移動互聯(lián)網(wǎng)時代的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)趨勢研究

李若可

（中國衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京 100083）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，5G逐步開始在全球范圍內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè)和商業(yè)推廣。我國作為5G商業(yè)化及部署進(jìn)展最快的國家，一直在關(guān)注衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。2020年4月，國家發(fā)改委明確將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G納入“新基建”的范疇[1]，著眼于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同發(fā)展。6G已經(jīng)開始了論證和研究工作，其總體景愿就是充分利用高中低各個頻段的頻譜資源，實現(xiàn)空天地一體化的無縫全球覆蓋[2]?？梢?，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在5G和6G通信系統(tǒng)中都占據(jù)著重要地位，是地面移動通信網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展的必須要素。

1 標(biāo)準(zhǔn)化組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究進(jìn)展

ITU、3GPP、Sat5G以及ETSI等多家國際標(biāo)準(zhǔn)化組織都開展了衛(wèi)星通信與地面蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的融合研究工作，提出了融合的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1.1 國際電信聯(lián)盟

ITU-R M.2460[3]技術(shù)報告顯示，國際電信聯(lián)盟提出了4種衛(wèi)星與5G融合的用例，包括中繼和遠(yuǎn)端回傳、基站回程、動中通及混合多播，服務(wù)于4種應(yīng)用場景。

ITU形成的ITU-RM一系列報告和建議書為下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)和空間通信網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)業(yè)融合建立了基本規(guī)范，為相關(guān)通信技術(shù)的研究和通信終端的發(fā)展提供了指導(dǎo)。為國際其他標(biāo)準(zhǔn)化組織規(guī)劃研究提供了基本路線。

1.2 3GPP

表1總結(jié)了3GPP提出的融合5G通信和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要規(guī)范和報告。3GPP關(guān)于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)的研究成果主要包含在TR38.811[4]和TR38.821[5]中。

表1 3GPP相關(guān)協(xié)議和報告統(tǒng)計表

1.3 SaT5G項目

SaT5G項目周期30個月，于2017年6月啟動[7]，于2019年12月結(jié)束。16家衛(wèi)星行業(yè)相關(guān)企業(yè)和大學(xué)組成了項目聯(lián)盟成員。成員和類型如表2所示。SaT5G項目的目標(biāo)是在30個月內(nèi)探索出衛(wèi)星通信和5G無縫集成的最佳方案，保證衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠在5G移動通信系統(tǒng)中“即插即用（Plug and Play）”。

表2 SaT5G項目成員

SaT5G的主要工作思路和研究支柱[8]如圖1所示。

圖1 SaT5G主要工作思路和研究支柱

SaT5G的研究成果包括報告、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)化文件和演示驗證。其中部分研究成果已經(jīng)被納入3GPP和ETSI文件（技術(shù)報告和技術(shù)規(guī)范）中，并作為標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)報告發(fā)布。

1.4 ETSI

ETSI下設(shè)的13個技術(shù)委員會中，衛(wèi)星地球站與系統(tǒng)技術(shù)委員會（Satellites Earth Stations System）負(fù)責(zé)指導(dǎo)與衛(wèi)星通信相關(guān)的技術(shù)工作。ETSI的研究成果包含了多份研究報告，其中ETSI/SES/SCN報告已經(jīng)過10余個組織的審查。

綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)化組織從衛(wèi)星通信系統(tǒng)的角度提出了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面移動通信系統(tǒng)的融合架構(gòu)。國際電信聯(lián)盟將衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)作為5G中的一段鏈路，使用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)傳輸蜂窩網(wǎng)業(yè)務(wù)。3GPP提出了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)，將衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)視作地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的拓展和延伸。ETSI的部分研究內(nèi)容被轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)各個層次的通信協(xié)議，在SaT5G搭建的演示網(wǎng)絡(luò)中得到了印證和使用。

