衛星通信與地面5G融合發展路線探討

鄭重 繆中宇 鄭寒雨 蒲明龍 欒珊 陳特 丁睿 張偉

(中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部 國家航天局衛星通信系統創新中心，北京 100094)

地面移動通信系統以約每10年1代的速度高速發展，技術創新層出不窮，自20世紀80年代第1代移動通信系統(1G)誕生至今，第5代移動通信系統(5G)已成功商用，地面蜂窩網絡的傳輸速率與頻譜效率不斷攀升，人類通信實現了從模擬話音業務到文本與中低速多媒體業務，再到移動互聯網與萬物互聯的飛躍。與此同時，衛星通信也在蓬勃發展，傳統的地球靜止軌道衛星不斷向大容量、高帶寬方向演進，高通量衛星研制成為國際宇航企業新一輪的競爭高地。除此之外，以“一網”、“星鏈”為代表的中低軌互聯網衛星也開始進入商業運營，形成多層立體天基通信網絡[1]。

隨著新興業務的涌現，衛星與地面移動網絡相對獨立的發展態勢已無法滿足未來人們對通信網絡的需求，衛星通信與地面移動網絡的融合成為學術界與產業界的關注熱點。地面移動網絡能夠為人口相對聚集的區域提供強大的接入能力，但在人跡罕至的鄉村、海洋等區域由于地面網絡鋪設難度大，維護成本高，難以提供高效覆蓋[2]。目前，地面移動網絡的人口覆蓋率約為70%，陸地表面覆蓋率約為20%，與全球無縫覆蓋的泛在無線通信網絡相去甚遠。而衛星具有覆蓋范圍廣、覆蓋波束大、組網靈活和通信不受地理環境限制等優點，可在偏遠山區、空中、沙漠、海洋等地區提供有效服務，彌補地面移動網絡因技術或經濟因素造成的覆蓋不足[3]，為個人與行業用戶提供全球無縫、泛在的高速業務體驗[4]。面向個人用戶，融合網絡擴大了地面移動網絡覆蓋范圍，可提供低成本的泛在接入，為用戶提供多樣化的話音和數據業務；面向行業客戶，融合網絡傳輸覆蓋廣、時延抖動小、可靠性高的特性，則能夠為行業客戶提供專網服務，實現大時空尺度下的確定性服務與連續業務接入。此外，地面移動網絡已形成了完備的通信體制協議與復雜的協議棧，保證了其可靠的通信與優質的用戶體驗；而衛星通信在通信體制協議的完備性及有效性方面較地面仍有較大的差距。衛星通信與地面5G的融合，也有助于借助快速發展的地面網絡產業，吸納地面5G先進的技術與設計思想，帶動衛星產業做大做強，推動統一體制協議的發展與統一基帶芯片的設計開發。它們的充分融合、優勢互補，將為未來通信發展帶來新的機遇[5]，開啟我國空間信息網絡建設新紀元。

本文面向衛星與地面5G融合問題，首先介紹了國內外研究現狀，隨后提出承載網融合-核心網融合-接入網融合的融合發展路線，并對各階段融合的內涵、目標、挑戰及關鍵技術進行了探討，最后提出了對我國未來衛星系統謀劃的啟示與建議。

1 國內外研究現狀

目前，國內外已從融合架構、標準體系、演示驗證等方面對衛星通信與地面5G融合的通信技術開展了研究，兩者融合的網絡標準化工作也在穩步推進。國際電信聯盟(ITU)先后提出了ITU-RM.2176-1，ITU-RM.2047-0，ITU-RM.2083，ITU-RM.2460等一系列報告與建議書，制定了衛星無線接口的要求與詳細指標，定義了衛星與下一代地面通信技術結合需要具備的核心能力，并提出了融合網絡中繼到站、小區回傳等4種典型應用場景[6]，如圖1所示。第3代合作計劃(3Gpp)早在第14版本(R14)標準的研究中就明確將衛星接入列為地面5G的多個接入技術之一，并在TS38.811中明確提出了非地面網絡(NTN)[7]。3Gpp在后續的R16研究中相繼分析了衛星對地面5G系統架構的影響及NTN對地面5G物理層的影響[8-9]，并探討了支持衛星接入地面5G網絡的典型應用場景與需求。在當前R17的標準化工作中共有3個NTN項目，分別討論面向彎管衛星通信的地面5G無線空口標準規范、衛星接入對地面5G系統架構的影響及窄帶物聯網(NB-IoT)系統在衛星通信下的標準化影響。

