衛星通信與5G（下）

鐘 旻

（接上期）

3 衛星與地面5G的融合[1][4][5][9]-[11]

3.1 衛星通信系統組成與網絡架構

典型的衛星通信系統由空間段（衛星星座）、地面段（包括測控站、信關站等）和用戶段（包括固定和移動終端）組成，如圖15所示。

圖15 衛星通信系統的組成

地面段中的衛星操作控制中心負責管理星座系統的運行，它收集來自全球各地的衛星測控站對衛星的遙測、跟蹤數據，通過跟蹤和分析遙測數據管理星座，確保衛星星座正常運行。在一個通信區域內，用戶終端、過頂衛星和網關站一起構成一個星形通信網。網關站完成通信基站的功能，負責通信服務區內用戶終端的通信接入。另外，網關站還承擔星座通信系統與地面通信網絡（如公眾電話交換網、公眾交換數據網、互聯網）等其他網絡的接口功能。

網關站通過衛星到達用戶終端的鏈路稱為前向鏈路（Forward Link）；而用戶終端通過衛星到達網關站的鏈路稱為反向鏈路（Return Link）；網關站與衛星之間的鏈路（雙向）稱為饋電鏈路（FeederLink）；用戶終端與衛星之間的鏈路（雙向）稱為用戶鏈路（User Link）。每個衛星通信系統都有一定的網絡結構，使各用戶設備通過衛星按一定形式進行聯系。

由多個用戶設備構成的通信網絡，可以是星形的也可以是網格形的，如圖16所示。在星形網絡中，外圍各用戶設備僅與基站（網關站）直接發生聯系，各用戶設備之間不能通過衛星直接相互通信（必要時要經基站轉接才能建立聯系）。圖中的用戶設備也可以是中繼節點（RN），通過它與用戶設備連接；網格形網絡中的各用戶設備，也可以是網關站，彼此可以經衛星直接溝通。除星形和網格形網絡之外，也可以是上述兩種網絡的混合形式。

圖16 衛星通信網絡拓撲

利用星形網絡可實現點對點和點對多點連接，點對多點的應用如傳統的衛星廣播電視，又如物聯網中將分散的眾多傳感器采集的信息數據匯總到基站（數據處理控制中心）等；利用網格形網絡可實現同等用戶之間的連接，如公司間的協作聯系、視頻會議等。

圖17是采用透明轉發器衛星和處理轉發器衛星時的網絡架構。在接入方式中，用戶可通過衛星直接接入；另一種方式是通過中繼節點（RN）接入。無論是直接或間接的接入，接口均為新無線（NR）。圖中，NGC是下一代核心網（Next Generation Core Network，NGC），是一個以軟交換為核心的，能夠提供包括語音、數據、視頻和多媒體業務的基于分組技術的綜合開放的網絡架構；gNB是下一代節點B（Next Generation Node B，gNB），也即5G基站，它向用戶設備（UE）提供新無線（NR）用戶平面和控制平面協議和功能節點，并且經由NG接口連接到5G核心網。對于透明轉發衛星系統，gNB放在地面上；對于再生處理衛星系統，gNB放在星上，成為星上處理的一部分。

圖17（a） 5G衛星系統架構-利用透明轉發衛星[1]

圖17（b） 5G衛星系統架構-利用再生處理衛星[1]

5G新無線（New Radio，NR）是為適應5G場景應用（eMBB，mMTC，uRLLC等）的新的空中接口（簡稱“空口”）。對于無線移動通信，是移動的用戶設備與基站之間的邊界，由適當的特征規范來定義，通常用于確保邊界處格式、功能、信號和相互連接的兼容性。具體到5G，包括所使用的頻譜（＜6GHz和＞6GHz）、波形、調制編碼方式、多址接入方式、多天線技術、靈活的雙工方式、可變速率的靈活的幀格式、移動切換、時延控制、信令，以及有關的無線協議等。

