尊龙凯时人生就是搏

　　文 | 翟华（北京跟踪与通讯手艺研究所）

　　小序

　　随着移动互联网的飞速生长和智能终端装备的推广应用，人们对移动通讯的速率提出了更大的要求，第五代移动通讯系统(5G)旨在提供10Gbps～20Gbps的峰值速率以及100Mbps～1Gbps的用户体验速率，知足更为富厚的营业需求
。5G依附其无线通讯效劳容量大、营业多和速率高等特点，可普遍应用于生齿麋集地区，但在人烟希罕或难以铺设地面网络的地区就很难施展其优势
。相比地面移动通讯网络，卫星通讯系统主要具有笼罩规模广、通讯容量大、地形影响小、无邪性高和能顺应多种营业等不可相比的优点，因而可以使用卫星对人烟希罕或难以铺设地面网络的地区举行笼罩，与地面网络形成优异的互补，以此来实现真正的全球笼罩，为全球用户提供无差别的通讯效劳
。

　　事实上，人们对卫星通讯的应用早于地面蜂窝无线通讯的建设
。国际上首个商用的通讯卫星系统是1965年由国际卫星通讯组织(INTEＲSAT)发射运营的晨鸟号(Early Bird)卫星系统，而国际上第一代蜂窝无线通讯系统在上世纪八十年月才最先建设
。近几十年来，国际上投入运营的卫星通讯系统不但有地球静止轨道的海事卫星(Inmarsat)、瑟拉亚(Thuraya)、卫讯(Viasat)等，也有低地球轨道的铱星(Iridium)、全球星(Global-star)、轨道通讯(Orbcom)等
。尤其是自2015年来，国际上涌现出了低轨互联网通讯星座的建设热潮，如OneWeb、Starlink，引发了备受关注的国际热门
。卫星通讯系统与地面无线通讯系统的融合建设，也再次成为国际规模内深入论证的生长偏向
。

　　1  卫星与5G融合的研究现状

　　21世纪初，运营商通过获得组建星地混淆通讯网络的授权，使卫星通讯进入了主流市场，并且为了扩展卫星通讯网络，增添了地面辅助组件(ATC)或地面增补组件(CGC)
。ATC是指一种用于卫星移动通讯的地面辅助基站，卫星和大宗ATC基站组合在一起来实现大区域无缝笼罩，因此可用于解决卫星信号在高楼林立的都会以及室内笼罩性不佳的问题，但其中也牵涉到一些重大问题，例如:卫星和ATC基站频率复用、天地系统的切换和协调控制
。

　　随着5G手艺的日益成熟，5G与卫星的融合引起了海内外的普遍关注，包括国际电信同盟(ITU)和第三代相助同伴妄想(3GPP)等标准化组织均投入了大宗精神开展卫星融合5G系统的相关手艺论证事情
。

　　1) 国际电信同盟在2016年提出了“下一代移动通讯网应知足用户能随时随地会见效劳”的需求，在卫星接入手艺领域开展了ITU-ＲM．［NGAT_SAT］标准的研究，针对星地融合提出了4种典范的应用场景，包括中继宽带传输营业、数据回传及分发营业、宽带移动通讯营业、混淆多媒体营业，如下图所示，并明确了为支持以上应用所具备的要害特征
。别的，ITU也起劲推进关于卫星与5G在频率使用方面的事情，并开展了一系列关于卫星与5G的频谱共用与电磁兼容性剖析
。

图1 ITU给出的星地融合系统4种应用场景

　　2) 第三代相助同伴妄想(3GPP)自2017年的Ｒelease14标准最先论证卫星通讯对地面移动通讯系统带来优势
。在2017年底宣布的手艺报告TＲ22．822中，3GPP事情组SA1界说了一连效劳、泛在效劳和扩展效劳这三大在5G中使用卫星接入的用例，并讨论了新的及现有效劳的需求
。现在，3GPP主要依托名为“非地面网络(NTN)”研究项目，开展卫星通讯在5G中的安排场景、空口设计等研究事情
。

　　3) 2017年6月，欧洲建设了SaT5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)同盟，成员包括BT、SES、Avanti、University of Surrey等欧洲企业及研究机构，旨在为5G提供一种性价比高、即插即用的卫星解决计划，为卫星工业链提供一连增添的市场时机
。2018欧洲网络与通讯聚会在斯洛文尼亚卢布里雅那举行，在聚会上，5家SaT5G成员现场演示了卫星与3GPP网络架构的融合，其中包括VT iDi-rect公司、SES公司
。

图2 Sat5G给出的卫星5G应用场景

　　4) 为了应对5G系统提出的容量增添1000x的目的，在欧盟H2020资助下启动的SANSA(Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas)妄想旨在为未来大容量无线通讯系统提供很好的回程链路解决计划
。SANSA项目提出了低开销的智能天线波束成形手艺、针对星地融合无线网络的动态智能无线资源治理手艺、基于数据库辅助的动态频谱共享手艺等，深入开展研究事情
。

