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【卫星+5G】卫星通讯与地面5G的融合初探（二）
2019-12-25 / 阅读次数：5346
转自 | 卫星与网络
作者 | 汪春霆 李宁 翟立君 卢宁宁
四、星地5G融合的挑战
卫星通讯系统与地面移动通讯系统在安排情形、信道撒播特征等方面保存许多差别 ，为两者的融合以及在卫星网络中支持5G效劳能力带来了许多挑战 ，需要在卫星与5G融合的系统设计历程中加以思量。
1、传输体制的挑战
①多普勒频移
地面移动通讯网络基础设施基本牢靠 ，基站与终端的相对位置转变主要由终端的移动性爆发；关于卫星网络来说 ，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。地球同步轨道卫星相对地面基本静止 ，由于太阳、月亮等天体带来的扰动（例如太阳、月亮）和影响地球引力的非球面分量地球引力 ，卫星也会围绕其标称轨道位置小幅度移动；位于中、低轨道的卫星相对地球外貌高速运动。3GPP对卫星与地面终端运动带来的多普勒频移及转变率举行了评估 ，并以半径10km的地面蜂窝小区为基准 ，举行了比照 ，如表1所示。
表1 GEO与LEO（600km轨道高度）多普勒频移评估
可见 ，关于卫星通讯系统来说 ，特殊是非同步轨道卫星 ，多普勒频移带来的影响禁止忽视。5G在传输体制上接纳多载波OFDM ，其子载波距离设计没有思量大多普勒频移的影响 ，无法知足卫星系统的需要（主要是低轨道卫星） ，尤其是在Ka或Ku等高频段 ，多普勒频移将带来子载波间的滋扰。
②频率治理与滋扰
现在卫星通讯系统可用的频率资源较为有限 ，包括S频段的2×15MHz（上下行）和Ka频段的2×2500MHz（上下行）。为提高系统容量 ，一样平常通过多色复用提高频率资源的使用率 ，在系统设计中需要思量消除小区间滋扰。另外 ，卫星网络与地面网络之间的滋扰、在赤道地区同步轨道卫星与非同步轨道卫星系统间的滋扰也是制约系统性能的主要因素。
③功率受限
差别于陆地蜂窝网 ，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 ，功放要事情在相近饱和点的状态。5G的下行链路使用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信号波形会降低功放效率 ，并带来散热等问题。因此在包管较高的频带使用率的同时降低信号峰均比是5G与卫星通讯融合信号体制设计中需要解决的主要问题。
④准时提前
关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转变 ，可能需要动态更新终端的各个准时提前（Time Advance, TA） ，以确保所有上行链路传输在gNB吸收点处同步。另外 ，卫星链路的延迟远远凌驾了5G新空口的TTI ，可能需要适当的TA索引值来解决这一问题。
2、接入与资源治理的挑战
卫星航行在距地面几百公里到几万公里高度的太空中 ，传输延时成为不可忽略的问题 ，表2比照了包括GEO、LEO和MEO在内差别轨道高度卫星传输的单向最大延时与最大延时差。其中 ，关于透明转发模式 ，单向延时指的是从信关站到卫星再到终端的传输总延时 ，关于星上处置惩罚模式 ，单向延时指的是从卫星到终端的传输延时。最大时延差指的是一个波束笼罩区内从最低点到笼罩区边沿位置的时延差值。
表2星地延时特征（信关站仰角5° ，终端仰角10°）
从表中可见 ，在GEO卫星接入网络中 ，卫星与终端之间的单向撒播延时可以抵达240ms ，两者之间收到分组简直认需要1/2秒左右 ，关于低轨卫星 ，这一延迟也在20ms以上 ，远高于地面5G蜂窝网的传输延时 ，长延时对MAC层与RLC层的接入控制、HARQ、ARQ等历程都带来了挑战。
①接入控制
为了在移动条件下支持多变的营业需求 ，5G要求接入控制的响应时间尽可能小 ，在卫星系统中 ，接入控制在卫星基站或者信关站实现 ，高传输延时导致接入控制的响应时间大幅度增添。因此 ，为了支持5G与卫星的有用融合 ，需要设计合理的预授权、半一连调理和免授权等接入机制。