圖1 ITU提出的融合應用場景Fig.1 Integrated scenario proposed by ITU

在工程實踐方面，2019年韓國KT Sat公司成功進行了全球首次通過衛星的地面5G數據傳輸，2020年吉萊特公司利用地面5G蜂窩回程解決方案成功開展了地面5G通信演示，聯發科技股份有限公司與國際海事衛星組織開展了地面5G衛星物聯網數據連接測試，由歐盟支持的SaT5G項目則完成了基于Pre-5G測試平臺的衛星與3Gpp架構的融合，驗證了衛星在提供蜂窩基站回程、向網絡邊緣傳遞內容等方面的優勢[10]。與此同時，國內也正在加大力度進行相關探索，開展了地面5G技術應用于低軌衛星互聯網的空中接口標準技術研究，并在2019年發射了“天象”試驗衛星，在軌驗證了地面5G的軟件定義網絡(SDN)等關鍵技術。2020年，銀河航天公司發射的銀河1號衛星搭載了Q/V高頻段載荷，并對地面5G通信協議進行了傳輸驗證。盡管衛星通信與地面5G融合研究已成為國內外的研究熱點，也已開展工程探索，但目前衛星通信與地面5G融合的內涵與層次仍有待分析與明確，衛星通信場景的特性與地面5G技術難點也有待進一步挖掘。

2 衛星通信與地面5G融合路線

地面5G作為地面最新一代移動通信技術，它與衛星通信融合的一種內涵即是衛星通信借鑒地面5G先進技術，實現衛星通信技術的快速發展與應用，此類技術借鑒并未涉及網絡架構的融合，并不在本文的討論范疇之中。唯有互相融入對方的網絡架構，才能形成面向未來的星地一體化網絡。

當前，衛星通信主要使用星上透明轉發的模式，其網絡架構如圖2所示。

圖2 透明轉發衛星通信網絡架構Fig.2 Network architechture of satellite communicationswith transparent transponder

衛星終端將信息發送給衛星，透明衛星不對信息進行任何處理，僅做頻率搬移，將信息轉發至地面信關站，信關站與衛星網絡運行中心相連，由網絡運行中心執行信息處理與網絡控制，并最終與外部數據網絡進行數據交換。地面5G則是基本繼承了地面移動通信“接入網-承載網-核心網”的網絡架構，如圖3所示。

目前，衛星通信系統一般有自己獨立的網絡架構，通過自身的核心網可以與地面通信網絡互聯互通，可以認為衛星通信與地面網絡并無融合。進入融合階段后，可借鑒地面完整的網絡架構，在不同的網絡層面開展技術與體系架構研究，即承載網融合、核心網融合與接入網融合，最大化繼承現有網絡設計與能力，以最小的代價實現衛星與地面移動網絡的深度融合。為實現空天地一體化通信網絡的終極目標，保證融合系統的穩步推進與平滑過渡，衛星通信與地面移動網絡應經歷由淺入深、分步驟分階段融合，在最頂層按照承載網融合、核心網融合、接入網融合的網絡融合步驟研究，逐步實現更深層次的融合，最終形成資源共享、隨遇接入的一體化網絡。圖4為衛星通信與地面5G/6G融合網絡發展路線。

注：RF為射頻；D/A為數模；PHY為物理層；MAC為媒體接入層；RLC為無線鏈路控制層；PDCP為實時傳輸協議；RRC為無線資源控制；AAU為有源陣列單元；DU為分布單元；CU為中央單元；NSSF為網絡切片選擇功能；NEF為網絡開放功能；NRF為網絡倉儲功能；AUSF為鑒權服務功能；UDM為統一數據管理；PCF為策略控制功能；NF為網絡功能；SBI為基于服務的接口；AMF為接入管理功能；SMF為會話管理功能；UPF為用戶面功能。圖3 5G通信網絡架構Fig.3 Network architechture of 5G

圖4 衛星通信與地面5G/6G融合發展路線Fig.4 Development roadmap of integration of satellite communications and ground 5G/6G

