5G和後5G網絡邁向真正泛在連接的下一個前沿方向是利用低軌小衛星星座支持三類5G用例：增強移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）和超可靠低時延通信（URLLC）。本文對能夠實現這些網絡與5G和後5G系統全面集成的架構和技術進行了全面論述。
小衛星星座由數百顆在低軌運行的小衛星構成，這些小衛星作為一個通信網絡共同運行。小衛星星座被視為支持和實現5G新無線電（NR）和後5G通信的有效解決方案。特別是低軌星座，部署在距地球表面500到2000千米的軌道上，預期能夠為三大5G NR一般性用例提供服務。
增強移動寬帶（eMBB）的首要目標是提高用戶數據速率和網絡頻譜效率；超可靠低時延通信（URLLC）和海量機器類通信（mMTC）則是機器類通信的基石，可實現廣泛的物聯網應用。然而，這三大用例最初是針對地面5G網絡定義的，因此必須在衛星通信物理環境下重新考慮它們的特徵或需求。再者，低成本小衛星是補充和完善地面網絡的關鍵，但卻嚴重限制了空間基礎設施能力。
小衛星是指低成本、小尺寸和重量低於500千克（與重量超過1000千克的傳統大衛星相比）的小型化衛星。自然，衛星性能和質量之間有著密切聯繫。高吞吐量增強移動寬帶（eMBB）或一般用途的空間任務通常需要100kg以上的小衛星，例如Space X的Starlink和OneWeb所執行的商業任務便是如此。
相比地面通信，衛星通信的一大優勢是覆蓋範圍，這點對於設備數量眾多的海量機器類通信（mMTC）而言尤其重要。一個星座中的衛星通常位於具有特定高度和傾角的多個軌道平面上。衛星的地面覆蓋區域是指能以最小預設仰角看到衛星的地球區域。過頂是指衛星在當地地平線上方並且可與特定地面位置進行無線電通信的期間。
低軌衛星由於高度低，因此在空中的位置並不固定，而是圍繞地球相對快速移動，每次過頂持續幾分鐘。因此空間段需要部署密集的衛星網絡以保證任何地面終端總能被至少一顆衛星覆蓋。在地面段，一個或少數專用地面站（GS）負責衛星星座的主要控制和管理。
應用低軌星座的一個主要挑戰是由於衛星相對於地面的快速移動會在地面終端和衛星之間產生強烈都卜勒效應。地面終端和低軌衛星之間的傳播延遲在距地球表面1000千米處大約是3毫秒，這一延遲不算太小，但仍比傳統靜止地球軌道（GEO）的延遲（在距地球表面36,000千米處大於100毫秒）低得多。
因此，只要延遲需求在數十毫秒以內，低軌星座就仍可支持廣泛的延遲關鍵型應用。然而，在NR中定義的最極端情境中（即要求用戶平面往返時間（RTT）延遲低於1毫秒，控制平面低於10毫秒），低軌星座不可用。
小衛星有嚴格的能量局限性（會因傳輸距離遠而加劇）。為避免頻繁重新部署，小衛星的活躍壽命期必須達5年以上。因此，小衛星通常裝有利用太陽光產生電能的光伏太陽能板，並且可在任務期內保持電池充電，電池隨後可在日蝕時使用。
太陽光直接照射衛星的時段（此時可採集太陽能）由其軌道周期（距地球表面1000千米的軌道大約為100分鐘）以及軌道傾角共同決定。因此，太陽能的可用性僅取決於衛星和地球相對於太陽的位置。利用這種可預測性，能使衛星以最高性能運行並實現能量平衡。
