摘要：本文梳理衛(wèi)星通信發(fā)展歷程和衛(wèi)星通信的優(yōu)勢和不足，提出衛(wèi)星通信和5G通信的五個內(nèi)涵和層次，以某聯(lián)通公司“海南海陸通一體化通信”應(yīng)用為例討論衛(wèi)星通信和5G融合的初步思路、組網(wǎng)架構(gòu)以及關(guān)鍵技術(shù)分析。

　　0  引言

　　4G 時代，電信運營商的移動網(wǎng)絡(luò)雖然覆蓋了全球90%人口，但卻只覆蓋了不到20%的全球區(qū)域。與4G 相比，5G在速率、連接數(shù)、時延3個方面有巨大改善，主要面對3個核心應(yīng)用場景：增強移動寬帶（eMBB）、海量機器通信（mMTC）和超高可靠低時延通信（uRLLC）。5G 相比4G LTE 的提升也是全方位的，并實現(xiàn)接入類型多樣性。

　　全球絕大多數(shù)通信衛(wèi)星主要以GEO衛(wèi)星為主，不同高度的衛(wèi)星由于距離產(chǎn)生的時延不同，地球同步衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸延遲大，為500 ms左右，而低軌衛(wèi)星則能極大縮短時延，實現(xiàn)50 ms以內(nèi)時延，與地面光纖網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)，這也使其可以支持在線游戲或視頻聊天等基于實時數(shù)據(jù)傳輸類應(yīng)用，可以滿足除了部分超低時延場景外的其他5G場景需求。

　　要實現(xiàn)萬物互聯(lián)的愿景，衛(wèi)星通信是其中重要一環(huán)，衛(wèi)星通信與5G融合將在應(yīng)急搜救、無人區(qū)廣域覆蓋、智能船舶、海洋牧場、無人船、智能航運和海事監(jiān)測及國防等業(yè)務(wù)應(yīng)用上發(fā)揮重要作用。

　　1  衛(wèi)星通信的優(yōu)勢和不足

　　通信衛(wèi)星按運行軌道分可為靜止軌道衛(wèi)星和非靜止軌道衛(wèi)星，非靜止軌道衛(wèi)星又可以分為低軌道衛(wèi)星（500~3 000 km）、中軌道衛(wèi)星（3 000~10 000 km）和高軌道衛(wèi)星（10 000 km以上）。

　　1958年12月，美國宇航局發(fā)射了“斯柯爾”（SCORE）廣播實驗衛(wèi)星，進行磁帶錄音信號的傳播，拉開了衛(wèi)星通信的序幕，早期的衛(wèi)星通信多以用于軍事用途為主。1962年7月，美國AT&T發(fā)射“電星一號”（TELESTAR-1）低軌道衛(wèi)星實現(xiàn)橫跨大西洋兩岸的電話和電視服務(wù)，奠定了商用衛(wèi)星的技術(shù)基礎(chǔ)。到了20世紀(jì)90年代，美國摩托羅拉公司為了給全球提供移動通信服務(wù)，提出了由77顆近地衛(wèi)星組成的星群讓用戶從世界上任何地方都可以打電話的銥星計劃，雖然由于移動通信的快速發(fā)展最后宣告失敗，但也為衛(wèi)星全球組網(wǎng)尤其是為現(xiàn)在的“星鏈”提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。

　　星鏈?zhǔn)敲绹仗剿骷夹g(shù)公司的一個項目，計劃有大約1.2萬顆衛(wèi)星（其中1 584顆將部署在地球上空550 km處的近地軌道）組成，在全球范圍內(nèi)提供低成本的互聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù)。

　　衛(wèi)星通信具有以下明顯的優(yōu)勢。

　　（ a ） 通信距離遠，覆蓋范圍廣，靜止衛(wèi)星最大的通信距離達18 000 km，單顆地球同步衛(wèi)星覆蓋范可達地球表面積的42.5%。

　?。?b ） 以廣播方式工作，在衛(wèi)星天線波束覆蓋的整個區(qū)域內(nèi)的任何一點都可以設(shè)置地球站，這些地球站可共用一顆通信衛(wèi)星來實現(xiàn)雙邊或多邊通信，即進行多址通信。

　　（ c ） 通信容量大，適用多種業(yè)務(wù)傳輸。衛(wèi)星通信使用微波頻段，可以使用的頻帶很寬。一般C和Ku頻段的衛(wèi)星帶寬可達500～800 MHz，而Ka頻段可達幾個GHz。

　?。?d ） 機動靈活的廣域組網(wǎng)成能力，衛(wèi)星通信的高功率密度與靈活的多點波束能力加上星上交換處理技術(shù)，它為通信網(wǎng)絡(luò)的組成，提供了高效率和靈活性。

　　（ e ） 不受地面災(zāi)害等惡劣氣候的影響，在面對抗震救災(zāi)或國際海底光纜的故障時，衛(wèi)星通信是一種無可比擬的重要通信手段。

　　同時，衛(wèi)星通信也有不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

　　（ a ） 傳輸時延大，在地球同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，通信站到同步衛(wèi)星的距離最大可達40 000km，電磁波以光速（3×108m/s）傳輸時單程需要時間約0.27 s。

