【卫星+5G】低轨星座如何与5G/6G融合？
与5G/6G融合的低轨星座思考
作者 | 孙晨华（中国电子科技集团公司第五十四研究所）
本文由《卫星与网络》整理自2019卫星应用大会嘉宾现场演讲，有少许不改动原意的编辑
要利用好5G技术，实现天地一体化，首先要了解它。
一、5G/6G技术发展认识
众所周知，5G的愿景非常美好：信息随心至，万物触手及。但是我们更关心能支撑这种愿景的落地技术，主要有三个方面：新应用场景、新能力指标和新技术特征。
5G技术的三大应用场景为增强移动宽带、海量机器类通信（物联网）及超高可靠低时延通信（垂直行业）。（参见图1）
图1 三大应用场景
如图2所示，这些能力指标除传统的峰值速率、移动性、时延和频谱效率外，还提出了用户体验速率、连接数密度、流量密度和能效四个新增关键能力指标。新的能力指标更细致地刻画了网络，也更关注用户的体验。这八个应用指标在5G的状态下，获得了大幅度的能力提升。（参见图3）
图2 八大能力指标
图3 4G与5G场景下八大指标的对比
其实三大应用场景和八大能力指标是相互关联的，但是在不同的应用场景下，对八大能力指标的要求不同，参见图4。
图4 八大能力指标
举例来说，增强宽带主要强调极致容量和数据速率，以及深度感知；海量物联重点强调超低复杂度、超低能耗、深度覆盖；垂直行业应用则更看重高安全、超高可靠、超低时延和极致用户移动性。
从图5可以看出，由于频率向宽频段发展、区域向微小发展、容量向海量发展、服务向垂直多样发展，因此在“接入网+核心网”基本物理架构不变的情况下，功能部署跟4G相比具有较大调整（基带前移、组网密集、回传多段、分布处理）。这些变化主要基于5G的一些新的技术的应用，比如它的频段特别宽，容量特别大，它的LE层平移到了射频的部分，实时处理做了一个分布式等等，这其实改变了功能部署背后的架构，或者说改变了网络架构。
图5 4G与5G在功能部署方面的区别
5G更关注以下5个方面的技术。
① SDN/NFV的网络架构：控制和业务，软件和硬件解耦。
4G更关注速率，关注移动的无线部分，而5G首先在网络架构方面有很大的变化，如图6三种云所示。
图6 5G网络架构的特点
②一体化融合空口。
图7展示了融合的统一空中接口可变参数帧结构和灵活空口控制。
图7 融合的统一空中接口示意图
③网络切片。
5G的应用场景比4G要宽泛的多，都要用这样的一张网、这样一个资源，所以就要把网络切成多个虚拟且相互隔离的子网络，如图8所示，每个虚拟网络面向不同的应用场景需求。
图8 网络切片示意图
④边缘计算。
地面网其实也在研究边缘计算，它的总体功能就是为了实现就近服务，如图9所示，提供更好的服务质量。
图9 边缘计算示意图
⑤无线部分。
最传统、研究最多的，其实就是更大规模的MIMO、新型多载波、新型编码等技术，参见图10。其实跟它相对应的，有一个统一的空口，之后各种波形都可以兼容，自适应各种不同的场景。
图10 对于更大规模的MIMO、新型多载波、新型编码等技术的需求激增
对于6G的概念，前期其实是模糊的，有人说，6G等于5G加卫星。近期有位中兴通信的专家撰文，描述了十年以后，5G发展到一定程度之后，6G发展的一个愿景：智慧连接、深度连接、全息连接、泛在连接。简单来说就是“一念天地、万物随心”。而这里所说的“念”，强调的是实时性和思维与思维通信的深度连接，我想到什么，就可以马上连接，这其中也体现了人工智能的技术；所谓的“天地”，是指空天地海无处不在的泛在连接；而这里的“随心”则体现了无处不在的沉浸式全息交互体验，即全息连接。这个要求，比现在的5G应该说高了很多。
也就是说，6G比5G要超前一大步，而不仅仅是5G加卫星那么简单，而要实现以上的目标，具体技术有以下几个方面：
第一：网络全要素智能化技术：网元、网络架构、终端、承载业务智能化、网络管理智能化，卫星不智能、终端不智能、管控不智能都不行（解决“智能连接”的问题）。
