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5G及后5G通信中的低轨小卫星星座
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来源：电科小氙
5G和后5G网络迈向真正泛在连接的下一个前沿方向是利用低轨小卫星星座支持三类5G用例：增强移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超可靠低时延通信（URLLC）。本文对能够实现这些网络与5G和后5G系统全面集成的架构和技术进行了全面论述。
小卫星星座由数百颗在低轨运行的小卫星构成，这些小卫星作为一个通信网络共同运行。小卫星星座被视为支持和实现5G新无线电（NR）和后5G通信的有效解决方案。特别是低轨星座，部署在距地球表面500到2000千米的轨道上，预期能够为三大5G NR一般性用例提供服务。
增强移动宽带（eMBB）的首要目标是提高用户数据速率和网络频谱效率；超可靠低时延通信（URLLC）和海量机器类通信（mMTC）则是机器类通信的基石，可实现广泛的物联网应用。然而，这三大用例最初是针对地面5G网络定义的，因此必须在卫星通信物理环境下重新考虑它们的特征或需求。再者，低成本小卫星是补充和完善地面网络的关键，但却严重限制了空间基础设施能力。
小卫星是指低成本、小尺寸和重量低于500千克（与重量超过1000千克的传统大卫星相比）的小型化卫星。自然，卫星性能和质量之间有着密切联系。高吞吐量增强移动宽带（eMBB）或一般用途的空间任务通常需要100kg以上的小卫星，例如Space X的Starlink和OneWeb所执行的商业任务便是如此。
相比地面通信，卫星通信的一大优势是覆盖范围，这点对于设备数量众多的海量机器类通信（mMTC）而言尤其重要。一个星座中的卫星通常位于具有特定高度和倾角的多个轨道平面上。卫星的地面覆盖区域是指能以最小预设仰角看到卫星的地球区域。过顶是指卫星在当地地平线上方并且可与特定地面位置进行无线电通信的期间。低轨卫星由于高度低，因此在空中的位置并不固定，而是围绕地球相对快速移动，每次过顶持续几分钟。因此空间段需要部署密集的卫星网络以保证任何地面终端总能被至少一颗卫星覆盖。在地面段，一个或少数专用地面站（GS）负责卫星星座的主要控制和管理。
应用低轨星座的一个主要挑战是由于卫星相对于地面的快速移动会在地面终端和卫星之间产生强烈多普勒效应。地面终端和低轨卫星之间的传播延迟在距地球表面1000千米处大约是3毫秒，这一延迟不算太小，但仍比传统静止地球轨道（GEO）的延迟（在距地球表面36,000千米处大于100毫秒）低得多。因此，只要延迟需求在数十毫秒以内，低轨星座就仍可支持广泛的延迟关键型应用。然而，在NR中定义的最极端情境中（即要求用户平面往返时间（RTT）延迟低于1毫秒，控制平面低于10毫秒），低轨星座不可用。
小卫星有严格的能量局限性（会因传输距离远而加剧）。为避免频繁重新部署，小卫星的活跃寿命期必须达5年以上。因此，小卫星通常装有利用太阳光产生电能的光伏太阳能板，并且可在任务期内保持电池充电，电池随后可在日蚀时使用。太阳光直接照射卫星的时段（此时可采集太阳能）由其轨道周期（距地球表面1000千米的轨道大约为100分钟）以及轨道倾角共同决定。因此，太阳能的可用性仅取决于卫星和地球相对于太阳的位置。利用这种可预测性，能使卫星以最高性能运行并实现能量平衡。
在通信技术方面，自由空间光（FSO）通信和传统射频（RF）通信均可用于星间和星地链路。自由空间光链路波束极窄，传输距离远。虽然极易受大气效应和指向误差影响，但自由空间光链路可提供高传输速率，并且产生的干扰较少。自由空间光在星地通信中的应用已在众多科学任务中得到证明，而几个已规划的商业低轨星座，比如SpaceX、Telesat和LeoSat，将会采用激光通信设备实现高吞吐量自由空间光星间链路。然而，当混合射频-自由空间光系统中自由空间光通信不可用时（由于恶劣天气影响），那么射频链路作为后备方案就十分关键，可实现与基于射频的系统的集成。例如，5G NR中的星地通信可能会完全采用2GHz左右的S波段，也可能会运行于Ka波段，其中下行链路运行于20GHz，上行链路运行于30GHz。
