衛星通信有什麼用?它和 5G 有什麼關係?

近些年來，衛星通信引起了國內外的廣泛關注。

人們普遍看好這項技術的長遠發展，認為它會對現有的通信技術造成顛覆性的改變，甚至可能取代現在最先進的移動通信技術——5G。

然而，也有人認為，衛星通信存在諸多技術瓶頸，不會發揮太大的作用。究竟衛星通信有什麼用？它和 5G 有什麼關係？

今天這篇文章，我們來探尋一下答案……

美國東部時間 10 月 24 日 11 時 31 分，美國太空探索技術公司（SpaceX）順利完成 「星鏈計劃」第 15 批衛星的發射任務，用一枚 「獵鷹 9 號」火箭將 60 顆衛星送入太空。

截至目前，SpaceX 已累計發射 893 顆 「星鏈」衛星（如果算上 2018 年 2 月發射的兩顆測試衛星，則是 895 顆），進度非常驚人。

毫無疑問，馬斯克確實是個商業奇才兼科技狂人。他引領的顛覆性創新，大大降低了發射衛星的成本和門檻。

按照他的設想，「星鏈計劃」將在地球周圍布置約 1.2 萬顆衛星（後續可能增至 4.2 萬顆），打造一個覆蓋全球的網絡，為用戶提供高速網際網路服務。

圍繞著 「星鏈計劃」，國內很多無良自媒體進行了大量的炒作，說它有多麼多麼厲害，是美國的 6G，會取代 5G 移動通信，對中國造成威脅。

事實上，馬斯克本人從來沒說過 「星鏈計劃」要取代 5G。至於說 6G，前幾天小棗君關於國內某高校 「6G 衛星」的文章也解釋過了，很多東西都還是未知數。

該計劃每次都會申報一千多條衛星軌道。按照目前先到先得（7 年內必須啟用）的原則，1000 公裡以下的軌道資源很可能在幾年之後被 「星鏈計劃」搶佔大半。

衛星通信和 5G 之間的關係

如果說以 「星鏈計劃」為代表的衛星通信技術，不能夠取代 5G。那麼，衛星通信和 5G 之間，到底是什麼關係呢？

要回答這個問題，我們不妨看看國際組織正在進行的工作。

目前，國內外和衛星、5G 相關的代表性組織，有如下幾家 ：

• SaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）

這是一個 2017 年成立的融合衛星與 5G 項目，由歐盟資助。它的成員已經為 ETSI 和 3GPP 關於衛星融入 5G 相關的標準化研究做出了很多貢獻。

• 非地面網絡項目（Non-terrestrial networks， NTN）

這是 3GPP 立項成立的項目。它致力於將衛星通信與 5G 融合，在 5G NR 空口和架構的基礎上進行優化，以便未來能夠提供更加廣闊和多樣化的通信服務。

• 航天通信技術工作委員會（TC12）

這個是我國 CCSA（中國通信標準化協會）在 2019 年成立的組織，目的是開展星地一體化的研究工作。

首先看看 SaT5G。

SaT5G 在他們發布的白皮書中，給出了一些典型的衛星通信用例，重點聚焦於 5G 的 eMBB 和 mMTC 兩大場景（衛星系統的傳播延遲，對於 uRLLC 場景來說是一個難以逾越的障礙）：

用例 1：5G 內容分發

藉助衛星的廣播 / 多播功能，將媒體娛樂內容（或者移動邊緣計算設備的 VNF 軟體更新）高效地分發到網絡邊緣。

用例 2：5G 固定回程

推動在地面 5G 網絡無法覆蓋的區域推廣服務 （例如海事服務、湖泊、島嶼、山區、農村地區、孤立地區等），以經濟高效的方式，提升地面網絡的性能。

用例 3：5G 到樓宇

補充地面網絡的連通性，例如與地面無線或有線相結合，為服務能力不足地區的家庭或辦公室提供寬帶連接。

用例 4：5G 移動平臺回程

寬帶連接到移動平臺，如飛機、船舶等，提供服務的連續性。

▲ 來源 ： SaT5G 白皮書

值得一提的是，SaT5G 成員在最近兩年舉行的歐洲網絡與通信大會 （EuCNC）上，進行了一系列衛星與 5G 網絡架構融合的現場演示。

下圖演示了飛機上的 5G 技術。衛星和地面 5G 網絡設備相互結合，進行內容分發，為乘客提供娛樂服務以及連網方案。

▲ 來源 ： SaT5G 官方文檔

再來看看 3GPP，他們關於衛星融入 5G，有什麼進展。

下面這張示意圖，展示了相關國際組織（含 3GPP）的整體工作進展情況。

▲ 來源 ： SaT5G 官網

3GPP RAN 工作組的相關內容和時間線大致如下：

R15 對 「NR 支持非地面網絡」進行了 SI 立項，並發布研究報告 TR 38.811。該報告定義了包括衛星網絡在內的 NTN 部署場景及信道模型，以及 NR 的潛在影響 ［1］。

R16 的 「NR 支持非地面網絡的解決方案」SI，仿真評估了不同部署場景的性能以及 NR 適應性分析。2019 年 12 月，SI 結項並且發布了 TR 38.821［2］。

R17 將 R16 SI 轉為工作項目 WI，重點研究 NR NTN 增強方案 ［3］。

為了簡化理解，大家可以想像把地面基站搬到空中的衛星平臺（實際上這確實是它一種部署方式）。

這種情況和傳統地面移動通信的區別在於：地面移動通信中基站不動，而用戶是移動的；而衛星通信中，空中的基站在高速移動，大部分用戶在靜止或低速移動時可看作準靜止的。

除此之外，兩者的無線傳播環境與特性也存在著很大的不同。

那麼問題來了，地面移動通信網絡最初並不是為這樣的場景設計的，這些由 NTN（非地面網絡項目）帶來的顯著特徵，會在不同程度上影響 5G 的架構、協議和實現（特別是物理層）。