2 衛(wèi)星通信運營商網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究與實踐

目前國際主流衛(wèi)星通信運營商（如SES、Intelsat、Inmarsat、Viasat等）都在設(shè)計和構(gòu)建新型衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，思考如何與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合互通。整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)呈現(xiàn)出多軌道星座、多層次網(wǎng)絡(luò)和多信關(guān)站的特點。

2.1 多軌道星座

SES和Intesat設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是多軌道星座的代表。SES[9]設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括高、中軌道衛(wèi)星，整體網(wǎng)絡(luò)通過大范圍接入和轉(zhuǎn)發(fā)的方式，服務(wù)于5G移動通信網(wǎng)絡(luò)提出的增強型移動寬帶（eMBB）、大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）和高可靠低時延通信（uRLLC）三大應(yīng)用場景。在Intelsat提出的衛(wèi)星通信與地面蜂窩移動通信系統(tǒng)融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，包括GEO、MEO、LEO衛(wèi)星以及氣球和飛艇等高空平臺（HAPS）和相關(guān)地面節(jié)點[10]。

目前，基于多軌道星座架構(gòu)的融合網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具備了演示能力。SES作為SaT5G項目成員，與機(jī)構(gòu)和行業(yè)參與者合作，在2019EuCNC會議上展示了衛(wèi)星回傳功能和多媒體內(nèi)容的高效邊緣傳送。

2.2 多層次網(wǎng)絡(luò)

Inmarsat提出的Global Xpress網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備出多層次網(wǎng)絡(luò)的特點，從網(wǎng)絡(luò)層可分為骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)兩部分[11]。骨干網(wǎng)架構(gòu)充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，通過多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）環(huán)網(wǎng)連接全球的衛(wèi)星接入站（SAS）。接入網(wǎng)部分則主要由各類用戶終端通過Inmarsat-5衛(wèi)星實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入。Inmarsat通過對終端和接入站功能模塊的升級改造，使得第四代L頻段網(wǎng)絡(luò)可作為備用網(wǎng)絡(luò)，在Global Xpress出現(xiàn)故障無法正常工作時，實現(xiàn)自動切換。

2.3 多信關(guān)站

Viasat網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是多信關(guān)站特點的代表。Viasat研發(fā)和實現(xiàn)的分布式饋電系統(tǒng)，構(gòu)建了更多的信關(guān)站、使用了更小口徑的信關(guān)站天線。Viasat通過一、二、三代地面饋電系統(tǒng)，逐步實現(xiàn)分布式饋電系統(tǒng)從理論到實際的演進(jìn)。

一代系統(tǒng)建有大型信關(guān)站20座，天線口徑7～9米，可以兼容連接到光纖互聯(lián)骨干網(wǎng)的附加設(shè)備。二代系統(tǒng)建有信關(guān)站45座，天線口徑約為4.5米，所有地面設(shè)備都安裝在兩個小型機(jī)柜中。單個信關(guān)站成本不足一代系統(tǒng)的一半。三代系統(tǒng)目前正在研制中，計劃建設(shè)信關(guān)站200座，天線口徑約2.4米。

3 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)趨勢

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)作為研究熱點，早已引起產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。目前架構(gòu)的發(fā)展趨勢是將移動互聯(lián)網(wǎng)的分組交換技術(shù)優(yōu)勢與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的管理控制手段結(jié)合，形成能夠承載多種業(yè)務(wù)、聯(lián)接異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)集中控制的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)。

3.1 架構(gòu)融合的驅(qū)動力

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相互融合的驅(qū)動力由系統(tǒng)技術(shù)和市場需求共同組成。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋、全連接的特點可彌補自然環(huán)境和物理條件對地面移動互聯(lián)網(wǎng)的限制。可以說，衛(wèi)星技術(shù)是可以經(jīng)濟(jì)地覆蓋全球和全人口的有效技術(shù)。

