5G地面移動通信技術在低軌星座的適應性分析

孫晨華，張亞生，王力男，趙偉松

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

衛(wèi)星移動通信發(fā)展過程中，其技術體制設計大量借鑒了地面移動通信標準，有利于實現(xiàn)二者兼容、融合發(fā)展[1]。在網(wǎng)絡架構設計上，參考或遵循地面移動網(wǎng)絡“接入網(wǎng)+核心網(wǎng)”架構，如海事衛(wèi)星的BGAN系統(tǒng)[2]，完全采用了3G WCDMA核心網(wǎng)。在空口層面，衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)傳輸標準多基于地面移動通信系統(tǒng)傳輸標準進行適應性修改，如Thuraya系統(tǒng)[3]采用的GMR-1標準基于 GSM/3G 體制進行設計。

2010年底，ITU啟動的IMT-Advanced衛(wèi)星空口技術標準的征集工作中，提出了最大限度地利用與IMT-Advanced 地面空口技術標準相似的技術和協(xié)議，并提出了相關設計的參考指標。

目前我國處于5G技術研發(fā)和試驗階段，預計2020年實現(xiàn)5G商用[4]。屆時我國也將啟動低軌衛(wèi)星移動通信星座研制與建設工作，如何吸收和借鑒5G的先進技術和設計理念，探索低軌星座與地面5G融合發(fā)展，國內已經(jīng)開展了相關研究和探討。

本文借鑒5G網(wǎng)絡架構設計，充分考慮低軌星座特征，提出了部署在星上的低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)接入網(wǎng)和部署在地面關口站的核心網(wǎng)網(wǎng)絡架構。同時，依據(jù)低軌星座的特點逐層對協(xié)議進行針對性設計和優(yōu)化設計，包括空口協(xié)議、移動性管理及切換協(xié)議、會話管理層協(xié)議、路由協(xié)議和用戶面協(xié)議等。

1 天地一體化重大項目及低軌星座

1.1 天地一體化信息網(wǎng)絡重大項目

天地一體化信息網(wǎng)絡重大項目組成示意圖如圖1所示。

圖1 天地一體化信息網(wǎng)絡重大項目組成

天地一體化信息網(wǎng)絡重大項目是國家科技創(chuàng)新2030先期啟動的4個科技重大項目之一。在天地一體化信息網(wǎng)絡重大項目中，采用“天網(wǎng)地網(wǎng)”架構，突出天基組網(wǎng)、天地互聯(lián)，由天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)和地基節(jié)點網(wǎng)構成，并可與地面互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)開放互聯(lián)。天基骨干網(wǎng)主要由部署在GEO軌道的天基骨干節(jié)點通過星間高速互連而成，具備全球覆蓋能力；天基接入網(wǎng)(低軌)主要由布設在LEO軌道的星座構成，具備全球無縫的隨遇接入和移動、寬帶通信能力，也稱為天基接入網(wǎng)低軌星座。地基節(jié)點網(wǎng)重點實現(xiàn)按需服務能力，由布設在國土范圍內的多個地基骨干節(jié)點組成。天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)(低軌)、地基節(jié)點網(wǎng)構成天地一體的網(wǎng)絡來支撐國家戰(zhàn)略發(fā)展的移動寬帶服務、航空信息服務、海洋信息服務、航天信息支援、防災減災服務、反恐維穩(wěn)信息支持和信息普惠服務等應用。

1.2 天基接入網(wǎng)低軌星座

天基接入網(wǎng)低軌星座(簡稱低軌星座)主要采用星座部署、空間組網(wǎng)的方式，提供全球無縫覆蓋的移動、寬帶通信服務，通過搭載載荷支持航空/航海監(jiān)視、頻譜監(jiān)測、導航增強以及廣域物聯(lián)網(wǎng)服務等。

低軌星座構型為近極軌道，軌道高度800～1 100 km，重大項目考慮部署200～300個節(jié)點，支持全球覆蓋，用基于星間鏈、星載路由交換的空間組網(wǎng)技術，不依賴地面站提供實現(xiàn)全球服務能力。

