衛(wèi)星通信與地面5G的融合初探（二）

+ 汪春霆 李 寧 翟立君 盧寧寧

四、星地5G融合的挑戰(zhàn)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面移動通信系統(tǒng)在部署環(huán)境、信道傳播特征等方面存在很多差異，為兩者的融合以及在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中支撐5G服務(wù)能力帶來了許多挑戰(zhàn)，需要在衛(wèi)星與5G融合的系統(tǒng)設(shè)計過程中加以考慮。

表1 GEO與LEO（600km軌道高度）多普勒頻移評估

1、傳輸體制的挑戰(zhàn)

①多普勒頻移

地面移動通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施基本固定，基站與終端的相對位置變化主要由終端的移動性產(chǎn)生；對于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來說，不止終端具有移動特征，衛(wèi)星也沿其軌道處于高速運動狀態(tài)。地球同步軌道衛(wèi)星相對地面基本靜止，由于太陽、月亮等天體帶來的擾動和影響地球引力的非球面分量地球引力，衛(wèi)星也會圍繞其標稱軌道位置小幅度移動；位于中、低軌道的衛(wèi)星相對地球表面高速運動。3GPP對衛(wèi)星與地面終端運動帶來的多普勒頻移及變化率進行了評估，并以半徑10km的地面蜂窩小區(qū)為基準，進行了對比，如表1所示。

可見，對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，特別是非同步軌道衛(wèi)星，多普勒頻移帶來的影響不容忽視。5G在傳輸體制上采用多載波OFDM，其子載波間隔設(shè)計沒有考慮到多普勒頻移的影響，無法滿足衛(wèi)星系統(tǒng)的需要（主要是低軌道衛(wèi)星），尤其是在Ka或Ku等高頻段，多普勒頻移將帶來子載波間的干擾。

②頻率管理與干擾

目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)可用的頻率資源較為有限，包括S頻段的2×15MHz（上下行）和Ka頻段的2×2500MHz（上下行）。為提高系統(tǒng)容量，一般通過多色復(fù)用提高頻率資源的利用率，在系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮消除小區(qū)間干擾。另外，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)之間的干擾、在赤道地區(qū)同步軌道衛(wèi)星與非同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)間的干擾也是制約系統(tǒng)性能的主要因素。

③功率受限

不同于陸地蜂窩網(wǎng)，衛(wèi)星上的功率資源有限，為了能在給定發(fā)射功率條件下最大化吞吐量，功放要工作在鄰近飽和點的狀態(tài)。5G的下行鏈路使用CP-OFDM波形，具有較高的峰均比，在衛(wèi)星的下行鏈路直接使用5G信號波形會降低功放效率，并帶來散熱等問題。因此在保證較高的頻帶利用率的同時降低信號峰均比是5G與衛(wèi)星通信融合信號體制設(shè)計中需要解決的重要問題。

④定時提前

對于非同步軌道衛(wèi)星來說，高速運動導(dǎo)致無線鏈路傳輸延時快速變化，可能需要動態(tài)更新終端的各個定時提前（Time Advance,TA），以確保所有上行鏈路傳輸在gNB接收點處同步。另外，衛(wèi)星鏈路的延遲遠遠超過了5G新空口的TTI，可能需要適當?shù)腡A索引值來解決這一問題。

表2 星地延時特征（信關(guān)站仰角5°，終端仰角10°）

2、接入與資源管理的挑戰(zhàn)

衛(wèi)星飛行在距地面幾百公里到幾萬公里高度的太空中，傳輸延時成為不可忽略的問題，表2對比了包含GEO、LEO和MEO在內(nèi)不同軌道高度衛(wèi)星傳輸?shù)膯蜗蜃畲笱訒r與最大延時差。其中，對于透明轉(zhuǎn)發(fā)模式，單向延時指的是從信關(guān)站到衛(wèi)星再到終端的傳輸總延時；對于星上處理模式，單向延時指的是從衛(wèi)星到終端的傳輸延時。最大延時差指的是一個波束覆蓋區(qū)內(nèi)從最低點到覆蓋區(qū)邊緣位置的延時差值。

從表中可見，在GEO衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星與終端之間的單向傳播延時可以達到240ms，兩者之間收到分組的確認需要1/2秒左右，對于低軌衛(wèi)星，這一延遲也在20ms以上，遠高于地面5G蜂窩網(wǎng)的傳輸延時，長延時對MAC層與RLC層的接入控制、HARQ、ARQ等過程都帶來了挑戰(zhàn)。