3 融合網絡架構

3.1 承載網融合

承載網融合是一種較為松散的融合方式，技術難度小，松耦合。衛星通信網絡作為承載網，實現5G基站(gNB)的回傳，如圖5所示。5G基站的回傳可以根據需求在地面承載網與衛星承載網間進行切換；而基站與用戶終端仍為地面5G系統的基站與終端，用戶無需改變終端。承載網融合將成為應用范圍最為廣闊的一種融合方式，目前已有部分廠商開展工程應用探索。

圖5 承載網融合Fig.5 Bearer network integration

3.1.1 面臨挑戰

當前5G承載網主要指標要求為：傳輸帶寬方面，4G基站承載網帶寬僅為200 Mbit/s，典型5G低頻單基站的峰值帶寬為5 Gbit/s，高頻單基站的峰值帶寬為15 Gbit/s。時延方面，增強移動寬帶(eMBB)業務要求用戶面和控制面的時延分別低于4.0 ms和10.0 ms；超可靠低延遲通信(uRLLC)業務要求用戶面和控制面的時延分別低于0.5 ms和10.0 ms。5G承載網的高速傳輸和低時延對衛星通信提出了更高的要求，需要通過更高頻段、更窄波束等技術滿足5G承載網的要求。目前，衛星的能力無法滿足城市大流量的5G基站回傳需求，只能通過建立臨時5G基站的回傳鏈路拓展5G網絡覆蓋范圍，在郊區等人煙稀少地區或者在應急條件下為5G基站提供降級回傳服務。

3.1.2 關鍵技術

高通量衛星與低軌衛星系統可以作為支撐衛星與5G承載網融合的關鍵技術，實現5G承載網對大容量、低時延回傳鏈路的需求。

1)高通量衛星系統

對于5G增強寬帶帶來的高速大容量承載網的需求，現有在軌的及正在快速發展的高軌高通量衛星通信系統可較好地滿足。目前，中星16號衛星可形成26個用戶點波束。衛星首次搭載Ka頻段通信載荷，衛星通信總容量達20 Gbit/s，實踐20號衛星則通過Q/V載荷將地面關口站容量從10 Gbit/s提升到40 Gbit/s。為了實現高通量衛星系統，一是要發展多波束天線技術，二是要大力發展毫米波通信技術。其中：星載多波束天線的核心在于波束形成技術，具體分為星上波束形成技術與地基波束形成技術。星上波束形成技術主要利用星上波束形成網絡，通過對每個饋源進行加權處理，形成所需指向的多點波束；地面波束形成技術則是將數字波束形成技術與其他數字處理技術放到地面上，通過地基波束形成設備同時控制上下行波束形成，實現波束大小與覆蓋區域的靈活調整，智能適配流量的時空非均勻分布與動態變化特性。同時，未來通信衛星將向越來越高的頻段發展，高通量衛星將搭載Q/V/W頻段載荷，工作在毫米波頻段。影響高頻段載荷應用的關鍵是接收機、功率放大器等射頻部件，以及天線、饋源等產品設備。為了克服Q/V頻段固有的大氣傳播衰減特性，需要對地面關口站的上行鏈路發射功率進行控制，設計與下行鏈路信號接收條件相適應的調制編碼方案，同時通過空間分集等手段提升整體增益，提高系統的整體吞吐量性能。

2)低軌衛星星座組網技術

低軌衛星通信系統因其軌道位置低、傳輸時延小、能量利用效率高等特點，對承載高可靠、低時延及海量低功耗業務具有天然的優勢。從2014年起，以一網(OneWeb)公司、太空技術探索(SpaceX)公司為代表研制的大規模低軌互聯網星座迅速發展，得到了產業界資本、運營商的廣泛關注，印度衛星技術(Vestaspace Technology)公司設計的星座實現了小于34 ms延遲、速度超過400 Mbit/s的直播高清視頻數據傳輸。低軌衛星星座組網，重點依賴低時延組網技術，其中網絡協議的設計是實現大規模組網的關鍵問題。目前，在天基信息領域的組網協議，主要包括針對深空通信設計的容延遲網絡(DTN)協議，以及面向航天測控通信場景提出的空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)協議。其中：CCSDS為了克服空間通信大時延、低信噪比、強多普勒頻移與高動態等難題，對地面成熟的傳輸控制協議/網際協議(TCP/IP)進行適應性改進，提出了以空間通信協議規范-傳輸協議(SCPS-TP)為核心的關鍵傳輸體制設計，通過簡化連接管理、亂序、重傳機制，以及報文頭部壓縮，以低開銷實現端到端可靠傳輸[5]。但是，低軌衛星星座規模大、拓撲動態性高、星地間相對移動性強及空間節點資源受限等特點，使得現有的組網協議無法滿足未來低軌衛星星座間的低時延組網要求，因此，具備高效的路由與資源管理機制的新型協議仍然是低軌衛星星座低時延組網的瓶頸問題。

