卫星5G技术的发展和展望

卫星5G作为天地一体化网络的关键组成部分，在全球范围内得到了广泛研究与应用。通过3CPP、ITU-R等国际组织的技术标准制定工作，以及Sat5G项目的实际应用研究，卫星与地面5G网络实现了深度融合。技术重点包括多频段星地一体化波形设计、非正交多址接入及无线资源管理等方面。当前正在探索6G时代的技术挑战与解决方案，在天地统一规划的基础上推动网络架构优化与创新。

摘要

关键词：Space-5G ; 网络结构 ; 信号波形优化设计 ; 星地非正交多址接入 ; 动态资源分配

1 引言

卫星通信凭借其覆盖范围广、对基础设施依赖程度低以及费用与距离无直接关联等众多优势，在当今世界依然是弥合数字鸿沟的关键手段之一。根据"玛丽·米克尔"所发布的《2019年互联网趋势报告》，数据显示：截至2018年时已有约51%（即38亿人）成为互联网用户；这一比例较上一年度的49%（即36亿人）有所提升。值得注意的是，在全球网民数量急剧增加的情况下（直至2018年时已突破6%的增长速率），新用户的获取难度逐渐加大；而到了近年来，则因相关项目的出现而呈现出了明显的增长放缓现象

在这一背景下

2 发展现状

2.1 星地融合的早期工作

自20世纪90年代以来围绕 satellite 和 ground mobile communication 融合发展的探索从未间断 其主要成果集中在 L S 等低频段的移动通信技术发展上 相对较少地延伸至 C Ku及 Ka 频段的固定通信系统技术研究 总体而言 目前形成的多种 satellite 移动通信技术方案大都基于以下原则 在保持现有 ground同期移动通信标准框架 下实现了网络功能划分和上层协议体系尽量维持原有状态的基础上 根据 satellite 移动通信特性对物理层 数据接入层面 链路层面 以及无线资源管理和算法优化等方面进行了针对性设计

在高轨卫星领域中

随着互联网卫星星座的演进，在FSS领域实现了星地融合的一些突破。基于Ku频段的OneWeb系统成功整合了其两大主要投资者——休斯（HUGHES）和高通（Qualcomm）——积累的研究基础。在前向链路采用了单载波时分复用技术（SC-TDM），回传链路则采用了基于LTE标准的单载波频分多址机制（SC-FDMA）。

2.2 3GPP组织开展的工作

作为全球电信标准的主要制定机构, 3GPP 目前正致力于推动全球 5G 标准化进程. 经过两次延期安排, 在 2020 年 7 月完成了第二阶段 (R16) 的相关标准冻结工作. R17 设计工作已全面启动,并计划于 2021 年 9 月完成阶段 3 的冻结

自R14版本起就开始研究卫星通信与地面移动网络融合的技术方案。具体而言，在这一过程中, 卫星被定义为一种特殊的接入手段, 用于补充和完善地面移动网络的能力范围。自R15版本起, 3GPP对这一技术方向展开了更加深入的研究工作, 并着重整理了相关技术文档, 包括《非地面网络功能扩展》(Trunking Extension for Mobile Core Function) TR38.811文件以及《星间通信协议》(Inter-Satellite Traffic) TR22.822文件等关键参考资料。其中, TR38.811文件主要聚焦于非地面网络(NTN)的功能特性及其在网络体系中的定位问题, 同时详细列举了一系列典型的应用场景; TR22.822文件则系统地分类并列出了支持这些功能的具体应用场景, 包括星地间的漫游连接、广播及分发服务、物联网应用、临时设备支持、最优路由配置、跨界服务连续性保障等共十二个具体实现方案

