鄭重 繆中宇 鄭寒雨 蒲明龍 欒珊 陳特 丁睿 張偉

(中國空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部 國家航天局衛(wèi)星通信系統(tǒng)創(chuàng)新中心，北京 100094)

地面移動(dòng)通信系統(tǒng)以約每10年1代的速度高速發(fā)展，技術(shù)創(chuàng)新層出不窮，自20世紀(jì)80年代第1代移動(dòng)通信系統(tǒng)(1G)誕生至今，第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)已成功商用，地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率與頻譜效率不斷攀升，人類通信實(shí)現(xiàn)了從模擬話音業(yè)務(wù)到文本與中低速多媒體業(yè)務(wù)，再到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與萬物互聯(lián)的飛躍。與此同時(shí)，衛(wèi)星通信也在蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的地球靜止軌道衛(wèi)星不斷向大容量、高帶寬方向演進(jìn)，高通量衛(wèi)星研制成為國際宇航企業(yè)新一輪的競爭高地。除此之外，以“一網(wǎng)”、“星鏈”為代表的中低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星也開始進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營，形成多層立體天基通信網(wǎng)絡(luò)[1]。

隨著新興業(yè)務(wù)的涌現(xiàn)，衛(wèi)星與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相對獨(dú)立的發(fā)展態(tài)勢已無法滿足未來人們對通信網(wǎng)絡(luò)的需求，衛(wèi)星通信與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的融合成為學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注熱點(diǎn)。地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)槿丝谙鄬奂膮^(qū)域提供強(qiáng)大的接入能力，但在人跡罕至的鄉(xiāng)村、海洋等區(qū)域由于地面網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)難度大，維護(hù)成本高，難以提供高效覆蓋[2]。目前，地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的人口覆蓋率約為70%，陸地表面覆蓋率約為20%，與全球無縫覆蓋的泛在無線通信網(wǎng)絡(luò)相去甚遠(yuǎn)。而衛(wèi)星具有覆蓋范圍廣、覆蓋波束大、組網(wǎng)靈活和通信不受地理環(huán)境限制等優(yōu)點(diǎn)，可在偏遠(yuǎn)山區(qū)、空中、沙漠、海洋等地區(qū)提供有效服務(wù)，彌補(bǔ)地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)因技術(shù)或經(jīng)濟(jì)因素造成的覆蓋不足[3]，為個(gè)人與行業(yè)用戶提供全球無縫、泛在的高速業(yè)務(wù)體驗(yàn)[4]。面向個(gè)人用戶，融合網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，可提供低成本的泛在接入，為用戶提供多樣化的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；面向行業(yè)客戶，融合網(wǎng)絡(luò)傳輸覆蓋廣、時(shí)延抖動(dòng)小、可靠性高的特性，則能夠?yàn)樾袠I(yè)客戶提供專網(wǎng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)大時(shí)空尺度下的確定性服務(wù)與連續(xù)業(yè)務(wù)接入。此外，地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已形成了完備的通信體制協(xié)議與復(fù)雜的協(xié)議棧，保證了其可靠的通信與優(yōu)質(zhì)的用戶體驗(yàn)；而衛(wèi)星通信在通信體制協(xié)議的完備性及有效性方面較地面仍有較大的差距。衛(wèi)星通信與地面5G的融合，也有助于借助快速發(fā)展的地面網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)，吸納地面5G先進(jìn)的技術(shù)與設(shè)計(jì)思想，帶動(dòng)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)，推動(dòng)統(tǒng)一體制協(xié)議的發(fā)展與統(tǒng)一基帶芯片的設(shè)計(jì)開發(fā)。它們的充分融合、優(yōu)勢互補(bǔ)，將為未來通信發(fā)展帶來新的機(jī)遇[5]，開啟我國空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)新紀(jì)元。

本文面向衛(wèi)星與地面5G融合問題，首先介紹了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，隨后提出承載網(wǎng)融合-核心網(wǎng)融合-接入網(wǎng)融合的融合發(fā)展路線，并對各階段融合的內(nèi)涵、目標(biāo)、挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，最后提出了對我國未來衛(wèi)星系統(tǒng)謀劃的啟示與建議。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外已從融合架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)體系、演示驗(yàn)證等方面對衛(wèi)星通信與地面5G融合的通信技術(shù)開展了研究，兩者融合的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作也在穩(wěn)步推進(jìn)。國際電信聯(lián)盟(ITU)先后提出了ITU-RM.2176-1，ITU-RM.2047-0，ITU-RM.2083，ITU-RM.2460等一系列報(bào)告與建議書，制定了衛(wèi)星無線接口的要求與詳細(xì)指標(biāo)，定義了衛(wèi)星與下一代地面通信技術(shù)結(jié)合需要具備的核心能力，并提出了融合網(wǎng)絡(luò)中繼到站、小區(qū)回傳等4種典型應(yīng)用場景[6]，如圖1所示。第3代合作計(jì)劃(3Gpp)早在第14版本(R14)標(biāo)準(zhǔn)的研究中就明確將衛(wèi)星接入列為地面5G的多個(gè)接入技術(shù)之一，并在TS38.811中明確提出了非地面網(wǎng)絡(luò)(NTN)[7]。3Gpp在后續(xù)的R16研究中相繼分析了衛(wèi)星對地面5G系統(tǒng)架構(gòu)的影響及NTN對地面5G物理層的影響[8-9]，并探討了支持衛(wèi)星接入地面5G網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用場景與需求。在當(dāng)前R17的標(biāo)準(zhǔn)化工作中共有3個(gè)NTN項(xiàng)目，分別討論面向彎管衛(wèi)星通信的地面5G無線空口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、衛(wèi)星接入對地面5G系統(tǒng)架構(gòu)的影響及窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)系統(tǒng)在衛(wèi)星通信下的標(biāo)準(zhǔn)化影響。

