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      低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)與5G通信融合的應(yīng)用設(shè)想

      2019-02-22 05:41:38航天恒星科技有限公司王悅王權(quán)張德鵬李雯婷于航
      衛(wèi)星應(yīng)用 2019年1期
      關(guān)鍵詞:星地星座平面

      文 | 航天恒星科技有限公司 王悅 王權(quán) 張德鵬 李雯婷 于航

      一、引言

      地面通信系統(tǒng)可為用戶提供方便快捷的通信網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù),然而在山區(qū)、荒漠、航海、航空等區(qū)域,由于地面網(wǎng)絡(luò)建設(shè)困難,衛(wèi)星通信成為主要的通信手段。衛(wèi)星通信在發(fā)展過程中,其技術(shù)體制大量借鑒地面通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn),該設(shè)計模式下有利于實現(xiàn)衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)的兼容和融合發(fā)展[1]。目前我國5G正處于技術(shù)研發(fā)與試驗的初級階段,低軌衛(wèi)星星座的設(shè)計與研制也正同步進(jìn)行,如何借鑒并吸收5G網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)技術(shù),尋求低軌星座與5G網(wǎng)絡(luò)的融合發(fā)展,已成為業(yè)界發(fā)展研究的熱點課題。

      二、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析

      1.低軌星座與地面網(wǎng)絡(luò)融合現(xiàn)狀

      近年來,互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,其代表系統(tǒng)有“一網(wǎng)”(OneWeb)系統(tǒng)和“星鏈”(Starlink)互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)。

      一網(wǎng)公司(OneWeb)致力于采用低軌衛(wèi)星星座群,實現(xiàn)為全球終端用戶提供高速率、低延時的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。OneWeb公司初期預(yù)計發(fā)射720顆低軌衛(wèi)星完成一期建設(shè),星座分布于1200km高度的18個軌道面上,星上采用透明轉(zhuǎn)發(fā),借助于地面關(guān)口站實現(xiàn)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)。該星座群的單星質(zhì)量不超過150kg,單星容量可達(dá)5Gbit/s,可為0.36m口徑的通信終端提供高達(dá)50Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)[2]。OneWeb公司采取產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方式,使衛(wèi)星制造自動化、標(biāo)準(zhǔn)化,并通過新型技術(shù)和高效管理并施等手段,降低成本,以提供高性價比的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。目前,OneWeb公司已獲取美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)授權(quán),能夠在美國境內(nèi)提供互聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)。通過綜合評估,OneWeb公司將增加1972顆低軌衛(wèi)星,以填補(bǔ)供不應(yīng)求的通信市場空白。

      美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)開創(chuàng)了商業(yè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新時代,公司計劃的“星鏈” 互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)擬發(fā)射4000多顆低軌衛(wèi)星,同時利用火箭回收技術(shù),降低發(fā)射成本,提供低價、優(yōu)質(zhì)的互聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)。北京時間2018年12月4日,SpaceX的獵鷹九號火箭發(fā)射了64顆低軌衛(wèi)星,這項名為“太空飛行SSO-A:小衛(wèi)星快車”的任務(wù)將部署來自多家提供商的7500顆低軌衛(wèi)星,通過將微小的厘米長的衛(wèi)星發(fā)送到低地球軌道來徹底改變物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀。

      此外,美國光平方公司的天際陸地系統(tǒng)(SkyTerra)在星地融合方面也取得了有目共睹的成績。該系統(tǒng)利用部署于地面的輔助基站(ATC)解決地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域局限和衛(wèi)星在室內(nèi)覆蓋不佳的問題。通信衛(wèi)星與地面基站共用同一通信頻率,空中接口采用相互兼容的數(shù)據(jù)格式,通信終端可在衛(wèi)星與地面基站之間進(jìn)行無縫的通信切換,在美國全境依托該系統(tǒng),用戶可享有全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)、通用移動通信技術(shù)的長期演進(jìn)(LTE)等4G無線寬帶互聯(lián)接入服務(wù)。與SkyTerra同樣使用地面輔助基站實現(xiàn)星地融合的系統(tǒng)還有“陸地星”(TerreStar),該系統(tǒng)的地面段網(wǎng)絡(luò)由美國電話電報公司(AT&T)提供,結(jié)合S頻段的可展開式天線,“陸地星”可為地面網(wǎng)級別的手持機(jī)提供通信接入服務(wù)。