天基接入網(wǎng)低軌星座網(wǎng)絡架構示意圖如圖2所示。借鑒國外典型低軌星座設計特點，針對我國應用需求，重大項目低軌星座對移動通信和寬帶通信進行一體化綜合設計，首期部署60個左右綜合節(jié)點，以星上處理模式為主，支持全球無縫的移動通信和物聯(lián)網(wǎng)服務，包括ADS-B[5]和AIS[6]等，并兼顧有限的寬帶通信能力。第二階段重點補充寬帶增強節(jié)點，提供寬帶接入服務，以透明轉發(fā)為主。

圖2 天基接入網(wǎng)低軌星座網(wǎng)絡架構

重大項目低軌星座主要提出以下設計思路：寬窄結合、功能綜合，全球覆蓋、無縫服務，空間組網(wǎng)、安全互聯(lián)，軟件定義、靈活重構，智能感知、共譜利用，高低互聯(lián)、地基融合。

寬窄結合、功能綜合，全球覆蓋、無縫服務，空間組網(wǎng)、安全互聯(lián)：配置兩類衛(wèi)星節(jié)點，各有側重、協(xié)同工作滿足以移動通信為主的各類應用和寬帶接入應用?；诘蛙壭亲蚋采w的特性，在移動/寬帶通信基礎上，進行ADS-B、AIS、廣域物聯(lián)和導航增強等多功能綜合設計。配置ADS-B載荷，單節(jié)點支持不小于3 000架飛機航空監(jiān)視；配置AIS載荷，單節(jié)點支持每分鐘不少于3 000艘船舶信息采集能力；面向廣域物聯(lián)，支持小型低功耗物聯(lián)端使用，發(fā)射功率不大于地面手機標準；支持信號增強和信息增強等多種方式的導航增強服務。采用星間鏈和星上路由交換技術，支持空間組網(wǎng)，實現(xiàn)真正的全球服務能力以及不依賴境外關口站的安全可控通信傳輸能力。

軟件定義、靈活重構，智能感知、共譜利用，高低互聯(lián)、地基融合：軟件定義主要包括波形重構、路由控制和天線波束等方面軟件定義，波形重構主要依托靈活的軟硬件處理平臺設計，支持不同技術體制波形的重構；采用SDN思想控制轉發(fā)分離的思想[7]，進行星地一體化的路由控制設計。采用數(shù)字化陣列天線技術，支持波束資源在覆蓋區(qū)域、功率和頻率上的靈活調整。智能感知、共譜利用是指基于感知實現(xiàn)與其它系統(tǒng)無干擾/低干擾共存，降低頻軌協(xié)調難度和應用風險[8]，一是可利用ITU“落地功率譜小于噪聲功率譜6%”規(guī)則，構建擴頻低速信令網(wǎng)；二是基于星地聯(lián)合感知，選擇空閑載波傳輸業(yè)務，達到與現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)絡的同頻段共存。高低互聯(lián)、地基融合，是指可與高軌骨干節(jié)點互聯(lián)，節(jié)點數(shù)量較少時，用于提高連續(xù)覆蓋性和覆蓋范圍，數(shù)量較多時，可提供天基控制面?zhèn)浞?；地基融合方面，主要是指與地面4G/5G融合實現(xiàn)業(yè)務服務無感互補，低軌地基節(jié)點、管控均與高軌地基節(jié)點統(tǒng)一設計；應用終端方面，高軌、低軌和地面移動等模式綜合設計。

重大項目低軌星座預期能夠達到的能力：支持中低速移動業(yè)務容量不小于300 Mbps，寬帶業(yè)務通信容量不小于500 Gbps。對于移動通信手持類終端，上行接入速率不小于64 kbps，接收可達1 Mbps；對于小型化低功耗物聯(lián)網(wǎng)終端接入速率可達600 bps，接入用戶數(shù)可達1億；對于典型的0.5 m口徑寬帶接入終端，上行接入速率不小于2 Mbps，接收速率不小于50 Mbps。

2 5G技術在低軌星座中的適應性

2.1 體系架構適應性分析

為滿足面向5G 業(yè)務指標和應用場景需求，各國際通信組織陸續(xù)發(fā)表5G 愿景白皮書。其中，我國的IMT-2020(5G) 組織提出了基于“三朵云”的網(wǎng)絡總體架構設想[9]。5G功能結構示意圖如圖3所示。