在RAN第十六阶段中（RAN WMA），重点研究了卫星5G系统架构以及新增空中接口在非地面网络中的应用方案。于2018年6月召开的3CPP RAN全会上（RAN 44），国际组织向其提交了新版本的技术提案TR38.821。该提案详细阐述了非地面网络及其应用场景的具体设计思路与技术实现方案。其中重点探讨了传输层、再生成层等不同模式对5G接入网络性能的影响，并通过星地网络链路层与系统级仿真评估验证了相关技术方案的有效性。针对提出的无线协议优化、新型接入架构构建以及增强型空口技术实现等问题均提出了切实可行的技术解决方案。随后于2019年完成了第十六版版本TR38.821的修订工作。

该系统作为第二代移动通信技术的重要组成部分，在现有架构与功能的基础上进行技术上的持续演进，并全面支持物联网应用的发展需求。于2019年召开了第XX届大会（会议名称），会上宣布了R17阶段的23项标准提案（提案数量）。其中，在卫星通信领域约48项提案由中国企业主导提出（主导企业）。尽管已有近半数提案由国内企业提出（比例计算），但卫星通信领域的相关工作仍主要集中在欧美国家手中（主要国家分布）。在当前研究工作中（研究方向），3GPP将继续开展非地面网络5G NR增强技术的研究（研究重点）。

表1详细列出了基于TR38.811标准定义的5G非地面网络典型部署场景，并涵盖了多种类型的卫星系统。综合考虑Ka、S等高频段特性后，在传输系统中实现了高达800 MHz的工作带宽。主要采用频分双工（FDD）模式进行通信，在支撑固定型和可移动型点波束等多种卫星载荷的同时满足增强型室外宽带接入需求。NTN终端架构包括手持终端和VSAT中继节点两种核心组件：手持终端主要通过窄带或宽带卫星实现接入服务（窄带时工作频率通常在6 GHz以下），其下行速率为1~2 Mbit/s；而VSAT作为移动平台上的中继节点，则利用6 GHz以上的高频频段并提供更快的下行速率约达50 Mbit/s。NTN架构中的5G网元映射信息可见于表2中。参考表2可知，在星地功能划分上，3GPP标准仅限于星上搭载完整基站gNB或者只有射频拉远头（Remote Radio Head, RRH）两种形式。

2.3 ITU组织开展的工作

ITU是联合国主管信息通信技术事务的专门机构，在全球范围内负责协调无线电频谱与卫星轨道资源的分配与管理，并参与制定国际电信领域相关标准。该机构致力于向发展中国家提供电信技术援助以促进全球电信事业的发展。ITU设有三个主要部门：电信标准化部门（itu-t）、无线电通信部门（itu-r）以及电信发展部门（itu-d）。其中与卫星通信相关的技术规范由无线电通信部门（itu-r）主导制定，在其建议文件及技术报告中对涉及频谱规划与轨道资源分配管理的相关资料进行了详细规定。

ITU于其RWP5D第22次会议上正式将5G技术命名为IMT-2020，并明确了该技术的发展愿景及具体实施时间表。其发布的一份报告列出了星地融合型5G应用方案共四项：即中继站点接入、小区回传通信、动中通业务支撑以及混合多播服务；同时指出了实现这些应用场景时需要考虑的关键技术要素：其中包括多播能力保障、智能路由技术支持、动态缓存管理与自适应流处理机制建立等必要条件；此外还需要兼顾以下核心技术要求：如服务质量一致性保障水平（QoS）、NFV与SDN技术兼容性以及商业模式的灵活性设置等各项指标。

同时，在推动卫星与5G频率科学及资源合理利用方面，ITU展开了多项相关工作。特别地，在世界无线电通信大会W R C-15上, ITU确定了6至84 GHz频段内探索新型5G可用频率的需求,为此需要进行一系列关于卫星与5G频谱共用和电磁兼容性的分析。值得注意的是，在随后召开的WRC-19会议上,各国对非地球静止轨道（Non-GEO）星座的服务规则进行了修订,要求所有通信星座必须在14年内完成所有卫星发射任务。这将显著促进空间网络工程建设进程并完善其产业链,现有的5G技术成果也将发挥更加重要的作用。

