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【卫星+5G】卫星通讯与地面5G融合手艺初探（一）
2019-12-25 / 阅读次数：2843
转自 | 卫星与网络
作者 | 汪春霆 李宁 翟立君 卢宁宁
摘要：近年来，卫星通讯在全球迎来新一轮生长热潮，地面第五代移动通讯（5G）也即将进入商用，卫星通讯与地面5G的融合成为卫星界和地面界讨论的新热门。本文首先先容了5G通讯系统、卫星通讯以及卫星通讯与5G融合的生长现状，剖析了卫星5G融合的生长趋势；进而给出了卫星5G融合的起源思绪，包括系统架构设计、空中接口设计、基于SDN/NFV的网络虚拟化安排以及协议优化等，并对融合可能保存的问题举行了探讨；接下来对卫星5G融合的要害手艺举行了梳理；最后，给出了未来卫星与5G相融合的应用场景。
一、概述
相比地面移动通讯网络，卫星通讯使用高、中、低轨卫星可实现广域甚至全球笼罩，可以为全球用户提供无差别的通讯效劳。铱星（Iridium）、海事卫星（Inmarsat）、瑟拉亚（Thuraya）等商用移动卫星通讯系统为海上、应急及小我私家移动通讯等应用提供了有用的解决计划；O3b、OneWeb、Starlink等中低轨卫星星座将卫星通讯效劳与互联网营业相融合，为卫星通讯工业注入新的活力。同时，未来地面第五代移动通讯（5G）将具备完善的工业链、重大的用户群体、无邪高效的应用效劳模式等。卫星通讯系统与5G相互融合，取长补短，配合构玉成球无缝笼罩的海、陆、空、天一体化综合通讯网，知足用户无处不在的多种营业需求，是未来通讯生长的主要偏向。卫星与5G的融合将充分验展各自优势，为用户提供更周全优质的效劳，主要体现在：
● 在地面5G网络无法笼罩的偏远地区、飞机上或者远洋舰艇上，卫星可以提供经济可靠的网络效劳，将网络延伸到地面网络无法抵达的地方。
● 卫星可以为物联网装备以及飞机、汽船、火车、汽车等移动载体用户提供一连不中止的网络毗连，卫星与5G融合后，可以大幅度增强5G系统在这方面的效劳能力。
● 卫星优越的广播/多播能力可以为网络边沿及用户终端提供高效的数据分发效劳。
二、生长现状
1、第五代移动通讯系统（5G）
2018年6月，随着5G新空口(NR: New Radio)自力组网功效的冻结，5G已经完成第一阶段的周全标准化事情，进入周全工业化阶段，预计2020年实现周全商用。
与前几代移动通讯相比，5G的系统性能大幅提高，峰值速率可达10Gbps～20Gbps，用户体验速率可达100Mbps～1Gbps，毗连数密度每平方公里可达100万，每平方米流量密度可达10Mbps，能够支持500km/h运动情形下的通讯。
从营业能力来说，5G能够知足更为富厚的营业需求。已往几代移动通讯主要实现“人与人”之间的通讯；而在5G时代，还要实现“人与物”、“物与物”之间的高效通讯，最终实现“万物互联”。国际电信同盟（ITU）将增强的移动宽带（eMBB）、高可靠低延迟通讯（uRLLC）以及大规�；低ㄑ叮╩MTC）界说为5G的三大主要应用场景。
5G支持包括毫米波在内的普遍的事情频段，使用大规模多天线（Massive MIMO）、高效的信道编码手艺、非正交多址、多载波等要害手艺实现更高的频谱效率和系统容量；在5G网络中，焦点网的看法进一步弱化，网络功效下沉到网络边沿，从而降低数据平面与控制平面的传输延时，通过软件界说网路（SDN）/网络功效虚拟化（NFV）等手艺实现控制转发疏散，以及网元功效与物理实体的解耦，实现网络资源的高效管控与分派。
