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【卫星+5G】卫星通信与地面5G融合技术初探(一)

发布时间:2019-12-20 | 浏览次数:

转自 | 卫星与网络

作者 | 汪春霆 李宁 翟立君 卢宁宁

摘要:近年来,卫星通信在全球迎来新一轮发展热潮,地面第五代移动通信(5G)也即将进入商用,卫星通信与地面5G的融合成为卫星界和地面界讨论的新热点。本文首先介绍了5G通信系统、卫星通信以及卫星通信与5G融合的发展现状,分析了卫星5G融合的发展趋势;进而给出了卫星5G融合的初步思路,包括体系架构设计、空中接口设计、基于SDN/NFV的网络虚拟化部署以及协议优化等,并对融合可能存在的问题进行了探讨;接下来对卫星5G融合的关键技术进行了梳理;最后,给出了未来卫星与5G相融合的应用场景。


一、概述

相比地面移动通信网络,卫星通信利用高、中、低轨卫星可实现广域甚至全球覆盖,可以为全球用户提供无差别的通信服务。铱星(Iridium)、海事卫星(Inmarsat)、瑟拉亚(Thuraya)等商用移动卫星通信系统为海上、应急及个人移动通信等应用提供了有效的解决方案;O3b、OneWeb、Starlink等中低轨卫星星座将卫星通信服务与互联网业务相融合,为卫星通信产业注入新的活力。同时,未来地面第五代移动通信(5G)将具备完善的产业链、巨大的用户群体、灵活高效的应用服务模式等。卫星通信系统与5G相互融合,取长补短,共同构成全球无缝覆盖的海、陆、空、天一体化综合通信网,满足用户无处不在的多种业务需求,是未来通信发展的重要方向。卫星与5G的融合将充分发挥各自优势,为用户提供更全面优质的服务,主要体现在:

● 在地面5G网络无法覆盖的偏远地区、飞机上或者远洋舰艇上,卫星可以提供经济可靠的网络服务,将网络延伸到地面网络无法到达的地方。

● 卫星可以为物联网设备以及飞机、轮船、火车、汽车等移动载体用户提供连续不间断的网络连接,卫星与5G融合后,可以大幅度增强5G系统在这方面的服务能力。

● 卫星优越的广播/多播能力可以为网络边缘及用户终端提供高效的数据分发服务。

二、发展现状

1、第五代移动通信系统(5G)

2018年6月,随着5G新空口(NR: New Radio)独立组网功能的冻结,5G已经完成第一阶段的全面标准化工作,进入全面产业化阶段,预计2020年实现全面商用。

与前几代移动通信相比,5G的系统性能大幅提高,峰值速率可达10Gbps~20Gbps,用户体验速率可达100Mbps~1Gbps,连接数密度每平方公里可达100万,每平方米流量密度可达10Mbps,能够支持500km/h运动情况下的通信。

从业务能力来说,5G能够满足更为丰富的业务需求。过去几代移动通信主要实现“人与人”之间的通信;而在5G时代,还要实现“人与物”、“物与物”之间的高效通信,最终实现“万物互联”。国际电信联盟(ITU)将增强的移动宽带(eMBB)、高可靠低延迟通信(uRLLC)以及大规模机器通信(mMTC)定义为5G的三大主要应用场景。

5G支持包含毫米波在内的广泛的工作频段,利用大规模多天线(Massive MIMO)、高效的信道编码技术、非正交多址、多载波等关键技术实现更高的频谱效率和系统容量;在5G网络中,核心网的概念进一步弱化,网络功能下沉到网络边缘,从而降低数据平面与控制平面的传输延时,通过软件定义网路(SDN)/网络功能虚拟化(NFV)等技术实现控制转发分离,以及网元功能与物理实体的解耦,实现网络资源的高效管控与分配。

