解寧宇,汪 進(jìn),王慧東,張 磊(.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司,河南鄭州 450007;.中國(guó)聯(lián)通銅仁分公司,貴州 銅仁 554300)
相比于地面移動(dòng)通信,衛(wèi)星通信利用高、中、低軌衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)廣域甚至全球覆蓋,可為全球用戶提供無(wú)差別的通信服務(wù)。商用移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠?yàn)楹I?、?yīng)急及個(gè)人移動(dòng)通信等應(yīng)用提供有效的解決方案;中低軌衛(wèi)星星座將衛(wèi)星通信服務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)相融合,為衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)注入新的活力。
與傳統(tǒng)地球靜止軌道衛(wèi)星(GEO)相比,低軌道衛(wèi)星(LEO)具有大帶寬、高通量、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延低等顯著特點(diǎn),更加適用于通信領(lǐng)域,因此近年來(lái)LEO 領(lǐng)域的相關(guān)研究越來(lái)越多。OneWeb、SpaceX、LeoSat 和Telesat 等國(guó)外衛(wèi)星通信公司均已發(fā)射數(shù)十顆甚至數(shù)百顆低軌通信衛(wèi)星,展開(kāi)了低軌道資源的激烈爭(zhēng)奪。我國(guó)的2030重大項(xiàng)目“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)低軌接入網(wǎng)”、航天科技集團(tuán)的“鴻雁工程”、航天科工集團(tuán)的“虹云工程”、東方紅衛(wèi)星移動(dòng)通信公司的“天通系統(tǒng)”等項(xiàng)目也已在低軌衛(wèi)星領(lǐng)域嶄露頭角。根據(jù)NSR 的預(yù)測(cè),從2020 年到2030 年LEO 運(yùn)營(yíng)商利潤(rùn)率將以每年40%的速度飆升,LEO 通信領(lǐng)域?qū)⑹俏磥?lái)通信的一片新藍(lán)海。
隨著5G 時(shí)代的到來(lái)以及國(guó)家發(fā)改委首次將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)列入“新基建”范疇,移動(dòng)通信將具備完善的產(chǎn)業(yè)鏈、巨大的用戶群體、靈活高效的應(yīng)用服務(wù)模式等。衛(wèi)星通信系統(tǒng)與5G 相互融合,取長(zhǎng)補(bǔ)短,共同構(gòu)建全球無(wú)縫覆蓋的海、陸、空一體化綜合通信網(wǎng),滿足用戶無(wú)處不在的多種業(yè)務(wù)需求,是未來(lái)通信發(fā)展的重要方向。衛(wèi)星與5G的融合將充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),為用戶提供更全面優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。
LEO 與5G 網(wǎng)絡(luò)的融合旨在形成一張無(wú)縫銜接的通信網(wǎng)絡(luò),覆蓋地球上除極地以外的絕大部分區(qū)域,實(shí)現(xiàn)空、天、地一體化通信,其融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示,系統(tǒng)包括:
a)終端(UE):以手機(jī)、pad 為代表的傳統(tǒng)用戶終端(UE)和車載衛(wèi)星、機(jī)載衛(wèi)星等衛(wèi)星終端。
b)用戶鏈路(Service Link):UE 和衛(wèi)星、基站之間的鏈路。
c)空間平臺(tái)(Space Platform):具備星上數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)透?jìng)髂芰Φ男l(wèi)星。
d)星間鏈路(Inter-Satellite Links):具備星座內(nèi)或星座間數(shù)據(jù)透?jìng)鞯募す饣蛭⒉ㄦ溌贰?/p>
e)信關(guān)站(Gateway):負(fù)責(zé)地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)口。
f)饋電鏈路(Feeder links):衛(wèi)星與地面控制站相互通信的鏈路。
LEO 星座分為有星間鏈路星座和無(wú)星間鏈路星座,二者混合組網(wǎng)構(gòu)成空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。我國(guó)位于北緯4°~54°,為避免拱點(diǎn)漂移,實(shí)現(xiàn)對(duì)地面全覆蓋,星座采用傾斜圓軌道設(shè)計(jì)。為使衛(wèi)星具有最大的覆蓋特性,同一軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星應(yīng)均勻分布。星間鏈路通信采用激光或微波等方式,星地鏈路采用Ka、C、Ku 等頻段通信,信關(guān)站與地面終端通信采用5G 網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)等方式。