②HARQ
HARQ历程对时间有严酷要求。在卫星通讯中 ，往返时间（Round Trip Time, RTT）长度通常凌驾了HARQ最大准时器长度 ，受限于终端的内存以及可以并行处置惩罚的信道数目 ，并不可仅仅简朴地将HARQ历程的数目举行线性扩展以顺应卫星信道。
③MAC及RLC历程
RLC层的ARQ历程需要缓存以是已经发送的分组 ，直到收到分组确认或者计时器超时提倡重传 ，在卫星系统中 ，需要更大的缓存来应对长传输延时 ，并且有可能限制每个传输分组所允许重传的次数。别的 ，在MAC层及RLC层的调理历程中 ，卫星系统的长延时也会影响调理的实时性 ，需要对其调理延迟参数举行调解。
3、移动性治理的挑战
①位置更新历程
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识 ，只要终端停留的注册区稳固 ，就不需要更新位置。若是泛起指向该终端的通讯请求 ，AMF会实验在该注册区的所有小区上寻呼UE。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差别的波束和差别的卫星上 ，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吸收到注册请求的卫星向AMF提供跟踪区信息 ，当终端爆发移动时无法顺遂执行位置更新 ，若是泛起指向该终端的通讯请求 ，将无法顺遂实现寻呼。
②切换历程
由于卫星或者终端移动带来的切换主要有两种 ，其一是卫星系统内的切换 ，关于低轨卫星系统 ，其相对地面位置快速转变 ，终端被统一颗卫星一连笼罩的时间只有十几分钟 ，关于接纳多波束的低轨卫星 ，统一波束一连笼罩终端的时间只有几分钟 ，因此卫星间或波束间切换必需快速执行 ，并避免切换历程中数据丧失。
其二是终端在地面5G网络与卫星网络之间的切换 ，网络间的切换历程需要思量多方面因素：
✔ 同时支持星上处置惩罚和弯管透明转发架构
✔ 切换准备与切换失败处置惩罚
✔ 时间同步
✔ 丈量工具协调
✔ 无损切换的支持
需要注重的是 ，切换的偏向差别 ，触发条件也纷歧样 ，例如 ，外地面蜂窝网信号足够的时间 ，终端由卫星网络切换到地面网络；可是 ，只有当蜂窝网信号很是弱的时间 ，终端才会脱离蜂窝网。
五、卫星5G融合的起源思绪
1、未来卫星系统的组成
凭证目今我国空间信息网络妄想以及海内外相关领域生长趋势 ，未来卫星通讯系统组成如下图所示。卫星通讯系统接纳高、低轨卫星混淆轨道设计。接纳低频段或者高频段频段多波束天线 ，在地面形成蜂窝状笼罩 ，划分实现中低速和宽带传输效劳功效。笼罩区随着星下点移动而运动 ，终端用户在差别蜂窝小区（波束）间切换。
低轨道卫星星座接纳激光或微波链路构建星间链路 ，互联组成空间网络。星座较为适合接纳极轨星座设计 ，相邻轨道面卫星之间的相对位置关系较为稳固（除了极区或反向缝） ，利于星间链路的坚持 ，且能够实现高纬度区域笼罩。卫星接纳Ka或者Q/V等频段实现馈电链路营业在关口站落地,关口站实现卫星网与地面PSTN、PLMN以及互联网的互联互通。
现在网络虚拟化成为5G系统的生长趋势。信关站可以与地面5G网络共用统一个云平台 ，从而协调相互之间的效劳提供、频谱设置、滋扰治理、用户移动性治理等信息 ，实现地面5G网络与卫星网络协同融合来为终端提供效劳。
图7 未来与5G融合的的卫星通讯网络组成
2、融合内在和条理
本文将卫星通讯与地面5G融合的划分为以下5个条理：
①笼罩融合：卫星网络用于增补笼罩地面网络 ，两者仍然是相互自力的网络 ，提供的营业和接纳的手艺互不相同；
②营业融合：两者仍然自力组网 ，但能够提供相同或相似的营业质量 ，在部分效劳QoS指标上抵达一致水平；
③用户融合：使用统一的用户身份（码号）提供效劳 ，用户身份唯一、统一计费 ，网络按需选择使用卫星或者地面网络提供效劳；
④体制融合：接纳相同的架构、传输和交流手艺 ，用户终端、关口站或者卫星载荷可大宗接纳地面网手艺效果；
⑤系统融合：星地组成一个整体 ，提供用户无感的一致效劳 ，接纳协同的资源调理、一致的效劳质量、星地无缝的周游。