在通信技術方面，自由空間光（FSO）通信和傳統射頻（RF）通信均可用於星間和星地鏈路。自由空間光鏈路波束極窄，傳輸距離遠。雖然極易受大氣效應和指向誤差影響，但自由空間光鏈路可提供高傳輸速率，並且產生的幹擾較少。自由空間光在星地通信中的應用已在眾多科學任務中得到證明，而幾個已規劃的商業低軌星座，比如SpaceX、Telesat和LeoSat，將會採用雷射通信設備實現高吞吐量自由空間光星間鏈路。
然而，當混合射頻-自由空間光系統中自由空間光通信不可用時（由於惡劣天氣影響），那麼射頻鏈路作為後備方案就十分關鍵，可實現與基於射頻的系統的集成。例如，5G NR中的星地通信可能會完全採用2GHz左右的S波段，也可能會運行於Ka波段，其中下行鏈路運行於20GHz，上行鏈路運行於30GHz。
實現真正泛在覆蓋是5G的推動力之一，可能僅通過將衛星網絡與5G和後5G網絡相集成就可實現。對此，3GPP正在研究一些非地面網絡（NTN）項目，定義衛星通信在未來NR版本中的作用。目標是保證在Release 17時間框架中（暫定2021年）制定一個端到端標準，對當前衛星運營商混合使用專有和基於標準的技術的情況加以規範。一項專門針對非地面網絡物聯網的研究即將啟動，為引入針對衛星的窄帶物聯網（NB-IoT）和eMTC支持鋪平道路。
3GPP工作包括中地球軌道（MEO）和GEO軌道的傳統衛星網絡，也包括低軌星座。衛星網絡用例分為以下三類：
（1）服務連續性：對之前已獲準接入5G服務的移動地面終端（例如地面車輛、船隻和機載平臺）的持續覆蓋。
（2）服務泛在性：無地面覆蓋區域的5G接入，包括地面覆蓋被自然災害（例如地震或洪水）破壞的區域。
（3）服務可擴展性：大規模多播（下行鏈路）或物聯網（上行鏈路）應用中對地面基礎設施的支持，例如超高畫質電視和超密集物聯網部署。
低軌星座支持以上三類用例，低軌的使用尤其有助於支持延遲敏感性服務。低軌系統的用戶和控制平面延遲被合理地重新定義為50毫秒往返時間（RTT）。
低軌星座一個引人關注的應用是用作固定或移動蜂窩基站（NR中稱作gNB）的回傳。主要優勢在於地面網絡覆蓋受地理或經濟因素影響的地區可通過衛星星座實現連接。
目前，有兩種5G衛星實施設想：彎管和全衛星gNB。在第一種設想中，衛星僅充當到地面gNB的中繼；第二種設想中，衛星是全功能的gNB。在5G術語中，Xn是兩個gNB互連的邏輯接口，可用於地面gNB與星座中空間gNB的連接，然後再在衛星間採用快速自由空間光鏈路。
圖1展示了衛星通信與5G和後5G網絡集成的架構。該架構包含：（1）衛星（可以是不同大小，處於不同軌道），充當空間中的5G gNB；
（2）地面終端，可以是終端用戶節點（用戶設備或物聯網設備）、gNB、地面網關或專用基站。用戶設備到星座的連接方式有兩種。第一種是用戶設備通過地面網關（即，一個中繼節點）進行通信，星座用於回傳。這種方式的最大優勢在於，不需要改變已部署好的地面終端。第二種方式是地面終端直接與衛星通信（例如衛星電話或直接衛星物聯網傳輸），這種方式面臨的主要挑戰是地面終端的能力受限。
圖1 衛星星座與5G和後5G網絡集成的基本架構要素
衛星星座負責將採集到的數據發送到目的地；目的地可以是地面基站、網關、用戶設備、甚至是具有高計算和通信能力的大衛星。衛星段由一個或幾個能力較強的地面基站支持。這些地面基站負責衛星的指揮和控制，也能從衛星下載數據到地面。一顆衛星可以同時與不止一個地面站進行通信。