為避免信關(guān)站與5G網(wǎng)絡(luò)之間的頻譜干擾,優(yōu)化服務(wù)提供、頻譜配置、用戶切換管理等內(nèi)容,可將信關(guān)站與5G網(wǎng)絡(luò)虛擬化,將二者融合為同一云平臺(tái)為終端提供服務(wù)。
在融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用有(無(wú))星間鏈路LEO 星座,通過(guò)高低頻多波束天線,在地面形成蜂窩狀覆蓋,可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸和寬帶傳輸服務(wù)功能。隨著LEO 的不斷移動(dòng),相應(yīng)的星下點(diǎn)覆蓋區(qū)域也隨之移動(dòng),地面用戶終端在不同的波束之間完成切換。
5G 網(wǎng)絡(luò)融合LEO 網(wǎng)絡(luò)的三大應(yīng)用分別是連續(xù)服務(wù)、泛在服務(wù)和擴(kuò)展服務(wù),基于IP 承載業(yè)務(wù)和信令通過(guò)信關(guān)站轉(zhuǎn)發(fā)給衛(wèi)星,衛(wèi)星完成空值接口后通過(guò)星間鏈路透?jìng)骰蛑苯愚D(zhuǎn)發(fā)給地面信關(guān)站,信關(guān)站再將數(shù)據(jù)傳送至核心網(wǎng)。核心網(wǎng)可部署在信關(guān)站,完成資源調(diào)度、數(shù)據(jù)處理;也可以部署在衛(wèi)星處理器上,完成TtT業(yè)務(wù)或者空間多跳回傳業(yè)務(wù)。
圖1 低軌衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)
現(xiàn)階段5G 網(wǎng)絡(luò)與LEO 網(wǎng)絡(luò)的融合大多是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面的融合,實(shí)現(xiàn)二者之間的網(wǎng)絡(luò)互通、架構(gòu)互聯(lián),可完成多種不同類型的終端之間數(shù)據(jù)互通,通過(guò)云平臺(tái)的調(diào)度完成融合終端的無(wú)差別服務(wù)提供。在下一階段的研究方向中,將重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)與LEO 網(wǎng)絡(luò)之間在物理層解決方案、接口架構(gòu)、核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)、鑒權(quán)管理解決方案、基于3GPP 標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和資源控制、通用地面無(wú)線接入體系結(jié)構(gòu)和接口協(xié)議規(guī)范以及服務(wù)和系統(tǒng)方面的融合。
3.1.1 海洋衛(wèi)星寬帶接入應(yīng)用
海洋衛(wèi)星寬帶接入應(yīng)用可為漁船、郵輪、遠(yuǎn)洋貨輪等各類船舶,海上作業(yè)平臺(tái),島礁等領(lǐng)域用戶提供海洋衛(wèi)星寬帶接入服務(wù)及系統(tǒng)解決方案。可為用戶提供高速互聯(lián)網(wǎng)、音視頻、數(shù)據(jù)回傳、遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)度管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療等多種應(yīng)用服務(wù)。
現(xiàn)階段地面移動(dòng)通信無(wú)法覆蓋海洋區(qū)域,海洋衛(wèi)星寬帶服務(wù)適用于島礁、集裝箱船、漁船、游輪、海工船、科考船、油氣運(yùn)輸船、海上作業(yè)平臺(tái)、海洋牧場(chǎng)等領(lǐng)域,具備衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)寬帶化、業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)化、覆蓋全球化、服務(wù)多樣化、管理平臺(tái)化等優(yōu)勢(shì)。
3.1.2 陸地衛(wèi)星寬帶接入應(yīng)用
陸地衛(wèi)星寬帶接入應(yīng)用可為應(yīng)急保障、邊防監(jiān)控、搶險(xiǎn)救災(zāi)、突發(fā)事件處置等領(lǐng)域用戶提供多模式、安全、可靠、便捷的衛(wèi)星應(yīng)急專網(wǎng)通信服務(wù)以及衛(wèi)星數(shù)據(jù)流量服務(wù)和系統(tǒng)解決方案產(chǎn)品服務(wù)。