2.4 Sat5G和SatIS5组织开展的工作

Sat5G是由欧盟H2020 5G PPP计划第二阶段资助的项目。该项目由欧洲卫星公司（SES）以及萨里大学等高校与研究机构组成。

Sat5G通过推出低成本卫星解决方案来加速5G网络的建设，在全球范围内推动这一进程的同时为卫星产业链开辟新的增长点。整个项目计划历时30个月，在6个关键领域开展工作：组织相关领域的5G及卫星研发团队共同制定融合网络架构方案；探讨并确立卫星与5G融合的商业价值主张；针对研究中的技术难题开发创新性解决方案；在实验室环境中验证新方案的技术可行性；展示融合技术及其应用场景；参与并协助ETSI和3GPP标准化组织的相关标准化工作

为了实现这一目标,S a t5G明确了卫星融入5G的关键使用情形与6项核心技术。其中一项涵盖了多媒体内容以及多址接入移动边缘计算(MEC)、虚拟网络功能(VNF)软件的边缘分发与负载均衡等技术;另一部分则聚焦于构建基于虚拟化的卫星网络功能架构,包括优化资源分配机制与业务管理流程,提供针对小蜂窝节点的独特链路聚合解决方案,推动集成创新以展现5G在卫星通信中的独特优势,以及通过优化星地间管理流程确保高效授权并实现智能内容分发与VNF部署

基于Sat5G项目的研究成果展示中

2019年11月，在英国的行业简报会上, Sat5G项目组展示了通过测试平台在实时卫星链路上成功运行的多个5G应用实例,并详细演示了卫星链路的实际操作流程.该方案通过直接连接卫星和间接连接卫星领域的研究,验证了卫星技术在以下关键方面的优势:快速内容分发至网络边缘,为蜂窝基站提供有效回传服务,显著提升了办公区域的宽带接入体验,以及通过 GEO 和 MEO 卫星实现对飞行移动平台的数据接入.该团队已在 OpenStack 和 Kubernetes 等平台基础上,成功设计并部署了多个基于卫星技术的虚拟网络功能(VNF),并开发出了一套集成架构,从而实现了对网络切片的无缝承载.2020年2月，在德国举办的学术研讨会上,Sat5G团队展示了基于5G原型系统的飞机内部与外部地面数据网络连接方案.借助 GEO 卫星链路支持下的 SkyEdgellc 虚拟平台进行模拟实验,全面展示了内星地网络的整体集成效果.此外,基于 O3b 中轨高通量卫星星座还发布了5G星地网络空中端到端连接的具体视频演示.

此外，在2017年3月，“欧洲航天局（ESA）”宣布启动了基于5G技术背景下的星地一体化SatIS5项目（Satellite Integrated System Innovation Platform），旨在搭建一个大型端到端的5G集成网络概念验证与测试平台。该平台能够完成部署与评估一个完整的星地型5G网络，并在eMBB（Massive MIMO）以及大规模机器类通信（eMTC）等场景中突显星地间的整合优势。该系统已于2018年8月正式投入使用。

3 网络架构

采用透明转发器模式时，在轨设备仅负责接收并发送射频信号，并管理与地面之间的连接。此时该网络架构的设计需要解决以下问题：一是如何划分功能模块；二是如何应对星间相对运动对系统架构的影响；三是支持多种工作模式。

目前采用的服务化架构（Service Based Architecture, SBA）对5G核心网进行优化，在原有的网络功能与特定硬件设备之间形成了耦合关系，并将其转化为独立且具有可重用性的微服务形式。这些微服务通过云计算设施被调度执行以实现控制面与业务面的分离这一目标指导原则下，在图1所示的卫星5G网络总体架构中得到了体现。该架构基于处理转发器实现了至少一个完整的5G基站gNB部署于星上配置状态。其中，在卫星端和地面端关口站之间整合了计算和存储资源形成统一资源池，并根据需求动态支持部分核心网相关业务服务的调度工作包括接入管理（Access and Mobility Management Function, AMF）、会话管理（Session Management Function, SMF）以及用户面管理（User Plane Function, UPF）等功能。