3.2 核心網融合

核心網融合是衛星通信與5G融合的第2個階段。它能實現衛星通信終端與地面移動通信終端的統一編址、統一認證、統一計費、統一管理等功能，網絡按需選擇利用衛星或者地面網絡提供服務，而接入網部分仍保留各自的空口體制協議。

與4G核心網不同，5G核心網采用了基于服務的架構(SBA)，傳統的網元功能被拆解為多個網絡功能服務(NFS)，其中最重要的為UPF，AMF，SMF。UPF負責分組數據的監測及路由轉發、用戶面部分的策略執行等。AMF負責非接入層信令處理、接入層安全控制、移動性管理等。SMF負責會話管理、用戶IP地址的分配管理、下行數據到達指示等[11]。當前，衛星網絡主要作為地面移動網絡的補充，提供偏遠山區及沙漠海洋的覆蓋，二者并無融合，如圖6所示。一個透明衛星通常需要地面信關站和網絡運行中心實現地面接入網與核心網的功能，以完成與外部數據網絡的通信。在這樣的架構下，衛星與地面移動網絡無法互通有無，數據傳輸效率低，靈活性弱。

衛星與5G網絡的核心網融合架構如圖7所示，采用SBA，5G核心網成為一個開放的平臺，可基于服務對外提供統一的接口。另外，5G核心網實現了控制面和用戶面的徹底分離。然而，衛星通信系統與地面移動通信系統在部署環境、信道傳播特征等方面存在很多差異，為兩者的核心網融合及在衛星網絡中支撐5G服務能力帶來了許多挑戰，需要在衛星與5G融合的系統設計過程中加以考慮。

注：RRU為射頻拉遠單元；BBU為室內基帶處理單元；AF為應用功能。圖6 當前衛星通信與地面5G互聯互通架構Fig.6 Interconnection architechture of current satellite communications and ground 5G

圖7 核心網融合Fig.7 Core network integration

3.2.1 面臨挑戰

衛星網絡的高動態、空間大時延特性會對核心網的控制面協議和用戶轉發面功能產生影響，在衛星與地面5G融合網絡架構下，將衛星通信基于地面5G核心網進行統一管理，現有的位置更新與切換等過程上無法與衛星網絡的信道環境特性相匹配。

(1)位置更新。在地面蜂窩網絡中，終端駐留在小區中，該小區在無線接入網中具有唯一標志，只要終端停留的注冊區不變，就不需要更新位置。如果出現指向該終端的通信請求，核心網中的接入與AMF會嘗試在該注冊區的所有小區上尋呼用戶設備。而在非同步軌道衛星接入網中，隨著衛星的移動，終端會隨著時間的推移而駐留在不同的波束和不同的衛星上，地面上的小區和衛星波束之間沒有對應關系。因此，在入網初始注冊時，網絡將無法基于波束和接收到注冊請求的衛星向AMF提供跟蹤區信息，當終端發生移動時無法順利執行位置更新，如果出現指向該終端的通信請求，將無法順利實現尋呼。

(2)切換。由于衛星或者終端移動帶來的切換主要有2種。①衛星系統內的切換，對于低軌衛星系統，其相對地面位置快速變化，終端被同一顆衛星連續覆蓋的時間只有十幾分鐘，對于采用多波束的低軌衛星，同一波束連續覆蓋終端的時間只有幾分鐘，因此，衛星間或波束間切換必須快速執行，并防止切換過程中數據丟失。②終端在地面5G網絡與衛星網絡之間的切換，網絡間的切換過程需要考慮多方面因素，包括：同時支持星上處理和彎管透明轉發架構；切換準備與切換失敗處理；時間同步；測量對象協調；無損切換的支持。除此之外，切換的方向不同，觸發條件也不一樣，例如：當地面5G網絡服務質量較好時，終端由衛星網絡切換到地面網絡；但是，只有當蜂窩網信號非常弱的時候，終端才會離開地面移動網絡。波束及衛星切換等移動性管理過程對核心網融合提出了嚴峻挑戰。

