未來衛(wèi)星通信和5G-NR深度融合架構(gòu)設計

楊立/YANG Li,竇建武/DOU Jianwu

（1.中興通訊股份有限公司，中國 深圳 518057；2.移動網(wǎng)絡和移動多媒體技術國家重點實驗室，中國 深圳 518057）

(1.ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China;2.State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia Technology, Shenzhen 518057, China)

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

5G新空口（5G-NR）屬于陸基蜂窩網(wǎng)絡，已成為當前主要的陸地通信網(wǎng)絡。雖然5G-NR能夠通過特殊的射頻手段實現(xiàn)對近海和低空的局部無線覆蓋，但卻不能實現(xiàn)對遠海和高空等區(qū)域的無線覆蓋。在過去，遠海和高空等特殊區(qū)域的移動覆蓋服務，主要是由衛(wèi)星通信系統(tǒng)來提供的[1-2]。這是因為衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有三維廣域覆蓋的特點，很適用于高空、遠海、荒漠、極地等特殊區(qū)域。一些物聯(lián)網(wǎng)終端（如飛機、輪船）具有特殊的廣域大尺度和高速移動性。在這種場景中，通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供服務將更為便捷和經(jīng)濟[3-4]。衛(wèi)星通信系統(tǒng)雖然在增強移動寬帶（eMBB）和超高可靠低時延通信（URLLC）應用方面遜色于5G-NR地面蜂窩網(wǎng)絡，但是在海量機器類通信（mMTC）應用場景中仍具有顯著優(yōu)勢[5]。此外，衛(wèi)星通信還能實現(xiàn)安全應急類通信、廣域廣播與多播，并可靈活提供網(wǎng)絡無線寬帶回傳等。衛(wèi)星通信系統(tǒng)將是未來全球泛在移動通信不可缺少的一部分[6]。

按照衛(wèi)星軌道高度的不同，衛(wèi)星通信系統(tǒng)大概可分為低軌（LEO）衛(wèi)星（300～1 500 km）、中軌（MEO）衛(wèi)星（7 000～25 000 km）、地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星（35 786 km）和高橢圓軌（HEO）衛(wèi)星4類。其中，LEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星是當前部署最多且最具技術代表性的，如銥星系統(tǒng)和國際海事衛(wèi)星系統(tǒng)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)雖然能實現(xiàn)通信網(wǎng)絡的全球覆蓋，也能提供常規(guī)語音和數(shù)字服務，但是與地面蜂窩網(wǎng)絡相比，在產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模、業(yè)務服務形態(tài)、受眾用戶數(shù)量、通信資費等方面仍存在不足。在新一輪5G-NR技術、國家戰(zhàn)略和相關商業(yè)資本的驅(qū)動下，傳統(tǒng)衛(wèi)星廠家逐漸意識到：如果繼續(xù)走過去封閉式的技術和市場發(fā)展之路，衛(wèi)星的應用規(guī)模和市場價值將很難得到大幅提升，衛(wèi)星廠家的盈利瓶頸也很難得到突破。因此，衛(wèi)星廠家正在積極尋求衛(wèi)星系統(tǒng)和地面蜂窩網(wǎng)絡之間的融合，進而激發(fā)新的商業(yè)運營合作模式，以獲得更多的商業(yè)利潤。這種融合主要體現(xiàn)在以下3個方面：

（1）技術方案。未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)的架構(gòu)、協(xié)議棧、物理層空口技術等應盡量和5G-NR保持一致[7]。針對衛(wèi)星通信的特點，局部功能也需要做適當優(yōu)化。這有助于推動衛(wèi)星系統(tǒng)相關技術的發(fā)展，以快速提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)的整體能力。與此同時，未來主流商用衛(wèi)星網(wǎng)絡產(chǎn)品的規(guī)范協(xié)議將主要由第3代合作伙伴計劃（3GPP）來制定。

（2）產(chǎn)業(yè)資源。隨著未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)的標準化，衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)力量將集中在最具市場潛力且最關鍵的衛(wèi)星產(chǎn)品上。無論是衛(wèi)星網(wǎng)絡設備，還是用戶終端，未來都會被高度關注。沿著同一方向拓展更有利于形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模效應，進而有助于降低衛(wèi)星制造和服務成本。