图1 卫星5G总体架构设想

就目前而言

如图1所示，在该系统架构中，卫星与地面覆盖区间的相对运动问题可以通过基站间动态切换机制来解决。而星上基站与核心网服务以及地面关口站服务之间存在的动态互联问题，则可通过图2所展示的具体架构实现有效的解决方案。具体而言，在卫星端部配置了一种基于MPLS协议的边界标签交换路由器（Label Edge Router, LER）以及常规标签交换路由器（Label Switch Router, LSR）。地面上则部署了支持软件定义网络技术的地端SDN服务器群组（ground-based SDN servers），这些服务器能够根据可预先计算出的卫星轨道信息，并采用 constellation routing算法中的快照序列等方法构建星座路由路径（constellation routing paths）。通过这种方式构建的服务网络结构不仅实现了星上基站与核心网之间的互联功能，并且能够灵活应对星座拓扑结构的变化需求。同时该系统还具备周期性地建立、拆除以及维护LER之间的标签交换路径的能力（Label Switch Path, LSP）。这种基于MPLS-SDN结合的设计方案完全契合当前业界广泛采用的SD-WAN架构理念。值得注意的是，在这一体系中不仅实现了星上基站gNB与其所属的核心网节点之间的互联功能，并且还能够通过灵活配置快速建立虚拟专用网络（Virtual Private Network, VPN）或实施网络切片操作（Network Slice）。这种多功能性对于依赖于此类通信系统的政府机构、企业以及军事组织来说具有重要的实用价值

图2 卫星5G网络的空间组网架构

4 传输关键技术

4.1 多频段星地一体化波形设计技术

该方案主要关注点在于，在现有技术条件下（包括高低频传输信道模型不一致等问题），如何制定波形方案并构建统一的技术框架。该框架需满足支持卫星场景应用的同时兼顾高峰均比指标与高效的频谱利用效率要求，并推动相关技术实现产业化快速推广。当前研究已明确指出，在20 GHz及以下频段的星地链路传输中，“两状态Markov+Loo多径”模型可作为有效工具应用。然而，在不同仰角条件下的多径传播特征呈现显著差异性——这不仅取决于所处频段范围的不同还受到应用场景的影响。此外需要考虑LEO卫星运行中的多普勒效应叠加以及动态变化的星地传播延迟问题

就目前而言，在L、S低频段范围内受限于链路余量的限制，在采用下行OFDM/上行DFT-S-OFDM系统方案下也面临着一定的技术挑战。以当前最为先进的铱星为例，在轨道高度780 km的情况下其卫星波束下行端的有效等效输入辐射功率（EIRP）设定为32.9 dBW（考虑到扫描至60°覆盖边缘时天线增益因仰角小于10°而下降6 dB）。这一设置下地面手持型终端的质量因数约为-28 dB/K。假设解调门限设定为5 dB（基于QSPK调制与1/2率码），即便仅计算自由空间传播损耗的情况下仍能维持1.024 Mbit/s速率下的链路余量仅为3.2 dB水平。若进一步考虑仰角较低导致的遮挡效应以及多径衰减等因素的影响，则该链路余量将难以支撑类似地面5G网络更大容量配置的需求。未来在我国主推自主星座建设时还需充分考虑可用频段资源的限制问题。在L、S频段内目前仅有上行方向存在1 668～1 675 MHz以及下行方向1 518～1 525 MHz的有效频率带宽可被用于MSS业务运营，并经7色复用后每个波束所占带宽缩减至1 MHz范围。