該服務(wù)體系包含無(wú)人機(jī)、應(yīng)急基站、應(yīng)急指揮車、車載動(dòng)中通、衛(wèi)星固定站、全自動(dòng)衛(wèi)星便攜站、超輕型衛(wèi)星便攜站以及衛(wèi)星專網(wǎng)通信業(yè)務(wù)平臺(tái),可為用戶提供高速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、音視頻、數(shù)據(jù)、監(jiān)控、調(diào)度指揮等多種應(yīng)用服務(wù),實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品小型化、終端便捷化、應(yīng)用靈活化和平臺(tái)管理化。
3.1.3 空中衛(wèi)星寬帶接入應(yīng)用
空中衛(wèi)星寬帶接入應(yīng)用采用機(jī)載通信解決方案,結(jié)合LEO 資源和可靠的機(jī)載衛(wèi)星體系,以民航客機(jī)為載體,為航空公司和乘客提供高速、穩(wěn)定、安全的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。
2017年10月,中國(guó)民航允許機(jī)上使用便攜式電子設(shè)備(PED)后,機(jī)載衛(wèi)星通信便展現(xiàn)出了強(qiáng)大的商業(yè)市場(chǎng)活力。該應(yīng)用已通過(guò)國(guó)家安全中心和工信部的定級(jí)備案及安全防護(hù)審批,并完成了為多家航空公司提供的商務(wù)和服務(wù)測(cè)試。
3.1.4 遙感衛(wèi)星影像資源應(yīng)用
遙感衛(wèi)星影像資源應(yīng)用在國(guó)內(nèi)屬于新興領(lǐng)域,通過(guò)高分辨遙感衛(wèi)星資源為客戶提供高精度衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù),并以此為基礎(chǔ)提供相應(yīng)的遙感數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用服務(wù),可為機(jī)場(chǎng)安全與交通執(zhí)法領(lǐng)域提供優(yōu)秀的系統(tǒng)解決方案,以及通過(guò)全景視頻融合可視化平臺(tái),為客戶提供定制化的天地一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。
LEO網(wǎng)絡(luò)與地面5G網(wǎng)絡(luò)融合包括以下方面,從最低程度覆蓋融合向最高程度系統(tǒng)融合遞進(jìn)。
a)覆蓋融合:LEO 網(wǎng)絡(luò)作為地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充,用于覆蓋地面移動(dòng)網(wǎng)難以覆蓋的高山、荒漠、海洋等區(qū)域,仍是相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。
b)業(yè)務(wù)融合:獨(dú)立組網(wǎng)為用戶提供相似的服務(wù)內(nèi)容及服務(wù)質(zhì)量,能達(dá)到相當(dāng)水平的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。
c)用戶融合:用戶使用同一ID 可接入2 種網(wǎng)絡(luò),依據(jù)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景及網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量選擇通信網(wǎng)絡(luò),可自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)切換。
d)體制融合:二者之具有相同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、傳輸和交換協(xié)議,終端、地面基站、信關(guān)站、衛(wèi)星可使用相同的技術(shù)機(jī)制。
e)系統(tǒng)融合:LEO 通信網(wǎng)與5G 網(wǎng)絡(luò)完全融合,形成一張網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)空天地一體化無(wú)縫銜接,采用相同的資源調(diào)度、計(jì)費(fèi)、漫游方式。
為滿足LEO 網(wǎng)絡(luò)與5G 網(wǎng)絡(luò)融合,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)空中接口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參照3GPP-R4/R6 架構(gòu)及其空中分層方法,在保留NAS 層協(xié)議設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,在MAC 層以下以及RRC 協(xié)議上針對(duì)衛(wèi)星特點(diǎn)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì),其空中接口設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
