楊立/YANG Li,竇建武/DOU Jianwu

（1.中興通訊股份有限公司，中國 深圳 518057；2.移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國 深圳 518057）

(1.ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China;2.State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia Technology, Shenzhen 518057, China)

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

5G新空口（5G-NR）屬于陸基蜂窩網(wǎng)絡(luò)，已成為當(dāng)前主要的陸地通信網(wǎng)絡(luò)。雖然5G-NR能夠通過特殊的射頻手段實(shí)現(xiàn)對(duì)近海和低空的局部無線覆蓋，但卻不能實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)海和高空等區(qū)域的無線覆蓋。在過去，遠(yuǎn)海和高空等特殊區(qū)域的移動(dòng)覆蓋服務(wù)，主要是由衛(wèi)星通信系統(tǒng)來提供的[1-2]。這是因?yàn)樾l(wèi)星通信系統(tǒng)具有三維廣域覆蓋的特點(diǎn)，很適用于高空、遠(yuǎn)海、荒漠、極地等特殊區(qū)域。一些物聯(lián)網(wǎng)終端（如飛機(jī)、輪船）具有特殊的廣域大尺度和高速移動(dòng)性。在這種場景中，通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供服務(wù)將更為便捷和經(jīng)濟(jì)[3-4]。衛(wèi)星通信系統(tǒng)雖然在增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）和超高可靠低時(shí)延通信（URLLC）應(yīng)用方面遜色于5G-NR地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)，但是在海量機(jī)器類通信（mMTC）應(yīng)用場景中仍具有顯著優(yōu)勢(shì)[5]。此外，衛(wèi)星通信還能實(shí)現(xiàn)安全應(yīng)急類通信、廣域廣播與多播，并可靈活提供網(wǎng)絡(luò)無線寬帶回傳等。衛(wèi)星通信系統(tǒng)將是未來全球泛在移動(dòng)通信不可缺少的一部分[6]。

按照衛(wèi)星軌道高度的不同，衛(wèi)星通信系統(tǒng)大概可分為低軌（LEO）衛(wèi)星（300～1 500 km）、中軌（MEO）衛(wèi)星（7 000～25 000 km）、地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星（35 786 km）和高橢圓軌（HEO）衛(wèi)星4類。其中，LEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星是當(dāng)前部署最多且最具技術(shù)代表性的，如銥星系統(tǒng)和國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)雖然能實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的全球覆蓋，也能提供常規(guī)語音和數(shù)字服務(wù)，但是與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)相比，在產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模、業(yè)務(wù)服務(wù)形態(tài)、受眾用戶數(shù)量、通信資費(fèi)等方面仍存在不足。在新一輪5G-NR技術(shù)、國家戰(zhàn)略和相關(guān)商業(yè)資本的驅(qū)動(dòng)下，傳統(tǒng)衛(wèi)星廠家逐漸意識(shí)到：如果繼續(xù)走過去封閉式的技術(shù)和市場發(fā)展之路，衛(wèi)星的應(yīng)用規(guī)模和市場價(jià)值將很難得到大幅提升，衛(wèi)星廠家的盈利瓶頸也很難得到突破。因此，衛(wèi)星廠家正在積極尋求衛(wèi)星系統(tǒng)和地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的融合，進(jìn)而激發(fā)新的商業(yè)運(yùn)營合作模式，以獲得更多的商業(yè)利潤。這種融合主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）技術(shù)方案。未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)的架構(gòu)、協(xié)議棧、物理層空口技術(shù)等應(yīng)盡量和5G-NR保持一致[7]。針對(duì)衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，局部功能也需要做適當(dāng)優(yōu)化。這有助于推動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以快速提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)的整體能力。與此同時(shí)，未來主流商用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的規(guī)范協(xié)議將主要由第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）來制定。