截至目前，3GPP的工作僅僅是分別針對GEO、MEO和LEO星座的。然而，結合了不同軌道的混合架構預期會在未來網絡中扮演重要角色，這與向異構蜂窩網絡的演進類似。軌道和衛星選擇的多樣性能夠很好地相互補充。這樣，地面終端和低軌衛星之間的短傳輸時間可以與GEO衛星的廣覆蓋以及強大的通信和計算能力相結合。另外，MEO星座主要用於導航（例如GPS、GLONASS和伽利略星座）。因此，混合軌道部署極大增加了網絡的靈活性，增強了其保證多種不同應用需求的能力。
LEO星座中有三種類型的數據業務：（1）用戶數據；（2）控制數據；（3）遙測遙控（TMTC）數據。在無線網絡中，用戶數據和控制數據通常是分開的，以便於對無線資源的有效管理。對於機器類通信而言，控制信息的大小與數據大小相似，有大量設備需要處理，且在許多情況下必須滿足嚴格的延遲約束。這些需求與經典移動寬帶通信明顯不同。
另外，衛星基本功能的實現需要與地面站進行大量聯繫，用於返回控制、指揮、通信和遙測數據。遙測遙控包含這些衛星控制相關數據，這些數據與網絡控制數據本質上是不同。遙測參數描述了衛星有效載荷及各子系統的狀態、配置和健康情況，這些參數通過下行鏈路下傳至地面。通過上行鏈路，衛星接收用於控制任務運行和管理可消耗資源的指令。通常，遙測遙控使用單獨的天線和頻段（UHF/VHF）。
衛星通信中的物理鏈路主要分為星地鏈路（GSL）和星間鏈路（ISL）。「地」指位於地球上的任何收發信機，可以是地面站、用戶設備或網關（見圖1）。星地鏈路的可用性由衛星過頂時間決定。由於低軌衛星的過頂時間短，地面終端頻繁進行衛星切換以保持連接；這在圖1中表示為從地面站到低軌衛星的饋電鏈路。
此外，都卜勒頻移可計算為fd = v×fc/c，其中v是發射器和接收器之間的相對速度，fc是載波頻率，c是光速。衛星速度為幾千米每秒時，都卜勒頻移可達幾百kHz，這對於星地鏈路來說是一個重大挑戰。
星間鏈路分為軌道面內鏈路和軌道面間鏈路，其中軌道面內鏈路用於同一軌道平面內通信，軌道面間鏈路則用於兩個不同軌道平面間的通信。由於相鄰衛星之間的距離隨時間推移通常固定不變，因此軌道面內星間鏈路通常更加穩定。相反，由於兩個不同軌道平面中衛星之間的距離快速變化，實現軌道面間鏈路的穩定更具挑戰性，這極大限制了某一特定軌道面間鏈路的可維持時間（軌道面間聯絡時間）。
另外，軌道面間鏈路的實現需要頻繁切換，涉及相鄰衛星發現、相鄰衛星選擇（匹配）和連接建立（發送信號）。聯絡時間或鏈路機會是指一對衛星處於通信範圍內的時間。聯絡時間取決於許多參數，比如星座幾何布局、天線指向和增益、以及傳輸功率；另外，軌道面間星間鏈路的都卜勒頻移也會比較大，這取決於拓撲結構。
邏輯鏈路是一條從源發射機到終端接收機的路徑。因此，數據會穿過許多不同物理連接，而兩個端點對此可能並不知曉。使用低軌星座時，有兩類不同端點：衛星和地面，從而定義了以下四條邏輯鏈路：
（1）地面到地面（G2G）。這是網絡的一種典型使用方式，例如用於在地表兩個遠距離端點之間中繼信息。
（2）地面到衛星（G2S）。例如，用於由地面站發起的維護和控制操作。
（3）衛星到地面（S2G）。例如地球觀測，任務中衛星收集來自多個節點的信息然後下傳到地面。
（4）衛星到衛星（S2S）。這與和衛星相關的控制應用相關，例如，在空間段採用蜂群智能或其他自主運行。