第二：空间深度扩展技术并不单单指空天地海的立体连接，还包括深度感知、触觉网络、深度学习、深度数据挖掘、心灵感应、思维与思维的直接交互（解决“深度连接”的问题）。
第三：全息通信、高保真AR/VR，随时随地无缝覆盖的AR/VR（解决“全息连接”问题）。
第四：深地、深海、深空、极地、沙漠、孤岛等通信（解决“泛在连接”问题）。
必须要有新的理念去支撑6G的发展，否则6G将无法发展。
技术因素挑战：随时随地的峰值速率（Tb/s太比特时代）、网络平均速率、低时延、更高效能；随时随地的连接；全新理论与技术；自聚合通信架构。
非技术因素挑战：行业壁垒；频率分配与使用。
根据6G的特点，我们总结出了一些候选技术。
第一：新频谱通信技术：太赫兹、可见光。
第二：基础性技术：稀疏理论-压缩感知、全新信道编码、超大规模天线、灵活频谱技术、频谱共享、全自由度双工、基于AI的无线通信技术。
第三：专有技术特性：空天地海一体化通信（天地一体化、水下通信）、无线触觉网络。
实际上，在5G的基础上，研究补充天基网络部分，能够补充上网络在“天”这一部分的缺陷，促使从5G向6G的大步迈进，增加通信空间的延伸。但这还不够，必须面向未来，在人工智能、新频谱利用和共用、新传输理论方面开展研究。
就目前来说，从3GPP的5G标准推进情况看，R16开始研究并标准化非陆地移动网络技术特征，但是NTN架构涉及的卫星通信网络与蜂窝网络及技术体系依然彼此独立，需要通过专门的网关设备进行交互。而到了6G时代，将真正实现天地一张网设计，动态使用天地频谱、智能支持差异化服务，做到真正的无缝衔接。
二、低轨星座现状
低轨星座目前无论国内国外都是热点，如果十年内，我们还不能完成低轨星座的部署，以后一定会处于非常被动的地位，可能连再发展的机会都没有了。因为目前国外不但有低轨星座在运行，而且其新一代的星座发展非常迅速。
从图11来看，物联网部分的星座都是窄带星座，而互联网部分的几个星座都是典型的宽带星座，而且都是属于美国的。
图11 低轨星座图谱
事实上，这些热门的星座可以分成三大类：
第一种：星间无链路、星上不处理的OneWeb类型，数百颗星，全球布站；
第二种：星间全链路，星上处理的LeoSat类型，近百颗星；
第三种：星间链路有的有有的无、多层卫星、星上处理的StarLink型，有数万颗；将来恐怕会占据所有空间资源。
除了以上三种划分方式之外，其实最典型的可以分成如图12所示的两种，有星间链和无星间链，或者是这两种的综合。
图12 有星间链和无星间链的区别
有星间链路的星座可完全依托自身链路组网，而无星间链路的星座只能基于地面节点组网，需全球大规模布置地面站，不现实；且在南北极存在链路中断。
目前国网星座研究的主要是没有星间链路的卫星星座，而天地一体化星座是有星间链路的。
但是对于有星间链路的星座来说，大量卫星的星上处理和路由数据交换的组网协议是非常难解决的问题。5G技术应用于无星间链路和星上处理交换的星座时，可能关联度比较高，如图13所示，有配置星间链路和星上处理交换的星座，对于技术的要求非常高。
图13展开后，细节如图14所示，有星间链路的卫星之间信息互通可以不用通过关口站，而没有星间链路的卫星，彼此之间要信息互通，则必须通过关口站转接。所以，其实有星间链路的星座会更方便使用，但是由于技术复杂，研制难度更大。
图13 两种星座的工作示意图
图14 两种不同星座间数据交换详解示意图
三、与5G/6G融合的低轨星座
但是为什么要融合？怎么融合？又要融合到什么程度？（参见图15）
图15 从互联互通到网络融合设计
①为什么融合？
从互联网到移动互联网，实现了固定网和移动网的高度融合，为满足距离拓展、全球随心通，互联网、移动网、天基网融合是必然趋势，最终要做到业务类型统一、用户无感。
②怎么融合？融合到什么程度？
5G地面移动和卫星网的融合，现阶段是不同的接入网加统一的核心网，这在业界是普遍认同的。而6G的天地融合，则完全不同，就是一张完整的网，这就是二者很大的区别（参见图16），所以我认为5G和6G还是应该分阶段研究。
