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
-
衛(wèi)星
+關(guān)注
關(guān)注
18文章
1689瀏覽量
66754 -
網(wǎng)絡(luò)
+關(guān)注
關(guān)注
14文章
7449瀏覽量
88466 -
5G
+關(guān)注
關(guān)注
1352文章
48267瀏覽量
562606
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論