這四種邏輯鏈路都利用了兩類物理鏈路（星地鏈路和星間鏈路）中的一種或多種。
邏輯和物理鏈路的使用與最終應用密切相關。在低軌星座中，本文將探討一些從地面網絡繼承來的應用，另外也有一些空間原生應用。
一個典範應用就是使用星座作為多跳中繼網絡以增加鄉村或偏遠地區物聯網部署的覆蓋，這些地區不在蜂窩和其他中繼網絡覆蓋範圍內。在這類情境中，物聯網設備被周期性喚醒來發送狀態更新。可用衛星接收這一更新並在星座內進行轉發，直到抵達距離目標地面終端最近的衛星。這種端到端應用使用了地面到地面邏輯鏈路，而利用多跳來抵達目的地的方式對延遲和時間要求提出了挑戰。
另一個例子是將星座用於地球和/或空間觀測，二者都是衛星網絡原生應用。衛星裝備有照相機和傳感器。衛星到衛星鏈路可能用於衛星間協作，例如當第一顆衛星探測到異常事件時將照相機指向特定位置。地面到衛星鏈路用於檢索地面信息。
圖2展示了不同類型邏輯鏈路及其承載的不同應用數據。針對每條邏輯鏈路，圖2都顯示了其所支持的相關功能舉例。
圖2 四條邏輯鏈路及低軌衛星網絡中每條鏈路所支持的相關功能概覽
本節描述了支持低軌星座通信的關鍵技術。這些技術在地面網絡中都很知名，但為了適用於空間並支持三大5G用例，還需要作出重要修改。
波形定義了通過信道承載調製信息的信號的物理形狀。在NR中所定義的波形是基於對都卜勒頻移十分敏感的正交頻分復用（OFDM）的。在低軌中，衛星以相對於地面終端較高的速度移動，需要精確的都卜勒補償和較大的子載波間隔。一個替代方式是使用廣義頻分復用（GFDM），以較高均衡複雜度為代價實現對都卜勒頻移的更高魯棒性。
NR支持正交幅度調製（QAM）模式。在正交幅度調製（QAM）中，衛星通信通常使用更加魯棒的版本，即二進位相移鍵控（BPSK）和正交相移鍵控（QPSK），儘管幅度相移鍵控（APSK）才是低軌商業任務中的首選技術。APSK在空間中的主要優勢是其峰值與平均功率比（PAPR）較低，這樣在使用具有非線性特徵的功率放大器時很適用。
地面gNB調整調製和編碼方案以適應當前信道條件，為此用戶終端必須將信道質量信息傳輸到gNB。在衛星系統中，雨衰、傾斜軌道衛星運行、天線指向誤差、噪音和幹擾都會影響衛星鏈路條件，而這些都可通過合適的自適應編碼和調製（ACM）解決。然而，ACM可能遇到的挑戰是：由於衛星到地面存在較大延遲以及低軌衛星相對移動速度較快，終端所提供的信息可能過時。
在多用戶場景中，波束形成能夠基於用戶位置實現用戶多路復用，從而有可能提高頻譜效率。這種技術稱作空分多址（SDMA）。為實現精確SDMA，地面終端之間必須具有特定的最小間隔距離。在分布式波束形成中，數顆衛星構成一個大型天線陣列，其中天線間距幾千米，從而能夠在地面終端間距小得多的情況下實現SDMA，但需要更密切協調。
由於節點數量眾多以及用戶設備數量和業務類型無法提前知曉，星地鏈路中的無線接入基本上是隨機接入（RA）。兩類主要隨機接入協議為：grant-based（基於授權）和grant-free（免授權）。grant-based隨機接入是5G的必經解決方案。然而，其過多的信令開銷、有限的資源以及協議握手中較大的雙向延遲，都嚴重限制了物聯網應用的可擴展性。相反，grant-free隨機接入更適用於物聯網代表性的短數據包和非頻繁數據包傳輸。然而，端點之間較遠的距離和星形拓撲結構導致無法使用傳統信道感知協議。相反，非正交媒體訪問（NOMA）技術可能更適合。