现在 ，从需求生长的角度和3GPP等组织开展的5G NTN事情来看 ，目今设计目的至少是实现第4条理的体制融合。5G第二阶段标准(R16)将研究面向5G“非地面网络”架构、需求和接入网RAN开展研究。
3、从卫星网络的营业组成来看 ，与地面网络互通仍然占有主要份额。
短期内卫星网络仍然是以透明转发为主、星上处置惩罚为主要事情模式。关于透明转发器 ，卫星充当射频信号转发单位。卫星5G的架构的研究主要面向星上转发营业 ，详细拟解决以下问题：
①怎样实现5G网元功效的合理星地、星间支解 ，尤其是星上处置惩罚营业流量处于次要职位情形下。
②怎样支持星上不落地的直接交流 ，如TtT(TerminaltoTerminal)呼叫 ，以及宽带网状用户专网的构建。
图8 卫星5G总体架构设想
图8给出了一种可能的卫星5G网络架构设想。关于星上处置惩罚营业中接入网gNB基站安排在卫星上 ，实现空中接口的处置惩罚 ，然后借助星间网络将基于IP承载营业和信令转达给焦点网。焦点网安排在由卫星星上处置惩罚载荷和关口站处置惩罚载荷组成的一体化虚拟的“云”设施上 ，其种种效劳可以凭证需求安排在卫星或者关口站。星上处置惩罚器是很是名贵的 ，大部分营业的焦点网功效应该调理在关口站 ，当支持少量TtT营业或者空间多跳回传营业时 ，焦点网功效可以安排在星上。
在研究5G功效的星地支解合理问题时 ，主要研究内容集中在以下几点：
a)研究和仿真长延时、高误码、LEO卫星运动条件下网元和协议栈功效在星地之间差别支解方法对主要流程以及系统手艺指标（如营业建设延时、呼通率等）的影响 ，包括位置更新、随机接入、RRC毗连建设、与焦点网毗连建设、鉴权和加密、无线承载建设和释放、寻呼以及切换等；
b)在差别安排计划中 ，梳理、和评估协议内上述流程涉及的所有准时器或者准时机制受到的影响；
c)在差别安排计划中 ，梳理、评估所有闭环调解机制的性能受到的影响 ，包括HARQ、准时提前、功率调解、丈量和信道信息反响等机制。
4、空中接口设计
①空中接口分层结构
我国的天通1号、外洋的Thuraya-3、Inmarsat-4卫星均接纳与3GPP-R4/R6相同架构以及空中接口分层要领 ，在保存了上层协议（主要是NAS层）大部分设计条件下 ，主要在MAC层以下以及RRC协议上针对卫星特点举行了顺应性设计。因此 ，在空中接口分层结构上 ，可未来卫星网络与地面5G可接纳相同的设计计划。
②双工模式
卫星网络中双工模式选择需要思量几个因素：
a）卫星、波束（小区）和终端一直运动造成的准时难题；
b）MIMO在卫星中的适用受限 ，TDD上下行互易性带来的优势不可施展；
c）卫星网络需要全球规模内的频率协调 ，并遵照ITU的分派计划 ，现在可用频段内尚保存可用的对称频段资源 ，如L频段的1668-1675MHz（地对空）、1518-1525MHz（空对地）。
③波形设计
信道模子是空中波形接口设计的主要思量因素。凭证ITU宣布的“Recommendation ITU-R P.681-10(12/2017) ，Propagation data required for the design of Earth-space land mobile telecommunication systems” ，卫星通讯信道可以接纳两状态Markov模子形貌 ，每个状态又听从Loo模子,模子顺应性笼罩0-20Ghz以及城区、郊区等多个场景。低频段传输由于终端的设计最小通讯仰角可能较低（如铱星为10度） ，必需思量信号多径撒播效应。高频段由吸收天线保存增益 ，只能吸收有限抵达角规模多径信号 ，且最小仰角较高（如OneWeb为55度） ，可以不思量多径效应。
现在5G下行接纳CP-OFDM波形计划 ，上行接纳基于DFT扩展的OFDM波形计划DFT-S-OFDM或者CP-OFDM ，对应子载波带宽可选15KHz、30KHZ、60KHz、120Kz、240KHz。在卫星系统中 ，波形设计除了要思量对信道特征的适配之外 ，峰均比PAPR是一个主要的约束。凭证现在的研究 ，DFT-S-OFDM在峰均比性能上优于CP-OFDM ，但其在抗多径、宽带传输性能上不具备优势 ，这可能导致我们在崎岖两个频段上作出差别的设计组合。