　?。?b ） 高緯度地區(qū)難以實現(xiàn)衛(wèi)星通信。

　?。?c ） 衛(wèi)星在太空的惡劣環(huán)境中工作，存在日凌中斷、星蝕和雨衰現(xiàn)象。

　　（ d ） 衛(wèi)星發(fā)射的成功率為80%，衛(wèi)星的壽命為幾年到十幾年，發(fā)展衛(wèi)星通信需要長遠規(guī)劃和承擔(dān)發(fā)射失敗的風(fēng)險。

　　2  衛(wèi)星和5G融合通信的分類

　　衛(wèi)星通信與5G融合的過程不是一蹴而就的，需要分階段實施，根據(jù)實現(xiàn)是先后順序和難以程度，劃分為以下5個層次。

　　（ a ） 覆蓋融合：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)采用不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，相互獨立，衛(wèi)星用于地面無線基站覆蓋的補充，主要用于人煙稀少的廣域區(qū)域覆蓋。

　?。?b ） 業(yè)務(wù)融合：兩者仍然獨立組網(wǎng)，但能夠提供相同或相似的業(yè)務(wù)質(zhì)量，在部分服務(wù)QoS指標(biāo)上到達一致水平。

　?。?c ） 用戶融合：保證用戶不換卡不換號，使用同一個用戶身份（碼號），統(tǒng)一的計費規(guī)則，網(wǎng)絡(luò)按需選擇利用衛(wèi)星或者地面網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。

　?。?d ） 體制融合：采用相同的架構(gòu)、傳輸和交換技術(shù)，用戶終端、關(guān)口站或者衛(wèi)星載荷可大量采用地面網(wǎng)技術(shù)成果。

　?。?e ） 系統(tǒng)融合：星地構(gòu)成一個整體，提供用戶無感的一致服務(wù)，采用協(xié)同的資源調(diào)度、一致的服務(wù)質(zhì)量、星地?zé)o縫的漫游。

　　目前，從需求發(fā)展的角度和3GPP等組織開展的5G NTN工作來看，當(dāng)前設(shè)計目標(biāo)至少是實現(xiàn)第4層次體制融合。

　　3  衛(wèi)星通信與移動通信融合應(yīng)用

　　海南海陸通項目實現(xiàn)第2層次業(yè)務(wù)融合，借助VoWiFi技術(shù)，為用戶提供在陸地和海洋情形下的相同的通話質(zhì)量。

　　衛(wèi)星通信是目前最好的一種海上通信方式，然而衛(wèi)星通信設(shè)備的價格比較昂貴（幾千到幾萬都有），通信資費也高（以最便宜海事衛(wèi)星電話為例，不區(qū)分主叫和被叫，按分鐘收費，在中國區(qū)域每分鐘收1.6元，國際區(qū)域每分鐘6.8元）。因此，衛(wèi)星電話的個人擁有者極少，通常為企業(yè)單位購買使用。企業(yè)單位為了控制生產(chǎn)成本會對衛(wèi)星電話的使用進行嚴(yán)格的限制，員工個人在非緊急情況下是不允許使用的。在缺乏有效的通信手段的情況下，人們要承受長期失去親友聯(lián)絡(luò)的思念之苦，甚至在遇到危險的時候也無法及時向外界發(fā)出求救信號，從而造成嚴(yán)重生命和財產(chǎn)損失。

　　針對海上通信的痛點和目前衛(wèi)星通話資費貴的問題，運營商可與衛(wèi)星公司合作，實現(xiàn)漁船用戶在海上工作時，基于衛(wèi)星通道撥打和接聽電話的需求，同時為漁船用戶提供上網(wǎng)服務(wù)，當(dāng)漁民登岸時，可以用在岸用戶同樣的手機通話和移動上網(wǎng)服務(wù)。

　　漁民在海上的語音通話流程主要包括以下幾個步驟。

　　（ a ） 衛(wèi)星接收終端（ZXHY-KU619），在漁船上接收衛(wèi)星信號，在漁船上形成WiFi環(huán)境。

　?。?b ） 用戶通過衛(wèi)星通道接入到北京的地面站。

　　（ c ） 衛(wèi)星地面接收站通過北京到海南的專線到某聯(lián)通公司。

　　（ d ） 最終通過I- SBC 接入移動IMS，實現(xiàn)VoWiFi撥打電話。

　　圖1　漁民海上撥打VoWiFi電話示意圖

　　漁民在海上的移動上網(wǎng)的流程主要包括以下幾個步驟。

　?。?a ） 衛(wèi)星接收終端（ZXHY-KU619），在漁船上接收衛(wèi)星信號，在漁船上形成wifi環(huán)境。

　?。?b ） 用戶通過衛(wèi)星通道接入到地面站，通過地面站互聯(lián)網(wǎng)專線接入公眾互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

