近些年來(lái)，衛(wèi)星通信引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

人們普遍看好這項(xiàng)技術(shù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，認(rèn)為它會(huì)對(duì)現(xiàn)有的通信技術(shù)造成顛覆性的改變，甚至可能取代現(xiàn)在最先進(jìn)的移動(dòng)通信技術(shù)——5G。

然而，也有人認(rèn)為，衛(wèi)星通信存在諸多技術(shù)瓶頸，不會(huì)發(fā)揮太大的作用。究竟衛(wèi)星通信有什么用？它和 5G 有什么關(guān)系？

今天這篇文章，我們來(lái)探尋一下答案……

美國(guó)東部時(shí)間 10 月 24 日 11 時(shí) 31 分，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）順利完成 “星鏈計(jì)劃”第 15 批衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，用一枚 “獵鷹 9 號(hào)”火箭將 60 顆衛(wèi)星送入太空。

截至目前，SpaceX 已累計(jì)發(fā)射 893 顆 “星鏈”衛(wèi)星（如果算上 2018 年 2 月發(fā)射的兩顆測(cè)試衛(wèi)星，則是 895 顆），進(jìn)度非常驚人。

毫無(wú)疑問(wèn)，馬斯克確實(shí)是個(gè)商業(yè)奇才兼科技狂人。他引領(lǐng)的顛覆性創(chuàng)新，大大降低了發(fā)射衛(wèi)星的成本和門(mén)檻。

按照他的設(shè)想，“星鏈計(jì)劃”將在地球周?chē)贾眉s 1.2 萬(wàn)顆衛(wèi)星（后續(xù)可能增至 4.2 萬(wàn)顆），打造一個(gè)覆蓋全球的網(wǎng)絡(luò)，為用戶(hù)提供高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

圍繞著 “星鏈計(jì)劃”，國(guó)內(nèi)很多無(wú)良自媒體進(jìn)行了大量的炒作，說(shuō)它有多么多么厲害，是美國(guó)的 6G，會(huì)取代 5G 移動(dòng)通信，對(duì)中國(guó)造成威脅。

事實(shí)上，馬斯克本人從來(lái)沒(méi)說(shuō)過(guò) “星鏈計(jì)劃”要取代 5G。至于說(shuō) 6G，前幾天小棗君關(guān)于國(guó)內(nèi)某高校 “6G 衛(wèi)星”的文章也解釋過(guò)了，很多東西都還是未知數(shù)。

該計(jì)劃每次都會(huì)申報(bào)一千多條衛(wèi)星軌道。按照目前先到先得（7 年內(nèi)必須啟用）的原則，1000 公里以下的軌道資源很可能在幾年之后被 “星鏈計(jì)劃”搶占大半。

衛(wèi)星通信和 5G 之間的關(guān)系

如果說(shuō)以 “星鏈計(jì)劃”為代表的衛(wèi)星通信技術(shù)，不能夠取代 5G。那么，衛(wèi)星通信和 5G 之間，到底是什么關(guān)系呢？

要回答這個(gè)問(wèn)題，我們不妨看看國(guó)際組織正在進(jìn)行的工作。

目前，國(guó)內(nèi)外和衛(wèi)星、5G 相關(guān)的代表性組織，有如下幾家 ：

? SaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）

這是一個(gè) 2017 年成立的融合衛(wèi)星與 5G 項(xiàng)目，由歐盟資助。它的成員已經(jīng)為 ETSI 和 3GPP 關(guān)于衛(wèi)星融入 5G 相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化研究做出了很多貢獻(xiàn)。

? 非地面網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目（Non-terrestrial networks， NTN）

這是 3GPP 立項(xiàng)成立的項(xiàng)目。它致力于將衛(wèi)星通信與 5G 融合，在 5G NR 空口和架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，以便未來(lái)能夠提供更加廣闊和多樣化的通信服務(wù)。

? 航天通信技術(shù)工作委員會(huì)（TC12）

這個(gè)是我國(guó) CCSA（中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)）在 2019 年成立的組織，目的是開(kāi)展星地一體化的研究工作。