从详细手艺生长上看，大规模天线现在在用户水平疏散漫衍与水平+笔直疏散漫衍两个测试场景下，峰值吞吐量抵达4Gbps@100MHz。SCMA（华为）、MUSA（中兴）、大唐（PDMA）等非正交多址计划下行吞吐量增益抵达86%、上行接入能力提升了3倍�；馐粤薖loar码，较量于现在LTE接纳的turbo码，在静止场景下短码性能增益提升0.35-0.48dB、长码性能增益提升0.35-0.6dB，在移动场景下短码性能增益提升约0.34dB、长码增益提升约0.37dB。在高频段通讯方面，爱立信在15GHz频段测试中，室外视距/非视距情形平均下行吞吐量划分为7.2Gbps和5.1Gbps。2018年，华为与日本NTT的28GHz外场测试中，信号笼罩距离抵达了1.2km，网络下行吞吐率抵达4.52Gbps、上行抵达了1.55Gbps。
2018年8月，在IMT2020推进组组织的中国5G手艺研发试验第三阶段测试中，华为、爱立信等完成了5G 自力组网（Standalone，SA）的C频段测试，这标记着5G商用已具备基础。同期，中兴通讯团结中国电信在雄安区实现了首个5G笼罩和全景直播试验，面向白洋淀五水共治、智慧治水应用，展示了5G在未来新型智慧都会和生态治理等领域的应用潜力。在终端方面，华为于2018年2月宣布了G商用芯片“Balong 5G01”，同时支持Sub6GHz（低频）和mmWave（高频），支持SA和NSA，可实现2.3Gbps的传输速率。高通推出的X50调制解调器主要面向28GHz，Intel推出的XMM 8060 则主要面向Sub6GHz。
2、卫星通讯生长现状
阻止2017年底，全球在轨通讯卫星数目805颗，占在轨卫星总数的45%。
典范地球同步轨道卫星移动通讯系统有Inmarsat、Thuraya、TerreStar、SkyTerra等系统。已经生长到第五代的国际海事卫星（Inmarsat）系统接纳Ka频段，实现了从移动通讯向大容量、高带宽偏向的生长，关于60cm口径地面终端可提供50Mbps吸收、5Mbps发送。美国卫讯公司的Viasat是典范的宽带卫星通讯系统，其Viasat-1容量140Gbps，ViaSat-2卫星容量抵达300Gbps。
典范的低轨通讯卫星星座，如铱星系统（Iridium），1987年由美国摩托罗拉公司提出，1998年完成由72颗低轨通讯卫星组网的第一代系统建设，主要为手持移动电话用户提供全球小我私家通讯效劳，现在正在安排的下一代系统（Iridium Next），提供通讯、天气转变监视、多光谱对地成像等综合营业。
近年来，互联网卫星星座的生长突飞猛进，典范的代表系统包括O3b、一网系统（OneWeb）和SpaceX妄想打造的Starlink互联网星座。其主要特征包括：多接纳中、低轨道，相比同步轨道卫星可以大幅度降低往返传输延时，使卫星传输的体验可以与地面光纤相媲美；接纳几十甚至几百颗小卫星星座组网实现大规模笼罩，通过�？榛杓拼蠓冉档臀佬巧厩�，从而降低通讯资费，为用户提供平价的通讯效劳；多接纳Ka或Ku频段，系统容量大幅度提高，例如O3b的单波束可以提供1.6Gbps的传输速率，每颗星70个波束，OneWeb单星容量5-8Gbps，系统总容量凌驾7Tbps，可以为0.36 m口径天线的终端提供50 Mbit/s的互联网接入效劳�？梢晕虐寤チ苌璞厩谔诠蟮牡厍峁└咚倏泶チ尤胄Ю�。
我国卫星通讯系统经由几十年自力自主生长，已形成一定建设规模。现在正在生长以牢靠营业为主的高通量卫星通讯系统和以移动营业为主的卫星移动通讯系统，低轨通讯卫星也进入试验阶段，生长历程如图1所示。
图 1我国卫星通讯系统生长历程
民用卫星通讯领域，主要建设生长中星、亚太系列通讯广播卫星系统，通讯营业基本实现亚洲、欧洲、非洲、太平洋等区域笼罩，在全球卫星空间段运营效劳商排名第六位。现在，在轨运行C、Ku、Ka频段的民用通讯卫星共15颗。我国高通量宽带卫星生长刚刚起步，整体手艺水平、系统容量和效劳能力与外洋先进卫星系统尚有差别，2017年发射的首颗高通量Ka宽带卫星“中星16号”，容量抵达20Gbps。2016年我国发射的“天通一号”01星是我国自主建设的首颗移动通讯卫星，接纳透明转发器，窄带单载波传输体制，通例模式营业支持最低1.2Kbps电路域话音、最高分组域384Kbps的数据营业。
图 2天通1号卫星移动通讯系统