（3）商業(yè)合作。在面向不同的應用場景和用戶時，衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡不僅各具優(yōu)勢，在某些領域還可以產(chǎn)生重疊和互操作。因此，衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡應該取長補短，通過更緊密的互操作，形成深度天地一體化的泛在移動網(wǎng)絡，進而推進天地通信產(chǎn)業(yè)鏈之間的合作，促生更前沿的商業(yè)合作模式。

2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)設計

2.1 融合前傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特征和架構(gòu)

截至2018年，全球在軌的通信衛(wèi)星約有800顆，其中大部分是GEO和中低軌道衛(wèi)星。通信衛(wèi)星可提供語音、導航、天基互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)服務等。2016年，中國發(fā)射的“天通一號01”衛(wèi)星采用窄帶單載波的制式，星上采取彎管透明轉(zhuǎn)發(fā)。它可以提供1.2 kbit/s的速率語音和最大384 kbit/s的數(shù)據(jù)通信業(yè)務。2017年，中國發(fā)射的“中星16號”衛(wèi)星采取寬帶傳輸制式，能提供20 kbit/s的高通量服務。由于中低軌道衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座能提供更大的通信容量和更短的端到端時延，因此它們成為未來商業(yè)應用發(fā)展的主要目標。對此，中國啟動國家科技創(chuàng)新2030重大項目——天地一體化信息網(wǎng)絡低軌接入網(wǎng)（軌道高度800～1 100 km），包括鴻雁系列星座（軌道高度為1 100 km，共324顆衛(wèi)星）、虹云系列星座（軌道高度為1 040 km，共156顆衛(wèi)星）。圖1左側(cè)是一個有16個軌道面的低軌衛(wèi)星星座分布圖；圖1右側(cè)是一個具備16波束能力的衛(wèi)星地面投射覆蓋示意圖，且橢圓長直徑約為400 km。

▲圖1 低軌衛(wèi)星星座分布和地面信號覆蓋示意圖

對于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，無論軌道高度和衛(wèi)星類型如何，其系統(tǒng)架構(gòu)都可用圖2來表示。衛(wèi)星用戶終端（UE）可以是手持設備，也可是拋物面式的收發(fā)器等。UE和衛(wèi)星之間的無線鏈路稱為服務鏈路。衛(wèi)星和地面觀測控制站（衛(wèi)星網(wǎng)關/觀口站/信關站等）之間的無線鏈路稱為饋電鏈路。地面控制站可通過地面全互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）網(wǎng)絡與核心網(wǎng)（CN）和數(shù)據(jù)網(wǎng)（DN）相連。

▲圖2 傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本架構(gòu)

根據(jù)星上處理能力和配置，衛(wèi)星可劃分為兩大類。第1類為彎管型（不支持星間鏈路）衛(wèi)星，這類衛(wèi)星以模擬信號變頻放大和簡單中繼轉(zhuǎn)發(fā)為主，同時星上處理復雜度和衛(wèi)星成本都較低。第2類為再生型衛(wèi)星，這類衛(wèi)星有較強的數(shù)字信號處理能力（能支持星間鏈路），但星上處理復雜度和衛(wèi)星成本都較高，對衛(wèi)星的物理載荷能力要求也較高。

