蜂窩通信和衛(wèi)星通信融合的機(jī)遇、挑戰(zhàn)及演進(jìn)*

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

自出現(xiàn)電報(bào)電話以來，人類就與通信產(chǎn)生了密切聯(lián)系。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，人們對通信提出了更高要求。由此，通信產(chǎn)業(yè)界于20世紀(jì)90年代提出了關(guān)于個(gè)人通信的“5W”目標(biāo)，即任何人在任何時(shí)候和任何地方都能與其他任何用戶實(shí)現(xiàn)用戶自己預(yù)定的任何電信業(yè)務(wù)的通信[1]。

在2010前的數(shù)十年里，全球通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)朝著“5W”目標(biāo)不斷前行?！?W”目標(biāo)中的“任何地方”要求個(gè)人通信的許多應(yīng)用處于無線或移動環(huán)境，蜂窩通信和衛(wèi)星通信就是其中的主要代表。蜂窩通信主要針對陸地(尤其是人口密集地區(qū))和中低速移動終端設(shè)計(jì)，迄今為止已推出四代商用系統(tǒng)，成為發(fā)展最為成功、影響最為廣泛的陸地移動通信網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星通信因具有覆蓋范圍廣、設(shè)施部署快、靈活性高、容災(zāi)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，雖發(fā)展幾經(jīng)起伏，但也取得了較大成功。由于技術(shù)和市場等因素，蜂窩通信和衛(wèi)星通信雖有交疊，但總體而言屬于獨(dú)立發(fā)展。同時(shí)，由于自身特點(diǎn)所限，它們都沒能真正實(shí)現(xiàn)“5W”目標(biāo)(尤其是“任何地方”)。

2010年前后，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出許多新趨勢。2009年9月，國際電聯(lián)(International Telecommunications Union,ITU)定義了泛在網(wǎng)絡(luò)(ubiquitous network)——在預(yù)訂服務(wù)情況下，個(gè)人和/或設(shè)備無論何時(shí)何地何種方式以最少技術(shù)限制接入到服務(wù)和通信；并描繪了泛在網(wǎng)絡(luò)愿景：5C(融合、內(nèi)容、計(jì)算、通信、連接)和5A(任意時(shí)間、任意地點(diǎn)、任意服務(wù)、任意網(wǎng)絡(luò)、任意對象)[2]。此愿景可視為“5W”目標(biāo)的演進(jìn)，指明了未來通信發(fā)展的基本方向。泛在網(wǎng)絡(luò)的基本特征是泛在通信和萬物互聯(lián)，對單一的蜂窩通信或衛(wèi)星通信帶來了巨大挑戰(zhàn)，也為兩者的融合發(fā)展提供了良好機(jī)遇。

本文在回顧和梳理蜂窩通信和衛(wèi)星通信歷史及現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合泛在通信和萬物互聯(lián)的趨勢和要求，通過分析蜂窩通信和衛(wèi)星通信繼續(xù)獨(dú)立發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，指出兩者應(yīng)走融合發(fā)展之路，并闡明了兩者融合的巨大優(yōu)勢，然后提出兩者融合發(fā)展可按照三個(gè)階段演進(jìn)——聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)、混合網(wǎng)絡(luò)、一體網(wǎng)絡(luò)，最后展望了相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)和未來研究方向。

2 蜂窩通信和衛(wèi)星通信的歷史回顧和最新進(jìn)展

2.1 蜂窩通信和衛(wèi)星通信的歷史回顧

個(gè)人通信“5W”目標(biāo)中含有“任何地方”這一重要指標(biāo)，而人類主要活動區(qū)域就在陸地。20世紀(jì)40～60年代，各種陸地移動通信系統(tǒng)相繼建立，并實(shí)現(xiàn)了與公眾電話網(wǎng)(Public Switched Telephone Network,PSTN)的連接。70年代中后期，隨著用戶數(shù)量增加、業(yè)務(wù)范圍擴(kuò)大，移動通信頻率資源日趨緊張。由此，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室提出并驗(yàn)證了蜂窩組網(wǎng)理論[3]，憑借其小區(qū)制覆蓋、小功率發(fā)射、頻率復(fù)用、越區(qū)切換、無線有線有效互聯(lián)等幾大優(yōu)勢，為移動通信之后數(shù)十年的驕人發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

由于成本和市場等因素，蜂窩通信至今也只覆蓋了陸地較小面積，離“任何地方”要求還有較大差距，這促使人們探索其他通信方式。早在20世紀(jì)40～50年代，Clarke等先驅(qū)就提出了衛(wèi)星通信構(gòu)想。此后，自1964年國際通信衛(wèi)星組織Intelsat成立，并于次年發(fā)射首顆商用通信衛(wèi)星“Early Bird”以來，衛(wèi)星通信憑借其廣覆蓋、大容量、快部署等優(yōu)勢，得到持續(xù)發(fā)展[4]：為全球提供音/視頻廣播，為偏遠(yuǎn)陸地、海空提供必要通信，為受災(zāi)地區(qū)提供應(yīng)急通信。

圖1給出了近40年蜂窩通信與衛(wèi)星通信的大致演進(jìn)路線。兩者在技術(shù)和市場上既有共通之處，又各具特點(diǎn)，這導(dǎo)致它們先后經(jīng)歷獨(dú)立發(fā)展、競爭發(fā)展、錯(cuò)位發(fā)展等不同發(fā)展階段。

圖1 近40年陸地蜂窩系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的演進(jìn)Fig.1 Evolution of cellular communications and satellite communications in recent 40 years