圖1 ITU提出的融合應(yīng)用場景Fig.1 Integrated scenario proposed by ITU

在工程實(shí)踐方面，2019年韓國KT Sat公司成功進(jìn)行了全球首次通過衛(wèi)星的地面5G數(shù)據(jù)傳輸，2020年吉萊特公司利用地面5G蜂窩回程解決方案成功開展了地面5G通信演示，聯(lián)發(fā)科技股份有限公司與國際海事衛(wèi)星組織開展了地面5G衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)連接測試，由歐盟支持的SaT5G項(xiàng)目則完成了基于Pre-5G測試平臺的衛(wèi)星與3Gpp架構(gòu)的融合，驗(yàn)證了衛(wèi)星在提供蜂窩基站回程、向網(wǎng)絡(luò)邊緣傳遞內(nèi)容等方面的優(yōu)勢[10]。與此同時(shí)，國內(nèi)也正在加大力度進(jìn)行相關(guān)探索，開展了地面5G技術(shù)應(yīng)用于低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的空中接口標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究，并在2019年發(fā)射了“天象”試驗(yàn)衛(wèi)星，在軌驗(yàn)證了地面5G的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)等關(guān)鍵技術(shù)。2020年，銀河航天公司發(fā)射的銀河1號衛(wèi)星搭載了Q/V高頻段載荷，并對地面5G通信協(xié)議進(jìn)行了傳輸驗(yàn)證。盡管衛(wèi)星通信與地面5G融合研究已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，也已開展工程探索，但目前衛(wèi)星通信與地面5G融合的內(nèi)涵與層次仍有待分析與明確，衛(wèi)星通信場景的特性與地面5G技術(shù)難點(diǎn)也有待進(jìn)一步挖掘。

2 衛(wèi)星通信與地面5G融合路線

地面5G作為地面最新一代移動(dòng)通信技術(shù)，它與衛(wèi)星通信融合的一種內(nèi)涵即是衛(wèi)星通信借鑒地面5G先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，此類技術(shù)借鑒并未涉及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的融合，并不在本文的討論范疇之中。唯有互相融入對方的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，才能形成面向未來的星地一體化網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)前，衛(wèi)星通信主要使用星上透明轉(zhuǎn)發(fā)的模式，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Network architechture of satellite communicationswith transparent transponder

衛(wèi)星終端將信息發(fā)送給衛(wèi)星，透明衛(wèi)星不對信息進(jìn)行任何處理，僅做頻率搬移，將信息轉(zhuǎn)發(fā)至地面信關(guān)站，信關(guān)站與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中心相連，由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中心執(zhí)行信息處理與網(wǎng)絡(luò)控制，并最終與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。地面5G則是基本繼承了地面移動(dòng)通信“接入網(wǎng)-承載網(wǎng)-核心網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖3所示。

目前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般有自己獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過自身的核心網(wǎng)可以與地面通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，可以認(rèn)為衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)絡(luò)并無融合。進(jìn)入融合階段后，可借鑒地面完整的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在不同的網(wǎng)絡(luò)層面開展技術(shù)與體系架構(gòu)研究，即承載網(wǎng)融合、核心網(wǎng)融合與接入網(wǎng)融合，最大化繼承現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與能力，以最小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的深度融合。為實(shí)現(xiàn)空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)的終極目標(biāo)，保證融合系統(tǒng)的穩(wěn)步推進(jìn)與平滑過渡，衛(wèi)星通信與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)經(jīng)歷由淺入深、分步驟分階段融合，在最頂層按照承載網(wǎng)融合、核心網(wǎng)融合、接入網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)融合步驟研究，逐步實(shí)現(xiàn)更深層次的融合，最終形成資源共享、隨遇接入的一體化網(wǎng)絡(luò)。圖4為衛(wèi)星通信與地面5G/6G融合網(wǎng)絡(luò)發(fā)展路線。

注：RF為射頻；D/A為數(shù)模；PHY為物理層；MAC為媒體接入層；RLC為無線鏈路控制層；PDCP為實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議；RRC為無線資源控制；AAU為有源陣列單元；DU為分布單元；CU為中央單元；NSSF為網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能；NEF為網(wǎng)絡(luò)開放功能；NRF為網(wǎng)絡(luò)倉儲(chǔ)功能；AUSF為鑒權(quán)服務(wù)功能；UDM為統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理；PCF為策略控制功能；NF為網(wǎng)絡(luò)功能；SBI為基于服務(wù)的接口；AMF為接入管理功能；SMF為會(huì)話管理功能；UPF為用戶面功能。圖3 5G通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3 Network architechture of 5G

圖4 衛(wèi)星通信與地面5G/6G融合發(fā)展路線Fig.4 Development roadmap of integration of satellite communications and ground 5G/6G

3 融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1 承載網(wǎng)融合

承載網(wǎng)融合是一種較為松散的融合方式，技術(shù)難度小，松耦合。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)作為承載網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)5G基站(gNB)的回傳，如圖5所示。5G基站的回傳可以根據(jù)需求在地面承載網(wǎng)與衛(wèi)星承載網(wǎng)間進(jìn)行切換；而基站與用戶終端仍為地面5G系統(tǒng)的基站與終端，用戶無需改變終端。承載網(wǎng)融合將成為應(yīng)用范圍最為廣闊的一種融合方式，目前已有部分廠商開展工程應(yīng)用探索。

圖5 承載網(wǎng)融合Fig.5 Bearer network integration

3.1.1 面臨挑戰(zhàn)

