5G和衛(wèi)星到底有什么關(guān)系？

近些年來，衛(wèi)星通信引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

人們普遍看好這項(xiàng)技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展，認(rèn)為它會(huì)對(duì)現(xiàn)有的通信技術(shù)造成顛覆性的改變，甚至可能取代現(xiàn)在最先進(jìn)的移動(dòng)通信技術(shù)——5G。

然而，也有人認(rèn)為，衛(wèi)星通信存在諸多技術(shù)瓶頸，不會(huì)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(guān)系？

今天這篇文章，我們來探尋一下答案……

美國東部時(shí)間 10 月 24 日 11 時(shí) 31 分，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）順利完成 “星鏈計(jì)劃”第 15 批衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，用一枚 “獵鷹 9 號(hào)”火箭將 60 顆衛(wèi)星送入太空。

截至目前，SpaceX 已累計(jì)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(jìn)度非常驚人。

毫無疑問，馬斯克確實(shí)是個(gè)商業(yè)奇才兼科技狂人。他引領(lǐng)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(shè)想，“星鏈計(jì)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(gè)覆蓋全球的網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

圍繞著 “星鏈計(jì)劃”，國內(nèi)很多無良自媒體進(jìn)行了大量的炒作，說它有多么多么厲害，是美國的 6G，會(huì)取代 5G 移動(dòng)通信，對(duì)中國造成威脅。

事實(shí)上，馬斯克本人從來沒說過 “星鏈計(jì)劃”要取代 5G。至于說 6G，前幾天小棗君關(guān)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(jì)劃每次都會(huì)申報(bào)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(jì)劃”搶占大半。

衛(wèi)星通信和 5G 之間的關(guān)系

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

要回答這個(gè)問題，我們不妨看看國際組織正在進(jìn)行的工作。

目前，國內(nèi)外和衛(wèi)星、5G 相關(guān)的代表性組織，有如下幾家 ：

? SaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）

這是一個(gè) 2017 年成立的融合衛(wèi)星與 5G 項(xiàng)目，由歐盟資助。它的成員已經(jīng)為 ETSI 和 3GPP 關(guān)于衛(wèi)星融入 5G 相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化研究做出了很多貢獻(xiàn)。

? 非地面網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目（Non-terrestrial networks， NTN）

這是 3GPP 立項(xiàng)成立的項(xiàng)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(chǔ)上進(jìn)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(wù)。

? 航天通信技術(shù)工作委員會(huì)（TC12）

這個(gè)是我國 CCSA（中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)）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(diǎn)聚焦于 5G 的 eMBB 和 mMTC 兩大場景（衛(wèi)星系統(tǒng)的傳播延遲，對(duì)于 uRLLC 場景來說是一個(gè)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(dòng)邊緣計(jì)算設(shè)備的 VNF 軟件更新）高效地分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)邊緣。

用例 2：5G 固定回程

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

用例 3：5G 到樓宇

補(bǔ)充地面網(wǎng)絡(luò)的連通性，例如與地面無線或有線相結(jié)合，為服務(wù)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(dòng)平臺(tái)回程

寬帶連接到移動(dòng)平臺(tái)，如飛機(jī)、船舶等，提供服務(wù)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(luò)與通信大會(huì) （EuCNC）上，進(jìn)行了一系列衛(wèi)星與 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)融合的現(xiàn)場演示。

下圖演示了飛機(jī)上的 5G 技術(shù)。衛(wèi)星和地面 5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相互結(jié)合，進(jìn)行內(nèi)容分發(fā)，為乘客提供娛樂服務(wù)以及連網(wǎng)方案。

再來看看 3GPP，他們關(guān)于衛(wèi)星融入5G，有什么進(jìn)展。

下面這張示意圖，展示了相關(guān)國際組織（含 3GPP）的整體工作進(jìn)展情況。

▲來源 ： SaT5G 官網(wǎng)

3GPP RAN 工作組的相關(guān)內(nèi)容和時(shí)間線大致如下：

R15 對(duì) “NR 支持非地面網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行了 SI 立項(xiàng)，并發(fā)布研究報(bào)告 TR 38.811。該報(bào)告定義了包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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(luò)的解決方案”SI，仿真評(píng)估了不同部署場景的性能以及 NR 適應(yīng)性分析。2019 年 12 月，SI 結(jié)項(xiàng)并且發(fā)布了 TR 38.821［2］。

R17 將 R16 SI 轉(zhuǎn)為工作項(xiàng)目 WI，重點(diǎn)研究 NR NTN 增強(qiáng)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(tái)（實(shí)際上這確實(shí)是它一種部署方式）。

