5G卫星网络发展

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5G通信系统是支撑未来全球数字经济的通信基础设施。目前，5G新空口（NR）还不能实现全球泛在覆盖，特别是在高空和远海等区域。而卫星通信系统具有覆盖区域广、广播多播、移动和宽带传输等优势，对实现5G万物互联愿景至关重要。

5G网络卫星段是2020～2025年期间5G网络发展第二阶段研发和标准化面临的迫切问题。5G卫星网络需求将主要由5G网络支持的三种基本业务场景决定，即增强型移动宽带接入（eMBB）、大规模物联网连接（mIoT）和超可靠低延迟通信（uRLLC）。作为处于引领地位的国际标准化机构，第三代伙伴合作计划（3GPP）已经确定了5G卫星网络的一些用例和场景。

5G卫星网络指利用卫星网络技术构建5G无线接入网（NG-RAN）。本文主要讨论了5G卫星网络发展中的频谱和技术问题，5G卫星段的架构，以及在分布式和集中式gNB基站基础上构建5G卫星段的可能性。针对基于弯管技术和星载处理技术的5G卫星段考虑了卫星有效载荷的利用问题。

15G卫星概念的实现

5G网络当前面临一些亟待解决的挑战：①仍不能为偏远地区提供足够带宽覆盖，在这些地区难以实现经济高效的网络部署，地面无线移动网络覆盖全球的理念仍未实现；②缺乏未来无线应用所需的可靠性、可用性和响应能力，在发生自然灾害时网络的抗毁性难以保证；③随着5G应用的快速发展，海量视频等内容的有效分发也难以保证。

现在考虑的5G卫星段概念基于以下先决条件：

· 5G卫星段集成到其他移动和固定网络中，但不自主提供5G服务。卫星和地面5G部分的集成构成了这一愿景的关键内容；

· 卫星通信系统是交付可靠移动服务的基本组成部分；

· 5G卫星将有助于5G网络的普及，并有助于解决多媒体流量增长、全球覆盖、机对机（M2M）和关键通信（应急和自然灾害）等各种问题，从而优化最终用户成本；

· 卫星可能成为5G混合网络配置的一部分，5G混合网络综合了广播和宽带基础设施，其运行方式可确保所有终端用户5G服务的不间断和在线融合。

5G卫星段需求将首先由5G提供的各类服务来定义，并整合到5G地面部分使用场景中：增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器类通信（mMTC或mIoT）和超可靠低延迟通信（uRLLC）。

现代卫星网络的特性以及未来卫星技术发展趋势表明卫星网络有支持5G应用关键场景的潜力：

（1）eMBB场景。这种场景下，卫星网络能够维持高达每秒几Gb的数据传输速度，满足eMBB的扩展服务需求。如今，卫星技术可以广播数千条信道，交付高带宽（高清和超高清）内容，为下一代移动网络服务提供支持。而地球同步轨道和非地球同步轨道高通量卫星（HTS）的发展和容量的迅猛增长也能够支撑未来移动网络的传输基础设施。

（2）mMTC场景。随着物联网设备的广泛应用，卫星通信系统已经可以支持货物和物体跟踪应用。卫星通信系统能力可以扩展到在直接控制信道内支持物联网设备和服务，或者作为反馈线路，与远程位置、船只上的物联网和M2M设备建立连接。

（3）uRLLC场景。在提供关键和高可靠通信方面，卫星通信因其信号延迟大而受到诟病，但新部署的中低轨卫星网络将可以支持这些延迟敏感应用。

25G卫星网络用例

5G卫星网络利用卫星网络来设计新一代无线接入网（NG-RAN），3GPP技术规范TR 22.822（R16）明确了5G卫星网络的一些用例。

用例1：地面网络和卫星网络之间漫游。这种情况下，5G卫星网络运营商基于全球覆盖提供数据服务。地面5G网络运营商则与5G卫星网络运营商以及其他地面网络运营商签订漫游协议。用户终端仅在没有地面5G网络无线电覆盖的情况下使用5G卫星网络。

用例2：卫星广播和多播。5G卫星网络运营商在全球范围内提供视频广播或其他服务。提供广播服务的现有地面移动网络可以依赖5G卫星网络，满足其与扩展无线电资源、广播内容和确保全球内容访问相关的主要目标。

