5G和衛(wèi)星到底有什么關系？

近些年來，衛(wèi)星通信引起了國內(nèi)外的廣泛關注。

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

然而，也有人認為，衛(wèi)星通信存在諸多技術瓶頸，不會發(fā)揮太大的作用。究竟衛(wèi)星通信有什么用？它和 5G 有什么關系？

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(wèi)星的發(fā)射任務，用一枚 “獵鷹 9 號”火箭將 60 顆衛(wèi)星送入太空。

截至目前，SpaceX 已累計發(fā)射 893 顆 “星鏈”衛(wèi)星（如果算上 2018 年 2 月發(fā)射的兩顆測試衛(wèi)星，則是 895 顆），進度非常驚人。

毫無疑問，馬斯克確實是個商業(yè)奇才兼科技狂人。他引領的顛覆性創(chuàng)新，大大降低了發(fā)射衛(wèi)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(wèi)星（后續(xù)可能增至 4.2 萬顆），打造一個覆蓋全球的網(wǎng)絡，為用戶提供高速互聯(lián)網(wǎng)服務。

圍繞著 “星鏈計劃”，國內(nèi)很多無良自媒體進行了大量的炒作，說它有多么多么厲害，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。至于說 6G，前幾天小棗君關于國內(nèi)某高校 “6G 衛(wèi)星”的文章也解釋過了，很多東西都還是未知數(shù)。

該計劃每次都會申報一千多條衛(wèi)星軌道。按照目前先到先得（7 年內(nèi)必須啟用）的原則，1000 公里以下的軌道資源很可能在幾年之后被 “星鏈計劃”搶占大半。

衛(wèi)星通信和 5G 之間的關系

如果說以 “星鏈計劃”為代表的衛(wèi)星通信技術，不能夠取代 5G。那么，衛(wèi)星通信和 5G 之間，到底是什么關系呢？

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(nèi)外和衛(wèi)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(wèi)星與 5G 項目，由歐盟資助。它的成員已經(jīng)為 ETSI 和 3GPP 關于衛(wèi)星融入 5G 相關的標準化研究做出了很多貢獻。

? 非地面網(wǎng)絡項目（Non-terrestrial networks， NTN）

這是 3GPP 立項成立的項目。它致力于將衛(wèi)星通信與 5G 融合，在 5G NR 空口和架構(gòu)的基礎上進行優(yōu)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(xié)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(fā)布的白皮書中，給出了一些典型的衛(wèi)星通信用例，重點聚焦于 5G 的 eMBB 和 mMTC 兩大場景（衛(wèi)星系統(tǒng)的傳播延遲，對于 uRLLC 場景來說是一個難以逾越的障礙）：

用例 1：5G 內(nèi)容分發(fā)

借助衛(wèi)星的廣播 / 多播功能，將媒體娛樂內(nèi)容（或者移動邊緣計算設備的 VNF 軟件更新）高效地分發(fā)到網(wǎng)絡邊緣。

用例 2：5G 固定回程

推動在地面 5G 網(wǎng)絡無法覆蓋的區(qū)域推廣服務 （例如海事服務、湖泊、島嶼、山區(qū)、農(nóng)村地區(qū)、孤立地區(qū)等），以經(jīng)濟高效的方式，提升地面網(wǎng)絡的性能。

用例 3：5G 到樓宇

補充地面網(wǎng)絡的連通性，例如與地面無線或有線相結(jié)合，為服務能力不足地區(qū)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(xù)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(wǎng)絡與通信大會 （EuCNC）上，進行了一系列衛(wèi)星與 5G 網(wǎng)絡架構(gòu)融合的現(xiàn)場演示。

下圖演示了飛機上的 5G 技術。衛(wèi)星和地面 5G 網(wǎng)絡設備相互結(jié)合，進行內(nèi)容分發(fā)，為乘客提供娛樂服務以及連網(wǎng)方案。

再來看看 3GPP，他們關于衛(wèi)星融入5G，有什么進展。

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(wǎng)

3GPP RAN 工作組的相關內(nèi)容和時間線大致如下：

R15 對 “NR 支持非地面網(wǎng)絡”進行了 SI 立項，并發(fā)布研究報告 TR 38.811。該報告定義了包括衛(wèi)星網(wǎng)絡在內(nèi)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(wǎng)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(jié)項并且發(fā)布了 TR 38.821［2］。