①接入控制

為了在移動條件下支持多變的業(yè)務(wù)需求，5G要求接入控制的響應(yīng)時間盡可能小，在衛(wèi)星系統(tǒng)中，接入控制在衛(wèi)星基站或者信關(guān)站實現(xiàn)，高傳輸延時導(dǎo)致接入控制的響應(yīng)時間大幅度增加。因此，為了支持5G與衛(wèi)星的有效融合，需要設(shè)計合理的預(yù)授權(quán)、半持續(xù)調(diào)度和免授權(quán)等接入機制。

②HARQ

HARQ過程對時間有嚴格要求。在衛(wèi)星通信中，往返時間（Round Trip Time, RTT）長度通常超過了HARQ最大定時器長度，受限于終端的內(nèi)存以及可以并行處理的信道數(shù)量，并不能僅僅簡單地將HARQ過程的數(shù)量進行線性擴展以適應(yīng)衛(wèi)星信道。

③MAC及RLC過程

RLC層的ARQ過程需要緩存已經(jīng)發(fā)送的分組，直到收到分組確認或者計時器超時發(fā)起重傳，在衛(wèi)星系統(tǒng)中，需要更大的緩存來應(yīng)對長傳輸延時，并且有可能限制每個傳輸分組所允許重傳的次數(shù)。此外，在MAC層及RLC層的調(diào)度過程中，衛(wèi)星系統(tǒng)的長延時也會影響調(diào)度的及時性，需要對其調(diào)度延遲參數(shù)進行調(diào)整。

3、移動性管理的挑戰(zhàn)

①位置更新過程

在地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，終端駐留在小區(qū)中，該小區(qū)在無線接入網(wǎng)中具有唯一標識，只要終端停留的注冊區(qū)不變，就不需要更新位置。如果出現(xiàn)指向該終端的通信請求，AMF會嘗試在該注冊區(qū)的所有小區(qū)上尋呼UE。而在非同步軌道衛(wèi)星接入網(wǎng)中，隨著衛(wèi)星的移動，終端會隨著時間的推移而駐留在不同的波束和不同的衛(wèi)星上，地面上的小區(qū)和衛(wèi)星波束之間沒有對應(yīng)關(guān)系。因此，在入網(wǎng)初始注冊時，網(wǎng)絡(luò)將無法基于波束和接收到注冊請求的衛(wèi)星向AMF提供跟蹤區(qū)信息，當終端發(fā)生移動時無法順利執(zhí)行位置更新，如果出現(xiàn)指向該終端的通信請求，將無法順利實現(xiàn)尋呼。

②切換過程

由于衛(wèi)星或者終端移動帶來的切換主要有兩種，其一是衛(wèi)星系統(tǒng)內(nèi)的切換，對于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，其相對地面位置快速變化，終端被同一顆衛(wèi)星連續(xù)覆蓋的時間只有十幾分鐘，對于采用多波束的低軌衛(wèi)星，同一波束連續(xù)覆蓋終端的時間只有幾分鐘，因此衛(wèi)星間或波束間切換必須快速執(zhí)行，并防止切換過程中數(shù)據(jù)丟失。

其二是終端在地面5G網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的切換，網(wǎng)絡(luò)間的切換過程需要考慮多方面因素：

· 同時支持星上處理和彎管透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)

· 切換準備與切換失敗處理

· 時間同步

· 測量對象協(xié)調(diào)

· 無損切換的支持

需要注意的是，切換的方向不同，觸發(fā)條件也不一樣，例如，當?shù)孛娣涓C網(wǎng)信號足夠的時候，終端由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換到地面網(wǎng)絡(luò)；但是，只有當蜂窩網(wǎng)信號非常弱的時候，終端才會離開蜂窩網(wǎng)。

圖7 未來與5G融合的的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

五、衛(wèi)星5G融合的初步思路

1、未來衛(wèi)星系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)當前我國空間信息網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃以及國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展趨勢，未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)構(gòu)成如圖7所示。衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用高、低軌衛(wèi)星混合軌道設(shè)計。采用低頻段或者高頻段多波束天線，在地面形成蜂窩狀覆蓋，分別實現(xiàn)中低速和寬帶傳輸服務(wù)功能。覆蓋區(qū)隨著星下點移動而運動，終端用戶在不同蜂窩小區(qū)（波束）間切換。