首先看看 SaT5G。

SaT5G 在他們發(fā)布的白皮書(shū)中，給出了一些典型的衛(wèi)星通信用例，重點(diǎn)聚焦于 5G 的 eMBB 和 mMTC 兩大場(chǎng)景（衛(wèi)星系統(tǒng)的傳播延遲，對(duì)于 uRLLC 場(chǎng)景來(lái)說(shuō)是一個(gè)難以逾越的障礙）：

用例 1：5G 內(nèi)容分發(fā)

借助衛(wèi)星的廣播 / 多播功能，將媒體娛樂(lè)內(nèi)容（或者移動(dòng)邊緣計(jì)算設(shè)備的 VNF 軟件更新）高效地分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)邊緣。

用例 2：5G 固定回程

推動(dòng)在地面 5G 網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋的區(qū)域推廣服務(wù) （例如海事服務(wù)、湖泊、島嶼、山區(qū)、農(nóng)村地區(qū)、孤立地區(qū)等），以經(jīng)濟(jì)高效的方式，提升地面網(wǎng)絡(luò)的性能。

用例 3：5G 到樓宇

補(bǔ)充地面網(wǎng)絡(luò)的連通性，例如與地面無(wú)線或有線相結(jié)合，為服務(wù)能力不足地區(qū)的家庭或辦公室提供寬帶連接。

用例 4：5G 移動(dòng)平臺(tái)回程

寬帶連接到移動(dòng)平臺(tái)，如飛機(jī)、船舶等，提供服務(wù)的連續(xù)性。

▲ 來(lái)源 ： SaT5G 白皮書(shū)

值得一提的是，SaT5G 成員在最近兩年舉行的歐洲網(wǎng)絡(luò)與通信大會(huì) （EuCNC）上，進(jìn)行了一系列衛(wèi)星與 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)融合的現(xiàn)場(chǎng)演示。

下圖演示了飛機(jī)上的 5G 技術(shù)。衛(wèi)星和地面 5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相互結(jié)合，進(jìn)行內(nèi)容分發(fā)，為乘客提供娛樂(lè)服務(wù)以及連網(wǎng)方案。

▲ 來(lái)源 ： SaT5G 官方文檔

再來(lái)看看 3GPP，他們關(guān)于衛(wèi)星融入 5G，有什么進(jìn)展。

下面這張示意圖，展示了相關(guān)國(guó)際組織（含 3GPP）的整體工作進(jìn)展情況。

▲ 來(lái)源 ： SaT5G 官網(wǎng)

3GPP RAN 工作組的相關(guān)內(nèi)容和時(shí)間線大致如下：

R15 對(duì) “NR 支持非地面網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行了 SI 立項(xiàng)，并發(fā)布研究報(bào)告 TR 38.811。該報(bào)告定義了包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的 NTN 部署場(chǎng)景及信道模型，以及 NR 的潛在影響 ［1］。

R16 的 “NR 支持非地面網(wǎng)絡(luò)的解決方案”SI，仿真評(píng)估了不同部署場(chǎng)景的性能以及 NR 適應(yīng)性分析。2019 年 12 月，SI 結(jié)項(xiàng)并且發(fā)布了 TR 38.821［2］。

R17 將 R16 SI 轉(zhuǎn)為工作項(xiàng)目 WI，重點(diǎn)研究 NR NTN 增強(qiáng)方案 ［3］。

為了簡(jiǎn)化理解，大家可以想象把地面基站搬到空中的衛(wèi)星平臺(tái)（實(shí)際上這確實(shí)是它一種部署方式）。

這種情況和傳統(tǒng)地面移動(dòng)通信的區(qū)別在于：地面移動(dòng)通信中基站不動(dòng)，而用戶(hù)是移動(dòng)的；而衛(wèi)星通信中，空中的基站在高速移動(dòng)，大部分用戶(hù)在靜止或低速移動(dòng)時(shí)可看作準(zhǔn)靜止的。