实现真正泛在覆盖是5G的推动力之一，可能仅通过将卫星网络与5G和后5G网络相集成就可实现。对此，3GPP正在研究一些非地面网络（NTN）项目，定义卫星通信在未来NR版本中的作用。目标是保证在Release 17时间框架中（暂定2021年）制定一个端到端标准，对当前卫星运营商混合使用专有和基于标准的技术的情况加以规范。一项专门针对非地面网络物联网的研究即将启动，为引入针对卫星的窄带物联网（NB-IoT）和eMTC支持铺平道路。
3GPP工作包括中地球轨道（MEO）和GEO轨道的传统卫星网络，也包括低轨星座。卫星网络用例分为以下三类：
（1）服务连续性：对之前已获准接入5G服务的移动地面终端（例如地面车辆、船只和机载平台）的持续覆盖。
（2）服务泛在性：无地面覆盖区域的5G接入，包括地面覆盖被自然灾害（例如地震或洪水）破坏的区域。
（3）服务可扩展性：大规模多播（下行链路）或物联网（上行链路）应用中对地面基础设施的支持，例如超高清电视和超密集物联网部署。
低轨星座支持以上三类用例，低轨的使用尤其有助于支持延迟敏感性服务。低轨系统的用户和控制平面延迟被合理地重新定义为50毫秒往返时间（RTT）。
低轨星座一个引人关注的应用是用作固定或移动蜂窝基站（NR中称作gNB）的回传。主要优势在于地面网络覆盖受地理或经济因素影响的地区可通过卫星星座实现连接。
目前，有两种5G卫星实施设想：弯管和全卫星gNB。在第一种设想中，卫星仅充当到地面gNB的中继；第二种设想中，卫星是全功能的gNB。在5G术语中，Xn是两个gNB互连的逻辑接口，可用于地面gNB与星座中空间gNB的连接，然后再在卫星间采用快速自由空间光链路。
图1展示了卫星通信与5G和后5G网络集成的架构。该架构包含：（1）卫星（可以是不同大小，处于不同轨道），充当空间中的5G gNB；（2）地面终端，可以是终端用户节点（用户设备或物联网设备）、gNB、地面网关或专用基站。用户设备到星座的连接方式有两种。第一种是用户设备通过地面网关（即，一个中继节点）进行通信，星座用于回传。这种方式的最大优势在于，不需要改变已部署好的地面终端。第二种方式是地面终端直接与卫星通信（例如卫星电话或直接卫星物联网传输），这种方式面临的主要挑战是地面终端的能力受限。
图1 卫星星座与5G和后5G网络集成的基本架构要素
卫星星座负责将采集到的数据发送到目的地；目的地可以是地面基站、网关、用户设备、甚至是具有高计算和通信能力的大卫星。卫星段由一个或几个能力较强的地面基站支持。这些地面基站负责卫星的指挥和控制，也能从卫星下载数据到地面。一颗卫星可以同时与不止一个地面站进行通信。
截至目前，3GPP的工作仅仅是分别针对GEO、MEO和LEO星座的。然而，结合了不同轨道的混合架构预期会在未来网络中扮演重要角色，这与向异构蜂窝网络的演进类似。轨道和卫星选择的多样性能够很好地相互补充。这样，地面终端和低轨卫星之间的短传输时间可以与GEO卫星的广覆盖以及强大的通信和计算能力相结合。另外，MEO星座主要用于导航（例如GPS、GLONASS和伽利略星座）。因此，混合轨道部署极大增加了网络的灵活性，增强了其保证多种不同应用需求的能力。
LEO星座中有三种类型的数据业务：（1）用户数据；（2）控制数据；（3）遥测遥控（TMTC）数据。在无线网络中，用户数据和控制数据通常是分开的，以便于对无线资源的有效管理。对于机器类通信而言，控制信息的大小与数据大小相似，有大量设备需要处理，且在许多情况下必须满足严格的延迟约束。这些需求与经典移动宽带通信明显不同。
另外，卫星基本功能的实现需要与地面站进行大量联系，用于返回控制、指挥、通信和遥测数据。遥测遥控包含这些卫星控制相关数据，这些数据与网络控制数据本质上是不同。遥测参数描述了卫星有效载荷及各子系统的状态、配置和健康情况，这些参数通过下行链路下传至地面。通过上行链路，卫星接收用于控制任务运行和管理可消耗资源的指令。通常，遥测遥控使用单独的天线和频段（UHF/VHF）。