低軌道衛(wèi)星星座采用激光或微波鏈路構(gòu)建星間鏈路，互聯(lián)構(gòu)成空間網(wǎng)絡(luò)。星座較為適合采用極軌星座設(shè)計，相鄰軌道面衛(wèi)星之間的相對位置關(guān)系較為穩(wěn)定（除了極區(qū)或反向縫），利于星間鏈路的保持，且能夠?qū)崿F(xiàn)高緯度區(qū)域覆蓋。衛(wèi)星采用Ka或者Q/V等頻段實現(xiàn)饋電鏈路業(yè)務(wù)在關(guān)口站落地,關(guān)口站實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)與地面PSTN、PLMN以及互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通。

目前網(wǎng)絡(luò)虛擬化成為5G系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。信關(guān)站可以與地面5G網(wǎng)絡(luò)共用同一個云平臺，從而協(xié)調(diào)彼此之間的服務(wù)提供、頻譜配置、干擾管理、用戶移動性管理等信息，實現(xiàn)地面5G網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)同融合來為終端提供服務(wù)。

2、融合內(nèi)涵和層次

本文將衛(wèi)星通信與地面5G融合的劃分為以下5個層次：

①覆蓋融合：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用于補充覆蓋地面網(wǎng)絡(luò)，兩者仍然是相互獨立的網(wǎng)絡(luò)，提供的業(yè)務(wù)和采用的技術(shù)互不相同；

②業(yè)務(wù)融合：兩者仍然獨立組網(wǎng)，但能夠提供相同或相似的業(yè)務(wù)質(zhì)量，在部分服務(wù)QoS指標上到達一致水平；

圖8 衛(wèi)星5G總體架構(gòu)設(shè)想

③用戶融合：使用同一的用戶身份（碼號）提供服務(wù)，用戶身份唯一、統(tǒng)一計費，網(wǎng)絡(luò)按需選擇利用衛(wèi)星或者地面網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)；

④體制融合：采用相同的架構(gòu)、傳輸和交換技術(shù)，用戶終端、關(guān)口站或者衛(wèi)星載荷可大量采用地面網(wǎng)技術(shù)成果；

⑤系統(tǒng)融合：星地構(gòu)成一個整體，提供用戶無感的一致服務(wù)，采用協(xié)同的資源調(diào)度、一致的服務(wù)質(zhì)量、星地?zé)o縫的漫游。

目前，從需求發(fā)展的角度和3GPP等組織開展的5G NTN工作來看，當前設(shè)計目標至少是實現(xiàn)第4層次的體制融合。5G第二階段標準(R16)將研究面向5G“非地面網(wǎng)絡(luò)”架構(gòu)、需求和接入網(wǎng)RAN開展研究。

3、從衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)構(gòu)成來看，與地面網(wǎng)絡(luò)互通仍然占據(jù)主要份額。

短期內(nèi)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仍然是以透明轉(zhuǎn)發(fā)為主、星上處理為主要工作模式。對于透明轉(zhuǎn)發(fā)器，衛(wèi)星充當射頻信號轉(zhuǎn)發(fā)單元。衛(wèi)星5G的架構(gòu)的研究主要面向星上轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)，具體擬解決以下問題：

①如何實現(xiàn)5G網(wǎng)元功能的合理星地、星間分割，尤其是星上處理業(yè)務(wù)流量處于次要地位情況下。

②如何支持星上不落地的直接交換，如TtT(TerminaltoTerminal)呼叫，以及寬帶網(wǎng)狀用戶專網(wǎng)的構(gòu)建。

圖8給出了一種可能的衛(wèi)星5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)想。對于星上處理業(yè)務(wù)中接入網(wǎng)gNB基站部署在衛(wèi)星上，實現(xiàn)空中接口的處理，然后借助星間網(wǎng)絡(luò)將基于IP承載業(yè)務(wù)和信令傳遞給核心網(wǎng)。核心網(wǎng)部署在由衛(wèi)星星上處理載荷和關(guān)口站處理載荷構(gòu)成的一體化虛擬的“云”設(shè)施上，其各種服務(wù)可以根據(jù)需求部署在衛(wèi)星或者關(guān)口站。星上處理器是非常寶貴的，大部分業(yè)務(wù)的核心網(wǎng)功能應(yīng)該調(diào)度在關(guān)口站，當支持少量TtT業(yè)務(wù)或者空間多跳回傳業(yè)務(wù)時，核心網(wǎng)功能可以部署在星上。

