引言

隨著移動互聯網的飛速發展和智能終端設備的推廣應用，人們對移動通信的速率提出了更大的要求，第五代移動通信系統(5G)旨在提供10Gbps～20Gbps的峰值速率以及100Mbps～1Gbps的用戶體驗速率，滿足更為豐富的業務需求。5G憑借其無線通信服務容量大、業務多和速率高等特點，可廣泛應用于人口密集地區，但在人煙稀少或難以鋪設地面網絡的地區就很難發揮其優勢。相比地面移動通信網絡，衛星通信系統主要具有覆蓋范圍廣、通信容量大、地形影響小、靈活性高和能適應多種業務等不可比擬的優點，因而可以利用衛星對人煙稀少或難以鋪設地面網絡的地區進行覆蓋，與地面網絡形成良好的互補，以此來實現真正的全球覆蓋，為全球用戶提供無差別的通信服務。

事實上，人們對衛星通信的應用早于地面蜂窩無線通信的建設。國際上[敏感詞]商用的通信衛星系統是1965年由國際衛星通信組織(INTEＲSAT)發射運營的晨鳥號(Early Bird)衛星系統，而國際上第一代蜂窩無線通信系統在上世紀八十年代才開始建設。近幾十年來，國際上投入運營的衛星通信系統不僅有地球靜止軌道的海事衛星(Inmarsat)、瑟拉亞(Thuraya)、衛訊(Viasat)等，也有低地球軌道的銥星(Iridium)、全球星(Global-star)、軌道通信(Orbcom)等。尤其是自2015年來，國際上涌現出了低軌互聯網通信星座的建設熱潮，如OneWeb、Starlink，引發了備受關注的國際熱點。衛星通信系統與地面無線通信系統的融合建設，也再次成為國際范圍內深入論證的發展方向。

01衛星與5G融合的研究現狀

21世紀初，運營商通過獲得組建星地混合通信網絡的授權，使衛星通信進入了主流市場，并且為了擴展衛星通信網絡，增加了地面輔助組件(ATC)或地面補充組件(CGC)。ATC是指一種用于衛星移動通信的地面輔助基站，衛星和大量ATC基站組合在一起來實現大區域無縫覆蓋，因此可用于解決衛星信號在高樓林立的城市以及室內覆蓋性不佳的問題，但其中也牽涉到一些復雜問題，例如:衛星和ATC基站頻率復用、天地系統的切換和協調控制。

隨著5G技術的日益成熟，5G與衛星的融合引起了國內外的廣泛關注，包括國際電信聯盟(ITU)和第三代合作伙伴計劃(3GPP)等標準化組織均投入了大量精力開展衛星融合5G系統的相關技術論證工作。

1) 國際電信聯盟在2016年提出了“下一代移動通信網應滿足用戶能隨時隨地訪問服務”的需求，在衛星接入技術領域開展了ITU-ＲM．［NGAT_SAT］標準的研究，針對星地融合提出了4種典型的應用場景，包括中繼寬帶傳輸業務、數據回傳及分發業務、寬帶移動通信業務、混合多媒體業務，如下圖所示，并明確了為支持以上應用所具備的關鍵特性。此外，ITU也積極推進關于衛星與5G在頻率使用方面的工作，并開展了一系列關于衛星與5G的頻譜共用與電磁兼容性分析。

圖1 ITU給出的星地融合系統4種應用場景

2) 第三代合作伙伴計劃(3GPP)自2017年的Ｒelease14標準開始論證衛星通信對地面移動通信系統帶來優勢。在2017年底發布的技術報告TＲ22．822中，3GPP工作組SA1定義了連續服務、泛在服務和擴展服務這三大在5G中使用衛星接入的用例，并討論了新的及現有服務的需求。目前，3GPP主要依托名為“非地面網絡(NTN)”研究項目，開展衛星通信在5G中的部署場景、空口設計等研究工作。

3) 2017年6月，歐洲成立了SaT5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)聯盟，成員包括BT、SES、Avanti、University of Surrey等歐洲企業及研究機構，旨在為5G提供一種性價比高、即插即用的衛星解決方案，為衛星產業鏈提供持續增長的市場機會。2018歐洲網絡與通信會議在斯洛文尼亞盧布里雅那舉行，在會議上，5家SaT5G成員現場演示了衛星與3GPP網絡架構的融合，其中包括VT iDi-rect公司、SES公司。

圖2 Sat5G給出的衛星5G應用場景

4) 為了應對5G系統提出的容量增長1000x的目標，在歐盟H2020資助下啟動的SANSA(Shared Access Terrestrial-Satellite Backhaul Network enabled by Smart Antennas)計劃旨在為未來大容量無線通信系統提供很好的回程鏈路解決方案。SANSA項目提出了低開銷的智能天線波束成形技術、針對星地融合無線網絡的動態智能無線資源管理技術、基于數據庫輔助的動態頻譜共享技術等，深入開展研究工作。