5.1 物理和逻辑链路
卫星通信中的物理链路主要分为星地链路（GSL）和星间链路（ISL）。“地”指位于地球上的任何收发信机，可以是地面站、用户设备或网关（见图1）。星地链路的可用性由卫星过顶时间决定。由于低轨卫星的过顶时间短，地面终端频繁进行卫星切换以保持连接；这在图1中表示为从地面站到低轨卫星的馈电链路。此外，多普勒频移可计算为fd = v×fc/c，其中v是发射器和接收器之间的相对速度，
fc是载波频率，c是光速。卫星速度为几千米每秒时，多普勒频移可达几百kHz，这对于星地链路来说是一个重大挑战。
星间链路分为轨道面内链路和轨道面间链路，其中轨道面内链路用于同一轨道平面内通信，轨道面间链路则用于两个不同轨道平面间的通信。由于相邻卫星之间的距离随时间推移通常固定不变，因此轨道面内星间链路通常更加稳定。相反，由于两个不同轨道平面中卫星之间的距离快速变化，实现轨道面间链路的稳定更具挑战性，这极大限制了某一特定轨道面间链路的可维持时间（轨道面间联络时间）。另外，轨道面间链路的实现需要频繁切换，涉及相邻卫星发现、相邻卫星选择（匹配）和连接建立（发送信号）。联络时间或链路机会是指一对卫星处于通信范围内的时间。联络时间取决于许多参数，比如星座几何布局、天线指向和增益、以及传输功率；另外，轨道面间星间链路的多普勒频移也会比较大，这取决于拓扑结构。
逻辑链路是一条从源发射机到终端接收机的路径。因此，数据会穿过许多不同物理连接，而两个端点对此可能并不知晓。使用低轨星座时，有两类不同端点：卫星和地面，从而定义了以下四条逻辑链路：
（1）地面到地面（G2G）。这是网络的一种典型使用方式，例如用于在地表两个远距离端点之间中继信息。
（2）地面到卫星（G2S）。例如，用于由地面站发起的维护和控制操作。
（3）卫星到地面（S2G）。例如地球观测，任务中卫星收集来自多个节点的信息然后下传到地面。
（4）卫星到卫星（S2S）。这与和卫星相关的控制应用相关，例如，在空间段采用蜂群智能或其他自主运行。
这四种逻辑链路都利用了两类物理链路（星地链路和星间链路）中的一种或多种。
5.2 应用
逻辑和物理链路的使用与最终应用密切相关。在低轨星座中，本文将探讨一些从地面网络继承来的应用，另外也有一些空间原生应用。
一个典范应用就是使用星座作为多跳中继网络以增加乡村或偏远地区物联网部署的覆盖，这些地区不在蜂窝和其他中继网络覆盖范围内。在这类情境中，物联网设备被周期性唤醒来发送状态更新。可用卫星接收这一更新并在星座内进行转发，直到抵达距离目标地面终端最近的卫星。这种端到端应用使用了地面到地面逻辑链路，而利用多跳来抵达目的地的方式对延迟和时间要求提出了挑战。
另一个例子是将星座用于地球和/或空间观测，二者都是卫星网络原生应用。卫星装备有照相机和传感器。卫星到卫星链路可能用于卫星间协作，例如当第一颗卫星探测到异常事件时将照相机指向特定位置。地面到卫星链路用于检索地面信息。
图2展示了不同类型逻辑链路及其承载的不同应用数据。针对每条逻辑链路，图2都显示了其所支持的相关功能举例。
图2 四条逻辑链路及低轨卫星网络中每条链路所支持的相关功能概览
本节描述了支持低轨星座通信的关键技术。这些技术在地面网络中都很知名，但为了适用于空间并支持三大5G用例，还需要作出重要修改。
6.1 物理层
波形定义了通过信道承载调制信息的信号的物理形状。在NR中所定义的波形是基于对多普勒频移十分敏感的正交频分复用（OFDM）的。在低轨中，卫星以相对于地面终端较高的速度移动，需要精确的多普勒补偿和较大的子载波间隔。一个替代方式是使用广义频分复用（GFDM），以较高均衡复杂度为代价实现对多普勒频移的更高鲁棒性。
