衛(wèi)星通信與5G通信融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

高陽東 黃勇 郝曉強

（航天恒星科技有限公司 北京市 100095）

1 引言

地面通信與衛(wèi)星通信的界限正變得越來越模糊，其原因在于各種通信服務(wù)的興起和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的蔓延。這意味著，對遠程信息傳輸進行良好的管理，并確保優(yōu)質(zhì)的傳輸性能和可靠性比以往任何時候都重要。人們已經(jīng)意識到了遠程信息傳輸方式的區(qū)別，那么，衛(wèi)星通信運營商們就需要不斷開拓新的服務(wù)，并在保證服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，有能力進行彈性的冗余切換。

衛(wèi)星通信技術(shù)作為我國通信技術(shù)研究的一項重要成果，在方方面面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。目前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國際通信、國內(nèi)通信、移動通信和廣播電視等諸多領(lǐng)域，為世界各國提供語音視頻、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确?wù)，儼然已經(jīng)成為世界電信結(jié)構(gòu)中不可或缺的一部分[1]。衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要包括信關(guān)站和各個VSAT 終端站。信關(guān)站主要分為網(wǎng)絡(luò)控制器、網(wǎng)絡(luò)管理器、基帶子系統(tǒng)、射頻子系統(tǒng)；VSAT 終端有調(diào)制解調(diào)模塊、協(xié)議處理模塊等組成。

作為后4G 時代衍生出的智慧型通信系統(tǒng)，5G 移動通信技術(shù)雖然目前還沒有全面推廣應(yīng)用，但是在醫(yī)療、手機等部分領(lǐng)域已經(jīng)開始試點商用，其發(fā)展?fàn)顩r備受社會公眾的關(guān)注[2][3]。5G 技術(shù)比4G技術(shù)的傳輸效率提高100 多倍，其最大傳輸速率可達10GB，另外還能夠在更大范圍內(nèi)靈活地支持各種智能終端設(shè)備，是推動智慧生活建設(shè)的最強動力，能給人民生活提供智慧便捷的服務(wù)[4]。

隨著華為5G 手機的發(fā)布，地面移動通信系統(tǒng)已經(jīng)步入 5G 時代；呈現(xiàn)高中低軌多層立體化的衛(wèi)星通信，從單星系統(tǒng)向多星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化和寬帶高通量發(fā)展，地面5G 和衛(wèi)星通信迎來新的融合契機[2]。因為5G 采用了大量網(wǎng)絡(luò)顛覆性技術(shù)，加快與地面移動網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合步伐。本文將從衛(wèi)星通信與5G 兩者的融合體系、融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等幾個方面進行分析探討，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

2 衛(wèi)星通信與5G移動通信融合

由于地面移動網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)優(yōu)勢，許多人忽視了衛(wèi)星的重要性。但不可否認的是，沒有衛(wèi)星通信，通信網(wǎng)絡(luò)就無法實現(xiàn)絕對的全球化。衛(wèi)星通信仍然是通信行業(yè)的基石，并且將綜合通信網(wǎng)，滿足用戶無處不在的多種業(yè)務(wù)需求，是未來通信發(fā)展的重要方向，隨著LEO 和中地球軌道（MEO）衛(wèi)星的低延遲產(chǎn)品的持續(xù)增長而成為未來5G 基礎(chǔ)架構(gòu)中的關(guān)鍵要素[2]。

具有龐大用戶群體的5G 已經(jīng)到來，它產(chǎn)業(yè)鏈完善，應(yīng)用服務(wù)模式靈活高效。5G 和衛(wèi)星通信的聯(lián)系除了在衛(wèi)星C 波段頻譜資源的爭奪與共享外，國際衛(wèi)星組織或者聯(lián)盟有就衛(wèi)星通信與5G 如何進行融合進行了研究[5]：

（1）Sat5G 聯(lián)盟研究衛(wèi)星與地面5G 融合技術(shù)，主要內(nèi)容是進行融合網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、商業(yè)價值主張、關(guān)鍵技術(shù)驗證等；

（2）3GPP 組織研究衛(wèi)星與地面5G 融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，初步提出4 種融合網(wǎng)絡(luò)模型，用于評估衛(wèi)星通信相關(guān)的接入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)和解決衛(wèi)星與地面間的網(wǎng)絡(luò)切換問題；