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)經(jīng)歷了發(fā)展的萌芽期、平穩(wěn)期和高速期。數(shù)據(jù)通信是當(dāng)前衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)重點。2018年，單顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)通信速率已經(jīng)增加至1.2 Tb/s，可以預(yù)計，未來數(shù)據(jù)用量仍然是推動衛(wèi)星通信發(fā)展的重要推動力之一。

地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)需要衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)解決空中、海洋的覆蓋問題，而衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)需要地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的廣闊市場、廣大用戶和技術(shù)儲備。系統(tǒng)需求和市場需求共同驅(qū)動衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)向全球無縫覆蓋、萬物智聯(lián)、統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展。未來的通信網(wǎng)絡(luò)將是融合共生、優(yōu)勢互補的天地一體化網(wǎng)絡(luò)。

3.2 融合的過程

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的相互融合早已開始。早期融合階段，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)借鑒同時期地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)思路和成果，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)元定義和上層協(xié)議基本不變的情況下，根據(jù)衛(wèi)星通信特點設(shè)計專用的物理層波形、MAC協(xié)議。如MSAT系統(tǒng)采用地面模擬蜂窩網(wǎng)技術(shù)；Thuraya系統(tǒng)在設(shè)計過程中采用了類似GSM/GPRS體制的GMR標(biāo)準(zhǔn)；銥星和全球星的空中接口則是以GSM和IS-95作為藍(lán)本。Imarsat-4衛(wèi)星系統(tǒng)采用的IAI-2標(biāo)準(zhǔn)以及ETSI發(fā)布的S-UMTS標(biāo)準(zhǔn)均基于WCDMA框架設(shè)計。在國內(nèi)，從2010年開始，我國啟動了一系列基于LTE標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星移動通信技術(shù)研究，并于2012年5月向國際電聯(lián)提交了衛(wèi)星通信系統(tǒng)LTE標(biāo)準(zhǔn)草案。2016年發(fā)射的天通一號衛(wèi)星在空中接口的設(shè)計上也借鑒并部分采用了3GPP的標(biāo)準(zhǔn)。

2010年以來，快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，促使衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的融合進(jìn)入了基于IP技術(shù)的融合階段。2010年開始建設(shè)的SkyTerra系統(tǒng)基于WCDMA和LTE標(biāo)準(zhǔn)，可與地面3G、4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行IP數(shù)據(jù)包交換。2016年開始建設(shè)的“天通一號”衛(wèi)星通信系統(tǒng)基于與3GPP R6相似的標(biāo)準(zhǔn)，可與3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行IP數(shù)據(jù)包交換。2020年，正在建設(shè)的Starlink和Oneweb低軌互聯(lián)網(wǎng)星座，則使用了5G相關(guān)的通信技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，能夠與5G移動通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行IP數(shù)據(jù)包交換。

3.3 融合架構(gòu)形態(tài)

根據(jù)中國電子科技集團(tuán)[13]-[16]和紫光展銳等行業(yè)相關(guān)企業(yè)對于未來通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計和預(yù)測，可以梳理出以下系統(tǒng)共性。

（1）多層次的空間通信網(wǎng)絡(luò)。融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的空間段，將是結(jié)合GEO、MEO和LEO軌道的多層次衛(wèi)星空間通信網(wǎng)絡(luò)。其中GEO和MEO可以充分發(fā)揮廣覆蓋、容量大的特點，作為通信系統(tǒng)的骨干傳輸線路。LEO衛(wèi)星星座則可以充分發(fā)揮低時延的特點，作為邊緣接入線路。

（2）臨近空間平臺。融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中將包含無人機(jī)、浮空平臺和飛艇等空中通信節(jié)點。節(jié)點位于地球上空20～100 km，用于解決熱點區(qū)域的覆蓋問題，增強特殊地區(qū)的通信容量。

（3）統(tǒng)一的地面基礎(chǔ)設(shè)施。除了已有的地面基站和地面信關(guān)站，將出現(xiàn)更多的無線接入地面基礎(chǔ)設(shè)施。滿足海洋、天空、偏遠(yuǎn)山區(qū)的覆蓋與通信問題。