當(dāng)前5G承載網(wǎng)主要指標(biāo)要求為：傳輸帶寬方面，4G基站承載網(wǎng)帶寬僅為200 Mbit/s，典型5G低頻單基站的峰值帶寬為5 Gbit/s，高頻單基站的峰值帶寬為15 Gbit/s。時(shí)延方面，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(eMBB)業(yè)務(wù)要求用戶面和控制面的時(shí)延分別低于4.0 ms和10.0 ms；超可靠低延遲通信(uRLLC)業(yè)務(wù)要求用戶面和控制面的時(shí)延分別低于0.5 ms和10.0 ms。5G承載網(wǎng)的高速傳輸和低時(shí)延對衛(wèi)星通信提出了更高的要求，需要通過更高頻段、更窄波束等技術(shù)滿足5G承載網(wǎng)的要求。目前，衛(wèi)星的能力無法滿足城市大流量的5G基站回傳需求，只能通過建立臨時(shí)5G基站的回傳鏈路拓展5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，在郊區(qū)等人煙稀少地區(qū)或者在應(yīng)急條件下為5G基站提供降級回傳服務(wù)。

3.1.2 關(guān)鍵技術(shù)

高通量衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星系統(tǒng)可以作為支撐衛(wèi)星與5G承載網(wǎng)融合的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)5G承載網(wǎng)對大容量、低時(shí)延回傳鏈路的需求。

1)高通量衛(wèi)星系統(tǒng)

對于5G增強(qiáng)寬帶帶來的高速大容量承載網(wǎng)的需求，現(xiàn)有在軌的及正在快速發(fā)展的高軌高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)可較好地滿足。目前，中星16號衛(wèi)星可形成26個(gè)用戶點(diǎn)波束。衛(wèi)星首次搭載Ka頻段通信載荷，衛(wèi)星通信總?cè)萘窟_(dá)20 Gbit/s，實(shí)踐20號衛(wèi)星則通過Q/V載荷將地面關(guān)口站容量從10 Gbit/s提升到40 Gbit/s。為了實(shí)現(xiàn)高通量衛(wèi)星系統(tǒng)，一是要發(fā)展多波束天線技術(shù)，二是要大力發(fā)展毫米波通信技術(shù)。其中：星載多波束天線的核心在于波束形成技術(shù)，具體分為星上波束形成技術(shù)與地基波束形成技術(shù)。星上波束形成技術(shù)主要利用星上波束形成網(wǎng)絡(luò)，通過對每個(gè)饋源進(jìn)行加權(quán)處理，形成所需指向的多點(diǎn)波束；地面波束形成技術(shù)則是將數(shù)字波束形成技術(shù)與其他數(shù)字處理技術(shù)放到地面上，通過地基波束形成設(shè)備同時(shí)控制上下行波束形成，實(shí)現(xiàn)波束大小與覆蓋區(qū)域的靈活調(diào)整，智能適配流量的時(shí)空非均勻分布與動(dòng)態(tài)變化特性。同時(shí)，未來通信衛(wèi)星將向越來越高的頻段發(fā)展，高通量衛(wèi)星將搭載Q/V/W頻段載荷，工作在毫米波頻段。影響高頻段載荷應(yīng)用的關(guān)鍵是接收機(jī)、功率放大器等射頻部件，以及天線、饋源等產(chǎn)品設(shè)備。為了克服Q/V頻段固有的大氣傳播衰減特性，需要對地面關(guān)口站的上行鏈路發(fā)射功率進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)與下行鏈路信號接收條件相適應(yīng)的調(diào)制編碼方案，同時(shí)通過空間分集等手段提升整體增益，提高系統(tǒng)的整體吞吐量性能。

2)低軌衛(wèi)星星座組網(wǎng)技術(shù)

低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)因其軌道位置低、傳輸時(shí)延小、能量利用效率高等特點(diǎn)，對承載高可靠、低時(shí)延及海量低功耗業(yè)務(wù)具有天然的優(yōu)勢。從2014年起，以一網(wǎng)(OneWeb)公司、太空技術(shù)探索(SpaceX)公司為代表研制的大規(guī)模低軌互聯(lián)網(wǎng)星座迅速發(fā)展，得到了產(chǎn)業(yè)界資本、運(yùn)營商的廣泛關(guān)注，印度衛(wèi)星技術(shù)(Vestaspace Technology)公司設(shè)計(jì)的星座實(shí)現(xiàn)了小于34 ms延遲、速度超過400 Mbit/s的直播高清視頻數(shù)據(jù)傳輸。低軌衛(wèi)星星座組網(wǎng)，重點(diǎn)依賴低時(shí)延組網(wǎng)技術(shù)，其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模組網(wǎng)的關(guān)鍵問題。目前，在天基信息領(lǐng)域的組網(wǎng)協(xié)議，主要包括針對深空通信設(shè)計(jì)的容延遲網(wǎng)絡(luò)(DTN)協(xié)議，以及面向航天測控通信場景提出的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)協(xié)議。其中：CCSDS為了克服空間通信大時(shí)延、低信噪比、強(qiáng)多普勒頻移與高動(dòng)態(tài)等難題，對地面成熟的傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，提出了以空間通信協(xié)議規(guī)范-傳輸協(xié)議(SCPS-TP)為核心的關(guān)鍵傳輸體制設(shè)計(jì)，通過簡化連接管理、亂序、重傳機(jī)制，以及報(bào)文頭部壓縮，以低開銷實(shí)現(xiàn)端到端可靠傳輸[5]。但是，低軌衛(wèi)星星座規(guī)模大、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性高、星地間相對移動(dòng)性強(qiáng)及空間節(jié)點(diǎn)資源受限等特點(diǎn)，使得現(xiàn)有的組網(wǎng)協(xié)議無法滿足未來低軌衛(wèi)星星座間的低時(shí)延組網(wǎng)要求，因此，具備高效的路由與資源管理機(jī)制的新型協(xié)議仍然是低軌衛(wèi)星星座低時(shí)延組網(wǎng)的瓶頸問題。