(1)獨(dú)立發(fā)展階段。此階段移動通信屬于藍(lán)海市場，蜂窩通信和衛(wèi)星通信都處于發(fā)展初期，基本是獨(dú)立發(fā)展。陸地移動通信在1980年前后完成了由大區(qū)制向小區(qū)制的革命，誕生了以AMPS和TACS為代表的第一代蜂窩通信系統(tǒng)(1st Generation,1G)，為用戶提供模擬語音服務(wù)[5]。另一方面，以Intelsat、Eutelsat、Inmarsat為代表的國際衛(wèi)星通信組織在20世紀(jì)60～70年代相繼成立，并先后發(fā)射多顆對地靜止軌道(Geostationary Earth Orbit,GEO)衛(wèi)星開展語音和窄帶數(shù)據(jù)通信服務(wù)；它們在2000年前后完成了私有化改革之后，至今還在繼續(xù)運(yùn)營[4]。

(2)競爭發(fā)展階段。此階段，蜂窩通信和衛(wèi)星通信都希望搶占更大市場，由此競爭加劇。20世紀(jì)90年代早中期，以GSM和IS-95等為代表的第二代蜂窩通信系統(tǒng)(2nd Generation,2G)先后商用，采用數(shù)字通信技術(shù)改善用戶體驗(yàn)，規(guī)模極速擴(kuò)大。2000年后，以WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA為代表的第三代蜂窩通信系統(tǒng)(3rd Generation,3G)為系統(tǒng)性能提升和市場規(guī)模擴(kuò)大錦上添花[6]。在2G商用前后，以Iridium、Globalstar和Orbcomm為代表的衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用低軌(Low Earth Orbit,LEO)星座，期望通過提供面向個(gè)人的語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)取代蜂窩通信，以實(shí)現(xiàn)真正的全球覆蓋，但它們在市場定位與用戶選擇、技術(shù)復(fù)雜度與投人成本、系統(tǒng)研發(fā)周期把控等方面出現(xiàn)失誤，最終敗給了2G/3G，并于2000年前后相繼破產(chǎn)[4,7]。

(3)錯(cuò)位發(fā)展階段。一方面，蜂窩系統(tǒng)乘2G和3G蓬勃發(fā)展之勢，繼續(xù)向前演進(jìn)和深耕陸地通信，并于2010年前后推出了以LTE/LTE-Advanced為代表的第四代移動通信系統(tǒng)(4th Generation,4G)，持續(xù)提升頻譜效率和傳輸速率，為移動互聯(lián)網(wǎng)提供更為通暢的信息“管道”[8]。另一方面，2000年后，Iridium、Globalstar和Orbcomm利用破產(chǎn)機(jī)會擺脫了巨額債務(wù)，并吸取失敗教訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)浴火重生。在市場定位方面，它們將自身聚焦于蜂窩系統(tǒng)不易覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)或?qū)I(yè)用戶；在系統(tǒng)能力方面，通過提升系統(tǒng)吞吐量和用戶數(shù)據(jù)率、減小終端尺寸和重量等手段，提升了特定場景下的競爭力[4]。因此，此階段形成了錯(cuò)位發(fā)展態(tài)勢。

2.2 蜂窩通信的最新發(fā)展

2010年后，4G的全球商用催生了不少新業(yè)務(wù)，進(jìn)一步推動移動通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)繼續(xù)向前。一方面，移動互聯(lián)網(wǎng)深入發(fā)展。預(yù)計(jì)到2020年，超高清顯示、移動三維投影、移動云等新業(yè)務(wù)將促使移動流量達(dá)到2010年的200～1 000倍，這要求通信“管道”變得更為寬闊通暢。另一方面，物聯(lián)網(wǎng)逐漸興起，它將人與人通信擴(kuò)大至物與物、人與物通信，并使移動通信滲透到更多行業(yè)和領(lǐng)域。預(yù)計(jì)到2020年，車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新業(yè)務(wù)將會推動物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式增長，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)將達(dá)70億，從而實(shí)現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”[9]。移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為第五代蜂窩通信系統(tǒng)(5th Generation,5G)的技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定、產(chǎn)業(yè)推進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)的需求基礎(chǔ)。目前，ITU和第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project,3GPP)等機(jī)構(gòu)正主導(dǎo)著5G技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)制定工作：3GPP已在2017年年底制定了5G標(biāo)準(zhǔn)首個(gè)版本(Rel-15)以滿足早期商用需求，ITU將在2019～2020年評估5G技術(shù)方案并完成技術(shù)規(guī)范。圖1展示了5G發(fā)展的時(shí)間維度。

5G與前幾代蜂窩系統(tǒng)相比，呈現(xiàn)出以下新特點(diǎn)：

(1)場景拓展。4G及其以前的蜂窩系統(tǒng)主要用于廣域覆蓋，5G發(fā)展則主要面向增強(qiáng)型移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)。因此，ITU提出了5G應(yīng)支持的三大應(yīng)用場景[10]：增強(qiáng)型移動寬帶、超可靠和低延遲通信、大規(guī)模機(jī)器類型通信。其中，前者是在移動寬帶這一傳統(tǒng)業(yè)務(wù)上對4G的繼續(xù)增強(qiáng)，后兩者則針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