在Ka及Ku等高频段别的情况下，在轨运行中的卫星轨道运动所引发的多普勒偏移问题可通过基于轨道预测的方法加以解决；然而仍需采取相应措施以应对由于轨道预测误差及终端自身运动估计误差所带来的残留频率偏差问题。可变OFDM子载波带宽方案有助于减弱残留频率偏差对系统性能的影响；然而过大的子载波配置会牺牲一定数量用户的接入能力并降低资源分配效率因此建议根据不同应用场景选择合适的技术参数配置例如为飞机高铁用户提供较大容量的子载波以满足其特殊需求尽管DFT-OFDM在上行链路已获得广泛认可但下行链路仍有观点主张采用DVB-S2X标准下的SC-TDM方案因为该方案较之具有更好的PAPR性能

当前研究致力于协调提升5G系统的载波灵活度与PAPR性能。已有研究探讨了通过滤波器降低5G信号低峰比及接收机复杂度的方法。近年来受到雷达信号处理启发，在6G领域提出了新型正交时间频率空间（Orthogonal Time Frequency & Space, OTFS）调制技术。该技术由两部分组成：首先，在射频频段上采用二维逆有限辛傅里叶变换对基带数据进行处理；随后经Heisenberg变换得到时域信号；接收端则依次实施Wigner变换及有限辛傅里叶变换以恢复基带数据。值得注意的是，OTFS本质上是一种二维扩频技术：每个QAM符号被扩展至时频二维空间网格上的基本函数来进行承载。其显著优势在于能够方便地结合高阶调制方案与MIMO技术，并且对于窄带干扰具有极强的鲁棒性；此外还具备独特的"多普勒横向分配"机制支持能力：这将为其在未来解决星地一体化波形问题提供新的思路。

4.2 卫星物联网用户的多址接入

该领域（ Satellite Internet of Things Business ）自近年以来备受关注。于2020年8月，在联发科与Inmarsat组织协作下借助Alphasat L波段GEO卫星 实现了基于NB-IoT标准的卫星物联网业务传输记录 。相关研究已对远距离无线电（ Long Range Radio ， LoRa ）在卫星物联网中的应用展开探索

卫星物联网设计在现有基础上除了提高连接密度外，还需要重点解决低轨道卫星覆盖场景中物联网终端因与卫星之间相对运动而周期性地在波束（小区）间发生跨区切换所导致的信令流量激增问题，并尽量减轻终端在此过程中能耗的增加。非正交多址接入技术以及无授权传输机制等是应对这一挑战的有效方法之一。

在地面移动通信系统的非正交多址接入中，在基站提供实时的时间提前量信息的基础上，并通过采用基于循环前缀的OFDM/DFT-S-OFDM波形实现了各用户间的严格同步。在此场景下，则可考虑采用调制符号级的高效且灵活设计的多用户联合接收器来处理信号传输问题。具体而言，在现有技术框架下可应用消息传递算法（Message Passing Algorithm, MPA）和期望传递算法（Expectation Propagation Algorithm, EPA）等方法以提高系统性能指标。同样地，在这种情况下还可以考虑在接收端应用串行干扰删除技术以进一步优化信号处理效果。然而，在卫星物联网系统中由于各用户的同步特性难以得到充分保障这一特点使得传统的MPA或SIC接收机方案不再适用因此需要探索更为适应此类应用场景的新颖算法设计思路。其中一种可能的解决方案是采用分块编码和稀疏码等多种编码方案进行联合优化以达到更好的系统性能

在用户上行传输过程中，在非正交多址接入机制下无需基站提供动态或显式调度授权即可完成用户的传输操作。具体而言，在基站与用户的预先约定好的用于发送信号的多址接入特征序列库中随机选取合适的一组特征序列（如码序列、功率电平、交织序列等），再随机选取合适的信道（Random Access Channel, RACH）来进行信息发送。若有多于一个用户随机选中同一组多址接入特征序贯，则会导致各参与用户间的强烈干扰而使星端基站无法正常接收数据包。此时仍需借助少量信令来明确指示哪些特性序贯可供使用或禁用。由于单个用户的特定多址接入特征序贯将在一定时间内保持有效状态这一特点，则能有效减少系统所需的信令开销并降低终端的能量消耗。