這種情況和傳統(tǒng)地面移動(dòng)通信的區(qū)別在于：地面移動(dòng)通信中基站不動(dòng)，而用戶是移動(dòng)的；而衛(wèi)星通信中，空中的基站在高速移動(dòng)，大部分用戶在靜止或低速移動(dòng)時(shí)可看作準(zhǔn)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)最初并不是為這樣的場景設(shè)計(jì)的，這些由 NTN（非地面網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目）帶來的顯著特征，會(huì)在不同程度上影響 5G 的架構(gòu)、協(xié)議和實(shí)現(xiàn)（特別是物理層）。

5G NR 支持 NTN 的技術(shù)細(xì)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(rèn)為是無線信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星中繼。

? 星上處理

可以認(rèn)為是衛(wèi)星具有 5G 基站的全部或者部分功能。

相應(yīng)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(luò)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(duì)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(shí)序關(guān)系

NTN 相比地面網(wǎng)絡(luò)會(huì)存在較大的雙向傳輸時(shí)延 RTT，導(dǎo)致上下行的幀時(shí)序存在較大偏移，需要增強(qiáng)物理層時(shí)序關(guān)系，可以通過引入偏移量 Koffset 并應(yīng)用它來修改相關(guān)的時(shí)序關(guān)系。Koffset 的具體值在不同的時(shí)序關(guān)系中也將會(huì)有所不同。另外，還需要進(jìn)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(shí)序關(guān)系，請(qǐng)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(yù)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(huì)沿用 R15 的功控方式。

? 自適應(yīng)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(bào)過時(shí)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(jī)制至少可以用于 LOS 場景的 NTN 鏈路自適應(yīng)。

b）上行定時(shí)提前與 RACH 增強(qiáng)

? TA 增強(qiáng)

定時(shí)提前用來指示 UE，根據(jù)指令提前相應(yīng)時(shí)間發(fā)上行數(shù)據(jù)。NR 的 TA 機(jī)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(qiáng)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(guān)鍵軌道參數(shù)）自主獲取 TA 值。第二種是基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)指示 TA 調(diào)整。上述兩種方式仍有一些增強(qiáng)工作需要放到 R17 進(jìn)一步探討。

? RACH 增強(qiáng)

如果 UE 可以精確獲取用戶位置信息并進(jìn)行時(shí)頻偏預(yù)補(bǔ)償，則可以復(fù)用 R15 的 PRACH 格式和前導(dǎo)序列（可以進(jìn)一步討論額外增強(qiáng)的必要性），否則就需要考慮增強(qiáng)的 PRACH 格式和前導(dǎo)序列設(shè)計(jì)。

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(shí)延容忍重傳機(jī)制

大家知道，混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求 HARQ 機(jī)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(jìn)程數(shù)會(huì)遠(yuǎn)大于 NR 支持的 16 個(gè)。

目前主要討論的是以下兩個(gè)方案：

第一種是 HARQ 關(guān)閉機(jī)制。

第二種是 HARQ 傳輸機(jī)制的增強(qiáng)。比如增加 HARQ 進(jìn)程數(shù)，來匹配更長的衛(wèi)星雙向傳輸時(shí)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(qiáng)機(jī)制目前還沒有定論。R17 應(yīng)該會(huì)進(jìn)一步討論 HARQ 進(jìn)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(shí)不列舉了…

結(jié)語

根據(jù)各大組織的研究進(jìn)展，我們基本可以認(rèn)為——衛(wèi)星通信，將作為一個(gè)有益補(bǔ)充，集成到整個(gè) 5G 生態(tài)系統(tǒng)中。

衛(wèi)星通信和 5G 的融合，將會(huì)是一個(gè)雙贏的結(jié)果。

一方面，由于 5G 的規(guī)?；?yīng)，為衛(wèi)星通信打開了全新的市場機(jī)會(huì)。另一方面，“即插即用”的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，將是對(duì)地面 5G 網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充，使得 5G 的生態(tài)系統(tǒng)可以更具彈性和效率。

從標(biāo)準(zhǔn)化的角度來看，3GPP 針對(duì)衛(wèi)星和 5G 網(wǎng)絡(luò)的融合，還在規(guī)范制定的過程當(dāng)中。不過目前看來，最重要的考量，還是如何最大程度地復(fù)用地面的 5G 關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。

相信到了 2021 年，也就是 R17 發(fā)布的時(shí)候，我們會(huì)看到初步的結(jié)果。那個(gè)時(shí)候，將是未來 6G 星地一體化深度融合的起點(diǎn)。

責(zé)任編輯：haq