（4）一體化核心網(wǎng)。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)將連接至統(tǒng)一核心網(wǎng)。核心網(wǎng)能完成不同接入途徑用戶的鑒權(quán)、尋呼、認(rèn)證等功能。從用戶角度來看，只需要一個識別碼即可實現(xiàn)在兩種網(wǎng)絡(luò)中通信。

（5）智能網(wǎng)絡(luò)管理路由系統(tǒng)。智能的路由管理系統(tǒng)，將實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)籌分配。同時監(jiān)管全網(wǎng)的拓?fù)渑c路由狀態(tài)，實現(xiàn)用戶在不同網(wǎng)絡(luò)間的自動無感切換。

（6）廣泛使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)[17][18]、智能化等技術(shù)。未來的天地一體化融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將包含海量的用戶終端以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c流量分布情況將十分復(fù)雜與多變。維護(hù)和管理如此復(fù)雜和巨大的網(wǎng)絡(luò)將是異常困難的工作。因此必須引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，增加網(wǎng)絡(luò)整體的靈活性與智能性，提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性與穩(wěn)定性，充分利用融合網(wǎng)絡(luò)的資源。

4 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展建議

考慮到衛(wèi)星通信系統(tǒng)在未來通信網(wǎng)絡(luò)中的位置與應(yīng)用，對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展與研究提出以下建議：

（1）從天地一體化的頂層角度進(jìn)行設(shè)計。包含衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的整體通信系統(tǒng)，將是國家基礎(chǔ)設(shè)施的重要支撐系統(tǒng)和重要組成部分。具備衛(wèi)星通信系統(tǒng)的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，將對于我國的航天強國、網(wǎng)絡(luò)強國、一帶一路、數(shù)字經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的實施起到重要的支撐和保障作用。因此對于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的構(gòu)建，必須從天地一體化的角度出發(fā)，對整體進(jìn)行全面而完善的設(shè)計。

（2）從兼容共享的角度進(jìn)行技術(shù)路線的選擇。5G對于技術(shù)的升級是全方位的。其中的關(guān)鍵技術(shù)，既包括大規(guī)模MIMO技術(shù)、OFDM技術(shù)等底層無線傳輸技術(shù)，也包括軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）等網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)切片等高層應(yīng)用層技術(shù)中。可以預(yù)計未來的6G通信系統(tǒng)必然會使用性能更加優(yōu)秀的技術(shù)。因此，在選擇衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的技術(shù)路線時，要充分考慮與當(dāng)前地面移動通信系統(tǒng)技術(shù)的兼容性、共享性，為將來兩種通信網(wǎng)絡(luò)的融合打下堅實的基礎(chǔ)。

（3）從應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的角度推動衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展。需求一直是衛(wèi)星通信行業(yè)發(fā)展的驅(qū)動力。隨著需求的變化，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)為支撐中繼、點對點、廣播和直播到戶業(yè)務(wù)的架構(gòu)。未來，市場對于高速率、低時延、大帶寬、萬物智聯(lián)、全球無縫接入的需求，將繼續(xù)起到引領(lǐng)和指導(dǎo)的作用，引領(lǐng)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)朝向市場化和產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展。

5 結(jié)束語

本文從移動通信標(biāo)準(zhǔn)化組織和衛(wèi)星通信運營商的研究進(jìn)展出發(fā)，梳理兩者對于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計的異同?？偨Y(jié)地面移動通信網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)朝融合方向演進(jìn)的趨勢。基于對架構(gòu)融合趨勢的判斷，根據(jù)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的融合過程，總結(jié)了當(dāng)前產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界對于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最終形態(tài)的設(shè)想，總結(jié)提煉出最終可能呈現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形態(tài)共性。最后從天地一體化、技術(shù)路線的選擇和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化的角度給出了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展與研究的建議。