(2)技術(shù)變革。回顧蜂窩通信發(fā)展歷程，每一代都可通過標(biāo)志能力指標(biāo)和核心關(guān)鍵技術(shù)來定義。根據(jù)ITU所提IMT-2020的要求，5G標(biāo)志能力指標(biāo)主要含6項(xiàng)性能指標(biāo)(10～20 Gbit/s峰值速率、0.1～1 Gbit/s用戶體驗(yàn)速率、10 Mbit/s/m2流量密度、1 ms端到端時(shí)延、500 km/h以上終端移動性、106/km2連接密度數(shù))和2項(xiàng)效率指標(biāo)(頻效和能效比4G分別提升3～5倍和百倍以上)[10]。標(biāo)志能力指標(biāo)提升需要核心關(guān)鍵技術(shù)支撐。從1G到4G，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)雖有所優(yōu)化，但劃代主要標(biāo)志是無線技術(shù)(含物理層和數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù))的變革[8]。目前，業(yè)界對無線(尤其是物理層)技術(shù)的挖掘已近極限，要滿足5G上述指標(biāo)，須從無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩方面突破。5G的大規(guī)模天線、超密組網(wǎng)、非正交多址和全頻譜接入等無線技術(shù)雖已成為業(yè)界關(guān)注焦點(diǎn)，但它們相對4G并無太大顛覆性。在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，5G將采用基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking,SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization,NFV)的新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并可能使用網(wǎng)絡(luò)切片和移動邊緣計(jì)算等新技術(shù)，這將是對4G的巨大突破[9]。

(3)服務(wù)提升。從2G到4G都采用了數(shù)字通信技術(shù)，且傳輸速率和頻譜效率不斷提升,但沒有從根本上改變蜂窩系統(tǒng)全球覆蓋能力不足的缺點(diǎn)。在IMT-2020給出的5G愿景中，5G除了上面所述指標(biāo)上比4G有較大提升外，還將構(gòu)建連接世界的無線基礎(chǔ)設(shè)施，使寬帶連接將變得和日常用電一樣不可或缺[10]。這表明5G將更加關(guān)注全球覆蓋和高效服務(wù)。

2.3 衛(wèi)星通信的最新發(fā)展

衛(wèi)星通信在與蜂窩通信的競爭中曾一度處于下風(fēng)，其主要不足是：較高的建設(shè)運(yùn)維成本和較小的市場規(guī)模增加了用戶支出，GEO衛(wèi)星為主的星座導(dǎo)致的大時(shí)延影響了用戶體驗(yàn)。但是，衛(wèi)星通信以其廣域覆蓋、快速部署等優(yōu)點(diǎn)一直吸引著人們?nèi)ヌ剿餍碌陌l(fā)展思路。近年來，一些新的衛(wèi)星通信系統(tǒng)吸取以前教訓(xùn)，通過降低建設(shè)運(yùn)維成本、提升系統(tǒng)容量、減小用戶支出，并采取與地面電信運(yùn)營商合作的策略，掀起了衛(wèi)星通信發(fā)展的新一輪熱潮。圖1也展示了衛(wèi)星通信在新階段的典型系統(tǒng)。

首先，為滿足提升用戶通信速率和降低用戶單位比特速率成本的需求，多家衛(wèi)星運(yùn)營商/設(shè)備商紛紛致力于建設(shè)高通量衛(wèi)星(High Throughput Satellite,HTS)星座。自2004年全球首顆HTS發(fā)射以來，截至2016年底，國外共發(fā)射了56顆HTS，并正向全球化和產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。我國也于2017年4月成功發(fā)射了首顆HTS——中星-16號。目前，產(chǎn)業(yè)界對HTS的概念逐漸達(dá)成共識，即“HTS是以點(diǎn)波束和頻率復(fù)用為標(biāo)志，可運(yùn)行在任何頻段，通量取決于分配的頻譜和頻率復(fù)用次數(shù)，可提供固定、廣播和移動等各類商業(yè)衛(wèi)星通信服務(wù)的一類衛(wèi)星系統(tǒng)”[11]。表1給出了不同通信方式的成本、容量和時(shí)延[8，10，12]。就系統(tǒng)容量和用戶月支出而言，GEO-HTS相比GEO-FSS(Fixed Satellite System)有了數(shù)量級改善。例如，Viasat-1和Viasat-2作為GEO-HTS星座的代表，單星容量就分別達(dá)140 Gbit/s和350 Gbit/s。

表1 不同通信方式的成本、容量和時(shí)延Tab.1 Costs,throughputs and delays of various communication approaches

其次，在提升通信速率和降低用戶成本的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步降低傳輸時(shí)延，基于MEO/LEO衛(wèi)星的HTS星座開始受到更多關(guān)注。O3b、OneWeb、STEAM、Leosat等新一代互聯(lián)網(wǎng)星座是其中的典型代表[13]。如表1所示，傳輸時(shí)延由GEO衛(wèi)星的250 ms降低至中軌(Medium Earth Orbit,MEO)衛(wèi)星的150 ms(主要用于干線傳輸和蜂窩回傳等)或LEO衛(wèi)星的30～50 ms(與LTE的10 ms用戶面時(shí)延已較接近)。此外，這些新一代LEO星座與20世紀(jì)90年代曾經(jīng)興起而又衰落的LEO衛(wèi)星計(jì)劃(如Teledesic和Skybridge)顯著不同，前者通過引入互聯(lián)網(wǎng)開放合作的思維及商業(yè)批量研制的方式，幫助企業(yè)迅速匯聚資本、縮短建設(shè)周期、降低綜合成本。這使得LEO-HTS的用戶月支出雖比LTE要高，但比GEO-FSS已有了數(shù)量級下降。

