，通過碼本映射和迭代譯碼實現(xiàn)用戶信息的解調(diào)。類似的5G新型接入技術(shù)還包括稀疏編碼多址接入 （SCMA）、多用戶共享接入（MUSA）等，其核心思想都是通過提高接收端的復雜度換取更高的頻譜效率。目前芯片數(shù)據(jù)處理能力的提升使得NOMA技術(shù)的落地變得可行，實際上已經(jīng)有商用的5G芯片推出，并在試驗中取得了較好的效果。相對傳統(tǒng)接入方式，新型接入技術(shù)的頻譜效率最大可提高3倍[9]。

在5G時代，接入技術(shù)涌現(xiàn)出一大批具有顛覆性技術(shù)的突破，而衛(wèi)星通信領(lǐng)域受限于漫長的研制和迭代周期，空口技術(shù)還脫離不了正交接入的范疇。而衛(wèi)星通信領(lǐng)域隨著高通量（HTS）衛(wèi)星的大量應(yīng)用，也面臨著頻譜匱乏的瓶頸，引入新的NOMA技術(shù)能夠有效緩解問題，進一步提升衛(wèi)星容量，滿足日益增長的衛(wèi)星寬帶接入需求。

NOMA技術(shù)是利用復雜度換取頻譜效率，也意味著需要大量的信令交互來動態(tài)控制用戶接入?yún)?shù)，很難適用于長時延的靜止軌道（GEO）衛(wèi)星通信場景。如何引入NOMA，需要衛(wèi)星通信和地面移動通信的研究人員聯(lián)合起來進行大量的技術(shù)攻關(guān)。

在高頻率，特別是毫米波信號通過多波束相控陣天線在大氣層內(nèi)進行傳輸?shù)男诺澜７矫?，衛(wèi)星通信行業(yè)已經(jīng)進行了大量的研究和實際測量，形成了寶貴的信道模型參數(shù)，一些毫米波的路損、高散射、定向傳輸和對動態(tài)環(huán)境敏感等特征都有定量的模型描述[10]。對于5G未來的發(fā)展，這些模型也是不可多得的珍貴財富。

值得注意的是，地面移動通信行業(yè)已經(jīng)認識到衛(wèi)星通信的重要作用。3GPP在5G的第14版標準已經(jīng)在研究5G衛(wèi)星的作用，認為其應(yīng)當作為接入技術(shù)組合的一部分，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率。另外3GPP SA1工作組研究了在5G中集成衛(wèi)星接入組件的問題，相應(yīng)的技術(shù)報告TR 22.822將作為第16版的部分內(nèi)容[11]。

國外的衛(wèi)星通信行業(yè)同樣也認識到星地融合的重要性。2017年6月，由衛(wèi)星行業(yè)生產(chǎn)廠家、運營商、高校等16個單位聯(lián)合成立了SaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）聯(lián)盟，該聯(lián)盟旨在通過一系列的研究、開發(fā)和實驗等工作，在30個月內(nèi)摸索出衛(wèi)星通信和5G無縫集成的最佳方案，并在歐洲進行試用。

4. 網(wǎng)絡(luò)控制

本文認為，網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵突破口在于網(wǎng)絡(luò)控制層，也就是前文融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的控制云。

5G系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)控制云最大的特征就是通過SDN和NFV技術(shù)實現(xiàn)了端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，實質(zhì)上就是將同一個物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，每一個虛擬網(wǎng)絡(luò)都是根據(jù)不同的服務(wù)質(zhì)量（QoS）進行的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。例如前文中提到的eMBB、uRLLC和mMTC三大類場景，5G系統(tǒng)采用動態(tài)構(gòu)建的虛擬服務(wù)鏈，對不同場景下產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行差異化的轉(zhuǎn)發(fā)、處理和管理，從而兼容這些完全不同的應(yīng)用場景。SDN技術(shù)實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)承載和控制的分離，NFV通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)了核心網(wǎng)網(wǎng)元的軟件化，SDN和NFV為網(wǎng)絡(luò)切片的實現(xiàn)提供了堅實的基礎(chǔ)。

在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的控制層中同樣可以采用SDN和NFV技術(shù)。在GEO衛(wèi)星業(yè)務(wù)中，較長的時延往往是影響用戶體驗的痛點，而根據(jù)實際測量的結(jié)果，時延主要來自于網(wǎng)絡(luò)擁塞。通過GEO衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)往返的固有時延大約為600ms，而實際使用中，TCP協(xié)議層建立鏈接至少需要3次握手，網(wǎng)絡(luò)擁塞產(chǎn)生的丟包重傳也要消耗大量的時間，最終很容易造成連接中斷。采用SDN技術(shù)后，網(wǎng)絡(luò)控制器可以通過全局最優(yōu)的路由，在整個網(wǎng)絡(luò)的負載低于閾值時可以徹底消除局部網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而提高傳輸效率。而NFV技術(shù)則能夠?qū)⑿l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的大量網(wǎng)元設(shè)備，例如移動性管理、計費、網(wǎng)關(guān)、鑒權(quán)等網(wǎng)元設(shè)備，轉(zhuǎn)換為軟件形態(tài)，運行在云數(shù)據(jù)中心中，減少運營成本。當采用了SDN和NFV技術(shù)后，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的控制層也實現(xiàn)了軟件和硬件解耦，轉(zhuǎn)發(fā)和控制分離，也能夠具備網(wǎng)絡(luò)切片的特征。未來可以逐漸通過軟件升級與5G虛擬化核心網(wǎng)進行融合，最終以衛(wèi)星通信專用網(wǎng)元軟件和插件的形式融入5G的網(wǎng)絡(luò)控制云中。