图16 从5G地面移动和卫星网融合到6G天地一体融合移动网
目前5G地面网是融合的，5G卫星网也是融合的（参见图17），我们现在要做的，就是把二者融合起来。
图17 从地面5G网到卫星5G网
目前无论是国际标准化组织还是相关企业等，对5G与卫星融合的研究基本基于上述两种思路：应用关联式融合、地面5G技术在卫星中应用、共用核心网的统一架构。另外，复杂星座技术特殊问题也臻待解决。
目前国际标准化组织研究的是天地互通的综合应用，和地面应用在卫星上的适应性。
①3GPP
聚焦于融合和5G地面移动技术在卫星中的适应性。（图18）
图18 TR38.811中提出的星地融合网络架构
Rel-14（5G研究项目）重点讨论卫星在5G中的角色作用。
Rel-15（5G第一版标准）定义了卫星在5G中的三大服务用例（连续、泛在、扩展）和初步融合架构模型。
Rel-16（5G完整版标准）拟完成一体化标准研究，形成架构标准。
Rel-17（包含 NTN研究）列为重点方向、开展多层研究。
②ITU
2018 年 7 月成立 2030焦点组，其中卫星与 5G 融合问题将是重要研究议题。
在 4.25 GHz -86GHz 范围内探索 5G 新的可用频率，并正在开展卫星与 5G 的 频谱共用研究。（参见图19）
图19 4种应用场景
注重应用场景，卫星的各种回传，不是一个深入的融合，但是在频率的复用上是应当考虑的。
卫星界更注重的还是卫星的问题，在解决自己的问题的同时，再考虑哪些5G技术具有适用性。二者的思路不太一样。
①侧重地面5G技术在卫星中的应用。
●欧洲航天局
2014 年以来，启动 16个项目；多个项目组在场景、应用、SDN/NFV/MEC、物理层、测试平台等方面开展研究，向3GPP提出多项建议。
●欧洲SAT联盟
2017年成立，有16家机构；在融合架构、 SDN/ NFV/ MEC和 5G+卫星等方面开展研究，向ETSI、ITU-T、3GPP 提交了多份提案。
②侧重卫星特殊问题解决并吸收5G地面移动技术。
●OneWeb
已发射6颗试验星，天星地网架构，下行SC-TDM、上行DFTS-OFDM ，融合DVB和地面5G传输体制。
●Starlink
超大规模卫星数量、多层轨道被认为能在6G时代弯道超车的代表。
①卫星通信专业单位
以中国电科54所为核心的卫星通信专业单位，走“采用卫星通信专业技术、解决卫星通信独特问题、同时借鉴吸收地面移动通信技术”的路线。（参见图20）
图20 采用卫星通信专业技术、解决卫星通信独特问题、同时借鉴吸收地面移动通信技术
国内卫星通信技术的发展，从一开始就借鉴了2G移动的技术，例如天通卫星，到了后面863计划，还有十二五、十三五支持的一些项目，借鉴的都是4G的技术，首先解决卫星高轨移动通信的大容量问题，到现在国防科工局5G与卫星融合的项目，其实都是首先解决卫星的问题，再看看地面移动的技术是否能为卫星所用。
可以说4G及之前的技术，为5G的融合打下了坚实的基础，上层时延的适配已经得到解决，这在5G融合中可以直接应用。
②地面移动单位
华为、信通院、中兴等地面移动单位，则是沿着地面移动通信技术应用于卫星移动通信场景开展研究，与3GPP等标准化组织思路相同。就是考虑怎么把地面的技术吸收应用到卫星上。
总之，融合是必须的，那么目前研究的重点和进展如何呢？
①SDN/NFV架构研究。
就架构来说，地面网的架构卫星是可用的。（参见图21）
图21 SDN/NFV架构研究示意图
SDN/NFV的优点：控制与业务分离、软件和硬件分离。
对低轨星座的适应性：非常适合。
实现思路：SDN实现控制和业务分离，控制中心向地面下沉，减少星上处理压力，星地构成转发云（54所已实现，并在轨验证）。
NFV:主要基于资源池化和统一编排，实现软硬件解耦，这在无线技术中是比较难的，目前正在研究。
