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　　引言：

　　近些年來(lái)，衛(wèi)星通信引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

　　人們普遍看好這項(xiàng)技術(shù)的長(zhǎng)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(lái)探尋一下答案……

　　美國(guó)東部時(shí)間10月24日11時(shí)31分，美國(guó)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。

　　獵鷹9號(hào)火箭和60顆星鏈衛(wèi)星

　　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(cè)試衛(wèi)星，則是895顆），進(jìn)度非常驚人。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，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(wàn)顆衛(wèi)星（后續(xù)可能增至4.2萬(wàn)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(guó)內(nèi)很多無(wú)良自媒體進(jìn)行了大量的炒作，說(shuō)它有多么多么厲害，是美國(guó)的6G，會(huì)取代5G移動(dòng)通信，對(duì)中國(guó)造成威脅。

　　事實(shí)上，馬斯克本人從來(lái)沒(méi)說(shuō)過(guò)“星鏈計(jì)劃”要取代5G。至于說(shuō)6G，前幾天小棗君關(guān)于國(guó)內(nèi)某高校“6G衛(wèi)星”的文章也解釋過(guò)了，很多東西都還是未知數(shù)。

　　“星鏈計(jì)劃”的核心威脅，在于對(duì)軌道和頻譜資源的占用。

　　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(shuō)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(wèn)題，我們不妨看看國(guó)際組織正在進(jìn)行的工作。

　　目前，國(guó)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(lái)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(guó)CCSA（中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)）在2019年成立的組織，目的是開(kāi)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(shū)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(chǎng)景（衛(wèi)星系統(tǒng)的傳播延遲，對(duì)于uRLLC場(chǎng)景來(lái)說(shuō)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(lè)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(wú)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(wú)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(lái)源: SaT5G白皮書(shū)

　　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(chǎng)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(lè)服務(wù)以及連網(wǎng)方案。

　　來(lái)源: SaT5G官方文檔

　　再來(lái)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(guó)際組織（含3GPP）的整體工作進(jìn)展情況。

　　來(lái)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(chǎng)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(chǎng)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(jiǎn)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(wú)線傳播環(huán)境與特性也存在著很大的不同。

　　那么問(wèn)題來(lái)了，地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)最初并不是為這樣的場(chǎng)景設(shè)計(jì)的，這些由NTN（非地面網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目）帶來(lái)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(wú)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(wú)中繼，提出了4種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：

　　來(lái)源: 3GPP 38.811 V1.0.0

　　其次，如果我們站在協(xié)議棧的角度來(lái)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：

　　透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)的用戶面協(xié)議棧

　　透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)的控制面協(xié)議棧

　　2. 星上處理架構(gòu)的用戶面和控制面協(xié)議棧如下：

　　星上處理架構(gòu)的用戶面協(xié)議棧

　　星上處理架構(gòu)的控制面協(xié)議棧

　　最后，我們來(lái)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(guò)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(guò)引入偏移量Koffset并應(yīng)用它來(lái)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(guò)廣播還是高層參數(shù)配置的方式來(lái)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(cè)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(guò)調(diào)整無(wú)線傳輸?shù)恼{(diào)制方式與編碼速率，來(lái)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(guò)時(shí)問(wèn)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(chǎng)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(lái)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(jiǎn)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(lái)匹配更長(zhǎng)的衛(wèi)星雙向傳輸時(shí)延?；蛘呓肬L HARQ反饋，以避免HARQ過(guò)程中的停止和等待，并依賴RLC ARQ來(lái)提高可靠性。這兩種增強(qiáng)機(jī)制目前還沒(méi)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(yǔ)

　　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(kāi)了全新的市場(chǎng)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(lái)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(guò)程當(dāng)中。不過(guò)目前看來(lái)，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(lái)6G星地一體化深度融合的起點(diǎn)。

　　來(lái)自：鮮棗課堂

　　作者：周磊