除此之外，兩者的無(wú)線傳播環(huán)境與特性也存在著很大的不同。

那么問(wèn)題來(lái)了，地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)最初并不是為這樣的場(chǎng)景設(shè)計(jì)的，這些由 NTN（非地面網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目）帶來(lái)的顯著特征，會(huì)在不同程度上影響 5G 的架構(gòu)、協(xié)議和實(shí)現(xiàn)（特別是物理層）。

5G NR 支持 NTN 的技術(shù)細(xì)節(jié)

首先，我們需要了解 NTN 波束覆蓋的兩種典型模式：

? 透明轉(zhuǎn)發(fā)

即彎管方案，可以認(rèn)為是無(wú)線信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星中繼。

? 星上處理

可以認(rèn)為是衛(wèi)星具有 5G 基站的全部或者部分功能。

相應(yīng)地，基于透明轉(zhuǎn)發(fā)、星上處理、有 / 無(wú)中繼，提出了 4 種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：

▲ 來(lái)源 ： 3GPP 38.811 V1.0.0

其次，如果我們站在協(xié)議棧的角度來(lái)看：

1. 透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)的用戶(hù)面和控制面協(xié)議棧如下：

▲ 透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)的用戶(hù)面協(xié)議棧

▲ 透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)的控制面協(xié)議棧

2. 星上處理架構(gòu)的用戶(hù)面和控制面協(xié)議棧如下：

▲ 星上處理架構(gòu)的用戶(hù)面協(xié)議棧

▲ 星上處理架構(gòu)的控制面協(xié)議棧

最后，我們來(lái)一起看看對(duì)物理層的主要影響（以及解決方案建議）：

a）物理層控制過(guò)程

? 時(shí)序關(guān)系

NTN 相比地面網(wǎng)絡(luò)會(huì)存在較大的雙向傳輸時(shí)延 RTT，導(dǎo)致上下行的幀時(shí)序存在較大偏移，需要增強(qiáng)物理層時(shí)序關(guān)系，可以通過(guò)引入偏移量 Koffset 并應(yīng)用它來(lái)修改相關(guān)的時(shí)序關(guān)系。Koffset 的具體值在不同的時(shí)序關(guān)系中也將會(huì)有所不同。另外，還需要進(jìn)一步討論 Koffset 值是通過(guò)廣播還是高層參數(shù)配置的方式來(lái)獲取。

注：具體影響的時(shí)序關(guān)系，請(qǐng)參考 TR 38.821 V16.0.0 的 6.2.1.2 小節(jié)

? 上行功控

R16 討論了比如波束專(zhuān)用和通用的功控參數(shù)配置、基于預(yù)測(cè)的功控調(diào)整、基于組的功控參數(shù)配置等功控優(yōu)化方案，但尚未形成收斂的結(jié)論。因此，依舊還是會(huì)沿用 R15 的功控方式。

? 自適應(yīng)調(diào)制編碼 AMC 和延遲的 CSI 反饋

大家知道，AMC 通過(guò)調(diào)整無(wú)線傳輸?shù)恼{(diào)制方式與編碼速率，來(lái)確保鏈路的傳輸質(zhì)量。為解決信道狀態(tài)信息 CSI 上報(bào)過(guò)時(shí)問(wèn)題，R16 討論了多種優(yōu)化方案，但尚未形成收斂的結(jié)論。根據(jù) SI 的結(jié)論，R15 定義的 CSI 反饋機(jī)制至少可以用于 LOS 場(chǎng)景的 NTN 鏈路自適應(yīng)。

b）上行定時(shí)提前與 RACH 增強(qiáng)

? TA 增強(qiáng)

定時(shí)提前用來(lái)指示 UE，根據(jù)指令提前相應(yīng)時(shí)間發(fā)上行數(shù)據(jù)。NR 的 TA 機(jī)制不能滿足 NTN 幾百甚至幾千 km 的傳輸距離要求。R16 考慮的增強(qiáng)方案，是使用公共 TA 和 UE 專(zhuān)用 TA 的組合：第一種是根據(jù)用戶(hù)位置和星歷信息 （即商業(yè)衛(wèi)星的關(guān)鍵軌道參數(shù)）自主獲取 TA 值。第二種是基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)指示 TA 調(diào)整。上述兩種方式仍有一些增強(qiáng)工作需要放到 R17 進(jìn)一步探討。