圖3 5G功能結構

在“三朵云”的5G 網(wǎng)絡架構中，整個5G 網(wǎng)絡被分為3 個平面：接入平面、轉發(fā)平面和控制平面[10]。在這個架構中，控制平面通過網(wǎng)絡功能重構，實現(xiàn)集中的控制功能和簡化的控制流程。接入平面支持多種無線接入技術和網(wǎng)絡形式，能夠實現(xiàn)靈活的無線接入?yún)f(xié)同控制和更高的無線資源利用率[11]。轉發(fā)平面基于通用的硬件平臺，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)流的高可靠、低時延、均負載傳輸，數(shù)據(jù)轉發(fā)效率和靈活性得到提升。5G網(wǎng)絡架構中，SDN 和NFV 作為其中的重要技術基礎[12]，可以支持多種無線接入方式及集中統(tǒng)一控制管理與大容量業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸功能。其中，SDN 是實現(xiàn)控制平面與轉發(fā)平面連接的關鍵，以靈活、高效、開放等為原則來實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡在新構架下的轉發(fā)分離化、功能模塊化、網(wǎng)絡虛擬化和部署分布化特性。

借鑒5G網(wǎng)絡架構設計，我國低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)也分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，網(wǎng)絡邏輯架構同樣包括接入平面、轉發(fā)平面和控制平面。

低軌星座全球覆蓋、具有星間鏈路可星間組網(wǎng)、終端之間需要滿足T2T直接通信需求，基于上述因素考慮，建議將接入網(wǎng)部署在星上，即在每個衛(wèi)星上部署衛(wèi)星基站和路由交換單元進行空口協(xié)議處理和路由轉發(fā)，與其他虛擬化切片方式相比，這種方式可大大降低星間鏈路帶寬要求，同時可實現(xiàn)終端之間T2T直接通信。由上述分析可見，與5G接入網(wǎng)相比，低軌衛(wèi)星接入網(wǎng)除具有接入、控制功能外，還具有轉發(fā)功能。

核心網(wǎng)可直接采用5G核心網(wǎng)，部署在地面關口站，多個關口站之間通過地面網(wǎng)絡互聯(lián)。核心網(wǎng)具有控制和轉發(fā)平面功能，與5G轉發(fā)平面不同，該轉發(fā)平面主要進行終端與地面網(wǎng)之間的業(yè)務處理。綜上，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡架構設計如圖4所示。

圖4 低軌移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

2.2 協(xié)議適應性分析

每一代地面移動通信系統(tǒng)架構都有與之對應的協(xié)議，本文討論的通信協(xié)議主要是空口及其上層協(xié)議，不涉及核心網(wǎng)內部接口等其他協(xié)議。

與2G/3G/4G移動通信協(xié)議類似，5G移動通信協(xié)議采用分層模型，包括控制面協(xié)議和用戶面協(xié)議，如圖5所示。

圖5 低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)協(xié)議設計

控制面協(xié)議主要包括非接入層(NAS)和接入層(AS)。

非接入層：分為會話管理子層(SM)和移動管理子層(MM)。會話管理子層主要執(zhí)行與承載有關的功能包括建立、維護和釋放承載。移動管理子層主要執(zhí)行與連接有關的功能包括建立網(wǎng)絡和終端間通信的安全機制。

接入層：由無線資源控制層(RRC)、分組數(shù)據(jù)匯聚層(PDCP)、數(shù)據(jù)鏈路層(RLC/MAC)和物理層(PHY)組成。RRC負責終端接入時無線信道資源管理，包括無線資源分配和釋放；同時還要負責層2 協(xié)議實體的建立、更改和刪除。此外它還攜帶MM和SM等高層信令，負責連接模式下終端的移動性管理控制(測量、切換以及小區(qū)更新等)。PDCP在控制面其主要功能包括加密、完整性保護和控制面數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。?shù)據(jù)鏈路層分為無線鏈路控制層(RLC)和媒體訪問控制層(MAC)兩個子層，負責鏈路幀格式的拆分、封裝及數(shù)據(jù)發(fā)送調度等。物理層為上層數(shù)據(jù)提供傳輸通道，主要定義了物理信道復用、多址、編碼、調制解調和無線鏈路同步等內容。