5G NR 支持 NTN 的技術細節

首先，我們需要了解 NTN 波束覆蓋的兩種典型模式：

• 透明轉發

即彎管方案，可以認為是無線信號經衛星中繼。

• 星上處理

可以認為是衛星具有 5G 基站的全部或者部分功能。

相應地，基於透明轉發、星上處理、有 / 無中繼，提出了 4 種網絡架構：

▲ 來源 ： 3GPP 38.811 V1.0.0

其次，如果我們站在協議棧的角度來看：

1. 透明轉發架構的用戶面和控制面協議棧如下：

▲ 透明轉發架構的用戶面協議棧

▲ 透明轉發架構的控制面協議棧

2. 星上處理架構的用戶面和控制面協議棧如下：

▲ 星上處理架構的用戶面協議棧

▲ 星上處理架構的控制面協議棧

最後，我們來一起看看對物理層的主要影響（以及解決方案建議）：

a）物理層控制過程

• 時序關係

NTN 相比地面網絡會存在較大的雙向傳輸時延 RTT，導致上下行的幀時序存在較大偏移，需要增強物理層時序關係，可以通過引入偏移量 Koffset 並應用它來修改相關的時序關係。Koffset 的具體值在不同的時序關係中也將會有所不同。另外，還需要進一步討論 Koffset 值是通過廣播還是高層參數配置的方式來獲取。

註：具體影響的時序關係，請參考 TR 38.821 V16.0.0 的 6.2.1.2 小節

• 上行功控

R16 討論了比如波束專用和通用的功控參數配置、基於預測的功控調整、基於組的功控參數配置等功控優化方案，但尚未形成收斂的結論。因此，依舊還是會沿用 R15 的功控方式。

• 自適應調製編碼 AMC 和延遲的 CSI 反饋

大家知道，AMC 通過調整無線傳輸的調製方式與編碼速率，來確保鏈路的傳輸質量。為解決信道狀態信息 CSI 上報過時問題，R16 討論了多種優化方案，但尚未形成收斂的結論。根據 SI 的結論，R15 定義的 CSI 反饋機制至少可以用於 LOS 場景的 NTN 鏈路自適應。

b）上行定時提前與 RACH 增強

• TA 增強

定時提前用來指示 UE，根據指令提前相應時間發上行數據。NR 的 TA 機制不能滿足 NTN 幾百甚至幾千 km 的傳輸距離要求。R16 考慮的增強方案，是使用公共 TA 和 UE 專用 TA 的組合：第一種是根據用戶位置和星曆信息 （即商業衛星的關鍵軌道參數）自主獲取 TA 值。第二種是基於網絡側指示 TA 調整。上述兩種方式仍有一些增強工作需要放到 R17 進一步探討。

• RACH 增強

如果 UE 可以精確獲取用戶位置信息並進行時頻偏預補償，則可以復用 R15 的 PRACH 格式和前導序列（可以進一步討論額外增強的必要性），否則就需要考慮增強的 PRACH 格式和前導序列設計。

此外 NTN 也可考慮採用 R16 中的兩步接入，以此簡化初始接入流程。

c）更多的時延容忍重傳機制

大家知道，混合自動重傳請求 HARQ 機制可保證信息完整性，提高傳輸可靠性。

但是 NTN 中 RTT 較大，所需最小 HARQ 進程數會遠大於 NR 支持的 16 個。

目前主要討論的是以下兩個方案：

第一種是 HARQ 關閉機制。

第二種是 HARQ 傳輸機制的增強。比如增加 HARQ 進程數，來匹配更長的衛星雙向傳輸時延。或者禁用 UL HARQ 反饋，以避免 HARQ 過程中的停止和等待，並依賴 RLC ARQ 來提高可靠性。這兩種增強機制目前還沒有定論。R17 應該會進一步討論 HARQ 進程的數量，並考慮 HARQ 反饋、緩衝區大小、RLC 反饋和 RLC ARQ 緩衝區大小等。

d）其他更多的議題，限於篇幅這裡就暫時不列舉了…

結語

根據各大組織的研究進展，我們基本可以認為——衛星通信，將作為一個有益補充，集成到整個 5G 生態系統中。

衛星通信和 5G 的融合，將會是一個雙贏的結果。

一方面，由於 5G 的規模化效應，為衛星通信打開了全新的市場機會。另一方面，「即插即用」的衛星通信網絡，將是對地面 5G 網絡的有效補充，使得 5G 的生態系統可以更具彈性和效率。

從標準化的角度來看，3GPP 針對衛星和 5G 網絡的融合，還在規範制定的過程當中。不過目前看來，最重要的考量，還是如何最大程度地復用地面的 5G 關鍵技術和標準。

相信到了 2021 年，也就是 R17 發布的時候，我們會看到初步的結果。那個時候，將是未來 6G 星地一體化深度融合的起點。

參考文檔：

［1］SaT5G Whitepaper.

［2］3GPP. 3GPP TR 38.811： Study on New Radio （NR） to support non terrestrial networks V15.0.0 （Release 15） ［R］。 2018.06.

［3］3GPP. 3GPP TR 38.821： Solutions for NR to support non-terrestrial networks （NTN） V1.0.0 （Release 16 ） ［R］。 2019.12.

［4］Thales. 3GPP RP-193234： New WID： Solutions for NR to support non-terrestrial networks （NTN） ［R］。 2019.12.

責任編輯：PSY

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