3.2.2 關鍵技術

為了實現核心網的統一高效管理，可以增強現有地面5G核心網功能，匹配衛星通信特性；還可以將衛星核心網功能進一步下沉，實現控制與轉發功能的分離，支持融合網絡的高速率傳輸與靈活調度。

1)核心網網元功能適配技術

目前，由于星地網絡不同的通信體制與巨大的通信鏈路差異，地面5G核心網在參數配置及網元功能設置上無法兼容衛星通信網絡，使得二者無法互聯互通。為了打通地面與衛星通信的核心網，使得現有核心網網元能夠適配衛星通信網絡，可沿2條技術路線進行。①增加核心網網元，即在現有核心網中增加專門用于支持衛星及其他制式的通信網絡的非3Gpp互連功能(N3IWF)[12]，衛星移動通信業務通過N3IWF與地面5G核心網的UPF與AMF相連，完成衛星終端與UPF的上下行用戶面數據包與AMF控制信令的轉發，還可負責用戶終端的加密與安全保障[13]。②升級網元功能，即在不改變現有核心網架構的條件下，評估隨機接入、位置更新等物理層過程及衛星與地面網絡功能分割方案對系統技術指標(如業務時延、阻塞率及定時機制)的影響，更新核心網參數設置，使其能夠適配衛星通信網絡。或者，增加現有網元功能，如通過NSSF建立用于衛星接入的功能切片，使得衛星網絡能夠順利接入融合核心網。

2)天基核心網網元技術

地面5G核心網的核心設計目標之一是實現控制平面與用戶面的完全分離，通過部分核心網功能下沉的分布式架構，克服集中式網絡的缺點，大大節省信令開銷與業務時延。在低軌衛星星座中，用戶信息通過星間鏈路轉發至目的節點，但傳統衛星網絡的核心網功能部署在信關站中，衛星接收到的用戶數據需要下傳至信關站以建立用戶業務與UPF的連接，進而獲得轉發策略；接入衛星從信關站處獲得路由信息后才能選擇正確的星間鏈路，將用戶數據轉發至下一跳衛星。衛星與信關站間的交互過程極大地增加了用戶業務的傳輸時延，因此，低軌衛星也可借鑒核心網下沉的思想，將UPF上星，建立天基核心網網元，使得用戶在接入衛星后即可建立UPF連接，獲得必要的轉發策略，避免衛星與信關站的頻繁交互。

3.3 接入網融合

地面5G與衛星通信融合的最終形態是空中接口融合，衛星接入網應支持地面5G終端的無感接入，即在不改變終端空口協議棧的前提下，基于地面空口協議對衛星接入網空口協議進行適應性修改，以適配星地無線環境。最終，星地構成一個整體，為用戶提供無感的一致服務，采用協同的資源調度、一致的服務質量、星地無縫的漫游。在空中接口融合過程中，隨著星載計算存儲能力的提升，接入網的功能逐漸上星，以減小網絡時延；另外，衛星通信與地面移動通信的通信體制協議將逐漸合并統一。

在接入網融合的網絡體系下，根據衛星的功能強弱，其在網絡中可承擔不同的角色。當衛星不具備處理功能時，衛星在網絡中只起到中繼作用；當衛星具備有限的處理能力時，可實現基站DU的部分功能；當衛星具備較強的處理能力時，衛星可實現基站的全部功能。根據衛星功能與角色的不同，可形成不同的網絡架構。

在星上部署透明轉發載荷的場景下，衛星有效載荷在上行和下行方向完成變頻和射頻放大，即衛星只作為一個模擬射頻中繼器，如圖8所示。因此，衛星將5G用戶設備(NR-Uu)空口傳輸內容從饋電鏈路(在NTN網關和衛星之間)轉發到服務鏈路(在衛星和終端之間)，反之亦然。饋電鏈路上的衛星空中接口(SRI)是NR-Uu。換句話說，衛星不終止NR-Uu。信關站(NTN-GW)支持轉發NR-Uu接口信號所需的所有功能，不同的透明衛星可以連接到地面上的同一基站(gNB)上。