低轨通讯卫星系统方面，我国正在妄想的系统主要包括国家科技立异-2030重大项目“天地一体化信息网络低轨接入网”，航天科技集团的“鸿雁工程”、航天科工集团的“虹云工程”等。天地一体化信息网络重大项目低轨接入网轨道高度800~1100km，提供全球无缝笼罩的移动、宽带通讯效劳，支持航空/航海监视、频谱监视、导航增强以及广域物联网效劳等。鸿雁星座轨道高度1100公里，由324颗卫星组成，支持移动通讯、宽带互联网接入、物联网接入、热门信息推送、导航增强、航空航海监视六大应用；虹云工程轨道高度1040公里，由156颗星组成，支持互联网、物联网应用。
从卫星通讯的生长历程来看，现在分立的卫星通讯系统逐步向着天地异构网络互联互通、天地一体的偏向生长。一方面，需求和市场牵引天基网络走向泛在，天基、地面网络优势团结互补，种种应用渗透到陆�？仗旄鞲鼋锹浜腿嗣巧牡姆椒矫婷�。另一方面，在科学手艺立异驱动下，天基网络的容量快速增大、速率显著提高、效劳一直拓展、本钱显着降低，正在倾覆古板的电信行业看法，引领工业立异和商业模式立异。
三、卫星通讯与5G的融合
1、星地融合通讯的生长历史
从上世纪90年月最先，随着移动卫星通讯的生长，关于卫星与地面移动通讯相互融合的讨论与实验就从未阻止。地面移动通讯系统为用户提供了便捷的效劳，然而在山地、荒原及海上等地区，由于基站架设难题，卫星成为地面的增补和延伸。随着地面移动通讯系统的世代更替，卫星与地面的相互融合也随之一直生长。
早期的MSAT系统接纳地面模拟蜂窝网手艺；Thuraya系统在设计历程中接纳了类似GSM/GPRS体制的GMR标准；低轨卫星星座铱星和GlobalStar的空中接口则是以GSM和IS-95作为蓝本。Imarsat-4卫星系统接纳的IAI-2标准以及ETSI宣布的S-UMTS标准均基于WCDMA框架设计。在海内，从2010年最先，我国启动了一系列基于LTE标准的卫星移动通讯手艺研究，并于2012年5月向国际电联提交了卫星通讯系统LTE标准草案。2016年发射的天通一号卫星在空中接口的设计上也借鉴并部分接纳了3GPP的标准。
值得一提的是美国光平方公司（前身为美国移动卫星危害公司MSV）的SkyTerra系统，其主要思绪是通过布设地面辅助基站（Ancillary Terrestrial Component, ATC）来解决卫星在都会及室内笼罩不佳的问题。卫星与基站复用统一频段，空中接口信号名堂险些相同，终端可以在卫星与地面基站间无缝切换，用户无需使用双模终端即可在全美国规模内使用SkyTerra提供的WiMAX、LTE等4G无线宽带网络。同样接纳地面辅助基站实现星地融合的系统尚有支持4G的同步轨道卫星TerreStar，其地面网络由美国电话电报公司（AT&T）提供，借助18.28米直径的S频段可睁开天线，TerreStar可以直接支持地面网级别的手持机。
近年来快速生长的互联网卫星星座接纳基于统一的IP交流手艺，实现与地面互联网的融合互通。在市场战略上，互联网卫星星座摒弃了铱星（Iridium）系统建设运营初期自力建网、与地面移动通讯相竞争的战略，转而与电信运营商开展相助。用卫星为蜂窝提供回程效劳，解决“最后1公里”的问题，或是将卫星吸收装备做小区“热门”，拓展现有的地面网络，用户可以使用现有的智能手机清静板电脑会见卫星网络。
2、5G时代星地融合的新生长
国际希望情形
随着5G手艺的日益成熟，卫星与5G的融合也引起了许多关注，包括3GPP、ITU在内的标准化组织建设了专门事情组着手研究星地融合的标准化问题，业内的部分企业与研究组织也投入到星地一体化的研究事情当中。
① ITU
针对卫星与地面5G融合的问题，国际电信同盟（ITU，International Telecommunication Union）提出了星地5G融合的4种应用场景，包括中继到站、小区回传、动中通及混淆多播场景，并提出支持这些场景必需思量的要害因素，包括多播支持、智能路由支持、动态缓存治理及自顺应流支持、延时、一致的效劳质量、NFV（Network Function Virtualization，网络功效虚拟化）/SDN（Software Defined Network，软件界说网络）兼容、商业模式的无邪性等。