3.2 核心網(wǎng)融合

核心網(wǎng)融合是衛(wèi)星通信與5G融合的第2個(gè)階段。它能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信終端與地面移動(dòng)通信終端的統(tǒng)一編址、統(tǒng)一認(rèn)證、統(tǒng)一計(jì)費(fèi)、統(tǒng)一管理等功能，網(wǎng)絡(luò)按需選擇利用衛(wèi)星或者地面網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)，而接入網(wǎng)部分仍保留各自的空口體制協(xié)議。

與4G核心網(wǎng)不同，5G核心網(wǎng)采用了基于服務(wù)的架構(gòu)(SBA)，傳統(tǒng)的網(wǎng)元功能被拆解為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)(NFS)，其中最重要的為UPF，AMF，SMF。UPF負(fù)責(zé)分組數(shù)據(jù)的監(jiān)測及路由轉(zhuǎn)發(fā)、用戶面部分的策略執(zhí)行等。AMF負(fù)責(zé)非接入層信令處理、接入層安全控制、移動(dòng)性管理等。SMF負(fù)責(zé)會(huì)話管理、用戶IP地址的分配管理、下行數(shù)據(jù)到達(dá)指示等[11]。當(dāng)前，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要作為地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，提供偏遠(yuǎn)山區(qū)及沙漠海洋的覆蓋，二者并無融合，如圖6所示。一個(gè)透明衛(wèi)星通常需要地面信關(guān)站和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中心實(shí)現(xiàn)地面接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的功能，以完成與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的通信。在這樣的架構(gòu)下，衛(wèi)星與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)無法互通有無，數(shù)據(jù)傳輸效率低，靈活性弱。

衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)融合架構(gòu)如圖7所示，采用SBA，5G核心網(wǎng)成為一個(gè)開放的平臺，可基于服務(wù)對外提供統(tǒng)一的接口。另外，5G核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了控制面和用戶面的徹底分離。然而，衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)在部署環(huán)境、信道傳播特征等方面存在很多差異，為兩者的核心網(wǎng)融合及在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中支撐5G服務(wù)能力帶來了許多挑戰(zhàn)，需要在衛(wèi)星與5G融合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中加以考慮。

注：RRU為射頻拉遠(yuǎn)單元；BBU為室內(nèi)基帶處理單元；AF為應(yīng)用功能。圖6 當(dāng)前衛(wèi)星通信與地面5G互聯(lián)互通架構(gòu)Fig.6 Interconnection architechture of current satellite communications and ground 5G

圖7 核心網(wǎng)融合Fig.7 Core network integration

3.2.1 面臨挑戰(zhàn)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高動(dòng)態(tài)、空間大時(shí)延特性會(huì)對核心網(wǎng)的控制面協(xié)議和用戶轉(zhuǎn)發(fā)面功能產(chǎn)生影響，在衛(wèi)星與地面5G融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，將衛(wèi)星通信基于地面5G核心網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，現(xiàn)有的位置更新與切換等過程上無法與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的信道環(huán)境特性相匹配。

(1)位置更新。在地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，終端駐留在小區(qū)中，該小區(qū)在無線接入網(wǎng)中具有唯一標(biāo)志，只要終端停留的注冊區(qū)不變，就不需要更新位置。如果出現(xiàn)指向該終端的通信請求，核心網(wǎng)中的接入與AMF會(huì)嘗試在該注冊區(qū)的所有小區(qū)上尋呼用戶設(shè)備。而在非同步軌道衛(wèi)星接入網(wǎng)中，隨著衛(wèi)星的移動(dòng)，終端會(huì)隨著時(shí)間的推移而駐留在不同的波束和不同的衛(wèi)星上，地面上的小區(qū)和衛(wèi)星波束之間沒有對應(yīng)關(guān)系。因此，在入網(wǎng)初始注冊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將無法基于波束和接收到注冊請求的衛(wèi)星向AMF提供跟蹤區(qū)信息，當(dāng)終端發(fā)生移動(dòng)時(shí)無法順利執(zhí)行位置更新，如果出現(xiàn)指向該終端的通信請求，將無法順利實(shí)現(xiàn)尋呼。

(2)切換。由于衛(wèi)星或者終端移動(dòng)帶來的切換主要有2種。①衛(wèi)星系統(tǒng)內(nèi)的切換，對于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，其相對地面位置快速變化，終端被同一顆衛(wèi)星連續(xù)覆蓋的時(shí)間只有十幾分鐘，對于采用多波束的低軌衛(wèi)星，同一波束連續(xù)覆蓋終端的時(shí)間只有幾分鐘，因此，衛(wèi)星間或波束間切換必須快速執(zhí)行，并防止切換過程中數(shù)據(jù)丟失。②終端在地面5G網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的切換，網(wǎng)絡(luò)間的切換過程需要考慮多方面因素，包括：同時(shí)支持星上處理和彎管透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)；切換準(zhǔn)備與切換失敗處理；時(shí)間同步；測量對象協(xié)調(diào)；無損切換的支持。除此之外，切換的方向不同，觸發(fā)條件也不一樣，例如：當(dāng)?shù)孛?G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量較好時(shí)，終端由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換到地面網(wǎng)絡(luò)；但是，只有當(dāng)蜂窩網(wǎng)信號非常弱的時(shí)候，終端才會(huì)離開地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。波束及衛(wèi)星切換等移動(dòng)性管理過程對核心網(wǎng)融合提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

3.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)的統(tǒng)一高效管理，可以增強(qiáng)現(xiàn)有地面5G核心網(wǎng)功能，匹配衛(wèi)星通信特性；還可以將衛(wèi)星核心網(wǎng)功能進(jìn)一步下沉，實(shí)現(xiàn)控制與轉(zhuǎn)發(fā)功能的分離，支持融合網(wǎng)絡(luò)的高速率傳輸與靈活調(diào)度。