NR支持正交幅度调制（QAM）模式。在正交幅度调制（QAM）中，卫星通信通常使用更加鲁棒的版本，即二进制相移键控（BPSK）和正交相移键控（QPSK），尽管幅度相移键控（APSK）才是低轨商业任务中的首选技术。APSK在空间中的主要优势是其峰值与平均功率比（PAPR）较低，这样在使用具有非线性特征的功率放大器时很适用。地面gNB调整调制和编码方案以适应当前信道条件，为此用户终端必须将信道质量信息传输到gNB。在卫星系统中，雨衰、倾斜轨道卫星运行、天线指向误差、噪音和干扰都会影响卫星链路条件，而这些都可通过合适的自适应编码和调制（ACM）解决。然而，ACM可能遇到的挑战是：由于卫星到地面存在较大延迟以及低轨卫星相对移动速度较快，终端所提供的信息可能过时。
在多用户场景中，波束形成能够基于用户位置实现用户多路复用，从而有可能提高频谱效率。这种技术称作空分多址（SDMA）。为实现精确SDMA，地面终端之间必须具有特定的最小间隔距离。在分布式波束形成中，数颗卫星构成一个大型天线阵列，其中天线间距几千米，从而能够在地面终端间距小得多的情况下实现SDMA，但需要更密切协调。
6.2 无线接入和切片
由于节点数量众多以及用户设备数量和业务类型无法提前知晓，星地链路中的无线接入基本上是随机接入（RA）。两类主要随机接入协议为：grant-based（基于授权）和grant-free（免授权）。grant-based随机接入是5G的必经解决方案。然而，其过多的信令开销、有限的资源以及协议握手中较大的双向延迟，都严重限制了物联网应用的可扩展性。相反，grant-free随机接入更适用于物联网代表性的短数据包和非频繁数据包传输。然而，端点之间较远的距离和星形拓扑结构导致无法使用传统信道感知协议。相反，非正交媒体访问（NOMA）技术可能更适合。
在轨道面内星间链路中，不用改变发射机和接收机，因为相对位置和距离是保持不变的。因此，固定接入方案，如频分多址（FDMA）或码分多址（CDMA），是简单且有吸引力的解决方案。采用频分多址（FDMA）时，必须对可减小轨道内干扰的频率重用进行适当设计，代价是会产生更高的带宽需求。另一方面，可以采用NOMA来克服CDMA带来的挑战（如同步或远近效应）。
在密集低轨星座中，有时会有多颗卫星同时想要与某颗特定卫星建立轨道面间连接。轨道面间星间链路可视作一个网状网络。与地面移动自组网不同，如果各个节点可以获知轨道信息，那么相邻卫星的位置就是可以预测的。对于那些能实现与尽可能多的其他卫星进行直接、动态和不分层级的连接并相互协作的网状网协议，可以进行适当修改，使其适用于空间系统。必须对这些协议进行优化以应对卫星星座中的特定条件，例如卫星在不同轨道平面中的相对速度，在一些情境下可能会很高。图3总结了星地链路、轨道面内和轨道面间星间链路中的无线接入条件。
图3 GSL、轨道面内和轨道面间ISL无线接入
一个一般用途的卫星星座必须支持增强移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超高可靠低时延通信（URLLC）服务的异构性。另外，通过星座传输的用户、控制和遥测遥控（TMTC）业务，特征和需求大不一样。例如，控制和TMTC数据比用户数据呈现出更严格的可靠性和延迟要求，可以单播、多播或广播。另一方面，物联网用户数据通常是单播并具有容延迟特性。
网络切片是支持异构服务的关键5G特征，它确保分配给每项服务的资源都可提供性能保证并实现与其它服务的分离。在无线接入网（RAN）中，传统的切片方式是以降低网络效率为代价来分配正交无线资源。各种特征和需求差异极大的服务和数据业务在时间、频率和空间上的复用带来了重大挑战，在数据链路和媒体访问层需要采用基于优先级的机制来保证数据包的有效传输。
6.3 先进处理
缓存是在峰值流量时段平稳网络流量、以及通过将内容向终端用户拉近来降低延迟的有效方式。缓存由两部分构成：缓存决策和缓存替换策略。缓存决策是指在考虑缓存大小有限的情况下选择要缓存的内容。而当新内容的大小超过缓存中剩余自由空间时就需要用到缓存替换策略。最好删除未来最不可能用到的项目。但上述情况通常无法提前知晓，因此会根据内容的使用预期来对其进行替换。低轨网络在边缘附近的内容缓存中具有重要作用。在GEO卫星-地面网络中，通常只有地面站具有缓存能力。随着低轨星座的引入，将缓存能力加入空间段开启了一个全新维度，低轨层及其广泛覆盖的优势可用于缓存以及像最受欢迎内容的有效多播之类的业务。