（3）ITU 國際電信聯(lián)盟提出包括中繼到站、小區(qū)回傳、動中通以及多播場景的4 種衛(wèi)星5G 融合應(yīng)用場景，并指出包括支持智能動態(tài)路由和緩存管理以及智能Qos、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等多種融合關(guān)鍵因素。

總的來說在將來5G 的兩大場景中eMBB（增強的移動寬帶）會用到衛(wèi)星，因為衛(wèi)星的靈活性好全覆蓋特性是不可忽視的優(yōu)勢，另外衛(wèi)星通信也可以為基站提供回傳功能[1]。天地一體化網(wǎng)絡(luò)，高低軌結(jié)合，低軌星作為節(jié)點,高軌星提供中繼，終端在地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間切換。5G 可能會在協(xié)議，端口，終端等方面與衛(wèi)星進行深入的融合。而在將來大規(guī)模機器通信 (mMTC)上，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的參與更是必不可少。

通過充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，優(yōu)勢互補，衛(wèi)星通信系統(tǒng)與5G 相互融合，共同構(gòu)成全球無縫覆蓋的海、陸、空、天一體化綜合通信網(wǎng)，滿足用戶無處不在的多種業(yè)務(wù)需求，是未來通信發(fā)展的重要方向[2]。

衛(wèi)星通信與 5G 通信的融合層次包括：首先是硬件架構(gòu)層面進行融合，把5G 通信芯片和衛(wèi)星通信的芯片融合在一個終端設(shè)備里；然后是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)融合，進行統(tǒng)一的空中接口和融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計[8]。

衛(wèi)星與5G 的融合的設(shè)計層次包括：設(shè)計一體化星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)互通互聯(lián)；統(tǒng)一協(xié)調(diào)頻率設(shè)計，規(guī)避頻率沖突干擾，提高頻譜資源使用率；通過網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)分離進行星地網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同部署設(shè)計[5]。

衛(wèi)星與5G 融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為松耦合和緊耦合兩種模式。松耦合模式是指衛(wèi)星通信系統(tǒng)與5G 通信系統(tǒng)各自獨立組網(wǎng)模式，利用中繼和地面中心站進行網(wǎng)絡(luò)融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分發(fā)，或者衛(wèi)星通信為5G 基站提供回傳服務(wù)。緊耦合模式是衛(wèi)星系統(tǒng)與地面5G 采用統(tǒng)一的空口接口設(shè)計，衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)協(xié)同服務(wù)，統(tǒng)一管理，統(tǒng)一計費，終端采用融合設(shè)計，一臺終端實現(xiàn)衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)之間無縫切換[6]。

3 衛(wèi)星通信與5G移動通信融合網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

衛(wèi)星通信與5G 地面網(wǎng)絡(luò)融合形成的體系架構(gòu)就是衛(wèi)星網(wǎng)與地面網(wǎng)兩張網(wǎng)彼此配合共同組成天地（天基）一體化信息網(wǎng)絡(luò)，能夠為用戶提供真正的無縫連接服務(wù)。衛(wèi)星與5G 融合網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)包括：接入網(wǎng)，骨干網(wǎng)，核心網(wǎng)。同時通過地面光纖與地面異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系互聯(lián)，如行業(yè)或政府企業(yè)專網(wǎng)、地面互聯(lián)網(wǎng)、固定電話等，以此為天，空，海，陸等天基一體化范圍內(nèi)各類用戶提供可靠安全的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。其中核心網(wǎng)是衛(wèi)星通信與5G 融合網(wǎng)絡(luò)的核心，主要實現(xiàn)整個融合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源調(diào)度與管理控制功能。核心網(wǎng)利用SDN、NFV 實現(xiàn)控制面和數(shù)據(jù)面的分離、軟件硬件解耦，從而實現(xiàn)衛(wèi)星通信與5G 地面系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層面的融合。