3 蜂窩通信和衛(wèi)星通信獨(dú)立發(fā)展的挑戰(zhàn)及融合發(fā)展的機(jī)遇

3.1 未來無線通信的發(fā)展趨勢

如前所述，蜂窩通信和衛(wèi)星通信系統(tǒng)歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展，都取得了輝煌業(yè)績，但由于固有局限，它們難以獨(dú)自解決無線通信的所有問題，難以滿足人們對“5W通信”和物聯(lián)網(wǎng)等新業(yè)務(wù)的需求。此外，隨著芯片制造、射頻識別、信息傳感、無線接入、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)刃畔⑼ㄐ偶夹g(shù)的發(fā)展，未來網(wǎng)絡(luò)將會更全面地加深人與人、人與物、物與物之間的聯(lián)系，向無所不在的泛在網(wǎng)絡(luò)方向演進(jìn)。泛在網(wǎng)絡(luò)要求泛在通信和萬物互聯(lián)。若蜂窩通信和衛(wèi)星通信繼續(xù)獨(dú)立發(fā)展，則勢必都會面臨巨大挑戰(zhàn)；若它們優(yōu)勢互補(bǔ)，走融合發(fā)展之路，則會迎來新的機(jī)遇。

3.2 星地獨(dú)立發(fā)展挑戰(zhàn)及星地融合發(fā)展優(yōu)勢

3.2.1空間泛在

“任何地方”要求通信網(wǎng)絡(luò)具有空間泛在特性，即能實(shí)現(xiàn)廣域甚至全球覆蓋。目前，因市場效益和技術(shù)局限等因素，蜂窩系統(tǒng)對陸地偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋、空天基本不能覆蓋；衛(wèi)星通信雖理論上能覆蓋全球，但由于其傳輸衰減大和穿透能力差，對城市熱點(diǎn)區(qū)域及室內(nèi)覆蓋能力嚴(yán)重不足。

地面蜂窩系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的融合有助于構(gòu)建能真正實(shí)現(xiàn)全球覆蓋和提供全球服務(wù)的泛在網(wǎng)絡(luò)。一方面，衛(wèi)星通信迫切希望能與蜂窩系統(tǒng)融合。長期以來，衛(wèi)星通信依賴的視距傳播在市區(qū)難以保證，導(dǎo)致衛(wèi)星移動通信(Mobile Satellite System,MSS)業(yè)務(wù)普及率很低。21世紀(jì)初，為幫助衛(wèi)星通信進(jìn)入主流市場，運(yùn)營商獲得了組建星地混合通信網(wǎng)絡(luò)(可視為星地融合的一種形式)的授權(quán)，通過增加地面部分(歐盟和美國分別稱為地面補(bǔ)充組件(Complementary Ground Component,CGC)或地面輔助組件(Ancillary Terrestrial Component,ATC)擴(kuò)展衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)[14]。CGC/ATC本質(zhì)上是衛(wèi)星通信的地面輔助基站，可改善衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在城市、室內(nèi)等區(qū)域的信號質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的無縫集成。

事實(shí)上，ITU一直在推動基于星地混合(hybrid)網(wǎng)絡(luò)的MSS的研究和標(biāo)準(zhǔn)制定工作。表2列舉了相應(yīng)的衛(wèi)星無線接口[15]，它們都參考了相應(yīng)的蜂窩無線接口。此外，2016年10月，ITU WP4B工作組發(fā)布了3 GHz以下頻段星地混合網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、部署場景、性能評估等方面研究成果。2017年6月，全球衛(wèi)星通信行業(yè)相關(guān)機(jī)構(gòu)成立了SaT5G聯(lián)盟，旨在探索衛(wèi)星通信和5G集成的最佳方案，并在歐洲試用。該工作成果將影響5G標(biāo)準(zhǔn)的制定。

表2 典型的基于星地混合網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星移動通信無線接口Tab.2 Typical satellite radio interface of MSS based hybrid satellite-terrestrial networks

另一方面，歐盟在2000年前后制定3G標(biāo)準(zhǔn)時(shí)曾考慮過衛(wèi)星在蜂窩系統(tǒng)中的作用[16]，但當(dāng)時(shí)2G/3G正發(fā)展得如火如荼而MSS卻處于低潮，故并未出現(xiàn)實(shí)際的星地融合3G系統(tǒng)。這一局面在4G時(shí)代得以延續(xù)。不過，ITU在描述5G愿景時(shí)指出[10]，“為實(shí)現(xiàn)用戶隨時(shí)隨地訪問服務(wù)的目標(biāo)，各類接入技術(shù)間的互通合作至關(guān)重要，這或許包括結(jié)合不同的固定、地面和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。各組件除應(yīng)充分發(fā)揮其作用外，還應(yīng)和其他組件整合配合，從而提供無處不在的無縫覆蓋。”3GPP在定義5G業(yè)務(wù)需求時(shí)也明確提出[17]，“5G應(yīng)能支持各種3GPP和非3GPP接入(包括衛(wèi)星接入)；5G應(yīng)支持屬于同一運(yùn)營商或達(dá)成一致的不同運(yùn)營商的陸地5G接入和衛(wèi)星接入?！边@說明ITU和3GPP已充分認(rèn)識到衛(wèi)星對于5G的重要作用。

3.2.2接入異構(gòu)

無線通信網(wǎng)絡(luò)一般由接入網(wǎng)和核心網(wǎng)組成，具有鮮明無線特征的接入網(wǎng)又包括接入點(diǎn)(Access Point,AP)和終端兩種主要網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。未來應(yīng)用千變?nèi)f化，導(dǎo)致終端形態(tài)多樣：不同對象屬性(人持終端或獨(dú)立物體)、不同移動速度(從靜止到1 000 km/h級)、不同傳輸速率(從kbit/s級到10 Gbit/s級)、不同功耗(從mW級到100 W級)、不同傳輸時(shí)延(從ms級到s級)。此外，不同形態(tài)的終端還分布于不同區(qū)域(如陸地人口稠密區(qū)域/稀疏區(qū)域、海洋、空中等)，導(dǎo)致不同區(qū)域的流量密度呈現(xiàn)較大差異。終端形態(tài)的多樣化和流量密度的差異化必然要求網(wǎng)絡(luò)提供不同能力的AP，使整個(gè)接入網(wǎng)呈現(xiàn)終端異構(gòu)、流量密度異構(gòu)、AP異構(gòu)的特征。獨(dú)立的蜂窩通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)顯然不能滿足這種接入異構(gòu)的需求。