1)核心網(wǎng)網(wǎng)元功能適配技術(shù)

目前，由于星地網(wǎng)絡(luò)不同的通信體制與巨大的通信鏈路差異，地面5G核心網(wǎng)在參數(shù)配置及網(wǎng)元功能設(shè)置上無法兼容衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，使得二者無法互聯(lián)互通。為了打通地面與衛(wèi)星通信的核心網(wǎng)，使得現(xiàn)有核心網(wǎng)網(wǎng)元能夠適配衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，可沿2條技術(shù)路線進(jìn)行。①增加核心網(wǎng)網(wǎng)元，即在現(xiàn)有核心網(wǎng)中增加專門用于支持衛(wèi)星及其他制式的通信網(wǎng)絡(luò)的非3Gpp互連功能(N3IWF)[12]，衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)通過N3IWF與地面5G核心網(wǎng)的UPF與AMF相連，完成衛(wèi)星終端與UPF的上下行用戶面數(shù)據(jù)包與AMF控制信令的轉(zhuǎn)發(fā)，還可負(fù)責(zé)用戶終端的加密與安全保障[13]。②升級網(wǎng)元功能，即在不改變現(xiàn)有核心網(wǎng)架構(gòu)的條件下，評估隨機(jī)接入、位置更新等物理層過程及衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)功能分割方案對系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)(如業(yè)務(wù)時(shí)延、阻塞率及定時(shí)機(jī)制)的影響，更新核心網(wǎng)參數(shù)設(shè)置，使其能夠適配衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)?；蛘?，增加現(xiàn)有網(wǎng)元功能，如通過NSSF建立用于衛(wèi)星接入的功能切片，使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠順利接入融合核心網(wǎng)。

2)天基核心網(wǎng)網(wǎng)元技術(shù)

地面5G核心網(wǎng)的核心設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)控制平面與用戶面的完全分離，通過部分核心網(wǎng)功能下沉的分布式架構(gòu)，克服集中式網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，大大節(jié)省信令開銷與業(yè)務(wù)時(shí)延。在低軌衛(wèi)星星座中，用戶信息通過星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)，但傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)功能部署在信關(guān)站中，衛(wèi)星接收到的用戶數(shù)據(jù)需要下傳至信關(guān)站以建立用戶業(yè)務(wù)與UPF的連接，進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)發(fā)策略；接入衛(wèi)星從信關(guān)站處獲得路由信息后才能選擇正確的星間鏈路，將用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳衛(wèi)星。衛(wèi)星與信關(guān)站間的交互過程極大地增加了用戶業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延，因此，低軌衛(wèi)星也可借鑒核心網(wǎng)下沉的思想，將UPF上星，建立天基核心網(wǎng)網(wǎng)元，使得用戶在接入衛(wèi)星后即可建立UPF連接，獲得必要的轉(zhuǎn)發(fā)策略，避免衛(wèi)星與信關(guān)站的頻繁交互。

3.3 接入網(wǎng)融合

地面5G與衛(wèi)星通信融合的最終形態(tài)是空中接口融合，衛(wèi)星接入網(wǎng)應(yīng)支持地面5G終端的無感接入，即在不改變終端空口協(xié)議棧的前提下，基于地面空口協(xié)議對衛(wèi)星接入網(wǎng)空口協(xié)議進(jìn)行適應(yīng)性修改，以適配星地?zé)o線環(huán)境。最終，星地構(gòu)成一個(gè)整體，為用戶提供無感的一致服務(wù)，采用協(xié)同的資源調(diào)度、一致的服務(wù)質(zhì)量、星地?zé)o縫的漫游。在空中接口融合過程中，隨著星載計(jì)算存儲(chǔ)能力的提升，接入網(wǎng)的功能逐漸上星，以減小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延；另外，衛(wèi)星通信與地面移動(dòng)通信的通信體制協(xié)議將逐漸合并統(tǒng)一。

在接入網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)體系下，根據(jù)衛(wèi)星的功能強(qiáng)弱，其在網(wǎng)絡(luò)中可承擔(dān)不同的角色。當(dāng)衛(wèi)星不具備處理功能時(shí)，衛(wèi)星在網(wǎng)絡(luò)中只起到中繼作用；當(dāng)衛(wèi)星具備有限的處理能力時(shí)，可實(shí)現(xiàn)基站DU的部分功能；當(dāng)衛(wèi)星具備較強(qiáng)的處理能力時(shí)，衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)基站的全部功能。根據(jù)衛(wèi)星功能與角色的不同，可形成不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

在星上部署透明轉(zhuǎn)發(fā)載荷的場景下，衛(wèi)星有效載荷在上行和下行方向完成變頻和射頻放大，即衛(wèi)星只作為一個(gè)模擬射頻中繼器，如圖8所示。因此，衛(wèi)星將5G用戶設(shè)備(NR-Uu)空口傳輸內(nèi)容從饋電鏈路(在NTN網(wǎng)關(guān)和衛(wèi)星之間)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)鏈路(在衛(wèi)星和終端之間)，反之亦然。饋電鏈路上的衛(wèi)星空中接口(SRI)是NR-Uu。換句話說，衛(wèi)星不終止NR-Uu。信關(guān)站(NTN-GW)支持轉(zhuǎn)發(fā)NR-Uu接口信號所需的所有功能，不同的透明衛(wèi)星可以連接到地面上的同一基站(gNB)上。

圖8 衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)示意Fig.8 Transparent transponder using satellite