衛(wèi)星與5G 融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是基于5G 移動通信系統(tǒng)“三朵云”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[8]。衛(wèi)星通信體制通過靈活的接入云融入網(wǎng)絡(luò)。并將衛(wèi)星信號與衛(wèi)星協(xié)議轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)IP 數(shù)據(jù)傳輸給上層。轉(zhuǎn)發(fā)云實現(xiàn)核心網(wǎng)的功能，通過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)分離。控制云則基于NFV 技術(shù)實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)特有的網(wǎng)絡(luò)切片特征，將衛(wèi)星業(yè)務(wù)網(wǎng)元虛擬化，并增加到網(wǎng)絡(luò)切片中，動態(tài)的構(gòu)建新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來支持衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸、音視頻傳輸、寬帶接入和基站回傳等衛(wèi)星通信場景。上述融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用SDN 和NFV 技術(shù)，實現(xiàn)衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一協(xié)議與管理，通過控制信令和業(yè)務(wù)承載分離，解耦信令和通信制式，使得控制獨立與不同的接入方式，實現(xiàn)衛(wèi)星與地面5G 網(wǎng)絡(luò)的深度融合。

4 衛(wèi)星通信與5G融合網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

因為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座采用IP 交換技術(shù)，衛(wèi)星通信與5G 地面融合網(wǎng)絡(luò)全IP 化是大勢所趨，NFV/SDN 等技術(shù)在星地網(wǎng)絡(luò)融合中將扮演重要角色。當(dāng)前，Hughes、Gilat 等衛(wèi)星通信服務(wù)商正在開展與5G 融合設(shè)計，開發(fā)與5G 虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）的高效接口，并實現(xiàn)完整的網(wǎng)絡(luò)編排，網(wǎng)絡(luò)切片，服務(wù)切片，QoS，加速和安全性，利用SDN /NFV，云，邊緣計算和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，將衛(wèi)星地面部分集成到5G 生態(tài)系統(tǒng)中，實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星傳輸，使得5G 與衛(wèi)星通信在核心網(wǎng)絡(luò)層面完美融合。

4.1 基于SDN/NFV的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)

為了有效應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商、網(wǎng)絡(luò)運營商面臨的各種挑戰(zhàn)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN，SoftwareDefinedNetworingk）應(yīng)運產(chǎn)生。根據(jù)ONF（OpenNetworkingFoundstion）的定義表面，SDN 是動態(tài)的、可管理的、高性價比的和實用性強的技術(shù)。該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了二、三層網(wǎng)絡(luò)的軟件化，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的集中控制。它將網(wǎng)絡(luò)控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和基本的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施解耦分離，使得運營商對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和應(yīng)用服務(wù)是可編排控制的。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV，Network Function Virualization）是采用軟件將網(wǎng)絡(luò)虛擬化的技術(shù)，該技術(shù)實現(xiàn)了4-7 層網(wǎng)絡(luò)的軟件化，目的是為了把網(wǎng)絡(luò)功能與專用的硬件分離，把網(wǎng)絡(luò)功能中專用硬件實現(xiàn)和軟件實現(xiàn)分離，在網(wǎng)絡(luò)資源約束情況下，把多個VNF 和VNF 之間的虛擬鏈路部署到網(wǎng)絡(luò)物理基礎(chǔ)設(shè)施上，構(gòu)成VNF 鏈，降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運維成本和功耗。

SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))與NFV(網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)，利用數(shù)據(jù)分離、軟件化、虛擬化概念，為5G移動通信網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)支撐[7]。SDN 以通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施層(網(wǎng)絡(luò)最底層)、中間層(控制層)、最上層(應(yīng)用層)為主，涵蓋網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)用內(nèi)容，通過控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用平面，集中網(wǎng)絡(luò)控制功能的設(shè)備儀器，具有簡化全網(wǎng)管理程序的功效。NFV 是從網(wǎng)絡(luò)運營商角度出發(fā)的網(wǎng)絡(luò)體系，利用計算機信息技術(shù)平臺來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，并與所對應(yīng)的功能塊相銜接，便于統(tǒng)一調(diào)用相關(guān)虛擬網(wǎng)絡(luò)功能資源。在衛(wèi)星與5G 融合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，整合SDN/NFV 技術(shù)方案，通過數(shù)據(jù)交換、分離、轉(zhuǎn)發(fā)等業(yè)務(wù)流程，重新部署網(wǎng)絡(luò)體系。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展要求基于SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)，集中應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心、云端、家用網(wǎng)路等領(lǐng)域，能夠提升網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用效率，從而為用戶提供更加貼切的體驗服務(wù)。

4.2 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

分片技術(shù)是數(shù)據(jù)庫訪問優(yōu)化引入。為了降低數(shù)據(jù)搜索耗時，提高網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)庫的訪問速度，將數(shù)據(jù)庫進行水平劃分，并將其存放在不同的服務(wù)器上，數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生變化，但其內(nèi)容減小了。總而言之，就是將一個非一常龐大的數(shù)據(jù)庫進行分片管理，每次查詢或者運算等管理都只在特定的分片上進行，最后匯總結(jié)果，將一個復(fù)雜龐大的問題拆分成小問題來解決。分片技術(shù)可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量性能。