在LTE-Advanced標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，就已提出異構(gòu)網(wǎng)(HetNet)概念[18]，它包含了宏基站、小基站、微基站、家庭基站及中繼站(Relay Node,RN)等不同覆蓋能力的AP，為多樣化終端接入和差異化流量密度提供了解決方案，但僅限于陸地蜂窩可達(dá)地區(qū)。未來網(wǎng)絡(luò)的空間泛在(全球覆蓋)要求接入網(wǎng)具有更強(qiáng)的異構(gòu)特性。因此，可將蜂窩通信和衛(wèi)星通信聯(lián)合設(shè)計(jì)，構(gòu)建包括衛(wèi)星、各種地面基站和中繼站在內(nèi)的超級異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其中，衛(wèi)星可視為遠(yuǎn)比蜂窩宏基站覆蓋更廣的“衛(wèi)星宏基站”。超級異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

(1)接入與回傳。蜂窩系統(tǒng)各種AP仍可接入以往支持的終端，衛(wèi)星則可接入空中、海洋及陸地偏遠(yuǎn)開闊地區(qū)的終端，以保證各種終端在不同區(qū)域的連續(xù)接入。此外，目前蜂窩系統(tǒng)的回傳方式一般是“地面AP→光纖→地面核心網(wǎng)”，這限制了AP的適用范圍。借助衛(wèi)星，AP可就近部署于荒漠、海島等區(qū)域和飛機(jī)、輪船等移動平臺，并通過“AP→衛(wèi)星→地面核心網(wǎng)”方式實(shí)現(xiàn)回傳[19-20]。

(2)控制信令卸載。5G要服務(wù)大量流量高密的小區(qū)，主要問題之一是增加信令開銷，從而降低數(shù)據(jù)吞吐量和增加能耗。因蜂窩系統(tǒng)可將用戶面和控制面分離，并通過地面基站傳輸用戶面數(shù)據(jù)，用“衛(wèi)星宏基站”傳輸控制面數(shù)據(jù)，以更好節(jié)省頻譜和降低能耗[21]。

(3)超高速移動終端接入。LTE雖提出要在終端移動速度達(dá)350～500 km/h時(shí)仍能支持通信[8]，但此時(shí)要么性能不佳，要么以增加建設(shè)成本和系統(tǒng)開銷為代價(jià)來專門設(shè)計(jì)(如針對高鐵的LTE-R標(biāo)準(zhǔn)[22])。這是由蜂窩系統(tǒng)單個(gè)基站覆蓋范圍有限的固有缺陷所致。但在衛(wèi)星的廣域覆蓋下，飛機(jī)、高鐵等超高速移動可轉(zhuǎn)化為中低速移動，更易避免頻繁的越區(qū)切換，從而以更低成本接入(高鐵接入一般還需漏泄電纜等其他方式配合)。

(4)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。5G要開拓物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)中存在分散于廣域范圍和偏遠(yuǎn)地區(qū)的海量傳感器和激勵器，以極低功耗發(fā)射低速數(shù)據(jù)，十分適合通過衛(wèi)星對這些設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、遠(yuǎn)程跟蹤、數(shù)據(jù)傳輸，以確保服務(wù)連續(xù)性[20]。

3.2.3頻譜共享

頻譜是無線通信的寶貴資源。5G為滿足自身愿景，頻率將涵蓋高(6 GHz以上)、中(3～6 GHz)、低(3 GHz以下)頻段，以高頻和中低頻互補(bǔ)方式解決網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋問題。而衛(wèi)星除了使用傳統(tǒng)的L/S/C頻段，近幾年興起的HTS逐漸將頻率遷移至Ku/Ka頻段。這勢必會造成兩大系統(tǒng)所用載頻的交疊，從而引起相互干擾，具體表現(xiàn)如下：

(1)高頻段沖突。5G和衛(wèi)星通信都希望向Ka頻段/毫米波拓展，滿足用戶速率和系統(tǒng)容量的快速增長需求。比如，美國聯(lián)邦通信委員會將27.5～28.35 GHz、37～38.6 GHz、38.6～40 GHz頻段規(guī)劃給5G使用，并對27.5～28.3 GHz頻段衛(wèi)星地球站的規(guī)模進(jìn)行限制[23]，而OneWeb的饋電鏈路包含了27.5～29.1 GHz頻段[11]，兩者頻段有一定交疊。

(2)C頻段沖突。中國、歐盟、日本、韓國等均提出要將C頻段作為5G系統(tǒng)的候選頻段，但在亞洲地區(qū)，由于C頻段衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)和衛(wèi)星軌道資源的使用現(xiàn)狀等因素，中國、越南、馬來西亞等國在5G和衛(wèi)星通信之間使用C頻段的協(xié)調(diào)難度較大[23]。

(3)3 GHz附近頻段沖突?，F(xiàn)有主要業(yè)務(wù)與衛(wèi)星、航空移動、軍事應(yīng)用等密切相關(guān)，5G與之協(xié)調(diào)難度較大。例如，ITU 將3.4～3.6 GHz標(biāo)識用于移動通信，并逐漸成為全球協(xié)調(diào)統(tǒng)一頻段，而美國將3.55～3.7 GHz頻段用于其海岸警衛(wèi)隊(duì)雷達(dá)，存在一定沖突[23]。