由于GEO衛(wèi)星處于35 786 km的高度，并且相對于地面靜止，因此GEO衛(wèi)星波束所提供的覆蓋也是相對靜止的，對應的地面容量/覆蓋規(guī)劃和鏈路控制都相對簡單。非地球同步軌道（NGEO）衛(wèi)星有著特定的軌道和運行速度，因此這類衛(wèi)星通常向地面提供移動式覆蓋。此外，NGEO的多普勒頻移、動態(tài)變化時延/路損和對無線鏈路的性能要求都會增加，對地面容量/覆蓋的規(guī)劃和衛(wèi)星鏈路控制也會變得更加復雜。由于NGEO衛(wèi)星有著不同的發(fā)射接收仰角和天線模式，因此投射在地面的服務小區(qū)拓撲形狀也會隨著衛(wèi)星的移動而不斷發(fā)生變化。雖然NGEO衛(wèi)星的部署比GEO衛(wèi)星復雜，但是一旦NGEO衛(wèi)星入軌運行，它的星歷信息也就會確定，即衛(wèi)星地面站可準確判斷任意時間衛(wèi)星所在的具體位置，同時衛(wèi)星對地面的投射信號覆蓋也將呈現(xiàn)出一定的周期性變化規(guī)律。因此，衛(wèi)星星歷信息可用來高效輔助衛(wèi)星和終端的移動性管理。LEO衛(wèi)星的軌道低，它對應的無線鏈路環(huán)回時延（2～13 ms）和路損都相對較小，更容易保證無線鏈路的質(zhì)量和有利于寬帶類數(shù)據(jù)業(yè)務的開展。而GEO衛(wèi)星的無線鏈路環(huán)回時延（約560 ms）和路損都相對較大，對衛(wèi)星終端的天線類型和發(fā)射功率都有更高的要求，需要花更大的代價去保證無線鏈路的質(zhì)量。

從系統(tǒng)角度看，LEO衛(wèi)星處于低軌空間環(huán)境，會受到更多外界環(huán)境的干擾（地球引力、大氣塵埃、星際輻射等），通常壽命會更短一些。由于LEO衛(wèi)星軌道低，通常投射的小區(qū)覆蓋范圍沒有GEO衛(wèi)星那么大。為了實現(xiàn)全球覆蓋，需要部署成百上千顆LEO衛(wèi)星，而這會使得發(fā)射和維護成本變得很高。相比之下，GEO衛(wèi)星的使用壽命通常更長一些，GEO覆蓋服務小區(qū)較大，只需要幾十顆甚至幾顆衛(wèi)星就可實現(xiàn)全球覆蓋，因此發(fā)射和維護成本不高?？偟膩碚f，GEO和NGEO（主要是LEO）衛(wèi)星各有優(yōu)缺點。在實際部署時，可考慮混合異構(gòu)部署組網(wǎng)。相同類型或不同類型的衛(wèi)星之間，還可配置星間鏈路，并利用微波或激光等進行信號的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，使衛(wèi)星信號能沿最佳路徑到達地面。

2.2 融合后未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特征和架構(gòu)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面蜂窩系統(tǒng)的差異主要表現(xiàn)在以下面幾個方面：

（1）衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要特定的衛(wèi)星頻段和專有的芯片終端，才能進行衛(wèi)星信號的收發(fā)，特別是在終端的天線射頻能力配置方面，因此，過去無法以低成本的方式實現(xiàn)像普通UE那樣的小型化和一體化。

（2）衛(wèi)星通信系統(tǒng)的架構(gòu)和協(xié)議棧完全取決于各個衛(wèi)星廠家的內(nèi)部設置。衛(wèi)星通信系統(tǒng)沒有公共的核心網(wǎng)來做統(tǒng)一的業(yè)務編排和策略安全管控。對于再生類型衛(wèi)星，有什么樣的數(shù)字處理模塊和多少處理資源配置，都沒有統(tǒng)一的標準。衛(wèi)星通信設備大多基于專有的硬件模塊實現(xiàn)，而非基于日益流行的軟件定義網(wǎng)絡（SDN）/網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）。

（3）衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面蜂窩系統(tǒng)之間沒有統(tǒng)一的服務質(zhì)量（QoS）體系，也不能進行復雜的跨系統(tǒng)操作，例如跨系統(tǒng)切換、無線資源負荷均衡、多連接操作等，因此很難提供一致性的服務。

（4）衛(wèi)星通信系統(tǒng)對可靠性要求較高。衛(wèi)星模塊器件工作在極端的太空環(huán)境中，需要考慮有害的高能粒子流和180～120 ℃的溫度變化。

在過去，衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面蜂窩系統(tǒng)是兩套獨立的無線系統(tǒng)。國際電信聯(lián)盟無線電通信部門（ITU-R）SG4-WP4B工作組開展的天地系統(tǒng)融合方面的研究，為其他相關標準的制定提供了重要參考。3GPP在Release 14—16期間，發(fā)起了一系列與衛(wèi)星通信相關的項目。