用例3：卫星物联网。5G卫星网络运营商在全球范围内提供物联网服务。5G卫星网络的空间段使用低轨卫星，以确保低功耗物联网设备的无线连接。

用例4：卫星组件临时使用。在发生重大自然灾害、战争等情况下5G地面网络服务无法正常使用时，许多能接入卫星组件的5G网络运营商授权访问其网络，允许使用最少的服务（如语音、消息和邮件），让卫星覆盖下的每一用户设备都能获得有保证接入能力。

用例5：最优路由或控制。5G网络将组合可用的地面和卫星网络组件，根据请求的服务质量优化用户设备连通性。根据对服务质量参数5QI以及带宽的质量要求，在卫星和地面网络的联合无线覆盖区域内保证最佳业务路由。在具有卫星接入的5G网络中，具有地面接入能力并支持卫星网络接入的用户设备将能够实现与卫星接入网络和地面接入网络的双重连接。5G卫星接入网络将能够通过5G卫星和5G地面接入网络独立建立上行链路和下行链路连接。

用例6：卫星跨境连续服务。在几个国家的领土内提供5G全球卫星网络。5G卫星网络设计为各自地面网络的接入网络，覆盖各国领土；也可以用作中立地区的自主5G网络。

用例7：全球卫星覆盖（overlay）。全球低轨道卫星网络将用作地面数据网络的覆盖网络。通信链路的拓扑将以最小化协议数据单元传送时间为基础定义。

用例8：通过5G卫星接入网的非直接连接。这种情况下，大量用户设备无法访问卫星接口。这些5G用户设备与卫星网络的交互通过支持卫星接口的中继用户单元（中继用户设备）实现。该中继设备可以单独运行，也可以安装在救援船、飞机和火车车厢中。在通过卫星接入网络实现5G用户设备间的非直连时，解决安全、计费等问题至关重要。

用例9：NR和5G核心网之间的5G固定回传。该用例考虑在固定基站gNB和5G核心网络之间使用卫星网络构建中传和回传传输信道。5G核心网和NR之间的接口通过卫星链路直接传输。

用例10：5G移动平台回传。考虑使用卫星网络构建5G网络（移动平台）的传输链路，例如移动gNB和5G核心网之间的中传和回传。移动5G基站可以放置在河流和海上船只、火车等上面。

用例11：5G to premises。这种情况意味着5G卫星网络与非3GPP技术（如，IEEE 802.11、IEEE 802.16）互操作。使用家庭/办公室网关单元组合来自5G卫星网络的可用信号，并在房屋内提供现代无线网络覆盖。

用例12：远端服务中心与离岸风场间的卫星连接。基于低轨卫星的5G卫星网络用于与风力发电中的本地控制中心建立卫星链路连接。提供低卫星通信延迟和高上行/下行数据传输量。

不过，5G卫星的可能应用并不限于上述用例，随着3GPP R17继续研究5G的演进，5G卫星应用还将继续发展。

卫星段的主要缺陷在于，由于用户单元和gNB基站之间的距离原因，信息传输延迟会增加。对5G卫星段内数据传输服务质量的需求还取决于运行中的相关卫星数量。对于不同高度轨道上的卫星，用户设备到卫星间的信号传播延迟不同。对低轨、中轨和地球同步轨道卫星，最大延迟分别可达30、90和280毫秒。5G卫星段的其他服务质量要求（默认优先级、分组延迟预算、分组差错率）已在3GPP技术规范中规定。

35G卫星段频谱问题

不久的将来，毫米波频段可望成为5G和卫星通信中最受欢迎的频段。一方面，5G地面网络需要利用毫米波频段来提供高达20Gb/s的数据传输速度，满足扩展宽带移动接入（eMBB）服务需求。另一方面，使用50~400MHz带宽信道提供eMBB服务要求只能利用已经在卫星网络中使用的毫米波段提供。

2019年世界无线电通信大会（WRC-19）为全球5G地面网络分配了24.25~27.5GHz、37~43.5GHz和66~71GHz毫米波频段。在一些国家和地区，45.5~47GHz和47.2~48.2GHz频段补充分配给了IMT地面部分。这一决定允许5G卫星和5G地面网络在频谱共享基础上使用部分毫米波频段。