　　（ c ） 由合作方租賃運營商互聯(lián)網(wǎng)專線通道，互聯(lián)網(wǎng)訪問業(yè)務(wù)經(jīng)運營商DNS尋址后業(yè)務(wù)流量本地疏通。

　?。?d ） 由運營商負(fù)責(zé)互聯(lián)網(wǎng)信息安全的監(jiān)管。

　　圖2　漁民海上上網(wǎng)示意圖

　　4  衛(wèi)星與5G的混合組網(wǎng)方案

　　3GPP從R14開始著手開展星地融合的研究工作。在TS 22.261中，對衛(wèi)星在5G系統(tǒng)中的角色和優(yōu)勢進行了探討，作為5G多種接入技術(shù)之一，衛(wèi)星在一些要求廣域覆蓋的工業(yè)應(yīng)用場景中具有顯著優(yōu)勢。

　　為實現(xiàn)像衛(wèi)星這樣非可信Non-3GPP用戶的接入，3GPP在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中新增N3IWF網(wǎng)元，實現(xiàn)用戶鑒權(quán)和用戶面路由的協(xié)議映射，Non-3GPP用戶的接入5G路由具體如圖3所示。

　　圖3　3GPP新增N3IWF實現(xiàn)Non-3GPP接入

　　目前，從衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)構(gòu)成來看，與地面網(wǎng)絡(luò)互通仍然占據(jù)主要份額。短期內(nèi)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仍然是以透明轉(zhuǎn)發(fā)為主要工作模式，長期來看，衛(wèi)星和5G架構(gòu)的研究主要面對用戶的接入和星上轉(zhuǎn)發(fā)時的業(yè)務(wù)連續(xù)性，具體需要解決以下問題。

　?。?a ） 如何實現(xiàn)與5G統(tǒng)一的空中接口，實現(xiàn)5G用戶在衛(wèi)星和5G網(wǎng)絡(luò)下的無縫接入。

　?。?b ） 中低軌道的衛(wèi)星運行速度特別高，單獨一顆衛(wèi)星為用戶單獨提供服務(wù)的時間只有十幾到幾十分鐘，在高速運動狀態(tài)下，如何實現(xiàn)切換和保證業(yè)務(wù)連續(xù)性。

　　對于衛(wèi)星和移動通信采用統(tǒng)一的空中接口的演進很早就開始了，早期的MSAT系統(tǒng)采用地面模擬蜂窩網(wǎng)技術(shù)；Thuraya系統(tǒng)在設(shè)計過程中采用了類似GSM/GPRS體制的GMR標(biāo)準(zhǔn)；低軌衛(wèi)星星座銥星和GlobalStar的空中接口則是以GSM和IS-95作為藍本。Imarsat-4衛(wèi)星系統(tǒng)采用的IAI-2標(biāo)準(zhǔn)以及ETSI發(fā)布的S-UMTS標(biāo)準(zhǔn)均基于WCDMA框架設(shè)計。2016年發(fā)射的天通一號衛(wèi)星在空中接口的設(shè)計上也借鑒并部分采用了3GPP的標(biāo)準(zhǔn)。

　　5G時代采用小基站技術(shù)，使5G基站在衛(wèi)星上部署成為可能，對于星上處理業(yè)務(wù)中接入網(wǎng)gNB基站部署在衛(wèi)星上，實現(xiàn)空地的空中接口的一致，然后借助星間網(wǎng)絡(luò)將基于IP承載業(yè)務(wù)和信令傳遞給核心網(wǎng)。

　　5G時代核心網(wǎng)采用NFV的架構(gòu)，實現(xiàn)CU和DU的分離，核心網(wǎng)用戶面處理網(wǎng)元為UPF，借助NFV技術(shù)，在衛(wèi)星上部署UPF網(wǎng)元，可以實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)流量的轉(zhuǎn)發(fā)。未來衛(wèi)星和5G通信混合組網(wǎng)架構(gòu)如圖4所示。

　　圖4　衛(wèi)星和5G融合組網(wǎng)架構(gòu)

　　核心網(wǎng)功能當(dāng)然也可以區(qū)別部署在星上，但是受限于星上功率、處理能力以及星地鏈路長延時、大動態(tài)等，考慮到衛(wèi)星的體積有限，運力和存儲資源有限，因此不建議將全部核心網(wǎng)功能放到衛(wèi)星上面。

　　5  結(jié)束語

　　未來類似海南海陸通融合的業(yè)務(wù)將會越來越多，與衛(wèi)星的融合通信也是未來5G的發(fā)展趨勢之一。本文通過介紹衛(wèi)星通信優(yōu)缺點，提出了衛(wèi)星通信和5G通信融合的5個層次，以海南海陸通項目為切入點，引入未來衛(wèi)星和5G通信的研究重點和混合組網(wǎng)架構(gòu)要求，為后續(xù)運營商等業(yè)界相關(guān)領(lǐng)域的部署研究具有一定的參考意義。