用戶面協(xié)議由空口協(xié)議及TCP/IP網(wǎng)絡層及上層協(xié)議組成，網(wǎng)絡層及上層協(xié)議采用標準TCP/IP協(xié)議，可支持基于IP的語音、數(shù)據(jù)、音頻及視頻等各類業(yè)務。

空口協(xié)議由分組數(shù)據(jù)匯聚層(PDCP)、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。PDCP在用戶平面其主要功能包括頭壓縮和解壓功能，在PDCP重建立過程中，支持確認RLC模式下邏輯信道向高層進行按需遞交，及對底層SDU數(shù)據(jù)的重復檢測，在切換過程中，支持對確認RLC模式的邏輯信道的PDCP SDU的重傳、加密和解密、業(yè)務面數(shù)據(jù)的傳輸、上行基于定時器的SDU丟棄機制等功能。數(shù)據(jù)鏈路層和物理層功能為上層數(shù)據(jù)提供傳輸服務。

由于低軌星座的特點，在低軌星座中不能直接應用5G通信協(xié)議，需要依據(jù)低軌星座的特點逐層對協(xié)議進行針對性設計和優(yōu)化設計。

空口協(xié)議設計：需要針對寬帶通信、窄帶通信和物聯(lián)網(wǎng)等應用針對性地設計空中接口各層協(xié)議，包括控制面(RRC、RLC、MAC、PHY)和數(shù)據(jù)面協(xié)議(主要是RLC、MAC、PHY)。

低軌移動性管理及切換協(xié)議優(yōu)化設計：在地面移動通信系統(tǒng)中，影響移動性管理技術的主要因素是移動終端運動特征，切換的判決條件主要依據(jù)終端的測量結果。在低軌星座中，移動性管理及切換方案的選取則主要取決于衛(wèi)星的運動，由于衛(wèi)星的高速運動，通信用戶在不同波束及衛(wèi)星間快速切換，這大大增加了切換的信令開銷。低軌衛(wèi)星運動軌跡可通過計算得到，因此，可以結合低軌衛(wèi)星運行軌跡優(yōu)化移動性管理及切換協(xié)議設計，減小移動性管理及切換通信開銷。

低軌會話管理層協(xié)議優(yōu)化設計：在地面移動通信系統(tǒng)中，兩終端之間的數(shù)據(jù)都需要通過核心網(wǎng)轉發(fā)才能互相通信，為減小終端間通信時延，低軌星座接入網(wǎng)需要支持終端間T2T直接通信，即兩終端間的業(yè)務數(shù)據(jù)不經(jīng)落地處理，直接由星間鏈路轉發(fā)，業(yè)務路徑由2跳變?yōu)?跳，這樣可降低一半的通信時延。為此需要對低軌會話管理層協(xié)議進行優(yōu)化設計，修改會話承載建立與數(shù)據(jù)傳輸流程。

低軌星座路由協(xié)議設計：這是實現(xiàn)低軌星座空間組網(wǎng)的關鍵協(xié)議，該部分內容對應于地面移動通信系統(tǒng)地面承載網(wǎng)路由協(xié)議，采用地面路由協(xié)議(OSPF、BGP等)，在3GPP標準中一般不包括該部分內容。與地面網(wǎng)絡拓撲固定不同，由于低軌星座高速運動，網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化，因此地面網(wǎng)絡路由協(xié)議不能直接應用。目前該領域國內外研究者眾多，也提出了許多路由算法，如時間片路由和基于地理位置路由算法等。

用戶面協(xié)議增強設計：相對于地面光纖鏈路，低軌衛(wèi)星無線鏈路具有誤碼率高、時延較長等特點，為此在數(shù)據(jù)面網(wǎng)絡層之上進行協(xié)議增強設計，主要是傳輸層協(xié)議增強和應用層協(xié)議增強設計。