（2）產(chǎn)業(yè)資源。隨著未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)力量將集中在最具市場潛力且最關(guān)鍵的衛(wèi)星產(chǎn)品上。無論是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，還是用戶終端，未來都會(huì)被高度關(guān)注。沿著同一方向拓展更有利于形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模效應(yīng)，進(jìn)而有助于降低衛(wèi)星制造和服務(wù)成本。

（3）商業(yè)合作。在面向不同的應(yīng)用場景和用戶時(shí)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)不僅各具優(yōu)勢(shì)，在某些領(lǐng)域還可以產(chǎn)生重疊和互操作。因此，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該取長補(bǔ)短，通過更緊密的互操作，形成深度天地一體化的泛在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而推進(jìn)天地通信產(chǎn)業(yè)鏈之間的合作，促生更前沿的商業(yè)合作模式。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 融合前傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特征和架構(gòu)

截至2018年，全球在軌的通信衛(wèi)星約有800顆，其中大部分是GEO和中低軌道衛(wèi)星。通信衛(wèi)星可提供語音、導(dǎo)航、天基互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等。2016年，中國發(fā)射的“天通一號(hào)01”衛(wèi)星采用窄帶單載波的制式，星上采取彎管透明轉(zhuǎn)發(fā)。它可以提供1.2 kbit/s的速率語音和最大384 kbit/s的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。2017年，中國發(fā)射的“中星16號(hào)”衛(wèi)星采取寬帶傳輸制式，能提供20 kbit/s的高通量服務(wù)。由于中低軌道衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座能提供更大的通信容量和更短的端到端時(shí)延，因此它們成為未來商業(yè)應(yīng)用發(fā)展的主要目標(biāo)。對(duì)此，中國啟動(dòng)國家科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目——天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)低軌接入網(wǎng)（軌道高度800～1 100 km），包括鴻雁系列星座（軌道高度為1 100 km，共324顆衛(wèi)星）、虹云系列星座（軌道高度為1 040 km，共156顆衛(wèi)星）。圖1左側(cè)是一個(gè)有16個(gè)軌道面的低軌衛(wèi)星星座分布圖；圖1右側(cè)是一個(gè)具備16波束能力的衛(wèi)星地面投射覆蓋示意圖，且橢圓長直徑約為400 km。

▲圖1 低軌衛(wèi)星星座分布和地面信號(hào)覆蓋示意圖

對(duì)于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，無論軌道高度和衛(wèi)星類型如何，其系統(tǒng)架構(gòu)都可用圖2來表示。衛(wèi)星用戶終端（UE）可以是手持設(shè)備，也可是拋物面式的收發(fā)器等。UE和衛(wèi)星之間的無線鏈路稱為服務(wù)鏈路。衛(wèi)星和地面觀測(cè)控制站（衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)/觀口站/信關(guān)站等）之間的無線鏈路稱為饋電鏈路。地面控制站可通過地面全互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）網(wǎng)絡(luò)與核心網(wǎng)（CN）和數(shù)據(jù)網(wǎng)（DN）相連。

▲圖2 傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本架構(gòu)

根據(jù)星上處理能力和配置，衛(wèi)星可劃分為兩大類。第1類為彎管型（不支持星間鏈路）衛(wèi)星，這類衛(wèi)星以模擬信號(hào)變頻放大和簡單中繼轉(zhuǎn)發(fā)為主，同時(shí)星上處理復(fù)雜度和衛(wèi)星成本都較低。第2類為再生型衛(wèi)星，這類衛(wèi)星有較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力（能支持星間鏈路），但星上處理復(fù)雜度和衛(wèi)星成本都較高，對(duì)衛(wèi)星的物理載荷能力要求也較高。