4.3 无线资源管理和干扰避免

基于5G网络架构中，核心管理单元的主要任务是协调管理每一个由子载波、时隙构成的资源块（RB）以及与MIMO技术相关的动态资源分配策略。在卫星通信系统中，如何实现多波束间的高效功率分配是一个在此框架下亟需深入研究的关键技术问题。

当前，在Ka频段星座系统中，星link、Telesat等主要星座普遍采用了相阵控多波束天线技术。这种天线系统能够覆盖比单个波束宽度大得多的范围。为了实现对覆盖区域内多个用户的高效服务需求，在接收端必须频繁切换和扫描多个不同的波位以适应不同的用户方向需求。然而由于可能存在的数百个独立可调制的波位数量限制，在每个固定波位上维持长时间驻留可能无法完全避免整体系统的最坏情况下会导致用户数据在空口接口内经历秒级延迟的问题。与此同时信号同步机制失效以及HYBRID AUTOMATIC REPEAT REQUEST（HARQ）过程中的Round-Trip Time（RTT）积累效应可能导致系统效率降低广播与专用控制信道资源在空闲或低负载状态下未能得到合理分配以及各相邻波束间的公平使用面临挑战。特别是在GEO轨道场景下由于其固有的星地通信延迟特性这一问题将更加严重地显现出来。此外卫星作为带有限制条件的能量传输设备为了避免各独立可调制子系统的负载不平衡导致的部分子系统过早进入饱和状态一般会采用多馈源（Multiple Feed per Beam MFB）方案以提高系统的能量利用率并在此基础上发展出一种称为跳频（Beam Hopping BH）的技术该方法通过将能量分配机制与5G网络资源调度相结合实现了动态优化系统性能的目的

在卫星5G资源分配过程中，干扰是一个不容忽视的关键考量。在宽带卫星通信系统中不仅需要应对LEO与GEO轨道之间以及不同卫星间的干扰问题还需特别注意自身多颗轨道之间的干搅管理。目前针对来自其他系统的干搅协调已有一套较为完善的解决方案即通过NGSO与GSO卫星间的高度差诱导渐进式仰角隔离技术来规避干扰。具体而言为了避免被干搅对象落入天线终端连线所形成的圆锥体内部这种措施通常会设定一个门限值以确保不会导致噪声温度上升超过7%这一技术参数同样适用于不同轨道上的NGSO系统之间以及同一平台内多颗NGSO之间的干搅协调方案设计前提是能够精确掌握被干搅对象的运行轨道参数

此外值得注意的是基于频谱感知的非地面卫星（NGSO）与地面卫星（GSO）干扰协调技术近年来也得到了重视。当Starlink Kuiper等星座系统的规模增长至数千或数万颗时其网络环境将变得更加动态和复杂为应对这些挑战而言人工智能的应用显得尤为重要目前而言在地面移动通信系统领域中有关于深度强化学习驱动的频谱共享机制的研究已取得一定进展

5 未来发展趋势

目前，卫星被视为未来网络的关键组成部分已获得普遍认可。美国星链星座系统自诩为"卫星6G"网络，在全球范围内享有盛誉。英国电信首席架构师则明确表示，在未来的第五代移动通信技术（5G）建设中将融入通信、导航与遥测等 satellite 网络功能。国际 Telecom Union在其2030年技术焦点组构想中提出，在地天一体化建设进程中地面与空间基础设施深度融合将成为重要发展趋势。

28年前我国首次举办6G相关会议
我国重点研发计划成功支持一批涉及卫星通信的关键技术课题研究
未来6G的目标是使流量密度和连接密度较5G分别增长十至一千倍以上，并且终端移动速度要超过一千公里每小时
构建天地一体化的技术架构并实现立体多维覆盖、空间三维组网和多频段协同通信等核心技术突破

基于全球各国规划, 6G计划于2030年全面投入运营, 在其整体发展中将从需求端到运维端全面实施天地一体化布局, 确保创新体系与产品开发、工程建设和应用服务深度融合, 推动创新体系与产品开发、工程建设和应用服务深度融合