考慮衛(wèi)星有效載荷實(shí)現(xiàn)基站DU功能的場景，可基于地面5G接入網(wǎng)提出的CU/DU拆分的邏輯架構(gòu)實(shí)現(xiàn)星地融合組網(wǎng)，如圖9所示。此時(shí)，衛(wèi)星和用戶設(shè)備之間業(yè)務(wù)鏈路上的空口為NR-Uu，NTN信關(guān)站和衛(wèi)星之間饋電鏈路上的空口為SRI，SRI傳輸F1協(xié)議。此外，衛(wèi)星有效載荷還支持星間鏈路。NTN信關(guān)站應(yīng)作為一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)層節(jié)點(diǎn)，支持所有必要的傳輸協(xié)議。不同衛(wèi)星上的DU可以連接到地面上的同一個(gè)CU。如果衛(wèi)星承載多個(gè)DU，同一SRI將傳輸所有相應(yīng)的F1接口實(shí)例。

圖9 星載gNB基站DUFig.9 DU of gNB on satellite

對于星上實(shí)現(xiàn)gNB全部處理功能的場景，終端和衛(wèi)星之間業(yè)務(wù)鏈路上的空口為NR-Uu，NTN信關(guān)站和衛(wèi)星之間饋電鏈路上的空口為SRI，如圖10所示。衛(wèi)星有效載荷還可支持星間鏈路(ISL)，ISL可能是無線接口或光接口。NTN信關(guān)站應(yīng)是一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)層節(jié)點(diǎn)，支持所有必要的傳輸協(xié)議。衛(wèi)星gNB服務(wù)的用戶設(shè)備可以通過ISL接入5GCN。不同衛(wèi)星上的gNB可以連接到地面上的同一個(gè)5GCN。如果衛(wèi)星承載多個(gè)gNB的功能，則同一個(gè)SRI將傳輸所有相應(yīng)的核心網(wǎng)接口實(shí)例。

圖10 星載gNB基站全部功能Fig.10 All functions of gNB on satellite

3.3.1 面臨挑戰(zhàn)

在接入網(wǎng)的融合過程中，隨著星載計(jì)算存儲(chǔ)能力的提升，接入網(wǎng)的功能逐漸上星，以減小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延；此外，衛(wèi)星通信與地面移動(dòng)通信的通信體制協(xié)議將逐漸合并統(tǒng)一。然而，衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在部署環(huán)境、信道傳播特征等方面存在很多差異，為兩者的接入網(wǎng)融合帶來了許多挑戰(zhàn)，需要在衛(wèi)星通信與地面5G融合的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中加以考慮。衛(wèi)星通信信道特點(diǎn)和地面通信相比差別很大。地面5G/6G通信系統(tǒng)針對地面無線信道環(huán)境設(shè)計(jì)，難以直接應(yīng)用于星地鏈路，需要分析星地鏈路和地面無線信道的差異。具體的挑戰(zhàn)如下。

(1)多普勒頻移。地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施基本固定，基站與終端的相對位置變化主要由終端的移動(dòng)性產(chǎn)生；對于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來說，不止終端具有移動(dòng)特征，衛(wèi)星也沿其軌道處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?？梢姡瑢τ谛l(wèi)星通信系統(tǒng)來說，特別是非同步軌道衛(wèi)星，多普勒頻移帶來的影響不容忽視。5G在傳輸體制上采用多載波正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)，其子載波間隔設(shè)計(jì)沒有考慮到多普勒頻移的影響，無法滿足衛(wèi)星系統(tǒng)的需要(主要是低軌衛(wèi)星)，尤其是在Ka或Ku等高頻段，多普勒頻移將帶來子載波間的干擾。

(2)頻率管理與干擾。目前，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可用的頻率資源較為有限，包括S頻段的2×15 MHz(上下行)和Ka頻段的2×2500 MHz(上下行)。為提高系統(tǒng)容量，一般通過多色復(fù)用提高頻率資源的利用率，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮消除小區(qū)間干擾。另外，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)之間的干擾、在赤道地區(qū)同步軌道衛(wèi)星與非同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)間的干擾也是制約系統(tǒng)性能的主要因素。

(3)功率受限。不同于陸地蜂窩網(wǎng)，衛(wèi)星上的功率資源有限，為了能在給定發(fā)射功率條件下最大化吞吐量，功率放大器要工作在鄰近飽和點(diǎn)的狀態(tài)。地面5G的下行鏈路使用帶循環(huán)前綴的OFDM(CP-OFDM)波形，具有較高的峰均比，在衛(wèi)星的下行鏈路直接使用5G信號波形會(huì)降低功率放大器效率，并帶來散熱等問題。因此，在保證較高的頻帶利用率的同時(shí)降低信號峰均比，是地面5G與衛(wèi)星通信融合信號體制設(shè)計(jì)中需要解決的重要問題。

(4)定時(shí)提前。對于非同步軌道衛(wèi)星來說，高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致無線鏈路傳輸延時(shí)快速變化，可能需要?jiǎng)討B(tài)更新終端的各個(gè)定時(shí)提前(TA)，以確保所有上行鏈路傳輸在gNB接收點(diǎn)處同步。另外，衛(wèi)星鏈路的延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了5G新空口(NR)設(shè)的傳輸時(shí)間間隔(TTI)，可能需要適當(dāng)?shù)腡A索引值來解決這一問題。

3.3.2 關(guān)鍵技術(shù)

接入網(wǎng)融合的核心在于統(tǒng)一的空口體制設(shè)計(jì)，以保證天地網(wǎng)絡(luò)間無縫漫游與平滑切換。為了解決接入網(wǎng)融合所帶來的各項(xiàng)挑戰(zhàn)，需要大力發(fā)展新型信道編技術(shù)及多址技術(shù)等，攻克接入網(wǎng)融合難題，實(shí)現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)融合的終極形態(tài)。

1)低峰均比多載波技術(shù)