(a)中继到站场景
(b)小区回传场景
(c)动中通场景
(d)混淆多播场景
图 3 ITU卫星5G融合场景示意图
②3GPP
3GPP从R14最先着手开展星地融合的研究事情。在TS22.261中，对卫星在5G系统中的角色和优势举行了探讨，作为5G多种接入手艺之一，卫星在一些要求广域笼罩的工业应用场景中具有显著优势。卫星网络可以在地面5G笼罩的薄弱地区提供低本钱的笼罩计划，关于5G网络中的M2M/IoT，以及为高速移动载体上的旅客提供无所缺乏的网络效劳，借助卫星优越的广播/多播能力，可以为网络边沿网元及用户终端提供广播/多播信息效劳。
在2017年底宣布的手艺报告22.822中，3GPP事情组SA1对与卫星相关的接入网协议及架构举行了评估，并妄想进一步开展基于5G的接入研究。在这份报告中，界说了在5G中使用卫星接入的三大类用例，划分是一连效劳、泛在效劳和扩展效劳。并讨论了新的及现有效劳的需求，卫星终端特征的建设、设置与维护，以及在卫星网络与地面网络间的切换问题。
在3GPP名为“面向‘非地面网络’中的5G新空口”研究项目中，界说了包括卫星网络在内的非地面网络（NTN:Non-terrestrial networks）的安排场景。凭证3GPP的界说，5G网络中的NTN应用场景包括8个增强型移动宽带（eMBB）场景和2个大规�；道嗤ㄑ叮╩MTC）场景。借助卫星的广域笼罩能力，可以使运营商在地面网络基础设施不蓬勃地区提供5G商用效劳，实现5G营业一连性，尤其是在应急通讯、海事通讯、航空通讯及铁路沿线通讯等场景中施展作用。38.811划定的卫星网络架构可能包括的系统组成包括：
● NTN终端：3GPP 用户终端（UE）和非3GPP UE （卫星终端）
● 用户链路(Service Link)：UE和卫星之间的链路
● 空间平台(Space Platform)：搭载弯管或者具备星上处置惩罚能力的卫星
● 星间链路(ISL: Inter-Satellite Links)：关于具备星上处置惩罚能力卫星间的链路
● 信关站(Gateway)：毗连卫星和地面焦点网的网元
● 馈电链路
图 4 5G网络中非地面网络架构
在非地面网络与地面5G融合的网络架构上，3GPP提出了星地融合的4种网络架构起源模子（图 5）。这份报告还对卫星5G场景中的传输延时、多普勒频移举行了预计，并对在非地面网络中安排5G新空口需要做的顺应性修刷新行了讨论，包括由于卫星等空间航行器的移动性带来的切换和寻呼问题、准时提前的调解、下行链路同步等问题，星地链路长延时对HARQ、MAC/RLC历程、物理层ACM及功率控制等历程的影响，卫星小区尺寸过大给PRACH和随机历程带来的影响以及对随机接入响应新闻中准时提前的影响，多径时延扩展带来的问题，双工模式问题，对CP-OFDM手艺在卫星上的适用性也举行了剖析。
图 5 3GPP非陆地网络架构示意图
③Sat5G
2017年6月，BT、Avanti、SES、University of Surrey等16家企业及研究机构团结建设了SaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）同盟，妄想在30个月内完成卫星与5G的无缝集成计划，并举行试用。整个项目将完成以下6个方面的事情：
1) 界说和评估将星地5G融合的网络系统结构解决计划；
2) 研究星地5G融合的商业价值主张；
3) 界说和开发星地5G融合的相关要害手艺；
4) 在实验室的测试情形中验证要害手艺；
5) 对星地5G融合的特征和用例举行演示；
6) 推进星地5G融合在3GPP和ETSI中的标准化事情。
为了实现卫星通讯与5G的即插即用，Sat5G提出了6大手艺研究支柱，开展重点研究事情，如图 6所示。
图 6 Sat5G事情内容