由于GEO衛(wèi)星處于35 786 km的高度，并且相對(duì)于地面靜止，因此GEO衛(wèi)星波束所提供的覆蓋也是相對(duì)靜止的，對(duì)應(yīng)的地面容量/覆蓋規(guī)劃和鏈路控制都相對(duì)簡單。非地球同步軌道（NGEO）衛(wèi)星有著特定的軌道和運(yùn)行速度，因此這類衛(wèi)星通常向地面提供移動(dòng)式覆蓋。此外，NGEO的多普勒頻移、動(dòng)態(tài)變化時(shí)延/路損和對(duì)無線鏈路的性能要求都會(huì)增加，對(duì)地面容量/覆蓋的規(guī)劃和衛(wèi)星鏈路控制也會(huì)變得更加復(fù)雜。由于NGEO衛(wèi)星有著不同的發(fā)射接收仰角和天線模式，因此投射在地面的服務(wù)小區(qū)拓?fù)湫螤钜矔?huì)隨著衛(wèi)星的移動(dòng)而不斷發(fā)生變化。雖然NGEO衛(wèi)星的部署比GEO衛(wèi)星復(fù)雜，但是一旦NGEO衛(wèi)星入軌運(yùn)行，它的星歷信息也就會(huì)確定，即衛(wèi)星地面站可準(zhǔn)確判斷任意時(shí)間衛(wèi)星所在的具體位置，同時(shí)衛(wèi)星對(duì)地面的投射信號(hào)覆蓋也將呈現(xiàn)出一定的周期性變化規(guī)律。因此，衛(wèi)星星歷信息可用來高效輔助衛(wèi)星和終端的移動(dòng)性管理。LEO衛(wèi)星的軌道低，它對(duì)應(yīng)的無線鏈路環(huán)回時(shí)延（2～13 ms）和路損都相對(duì)較小，更容易保證無線鏈路的質(zhì)量和有利于寬帶類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的開展。而GEO衛(wèi)星的無線鏈路環(huán)回時(shí)延（約560 ms）和路損都相對(duì)較大，對(duì)衛(wèi)星終端的天線類型和發(fā)射功率都有更高的要求，需要花更大的代價(jià)去保證無線鏈路的質(zhì)量。

從系統(tǒng)角度看，LEO衛(wèi)星處于低軌空間環(huán)境，會(huì)受到更多外界環(huán)境的干擾（地球引力、大氣塵埃、星際輻射等），通常壽命會(huì)更短一些。由于LEO衛(wèi)星軌道低，通常投射的小區(qū)覆蓋范圍沒有GEO衛(wèi)星那么大。為了實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，需要部署成百上千顆LEO衛(wèi)星，而這會(huì)使得發(fā)射和維護(hù)成本變得很高。相比之下，GEO衛(wèi)星的使用壽命通常更長一些，GEO覆蓋服務(wù)小區(qū)較大，只需要幾十顆甚至幾顆衛(wèi)星就可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，因此發(fā)射和維護(hù)成本不高。總的來說，GEO和NGEO（主要是LEO）衛(wèi)星各有優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際部署時(shí)，可考慮混合異構(gòu)部署組網(wǎng)。相同類型或不同類型的衛(wèi)星之間，還可配置星間鏈路，并利用微波或激光等進(jìn)行信號(hào)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，使衛(wèi)星信號(hào)能沿最佳路徑到達(dá)地面。

2.2 融合后未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特征和架構(gòu)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面蜂窩系統(tǒng)的差異主要表現(xiàn)在以下面幾個(gè)方面：

（1）衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要特定的衛(wèi)星頻段和專有的芯片終端，才能進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)的收發(fā)，特別是在終端的天線射頻能力配置方面，因此，過去無法以低成本的方式實(shí)現(xiàn)像普通UE那樣的小型化和一體化。

（2）衛(wèi)星通信系統(tǒng)的架構(gòu)和協(xié)議棧完全取決于各個(gè)衛(wèi)星廠家的內(nèi)部設(shè)置。衛(wèi)星通信系統(tǒng)沒有公共的核心網(wǎng)來做統(tǒng)一的業(yè)務(wù)編排和策略安全管控。對(duì)于再生類型衛(wèi)星，有什么樣的數(shù)字處理模塊和多少處理資源配置，都沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。衛(wèi)星通信設(shè)備大多基于專有的硬件模塊實(shí)現(xiàn)，而非基于日益流行的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）。