按現(xiàn)有規(guī)劃，全球5G和衛(wèi)星通信在中低頻段沖突不算嚴(yán)重，在高頻段(尤其是Ka頻段)存在較大交疊，相互干擾將非常嚴(yán)重，很難通過技術(shù)手段解決。因此，將蜂窩通信和衛(wèi)星通信作統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)，以“頻譜共享”或“頻譜錯(cuò)位”的方式解決頻段沖突產(chǎn)生的干擾，并可在一定程度上提升總體的頻譜使用效率。

3.2.4基礎(chǔ)設(shè)施共享

在獨(dú)立發(fā)展模式下，衛(wèi)星通信借助CGC/ATC等設(shè)備來提升性能，歐盟等則提出引入衛(wèi)星來擴(kuò)大5G覆蓋范圍[20]，這些都會造成基礎(chǔ)設(shè)施重復(fù)建設(shè)，無疑將增加相關(guān)廠商成本，與當(dāng)前綠色通信理念相悖。

電信環(huán)境全面融合一直是電信行業(yè)重要的發(fā)展方向之一。一旦星地基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)融合，就可能實(shí)現(xiàn)多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間共享基礎(chǔ)設(shè)施，而且可根據(jù)應(yīng)用需求和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，對特定傳輸進(jìn)行動態(tài)選擇，從而減少成本并提升使用效率。

3.2.5網(wǎng)絡(luò)彈性

蜂窩系統(tǒng)容災(zāi)性較差，很容易受地震、臺風(fēng)、海嘯、斷電等自然或人為因素影響，網(wǎng)絡(luò)彈性較差,衛(wèi)星通信則具有更好的網(wǎng)絡(luò)彈性。

今后5G在繼續(xù)推進(jìn)通信行業(yè)向前發(fā)展的同時(shí)，還將向各個(gè)垂直行業(yè)滲透，對網(wǎng)絡(luò)整體彈性要求會越來越高。借助衛(wèi)星，5G可架構(gòu)更扁平、功能更靈活，從而減少硬件故障的限制，提升系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)彈性。

4 蜂窩通信和衛(wèi)星通信的融合演進(jìn)

4.1 融合的三個(gè)階段

盡管蜂窩通信和衛(wèi)星通信融合發(fā)展有著巨大優(yōu)勢，但它涉及技術(shù)、市場、政府管制等多種因素，不能一蹴而就。結(jié)合前人研究成果及國內(nèi)外已有的一些局部融合實(shí)例，并根據(jù)融合層次的深淺和技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難易，初步考慮融合可按以下三個(gè)階段演進(jìn)。

(1)初級階段：星地聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)

蜂窩通信和衛(wèi)星通信融合的初級階段是星地聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)(federated network)，其模型如圖2所示。其主要特征是：蜂窩系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)除了共用網(wǎng)管中心之外，保持各自接入網(wǎng)、核心網(wǎng)(衛(wèi)星信關(guān)站兼具接入網(wǎng)和部分核心網(wǎng)功能)、所用頻段的獨(dú)立性。終端可支持蜂窩和衛(wèi)星中的任意一種接入模式或兩種接入模式。在圖2中，終端A處于衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)，選擇衛(wèi)通模式直接通過衛(wèi)星接入；終端B處于地面蜂窩覆蓋范圍內(nèi)，選擇蜂窩模式直接通過基站接入；終端C處于衛(wèi)星和蜂窩的覆蓋交疊范圍內(nèi)，可選擇以衛(wèi)通模式通過衛(wèi)星接入或以蜂窩模式通過基站接入。網(wǎng)管中心主要提供對網(wǎng)絡(luò)的配置管理、性能管理、故障管理、安全管理和計(jì)費(fèi)管理等功能。文獻(xiàn)[24]給出了類似網(wǎng)絡(luò)模型,Thuraya公司的歐星系統(tǒng)也曾成功地將衛(wèi)星通信和GSM整合在一起。

圖2 蜂窩通信和衛(wèi)星通信融合的初級階段模型：聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Model of primary phase for cellular-satellite integration:federated network

(2)中級階段：星地混合網(wǎng)絡(luò)

蜂窩通信和衛(wèi)星通信融合的中級階段是星地混合網(wǎng)絡(luò)(hybrid network)，其模型如圖3所示。其主要特征是：蜂窩系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)共用網(wǎng)管中心，空口部分基本統(tǒng)一，保持各自核心網(wǎng)和所用頻段的獨(dú)立性。幾乎所有終端都可支持蜂窩和衛(wèi)星兩種接入模式，且可自適應(yīng)選擇。

圖3 蜂窩通信和衛(wèi)星通信融合的中級階段模型：混合網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Model of middle phase for cellular-satellite integration:hybrid network

在接入方面，包含幾種情形：終端A處于衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)，選擇衛(wèi)通模式直接通過衛(wèi)星接入；終端B處于地面蜂窩覆蓋范圍內(nèi)，選擇蜂窩模式直接通過基站接入；終端C處于衛(wèi)星和蜂窩覆蓋交疊范圍內(nèi)，可選擇衛(wèi)通模式通過衛(wèi)星接入或蜂窩模式通過基站接入；終端D處于衛(wèi)星波束覆蓋范圍內(nèi)，但直接接入困難，可選擇衛(wèi)通模式通過CGC轉(zhuǎn)接至衛(wèi)星。

在回傳方面，包含幾種情形：終端A和終端D以衛(wèi)通模式接入衛(wèi)星，并通過衛(wèi)星饋電鏈路回傳；終端B以蜂窩模式接入基站，基站以地面?zhèn)鹘y(tǒng)方式回傳至蜂窩核心網(wǎng)；終端C對應(yīng)基站既可以類似終端B對應(yīng)基站的傳統(tǒng)方式回傳，在受到地域等因素限制時(shí)也可通過地星回傳鏈路→衛(wèi)星饋電鏈路回傳至蜂窩核心網(wǎng)。