目今 ，DVB-S2接纳的单载波时分复用模式SC-TDM用于低轨道星座高频段的下行也受到一定关注 ，主要是其具有更低PAPR。OneWeb星座接纳了下行SC-TDM、上行DFT-S-OFDM的计划 ，巧妙融合了DVB和3GPP两个协议系统的效果。现在罗德与施瓦茨公司提供了SMW-K130和SMW-K355选件 ，借助R&SSMW200A信号源可实现OneWeb信号模拟。
④复用
当接纳CP-OFDM、DFT-S-OFDM作为波形后 ，崎岖频仍然能够参考5G的时、频、空域资源划分方法。5G的无线资源是一个三维结构 ，涉及天线端口、载波、时隙等多种看法的组合 ，下图给出了其基本看法的逻辑组织关系。
图10 5G无线资源的多维组织结构
在卫星系统中 ，需要为低速话音营业（天通1号系统话音速率可低至1.2Kbps）或者物联网营业设计资源块RB ，镌汰每个RB占有子载波数和一连符号数 ，从而降低物联网终端、话音终端的发射功率、功放线性度要求 ，并提升同时接入的毗连数。也可以设计更小的子载波 ，如增添7.5KHz设置。若是类似于OneWeb在下行接纳SC-TDM ，MAC层和物理层需要重新设计逻辑信道、物理信道和资源建模方法。
在复用方面还可以思量非正交多址手艺,但思量到多个终端与卫星距离差别不大 ，功率域计划适用性需要仔细研究。
⑤准时问题
关于GEO卫星而言 ，相对运动主要由用户终端的低速移动造成 ，由此造成的卫星与用户终端的距离转变率和时延转变率可忽略 ，准时提前TA值具有一定的稳固性。关于LEO卫星而言 ，由于卫星相关于终端在一直运动 ，导致卫星与终端的距离转变率和时延转变率一直转变。
在LEO刚泛起或者刚消逝时 ，关于终端而言 ，具有最大的距离转变率 ，即保存最大的时延转变率。LEO卫星在刚泛起的时刻相关于终端的径向速率最大 ，但不大于卫星航行速率。以轨道高度为800km的卫星为例 ，卫星航行速率约为7.5km/s ，终端的往返传输时延约为22ms ，时代由于卫星移动造成的最大距离转变值不高于165m ，由此引起的时间不确定度不高于0.55 us。LEO轨道高度划分为800km和1200km时 ，最快时延转变率划分约为22 us/s和20 us/s ，且轨道高度越低 ，距离和时延的转变率越高。
在卫星移动通讯中 ，循环前缀CP的一连时间须抵达最大往返时延差和最大时延扩展之和 ，这样就确保了星上基站在视察距离内能够接受到卫星移动终端发送的完整序列。卫星笼罩很大 ，波束中心和波束边沿用户的延时差较大。天通1号的波束笼罩区的10万平方公里 ，若是简朴的以直径除以光速来设置CP ，则CP长达1.2ms。铱星或许一个波束16万平方公里 ，CP需要长达1.51ms。由于5G的一个时隙仅1ms ，这显然是不可行的 ，别的如前所述这个延时还在如前所述一直的转变。由于低轨道卫星的轨迹是可展望的 ，基于位置举行延时赔偿是一个可能的思绪。
5、基于SDN/NFV的网络虚拟化安排
通过将与呼叫细密相关的焦点网就近天基安排在用户接入卫星上 ，可以抵达加速接入的目的�；谂分薜缧疟曜甲橹‥TSI）的NFV 架构以及海内电信厂商的建议 ，本文设想了了天地一体化网络虚拟化架构 ，如下图所示。实现5G网络虚拟化治理治理实体主要包括虚拟设施治理（VIM）、虚拟网元治理（VNFM）和虚拟营业编排（VNFO）。
图11 星地虚拟化架构示意图
虚拟设施治理（VirtualInfrastructureManagement ，VIM）认真虚拟化基础设施的治理。作为基础设施中处置惩罚单位CPU、FPGA等硬件资源既能够设置于卫星上 ，也可设置于地面站。虚拟网元治理（VirtualNetworkFunctionManagement ，VNFM）认真5G虚拟网络功效的生命周期治理及其资源使用情形的监控。虚拟使命编排（VirtualNetworkFunctionOrganization ，VNFO）：VNFO 认真基础设施和虚拟化网络功效VNF 的治理和编排 ，进而实现完整的网络效劳。
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