（3）衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面蜂窩系統(tǒng)之間沒有統(tǒng)一的服務(wù)質(zhì)量（QoS）體系，也不能進(jìn)行復(fù)雜的跨系統(tǒng)操作，例如跨系統(tǒng)切換、無線資源負(fù)荷均衡、多連接操作等，因此很難提供一致性的服務(wù)。

（4）衛(wèi)星通信系統(tǒng)對(duì)可靠性要求較高。衛(wèi)星模塊器件工作在極端的太空環(huán)境中，需要考慮有害的高能粒子流和180～120 ℃的溫度變化。

在過去，衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面蜂窩系統(tǒng)是兩套獨(dú)立的無線系統(tǒng)。國際電信聯(lián)盟無線電通信部門（ITU-R）SG4-WP4B工作組開展的天地系統(tǒng)融合方面的研究，為其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了重要參考。3GPP在Release 14—16期間，發(fā)起了一系列與衛(wèi)星通信相關(guān)的項(xiàng)目。

Release 16階段：

·業(yè)務(wù)與系統(tǒng)架構(gòu)組（SA）1研究項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星一體化的標(biāo)準(zhǔn)化；

·SA2研究項(xiàng)目確定衛(wèi)星5G系統(tǒng)架構(gòu)；

·無線接入網(wǎng)（RAN）1—3研究項(xiàng)目制定新空口支持非地面網(wǎng)絡(luò)解決方案[8]。

Release15階段：

·完成3GPP TR 22.822[9]《5G 中使用衛(wèi)星接入》研究報(bào)告，確定融合衛(wèi)星接入的5G系統(tǒng)的用戶案例。

·完成3GPP TR 38.811[10]《新空口支持非地面網(wǎng)絡(luò)》研究報(bào)告。

Release14：完成3GPP TS 22.261[11]《下一代新業(yè)務(wù)和市場的業(yè)務(wù)需求》報(bào)告。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)和5G-NR之間的深度融合應(yīng)至少包括無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、終端和上層業(yè)務(wù)應(yīng)用四大方面。本文主要探討衛(wèi)星與下一代無線接入網(wǎng)（NG-RAN）架構(gòu)融合[12-16]。

2.2.1 單跳衛(wèi)星融合架構(gòu)

單跳是指，UE先經(jīng)過NR-Uu空中接口接入單顆服務(wù)衛(wèi)星，再連接到衛(wèi)星基站和核心網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)連接。這里，我們用衛(wèi)星射頻單元（Sat-RU）來表示星上只有模擬信號(hào)處理能力或很弱的數(shù)字信號(hào)處理能力的衛(wèi)星，例如彎管型衛(wèi)星或者基于廠家私有方案實(shí)現(xiàn)的星間鏈路和衛(wèi)星無線接口（SRI）信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)型衛(wèi)星；用衛(wèi)星分布單元（Sat-DU）來表示星上有較強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，但沒有完整的5G基站（gNB）整機(jī)能力或更上層的邏輯功能能力的衛(wèi)星，例如具備5G-NR L1數(shù)字信號(hào)處理能力和L2數(shù)據(jù)包處理能力的衛(wèi)星；用衛(wèi)星完整單元（Sat-FU）來表示星上有完整的gNB整機(jī)能力和更上層的邏輯功能能力的衛(wèi)星，例如具備5G gNB全部完整協(xié)議數(shù)字處理能力的衛(wèi)星。需要說明的是，如果把下文中的UE換成地面蜂窩NG-RAN基站，那么衛(wèi)星服務(wù)鏈路還能為這些地面基站提供無線回程傳輸服務(wù)。。