      2.星地融合組織機(jī)構(gòu)發(fā)展

      隨著衛(wèi)星與5G技術(shù)的成熟發(fā)展,兩者的融合使用逐漸成為業(yè)界關(guān)注的重點,國際電信聯(lián)盟(ITU)、第三代合作伙伴計劃(3GPP)、SaT5G和CBA等標(biāo)準(zhǔn)化組織組建了專業(yè)團(tuán)隊對星地融合相關(guān)問題進(jìn)行深入研究,業(yè)界部分研究機(jī)構(gòu)也投入到此項研究工作中。

      1)ITU:提出衛(wèi)星與5G融合的4類應(yīng)用場景,包括小區(qū)回傳、中繼到站、動中通和混合多播,同時提出了各場景下需重點關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)。

      2)3GPP:根據(jù)星地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出4種建設(shè)模型,基于建設(shè)模型對相關(guān)的衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行分析、評估,后續(xù)3GPP將繼續(xù)對5G通信進(jìn)行深入研究,加強(qiáng)對5G市場現(xiàn)有及新增服務(wù)需求的分析,討論衛(wèi)星終端的建立、配置和維護(hù)等標(biāo)準(zhǔn),并重點分析衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的無縫切換技術(shù)。

      3)SaT5G:2017年6月,SaT5G聯(lián)盟成立,重點研究衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡(luò)的融合通信技術(shù),其主要研究工作有網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及仿真驗證、商業(yè)價值主張等,計劃在兩年半的時間里完成無縫集成方案,并進(jìn)行演示驗證。SaT5G聯(lián)盟還將參與研究衛(wèi)星與5G融合的國際標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

      4)CBA:該聯(lián)盟旨在為5G商用服務(wù)開辟新的頻譜資源,后續(xù),聯(lián)盟將組建商業(yè)工作組和技術(shù)工作組,推動美國移動通信網(wǎng)絡(luò)運營商能夠盡快使用3700~4200MHz頻段中的部分頻譜資源建設(shè)5G商用網(wǎng)絡(luò),加快推出5G移動通信商用服務(wù)的進(jìn)程。

      3.發(fā)展趨勢

      低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)可利用其全球覆蓋的特性,彌補(bǔ)5G地面網(wǎng)絡(luò)通信覆蓋不足的短板,同時5G網(wǎng)絡(luò)的更高傳輸速率,亦可提升低軌星座系統(tǒng)的用戶體驗度,因此,低軌與5G的通信網(wǎng)絡(luò)融合是未來通信領(lǐng)域發(fā)展的熱門方向。

      隨著低軌衛(wèi)星星座的大面積規(guī)劃部署,通信頻率沖突的矛盾將日益突顯,統(tǒng)籌規(guī)劃星地頻率資源、研究高效的頻率資源復(fù)用技術(shù),是解決星地資源沖突的有效手段;為保障用戶終端的一體化、小型化設(shè)計,5G通信中的大規(guī)模多輸入多輸出、非正交多址、新型多載波傳輸?shù)刃驴湛诩夹g(shù)在低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)中的適配、適用,將成為低軌星座與5G融合的研究熱點;星地網(wǎng)絡(luò)的全I(xiàn)P設(shè)計是星地融合的發(fā)展趨勢,網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)[3]技術(shù)也將成為低軌星座與5G融合的關(guān)鍵研究內(nèi)容。

      目前,星地網(wǎng)絡(luò)正由相互競爭轉(zhuǎn)變?yōu)楹献鞴糙A模式,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為地面網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展與延伸,可實現(xiàn)地面基站的拉遠(yuǎn),并為其提供通信回程服務(wù)。國外星地合作共贏的新型商業(yè)模式已經(jīng)興起,國內(nèi)產(chǎn)業(yè)割裂的壁壘短期內(nèi)仍然存在,合作共贏的發(fā)展模式還需進(jìn)一步探索。

      三、網(wǎng)絡(luò)融合可行性分析

      我國IMT-2020(5G)組織提出了基于“三朵云”的5G網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)[4],以滿足面向5G應(yīng)用的業(yè)務(wù)指標(biāo)和場景需求。該架構(gòu)下5G網(wǎng)絡(luò)由接入平面、轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面三部分組成[5],其中,接入平面支持多種無線網(wǎng)絡(luò)的通信接入,可實現(xiàn)多接入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同控制,并提高無線資源的利用率[6];轉(zhuǎn)發(fā)平面基于通用硬件平臺設(shè)計,滿足業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的低延時、高可靠及均負(fù)載傳輸需求,提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率;控制平面利用網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)技術(shù),實現(xiàn)功能的集中控制和流程的簡化處理。5G網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