Release 16階段：

·業(yè)務與系統(tǒng)架構(gòu)組（SA）1研究項目實現(xiàn)衛(wèi)星一體化的標準化；

·SA2研究項目確定衛(wèi)星5G系統(tǒng)架構(gòu)；

·無線接入網(wǎng)（RAN）1—3研究項目制定新空口支持非地面網(wǎng)絡解決方案[8]。

Release15階段：

·完成3GPP TR 22.822[9]《5G 中使用衛(wèi)星接入》研究報告，確定融合衛(wèi)星接入的5G系統(tǒng)的用戶案例。

·完成3GPP TR 38.811[10]《新空口支持非地面網(wǎng)絡》研究報告。

Release14：完成3GPP TS 22.261[11]《下一代新業(yè)務和市場的業(yè)務需求》報告。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)和5G-NR之間的深度融合應至少包括無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、終端和上層業(yè)務應用四大方面。本文主要探討衛(wèi)星與下一代無線接入網(wǎng)（NG-RAN）架構(gòu)融合[12-16]。

2.2.1 單跳衛(wèi)星融合架構(gòu)

單跳是指，UE先經(jīng)過NR-Uu空中接口接入單顆服務衛(wèi)星，再連接到衛(wèi)星基站和核心網(wǎng)，從而實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡連接。這里，我們用衛(wèi)星射頻單元（Sat-RU）來表示星上只有模擬信號處理能力或很弱的數(shù)字信號處理能力的衛(wèi)星，例如彎管型衛(wèi)星或者基于廠家私有方案實現(xiàn)的星間鏈路和衛(wèi)星無線接口（SRI）信號轉(zhuǎn)發(fā)型衛(wèi)星；用衛(wèi)星分布單元（Sat-DU）來表示星上有較強的數(shù)字信號處理能力，但沒有完整的5G基站（gNB）整機能力或更上層的邏輯功能能力的衛(wèi)星，例如具備5G-NR L1數(shù)字信號處理能力和L2數(shù)據(jù)包處理能力的衛(wèi)星；用衛(wèi)星完整單元（Sat-FU）來表示星上有完整的gNB整機能力和更上層的邏輯功能能力的衛(wèi)星，例如具備5G gNB全部完整協(xié)議數(shù)字處理能力的衛(wèi)星。需要說明的是，如果把下文中的UE換成地面蜂窩NG-RAN基站，那么衛(wèi)星服務鏈路還能為這些地面基站提供無線回程傳輸服務。。

Sat-RU衛(wèi)星的融合架構(gòu)如圖3所示。由于單顆Sat-RU衛(wèi)星可通過SRI（饋電鏈路也可基于NR-Uu新傳輸制式）同時和多個地面gNB基站相連接，傳輸?shù)讓佣嗦纺M信號，因此gNB前端需配置支持SRI的收發(fā)模塊。Sat-RU衛(wèi)星之間可根據(jù)能力和部署的需要來配置星間鏈路（僅用于底層模擬信號的中繼轉(zhuǎn)發(fā)）。在這種架構(gòu)中，相比于地面蜂窩NG-RAN，衛(wèi)星NGRAN并沒有太大改變。這是因為gNB基站、Xn接口、NG接口等都還部署在地面網(wǎng)絡中。由于UE能力有限，通常假設UE只能與單顆Sat-RU衛(wèi)星、單個地面gNB進行通信。也就是說，這種架構(gòu)通常不支持UE和多顆衛(wèi)星之間的多連接操作。

▲圖3 Sat-RU衛(wèi)星融合架構(gòu)

在Sat-RU衛(wèi)星融合架構(gòu)中，UE和gNB之間需要分別經(jīng)歷服務和饋電兩個無線鏈路，這會給L1、L2數(shù)據(jù)塊傳輸帶來更大的時延和鏈路自適應/功控等問題，使衛(wèi)星鏈路性能降低。隨著衛(wèi)星自身物理載荷能力的提高和SDN/NFV技術的發(fā)展，提升衛(wèi)星星上的數(shù)字處理能力并優(yōu)化資源配置，已成為衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)界的主流趨勢。未來gNB各個空口協(xié)議功能/數(shù)字處理模塊會被設置在衛(wèi)星上，從而降低L1、L2數(shù)據(jù)塊（重）傳輸時延，增強對衛(wèi)星鏈路的自適應性，提升鏈路級性能。