目前，地面5G的一系列新空口波形優(yōu)化設(shè)計(jì)仍基于OFDM方案，無法規(guī)避OFDM高峰均比(PAPR)的缺點(diǎn)。然而在上行，衛(wèi)星通信系統(tǒng)為功率受限系統(tǒng)；在下行，高PAPR信號要求前端采樣器具有較大的采樣范圍和采樣精度，增加衛(wèi)星成本。為了提升融合網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，低峰均比的新型多載波波形技術(shù)對提升衛(wèi)星功率效率至關(guān)重要。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一系列新型低峰均比的多載波波形應(yīng)運(yùn)而生，在當(dāng)前主流的OFDM調(diào)制系統(tǒng)的框架下，尋找滿足所期望的波形性能的濾波器形式，并進(jìn)一步針對系統(tǒng)的帶外干擾，對濾波器的系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其取得最佳的濾波器系數(shù)?；陔x散傅立葉變換的OFDM(DFTS-OFDM)技術(shù)是一種基于經(jīng)典OFDM波形設(shè)計(jì)的新型波形，能夠有效緩和OFDM方案所帶來的高峰均比，該技術(shù)在長期演進(jìn)技術(shù)(LTE)的上行鏈路中取得廣泛應(yīng)用，是較為成熟的低峰均比波形技術(shù)。5G新標(biāo)準(zhǔn)中也新增了基于濾波的正交頻分技術(shù)(F-OFDM)，實(shí)現(xiàn)了在頻域與時(shí)域的資源靈活復(fù)用，并把保護(hù)間隔降到了最小程度。此外，在CP-OFDMA框架下，通過對成型濾波器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使濾波器函數(shù)形狀在頻域滿足產(chǎn)生恒模信號的條件，還可產(chǎn)生具有近似包絡(luò)波形的發(fā)生信號。

2)低復(fù)雜度極化碼信道編碼技術(shù)

地面5G的業(yè)務(wù)特性及能力要求為新空口設(shè)計(jì)更加高效的新型信道編碼方案，極化碼(Polar碼)因具備優(yōu)異的性能已被確定為5G的信道編碼方案之一，衛(wèi)星信道也可借鑒Polar碼技術(shù)提升衛(wèi)星通信的傳輸可靠性。但是，在進(jìn)行衛(wèi)星通信系統(tǒng)Polar編碼方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合星地信道的特點(diǎn)，即：①衛(wèi)星飛行高度較高，因此星地通信距離較遠(yuǎn)，在通信過程中會(huì)發(fā)生大尺度衰落；②星地通信過程中，信號的傳送會(huì)受到來自于天然和人為的各種電磁波的干擾，在電磁干擾下會(huì)嚴(yán)重影響接收信號的幅度與頻率；③星地通信過程中，衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡會(huì)隨時(shí)間變化，而信號傳播過程中地形地貌都會(huì)隨之發(fā)生變化，因此信道模型的建立應(yīng)反映信道的實(shí)時(shí)狀態(tài)；④星地通信過程中由于衛(wèi)星飛行速度快，信號載波頻率高，因此存在較大的多普勒頻移，并且隨著飛行速度的變化，相應(yīng)的最大多普勒頻移也會(huì)發(fā)生變化。此外，由于星上處理能力有限，新型極化碼在充分考慮星地信道特點(diǎn)進(jìn)行編碼方案設(shè)計(jì)的同時(shí)還應(yīng)具有較低的復(fù)雜度，以保證星上應(yīng)用的可行性。

3)多普勒頻移估計(jì)與補(bǔ)償

多普勒效應(yīng)造成的子載波干擾在低軌衛(wèi)星星座中是不可忽略的。為了彌補(bǔ)由于低軌衛(wèi)星快速移動(dòng)帶來的多普勒頻移，可采用多普勒頻移估計(jì)與補(bǔ)償策略。在下行，衛(wèi)星以預(yù)補(bǔ)償?shù)姆绞桨l(fā)送同步信號，接收端根據(jù)收到的同步信號進(jìn)行頻偏估計(jì)，利用參考信號進(jìn)行細(xì)頻偏估計(jì)，并進(jìn)行基于位置的預(yù)補(bǔ)償。在上行，衛(wèi)星終端以預(yù)補(bǔ)償方式發(fā)送隨機(jī)接入導(dǎo)頻信號，衛(wèi)星基于上行參考信號進(jìn)一步進(jìn)行頻率估計(jì)與補(bǔ)償[14]。此外，目前主流的衛(wèi)星通信協(xié)議支持星歷信息的廣播傳輸，如數(shù)字視頻廣播(DVB)協(xié)議將星歷信息攜帶在衛(wèi)星位置信息表(SPB)中，使得衛(wèi)星終端能夠通過前向信令信息獲取衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢，更加精確地計(jì)算自身與衛(wèi)星的相對運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)頻偏估計(jì)的準(zhǔn)確度。

4)非正交多址技術(shù)(NOMA)

與正交頻分多址接入(OFDMA)相比，NOMA在時(shí)間、頻率和空間等物理資源基礎(chǔ)上，引入了功率域、碼域維度，進(jìn)一步提高了用戶的連接數(shù)和信道容量。低軌衛(wèi)星星座與地面系統(tǒng)在衛(wèi)星信道環(huán)境方面有類似的多徑特點(diǎn)，而且載荷功率受限，從這點(diǎn)上來說，非正交接入更適合低軌衛(wèi)星。在星地融合空中接口上，功率域方案不易實(shí)施，碼域方案是較為可行的實(shí)現(xiàn)途徑。碼域的稀疏碼多址接入(SCMA)包含低密度擴(kuò)頻技術(shù)和多維/高維調(diào)制技術(shù)兩大關(guān)鍵技術(shù)。SCMA和Polar碼在F-OFDM的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升了連接數(shù)、可靠性和頻譜效率。目前，針對非正交多址接入的研究還不夠全面深入，由于低軌衛(wèi)星星座的多譜勒是地面的幾十倍，在低軌衛(wèi)星上使用更需要考慮衛(wèi)星的多譜勒影響。由于星上處理能力有限，低復(fù)雜度多址算法設(shè)計(jì)是需要突破的主要技術(shù)問題。