在研究5G功能的星地分割合理問題時，主要研究內(nèi)容集中在以下幾點：

a)研究和仿真長延時、高誤碼、LEO衛(wèi)星運動條件下網(wǎng)元和協(xié)議棧功能在星地之間不同分割方式對主要流程以及系統(tǒng)技術(shù)指標（如業(yè)務(wù)建立延時、呼通率等）的影響，包括位置更新、隨機接入、RRC連接建立、與核心網(wǎng)連接建立、鑒權(quán)和加密、無線承載建立和釋放、尋呼以及切換等；

b)在不同部署方案中，梳理、和評估協(xié)議內(nèi)上述流程涉及的所有定時器或者定時機制受到的影響；

c)在不同部署方案中，梳理、評估所有閉環(huán)調(diào)整機制的性能受到的影響，包括HARQ、定時提前、功率調(diào)整、測量和信道信息反饋等機制。

4、空中接口設(shè)計

①空中接口分層結(jié)構(gòu)

我國的天通1號、國外的Thuraya-3、Inmarsat-4衛(wèi)星均采用與3GPP-R4/R6相同架構(gòu)以及空中接口分層方法，在保留了上層協(xié)議（主要是NAS層）大部分設(shè)計前提下，主要在MAC層以下以及RRC協(xié)議上針對衛(wèi)星特點進行了適應(yīng)性設(shè)計。因此，在空中接口分層結(jié)構(gòu)上，未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面5G可采用相同的設(shè)計方案，如圖9所示。

②雙工模式

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中雙工模式選擇需要考慮幾個因素：

a）衛(wèi)星、波束（小區(qū)）和終端不斷運動造成的定時困難；

b）MIMO在衛(wèi)星中的適用受限，TDD上下行互易性帶來的優(yōu)勢不能發(fā)揮；

c）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要全球范圍內(nèi)的頻率協(xié)調(diào)，并遵循ITU的分配方案，目前可用頻段內(nèi)尚存在可用的對稱頻段資源，如L頻段的1668-1675MHz（地對空）、1518-1525MHz（空對地）。

③波形設(shè)計

信道模型是空中波形接口設(shè)計的主要考慮因素。根據(jù)ITU發(fā)布的“Recommendation ITU-R P.681-10(12/2017)，Propagation data required for the design of Earth-space land mobile telecommunication systems”，衛(wèi)星通信信道可以采用兩狀態(tài)Markov模型描述，每個狀態(tài)又服從Loo模型,模型適應(yīng)性覆蓋0-20Ghz以及城區(qū)、郊區(qū)等多個場景。低頻段傳輸由于終端的設(shè)計最小通信仰角可能較低（如銥星為10度），必須考慮信號多徑傳播效應(yīng)。高頻段由于接收天線存在增益，只能接收有限到達角范圍多徑信號，且最小仰角較高（如OneWeb為55度），可以不考慮多徑效應(yīng)。

目前5G下行采用CP-OFDM波形方案，上行采用基于DFT擴展的OFDM波形方案DFT-SOFDM或者CP-OFDM，對應(yīng)子載波帶寬可選15KHz、30KHZ、60KHz、120Kz、240KHz。在衛(wèi)星系統(tǒng)中，波形設(shè)計除了要考慮對信道特性的適配之外，峰均比PAPR是一個重要的約束。根據(jù)目前的研究，DFT-S-OFDM在峰均比性能上優(yōu)于CP-OFDM，但其在抗多徑、寬帶傳輸性能上不具備優(yōu)勢，這可能導(dǎo)致我們在高低兩個頻段上作出不同的設(shè)計組合。

當前，DVB-S2采用的單載波時分復(fù)用模式SC-TDM用于低軌道星座高頻段的下行也受到一定關(guān)注，主要是其具有更低PAPR。OneWeb星座采用了下行SC-TDM、上行DFTS-OFDM的方案，巧妙融合了DVB和3GPP兩個協(xié)議體系的成果。目前羅德與施瓦茨公司提供了SMW-K130和SMW-K355選件，借助R&SSMW200A信號源可實現(xiàn)OneWeb信號模擬。

④復(fù)用

當采用CP-OFDM、DFT-S-OFDM作為波形后，高低頻仍然能夠參考5G的時、頻、空域資源劃分方式。5G的無線資源是一個三維結(jié)構(gòu)，涉及天線端口、載波、時隙等多種概念的組合，圖10給出了其基本概念的邏輯組織關(guān)系。