2.3 空口傳輸體制適應性

5G新空口(5G NR)技術路線將擺脫現(xiàn)有4G系統(tǒng)框架的約束，通過采用各種先進的空口技術來全面實現(xiàn)5G的關鍵性能參數(shù)指標，其中傳輸體制研究是5G研發(fā)重點，主要包括新型多址、新波形和大規(guī)模MIMO等[13]。

5G新空口候選的多址技術除了傳統(tǒng)的CP-OFDMA外，非正交多址接入主要有SCMA、NOMA、PDMA和MUSA。與OFDMA相比，非正交接入在時間、頻率和空間等物理資源基礎上，引入了功率域、碼域維度，進一步提高了用戶的連接數(shù)和信道容量，在地面移動信道環(huán)境下非正交多址接入比OFDMA有更好的性能，其中SCMA采用近似最優(yōu)的MPA迭代算法使其有最好的誤碼性能。低軌星座與地面系統(tǒng)在衛(wèi)星信道環(huán)境方面有類似的多徑特點，而且載荷功率受限，從這點來說非正交接入更適合低軌衛(wèi)星。目前針對非正交多址接入的研究不夠全面深入，在低軌衛(wèi)星上使用更需要考慮衛(wèi)星的多譜勒影響。5G指標定義終端最高速度為500 km/h，而低軌衛(wèi)星運動速度可達7.9 km/s，再加上工作頻段差異，低軌星座的多譜勒影響是地面的幾十倍。國內外對OFDM在低軌衛(wèi)星上的應用研究比較多，對非正交多址接入研究較少。

5G傳輸波形還是在OFDM[14]基礎上作變化，主要有W-OFDM、UFMC、f-OFDM、FBMC和GFDM多個備選方案。OFDM的一個弱點就是峰均比較高，有關降低峰均比的方法研究較多，比如陷幅法、選擇性圖法和子載波預留法等，這些方法會帶來性能的少許損失，但可以滿足應用需求。隨著5G對低峰均比的強烈重視，降低峰均比的優(yōu)化方法也會得到快速發(fā)展。

MIMO系統(tǒng)[15]已在地面4G中得到實際應用，5G的大規(guī)模多天線技術也是一種MIMO系統(tǒng)。相對于高軌衛(wèi)星，針對低軌衛(wèi)星的MIMO應用研究較為成熟，尤其在雙極化天線上應用空時碼研究較深。但是近10年來還是主要集中在理論研究和仿真，這些仿真存在一些缺點，如不準確、缺乏驗證、仿真與實際場景不符。MIMO的作用是空間復用和分集，可以用來增加系統(tǒng)容量和傳輸性能，而近年來主要圍繞低軌衛(wèi)星多波束覆蓋的方法提高系統(tǒng)容量，效果明顯，可以認為這也是MIMO未能投入應用的主要原因之一。在容量及性能繼續(xù)提高的要求下，極化MIMO或星座MIMO應用于低軌星座的存在較大可能性。

5G對傳輸時延的要求短到ms級[19]，而低軌衛(wèi)星的RTT達到50 ms，兩者差別較大，因而5G中和傳輸延遲相關的一些過程不能直接照搬，需要做修改。這些過程包括隨機接入、閉環(huán)功控和混合自動重傳等。傳輸時延長和運動速度快對上行同步造成比較大的影響，這也更需要改進。國內“863”項目“衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)關鍵技術研究”對LTE技術在GEO衛(wèi)星上應用適應性做了比較深入的研究，其中關于傳輸延遲的影響和措施可以在低軌衛(wèi)星應用借鑒。

3 結束語

低軌星座的發(fā)展建設要加強相關關鍵技術攻關，并充分吸收和借鑒5G的研究成果，結合低軌星座特點，從網(wǎng)絡架構、空口體制開展創(chuàng)新性研究。結合天地一體化信息網(wǎng)絡重大項目推進，2020年左右構建一個低軌星座的技術試驗示范網(wǎng)，完成關鍵技術和體系架構驗證，充分考慮與未來地面5G移動通信網(wǎng)絡的融合共處。在上述基礎上，爭取在2025年完成網(wǎng)絡建設，提供全球無縫覆蓋的移動通信、寬帶增強和物聯(lián)網(wǎng)應用等多樣化服務能力，使低軌星座成為5G向天基拓展的關鍵組成部分。

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