　　2　卫星5G融合的要害手艺

　　由于卫星通讯与地面无线通讯在撒播距离、笼罩规模、功率能力等方面保存区别，实现两者的深度融合面临着一些不可阻止的挑战，以下从系统架构、波束笼罩、空口波形、频谱共享、网络控制等五个方面剖析卫星5G融合的要害手艺
。

　　2.1系统架构

　　在卫星5G融合的系统架构中，思量崎岖轨混淆的卫星星座方面，同时通讯频段的设计也包括低频段(如L、S频段)和高频段(如Ku、Ka频段)，兼顾中低速和宽带传输效劳需求
。卫星笼罩区随着星下点移动而运动，终端用户在差别蜂窝小区间切换
。

　　低轨道卫星星座的星间链路由激光或微波链路组成，并且多颗卫星互联在一起，可组成一个以卫星作为交流节点的空间通讯网络
。星座通常接纳极轨星座举行设计，这是由于相邻轨道面卫星之间有着较为稳固的相对位置关系(除了极区或反向缝)，有利于坚持星间链路并实现高纬度区域笼罩
。别的，卫星的馈电链路营业在关口站落地，关口站实现卫星网与地面PSTN、PLMN以及互联网的互联互通，这些操作都是在Ka或者Q/V等频段实现
。

　　现在关于星地融合网络主要有三种架构
。第一种是星地互补网络
。在这种架构下，5G系统和卫星系总共用网管中心，可是各自的接入网、焦点网坚持自力性
。接入网和部分焦点网功效由卫星信关站提供，蜂窝和卫星中的恣意一种或两种接入模式由终端举行支持
。第二种是星地混淆网络
。在这种架构下，地面系统和卫星系总共用网管中心，同时空口部分也只管统一，坚持各自焦点网和所用频段的自力性
。终端可以支持地面和卫星两种接入模式
。第三种是星地一体网络
。其主要特征是:整个系统的接入点(AP)、频率、接入网、焦点网完全统一妄想和设计
。需要指出的是，星地一体网络是星地融合通讯系统的最高阶段，面临着重大的手艺挑战
。

　　2.2波束笼罩

　　在星地融合移动通讯系统中，通过调解其点波束和无线资源，为热门地区提供凌驾预定容量的话音和数据效劳，这种无邪的功效是通过数字波束成形(DBF)手艺来实现的
。现在卫星通讯的数字波束成形手艺主要有地面DBF、星载DBF和混淆DBF三种形式，其中混淆数字波束成形在性能和重漂后之间有很好的折中并获得了普遍的研究
。当接纳混淆DBF时，地面网络控制中心凭证波束调解需求和响应的战略，盘算出优化后的波束成形矩阵，然后通过馈电链路将波束成形矩阵的参数发送到卫星，通过在星上举行多波束天线的重构，动态调解对地的波束笼罩
。

　　由卫星或者终端移动带来的切换主要有两种:一种是卫星系统内部的切换
。关于低轨卫星而言，其相对地面位置快速转变，使得终端被统一颗卫星一连笼罩的时间只有十几分钟
。因此为了避免切换历程中数据丧失，卫星间或波束间切换必需提前做好准备，并且快速执行
。另一种是终端在地面5G网络与卫星网络之间的切换
。这种切换需要思量支持星上处置惩罚和弯管透明转发架构、时间同步、丈量和信息协调等因素
。当蜂窝网信号很是弱的情形下，终端才会由蜂窝网切换到卫星网络，不然就维持在地面网络的接入
。

　　2.3空口波形

　　正交频分复用(OFDM)仍为5G系统的基本传输体制，但其中的载波间滋扰(ICI)会造成系统性能的严重下降，这是由于正交频分复用手艺自己对频率偏移十分敏感，频偏带来的子载波间的串扰会降低通讯性能
。为了有用对抗剩余频偏对系统性能的影响，可接纳可变子载波带宽的设计计划
。关于频带较窄的L频段来说由于其支持的话音营业的码率低至2．4Kbps，应接纳15KHz或者更窄的子载波设计
。在Ka频段，可以接纳的子载波宽度较大，这是由于用户往往是宽带上网，且最小仰角较大，可有用降低多普勒效应的影响
。

　　另外，5G支持的非正交多址(NOMA)并不要求每个用户独吞资源，用户可以在非正交的资源上同时收发信息，基于多用户团结检测，可以通过信号处置惩罚的手段阻止用户间的相互滋扰
。相对古板的正交接入方法，NOMA手艺的应用可以使得频谱效率提高3倍以上
。现在已有面向地面5G系统的NOMA芯片开发出来，并获得推广应用
。NOMA手艺是使用重漂后换取频谱效率，也意味着会很难适用于长时延的静止轨道(GEO)卫星通讯场景，由于大宗的信令交互用来动态控制用户接入参数
。后续应针对卫星通讯中的NOMA手艺开展手艺研究事情
。

　　2.4频谱共享

　　无论关于卫星通讯照旧地面移动通讯系统，可用频谱的匮乏都已成为亟待解决的问题
。尤其是卫星通讯和地面通讯已在频谱资源方面形成了强烈的竞争态势，如卫星通讯系统使用多年的C频段和Ka频段，已经被ITU授权给了地面5G系统
。两者的频谱竞争态势详细包括:

　　1) Ka频段方面:为了知足用户速率和系统容量快速的增添需求，5G和卫星通讯都希望接纳Ka频段甚至是毫米波频段
。例如:2019年天下无线电通讯大会(WＲC－19)在全球规模内把24．25 GHz－27．5 GHz、37 GHz－43．5 GHz、66 GHz－71 GHz共14．75GHz带宽的频谱标识用于5G和未来国际移动通讯系统;美国FCC已经将27．5GHz－28．35GHz、37 GHz－38．6 GHz频段授权给地面5G使用，而这些频段跟卫星通讯系统使用的频段有一定的交叠
。

　　2) 3GHz－6GHz的C频段:许多国家均提出要将C频段作为5G系统的候选频段，其中就有中国、欧盟、日本、韩国
。但在亚洲地区，中国、越南、马来西亚等国已经在该频段建设了大宗卫星通讯系统，地面5G系统使用C频段的协调难度较大
。

　　通过星地协同妄想实现优化设置可提高频率资源的高效使用
。通过构建星地团结的频谱感知系统，可以实现星地通讯系统之间的频谱共享，提高频谱使用效率
。与地面无线通讯网络相比，认知用户对所处网络情形中所有频谱的检测难度大大增添，这是卫星通讯笼罩规模的广域性引起的，频谱数据库更新迅速、波束形成、频谱感知的准确性与认知区域形貌都是这一手艺的研究重点
。别的，从资源整合的角度来看，统一妄想和设计蜂窝通讯和卫星通讯，以“频谱共享”的方法解决滋扰，因此增进频率资源的共享使用，可以为卫星通讯系统与5G系统的深度融合提供兼容的基础
。

　　2.5网络控制

　　通过SDN和NFV手艺实现了端到端的网络切片是5G系统中网络控制云最大的特征
。SDN和NFV手艺划分实现了网络承载和控制的疏散和焦点网网元的软件化，它们为实现网络切片提供了坚实的基础
。

　　卫星通讯系统与地面5G举行深度融适时，可以将卫星焦点网的控制功效和转发功效举行疏散，进一步使转发功效简化下沉，并且为支持高流量的传输要求和无邪平衡的流量负载调理，可将营业存储和盘算能力从网络中心下移到网络边沿
。

　　为了支持与地面的融合，除了3GPP提供基本效劳功效的9个网络功效，需要在5G卫星焦点网的用户平面上新增添非3GPP互联功效和用户平面功效
。

　　3　卫星5G融合面临的挑战及研究偏向

　　只管卫星5G融合事情已经取得了诸多希望，但要真正实现卫星与5G融合这一优美愿景，还将面临许多的手艺挑战
。在卫星和陆地领域有许多配合的挑战，下面我们列出了其中主要的手艺挑战以及未来的研究偏向
。

　　1) 传输体制的挑战:在星地一体网络传输中，多普勒频移，频率治理与滋扰、功率受限和准时提前是亟需解决的问题
。针对多普勒频移，5G在传输体制上接纳多载波OFDM，其子载波距离设计没有思量大多普勒频移的影响，会带来子载波间的滋扰
。在功率受限方面，包管较高的频带使用率的同时降低信号峰均比
。最后关于准时提前，无线链路传输延时的快速转变可能导致需要动态更新终端的各个准时提前，以确保所有上行链路传输同步
。

　　2) 接入与资源治理的挑战:思量到星地一体网络的长延时对MAC层与ＲLC层的接入控制、HAＲQ、AＲQ等历程都带来了挑战
。在接入控制方面，为了支持5G与卫星的有用融合，需要设计合理的预授权、半一连调理和免授权等接入机制
。关于HAＲQ，其往返时间长度通常凌驾了HAＲQ最大准时器长度，HAＲQ历程对时间有严酷要求
。在MAC层及ＲLC层的调理历程中，卫星系统的长延时也会影响调理的实时性，需要对其调理延迟参数举行调解
。

　　3) 移动性治理的挑战:在星地一体网络中，移动性治理的挑战更为严肃
。按通讯条理可分为网络级切换和链路级切换
。凭证应用场景分为地面小区间切换、卫星和地面小区之间的切换、卫星小区之间的切换、星间切换
。这一问题已有探索，但还需进一步研究
。

　　4　竣事语

　　卫星通讯和地面蜂窝通讯系统履历了近三十年的生长，都取得了绚烂的效果
。但由于其各自固有的局限，难以知足人们日益增添的移动通讯和海量数据互联需求
。近几年来，随着物联网手艺的快速生长，未来的无线通讯系统将面向从“人与人”到“人与物”、“物与物”的转换，实现泛在通讯和万物互联
。通过卫星通讯和地面蜂窝通讯的融合生长，实现优势互补，则将迎来新的生长机缘
。本文从卫星通讯与5G融合的生长现状、要害手艺、面临的挑战等方面举行了先容和探讨，希望为该手艺的生长提供参考和偏向
。