②卫星接入网切片技术研究。
切片技术在卫星中也是可以借鉴的（图22），如果能实现切片，才能支撑虚拟化。这里的5G给的是一个概念化的图，至于5G的地面网络怎么切片，最后可能落实到功能切片上，或者切成微功能，或者切成微服务。支撑不同的功能应用分割、实现资源和应用支持解耦。
图22 卫星接入网切片技术概念图
目前该项技术尚没有获得突破。对卫星接入网资源类型多，如何切片、如何统一表征需要深入研究。
③地面移动传输技术在卫星中的适应性研究。
我们一直在考虑把地面移动传输技术应用到卫星中去，（图23）但是低轨星座具有自己的特殊性：链路损耗是地面移动的万倍以上；传输时延是地面移动的数百倍；多普勒频偏是地面移动的数百倍；多普勒频偏变化率是地面的数百倍；波束覆盖是地面小区宽度上百倍。
图23地面移动传输技术应用
总的来说，卫星具有场景复杂、功率受限、多普勒频移大、单波束、单卫星节点用户数多等特点，因此，地面5G移动传输体制优势难以发挥，没有办法直接移植到卫星系统中加以应用。
而且卫星具有相控阵天线MIMO效果不易发挥的特点，所以我们希望能有更多人士投入相关研究，解决系列关键技术，使卫星多波束相当于地面的多波束，将部分地面移动技术引入，提升卫星通信系统容量，这样才有更大的意义。
④星上处理低轨星座组网协议研究
为什么说星间组网协议是难点，因为地面站是固定不动的，而星上组网是一个倒挂的模式，容易受限，如图24所示，而且路由计算数量巨大，因此需要设计适合的架构和协议，适应卫星高动态和卫星载荷有限处理能力。
图24 星上处理模式组网协议
针对这些问题，54所天基网络协议团队，经过多年研究，提出了一套自主可控组网协议。协议特点主要包括：身份位置分离；数据、控制面分离；先天具有安全性；解决了移动性切换；大大降低星上资源需求；轻量化SDN，是个SDN广域网。（参见图25）
图25 可控组网协议工作模式示意图
以上项目在我们近期发射的双星低轨星间链路条件下，进行了验证，效果令人满意，这个成果也可以应用到其他的项目里。
⑤边缘计算等。
第一、地面移动传输技术在卫星中的适应性需要深入研究。力求突破，包括相控阵天线的MIMO效果的研究，也许在载荷配置不变的情况下，是提升系统容量的有效途径，这个将作为研究的重点。
第二，接入网的切片技术是难点，需要有所突破；
第三，边缘计算的应用，需要加大研究。
第一：从地面移动体制应用于卫星出发（单波束下）研究高动态下的高精度信道估计、时频同步捕获与跟踪算法；
第二：与传统卫星通信体制结合出发（单波束下）开展准恒包络、恒包络、低峰均比、低功耗体制研究；
第三：多波束天线形成的MIMO效果（多波束下）基于不准确因子和统计信道信息的传输方案，基于干扰抵消的多用户联合接收；
第四：借鉴5G的融合空口思路，研究适合不同频率、不同场景的卫星5G、6G融合空口设计。
6G提出了全要素智能、全息、泛在等需求。目前的低轨星座设计，解决了6G“泛在”的一部分问题，从这个角度看“6G=5G+卫星”的说法有一定道理，但是不够全面。
针对6G：需要研究新的更大容量（Tbps）、全要素智能（卫星、终端、关口站），具有自聚合通信架构的低轨星座系统需要打破天、地界限，开展共频谱、共网络的一张网研究。
建议：与6G融合的低轨星座研究，需要长时间逐步开展。
以上是关于5G/6G与低轨星座融合方面的一点粗浅看法。
我和我的团队长期从事卫星通信系统技术研究和产品研发。在天基网络协议和天基网络技术体制方面有所长，地面移动方面研究较少。但是天网、地网的融合，传输网与信息网融合是未来发展趋势，这需要多专业、多学科交流、分享、共同开展研究。
希望与各位卫星通信（天基网络）领域、地面移动通信领域、人工智能等各领域专家，有更多的合作互动，共同推动我国全球覆盖网络的快速发展。
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