信道波形是空中接口技術(shù)的重要內(nèi)容之一,5G 下行采用CP-OFDM 技術(shù),上行采用DFT-S-OFDM 和CP-OFDM 技術(shù),對(duì)應(yīng)子載波帶寬可選15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz、240 kHz。在衛(wèi)星系統(tǒng)中,波形設(shè)計(jì)除滿足信道特性的適配之外,還需要考慮峰均比PAPR。DFT-S-OFDM 在峰均比性能上優(yōu)于CP-OFDM,但CP-OFDM 在抗多徑衰落、寬帶傳輸性能上具有較大優(yōu)勢(shì),因此通常將2種技術(shù)在高低頻段上組合使用。LEO通信網(wǎng)絡(luò)中的高低頻參考5G的資源劃分,包括時(shí)域、頻域、空域資源等,其邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖2 空中接口設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
圖3 低軌衛(wèi)星無(wú)線資源多維組織結(jié)構(gòu)
LEO 相對(duì)地面終端在不斷運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致衛(wèi)星與終端的距離變化率和時(shí)延變化率持續(xù)變化。當(dāng)LEO 出現(xiàn)在地面終端追蹤的范圍內(nèi)以及離開(kāi)追蹤范圍內(nèi)的臨界點(diǎn)時(shí),具有最大的距離變化率和時(shí)延變化率。當(dāng)LEO 和地面終端連線經(jīng)過(guò)地心時(shí),衛(wèi)星具有最大徑向速度。在LEO 通信網(wǎng)絡(luò)中,循環(huán)前綴的持續(xù)時(shí)間須達(dá)到最大往返時(shí)延差和最大時(shí)延擴(kuò)展之和,才能保障星上處理器在觀察間隔內(nèi)接收到地面終端發(fā)送的完整數(shù)據(jù)流。
LEO 通信系統(tǒng)中,衛(wèi)星軌道高度、軌道傾角、經(jīng)緯度、星下點(diǎn)軌跡的實(shí)時(shí)變化會(huì)產(chǎn)生較大的多普勒頻移,這將對(duì)LEO 通信網(wǎng)絡(luò)與5G 網(wǎng)絡(luò)的融合造成非常不利的影響。LEO 通信網(wǎng)絡(luò)與5G 網(wǎng)絡(luò)融合采用多載波傳輸技術(shù),傳輸體制采用正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)。較小的頻率偏移就會(huì)對(duì)OFDM 系統(tǒng)帶來(lái)非常大的變化,甚至影響子載波間的正交性,進(jìn)而產(chǎn)生載波間干擾(ICI)并造成系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降。為避免多普勒頻移,在LEO 通信網(wǎng)絡(luò)與5G 融合通信系統(tǒng)中多采用可變子載波帶寬技術(shù)和星歷預(yù)先補(bǔ)償技術(shù)。
LEO 通信系統(tǒng)常用頻段范圍為C 頻段(4~8 GHz)至V(50~75 GHz)頻段,在此范圍內(nèi)歸一化殘余頻偏的大小隨著子載波帶寬的變化而變化,采用可變子載波帶寬技術(shù)能夠有效降低抗殘余頻偏對(duì)通信系統(tǒng)性能的干擾。由于C 頻段可用帶寬較窄,且需要支持碼率低至2.4 kbit/s 的語(yǔ)音業(yè)務(wù),通常采用15 kHz 帶寬或者更窄的子載波設(shè)計(jì)。C 頻段天線要求最小通信仰角為10°,這樣在C 頻段形成的最大多普勒頻移將超過(guò)15 kHz,只采用載波同步技術(shù)不能解決這種情況下的多普勒問(wèn)題,需要引入星歷預(yù)先補(bǔ)償技術(shù)。在V頻段,經(jīng)常采用大帶寬通信,其子載波帶寬也較大,同時(shí)V頻段天線要求最小通信仰角為50°,這些因素都利于對(duì)抗多普勒效應(yīng)。對(duì)于傳輸帶寬超過(guò)2.4 MHz 的子載波,30 GHz 載頻、1 200 km 軌道衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)造成的多普勒可以小于載頻的5%,滿足歸一化殘余頻偏不超過(guò)子載波帶寬5%的性能指標(biāo)。
在星歷預(yù)先補(bǔ)償技術(shù)中,衛(wèi)星通過(guò)廣播控制信道BCCH 將包含有衛(wèi)星當(dāng)前所處軌道經(jīng)緯度、運(yùn)行速度、軌道根數(shù)及其變化規(guī)律等參數(shù)的信息發(fā)送給地面終端,終端通過(guò)計(jì)算可以預(yù)測(cè)出衛(wèi)星未來(lái)的變化趨勢(shì)并預(yù)先進(jìn)行補(bǔ)償,這樣就可以最大程度的避免多普勒頻移造成的頻偏。