在軌道面內星間鏈路中，不用改變發射機和接收機，因為相對位置和距離是保持不變的。因此，固定接入方案，如頻分多址（FDMA）或碼分多址（CDMA），是簡單且有吸引力的解決方案。採用頻分多址（FDMA）時，必須對可減小軌道內幹擾的頻率重用進行適當設計，代價是會產生更高的帶寬需求。另一方面，可以採用NOMA來克服CDMA帶來的挑戰（如同步或遠近效應）。
在密集低軌星座中，有時會有多顆衛星同時想要與某顆特定衛星建立軌道面間連接。軌道面間星間鏈路可視作一個網狀網絡。與地面移動自組網不同，如果各個節點可以獲知軌道信息，那麼相鄰衛星的位置就是可以預測的。
對於那些能實現與儘可能多的其他衛星進行直接、動態和不分層級的連接並相互協作的網狀網協議，可以進行適當修改，使其適用於空間系統。必須對這些協議進行優化以應對衛星星座中的特定條件，例如衛星在不同軌道平面中的相對速度，在一些情境下可能會很高。圖3總結了星地鏈路、軌道面內和軌道面間星間鏈路中的無線接入條件。
圖3 GSL、軌道面內和軌道面間ISL無線接入
一個一般用途的衛星星座必須支持增強移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）和超高可靠低時延通信（URLLC）服務的異構性。另外，通過星座傳輸的用戶、控制和遙測遙控（TMTC）業務，特徵和需求大不一樣。例如，控制和TMTC數據比用戶數據呈現出更嚴格的可靠性和延遲要求，可以單播、多播或廣播。另一方面，物聯網用戶數據通常是單播並具有容延遲特性。
網絡切片是支持異構服務的關鍵5G特徵，它確保分配給每項服務的資源都可提供性能保證並實現與其它服務的分離。在無線接入網（RAN）中，傳統的切片方式是以降低網絡效率為代價來分配正交無線資源。各種特徵和需求差異極大的服務和數據業務在時間、頻率和空間上的復用帶來了重大挑戰，在數據鏈路和媒體訪問層需要採用基於優先級的機制來保證數據包的有效傳輸。
緩存是在峰值流量時段平穩網絡流量、以及通過將內容向終端用戶拉近來降低延遲的有效方式。緩存由兩部分構成：緩存決策和緩存替換策略。緩存決策是指在考慮緩存大小有限的情況下選擇要緩存的內容。而當新內容的大小超過緩存中剩餘自由空間時就需要用到緩存替換策略。最好刪除未來最不可能用到的項目。
但上述情況通常無法提前知曉，因此會根據內容的使用預期來對其進行替換。低軌網絡在邊緣附近的內容緩存中具有重要作用。在GEO衛星-地面網絡中，通常只有地面站具有緩存能力。隨著低軌星座的引入，將緩存能力加入空間段開啟了一個全新維度，低軌層及其廣泛覆蓋的優勢可用於緩存以及像最受歡迎內容的有效多播之類的業務。
由於微系統和微電子器件的成功，以及在不幹擾其功能性情況下使衛星網絡持續演進的可能性，使得分布式處理架構成為了一項有前景的研究課題。採用聯邦衛星架構，衛星網絡能夠利用一些以往會浪費的資源（如下行鏈路帶寬、存儲、處理能力和儀表時間）。聯邦學習技術和移動邊緣計算（MEC）的結合是極大擴展低軌網絡計算能力的一種有前景解決方案。