Sat-DU衛(wèi)星融合架構(gòu)如圖4所示。單顆Sat-DU衛(wèi)星可通過F1*接口（F1*和5G-NR中的F1接口不同）同時和多個地面gNB集中單元*（gNB-CU*）相連接（gNB-CU*和5G-NR中 的gNB-CU實體不同）。gNB-CU*前端同樣需要配置支持SRI收發(fā)的模塊。Sat-DU衛(wèi)星之間可根據(jù)能力和部署的需要來配置星間鏈路（僅用于模擬信號的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，暫不支持高層標準化的接口）。此種架構(gòu)下，相比于地面蜂窩NG-RAN，衛(wèi)星NG-RAN也沒有太大變化。這是因為gNB-CU*基站、Xn接口、NG接口等仍然全部部署在地面。由于UE能力有限，通常假設UE只能和單顆Sat-DU衛(wèi)星、單個地面gNB-CU*進行通信，即這種架構(gòu)通常不支持UE和多顆衛(wèi)星之間的多連接操作。由于Sat-DU衛(wèi)星至少配置了NR 物理層（PHY）/媒體接入控制（MAC）/無線鏈路控制（RLC）等協(xié)議功能模塊，因此鏈路自適應/功控、數(shù)據(jù)包重傳操作只需要經(jīng)歷一段服務鏈路。只有當Sat-DU最大重傳失敗或需要執(zhí)行更高層重傳和連接重配置（RRC）操作時，管控操作才會再次回到地面gNB-CU*基站。

▲圖4 Sat-DU衛(wèi)星融合架構(gòu)

為了進一步提升衛(wèi)星鏈路的性能，增強衛(wèi)星本地無線資源管控能力，降低控制面的信令傳輸時延，衛(wèi)星也應具備gNB功能。Sat-FU衛(wèi)星融合架構(gòu)如圖5所示。單顆Sat-FU衛(wèi)星可通過NG接口同時和多個地面衛(wèi)星網(wǎng)關（Sat-GW）相連接。Sat-GW前端同樣需要配置支持SRI的收發(fā)模塊。Sat-FU衛(wèi)星之間可根據(jù)能力和部署的需要來配置星間鏈路，以支持空中Xn接口，實現(xiàn)相鄰衛(wèi)星間的資源協(xié)調(diào)。例如，同一軌道上的相鄰LEO衛(wèi)星之間比較容易實現(xiàn)穩(wěn)定的Xn連接，以輔助UE移動性管理。相比于Sat-RU和Sat-DU，此種架構(gòu)下的衛(wèi)星NG-RAN部署有了很大改變。此時衛(wèi)星gNB基站、Xn接口、NG接口都部署在天上，并處于相對移動狀態(tài)。這會給衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲和接口管理帶來較大影響。同理，由于UE能力有限，通常也假設UE只能和單顆Sat-FU衛(wèi)星進行通信，即該架構(gòu)通常不支持UE和多顆衛(wèi)星之間的多連接操作。Sat-FU衛(wèi)星配置了gNB全部的協(xié)議功能模塊，除了具備Sat-DU衛(wèi)星的所有數(shù)字處理能力外，還能進行分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP）重傳恢復、RRC重配置、移動性管理，以及空口和其他接口資源管理等操作。那些原本在地面蜂窩基站上的操作都可以放在Sat-FU衛(wèi)星上執(zhí)行。在圖5的架構(gòu)中，相鄰的Sat-FU衛(wèi)星既可以屬于同一運營商，也可以屬于不同的運營商（有漫游的情況下）。因此，該架構(gòu)可以應用在UE空中漫游的場景中。

▲圖5 Sat-FU衛(wèi)星融合架構(gòu)