Sat-RU衛(wèi)星的融合架構(gòu)如圖3所示。由于單顆Sat-RU衛(wèi)星可通過SRI（饋電鏈路也可基于NR-Uu新傳輸制式）同時(shí)和多個(gè)地面gNB基站相連接，傳輸?shù)讓佣嗦纺M信號(hào)，因此gNB前端需配置支持SRI的收發(fā)模塊。Sat-RU衛(wèi)星之間可根據(jù)能力和部署的需要來配置星間鏈路（僅用于底層模擬信號(hào)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)）。在這種架構(gòu)中，相比于地面蜂窩NG-RAN，衛(wèi)星NGRAN并沒有太大改變。這是因?yàn)間NB基站、Xn接口、NG接口等都還部署在地面網(wǎng)絡(luò)中。由于UE能力有限，通常假設(shè)UE只能與單顆Sat-RU衛(wèi)星、單個(gè)地面gNB進(jìn)行通信。也就是說，這種架構(gòu)通常不支持UE和多顆衛(wèi)星之間的多連接操作。

▲圖3 Sat-RU衛(wèi)星融合架構(gòu)

在Sat-RU衛(wèi)星融合架構(gòu)中，UE和gNB之間需要分別經(jīng)歷服務(wù)和饋電兩個(gè)無線鏈路，這會(huì)給L1、L2數(shù)據(jù)塊傳輸帶來更大的時(shí)延和鏈路自適應(yīng)/功控等問題，使衛(wèi)星鏈路性能降低。隨著衛(wèi)星自身物理載荷能力的提高和SDN/NFV技術(shù)的發(fā)展，提升衛(wèi)星星上的數(shù)字處理能力并優(yōu)化資源配置，已成為衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)界的主流趨勢(shì)。未來gNB各個(gè)空口協(xié)議功能/數(shù)字處理模塊會(huì)被設(shè)置在衛(wèi)星上，從而降低L1、L2數(shù)據(jù)塊（重）傳輸時(shí)延，增強(qiáng)對(duì)衛(wèi)星鏈路的自適應(yīng)性，提升鏈路級(jí)性能。

Sat-DU衛(wèi)星融合架構(gòu)如圖4所示。單顆Sat-DU衛(wèi)星可通過F1*接口（F1*和5G-NR中的F1接口不同）同時(shí)和多個(gè)地面gNB集中單元*（gNB-CU*）相連接（gNB-CU*和5G-NR中 的gNB-CU實(shí)體不同）。gNB-CU*前端同樣需要配置支持SRI收發(fā)的模塊。Sat-DU衛(wèi)星之間可根據(jù)能力和部署的需要來配置星間鏈路（僅用于模擬信號(hào)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，暫不支持高層標(biāo)準(zhǔn)化的接口）。此種架構(gòu)下，相比于地面蜂窩NG-RAN，衛(wèi)星NG-RAN也沒有太大變化。這是因?yàn)間NB-CU*基站、Xn接口、NG接口等仍然全部部署在地面。由于UE能力有限，通常假設(shè)UE只能和單顆Sat-DU衛(wèi)星、單個(gè)地面gNB-CU*進(jìn)行通信，即這種架構(gòu)通常不支持UE和多顆衛(wèi)星之間的多連接操作。由于Sat-DU衛(wèi)星至少配置了NR 物理層（PHY）/媒體接入控制（MAC）/無線鏈路控制（RLC）等協(xié)議功能模塊，因此鏈路自適應(yīng)/功控、數(shù)據(jù)包重傳操作只需要經(jīng)歷一段服務(wù)鏈路。只有當(dāng)Sat-DU最大重傳失敗或需要執(zhí)行更高層重傳和連接重配置（RRC）操作時(shí)，管控操作才會(huì)再次回到地面gNB-CU*基站。

▲圖4 Sat-DU衛(wèi)星融合架構(gòu)

