低轨卫星互联网融合5G信息网络分析

一、引言

随着5G时代的到来以及我国将卫星互联网列入“新基建”范畴，移动通信将具备完善的产业链、巨大的用户群体、灵活高效的应用服务模式。卫星通信系统与5G相互融合，取长补短，共同构建全球无缝覆盖的海、陆、空一体化综合通信网，可满足用户无处不在的多种业务需求，是未来移动通信发展的重要方向。5G作为全球新一代移动通信技术，具有大带宽、低延时、广连接、柔性组网等应用特性，也拉开了万物智联、数据泛在的帷幕。随着“一网”（OneWeb）、“星链”（Starlink）等中低轨卫星星座全面推进和部署，卫星通信服务与互联网业务相融合也进一步加快。相比地面移动通信网络，卫星通信利用高、中、低轨卫星可实现广域甚至全球覆盖，可为全球用户提供无差别的通信服务。同时，若地面5G体制及其演进技术也可很好地适应低轨卫星互联网应用场景和业务需求的挑战，卫星与5G的融合将充分发挥各自优势，为用户提供更全面优质的服务。

二、低轨卫星通信与5G融合的优势与局限性分析

1.低轨卫星与5G通信的融合将为解决全球数字鸿沟问题提供解决方案低轨卫星通信面向特定区域、特定用户群和特定应用，对于低密度用户接入场景下的宽带互联和通信更具优势，特别是接入点分散时的低成本优势。5G由于技术或经济因素难以满足空中飞机及无人机、海上油井和船舶、森林防火及野生动物的视频监控、天然气管道及电力线路和铁路沿线的巡检、边境线的防控等行业应用需求，而低轨卫星可解决5G地面通信偏远地带信号难以覆盖的问题，解决陆地移动通信解决不了的偏远地区、海洋、空间、荒漠与山区等宽带通信问题，具有地面移动通信难以实现的独特价值。此外，地面移动通信网络在发生地震、海啸等严重自然灾害时容易受损而导致通信中断，而卫星通信是危机情况下的重要应急通信手段。依托低轨宽带通信卫星以及高机动、轻量化的5G专网，未来可为偏远地区和应急通信场景提供无线通信保障，解决各个行业信息化、智能化的无线通信需求。低轨卫星宽带通信系统与5G灵巧专网的融合，将能够为极地科考、远洋勘测探测等提供宽带无线通信保障。同时它也能够为应急、灾害之后的救援提供宽带信息保障。可见，随着人类活动区域的扩大和数字经济的出现，低轨卫星与5G通信的融合将为解决因移动通信发展造成的数字鸿沟问题提供可行的解决方案。2.面向不同应用场景需求低轨卫星通信与5G通信各具优势面向万物互联应用场景，低轨卫星充分显示其低功耗、全覆盖的特征。针对沙漠与海洋等油井和天然气井、采矿等野外作业、环境和气候监测、货运与交通长距离监测跟踪、边境和边防的电子围栏等行业应用场景，低轨卫星具有全球覆盖和成本比较优势。面向低时延高可靠应用场景，5G通信具有绝对的优势。5G的空口时延是毫秒级；而低轨卫星的空口时延达数十毫秒，5G通信可充分满足对于低时延、可靠性要求高的车联网、工业互联网等应用场景的要求。面向增强型移动宽带应用场景，低轨卫星和5G通信各有优势和侧重。以“星链”为代表的低轨卫星优势主要是服务于偏远地区的住户、空中的飞机乘客、海洋与大湖中船舶的船员和乘客、穿越荒漠的火车乘客、野外科考者等。大多数的卫星终端形态是机载、船载、车载的客户端设备（CPE），提供WiFi接入；野外科考者利用便携卫星终端直接通信。而对于城市普通用户而言，5G手机的小体积、大带宽和低资费仍具有绝对优势。随着低轨卫星星座的发展以及5G万物互联的推进，未来，低轨卫星通信和地面5G通信将形成相互补充相辅相成的关系。3.解决各个行业信息化、智能化的无线通信需求以低轨宽带通信卫星星座为代表的卫星互联网，因为具有全覆盖、大带宽、低时延、低成本等优势，将成为5G乃至6G时代实现全球卫星通信网络覆盖的重要解决方案，成为航天、通信、互联网产业融合发展的重要趋势。目前，我国星座组网计划正在有序推进。5G通信技术作为民用领域的代表性技术，向更高带宽、更低时延、更大连接、更好的用户体验的方向发展演进，极大地满足了各工业领域不断增长的通信需求。一方面5G将满足人们在居住、工作、休闲和交通等各种区域的多样化业务需求，在密集住宅区、办公室、体育场、地铁、高铁和广域覆盖等具有超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性特征的场景，也可以为用户提供超高清视频、虚拟现实、增强现实、云桌面、在线游戏等极致业务体验；另一方面卫星通信也将渗透到物联网及各种行业领域，与工业设施、医疗仪器、交通工具等深度融合，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的多样化业务需求，实现真正的“万物互联”。当前互联网发展正在从移动互联网向物联网转变，物联网要实现人、机、物智能通信，需要借助空中无线平台甚至太空的卫星平台，因此卫星互联网对工业、农业、林业、应急、海洋、极地的信息化和智能化将产生深远影响。2020年，我国将“卫星互联网”纳入新基建，专家预计到2030年，中国卫星互联网市场总体规模可达到千亿元级别。4.卫星通信和地面移动通信均面临资源受限的问题卫星通信和地面移动通信都是资源受限系统。卫星通信除稀缺的频谱资源外，还有卫星轨道资源受限。“星链”的上万颗低轨卫星计划分布在340～1300km轨道，但轨道位置是有限的，不可以无限制随意部署卫星。卫星轨道资源和频谱资源一样，都需要ITU的批准和协调。卫星互联网建设竞争激烈，“星链”计划由约42000颗卫星组成，“一网”星座计划将由约900颗卫星组成。卫星互联网需要如此之多的卫星主要由于单颗低轨宽带卫星信号覆盖范围有限，需要大量的卫星相互配合，在太空中编织出一张能够将地面无缝覆盖的大网。从通信系统角度分析低轨卫星通信的频率与轨道资源、系统容量、建设和运维成本等，若其要服务全球网民还有较大差距。