為減少Sat-FU衛(wèi)星對5G核心網(wǎng)（5GC）的影響，通常在Sat-FU衛(wèi)星和5GC之間會部署一個獨立的Sat-GW實體。該實體具有類似于地面控制站的功能，可監(jiān)測Sat-FU衛(wèi)星的運行狀態(tài)和相關參數(shù)配置。此外，該實體還能在網(wǎng)絡傳輸層（TNL）保證Sat-FU衛(wèi)星和5GC之間NG標準化接口連接暢通。在上述Sat-RU和Sat-DU衛(wèi)星場景下，Sat-GW實體既可以獨立部署，也可以被整合在地面gNB/gNB-CU*基站內(nèi)部。3GPP認為，Sat-GW實體不會產(chǎn)生新的標準化接口，它僅具有TNL傳輸功能和對衛(wèi)星的管控功能。因此，Sat-GW不需要實現(xiàn)標準化。

Sat-RU和Sat-DU衛(wèi)星的NGRAN與傳統(tǒng)地面蜂窩NG-RAN相比，沒有本質(zhì)變化。Sat-FU衛(wèi)星在理論上支持SRI端口的地面蜂窩NG-RAN節(jié)點，并通過Xn建立標準化接口，如圖6（a）所示。如果地面蜂窩NG-RAN基站不支持SRI端口，如圖6（b）所示，那么Sat-FU衛(wèi)星可通過地面Sat-GW間接地與地面蜂窩NG-RAN基站建立Xn標準化接口連接。Sat-GW和地面普通網(wǎng)關在TNL也是相連接的。衛(wèi)星基站和地面蜂窩基站可同時被同一個5GC網(wǎng)元所管轄，并可執(zhí)行天地基站間的無縫移動性操作。這有利于天地一體化資源的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理。建立UE和衛(wèi)星服務鏈路需要一套獨立的射頻（RF）和天線模塊。因此，在UE和地面蜂窩基站之間的鏈路模塊不被占用的前提下，理論上該架構(gòu)也可支持天地基站之間的多連接配置操作，即UE同時和地面蜂窩基站、衛(wèi)星基站建立獨立的無線鏈路，從而使不同數(shù)據(jù)業(yè)務可被不同的無線鏈路承載。在圖6（a）和圖6（b）的架構(gòu)中，天地相鄰的Sat-FU衛(wèi)星和地面蜂窩NGRAN基站，可屬于同一運營商，也可屬于不同運營商（有漫游的情況下）。因此，這兩種架構(gòu)支持UE在天地基站之間的漫游移動。

▲圖6 Sat-FU衛(wèi)星和地面NG-RAN節(jié)點互操作架構(gòu)

2.2.2 多跳衛(wèi)星融合架構(gòu)

傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般支持多跳服務[17]。例如，飛機或游輪上的UE通過Wi-Fi先連接一個集中的中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，然后這個中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點再和通信衛(wèi)星建立服務鏈路，以服務所有匯聚的UE。未來地面gNB基站和UE將支持中繼多跳。對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說，在多跳服務場景下的多跳技術架構(gòu)也可能會和地面蜂窩gNB一樣。這種架構(gòu)包括地面多跳接入和先星間鏈路多跳再中繼轉(zhuǎn)發(fā)兩大類。地面多跳接入的融合架構(gòu)如圖7（a）所示。UE首先通過NR-Uu空口接入最近的服務中繼節(jié)點（RN），再經(jīng)過若干跳之后通過非地面網(wǎng)絡（NTN）RN來轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星信號。這種服務架構(gòu)對于聚合成本相對低的物聯(lián)網(wǎng)終端意義很大。低端的物聯(lián)網(wǎng)終端不太可能和衛(wèi)星直接建立服務鏈路。即使能和衛(wèi)星直接連接，物聯(lián)網(wǎng)天然的小微數(shù)據(jù)包[18]、超大連接數(shù)也會給衛(wèi)星帶來嚴重的資源負荷沖擊。因此，先匯聚地面數(shù)據(jù)流量再將數(shù)據(jù)上傳至衛(wèi)星的做法將更加高效。星上多跳的融合架構(gòu)如圖7（b）所示，UE在衛(wèi)星上的數(shù)據(jù)流信號還可繼續(xù)在星間鏈路之間以標準化的方式多跳傳輸。例如，基于集成接入回傳（IAB）技術，不同廠家的衛(wèi)星設備可提供多跳中繼傳輸服務，并可進行路由優(yōu)化等操作。地面多跳和星間多跳可同時部署，此時需要要考慮端到端的時延問題。另外，衛(wèi)星間的多跳傳輸場景可能會給未來6G天地一體化傳輸承載方式和相關協(xié)議帶來影響[19]。