混合網(wǎng)絡(luò)模型借鑒了文獻(xiàn)[14,25]涉及ATC/CGC的接入方式和文獻(xiàn)[19]給出的回傳方式。據(jù)筆者所知，目前尚無完整采用此模型的商用系統(tǒng)，不過，3GPP正在研究面向Rel-16(預(yù)計(jì)2019年下半年發(fā)布)的“基于衛(wèi)星接入的5G”，可能會采用與本模型(部分)相似的架構(gòu)。

(3)高級階段：星地一體網(wǎng)絡(luò)

蜂窩通信和衛(wèi)星通信融合的高級階段是星地一體網(wǎng)絡(luò)(unified network)，其模型如圖4所示。其主要特征是：整個(gè)系統(tǒng)的AP、頻率、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)完全統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

圖4 蜂窩通信和衛(wèi)星通信融合的高級階段模型：一體網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Model of advanced phase for cellular-satellite integration:unified network

在AP方面，根據(jù)覆蓋范圍由大至小包含衛(wèi)星宏基站，地面宏基站/小基站/微基站/家庭基站，及綜合中繼站(Integrated Relay Node,IRN)。其中，衛(wèi)星宏基站由衛(wèi)星及其地面站共同組成，具有與地面宏基站相似的功能；IRN是CGC和RN的綜合和升級，支持地地中繼和地星中繼，主要起覆蓋補(bǔ)盲和信號增強(qiáng)作用。由此，以上各種AP形成了一個(gè)超級異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

在頻率方面，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)特性統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)。衛(wèi)星宏基站的每個(gè)點(diǎn)波束覆蓋范圍一般遠(yuǎn)大于一個(gè)地面基站的覆蓋范圍，因此只要限制衛(wèi)星點(diǎn)波束下的地面蜂窩不使用該點(diǎn)波束分配的頻率即可。以4色頻率復(fù)用為例，圖4中不同顏色代表不同頻率,大六邊形表示衛(wèi)星小區(qū)，小六邊形表示地面小區(qū)。衛(wèi)星小區(qū)1(紅色)使用頻率1，其中的地面小區(qū)使用頻率2(黃色地面基站)、頻率3(藍(lán)色地面基站)和頻率4(紫色地面基站)，從而避開所在衛(wèi)星小區(qū)使用的頻率1。同理，衛(wèi)星小區(qū)2(黃色)使用頻率2，其中的地面小區(qū)使用頻率2、頻率3和頻率4；衛(wèi)星小區(qū)3(藍(lán)色)使用頻率3，其中的地面小區(qū)使用頻率1、頻率2和頻率4。

在接入方面，終端可自適應(yīng)選擇不同接入模式，包含幾種情形：終端A處于衛(wèi)星和地面覆蓋交疊范圍內(nèi)，當(dāng)衛(wèi)星信號很強(qiáng)時(shí)選擇直接通過衛(wèi)星接入(A-1)；當(dāng)衛(wèi)星信號較強(qiáng)但不足以直接接入時(shí)，選擇通過IRN轉(zhuǎn)接至衛(wèi)星接入(A-2)；當(dāng)?shù)孛嫘盘柡軓?qiáng)時(shí)選擇直接通過地面基站接入(A-3)；當(dāng)?shù)孛嫘盘栞^強(qiáng)但不足以直接接入時(shí)，選擇通過IRN轉(zhuǎn)接至另一地面基站接入(A-4)。終端B、C均處于地面小區(qū)直接覆蓋范圍內(nèi)，選擇通過地面基站接入。

在回傳方面，包含幾種情形：終端A若通過衛(wèi)星直接(A-1)或間接(A-2)接入，則由衛(wèi)星饋電鏈路回傳；若通過地面基站直接(A-3)或間接(A-4)接入，則通過一定準(zhǔn)則選擇以地面?zhèn)鹘y(tǒng)方式或衛(wèi)星饋電鏈路回傳；終端B通過地面基站接入，地面基站以傳統(tǒng)方式回傳至蜂窩核心網(wǎng)；終端C通過地面基站接入，但該基站難以用地面?zhèn)鹘y(tǒng)方式回傳，則通過衛(wèi)星回傳。

在核心網(wǎng)方面，整個(gè)一體網(wǎng)絡(luò)共用一個(gè)核心網(wǎng)，使用SDN/NFV技術(shù)把各網(wǎng)元功能軟件化，并借鑒5G網(wǎng)絡(luò)中控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離思想，使其能提供最大的靈活性、開放性和可重構(gòu)性。

據(jù)筆者所知，目前尚無文獻(xiàn)提出與一體網(wǎng)絡(luò)相似的模型；文獻(xiàn)[25-26]針對星地混合/融合網(wǎng)絡(luò)提出的架構(gòu)也有統(tǒng)一核心網(wǎng)的構(gòu)想，但沒有全面考慮AP、頻率、接入網(wǎng)的統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)，與本模型差別較大。一體網(wǎng)絡(luò)作為星地融合演進(jìn)的高級階段，面臨技術(shù)挑戰(zhàn)最大，但一旦成功實(shí)現(xiàn)，可具有第3部分提到的星地融合所有優(yōu)勢，為未來的泛在通信和萬物互聯(lián)提供有效的解決方案，最終形成一個(gè)全球覆蓋、超級異構(gòu)、高度可靠、富有彈性的泛在網(wǎng)絡(luò)。