為了進(jìn)一步提升衛(wèi)星鏈路的性能，增強(qiáng)衛(wèi)星本地?zé)o線資源管控能力，降低控制面的信令傳輸時(shí)延，衛(wèi)星也應(yīng)具備gNB功能。Sat-FU衛(wèi)星融合架構(gòu)如圖5所示。單顆Sat-FU衛(wèi)星可通過NG接口同時(shí)和多個(gè)地面衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)（Sat-GW）相連接。Sat-GW前端同樣需要配置支持SRI的收發(fā)模塊。Sat-FU衛(wèi)星之間可根據(jù)能力和部署的需要來配置星間鏈路，以支持空中Xn接口，實(shí)現(xiàn)相鄰衛(wèi)星間的資源協(xié)調(diào)。例如，同一軌道上的相鄰LEO衛(wèi)星之間比較容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的Xn連接，以輔助UE移動(dòng)性管理。相比于Sat-RU和Sat-DU，此種架構(gòu)下的衛(wèi)星NG-RAN部署有了很大改變。此時(shí)衛(wèi)星gNB基站、Xn接口、NG接口都部署在天上，并處于相對(duì)移動(dòng)狀態(tài)。這會(huì)給衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜徒涌诠芾韼磔^大影響。同理，由于UE能力有限，通常也假設(shè)UE只能和單顆Sat-FU衛(wèi)星進(jìn)行通信，即該架構(gòu)通常不支持UE和多顆衛(wèi)星之間的多連接操作。Sat-FU衛(wèi)星配置了gNB全部的協(xié)議功能模塊，除了具備Sat-DU衛(wèi)星的所有數(shù)字處理能力外，還能進(jìn)行分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP）重傳恢復(fù)、RRC重配置、移動(dòng)性管理，以及空口和其他接口資源管理等操作。那些原本在地面蜂窩基站上的操作都可以放在Sat-FU衛(wèi)星上執(zhí)行。在圖5的架構(gòu)中，相鄰的Sat-FU衛(wèi)星既可以屬于同一運(yùn)營商，也可以屬于不同的運(yùn)營商（有漫游的情況下）。因此，該架構(gòu)可以應(yīng)用在UE空中漫游的場景中。

▲圖5 Sat-FU衛(wèi)星融合架構(gòu)

為減少Sat-FU衛(wèi)星對(duì)5G核心網(wǎng)（5GC）的影響，通常在Sat-FU衛(wèi)星和5GC之間會(huì)部署一個(gè)獨(dú)立的Sat-GW實(shí)體。該實(shí)體具有類似于地面控制站的功能，可監(jiān)測(cè)Sat-FU衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)配置。此外，該實(shí)體還能在網(wǎng)絡(luò)傳輸層（TNL）保證Sat-FU衛(wèi)星和5GC之間NG標(biāo)準(zhǔn)化接口連接暢通。在上述Sat-RU和Sat-DU衛(wèi)星場景下，Sat-GW實(shí)體既可以獨(dú)立部署，也可以被整合在地面gNB/gNB-CU*基站內(nèi)部。3GPP認(rèn)為，Sat-GW實(shí)體不會(huì)產(chǎn)生新的標(biāo)準(zhǔn)化接口，它僅具有TNL傳輸功能和對(duì)衛(wèi)星的管控功能。因此，Sat-GW不需要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