▲圖7 多跳衛(wèi)星融合架構(gòu)

2.2.3 衛(wèi)星本地分流融合架構(gòu)

由于衛(wèi)星鏈路的時延較大，因此在衛(wèi)星物理載荷能力允許的前提下，為Sat-FU衛(wèi)星增配UPF和MEC功能，有助于形成用戶內(nèi)容和資源復用優(yōu)勢。如果發(fā)生通信的兩個節(jié)點都是UE，那么可通過衛(wèi)星本地分流的服務架構(gòu)來縮短端到端時延。在這種架構(gòu)中，UE之間可直接通過服務鏈路完成數(shù)據(jù)包傳輸。如圖8（a）所示，兩個UE都連接同一顆配備有本地UPF的Sat-FU衛(wèi)星。當控制面完成建鏈后，兩個UE可直接在衛(wèi)星內(nèi)進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。如圖8（b）所示，兩個UE各自連接不同的配備有本地UPF的Sat-FU衛(wèi)星。當控制面完成建鏈后，兩個UE可直接在兩顆衛(wèi)星之間進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。此時，星間N9/N4接口可用來支持星間傳輸。配備有本地UPF的不同Sat-FU衛(wèi)星，既可屬于同一運營商，也可屬于不同的運營商，即能夠支持不同UE的跨運營商通信。

▲圖8 衛(wèi)星本地分流融合架構(gòu)

類似地，如圖8（c）所示，兩個UE分別連接配備本地UPF的Sat-FU衛(wèi)星基站和地面蜂窩基站。當控制面完成建鏈后，兩個UE也可直接在天地基站鏈路之間進行本地數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)傳輸。為了支持天地間本地分流操作，地面蜂窩基站也應具備UPF，這可通過天地基站鏈路間N9/N4 over SRI的標準化接口來實現(xiàn)。天地基站之間配備本地UPF的Sat-FU衛(wèi)星基站和地面蜂窩NG-RAN基站[20]，既可屬于同一運營商，也可屬于不同的運營商，即支持不同UE的跨運營商通信。

3 結(jié)束語

隨著全球化的發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應用將越來越廣泛，5G-NR、6G等通信技術也將被逐漸運用在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。雖然在網(wǎng)絡部署和工作方式上有較大差異，但是在系統(tǒng)架構(gòu)/協(xié)議棧層方面，未來衛(wèi)星NTN系統(tǒng)將會和地面蜂窩NG-RAN彼此深度融合。在某些地面蜂窩NG-RAN無線信號無法覆蓋的地方，衛(wèi)星NG-RAN可提供多種靈活的接入方式。不同類型衛(wèi)星的組合有助于提升業(yè)務性能，降低綜合成本。雖然衛(wèi)星基站能夠更好地服務用戶，但是單顆衛(wèi)星的成本和系統(tǒng)復雜度也在增加。因此，必須綜合多方面因素來選擇最優(yōu)的服務架構(gòu)。在某些天地NG-RAN無線信號同時覆蓋的地方，天地NG-RAN基站之間可緊密協(xié)作，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的無損跨節(jié)點移動性管理、資源負荷均衡和多連接操作等。未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)和5G-NR之間的深度融合，不僅有利于傳統(tǒng)衛(wèi)星廠商提升衛(wèi)星整體性能，開發(fā)和部署新衛(wèi)星，開辟新業(yè)務市場，還有利于5G-NR移動業(yè)務市場和巨量的終端用戶數(shù)被更好地共享。在未來，普通終端用戶將以更低的資費享受到質(zhì)量更好、內(nèi)容更豐富的衛(wèi)星通信服務。