一般來說，不同的服務(wù)使用對應(yīng)數(shù)量的專用通信網(wǎng)絡(luò)，每個專用通信網(wǎng)絡(luò)適合于要實現(xiàn)的相應(yīng)服務(wù)。替代使用多個專門設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)的方法，就是網(wǎng)絡(luò)切片(network slicing)，該方法可以使用單個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(如衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò))，基于該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實現(xiàn)多個不同的服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)切片是一種按需組網(wǎng)的方式，可以讓運營商在統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施上分離出多個虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)切片從無線接入網(wǎng)承載網(wǎng)再到核心網(wǎng)上進行邏輯隔離，以適配各種各樣類型的應(yīng)用[9]。在5G 時代的應(yīng)用場景多樣化，移動帶寬，大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)，任務(wù)關(guān)鍵型互聯(lián)網(wǎng)。需要滿足移動性、安全性、時延性、可靠性等不同需求的應(yīng)用場景。通過網(wǎng)絡(luò)切片，將不同特性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)分割成不同的網(wǎng)絡(luò)切片[8]。從地面5G 網(wǎng)絡(luò)來看，衛(wèi)星通信應(yīng)用的場景當(dāng)作5G網(wǎng)絡(luò)中的一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)切片，構(gòu)建衛(wèi)星通信與5G 的深度融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

4.3 邊緣計算技術(shù)

移動邊緣計算（MEC）是一種基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的全新的分布式計算方式，構(gòu)建在RAN 側(cè)的云服務(wù)環(huán)境，通過讓一定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)功能脫離核心網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)成本節(jié)約，降低時延和往返時間，優(yōu)化流量[10]。

利用把網(wǎng)絡(luò)側(cè)的功能和應(yīng)用部署能力移動到就近用戶設(shè)備的無線接入網(wǎng)邊緣，MEC 為應(yīng)用開發(fā)商和內(nèi)容供應(yīng)商提供云計算能力和IT 服務(wù)環(huán)境，能夠靈活部署應(yīng)用，連續(xù)編排網(wǎng)絡(luò)，就近用戶處理業(yè)務(wù)，更好地滿足高回傳帶寬、低時延等應(yīng)用需求。MEC 技術(shù)就是通過整合網(wǎng)絡(luò)資源，統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，集成計算、存儲等多項技術(shù)，實現(xiàn)邊緣智能服務(wù)。

在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，我們會將網(wǎng)絡(luò)資源按照波束劃分。根據(jù)這個劃分，我們可以按照波束區(qū)域進行數(shù)據(jù)資源的分割與匯總。將一個波束內(nèi)的數(shù)據(jù)信息匯聚到一個邏輯節(jié)點上，重新分配相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)處理等，完成流量緩存，壓縮，也可以進行多流合并，從而解決信息擁堵問題并對數(shù)據(jù)傳輸實驗優(yōu)化。

網(wǎng)絡(luò)分片保證不同類型的業(yè)務(wù)有專有的網(wǎng)絡(luò)資源；而邊緣計算可以解決高回傳帶寬、低時延等應(yīng)用需求。具備邊緣計算能力的端到端的切片網(wǎng)絡(luò)能為用戶提供最佳的基于服務(wù)等級協(xié)議的QoS 保障。如何將這兩種技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星通信與5G 融合網(wǎng)絡(luò)中還有更多實現(xiàn)等問題，還需要進一步討論與研究。

5 結(jié)束語

衛(wèi)星通信與5G 移動通信系統(tǒng)的融合，通過更加連續(xù)廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆能力，將為用戶提供更加廣闊的互聯(lián)網(wǎng)、音視頻、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用范圍,提供空天地一體化的綜合通信服務(wù)保障。本文對衛(wèi)星通信與5G 融合的發(fā)展趨勢、融合層面與內(nèi)容方式進行了分析，探討了融合網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)以及融合網(wǎng)絡(luò)部署的關(guān)鍵技術(shù)，為衛(wèi)星通信地面系統(tǒng)和5G 系統(tǒng)融合實現(xiàn),以及天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供一定參考意義。