與上圖相應的無線接入過程如圖18所示。在利用透明衛星的架構中，用戶與衛星之間的用戶鏈路是傳統的接收-轉發的信道；而衛星與網關站之間的饋電鏈路，則是采用新無線的用戶平面接口，之后通過NG接口到gNB進入5G核心網，再經N6（用戶平面功能與數據網之間的參考點）與公共數據網連接。對于有星間鏈路的再生處理衛星的架構中，gNB是安裝在星上的，用戶設備與衛星之間的用戶鏈路，需要新無線用戶平面接口提供二者的連接。衛星與網關之間的饋電鏈路屬于傳輸鏈路，網關站是傳輸網絡層節點，它支持所有的傳輸協議。

5G中為便于網絡的拓展、更新，給運營商提供更多的靈活性，引入了軟件定義網絡（SDR）和網絡虛擬化（NFV）技術，將承載業務的用戶平面（User Plane，UP）與負責確定業務路由和提供管理的控制平面（Control Plane，CP）分離。相應地NR無線協議棧也分為用戶平面協議棧和控制平面協議棧，前者提供用戶數據傳輸采用的協議簇，后者提供系統的控制信令采用的協議簇。據此，5G衛星網絡也有此二平面。對于利用再生處理衛星的網絡而言，分別如圖19（a）、圖19（b）所示。

圖18（a） 5G衛星網的無線接入過程-利用透明轉發衛星[9]

圖18（b） 5G衛星網的無線接入過程-利用再生處理衛星[9]

圖19（a） 利用再生處理衛星的5G網絡用戶平面的協議棧[9]

圖19（b） 利用再生處理衛星的5G網絡控制平面的協議棧（圖來源[9]）

UPF-用戶平面功能；GTP-U-GTP隧道協議-用戶平面；UDP-用戶數據報協議； IP-互聯網協議；L1、L2-數據鏈路層；N11-接入及移動性管理功能（AMF）與進程管理功能（SMF）之間的參考點。

圖中的網絡功能內涵描述如表3所示。

表3 網絡功能的內涵描述

3.2 衛星與地面5G的融合

在5G網絡構建中，3GPP提出了非地面網絡（Non Ter restial Network，NTN）的概念，定義為：利用空中機載或空間飛行器裝載傳輸節點或基站的網絡，或網絡的一部分，將非地面網絡與地面網絡結合，可構成更為完善的5G網絡。

實際上，從地面到太空，在不同的高度上，可配置相適應的平臺，構成立體空間、多層次網絡，利用“居高臨下”的態勢，實現對地球的無縫覆蓋。如圖20所示，在高端，有GEO、MEO、LEO和VLEO衛星，在20 km-100 km上的臨近空間中，20 km-50 km間可配置高空平臺（HAP）；在數十至數千千米高度上，可有無人機、氣球等低空平臺（LAP）。它們可直接與地面設備鏈接，各層間也可通過空間鏈路連接。

圖20 立體多層次的通信架構（圖來源[1]）

如前所述，GEO衛星具有極廣的覆蓋區，高通量衛星（HTS）可提供寬帶、大容量通信業務，為用戶傳送25 Mb/s-100 Mb/s的服務，雖傳播時延長，但可用于增強型移動寬帶（eMBB）和海量機器類通信（mMTC）場景；對于巨型LEO、VLEO星座，除eMBB、mMTC應用外，還可提供某些低時延高可靠（uRLLC）場景服務。作為示例，圖21給出了應用于eMBB場景的全IP衛星無線接入架構。其中，網關（GW）起著關鍵的作用，一方面GW與5G下一代核心網連接，提供到互聯網和其他無線接入網絡的接口；另一方面GW也是一個衛星地球站，可建立連接到衛星的饋電鏈路。當衛星為再生處理時，星上具有gNB功能；而當衛星為透明轉發時，利用云-無線接入技術，gNB的處理功能云也是虛擬化的，可利用遠地云去完成。

圖21 應用于eMBB場景的衛星無線接入架構 （圖來源[4]）

在衛星無線接入網中，饋電鏈路工作頻率較高，如采用Ka、Q、V頻段時，降水等壞天氣影響嚴重，可能導致通信的中斷，因此，需要設置多個網關來提供一定的冗余度。這些網關應能通過地面基礎設施互聯，使之具備切換功能。圖中的用戶設備，可以是小口徑衛星終端，或是裝有小型天線的手持機，與地面5G終端兼容。