圖8 衛星透明轉發示意Fig.8 Transparent transponder using satellite

考慮衛星有效載荷實現基站DU功能的場景，可基于地面5G接入網提出的CU/DU拆分的邏輯架構實現星地融合組網，如圖9所示。此時，衛星和用戶設備之間業務鏈路上的空口為NR-Uu，NTN信關站和衛星之間饋電鏈路上的空口為SRI，SRI傳輸F1協議。此外，衛星有效載荷還支持星間鏈路。NTN信關站應作為一個傳輸網絡層節點，支持所有必要的傳輸協議。不同衛星上的DU可以連接到地面上的同一個CU。如果衛星承載多個DU，同一SRI將傳輸所有相應的F1接口實例。

圖9 星載gNB基站DUFig.9 DU of gNB on satellite

對于星上實現gNB全部處理功能的場景，終端和衛星之間業務鏈路上的空口為NR-Uu，NTN信關站和衛星之間饋電鏈路上的空口為SRI，如圖10所示。衛星有效載荷還可支持星間鏈路(ISL)，ISL可能是無線接口或光接口。NTN信關站應是一個傳輸網絡層節點，支持所有必要的傳輸協議。衛星gNB服務的用戶設備可以通過ISL接入5GCN。不同衛星上的gNB可以連接到地面上的同一個5GCN。如果衛星承載多個gNB的功能，則同一個SRI將傳輸所有相應的核心網接口實例。

圖10 星載gNB基站全部功能Fig.10 All functions of gNB on satellite

3.3.1 面臨挑戰

在接入網的融合過程中，隨著星載計算存儲能力的提升，接入網的功能逐漸上星，以減小網絡時延；此外，衛星通信與地面移動通信的通信體制協議將逐漸合并統一。然而，衛星通信系統與地面移動網絡在部署環境、信道傳播特征等方面存在很多差異，為兩者的接入網融合帶來了許多挑戰，需要在衛星通信與地面5G融合的系統設計過程中加以考慮。衛星通信信道特點和地面通信相比差別很大。地面5G/6G通信系統針對地面無線信道環境設計，難以直接應用于星地鏈路，需要分析星地鏈路和地面無線信道的差異。具體的挑戰如下。

(1)多普勒頻移。地面移動網絡基礎設施基本固定，基站與終端的相對位置變化主要由終端的移動性產生；對于衛星網絡來說，不止終端具有移動特征，衛星也沿其軌道處于高速運動狀態。可見，對于衛星通信系統來說，特別是非同步軌道衛星，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正交頻分復用(OFDM)技術，其子載波間隔設計沒有考慮到多普勒頻移的影響，無法滿足衛星系統的需要(主要是低軌衛星)，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，衛星通信系統可用的頻率資源較為有限，包括S頻段的2×15 MHz(上下行)和Ka頻段的2×2500 MHz(上下行)。為提高系統容量，一般通過多色復用提高頻率資源的利用率，在系統設計中需要考慮消除小區間干擾。另外，衛星網絡與地面網絡之間的干擾、在赤道地區同步軌道衛星與非同步軌道衛星系統間的干擾也是制約系統性能的主要因素。

(3)功率受限。不同于陸地蜂窩網，衛星上的功率資源有限，為了能在給定發射功率條件下最大化吞吐量，功率放大器要工作在鄰近飽和點的狀態。地面5G的下行鏈路使用帶循環前綴的OFDM(CP-OFDM)波形，具有較高的峰均比，在衛星的下行鏈路直接使用5G信號波形會降低功率放大器效率，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，是地面5G與衛星通信融合信號體制設計中需要解決的重要問題。

(4)定時提前。對于非同步軌道衛星來說，高速運動導致無線鏈路傳輸延時快速變化，可能需要動態更新終端的各個定時提前(TA)，以確保所有上行鏈路傳輸在gNB接收點處同步。另外，衛星鏈路的延遲遠遠超過了5G新空口(NR)設的傳輸時間間隔(TTI)，可能需要適當的TA索引值來解決這一問題。

3.3.2 關鍵技術

接入網融合的核心在于統一的空口體制設計，以保證天地網絡間無縫漫游與平滑切換。為了解決接入網融合所帶來的各項挑戰，需要大力發展新型信道編技術及多址技術等，攻克接入網融合難題，實現星地網絡融合的終極形態。