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

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

這種情況和傳統(tǒng)地面移動通信的區(qū)別在于：地面移動通信中基站不動，而用戶是移動的；而衛(wèi)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(huán)境與特性也存在著很大的不同。

那么問題來了，地面移動通信網(wǎng)絡最初并不是為這樣的場景設計的，這些由 NTN（非地面網(wǎng)絡項目）帶來的顯著特征，會在不同程度上影響 5G 的架構(gòu)、協(xié)議和實現(xiàn)（特別是物理層）。

5G NR 支持 NTN 的技術細節(jié)

首先，我們需要了解 NTN 波束覆蓋的兩種典型模式：

? 透明轉(zhuǎn)發(fā)

即彎管方案，可以認為是無線信號經(jīng)衛(wèi)星中繼。

? 星上處理

可以認為是衛(wèi)星具有 5G 基站的全部或者部分功能。

相應地，基于透明轉(zhuǎn)發(fā)、星上處理、有 / 無中繼，提出了 4 種網(wǎng)絡架構(gòu)：

▲ 來源 ： 3GPP 38.811 V1.0.0

其次，如果我們站在協(xié)議棧的角度來看：

1. 透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)的用戶面和控制面協(xié)議棧如下：

2. 星上處理架構(gòu)的用戶面和控制面協(xié)議棧如下：

最后，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

? 時序關系

NTN 相比地面網(wǎng)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系，可以通過引入偏移量 Koffset 并應用它來修改相關的時序關系。Koffset 的具體值在不同的時序關系中也將會有所不同。另外，還需要進一步討論 Koffset 值是通過廣播還是高層參數(shù)配置的方式來獲取。

注：具體影響的時序關系，請參考 TR 38.821 V16.0.0 的 6.2.1.2 小節(jié)

? 上行功控

R16 討論了比如波束專用和通用的功控參數(shù)配置、基于預測的功控調(diào)整、基于組的功控參數(shù)配置等功控優(yōu)化方案，但尚未形成收斂的結(jié)論。因此，依舊還是會沿用 R15 的功控方式。

? 自適應調(diào)制編碼 AMC 和延遲的 CSI 反饋

大家知道，AMC 通過調(diào)整無線傳輸?shù)恼{(diào)制方式與編碼速率，來確保鏈路的傳輸質(zhì)量。為解決信道狀態(tài)信息 CSI 上報過時問題，R16 討論了多種優(yōu)化方案，但尚未形成收斂的結(jié)論。根據(jù) SI 的結(jié)論，R15 定義的 CSI 反饋機制至少可以用于 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(jù)指令提前相應時間發(fā)上行數(shù)據(jù)。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(jù)用戶位置和星歷信息 （即商業(yè)衛(wèi)星的關鍵軌道參數(shù)）自主獲取 TA 值。第二種是基于網(wǎng)絡側(cè)指示 TA 調(diào)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并進行時頻偏預補償，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 也可考慮采用 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(shù)會遠大于 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(shù)，來匹配更長的衛(wèi)星雙向傳輸時延?；蛘呓?UL HARQ 反饋，以避免 HARQ 過程中的停止和等待，并依賴 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(shù)量，并考慮 HARQ 反饋、緩沖區(qū)大小、RLC 反饋和 RLC ARQ 緩沖區(qū)大小等。

d）其他更多的議題，限于篇幅這里就暫時不列舉了…

結(jié)語

根據(jù)各大組織的研究進展，我們基本可以認為——衛(wèi)星通信，將作為一個有益補充，集成到整個 5G 生態(tài)系統(tǒng)中。

衛(wèi)星通信和 5G 的融合，將會是一個雙贏的結(jié)果。

一方面，由于 5G 的規(guī)?；瑸樾l(wèi)星通信打開了全新的市場機會。另一方面，“即插即用”的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，將是對地面 5G 網(wǎng)絡的有效補充，使得 5G 的生態(tài)系統(tǒng)可以更具彈性和效率。

從標準化的角度來看，3GPP 針對衛(wèi)星和 5G 網(wǎng)絡的融合，還在規(guī)范制定的過程當中。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(fā)布的時候，我們會看到初步的結(jié)果。那個時候，將是未來 6G 星地一體化深度融合的起點。

責任編輯：haq