02  衛星5G融合的關鍵技術

由于衛星通信與地面無線通信在傳播距離、覆蓋范圍、功率能力等方面存在區別，實現兩者的深度融合面臨著一些不可避免的挑戰，以下從體系架構、波束覆蓋、空口波形、頻譜共享、網絡控制等五個方面分析衛星5G融合的關鍵技術。

2.1體系架構

在衛星5G融合的體系架構中，考慮高低軌混合的衛星星座方面，同時通信頻段的設計也包括低頻段(如L、S頻段)和高頻段(如Ku、Ka頻段)，兼顧中低速和寬帶傳輸服務需求。衛星覆蓋區隨著星下點移動而運動，終端用戶在不同蜂窩小區間切換。

低軌道衛星星座的星間鏈路由激光或微波鏈路構成，并且多顆衛星互聯在一起，可構成一個以衛星作為交換節點的空間通信網絡。星座通常采用極軌星座進行設計，這是由于相鄰軌道面衛星之間有著較為穩定的相對位置關系(除了極區或反向縫)，有利于保持星間鏈路并實現高緯度區域覆蓋。此外，衛星的饋電鏈路業務在關口站落地，關口站實現衛星網與地面PSTN、PLMN以及互聯網的互聯互通，這些操作都是在Ka或者Q/V等頻段實現。

目前關于星地融合網絡主要有三種架構。第一種是星地互補網絡。在這種架構下，5G系統和衛星系統共用網管中心，但是各自的接入網、核心網保持獨立性。接入網和部分核心網功能由衛星信關站提供，蜂窩和衛星中的任意一種或兩種接入模式由終端進行支持。第二種是星地混合網絡。在這種架構下，地面系統和衛星系統共用網管中心，同時空口部分也盡量統一，保持各自核心網和所用頻段的獨立性。終端可以支持地面和衛星兩種接入模式。第三種是星地一體網絡。其主要特征是:整個系統的接入點(AP)、頻率、接入網、核心網完全統一規劃和設計。需要指出的是，星地一體網絡是星地融合通信系統的[敏感詞]階段，面臨著巨大的技術挑戰。

2.2波束覆蓋

在星地融合移動通信系統中，通過調整其點波束和無線資源，為熱點地區提供超過預定容量的話音和數據服務，這種靈活的功能是通過數字波束成形(DBF)技術來實現的。目前衛星通信的數字波束成形技術主要有地面DBF、星載DBF和混合DBF三種形式，其中混合數字波束成形在性能和復雜度之間有很好的折中并得到了廣泛的研究。當采用混合DBF時，地面網絡控制中心根據波束調整需求和相應的策略，計算出優化后的波束成形矩陣，然后通過饋電鏈路將波束成形矩陣的參數發送到衛星，通過在星上進行多波束天線的重構，動態調整對地的波束覆蓋。

由衛星或者終端移動帶來的切換主要有兩種:一種是衛星系統內部的切換。對于低軌衛星而言，其相對地面位置快速變化，使得終端被同一顆衛星連續覆蓋的時間只有十幾分鐘。因此為了防止切換過程中數據丟失，衛星間或波束間切換必須提前做好準備，并且快速執行。另一種是終端在地面5G網絡與衛星網絡之間的切換。這種切換需要考慮支持星上處理和彎管透明轉發架構、時間同步、測量和信息協調等因素。當蜂窩網信號非常弱的情況下，終端才會由蜂窩網切換到衛星網絡，否則就維持在地面網絡的接入。

2.3空口波形

正交頻分復用(OFDM)仍為5G系統的基本傳輸體制，但其中的載波間干擾(ICI)會造成系統性能的嚴重下降，這是由于正交頻分復用技術本身對頻率偏移十分敏感，頻偏帶來的子載波間的串擾會降低通信性能。為了有效抵抗殘余頻偏對系統性能的影響，可采用可變子載波帶寬的設計方案。對于頻帶較窄的L頻段來說由于其支持的話音業務的碼率低至2．4Kbps，應采用15KHz或者更窄的子載波設計。在Ka頻段，可以采用的子載波寬度較大，這是由于用戶往往是寬帶上網，且最小仰角較大，可有效降低多普勒效應的影響。

另外，5G支持的非正交多址(NOMA)并不要求每個用戶獨占資源，用戶可以在非正交的資源上同時收發信息，基于多用戶聯合檢測，可以通過信號處理的手段避免用戶間的互相干擾。相對傳統的正交接入方式，NOMA技術的應用可以使得頻譜效率提高3倍以上。目前已有面向地面5G系統的NOMA芯片開發出來，并獲得推廣應用。NOMA技術是利用復雜度換取頻譜效率，也意味著會很難適用于長時延的靜止軌道(GEO)衛星通信場景，因為大量的信令交互用來動態控制用戶接入參數。后續應針對衛星通信中的NOMA技術開展技術研究工作。

2.4頻譜共享

無論對于衛星通信還是地面移動通信系統，可用頻譜的匱乏都已成為亟待解決的問題。尤其是衛星通信和地面通信已在頻譜資源方面形成了激烈的競爭態勢，如衛星通信系統使用多年的C頻段和Ka頻段，已經被ITU授權給了地面5G系統。兩者的頻譜競爭態勢具體包括:

1) Ka頻段方面:為了滿足用戶速率和系統容量快速的增長需求，5G和衛星通信都希望采用Ka頻段甚至是毫米波頻段。例如:2019年世界無線電通信大會(WＲC－19)在全球范圍內把24．25 GHz－27．5 GHz、37 GHz－43．5 GHz、66 GHz－71 GHz共14．75GHz帶寬的頻譜標識用于5G和未來國際移動通信系統;[敏感詞]FCC已經將27．5GHz－28．35GHz、37 GHz－38．6 GHz頻段授權給地面5G使用，而這些頻段跟衛星通信系統使用的頻段有一定的交疊。

2) 3GHz－6GHz的C頻段:很多國家均提出要將C頻段作為5G系統的候選頻段，其中就有中國、歐盟、日本、韓國。但在亞洲地區，中國、越南、馬來西亞等國已經在該頻段建設了大量衛星通信系統，地面5G系統使用C頻段的協調難度較大。

通過星地協同規劃實現優化配置可提高頻率資源的高效使用。通過構建星地聯合的頻譜感知系統，可以實現星地通信系統之間的頻譜共享，提高頻譜利用效率。與地面無線通信網絡相比，認知用戶對所處網絡環境中所有頻譜的檢測難度大大增加，這是衛星通信覆蓋范圍的廣域性引起的，頻譜數據庫更新迅速、波束形成、頻譜感知的[敏感詞]性與認知區域描述都是這一技術的研究重點。此外，從資源整合的角度來看，統一規劃和設計蜂窩通信和衛星通信，以“頻譜共享”的方式解決干擾，因此促進頻率資源的共享使用，可以為衛星通信系統與5G系統的深度融合提供兼容的基礎。

2.5網絡控制

通過SDN和NFV技術實現了端到端的網絡切片是5G系統中網絡控制云最大的特征。SDN和NFV技術分別實現了網絡承載和控制的分離和核心網網元的軟件化，它們為實現網絡切片提供了堅實的基礎。

衛星通信系統與地面5G進行深度融合時，可以將衛星核心網的控制功能和轉發功能進行分離，進一步使轉發功能簡化下沉，并且為支持高流量的傳輸要求和靈活均衡的流量負載調度，可將業務存儲和計算能力從網絡中心下移到網絡邊緣。

為了支持與地面的融合，除了3GPP提供基本服務功能的9個網絡功能，需要在5G衛星核心網的用戶平面上新增加非3GPP互聯功能和用戶平面功能。

03 衛星5G融合面臨的挑戰及研究方向

盡管衛星5G融合工作已經取得了諸多進展，但要真正實現衛星與5G融合這一美好愿景，還將面臨許多的技術挑戰。在衛星和陸地領域有許多共同的挑戰，[敏感詞]我們列出了其中主要的技術挑戰以及未來的研究方向。

1) 傳輸體制的挑戰:在星地一體網絡傳輸中，多普勒頻移，頻率管理與干擾、功率受限和定時提前是亟需解決的問題。針對多普勒頻移，5G在傳輸體制上采用多載波OFDM，其子載波間隔設計沒有考慮大多普勒頻移的影響，會帶來子載波間的干擾。在功率受限方面，保證較高的頻帶利用率的同時降低信號峰均比。最后關于定時提前，無線鏈路傳輸延時的快速變化可能導致需要動態更新終端的各個定時提前，以確保所有上行鏈路傳輸同步。

2) 接入與資源管理的挑戰:考慮到星地一體網絡的長延時對MAC層與ＲLC層的接入控制、HAＲQ、AＲQ等過程都帶來了挑戰。在接入控制方面，為了支持5G與衛星的有效融合，需要設計合理的預授權、半持續調度和免授權等接入機制。對于HAＲQ，其往返時間長度通常超過了HAＲQ最大定時器長度，HAＲQ過程對時間有嚴格要求。在MAC層及ＲLC層的調度過程中，衛星系統的長延時也會影響調度的及時性，需要對其調度延遲參數進行調整。

3) 移動性管理的挑戰:在星地一體網絡中，移動性管理的挑戰更為嚴峻。按通信層次可分為網絡級切換和鏈路級切換。按照應用場景分為地面小區間切換、衛星和地面小區之間的切換、衛星小區之間的切換、星間切換。這一問題已有探索，但還需進一步研究。

04 結束語

衛星通信和地面蜂窩通信系統經歷了近三十年的發展，都取得了輝煌的成績。但由于其各自固有的局限，難以滿足人們日益增長的移動通信和海量數據互聯需求。近幾年來，隨著物聯網技術的快速發展，未來的無線通信系統將面向從“人與人”到“人與物”、“物與物”的轉換，實現泛在通信和萬物互聯。通過衛星通信和地面蜂窩通信的融合發展，實現優勢互補，則將迎來新的發展機遇。本文從衛星通信與5G融合的發展現狀、關鍵技術、面臨的挑戰等方面進行了介紹和探討，希望為該技術的發展提供參考和

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