1)低峰均比多載波技術

目前，地面5G的一系列新空口波形優化設計仍基于OFDM方案，無法規避OFDM高峰均比(PAPR)的缺點。然而在上行，衛星通信系統為功率受限系統；在下行，高PAPR信號要求前端采樣器具有較大的采樣范圍和采樣精度，增加衛星成本。為了提升融合網絡的傳輸效率，低峰均比的新型多載波波形技術對提升衛星功率效率至關重要。為實現這一目標，一系列新型低峰均比的多載波波形應運而生，在當前主流的OFDM調制系統的框架下，尋找滿足所期望的波形性能的濾波器形式，并進一步針對系統的帶外干擾，對濾波器的系數進行優化設計，使其取得最佳的濾波器系數。基于離散傅立葉變換的OFDM(DFTS-OFDM)技術是一種基于經典OFDM波形設計的新型波形，能夠有效緩和OFDM方案所帶來的高峰均比，該技術在長期演進技術(LTE)的上行鏈路中取得廣泛應用，是較為成熟的低峰均比波形技術。5G新標準中也新增了基于濾波的正交頻分技術(F-OFDM)，實現了在頻域與時域的資源靈活復用，并把保護間隔降到了最小程度。此外，在CP-OFDMA框架下，通過對成型濾波器進行重新設計，使濾波器函數形狀在頻域滿足產生恒模信號的條件，還可產生具有近似包絡波形的發生信號。

2)低復雜度極化碼信道編碼技術

地面5G的業務特性及能力要求為新空口設計更加高效的新型信道編碼方案，極化碼(Polar碼)因具備優異的性能已被確定為5G的信道編碼方案之一，衛星信道也可借鑒Polar碼技術提升衛星通信的傳輸可靠性。但是，在進行衛星通信系統Polar編碼方案設計時，需要結合星地信道的特點，即：①衛星飛行高度較高，因此星地通信距離較遠，在通信過程中會發生大尺度衰落；②星地通信過程中，信號的傳送會受到來自于天然和人為的各種電磁波的干擾，在電磁干擾下會嚴重影響接收信號的幅度與頻率；③星地通信過程中，衛星星下點軌跡會隨時間變化，而信號傳播過程中地形地貌都會隨之發生變化，因此信道模型的建立應反映信道的實時狀態；④星地通信過程中由于衛星飛行速度快，信號載波頻率高，因此存在較大的多普勒頻移，并且隨著飛行速度的變化，相應的最大多普勒頻移也會發生變化。此外，由于星上處理能力有限，新型極化碼在充分考慮星地信道特點進行編碼方案設計的同時還應具有較低的復雜度，以保證星上應用的可行性。

3)多普勒頻移估計與補償

多普勒效應造成的子載波干擾在低軌衛星星座中是不可忽略的。為了彌補由于低軌衛星快速移動帶來的多普勒頻移，可采用多普勒頻移估計與補償策略。在下行，衛星以預補償的方式發送同步信號，接收端根據收到的同步信號進行頻偏估計，利用參考信號進行細頻偏估計，并進行基于位置的預補償。在上行，衛星終端以預補償方式發送隨機接入導頻信號，衛星基于上行參考信號進一步進行頻率估計與補償[14]。此外，目前主流的衛星通信協議支持星歷信息的廣播傳輸，如數字視頻廣播(DVB)協議將星歷信息攜帶在衛星位置信息表(SPB)中，使得衛星終端能夠通過前向信令信息獲取衛星的運動態勢，更加精確地計算自身與衛星的相對運動，增強頻偏估計的準確度。

4)非正交多址技術(NOMA)

與正交頻分多址接入(OFDMA)相比，NOMA在時間、頻率和空間等物理資源基礎上，引入了功率域、碼域維度，進一步提高了用戶的連接數和信道容量。低軌衛星星座與地面系統在衛星信道環境方面有類似的多徑特點，而且載荷功率受限，從這點上來說，非正交接入更適合低軌衛星。在星地融合空中接口上，功率域方案不易實施，碼域方案是較為可行的實現途徑。碼域的稀疏碼多址接入(SCMA)包含低密度擴頻技術和多維/高維調制技術兩大關鍵技術。SCMA和Polar碼在F-OFDM的基礎上，進一步提升了連接數、可靠性和頻譜效率。目前，針對非正交多址接入的研究還不夠全面深入，由于低軌衛星星座的多譜勒是地面的幾十倍，在低軌衛星上使用更需要考慮衛星的多譜勒影響。由于星上處理能力有限，低復雜度多址算法設計是需要突破的主要技術問題。