Sat-RU和Sat-DU衛(wèi)星的NGRAN與傳統(tǒng)地面蜂窩NG-RAN相比，沒有本質(zhì)變化。Sat-FU衛(wèi)星在理論上支持SRI端口的地面蜂窩NG-RAN節(jié)點(diǎn)，并通過Xn建立標(biāo)準(zhǔn)化接口，如圖6（a）所示。如果地面蜂窩NG-RAN基站不支持SRI端口，如圖6（b）所示，那么Sat-FU衛(wèi)星可通過地面Sat-GW間接地與地面蜂窩NG-RAN基站建立Xn標(biāo)準(zhǔn)化接口連接。Sat-GW和地面普通網(wǎng)關(guān)在TNL也是相連接的。衛(wèi)星基站和地面蜂窩基站可同時(shí)被同一個(gè)5GC網(wǎng)元所管轄，并可執(zhí)行天地基站間的無縫移動(dòng)性操作。這有利于天地一體化資源的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理。建立UE和衛(wèi)星服務(wù)鏈路需要一套獨(dú)立的射頻（RF）和天線模塊。因此，在UE和地面蜂窩基站之間的鏈路模塊不被占用的前提下，理論上該架構(gòu)也可支持天地基站之間的多連接配置操作，即UE同時(shí)和地面蜂窩基站、衛(wèi)星基站建立獨(dú)立的無線鏈路，從而使不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可被不同的無線鏈路承載。在圖6（a）和圖6（b）的架構(gòu)中，天地相鄰的Sat-FU衛(wèi)星和地面蜂窩NGRAN基站，可屬于同一運(yùn)營商，也可屬于不同運(yùn)營商（有漫游的情況下）。因此，這兩種架構(gòu)支持UE在天地基站之間的漫游移動(dòng)。

▲圖6 Sat-FU衛(wèi)星和地面NG-RAN節(jié)點(diǎn)互操作架構(gòu)

2.2.2 多跳衛(wèi)星融合架構(gòu)

傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般支持多跳服務(wù)[17]。例如，飛機(jī)或游輪上的UE通過Wi-Fi先連接一個(gè)集中的中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，然后這個(gè)中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)再和通信衛(wèi)星建立服務(wù)鏈路，以服務(wù)所有匯聚的UE。未來地面gNB基站和UE將支持中繼多跳。對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，在多跳服務(wù)場景下的多跳技術(shù)架構(gòu)也可能會(huì)和地面蜂窩gNB一樣。這種架構(gòu)包括地面多跳接入和先星間鏈路多跳再中繼轉(zhuǎn)發(fā)兩大類。地面多跳接入的融合架構(gòu)如圖7（a）所示。UE首先通過NR-Uu空口接入最近的服務(wù)中繼節(jié)點(diǎn)（RN），再經(jīng)過若干跳之后通過非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）RN來轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信號(hào)。這種服務(wù)架構(gòu)對(duì)于聚合成本相對(duì)低的物聯(lián)網(wǎng)終端意義很大。低端的物聯(lián)網(wǎng)終端不太可能和衛(wèi)星直接建立服務(wù)鏈路。即使能和衛(wèi)星直接連接，物聯(lián)網(wǎng)天然的小微數(shù)據(jù)包[18]、超大連接數(shù)也會(huì)給衛(wèi)星帶來嚴(yán)重的資源負(fù)荷沖擊。因此，先匯聚地面數(shù)據(jù)流量再將數(shù)據(jù)上傳至衛(wèi)星的做法將更加高效。星上多跳的融合架構(gòu)如圖7（b）所示，UE在衛(wèi)星上的數(shù)據(jù)流信號(hào)還可繼續(xù)在星間鏈路之間以標(biāo)準(zhǔn)化的方式多跳傳輸。例如，基于集成接入回傳（IAB）技術(shù)，不同廠家的衛(wèi)星設(shè)備可提供多跳中繼傳輸服務(wù)，并可進(jìn)行路由優(yōu)化等操作。地面多跳和星間多跳可同時(shí)部署，此時(shí)需要要考慮端到端的時(shí)延問題。另外，衛(wèi)星間的多跳傳輸場景可能會(huì)給未來6G天地一體化傳輸承載方式和相關(guān)協(xié)議帶來影響[19]。

▲圖7 多跳衛(wèi)星融合架構(gòu)

2.2.3 衛(wèi)星本地分流融合架構(gòu)