      我國低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相同,也包括接入平面、轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面,低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。其中,接入平面部署在星上,通過衛(wèi)星基站實現(xiàn)空口協(xié)議的處理,并由星載路由交換單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),與5G接入平面相比,低軌星座接入平面既有接入、控制功能,也有轉(zhuǎn)發(fā)功能;低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)平面和控制平面部署與關(guān)口站的核心網(wǎng)中,與5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)平面不同的是,低軌轉(zhuǎn)發(fā)平面主要進(jìn)行終端與地面網(wǎng)絡(luò)之間的業(yè)務(wù)處理。

      由上述分析可以看出,低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面與5G網(wǎng)絡(luò)相似,兩者融合接入時只需做簡單的融合處理即可。

      圖 1 5G網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)圖

      由于低軌星座的特殊性,在低軌星座中不能直接使用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(jìn)行針對性的設(shè)計和優(yōu)化。因此,兩網(wǎng)進(jìn)行通信融合時,協(xié)議適應(yīng)性開發(fā)是待攻克的重點問題。

      圖 2 低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

      四、方案設(shè)想

      全球范圍內(nèi)交通、運輸、油礦業(yè)、漁業(yè)、物流業(yè)以及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,對全球統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了較高要求,低軌星座與5G網(wǎng)絡(luò)的通信融合是解決上述問題的有效手段。星地網(wǎng)絡(luò)的一體化融合設(shè)計有利于打破天基與地基網(wǎng)絡(luò)相互獨立的局面,通過搭載相應(yīng)載荷,提供覆蓋全球的航空航海監(jiān)視、導(dǎo)航增強(qiáng)以及廣域互聯(lián)網(wǎng)接入等服務(wù)。本設(shè)計給出低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)融合通信的設(shè)計思路,重點從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)功能部署和關(guān)鍵技術(shù)三方面進(jìn)行分析設(shè)計。

      1.網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

      低軌與5G網(wǎng)絡(luò)的融合架構(gòu)可采用兩種設(shè)計方式實現(xiàn),第一種為松耦合分立組網(wǎng)建設(shè)方式,低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)相互獨立,業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)通信衛(wèi)星中繼至地面信關(guān)站,再由地面通信網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)接分發(fā);第二種為緊耦合建設(shè)方式,低軌星座網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一的空中接口協(xié)議,天基和地基網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一管理、協(xié)同服務(wù),終端采用高集成、融合設(shè)計方式,通過單一終端實現(xiàn)低軌星座網(wǎng)絡(luò)與5G通信網(wǎng)絡(luò)的無縫切換。低軌星座系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)圖如圖3所示。

      2.網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化部署

      5G網(wǎng)絡(luò)引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)兩項新型技術(shù),該技術(shù)的引入實現(xiàn)了控制平面與數(shù)據(jù)平面的功能分離。低軌星座系統(tǒng)和5G網(wǎng)絡(luò)的融合也將基于網(wǎng)絡(luò)功能解耦的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)獨立部署、升級與擴(kuò)展,提高系統(tǒng)應(yīng)用靈活性與適應(yīng)性。在融合網(wǎng)絡(luò)中,功能的部署執(zhí)行只需要建立在空閑的處理器基礎(chǔ)上,而無需關(guān)注該處理器隸屬于天基系統(tǒng)或地面系統(tǒng),是預(yù)先固化配置或是臨時調(diào)用。對于應(yīng)用優(yōu)先級高的業(yè)務(wù)信息,完成星上資源配置處理后,后續(xù)處理盡量交由地面節(jié)點完成,改變以往由于網(wǎng)元功能緊耦合所導(dǎo)致的星地網(wǎng)絡(luò)功能分割絕對化。

      除上述規(guī)劃外,實現(xiàn)低軌星座系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)的通信融合尚需突破多項技術(shù)難點:

      1)多載波技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)初期仍以正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)為主。對于低軌衛(wèi)星星座而言,由于移動過程中通信傾角變化較大,采用多載波技術(shù)可有效解決多徑效應(yīng)和遮擋等問題,但由于通信覆蓋區(qū)域較大,星地鏈路的循環(huán)前綴、隨機(jī)接入信道(RACH)導(dǎo)頻設(shè)計是需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。

      圖 3 低軌星座系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)圖

      2)新型編碼技術(shù)。低軌星座與5G的融合通信網(wǎng)絡(luò)需滿足不同業(yè)務(wù)類型的傳輸需求,業(yè)務(wù)速率、傳輸時延、誤碼率等均有不同的標(biāo)準(zhǔn)要求,融合網(wǎng)絡(luò)既要支持百兆速率的互聯(lián)網(wǎng)寬帶業(yè)務(wù)傳輸,也要支持幾百比特的物聯(lián)網(wǎng)短數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸,需提供一套完備的編碼調(diào)制方案,以適應(yīng)不同通信業(yè)務(wù)的傳輸需求。