在衛(wèi)星系統(tǒng)中，需要為低速話音業(yè)務(wù)（天通1號系統(tǒng)話音速率可低至1.2Kbps）或者物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)設(shè)計資源塊RB，減少每個RB占據(jù)子載波數(shù)和持續(xù)符號數(shù)，從而降低物聯(lián)網(wǎng)終端、話音終端的發(fā)射功率、功放線性度要求，并提升同時接入的連接數(shù)。也可以設(shè)計更小的子載波，如增加7.5KHz配置。如果類似于OneWeb在下行采用SC-TDM，MAC層和物理層需要重新設(shè)計邏輯信道、物理信道和資源建模方式。

在復(fù)用方面還可以考慮非正交多址技術(shù),但考慮到多個終端與衛(wèi)星距離差異不大，功率域方案適用性需要仔細研究。

圖9 空中接口控制面結(jié)構(gòu)

⑤定時問題

對于GEO衛(wèi)星而言，相對運動主要由用戶終端的低速移動造成，由此造成的衛(wèi)星與用戶終端的距離變化率和時延變化率可忽略，定時提前TA值具有一定的穩(wěn)定性。對于LEO衛(wèi)星而言，由于衛(wèi)星相對于終端在不斷運動，導(dǎo)致衛(wèi)星與終端的距離變化率和時延變化率不斷變化。

在LEO剛出現(xiàn)或者剛消失時，對于終端而言，具有最大的距離變化率，即存在最大的時延變化率。LEO衛(wèi)星在剛出現(xiàn)的時刻相對于終端的徑向速度最大，但不大于衛(wèi)星飛行速度。以軌道高度為800km的衛(wèi)星為例，衛(wèi)星飛行速度約為7.5km/s，終端的往返傳輸時延約為22ms，期間由于衛(wèi)星移動造成的最大距離變化值不高于165m，由此引起的時間不確定度不高于0.55us。LEO軌道高度分別為800km和1200km時，最快延時變化率分別約為22us/s和20us/s，且軌道高度越低，距離和延時的變化率越高。

在衛(wèi)星移動通信中，循環(huán)前綴CP的持續(xù)時間須達到最大往返時延差和最大時延擴展之和，這樣就確保了星上基站在觀察間隔內(nèi)能夠接受到衛(wèi)星移動終端發(fā)送的完整序列。衛(wèi)星覆蓋很大，波束中心和波束邊緣用戶的延時差較大。天通1號的波束覆蓋區(qū)的10萬平方公里，如果簡單的以直徑除以光速來設(shè)置CP，則CP長達1.2ms。銥星大概一個波束16萬平方公里，CP需要長達1.51ms。由于5G的一個時隙僅1ms，這顯然是不可行的，此外如前所述這個延時還在不停地變化。由于低軌道衛(wèi)星的軌跡是可預(yù)測的，基于位置進行延時補償是一個可能的思路。

圖10 5G無線資源的多維組織結(jié)構(gòu)

圖11 星地虛擬化架構(gòu)示意圖

5、基于SDN/NFV的網(wǎng)絡(luò)虛擬化部署

通過將與呼叫緊密相關(guān)的核心網(wǎng)就近天基部署在用戶接入衛(wèi)星上，可以達到加快接入的目的。基于歐洲電信標準組織（ETSI）的NFV 架構(gòu)以及國內(nèi)電信廠商的建議，本文設(shè)想了了天地一體化網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)，如圖11所示。實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)虛擬化管理實體主要包括虛擬設(shè)施管理（VIM）、虛擬網(wǎng)元管理（VNFM）和虛擬業(yè)務(wù)編排（VNFO）。

虛擬設(shè)施管理（Virtual Infrastructure Management，VIM）負責(zé)虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施的管理。作為基礎(chǔ)設(shè)施中處理單元CPU、FPGA等硬件資源既能夠設(shè)置于衛(wèi)星上，也可設(shè)置于地面站。虛擬網(wǎng)元管理（Virtual Network Function Management，VNFM）負責(zé)5G虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的生命周期管理及其資源使用情況的監(jiān)控。虛擬任務(wù)編排（Virtual Network Function Organization，VNFO）：VNFO負責(zé)基礎(chǔ)設(shè)施和虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能VNF的管理和編排，進而實現(xiàn)完整的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。