衛星在廣域“動中通”的應用中可發揮獨特的作用。圖22是通過衛星為5G提供“動中通”寬帶業務的示意圖。圖中，地面上的移動終端通過5G基站進入分布5G核心網，再經衛星網關站進入衛星接入網，然后接入中心核心網；而海上和空中及陸上長途班列的移動終端，可直接通過衛星鏈路接入中心5G核心網。

圖22 通過衛星為5G提供“動中通”寬帶業務示意圖（圖來源[5]）

實際上，地面無線、有線（光纖）和衛星可組成綜合的接入網，如圖23所示。

圖23 由地面無線、有線和衛星組成的5G綜合接入網（圖來源[3]）

除用作接入網外，衛星還有潛力可挖，圖24是未來5G網絡融合衛星的一些通信模式。第一種是僅有地面網絡的通信模式；第二種用于直接通信，已如前所述；第三種是門控通信，根據網絡控制器的控制，中心云利用衛星通過邊緣節點，經網關將將信號傳送給用戶；第四種用于回程傳輸，即由邊緣節點將集總的信號傳送到中心云。此外，還可通過衛星進行云管理和編排。

圖24 未來5G網絡融合衛星的一些通信模式（圖來源[5]）

圖25描述了基于SDN/NFV的衛星網絡與地面5G融合的架構。在先前的講座中已介紹，引入SDN 和NFV是5G網絡架構的重大革新，SDN將用戶（數據）平面與控制平面分離，使網絡控制成為直接可編程、具有開放、靈活的特點，簡化了網絡設計和操作；網絡運營商可動態地構造、管理和優化網絡資源，適應5G新應用和發展的需要。NFV通過軟件實現虛擬化的網絡功能，將路由器、交換機等硬件集中到遠處或云中，使網絡架構對于快速和自適應重構是高度靈活的，將SDN與NFV結合將使網絡更為靈活和簡化。

圖25 基于SDN/NFV 的衛星與地面融合的網絡架構（圖來源[4]）

因此，衛星與5G融合也將在采用SDN/NFV的基礎上進行。其中，物理基礎層（用戶平面）由地面接入網和衛星接入網組成，通過物理元素和互聯傳輸網絡連接。邏輯層（網絡虛擬化）由邏輯節點，如用于衛星的邏輯網關和地面無線接入網的邏輯gNB組成。在這一層，控制器支持物理節點的控制平面，NVF管理器協調邏輯層上的虛擬功能；再往上，是一多維編排器（Multi-domain Orchestrator，MdO），編排器是一種自動化的網絡協作平臺，可以高效地管理核心網絡，傳輸網絡及網絡切片，及時更新關于衛星域、地面域的消息，負責編排網絡資源和跨域服務。

還有一種衛星與地面的接口是通過地球站網絡的云連接，如圖26所示[11]?？紤]到衛星特別是低軌星座衛星數量大批出現，為收集和處理其海量數據，用戶將需要建立大量的地球站，配備眾多的服務器、存儲器和路由器等基礎設施，投資將是極為巨大的。為解決此問題，可通過一些運營商（如亞馬遜AWS）已建成的地球站網，利用云接入技術，來獲取所需要的信息資料。AWS由全球12個地球站組成全托管網絡，當客戶從地球站獲得衛星數據，便可在計算云中進行處理，并存儲在Amazon Simple Storage Service （S3）中，供進一步分析處理。據報導，AWS已向客戶提供超過125項功能的服務，包括計算、存儲、數據庫、聯網、分析、機器學習與人工智能、物聯網、移動、安全、混合云、虛擬現實與增強現實、媒體以及應用服務等。

圖26 AWS地球站系統提供云服務

4 結束語

衛星具有廣播式覆蓋的“天然”優勢，是對5G地面網絡不可或缺的補充和擴展，從5G的應用角度看，GEO、MEO和LEO衛星各有長短，按應用場景分層組網，與地面網絡融合，形成無縫覆蓋，前景是誘人的，當然，要變為現實還面臨諸多挑戰，如傳播時延、頻譜資源的共享、干擾的消除、網絡的分工合作等，3GPP已推出了系統的系列化的技術解決方案，當然要將其變為現實，尚需進行大量的工作。

（全文完）