三、发展基于5G的低轨卫星通信系统关键技术

地面5G体制及其演进技术可很好地适应低轨卫星互联网应用场景和业务需求的挑战，将地面5G通信体制应用到卫星互联网是网络发展的趋势。未来，可着眼于低轨卫星互联网与5G融合建设，突破高动态快速切换、高多普勒频移同步、高容量寻呼等关键技术，设计基于5G的低轨卫星互联网通信体制、信关站，为面向全球的低延时、高带宽、灵活组网的低轨通信提供技术支撑。1.面向低轨卫星通信的切换技术由于低轨卫星对地快速移动，使得卫星波束的覆盖信号也快速移动和变化，导致终端在卫星、波束、信关站之间快速切换，通常切换间隔在几秒到几分钟。针对低轨卫星网络中存在的频繁切换问题，研究低轨卫星移动通信系统中终端在激活态下的高性能切换技术，拟制高动态快速切换方案，确保在卫星高速移动下的业务连续性，切换时延达到毫秒级，能够满足星内、星间以及信关站间的快速切换性能，能够实现低时延、高成功率和低信令负荷。2.面向低轨卫星通信的同步技术由于低轨卫星的快速移动会导致在所工作的高频段上形成巨大的多普勒频移和快速多普勒频移变化率。高多普勒频移及高变化率对卫星和地面通信的时频同步和信号检测、解调等链路传输带来了较大的挑战，使得终端接入卫星网络过程中，无法快速、准确地捕获网络同步信号。针对巨大多普勒频移和高变化率问题，研究高精度多普勒频偏估计和补偿技术，克服卫星通信网络的传输链路由于多普勒偏移带来的性能下降；研究下行同步方案和实现机制以及相关的信号设计，以实现快速地建立卫星和地面通信链路的时频同步。3.面向低轨卫星通信的寻呼技术由于低轨卫星覆盖波束的快速移动，使得覆盖区域小区会发生快速变化，传统的终端寻呼跟踪方法、寻呼信号发送和实现机制不再有效。针对低轨卫星下寻呼效率问题，研究卫星移动通信系统中，卫星高速移动下的寻呼方案，满足网络快速和精准寻呼需求；研究在卫星广覆盖下的寻呼增强方案，以满足大容量驻留用户的需求。4.面向低轨卫星互联网的信关站由于信关站负责地面网络与卫星网络的通信，针对信关站与5G网络之间的频谱干扰问题，研究信关站与5G网络虚拟化，将二者融合为统一云平台为终端提供服务，优化服务提供、频谱配置、用户切换管理等需求；研究实现5G网络与低轨卫星网络之间在物理层解决方案、接口架构、核心网结构、鉴权管理解决方案、基于3GPP标准的协议和资源控制、通用地面无线接入体系结构和接口协议规范等，以满足通信体制和系统的融合需求。