在部署新型架構(gòu)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)控制層時，必須考慮到新舊兼容的問題，使得傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制中心的功能合理可控地轉(zhuǎn)移到基于數(shù)據(jù)中心的虛擬化網(wǎng)絡(luò)控制云，特別是衛(wèi)星測控的功能相對獨立，對可靠性要求極高，未來虛擬化的方式和途徑還需要慎重對待。

四、存在的挑戰(zhàn)

1. GEO衛(wèi)星通信中的挑戰(zhàn)

如前文所述，GEO衛(wèi)星的主要問題在于傳輸時延大，路徑損耗大。

傳輸時延不僅容易放大網(wǎng)絡(luò)擁塞的影響，還使得控制層難以對通信資源進行準時實時的調(diào)度協(xié)調(diào)。而5G空口技術(shù)往往需要用戶端與控制層的頻繁交互。GEO衛(wèi)星信道可以近似為恒參信道，實際上也不需要根據(jù)信道條件的變化頻繁地對資源分配進行調(diào)整，控制層更多的是需要適應(yīng)業(yè)務(wù)的突發(fā)性。那么適用于衛(wèi)星的接入技術(shù)需要簡化信令流程，通過開環(huán)控制實現(xiàn)多用戶在功率域的疊加，以及適應(yīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)帶來的非線性變化。同時5G系統(tǒng)中采用的混合自動重傳請求 （HARQ）協(xié)議在衛(wèi)星業(yè)務(wù)傳輸中容易引起擁塞，因此也需要針對衛(wèi)星業(yè)務(wù)長時延的特點，簡化重傳流程，更多地利用糾錯碼或者信源容錯技術(shù)減少重傳發(fā)生次數(shù)[12]。

路徑損耗的問題使得用戶終端必須維持一定的發(fā)射功率，使得設(shè)備難以小型化低功耗。這與5G通過超密度組網(wǎng)降低用戶終端發(fā)射功率的做法是背道而馳的。那么可以考慮通過簡單的外接設(shè)備提高終端的收發(fā)能力，或者在星上采用薄膜天線等新型大口徑天線提高衛(wèi)星接收系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)，最終滿足用戶終端的小型化要求。

2. LEO星座通信中的挑戰(zhàn)

低軌道（LEO）星座能極大地降低傳輸時延和路徑損耗，通過復用技術(shù)也能提高系統(tǒng)容量。但衛(wèi)星的高動態(tài)特性也引起了多普勒頻移和復雜的星間路由問題。

5G系統(tǒng)的目標是在6GHz以內(nèi)的頻段上為時速500km的高移動性用戶提供通信服務(wù)，如果載頻為4GHz，那么系統(tǒng)能夠適應(yīng)的多普勒頻移約為1.9kHz。而LEO衛(wèi)星的飛行速度大于7km/s，如果采用的是Ka頻段，那么多普勒頻移會大于400kHz，遠大于5G系統(tǒng)能夠適應(yīng)的頻率偏移范圍。因此，針對衛(wèi)星的高動態(tài)特性，需要對空口波形進行優(yōu)化，充分利用衛(wèi)星的星歷對周期性的多普勒頻移變化進行補償和修正。

此外，在缺乏大量地面站輔助的情況下，星間鏈路的路由問題也比較復雜，在業(yè)務(wù)高峰時容易引起網(wǎng)絡(luò)擁塞，成為瓶頸問題。星間鏈路的路由算法與星座設(shè)計、地面站規(guī)劃、星間通信體制等方面密切相關(guān)，需要在設(shè)計之初就充分考慮合適的路由機制。

五、總結(jié)

本文探討了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與5G地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的相互關(guān)系，借鑒5G“三朵云”的架構(gòu)設(shè)計給出了一種星地融合的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并從頻譜資源、硬件設(shè)備、空口波形、網(wǎng)絡(luò)控制等方面探索了衛(wèi)星通信與5G網(wǎng)絡(luò)融合的途徑，指出了網(wǎng)絡(luò)融合還存在的挑戰(zhàn)和問題。未來衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)的融合，能夠擴展通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，全方位提高衛(wèi)星和地面通信服務(wù)水平，有效地滿足未來各種應(yīng)用場景的傳輸需求。

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