聯邦學習是機器學習的一種衍生形式，其中邊緣節點基於本地存儲數據為全局模型作出貢獻，而無需將其數據發送到某一中心實體。因此，當全局模型由衛星提供時，聯邦學習可發生在設備終端中，而當數據由設備終端提供或元數據由衛星採集時（但這些數據不再進一步傳輸），聯邦學習也可在衛星自身中進行。
移動性管理負責在發射機和/或接收機移動時保證服務連續性。與地面網絡不同，衛星星座中的切換需求主要由空間段的快速移動決定，而地面終端的速度可以忽略。由於衛星移動具有可預測性，可以提前規劃下一顆服務衛星的選擇。針對這一選擇，可以用到許多標準，例如服務時間最大化、自由信道數量最大化或距離最小化。星間鏈路對於在低軌星座中實現切換至關重要。
拓撲控制和自組織在密集星座中極為重要。特別是，星上智能和決策能力可確保任務目標的完成和網絡性能的優化。控制自動化對於減少遙控遙測（TMTC）業務很有必要，而TMTC業務是實現星座可擴展性的瓶頸之一。僅僅通過少數專用地面基站對大量衛星進行管理可能是低效或不可行的。相反，如果空間段對地面的依賴減少，則可將地面基站能力用於控制業務。
如同在蜂窩網絡中一樣，自組織網絡（SON）的引入對於自動化配置和優化、以及儘可能減少與地面人工控制的交互很重要。星座控制自動化的更進一步是引入人工智慧（AI）。這可以實現像蜂群智能這類眾多簡單代理彼此之間或與環境進行本地交互的模式。
由於小衛星供給有限，因而儘可能降低其燃料消耗是重中之重。因此，有必要提前以及在飛行中優化衛星軌跡。
低軌星座中的中繼旨在通過既能直接從來源向目的地傳輸、也能向一個或多個鄰居衛星傳輸來利用空間和接口的多樣性。中繼的「候選者」可以位於低軌、更高軌道或地面，且彼此之間必須進行有效協調。根據中繼「候選者」，可以使用不同接口和物理鏈路。
另一方面，隨著地面終端和/或衛星的移動，必須對低軌星座內的路由決策進行動態重配置。在集中式路由中，由一個中心實體創建路由表並沿星座中的衛星進行分發。相反，在分布式路由中，每顆衛星僅根據預先設定的距離標準進行簡單路由決策（例如數跳距離之內），將數據包傳送到距離目的地更近的位置。
這裡採用機會式基於地理的路由比較有優勢，尤其是與網絡編碼方案相結合時。機器學習技術也可用於識別和利用星座幾何布局中的重複性模式並儘可能減少路由計算。
路由的另一個重要方面是確定目的地（可以是單一節點或多個節點）的尋址方法。低軌星座中可以有單播、廣播、多播、任播或地域播。單播指網絡中一點到另一點的一對一傳輸，二者都通過網絡地址來標識。廣播旨在送達範圍內所有可能接收者，是一種一對多的關係。多播使用一對多或多對多關係，與廣播的不同之處在於，僅對可訪問節點的一個子集進行尋址。
任播也是一對一關係，但數據包是被路由到一組潛在接收方（所有接收方都由相同的目的地地址標識）中的任意單一成員，通常會根據某種距離標準選擇最近的節點。最後，地域播是指將信息傳輸到由其地理位置標識的網絡中的一組目的地。
低軌衛星網絡為實現5G真正的泛在連接提供了機會。3GPP正在加緊工作，以在Release 17中涵蓋低軌衛星星座。本文描述了這些網絡的主要機遇和挑戰，並探討了將其用於三大5G NR用例（eMBB、URLLC和mMTC）需要進行的調整。這些一般性用例需要適應衛星網絡的物理環境。
基於低軌衛星和GEO/MEO衛星的無線網絡的架構演進的確與異構蜂窩網絡有某些相似性，但衛星環境也為其帶來了新問題。最後，本文探討了幾種實現技術，並描繪了其通過低軌衛星支持5G連接的作用。