从具体技术发展上看,大规模天线目前在用户水平分散分布与水平+垂直分散分布两个测试场景下,峰值吞吐量达到4Gbps@100MHz。SCMA(华为)、MUSA(中兴)、大唐(PDMA)等非正交多址方案下行吞吐量增益达到86%、上行接入能力提升了3倍。华为测试了Ploar码,比较于目前LTE采用的turbo码,在静止场景下短码性能增益提升0.35-0.48dB、长码性能增益提升0.35-0.6dB,在移动场景下短码性能增益提升约0.34dB、长码增益提升约0.37dB。在高频段通信方面,爱立信在15GHz频段测试中,室外视距/非视距环境平均下行吞吐量分别为7.2Gbps和5.1Gbps。2018年,华为与日本NTT的28GHz外场测试中,信号覆盖距离达到了1.2km,网络下行吞吐率达到4.52Gbps、上行达到了1.55Gbps。

2018年8月,在IMT2020推进组组织的中国5G技术研发试验第三阶段测试中,华为、爱立信等完成了5G 独立组网(Standalone,SA)的C频段测试,这标志着5G商用已具备基础。同期,中兴通信联合中国电信在雄安区实现了首个5G覆盖和全景直播试验,面向白洋淀五水共治、智慧治水应用,展示了5G在未来新型智慧城市和生态治理等领域的应用潜力。在终端方面,华为于2018年2月发布了G商用芯片“Balong 5G01”,同时支持Sub6GHz(低频)和mmWave(高频),支持SA和NSA,可实现2.3Gbps的传输速率。高通推出的X50调制解调器主要面向28GHz,Intel推出的XMM 8060 则主要面向Sub6GHz。

2、卫星通信发展现状

截止2017年底,全球在轨通信卫星数量805颗,占在轨卫星总数的45%。

典型地球同步轨道卫星移动通信系统有Inmarsat、Thuraya、TerreStar、SkyTerra等系统。已经发展到第五代的国际海事卫星(Inmarsat)系统采用Ka频段,实现了从移动通信向大容量、高带宽方向的发展,对于60cm口径地面终端可提供50Mbps接收、5Mbps发送。美国卫讯公司的Viasat是典型的宽带卫星通信系统,其Viasat-1容量140Gbps,ViaSat-2卫星容量达到300Gbps。

典型的低轨通信卫星星座,如铱星系统(Iridium),1987年由美国摩托罗拉公司提出,1998年完成由72颗低轨通信卫星组网的第一代系统建设,主要为手持移动电话用户提供全球个人通信服务,目前正在部署的下一代系统(Iridium Next),提供通信、气候变化监视、多光谱对地成像等综合业务。

近年来,互联网卫星星座的发展突飞猛进,典型的代表系统包括O3b、一网系统(OneWeb)和SpaceX计划打造的Starlink互联网星座。其主要特征包括:多采用中、低轨道,相比同步轨道卫星可以大幅度降低往返传输延时,使卫星传输的体验可以与地面光纤相媲美;采用几十甚至几百颗小卫星星座组网实现大范围覆盖,通过模块化设计大幅度降低卫星生产成本,从而降低通信资费,为用户提供平价的通信服务;多采用Ka或Ku频段,系统容量大幅度提高,例如O3b的单波束可以提供1.6Gbps的传输速率,每颗星70个波束,OneWeb单星容量5-8Gbps,系统总容量超过7Tbps,可以为0.36 m口径天线的终端提供50 Mbit/s的互联网接入服务。可以为传统互联网架设成本过于昂贵的地区提供高速宽带互联网接入服务。

我国卫星通信系统经过几十年独立自主发展,已形成一定建设规模。目前正在发展以固定业务为主的高通量卫星通信系统和以移动业务为主的卫星移动通信系统,低轨通信卫星也进入试验阶段,发展历程如图1所示。


图 1我国卫星通信系统发展历程

民用卫星通信领域,主要建设发展中星、亚太系列通信广播卫星系统,通信业务基本实现亚洲、欧洲、非洲、太平洋等区域覆盖,在全球卫星空间段运营服务商排名第六位。目前,在轨运行C、Ku、Ka频段的民用通信卫星共15颗。我国高通量宽带卫星发展刚刚起步,整体技术水平、系统容量和服务能力与国外先进卫星系统尚有差距,2017年发射的首颗高通量Ka宽带卫星“中星16号”,容量达到20Gbps。2016年我国发射的“天通一号”01星是我国自主建设的首颗移动通信卫星,采用透明转发器,窄带单载波传输体制,常规模式业务支持最低1.2Kbps电路域话音、最高分组域384Kbps的数据业务。