3.4 小結(jié)

承載網(wǎng)融合、核心網(wǎng)融合與接入網(wǎng)融合的對比分析，如表1所示。

表1 3種融合網(wǎng)絡(luò)對比Table 1 Comparison of three integration networks

4 啟示與建議

本文提出了衛(wèi)星與地面5G的承載網(wǎng)-核心網(wǎng)-接入網(wǎng)漸進(jìn)發(fā)展的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并梳理出在融合過程中面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)各類融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形態(tài)，提出以下發(fā)展建議。

(1)面向承載網(wǎng)應(yīng)用需求，加快高通量衛(wèi)星技術(shù)攻關(guān)。高通量衛(wèi)星采用多點(diǎn)波束、頻率復(fù)用、高波束增益等技術(shù)，通過更大的帶寬、更高的頻譜效率提供幾十倍于傳統(tǒng)衛(wèi)星的通信容量，可提供與地面5G相近的廣播傳輸能力(單信道300 Mbit/s以上)，有望滿足地面5G對承載網(wǎng)的要求。多波束覆蓋是提升空間頻率復(fù)用率的關(guān)鍵技術(shù)，其中，星載多波束天線是核心設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)更高的容量，需要更多、更窄的點(diǎn)波束，這意味著需要更大的星載多波束天線口徑，也會(huì)直接導(dǎo)致星上載荷的質(zhì)量及復(fù)雜度成幾何級的增長。因此，需要著力發(fā)展超大口徑可展開多波束天線、毫米波通信、高功率載波聚合等技術(shù)，攻克技術(shù)工程實(shí)用性難題，加快高通量衛(wèi)星通信與地面5G承載網(wǎng)的融合。

(2)面向低軌衛(wèi)星星座組網(wǎng)發(fā)展，進(jìn)行組網(wǎng)體制創(chuàng)新。低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)因其軌道位置低、傳輸時(shí)延小、能量利用效率高等特點(diǎn)，對承載高可靠、低時(shí)延及海量低功耗業(yè)務(wù)具有天然的優(yōu)勢。低軌衛(wèi)星高速移動(dòng)帶來的星間拓?fù)涓邉?dòng)態(tài)性、星間的大傳輸時(shí)延及衛(wèi)星計(jì)算能力與功耗的限制等特性，使得地面成熟的組網(wǎng)協(xié)議難以為空間組網(wǎng)提供有效支撐，如何保證大規(guī)模衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的高效信息交換是需要解決的難題。為了滿足空間網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)需求，需要發(fā)展新型的組網(wǎng)協(xié)議，設(shè)計(jì)新型星間組網(wǎng)體制協(xié)議，攻克高動(dòng)態(tài)拓?fù)湎戮W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的編址、路由與星載資源受限下的交換技術(shù)。

(3)基于地面5G核心網(wǎng)架構(gòu)，開展衛(wèi)星通信核心網(wǎng)設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)與地面5G的高效、可靠融合，亟需開展面向衛(wèi)星5G融合的核心網(wǎng)技術(shù)研究。將衛(wèi)星核心網(wǎng)的控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能實(shí)現(xiàn)分離，轉(zhuǎn)發(fā)功能進(jìn)一步簡化下沉，將業(yè)務(wù)存儲(chǔ)和計(jì)算能力從網(wǎng)絡(luò)中心下移到網(wǎng)絡(luò)邊緣，以支持高流量的傳輸要求和靈活均衡的流量負(fù)載調(diào)度。其中：重點(diǎn)突破融合核心網(wǎng)中的移動(dòng)性管理難題，開展星地解耦編址、基于星歷信息切換、雙連接軟切換等移動(dòng)性管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)終端在星地網(wǎng)絡(luò)之間按需自由切換。

(4)面向終端隨遇接入目標(biāo)，大力推進(jìn)統(tǒng)一空口體制論證。統(tǒng)一的空口體制設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)天地網(wǎng)絡(luò)間無縫漫游與平滑切換，也有助于減小終端體積并降低終端功耗，為用戶提供高質(zhì)量的一致化服務(wù)體驗(yàn)。在星地?zé)o線通信環(huán)境中，存在鏈路損耗大、傳播時(shí)延長、頻率資源受限、超大小區(qū)半徑、星上與終端功率受限等不同于地面無線傳播環(huán)境的特點(diǎn)。地面5G演進(jìn)空口體制，包括基本波形、同步及參考信號、上行用戶隨機(jī)接入，以及用戶數(shù)據(jù)及控制信息傳輸?shù)?，均針對地面無線傳播環(huán)境的特點(diǎn)設(shè)計(jì)，難以直接應(yīng)用于星地用戶鏈路。因此，需要研究面向大動(dòng)態(tài)環(huán)境的同步與廣播信息傳輸，面向大小區(qū)半徑的上行用戶隨機(jī)接入，面向功率受限環(huán)境的波形設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)統(tǒng)一的空口體制論證。

5 結(jié)束語

面向衛(wèi)星通信與地面5G融合的發(fā)展需求，本文從發(fā)展與前瞻的視角，總結(jié)衛(wèi)星通信與地面5G融合的需求與趨勢，對地面5G通信系統(tǒng)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開展深入分析，形成了融合發(fā)展趨勢，提出了承載網(wǎng)融合、核心網(wǎng)融合、接入網(wǎng)融合的由淺至深的融合發(fā)展路線，并在此基礎(chǔ)上就各個(gè)融合發(fā)展階段的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了設(shè)想，分析了融合探索過程中面臨的挑戰(zhàn)與關(guān)鍵使能技術(shù)，可為未來衛(wèi)星新系統(tǒng)謀劃提供參考。