? RACH 增強(qiáng)

如果 UE 可以精確獲取用戶(hù)位置信息并進(jìn)行時(shí)頻偏預(yù)補(bǔ)償，則可以復(fù)用 R15 的 PRACH 格式和前導(dǎo)序列（可以進(jìn)一步討論額外增強(qiáng)的必要性），否則就需要考慮增強(qiáng)的 PRACH 格式和前導(dǎo)序列設(shè)計(jì)。

此外 NTN 也可考慮采用 R16 中的兩步接入，以此簡(jiǎn)化初始接入流程。

c）更多的時(shí)延容忍重傳機(jī)制

大家知道，混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 HARQ 機(jī)制可保證信息完整性，提高傳輸可靠性。

但是 NTN 中 RTT 較大，所需最小 HARQ 進(jìn)程數(shù)會(huì)遠(yuǎn)大于 NR 支持的 16 個(gè)。

目前主要討論的是以下兩個(gè)方案：

第一種是 HARQ 關(guān)閉機(jī)制。

第二種是 HARQ 傳輸機(jī)制的增強(qiáng)。比如增加 HARQ 進(jìn)程數(shù)，來(lái)匹配更長(zhǎng)的衛(wèi)星雙向傳輸時(shí)延?；蛘呓?UL HARQ 反饋，以避免 HARQ 過(guò)程中的停止和等待，并依賴(lài) RLC ARQ 來(lái)提高可靠性。這兩種增強(qiáng)機(jī)制目前還沒(méi)有定論。R17 應(yīng)該會(huì)進(jìn)一步討論 HARQ 進(jìn)程的數(shù)量，并考慮 HARQ 反饋、緩沖區(qū)大小、RLC 反饋和 RLC ARQ 緩沖區(qū)大小等。

d）其他更多的議題，限于篇幅這里就暫時(shí)不列舉了…

結(jié)語(yǔ)

根據(jù)各大組織的研究進(jìn)展，我們基本可以認(rèn)為——衛(wèi)星通信，將作為一個(gè)有益補(bǔ)充，集成到整個(gè) 5G 生態(tài)系統(tǒng)中。

衛(wèi)星通信和 5G 的融合，將會(huì)是一個(gè)雙贏的結(jié)果。

一方面，由于 5G 的規(guī)模化效應(yīng)，為衛(wèi)星通信打開(kāi)了全新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。另一方面，“即插即用”的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，將是對(duì)地面 5G 網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充，使得 5G 的生態(tài)系統(tǒng)可以更具彈性和效率。

從標(biāo)準(zhǔn)化的角度來(lái)看，3GPP 針對(duì)衛(wèi)星和 5G 網(wǎng)絡(luò)的融合，還在規(guī)范制定的過(guò)程當(dāng)中。不過(guò)目前看來(lái)，最重要的考量，還是如何最大程度地復(fù)用地面的 5G 關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。

相信到了 2021 年，也就是 R17 發(fā)布的時(shí)候，我們會(huì)看到初步的結(jié)果。那個(gè)時(shí)候，將是未來(lái) 6G 星地一體化深度融合的起點(diǎn)。

參考文檔：

［1］SaT5G Whitepaper.

［2］3GPP. 3GPP TR 38.811： Study on New Radio （NR） to support non terrestrial networks V15.0.0 （Release 15） ［R］。 2018.06.

［3］3GPP. 3GPP TR 38.821： Solutions for NR to support non-terrestrial networks （NTN） V1.0.0 （Release 16 ） ［R］。 2019.12.

［4］Thales. 3GPP RP-193234： New WID： Solutions for NR to support non-terrestrial networks （NTN） ［R］。 2019.12.

責(zé)任編輯：PSY