图 2天通1号卫星移动通信系统

低轨通信卫星系统方面,我国正在规划的系统主要包括国家科技创新-2030重大项目“天地一体化信息网络低轨接入网”,航天科技集团的“鸿雁工程”、航天科工集团的“虹云工程”等。天地一体化信息网络重大项目低轨接入网轨道高度800~1100km,提供全球无缝覆盖的移动、宽带通信服务,支持航空/航海监视、频谱监视、导航增强以及广域物联网服务等。鸿雁星座轨道高度1100公里,由324颗卫星组成,支持移动通信、宽带互联网接入、物联网接入、热点信息推送、导航增强、航空航海监视六大应用;虹云工程轨道高度1040公里,由156颗星组成,支持互联网、物联网应用。

从卫星通信的发展历程来看,目前分立的卫星通信系统逐步向着天地异构网络互联互通、天地一体的方向发展。一方面,需求和市场牵引天基网络走向泛在,天基、地面网络优势结合互补,各类应用渗透到陆海空天各个角落和人们生活的方方面面。另一方面,在科学技术创新驱动下,天基网络的容量快速增大、速率显著提高、服务不断拓展、成本明显降低,正在颠覆传统的电信行业概念,引领产业创新和商业模式创新。

三、卫星通信与5G的融合

1、星地融合通信的发展历史

从上世纪90年代开始,随着移动卫星通信的发展,关于卫星与地面移动通信相互融合的讨论与尝试就从未停止。地面移动通信系统为用户提供了便捷的服务,然而在山地、荒漠及海上等地区,由于基站架设困难,卫星成为地面的补充和延伸。随着地面移动通信系统的世代更替,卫星与地面的相互融合也随之不断发展。

早期的MSAT系统采用地面模拟蜂窝网技术;Thuraya系统在设计过程中采用了类似GSM/GPRS体制的GMR标准;低轨卫星星座铱星和GlobalStar的空中接口则是以GSM和IS-95作为蓝本。Imarsat-4卫星系统采用的IAI-2标准以及ETSI发布的S-UMTS标准均基于WCDMA框架设计。在国内,从2010年开始,我国启动了一系列基于LTE标准的卫星移动通信技术研究,并于2012年5月向国际电联提交了卫星通信系统LTE标准草案。2016年发射的天通一号卫星在空中接口的设计上也借鉴并部分采用了3GPP的标准。

值得一提的是美国光平方公司(前身为美国移动卫星风险公司MSV)的SkyTerra系统,其主要思路是通过布设地面辅助基站(Ancillary Terrestrial Component, ATC)来解决卫星在城市及室内覆盖不佳的问题。卫星与基站复用同一频段,空中接口信号格式几乎相同,终端可以在卫星与地面基站间无缝切换,用户无需使用双模终端即可在全美国范围内使用SkyTerra提供的WiMAX、LTE等4G无线宽带网络。同样采用地面辅助基站实现星地融合的系统还有支持4G的同步轨道卫星TerreStar,其地面网络由美国电话电报公司(AT&T)提供,借助18.28米直径的S频段可展开天线,TerreStar可以直接支持地面网级别的手持机。

近年来快速发展的互联网卫星星座采用基于统一的IP交换技术,实现与地面互联网的融合互通。在市场策略上,互联网卫星星座摒弃了铱星(Iridium)系统建设运营初期独立建网、与地面移动通信相竞争的策略,转而与电信运营商开展合作。用卫星为蜂窝提供回程服务,解决“最后1公里”的问题,或是将卫星接收设备做小区“热点”,拓展现有的地面网络,用户可以使用现有的智能手机和平板电脑访问卫星网络。

2、5G时代星地融合的新发展

国际进展情况

随着5G技术的日益成熟,卫星与5G的融合也引起了许多关注,包括3GPP、ITU在内的标准化组织成立了专门工作组着手研究星地融合的标准化问题,业内的部分企业与研究组织也投入到星地一体化的研究工作当中。