1）5G SDN与NFV在卫星网络的安排，提供卫星功效组件的虚拟化，以实现卫星和移动网络元素的集成，从而使卫星系统顺应5G情形。
2）融合网络的治理与编排，实现涉及卫星和移动集成网络切片的端到端编排和治理。
3）多链路与异构传输，通过卫星与地面网络间营业流的智能分发提升用户体验质量（QoE）。
4）卫星通讯与5G控制面与用户面的协调，在3GPP的层2及更高协议层中支持卫星通讯，也有可能会涉及到物理层的调解。
5）5G清静在卫星中的扩展，验证5G网络清静特征在卫星网元中的无缝操作。
6）用于优化内容和NFV分发的缓存与多播，在移动网络小区特殊使用卫星通讯实现内容更有用地分发。
凭证最新报道，在斯洛文尼亚卢布里雅那举行的2018欧洲网络与通讯聚会上，包括VT iDirect公司、SES公司在内的5家SaT5G成员现场演示了卫星与3GPP网络架构的融合，该Pre-5G测试平台由软件界说网络（SDN）/网络功效虚拟化（NFV）/移动边沿盘算（MEC）和GEO卫星组成，同时还演示了卫星回程功效及Pre-5G网络中多媒体内容的边沿分发功效。
④ALIX项目
ALIX项目源于欧洲航天局（ESA）的“5G卫星妄想”，其目的是起劲加入3GPP标准化历程，以界说5G卫星组件及其与其他网络的接口。项目妄想从2018年1月最先，一连2年。ALIX项目建设了标准化特殊使命小组（SSIG），共包括38名成员（Airbus, Avanti, ESA, Echostar, Eutelsat, Inmarsat, Intelsat, SES, Thales Alenia Space, Surrey等），其中28个是3GPP成员，包括卫星运营商、效劳和手艺提供商、地面和卫星部分制造商以及国际机构和高校。
项目组已经乐成提交了3项研究/事情项目，将卫星列入3GPP R16的一部分，涉及效劳和系统（SA）和无线接入网络（RAN），划分是：
● SA1 事情项目：卫星一体化的标准化阶段
● SA2 研究项目：卫星5G系统架构
● RAN1/2/3研究项目：支持非地面网络（NTN）的NR解决计划
每个季度，项目希望将在3GPP的全体聚会上举行汇报并在会后加以完善。从3GPP宣布的聚会内容来看，ALIX项目在下一阶段的事情重点包括物理层解决计划、接口架构、协媾和资源控制、通用地面无线接入系统结构和接口协议规范以及效劳和系统方面。
生长趋势
卫星通讯在笼罩、可靠性及无邪性方面的优势能够填补地面移动通讯的缺乏，卫星通讯与地面5G的融合能够为用户提供更为可靠的一致性效劳体验，降低运营商网络安排本钱，连通空、天、地、海多维空间，形成一体化的泛在网络名堂。
从手艺方面来看，卫星与5G的融合架构既有透明弯管转发模式，也有星上接入/处置惩罚模式，两种模式在实现重漂后和应用场景上均不相同，恒久看来，将地面基站的部分或所有功效逐步迁徙到星上是生长趋势，能够有用降低处置惩罚延时、提高用户体验；为了实现地面终端一体化、小型化，卫星与地面5G的空中接口将逐步趋向融合，非正交多址及多载波传输等手艺在卫星通讯中的应用将成为未来一段时间内的研究热门，可是受限于星上功率、处置惩罚能力以及星地链路长延时、大动态等特点，5G新空口在卫星系统中的顺应性刷新及优化是需要解决的主要问题；星地网络全IP化是时势所趋，NFV/SDN等手艺在星地融合中施展突出作用，重点需要解决网络功效的星地支解问题；频率资源仍是制约星地融合的主要瓶颈，随着低轨星座的大面积安排，频率冲突的问题将愈发严重，探索星地频率妄想及频率复用新手艺是实现星地融合需要解决的主要问题。
从市场方面来看，星地网络由竞争走向相助，卫星网络以提供回程效劳、基站拉远等方法成为地面网络的增补。在外洋，相助共赢的星地融合新商业模式正在兴起，在海内，工业割裂的壁垒短期内仍然保存，需要政府、企业配合起劲，捉住机缘，推动卫星5G工业融合快速生长。
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