3.4 小結

承載網融合、核心網融合與接入網融合的對比分析，如表1所示。

表1 3種融合網絡對比Table 1 Comparison of three integration networks

4 啟示與建議

本文提出了衛星與地面5G的承載網-核心網-接入網漸進發展的融合網絡架構，并梳理出在融合過程中面臨的技術挑戰和關鍵技術，根據各類融合網絡架構形態，提出以下發展建議。

(1)面向承載網應用需求，加快高通量衛星技術攻關。高通量衛星采用多點波束、頻率復用、高波束增益等技術，通過更大的帶寬、更高的頻譜效率提供幾十倍于傳統衛星的通信容量，可提供與地面5G相近的廣播傳輸能力(單信道300 Mbit/s以上)，有望滿足地面5G對承載網的要求。多波束覆蓋是提升空間頻率復用率的關鍵技術，其中，星載多波束天線是核心設備。為實現更高的容量，需要更多、更窄的點波束，這意味著需要更大的星載多波束天線口徑，也會直接導致星上載荷的質量及復雜度成幾何級的增長。因此，需要著力發展超大口徑可展開多波束天線、毫米波通信、高功率載波聚合等技術，攻克技術工程實用性難題，加快高通量衛星通信與地面5G承載網的融合。

(2)面向低軌衛星星座組網發展，進行組網體制創新。低軌衛星通信系統因其軌道位置低、傳輸時延小、能量利用效率高等特點，對承載高可靠、低時延及海量低功耗業務具有天然的優勢。低軌衛星高速移動帶來的星間拓撲高動態性、星間的大傳輸時延及衛星計算能力與功耗的限制等特性，使得地面成熟的組網協議難以為空間組網提供有效支撐，如何保證大規模衛星節點網絡中的高效信息交換是需要解決的難題。為了滿足空間網絡的組網需求，需要發展新型的組網協議，設計新型星間組網體制協議，攻克高動態拓撲下網絡節點的編址、路由與星載資源受限下的交換技術。

(3)基于地面5G核心網架構，開展衛星通信核心網設計。為了實現與地面5G的高效、可靠融合，亟需開展面向衛星5G融合的核心網技術研究。將衛星核心網的控制功能和轉發功能實現分離，轉發功能進一步簡化下沉，將業務存儲和計算能力從網絡中心下移到網絡邊緣，以支持高流量的傳輸要求和靈活均衡的流量負載調度。其中：重點突破融合核心網中的移動性管理難題，開展星地解耦編址、基于星歷信息切換、雙連接軟切換等移動性管理技術，實現終端在星地網絡之間按需自由切換。

(4)面向終端隨遇接入目標，大力推進統一空口體制論證。統一的空口體制設計有助于實現天地網絡間無縫漫游與平滑切換，也有助于減小終端體積并降低終端功耗，為用戶提供高質量的一致化服務體驗。在星地無線通信環境中，存在鏈路損耗大、傳播時延長、頻率資源受限、超大小區半徑、星上與終端功率受限等不同于地面無線傳播環境的特點。地面5G演進空口體制，包括基本波形、同步及參考信號、上行用戶隨機接入，以及用戶數據及控制信息傳輸等，均針對地面無線傳播環境的特點設計，難以直接應用于星地用戶鏈路。因此，需要研究面向大動態環境的同步與廣播信息傳輸，面向大小區半徑的上行用戶隨機接入，面向功率受限環境的波形設計等關鍵技術，推動統一的空口體制論證。

5 結束語

面向衛星通信與地面5G融合的發展需求，本文從發展與前瞻的視角，總結衛星通信與地面5G融合的需求與趨勢，對地面5G通信系統與衛星通信系統的網絡架構開展深入分析，形成了融合發展趨勢，提出了承載網融合、核心網融合、接入網融合的由淺至深的融合發展路線，并在此基礎上就各個融合發展階段的網絡架構進行了設想，分析了融合探索過程中面臨的挑戰與關鍵使能技術，可為未來衛星新系統謀劃提供參考。