四、基于5G的低轨卫星通信系统应用前景

未来低轨卫星与5G融合应用研究可着眼于将5G关键技术点同低轨卫星应用需求相结合，立足于具体的行业应用场景进行有针对性的研究。未来可以持续关注物联网、机动通信、毫米波通信及卫星通信等领域。现就面向行业典型应用场景，探讨5G通信技术可能的应用前景。1.宽带大容量综合接入的应用场景5G的大规模天线技术可以很好地满足系统高容量、高能效和高用户体验吞吐量的需求；以链路级调制编码、链路自适应、网络编码为主的先进编码调制技术可以在大带宽、高容量的场景下很好地兼顾性能和频谱效率，对不同的码长保持稳定的性能增益，结合先进的路由策略和信道设计可以很好地降低多节点协作传输时的节点间干扰，提升系统容量；5G的高频段通信充分利用6GHz以上的无线频谱，可用频率范围大，带宽资源丰富，可以满足频率带宽的扩大要求，能在室内与室外、视距与非视距等场景中稳定工作；D2D通信是一种近距离用户之间使用可以直接传输而无需经过基站控制转发的通信技术，允许用户直接实现端到端的通信以达到保持正常通信或扩容等目的，更可以在基站设备故障、停电及人为破坏后蜂窝系统瘫痪时发挥重大作用；基于5G的虚拟化网络架构，通过通用的硬件平台，以软件定义网络和网络功能虚拟化为主要技术，可以构建联合卫星通信、升空通信平台、地面终端、车载中心站和固定宏基站的一体化的网络架构，实现与短波、超短波、卫星等现有通信网络的互联互通，适应通信高速化、宽带化、网络化和天空地一体化的发展需求。2.时延敏感和高可靠性的应用场景5G的低时延高可靠通信技术是一系列技术协同配合的结果，具体而言，可利用5G的新型帧结构设计思路降低通信的端到端时延；利用5G的免调度传输技术降低甚至消除调度时延；利用优化的HARQ机制和自包含的帧结构提高传输可靠性并降低反馈开销和反馈时延；利用高效的调制编码技术提高通信的抗干扰能力，提高首次传输可靠性。此外，5G通信系统和设备必须具备抗干扰、抗截获等能力，确保在复杂对抗环境下重要业务的不间断通信和可信可靠服务。3.低功耗大连接的应用场景5G提出的低功耗、大连接的通信面向万物互联场景，使对真实世界的精确数字化感知成为可能，再结合大数据分析、人工智能等技术，可创造出许多新的业务模式和价值增长点。该技术行业应用主要体现在态势感知中。未来的物联网、工业互联网等行业需要具备连接大量终端的能力，工作在统一的网络体制下支撑异构数据的融合能力，管理设备功耗低、覆盖范围广等能力；行业信息感知也会向信息网络化、决策智能化、作业自动化、管理科学化、无人值守化方向发展；而未来的广域态势感知系统也存在着广覆盖、大连接等特点。上述需求均需要一种能够在有限资源上提供较多接入能力、且极低功耗的通信手段，而5G的低功耗大连接技术和低轨卫星的全覆盖能力相融合则可以满足这一需求。利用超密集组网技术实现广域密集接入和大量节点接入，在有限的资源上实现大量通信节点的接入和目标的广域覆盖。4.按需定制的应用场景5G是面向场景、以用户为中心的网络，希望根据用户的行为方式、用户所在的位置、用户接入网络的特点、终端的能力等去感知用户的需求和用户业务的特征，并实现网络的按需定制，为每个用户业务的传输提供最好的服务。未来通信网络同样遵循按需提供服务的原则，因此，在充分考虑网络安全因素的前提下，5G网络服务能力及其对应的组网技术与上述未来行业通信网络需求在很大程度上可以匹配在一起，形成多个行业通信网络解决方案。

五、结语

低轨卫星通信与5G移动网络融合，不仅能以更经济的方式补充地面网络覆盖，还可将先进的蜂窝网络技术引入卫星通信，有效解决卫星通信面临的容量、工程部署、移动性等问题。两者的融合应用不仅扩展通信网络的覆盖范围，为用户提供覆盖更广、速率更快的通信网络接入服务，全方位提高卫星和地面通信服务水平，实现天地一体化的通信服务保障，有效满足未来各种应用场景的需求，更重要的是，低轨卫星通信还可以借助移动通信数万亿的产业规模，通过产业链共享来加速产业繁荣。

作者：李虹 孙一中 贺玉 单位：中国航天系统科学与工程研究院 中国信息通信研究院