由于衛(wèi)星鏈路的時(shí)延較大，因此在衛(wèi)星物理載荷能力允許的前提下，為Sat-FU衛(wèi)星增配UPF和MEC功能，有助于形成用戶內(nèi)容和資源復(fù)用優(yōu)勢(shì)。如果發(fā)生通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都是UE，那么可通過衛(wèi)星本地分流的服務(wù)架構(gòu)來縮短端到端時(shí)延。在這種架構(gòu)中，UE之間可直接通過服務(wù)鏈路完成數(shù)據(jù)包傳輸。如圖8（a）所示，兩個(gè)UE都連接同一顆配備有本地UPF的Sat-FU衛(wèi)星。當(dāng)控制面完成建鏈后，兩個(gè)UE可直接在衛(wèi)星內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。如圖8（b）所示，兩個(gè)UE各自連接不同的配備有本地UPF的Sat-FU衛(wèi)星。當(dāng)控制面完成建鏈后，兩個(gè)UE可直接在兩顆衛(wèi)星之間進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。此時(shí)，星間N9/N4接口可用來支持星間傳輸。配備有本地UPF的不同Sat-FU衛(wèi)星，既可屬于同一運(yùn)營商，也可屬于不同的運(yùn)營商，即能夠支持不同UE的跨運(yùn)營商通信。

▲圖8 衛(wèi)星本地分流融合架構(gòu)

類似地，如圖8（c）所示，兩個(gè)UE分別連接配備本地UPF的Sat-FU衛(wèi)星基站和地面蜂窩基站。當(dāng)控制面完成建鏈后，兩個(gè)UE也可直接在天地基站鏈路之間進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)傳輸。為了支持天地間本地分流操作，地面蜂窩基站也應(yīng)具備UPF，這可通過天地基站鏈路間N9/N4 over SRI的標(biāo)準(zhǔn)化接口來實(shí)現(xiàn)。天地基站之間配備本地UPF的Sat-FU衛(wèi)星基站和地面蜂窩NG-RAN基站[20]，既可屬于同一運(yùn)營商，也可屬于不同的運(yùn)營商，即支持不同UE的跨運(yùn)營商通信。

3 結(jié)束語

隨著全球化的發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用將越來越廣泛，5G-NR、6G等通信技術(shù)也將被逐漸運(yùn)用在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。雖然在網(wǎng)絡(luò)部署和工作方式上有較大差異，但是在系統(tǒng)架構(gòu)/協(xié)議棧層方面，未來衛(wèi)星NTN系統(tǒng)將會(huì)和地面蜂窩NG-RAN彼此深度融合。在某些地面蜂窩NG-RAN無線信號(hào)無法覆蓋的地方，衛(wèi)星NG-RAN可提供多種靈活的接入方式。不同類型衛(wèi)星的組合有助于提升業(yè)務(wù)性能，降低綜合成本。雖然衛(wèi)星基站能夠更好地服務(wù)用戶，但是單顆衛(wèi)星的成本和系統(tǒng)復(fù)雜度也在增加。因此，必須綜合多方面因素來選擇最優(yōu)的服務(wù)架構(gòu)。在某些天地NG-RAN無線信號(hào)同時(shí)覆蓋的地方，天地NG-RAN基站之間可緊密協(xié)作，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的無損跨節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性管理、資源負(fù)荷均衡和多連接操作等。未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)和5G-NR之間的深度融合，不僅有利于傳統(tǒng)衛(wèi)星廠商提升衛(wèi)星整體性能，開發(fā)和部署新衛(wèi)星，開辟新業(yè)務(wù)市場，還有利于5G-NR移動(dòng)業(yè)務(wù)市場和巨量的終端用戶數(shù)被更好地共享。在未來，普通終端用戶將以更低的資費(fèi)享受到質(zhì)量更好、內(nèi)容更豐富的衛(wèi)星通信服務(wù)。