表1显示了10.7~275GHz频段范围内分配给固定和移动卫星服务的基本频段，这些频段针对卫星网络设计，但满足5G信道带宽需求。对12.5~86GHz频段的分析表明，10.7~76GHz范围内卫星网络上行链路可用频段总带宽达到17.75GHz，下行链路可用频段总带宽达到20GHz。

为了确保5G卫星段能在物联网设备大规模部署领域提供服务，建议选择使用部分S波段（带宽30MHz）：

· 上行链路（IoT设备-卫星）：1980~2010 MHz；

· 下行链路（卫星-IoT设备）：2170~2200 MHz。

卫星5G基站gNB和卫星网络馈线链路之间的连接可以在一个固定卫星服务频段中实现。

此外，对最受欢迎的频段，即Ka频段（28GHz）和Q/V频段（37~53GHz）的研究表明：

5G卫星段考虑使用Ka波段时，应注意：

· Ka波段是传统卫星波段，增强了卫星网络接入；

· 该频段的一部分由WRC-19在全球范围内分配给5G地面网络；

· 一些国家的行政部门正在从5G地面网络使用的角度审查这一频段。

5G卫星网络考虑使用Q/V波段（37-53GHz）时，应注意：

· V波段尚未用于卫星，特别是卫星网络的馈线链路；

· WRC-19已将一部分V波段在全球范围内分配给5G地面网络分配；

· 3GPP在R17中加快了对V波段卫星以及5G频段地面部分的需求研究。

因此，5G卫星段可以和5G地面段一样构建为多频段，频段也划分为6GHz以下（FR1）和6GHz以上（FR2）。

45G网络卫星段架构

3GPP是负责制定5G设备和5G基础设施技术规范的主要标准化组织。根据3GPP技术报告TR 38.913，5G卫星段是对5G服务的补充，尤其是在道路、铁路和水路以及农村等无法接入5G地面网的地区。通过5G卫星支持的5G服务不仅仅包括数据和语音通信，还提供与IoT设备和M2M的连接、广播服务和许多其他可以容忍信号延迟的服务接入。

3GPP已经提出了三种部署选择，如表2所示。

5G卫星段系统架构基于上文中描述的用例和两种卫星技术构建：

（1）基于弯管技术（透明卫星转发器，无星上处理）：从用户设备接收信号、放大信号、变换至其他频率并向卫星网关方向中继。

（2）基于星上处理技术的架构（卫星转发器有星上数据处理能力）：从用户设备接收信号，再生信号，包括信号的调制和解调、加密和解密。星上处理体系结构还把部分基站设备分配到卫星上。

2017年12月，3GPP 在TR 22.822“5G中使用卫星接入的研究报告”中提出了利用5G卫星段的新商业用例，包括物联网以及5G卫星段跨境连接性能和关键特征要求：轨道类型、覆盖区域、信号传播延迟和5G卫星段的网络架构。

根据提议的解决方案，5G卫星段融合到综合无线接入网（5G RAN），该网络将使用卫星基础设施和5G核心网。除了5G卫星段，5G核心网还可以与其他各代无线接入网连接，特别是4G无线接入网。

4.1基于弯管技术的5G卫星段架构

基于弯管型技术建立的5G卫星段架构如图1和图2所示。这种架构采用透明卫星转发器，仅做放大和变频处理，但保留5G波形。

5G无线接入网设计的一个重要特征是gNB基站采用分布式架构，由一个中央模块gNB-CU和一个或多个分布式模块gNB-DU组成。gNB-CU和gNB-DU模块通过逻辑接口F1连接。分布式模块gNB-DU支持一个或多个蜂窝，只能连接到一个中央模块gNB-CU。gNB基站的这种架构允许将gNB-CU和gNB-DU模块放置在地球站，并将F1接口作为基于弯管技术的空间链路，从而构建综合5G无线接入网。此时，5G卫星段的系统架构如图3所示。另一种弯管型5G卫星段架构通过将5G基站gNB连接到5G核心网的NG接口实现，如图4所示。

在5G用户设备（UE）有机会使用非3GPP无线接口的卫星调制解调器构建弯管型5G卫星段架构时，架构设计可如图5所示。5G卫星段架构应支持不同配置，其中无线接入网可以是卫星NG-RAN或非3GPP卫星接入网，或同时采用两种。

