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(shì)和不足，提出衛(wèi)星通信和5G通信的五個(gè)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(shí)代，電信運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)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(shí)延3個(gè)方面有巨大改善，主要面對(duì)3個(gè)核心應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、海量機(jī)器通信（mMTC）和超高可靠低時(shí)延通信（uRLLC）。5G 相比4G LTE 的提升也是全方位的，并實(shí)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(shí)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(shí)延，實(shí)現(xiàn)50 ms以內(nèi)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸類應(yīng)用，可以滿足除了部分超低時(shí)延場(chǎng)景外的其他5G場(chǎng)景需求。

　　要實(shí)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(chǎng)、無人船、智能航運(yùn)和海事監(jiān)測(cè)及國(guó)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(shì)和不足

　　通信衛(wèi)星按運(yùn)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(guó)宇航局發(fā)射了“斯柯爾”（SCORE）廣播實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，進(jìn)行磁帶錄音信號(hào)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(guó)AT&T發(fā)射“電星一號(hào)”（TELESTAR-1）低軌道衛(wèi)星實(shí)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(guó)摩托羅拉公司為了給全球提供移動(dòng)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(jì)劃，雖然由于移動(dòng)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(yàn)。

　　星鏈?zhǔn)敲绹?guó)太空探索技術(shù)公司的一個(gè)項(xiàng)目，計(jì)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(shì)。

　　（ a ） 通信距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍廣，靜止衛(wèi)星最大的通信距離達(dá)18 000 km，單顆地球同步衛(wèi)星覆蓋范可達(dá)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(gè)區(qū)域內(nèi)的任何一點(diǎn)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(shí)現(xiàn)雙邊或多邊通信，即進(jìn)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(dá)500～800 MHz，而Ka頻段可達(dá)幾個(gè)GHz。

　　（ d ） 機(jī)動(dòng)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(diǎn)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(duì)抗震救災(zāi)或國(guó)際海底光纜的故障時(shí)，衛(wèi)星通信是一種無可比擬的重要通信手段。

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

　　（ a ） 傳輸時(shí)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(dá)40 000km，電磁波以光速（3×108m/s）傳輸時(shí)單程需要時(shí)間約0.27 s。

　　（ b ） 高緯度地區(qū)難以實(shí)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(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃和承擔(dān)發(fā)射失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

　　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(shí)施，根據(jù)實(shí)現(xiàn)是先后順序和難以程度，劃分為以下5個(gè)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(dú)立，衛(wèi)星用于地面無線基站覆蓋的補(bǔ)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(dú)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(dá)一致水平。

　　（ c ） 用戶融合：保證用戶不換卡不換號(hào)，使用同一個(gè)用戶身份（碼號(hào)），統(tǒng)一的計(jì)費(fèi)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(gè)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(jì)目標(biāo)至少是實(shí)現(xiàn)第4層次體制融合。

　　3  衛(wèi)星通信與移動(dòng)通信融合應(yīng)用

　　海南海陸通項(xiàng)目實(shí)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(jià)格比較昂貴（幾千到幾萬都有），通信資費(fèi)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(fèi)，在中國(guó)區(qū)域每分鐘收1.6元，國(guó)際區(qū)域每分鐘6.8元）。因此，衛(wèi)星電話的個(gè)人擁有者極少，通常為企業(yè)單位購(gòu)買使用。企業(yè)單位為了控制生產(chǎn)成本會(huì)對(duì)衛(wèi)星電話的使用進(jìn)行嚴(yán)格的限制，員工個(gè)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(zhǎng)期失去親友聯(lián)絡(luò)的思念之苦，甚至在遇到危險(xiǎn)的時(shí)候也無法及時(shí)向外界發(fā)出求救信號(hào)，從而造成嚴(yán)重生命和財(cái)產(chǎn)損失。

　　針對(duì)海上通信的痛點(diǎn)和目前衛(wèi)星通話資費(fèi)貴的問題，運(yùn)營(yíng)商可與衛(wèi)星公司合作，實(shí)現(xiàn)漁船用戶在海上工作時(shí)，基于衛(wèi)星通道撥打和接聽電話的需求，同時(shí)為漁船用戶提供上網(wǎng)服務(wù)，當(dāng)漁民登岸時(shí)，可以用在岸用戶同樣的手機(jī)通話和移動(dòng)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(gè)步驟。

　　（ a ） 衛(wèi)星接收終端（ZXHY-KU619），在漁船上接收衛(wèi)星信號(hào)，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(dòng)IMS，實(shí)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(dòng)上網(wǎng)的流程主要包括以下幾個(gè)步驟。

　　（ a ） 衛(wèi)星接收終端（ZXHY-KU619），在漁船上接收衛(wèi)星信號(hào)，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(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

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

　　（ d ） 由運(yùn)營(yíng)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(duì)衛(wèi)星在5G系統(tǒng)中的角色和優(yōu)勢(shì)進(jìn)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(chǎng)景中具有顯著優(yōu)勢(shì)。

　　為實(shí)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(shí)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(shí)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(zhǎng)期來看，衛(wèi)星和5G架構(gòu)的研究主要面對(duì)用戶的接入和星上轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)的業(yè)務(wù)連續(xù)性，具體需要解決以下問題。

　　（ a ） 如何實(shí)現(xiàn)與5G統(tǒng)一的空中接口，實(shí)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(yùn)行速度特別高，單獨(dú)一顆衛(wèi)星為用戶單獨(dú)提供服務(wù)的時(shí)間只有十幾到幾十分鐘，在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，如何實(shí)現(xiàn)切換和保證業(yè)務(wù)連續(xù)性。

　　對(duì)于衛(wèi)星和移動(dòng)通信采用統(tǒng)一的空中接口的演進(jìn)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(jì)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(lán)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(jì)。2016年發(fā)射的天通一號(hào)衛(wèi)星在空中接口的設(shè)計(jì)上也借鑒并部分采用了3GPP的標(biāo)準(zhǔn)。

　　5G時(shí)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(duì)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(shí)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(shí)代核心網(wǎng)采用NFV的架構(gòu)，實(shí)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(shí)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(zhǎng)延時(shí)、大動(dòng)態(tài)等，考慮到衛(wèi)星的體積有限，運(yùn)力和存儲(chǔ)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(huì)越來越多，與衛(wèi)星的融合通信也是未來5G的發(fā)展趨勢(shì)之一。本文通過介紹衛(wèi)星通信優(yōu)缺點(diǎn)，提出了衛(wèi)星通信和5G通信融合的5個(gè)層次，以海南海陸通項(xiàng)目為切入點(diǎn)，引入未來衛(wèi)星和5G通信的研究重點(diǎn)和混合組網(wǎng)架構(gòu)要求，為后續(xù)運(yùn)營(yíng)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。