      3)動態(tài)資源分配技術(shù)?;陬l譜感知技術(shù),對特定頻段進(jìn)行頻譜掃描,尋找未被用戶使用的和利用空分復(fù)用技術(shù)處理后可共用的通信頻率,動態(tài)地分配給低軌通信星座使用,解決資源緊缺、通信沖突、調(diào)度困難等問題。

      4)移動性管理技術(shù)。與同步靜止軌道衛(wèi)星不同,低軌衛(wèi)星星座相對于地面是進(jìn)行高速運動的,地面終端會在不同衛(wèi)星與不同波束之間進(jìn)行頻繁切換,因此用戶的資源管理、錨點管理、數(shù)據(jù)管理等信息變得異常復(fù)雜,研發(fā)一套安全、可靠、實用性強(qiáng)的移動管理平臺意義重大。

      五、應(yīng)用場景

      1.不間斷網(wǎng)絡(luò)連接

      低軌與5G融合網(wǎng)絡(luò)支持移動用戶在低軌5G接入網(wǎng)與地面5G接入網(wǎng)間無縫切換,通過在飛機(jī)、艦船、高鐵、汽車等移動平臺上安裝具有低軌星座接入能力的通信終端,即可在移動過程中保持連續(xù)、不間斷的5G網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。

      以移動終端為例,在有地面網(wǎng)絡(luò)的場景下,優(yōu)先選用地面5G通信網(wǎng)進(jìn)行業(yè)務(wù)傳輸;當(dāng)無地面網(wǎng)絡(luò)的場景時,終端優(yōu)先選用低軌通信網(wǎng),保障信號的不間斷通信。移動終端在低軌和地面5G網(wǎng)絡(luò)間可自動實現(xiàn)切換與漫游。

      2.廣播分發(fā)

      利用低軌衛(wèi)星星座組播、廣播技術(shù)特性,為廣域范圍內(nèi)的終端用戶提供業(yè)務(wù)分發(fā)服務(wù)(包括高清視頻、3D電視等)。平時通過地面5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分發(fā),當(dāng)廣播業(yè)務(wù)繁忙時,利用低軌5G融合接入網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對地面業(yè)務(wù)的分流,避免因網(wǎng)絡(luò)擁塞而導(dǎo)致的業(yè)務(wù)分發(fā)服務(wù)質(zhì)量下降。該場景下,用戶可同時接收融合網(wǎng)絡(luò)和地面5G網(wǎng)絡(luò)的雙重業(yè)務(wù)內(nèi)容,并可對兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行兼容使用。

      3.物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)

      低軌與5G融合網(wǎng)絡(luò)可利用低軌衛(wèi)星星座提供海量機(jī)器通信(mMTC)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NBIoT)服務(wù),通過在智慧產(chǎn)業(yè)、物流運輸、管道監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中布設(shè)具有低軌接入和網(wǎng)絡(luò)自動切換選擇功能的通信終端,基于現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)布設(shè)情況、網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等多種因素綜合分析,自動進(jìn)行低軌衛(wèi)星和5G網(wǎng)絡(luò)的通信切換,實現(xiàn)位置、狀態(tài)等信息的實時傳送。

      4.應(yīng)急通信

      在戶外開采、野外科考等地面網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達(dá)地區(qū),低軌與5G融合網(wǎng)絡(luò)可提供應(yīng)急通信手段,實現(xiàn)區(qū)域的通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋;在地震、洪水、戰(zhàn)爭等突發(fā)事件地區(qū),地面網(wǎng)絡(luò)遭受破壞,低軌與5G融合網(wǎng)絡(luò)可快速搭建通信鏈路,實現(xiàn)前后方的通信暢通。

      六、結(jié)束語

      低軌與5G的通信融合將為用戶提供覆蓋更廣、速率更快的通信網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù),將移動寬帶、互聯(lián)網(wǎng)接入、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用拓展到更廣闊的范圍,實現(xiàn)天地一體化的通信服務(wù)保障。本文對低軌與5G網(wǎng)絡(luò)融合的可行性進(jìn)行了分析,并結(jié)合業(yè)務(wù)需求對應(yīng)用場景進(jìn)行了綜合描述,為低軌與5G的融合建設(shè)提供了參考。

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