由于微系统和微电子器件的成功，以及在不干扰其功能性情况下使卫星网络持续演进的可能性，使得分布式处理架构成为了一项有前景的研究课题。采用联邦卫星架构，卫星网络能够利用一些以往会浪费的资源（如下行链路带宽、存储、处理能力和仪表时间）。联邦学习技术和移动边缘计算（MEC）的结合是极大扩展低轨网络计算能力的一种有前景解决方案。联邦学习是机器学习的一种衍生形式，其中边缘节点基于本地存储数据为全局模型作出贡献，而无需将其数据发送到某一中心实体。因此，当全局模型由卫星提供时，联邦学习可发生在设备终端中，而当数据由设备终端提供或元数据由卫星采集时（但这些数据不再进一步传输），联邦学习也可在卫星自身中进行。
6.4 移动性管理与网络层
移动性管理负责在发射机和/或接收机移动时保证服务连续性。与地面网络不同，卫星星座中的切换需求主要由空间段的快速移动决定，而地面终端的速度可以忽略。由于卫星移动具有可预测性，可以提前规划下一颗服务卫星的选择。针对这一选择，可以用到许多标准，例如服务时间最大化、自由信道数量最大化或距离最小化。星间链路对于在低轨星座中实现切换至关重要。
拓扑控制和自组织在密集星座中极为重要。特别是，星上智能和决策能力可确保任务目标的完成和网络性能的优化。控制自动化对于减少遥控遥测（TMTC）业务很有必要，而TMTC业务是实现星座可扩展性的瓶颈之一。仅仅通过少数专用地面基站对大量卫星进行管理可能是低效或不可行的。相反，如果空间段对地面的依赖减少，则可将地面基站能力用于控制业务。如同在蜂窝网络中一样，自组织网络（SON）的引入对于自动化配置和优化、以及尽可能减少与地面人工控制的交互很重要。星座控制自动化的更进一步是引入人工智能（AI）。这可以实现像蜂群智能这类众多简单代理彼此之间或与环境进行本地交互的模式。
由于小卫星供给有限，因而尽可能降低其燃料消耗是重中之重。因此，有必要提前以及在飞行中优化卫星轨迹。
低轨星座中的中继旨在通过既能直接从来源向目的地传输、也能向一个或多个邻居卫星传输来利用空间和接口的多样性。中继的“候选者”可以位于低轨、更高轨道或地面，且彼此之间必须进行有效协调。根据中继“候选者”，可以使用不同接口和物理链路。
另一方面，随着地面终端和/或卫星的移动，必须对低轨星座内的路由决策进行动态重配置。在集中式路由中，由一个中心实体创建路由表并沿星座中的卫星进行分发。相反，在分布式路由中，每颗卫星仅根据预先设定的距离标准进行简单路由决策（例如数跳距离之内），将数据包传送到距离目的地更近的位置。这里采用机会式基于地理的路由比较有优势，尤其是与网络编码方案相结合时。机器学习技术也可用于识别和利用星座几何布局中的重复性模式并尽可能减少路由计算。
路由的另一个重要方面是确定目的地（可以是单一节点或多个节点）的寻址方法。低轨星座中可以有单播、广播、多播、任播或地域播。单播指网络中一点到另一点的一对一传输，二者都通过网络地址来标识。广播旨在送达范围内所有可能接收者，是一种一对多的关系。多播使用一对多或多对多关系，与广播的不同之处在于，仅对可访问节点的一个子集进行寻址。任播也是一对一关系，但数据包是被路由到一组潜在接收方（所有接收方都由相同的目的地地址标识）中的任意单一成员，通常会根据某种距离标准选择最近的节点。最后，地域播是指将信息传输到由其地理位置标识的网络中的一组目的地。
低轨卫星网络为实现5G真正的泛在连接提供了机会。3GPP正在加紧工作，以在Release 17中涵盖低轨卫星星座。本文描述了这些网络的主要机遇和挑战，并探讨了将其用于三大5G NR用例（eMBB、URLLC和mMTC）需要进行的调整。这些一般性用例需要适应卫星网络的物理环境。基于低轨卫星和GEO/MEO卫星的无线网络的架构演进的确与异构蜂窝网络有某些相似性，但卫星环境也为其带来了新问题。最后，本文探讨了几种实现技术，并描绘了其通过低轨卫星支持5G连接的作用。
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