物聯(lián)網(wǎng)是衛(wèi)星與5G融合的重要應(yīng)用之一,當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)通信帶寬遠(yuǎn)低于衛(wèi)星通信系統(tǒng)帶寬,200 kHz的傳輸帶寬即可滿足物聯(lián)網(wǎng)通信基本需求,但目前衛(wèi)星通信鏈路較長(zhǎng)的傳輸時(shí)延無(wú)法滿足物聯(lián)網(wǎng)的低時(shí)延要求。對(duì)于LEO,由于相對(duì)地面某點(diǎn)的距離變化較大及傳輸功率受限等,其時(shí)延變化較為明顯,為使其能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)的低時(shí)延需求,可通過(guò)降低空中接口最小資源顆粒度,形成窄帶的廣域接入以減少時(shí)延;同時(shí),可通過(guò)發(fā)送可配置、可拉伸的短突發(fā)信號(hào)波形,使得在長(zhǎng)時(shí)延衛(wèi)星信道下提高接入成功率。
衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)是典型的功率受限系統(tǒng),其通信鏈路性能受功放設(shè)備的影響非常嚴(yán)重,功放能力的不足會(huì)導(dǎo)致傳輸鏈路處于非平穩(wěn)噪聲干擾中,甚至導(dǎo)致通信斷路。因此衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)需要在短突發(fā)包長(zhǎng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)移動(dòng)通信更低信噪比的接收處理能力。
衛(wèi)星利用多波束天線技術(shù)在地面形成一個(gè)個(gè)小區(qū),其覆蓋方式包括衛(wèi)星固定覆蓋和地面固定覆蓋,2種覆蓋方式分別對(duì)應(yīng)異步切換和同步切換。異步切換時(shí)衛(wèi)星波束在地球上形成的覆蓋面以恒定的速度運(yùn)動(dòng),該方式下的星上載荷設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,技術(shù)復(fù)雜度較低,但終端在小區(qū)間的切換較為頻繁,移動(dòng)性管理較難,Indium 系統(tǒng)采用的是異步切換技術(shù)。同步切換時(shí)衛(wèi)星波束在地球上形成的覆蓋面在一段時(shí)間內(nèi)是恒定的,其星地鏈路保持不變,該方式下通信質(zhì)量較好、便于實(shí)現(xiàn)分集技術(shù)和無(wú)損切換,但技術(shù)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜、要求全網(wǎng)時(shí)鐘同步且波束成型難度較大,Teledesic系統(tǒng)采用的是同步切換技術(shù)。
頻率資源受限是影響LEO 網(wǎng)絡(luò)與5G 網(wǎng)絡(luò)融合的重要因素,為應(yīng)對(duì)頻率資源受限的困境,現(xiàn)階段大多采用LEO 網(wǎng)絡(luò)和5G 網(wǎng)絡(luò)頻率復(fù)用技術(shù),通過(guò)合理的頻譜協(xié)同規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)二者之間的頻譜共享進(jìn)而提升融合網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量。
在L、S 等低頻段,LEO 網(wǎng)絡(luò)和5G 網(wǎng)絡(luò)使用不同載頻,衛(wèi)星波束覆蓋小區(qū)邊緣用戶,5G 基站覆蓋小區(qū)中心用戶,可以顯著提高蜂窩網(wǎng)的頻率復(fù)用效率;在Ka、Q/V 等高頻段,由于天線波束角較窄,可以利用波束的自身空間分割降低系統(tǒng)間頻譜干擾。除此之外,可利用協(xié)同頻譜感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻譜共享,多個(gè)用戶使用同一頻段通信,提升用戶容量及頻譜利用率。
綜上所述,LEO與5G的融合涉及到諸多技術(shù)方面內(nèi)容,當(dāng)前處于融合技術(shù)研究的初期階段,實(shí)現(xiàn)了LEO與5G網(wǎng)絡(luò)之間的架構(gòu)融合,可滿足二者之間的數(shù)據(jù)互通、波束切換、頻率復(fù)用、業(yè)務(wù)兼容。在此基礎(chǔ)上,本文涉及到的LEO 與5G 融合架構(gòu)、融合層次、融合內(nèi)容及融合關(guān)鍵技術(shù)等方面,提供了LEO 與5G 融合的可行性方案,為后續(xù)工程提供參考。
下一階段的研究方向?qū)⑹菍?shí)現(xiàn)技術(shù)體制的融合,研究LEO 與5G 網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)體制,采用統(tǒng)一的空口技術(shù)體制,進(jìn)行統(tǒng)一的資源管理和動(dòng)態(tài)資源共享,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的業(yè)務(wù)調(diào)度與編排,最終打造高效的空天地一天化網(wǎng)絡(luò),為用戶提供無(wú)感知、無(wú)縫、極簡(jiǎn)接入的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。