4.2 融合的技術(shù)挑戰(zhàn)和研究方向

已有諸多文獻(xiàn)針對蜂窩通信和衛(wèi)星通信融合的初級階段(聯(lián)合網(wǎng)絡(luò))、中級階段(混合網(wǎng)絡(luò))或它們的相似模型提出了各種技術(shù)問題。這里主要討論星地融合的高級階段(一體網(wǎng)絡(luò))將面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，同時(shí)也是未來的研究方向。

(1)頻率規(guī)劃和利用。在星地一體網(wǎng)絡(luò)中，雖可統(tǒng)一規(guī)劃和復(fù)用頻率以有效避免因頻率沖突帶來的“硬干擾”，但整體頻率資源畢竟有限，且不用業(yè)務(wù)適用頻段(高、中、低)有所差異，仍需要探索在一體網(wǎng)絡(luò)框架下的頻率復(fù)用及頻率靈活動態(tài)分配與控制技術(shù)。

(2)統(tǒng)一空口設(shè)計(jì)。星地一體網(wǎng)絡(luò)具有超級異構(gòu)特性，但用戶需要“透明”接入，故要求統(tǒng)一的空口技術(shù)和協(xié)議設(shè)計(jì)。對AP而言，“統(tǒng)一”的本質(zhì)是無線技術(shù)框架一致；對終端而言，“統(tǒng)一”的本質(zhì)是應(yīng)做到一套“基帶處理單元+射頻處理單元+天線”就能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)接入各種AP。這需要在認(rèn)知無線電、自適應(yīng)編碼調(diào)制、自適應(yīng)幀結(jié)構(gòu)、高效寬帶射頻和天線處理等技術(shù)上均有所突破。

(3)干擾管理。星地一體網(wǎng)絡(luò)的頻率復(fù)用和超級異構(gòu)特性導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍會存在同頻或異頻干擾。LTE-Advanced曾針對地面異構(gòu)網(wǎng)的干擾問題提出了干擾協(xié)調(diào)、干擾抑制、干擾對消等多種干擾處理技術(shù)[18]，衛(wèi)星通信領(lǐng)域也有大量關(guān)于解決星地間干擾問題的研究[7]，可借鑒這些已有成果并根據(jù)星地一體網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)探索合適的干擾管理方案。

(4)移動性管理。在獨(dú)立的蜂窩系統(tǒng)或衛(wèi)星系統(tǒng)中，移動性管理已然重要；在更為復(fù)雜的星地一體網(wǎng)絡(luò)中，移動性管理的重要性和復(fù)雜性更為凸顯。按通信層級，可分為網(wǎng)絡(luò)級切換(AP或終端改變了其IP(Internet Protocol)地址)和鏈路級切換(通信雙方的鏈路發(fā)生變化)；鏈路級切換按范圍由大到小又可分為衛(wèi)星間切換、同衛(wèi)星之衛(wèi)星小區(qū)間切換、地面小區(qū)和衛(wèi)星小區(qū)間切換、地面小區(qū)間切換。文獻(xiàn)[27]等對這一問題已有探索，但還有待進(jìn)一步研究。

(5) 接入/控制/轉(zhuǎn)發(fā)分離。5G為滿足其標(biāo)志能力指標(biāo)，提出了將接入、控制和轉(zhuǎn)發(fā)三個(gè)功能平面分離設(shè)計(jì)的思想[28]，能實(shí)現(xiàn)快速靈活的整體無線接入和更高的無線資源利用率，實(shí)現(xiàn)集中的控制功能和簡化的控制梳程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率和靈活性的極大提升。星地一體網(wǎng)絡(luò)可借鑒此思想，在整個(gè)系統(tǒng)中合理地分配地面和衛(wèi)星資源，以提升網(wǎng)絡(luò)整體性能。

(6) SDN/NFV擴(kuò)展。5G較之前蜂窩系統(tǒng)的一大革命是引入了源于有線網(wǎng)絡(luò)的SDN/NFV思想[28]。NFV技術(shù)將軟硬件分離(網(wǎng)元功能與物理實(shí)體解耦)，使網(wǎng)元功能按需分配和動態(tài)伸縮，以達(dá)到最優(yōu)資源利用；SDN技術(shù)將控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能分離，有利于通過控制平面從全局感知和調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源。文獻(xiàn)[26]已初步涉及這一問題，其仿真成果表明將SDN/NFV擴(kuò)展至星地融合系統(tǒng)可提升核心網(wǎng)性能。但SDN/NFV在5G中的應(yīng)用還面臨無線環(huán)境遠(yuǎn)比有線環(huán)境復(fù)雜的實(shí)際挑戰(zhàn)，它能否在未來的星地一體網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮作用，還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)束語

移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)和應(yīng)用的興起正推動電信業(yè)務(wù)朝泛在通信和萬物互聯(lián)方向發(fā)展。蜂窩通信和衛(wèi)星通信在過去幾十年沿各自路徑發(fā)展，都已取得輝煌成就，然而，若它們繼續(xù)獨(dú)立前行，則很難應(yīng)對電信業(yè)務(wù)發(fā)展的新趨勢和新挑戰(zhàn)。因此，兩者融合發(fā)展就成為解決這一問題的重要解決方案。本文通過總結(jié)兩者近40年的歷史和現(xiàn)狀，全面深入分析了蜂窩通信和衛(wèi)星通信繼續(xù)獨(dú)立發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)及融合發(fā)展獲取的益處，并在已有成果基礎(chǔ)上，提出了兩者按照聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)、混合網(wǎng)絡(luò)和一體網(wǎng)絡(luò)三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)融合發(fā)展的路徑，最后，重點(diǎn)針對一體網(wǎng)絡(luò)(高級階段)討論了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和未來研究方向。

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