① ITU

针对卫星与地面5G融合的问题,国际电信联盟(ITU,International Telecommunication Union)提出了星地5G融合的4种应用场景,包括中继到站、小区回传、动中通及混合多播场景,并提出支持这些场景必须考虑的关键因素,包括多播支持、智能路由支持、动态缓存管理及自适应流支持、延时、一致的服务质量、NFV(Network Function Virtualization,网络功能虚拟化)/SDN(Software Defined Network,软件定义网络)兼容、商业模式的灵活性等。


(a)中继到站场景


(b)小区回传场景


(c)动中通场景


(d)混合多播场景

图 3 ITU卫星5G融合场景示意图

②3GPP

3GPP从R14开始着手开展星地融合的研究工作。在TS22.261中,对卫星在5G系统中的角色和优势进行了探讨,作为5G多种接入技术之一,卫星在一些要求广域覆盖的工业应用场景中具有显著优势。卫星网络可以在地面5G覆盖的薄弱地区提供低成本的覆盖方案,对于5G网络中的M2M/IoT,以及为高速移动载体上的乘客提供无所不及的网络服务,借助卫星优越的广播/多播能力,可以为网络边缘网元及用户终端提供广播/多播信息服务。

在2017年底发布的技术报告22.822中,3GPP工作组SA1对与卫星相关的接入网协议及架构进行了评估,并计划进一步开展基于5G的接入研究。在这份报告中,定义了在5G中使用卫星接入的三大类用例,分别是连续服务、泛在服务和扩展服务。并讨论了新的及现有服务的需求,卫星终端特性的建立、配置与维护,以及在卫星网络与地面网络间的切换问题。

在3GPP名为“面向‘非地面网络’中的5G新空口”研究项目中,定义了包括卫星网络在内的非地面网络(NTN:Non-terrestrial networks)的部署场景。按照3GPP的定义,5G网络中的NTN应用场景包括8个增强型移动宽带(eMBB)场景和2个大规模机器类通信(mMTC)场景。借助卫星的广域覆盖能力,可以使运营商在地面网络基础设施不发达地区提供5G商用服务,实现5G业务连续性,尤其是在应急通信、海事通信、航空通信及铁路沿线通信等场景中发挥作用。38.811规定的卫星网络架构可能包含的系统组成包括:

● NTN终端:3GPP 用户终端(UE)和非3GPP UE (卫星终端)

● 用户链路(Service Link):UE和卫星之间的链路

● 空间平台(Space Platform):搭载弯管或者具备星上处理能力的卫星

● 星间链路(ISL: Inter-Satellite Links):对于具备星上处理能力卫星间的链路

● 信关站(Gateway):连接卫星和地面核心网的网元

● 馈电链路


图 4 5G网络中非地面网络架构

在非地面网络与地面5G融合的网络架构上,3GPP提出了星地融合的4种网络架构初步模型(图 5)。这份报告还对卫星5G场景中的传输延时、多普勒频移进行了估计,并对在非地面网络中部署5G新空口需要做的适应性修改进行了讨论,包括由于卫星等空间飞行器的移动性带来的切换和寻呼问题、定时提前的调整、下行链路同步等问题,星地链路长延时对HARQ、MAC/RLC过程、物理层ACM及功率控制等过程的影响,卫星小区尺寸过大给PRACH和随机过程带来的影响以及对随机接入响应消息中定时提前的影响,多径时延扩展带来的问题,双工模式问题,对CP-OFDM技术在卫星上的适用性也进行了分析。


图 5 3GPP非陆地网络架构示意图

③Sat5G

2017年6月,BT、Avanti、SES、University of Surrey等16家企业及研究机构联合成立了SaT5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)联盟,计划在30个月内完成卫星与5G的无缝集成方案,并进行试用。整个项目将完成以下6个方面的工作:

1) 定义和评估将星地5G融合的网络体系结构解决方案;

2) 研究星地5G融合的商业价值主张;

3) 定义和开发星地5G融合的相关关键技术;

4) 在实验室的测试环境中验证关键技术;

5) 对星地5G融合的特性和用例进行演示;