4.2基于星上处理技术的5G卫星段架构

图6显示了基于星上信号处理技术实现的5G卫星段系统架构（在卫星上部署部分基站处理设备），星上信号处理有效载荷使用5G基站的分布式模块gNB-DU，卫星链路使用5G NR无线电接口。

根据基站gNB的设计原则，一些分布式模块gNB-DU能够只连接到一个中央模块gNB-CU。这使得大区域5G覆盖更加容易。基于再生型有效载荷的5G卫星段体系结构使用星间链路（ISL）实现区域或全球无线接入网覆盖（如图7所示）。星间链路提供分布式模块gNB-DU之间的逻辑接口F1，分布式模块gNB-DU通过F1使用卫星无线电接口（SRI）作为远程无线电单元和卫星之间的传输链路。

第二种方案在卫星上使用5G基站gNB作为再生有效载荷，使用星间链路通过Xn-C和Xn-U接口提供SRI应用。这种情况下，远程无线电单元和卫星gNB之间以及gNB和5G核心网之间使用5G标准NG接口连接。

5G卫星段架构的移动设备包括安装在汽车、轮船、飞机等上的用户终端以及其他便携设备。如今便携式卫星用户终端的还限于L和S频段。关于Ku和毫米波波段5G卫星用户终端的潜在功能研究仍在进行中。

业内的一些进展

卫星与5G的融合应用已取得实质性进展。

（1）SANSA和SaT5G

欧盟在H2020计划下，相继开展了SANSA和SaT5G项目，为卫星融入5G提供解决方案。

SANSA（智能天线使能的共享地面-卫星回传网络）项目提出了卫星5G融合、自组织地面网络及动态频谱共享等关键特性并对相关关键技术展开了深入研究。

SaT5G项目联盟由卫星生产厂商、运营商和大学等16家单位组成，意在为5G开发即插即用的卫星通信系统。该项目为卫星融入5G确立的关键使用情形包括多媒体内容和多址接入边缘计算、虚拟网络功能软件的边缘分发和卸载；5G固定回传；5G to premise；5G移动平台回传。2019年6月，SaT5G项目团队在2019年欧洲网络与通信会议上宣布成功演示了5G卫星系列操作，其中两种服务最受关注：基于5G卫星链路的机载视频通信和面向农村市场和大型集会事件扩展服务的混合5G回传演示。

（2）SATis5

欧洲航天局（ESA）2017年3月启动了5G背景下星地一体化的SATis5项目。SATis5（5G环境下星地网络融合演示）项目既考虑回程架构又采用直接连接架构，其目标是构建一个大规模的实时直播端到端5G集成网络概念验证测试平台。该演示平台能够实现、部署和评估一个完整的星地5G网络，展示卫星与地面基础设施集成的好处。SATis5项目将展示5G的相关卫星用例，包括增强型移动宽带（eMBB）和大规模机器类通信（mMTC）。该项目构建的试验平台已于2018年8月投入使用。

（3）全球首次利用LEO卫星实现5G回传

2019年5月，全球卫星运营商Telesat公司、沃达丰集团公司和英国Surrey大学联合进行了8K流媒体传输、网页浏览和视频聊天等应用测试，在全球首次利用LEO卫星为5G回传提供了先进解决方案。实验测试结果显示，往返时延为18～40ms，达到卫星连接的最低值。此次测试表明LEO卫星可以成为扩展5G网络覆盖范围的一个重要方式。

6结语

在2020～2025年期间5G网络建设的第二阶段，需要为发达国家的大面积区域提供5G网络覆盖，并创建5G卫星段，为打造数字经济提供关键助力。

3GPP开展的工作将促进实现5G卫星段的许多不同用例。基于弯管/星上处理技术的5G卫星架构将在未来卫星系统开发中得以实现。电信领域的主要国际组织，如国际电联、3GPP、5G PPP正在联合业内联盟和卫星制造商，研究5G与卫星如何共享原本分配给卫星的频段，包括S、Ka和V波段，这也是5G卫星段未来发展的最重要问题之一。另一紧迫问题是5G地面段基站和用户设备与星载设备间的电磁兼容问题。可以肯定的是，随着地面移动网络聚集了巨量的用户和应用资源，卫星通信比以往更加依赖与5G融合发展，而卫星和5G的深度融合也将推动卫星通信技术不断进步并拓展卫星通信的市场空间。

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