6) 推进星地5G融合在3GPP和ETSI中的标准化工作。

为了实现卫星通信与5G的即插即用,Sat5G提出了6大技术研究支柱,开展重点研究工作,如图 6所示。


图 6 Sat5G工作内容

1)5G SDN与NFV在卫星网络的部署,提供卫星功能组件的虚拟化,以实现卫星和移动网络元素的集成,从而使卫星系统适应5G环境。

2)融合网络的管理与编排,实现涉及卫星和移动集成网络切片的端到端编排和管理。

3)多链路与异构传输,通过卫星与地面网络间业务流的智能分发提升用户体验质量(QoE)。

4)卫星通信与5G控制面与用户面的协调,在3GPP的层2及更高协议层中支持卫星通信,也有可能会涉及到物理层的调整。

5)5G安全在卫星中的扩展,验证5G网络安全特性在卫星网元中的无缝操作。

6)用于优化内容和NFV分发的缓存与多播,在移动网络小区额外利用卫星通信实现内容更有效地分发。

根据最新报道,在斯洛文尼亚卢布里雅那举行的2018欧洲网络与通信会议上,包括VT iDirect公司、SES公司在内的5家SaT5G成员现场演示了卫星与3GPP网络架构的融合,该Pre-5G测试平台由软件定义网络(SDN)/网络功能虚拟化(NFV)/移动边缘计算(MEC)和GEO卫星组成,同时还演示了卫星回程功能及Pre-5G网络中多媒体内容的边缘分发功能。

④ALIX项目

ALIX项目源于欧洲航天局(ESA)的“5G卫星计划”,其目标是积极参与3GPP标准化过程,以定义5G卫星组件及其与其他网络的接口。项目计划从2018年1月开始,持续2年。ALIX项目建立了标准化特别任务小组(SSIG),共包含38名成员(Airbus, Avanti, ESA, Echostar, Eutelsat, Inmarsat, Intelsat, SES, Thales Alenia Space, Surrey等),其中28个是3GPP成员,包括卫星运营商、服务和技术提供商、地面和卫星部门制造商以及国际机构和高校。

项目组已经成功提交了3项研究/工作项目,将卫星列入3GPP R16的一部分,涉及服务和系统(SA)和无线接入网络(RAN),分别是:

● SA1 工作项目:卫星一体化的标准化阶段

● SA2 研究项目:卫星5G系统架构

● RAN1/2/3研究项目:支持非地面网络(NTN)的NR解决方案

每个季度,项目进展将在3GPP的全体会议上进行汇报并在会后加以完善。从3GPP发布的会议内容来看,ALIX项目在下一阶段的工作重点包括物理层解决方案、接口架构、协议和资源控制、通用地面无线接入体系结构和接口协议规范以及服务和系统方面。

发展趋势

卫星通信在覆盖、可靠性及灵活性方面的优势能够弥补地面移动通信的不足,卫星通信与地面5G的融合能够为用户提供更为可靠的一致性服务体验,降低运营商网络部署成本,连通空、天、地、海多维空间,形成一体化的泛在网络格局。

从技术方面来看,卫星与5G的融合架构既有透明弯管转发模式,也有星上接入/处理模式,两种模式在实现复杂度和应用场景上均不相同,长期看来,将地面基站的部分或全部功能逐步迁移到星上是发展趋势,能够有效降低处理延时、提高用户体验;为了实现地面终端一体化、小型化,卫星与地面5G的空中接口将逐步趋向融合,非正交多址及多载波传输等技术在卫星通信中的应用将成为未来一段时间内的研究热点,但是受限于星上功率、处理能力以及星地链路长延时、大动态等特点,5G新空口在卫星系统中的适应性改造及优化是需要解决的主要问题;星地网络全IP化是大势所趋,NFV/SDN等技术在星地融合中发挥突出作用,重点需要解决网络功能的星地分割问题;频率资源仍是制约星地融合的主要瓶颈,随着低轨星座的大面积部署,频率冲突的问题将愈发严重,探索星地频率规划及频率复用新技术是实现星地融合需要解决的首要问题。

从市场方面来看,星地网络由竞争走向合作,卫星网络以提供回程服务、基站拉远等方式成为地面网络的补充。在国外,合作共赢的星地融合新商业模式正在兴起,在国内,产业割裂的壁垒短期内仍然存在,需要政府、企业共同努力,抓住机遇,推动卫星5G产业融合快速发展。

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