衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)標準化發(fā)展分析

王 鵬,祝思婷*,李 辰,易 軒

(1.中國信息通信研究院泰爾終端實驗室,北京 100191;2.中國信息通信研究院,北京 100191)

0 引言

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是一個由衛(wèi)星及其鏈路共同組成的多層立體通信網(wǎng)絡,多顆衛(wèi)星通過衛(wèi)星鏈路互聯(lián)在一起構成空間通信網(wǎng)絡,每顆衛(wèi)星成為其中的一個交換節(jié)點,使通信信號能不依賴于地面通信網(wǎng)絡進行傳輸,具備移動通信、信號處理、數(shù)據(jù)存儲、交換路由、寬帶接入的能力。2022年9月,華為公司發(fā)布了全球第一款具備衛(wèi)星通信能力的手機,應用了我國的北斗短報文通信系統(tǒng),同月,蘋果公司發(fā)布了基于全球星(Globalstar)衛(wèi)星星座,具備衛(wèi)星緊急通信功能的iPhone手機,開啟了手機直連衛(wèi)星的商業(yè)元年。

隨著成熟的手機產(chǎn)品面市,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的標準化進程也在加快,國際標準以3GPP(3rd Generation Partnership Project)為主,在國內,中國通信標準化協(xié)會(China Communication Standard Association,CCSA)和電信終端產(chǎn)業(yè)協(xié)會(Telecommunication Terminal Industry Forum Association,TAF)均進行了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡側及終端側的標準研究。本文將對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)標準化發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展路線進行分析研判。

1 3GPP國際衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)標準

1.1 非地面網(wǎng)絡標準化發(fā)展歷程

為了克服蜂窩網(wǎng)絡無法覆蓋偏遠地區(qū)和無人區(qū)的缺點,同時面向航空、漁業(yè)以及能源電力等產(chǎn)業(yè)的通信需求,從R15階段開始,3GPP展開衛(wèi)星通信的研究工作,提出了非地面網(wǎng)絡(Non-Terrestrial Network,NTN)研究項目[1-3],在TR 38.811中提出了在NTN下,主要包括面向時延敏感低的設備的多重泛在連接、面向偏遠地區(qū)和工業(yè)場景(如海上作業(yè)平臺)的固定衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)連接、面向移動平臺(飛機、貨輪)等的移動衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)連。此外,對信道模型進行了初步研究,主要包括:

① 兩個支持頻段:S band和Ka band;

② 同步地球軌道(Geosynchronous Earth Orbit,GEO)、近地軌道(Low Earth Orbit,LEO)和高空平臺(High Altitude Platform Station,HAPS);

③ 地球固定波束和地球移動波束,終端還需要具備 GNSS(Global Navigation Satellite System) 能力,針對UL(Up Link)傳輸,能夠以足夠的精度估計和預補償定時和頻率偏移;

④ 支持FR1中PC3的手持或IOT設備(發(fā)射功率23 dBm);

⑤ 支持FR2中規(guī)定的具有外部天線的甚小孔徑終端站設備(固定或安裝在移動平臺上);

⑥ 支持將智能手機連接到軌道高達 1 200 km、最小仰角為5°的衛(wèi)星。

R16階段,3GPP開展了對NTN解決方案的技術研究,主要解決的是實現(xiàn)非地面網(wǎng)絡通信,核心網(wǎng)以及衛(wèi)星和終端節(jié)點應滿足的最小能力要求,包括對網(wǎng)絡架構、高層協(xié)議、物理層技術等方面的技術研究,最終輸出TR38.821,初步擬定了透明轉發(fā)和星上再生兩種NTN架構,在接入、尋呼等方面的高層協(xié)議面盡可能地復用了NR高層協(xié)議的邏輯架構。R16階段的結果輸出在TR38.821中,這一階段的NTN技術研究,奠定NTN的主要技術路線。

2022年6月,3GPP R17凍結,R17被視為NTN進入5G的開端,其基于R16的NTN初始要求,進一步對NTN協(xié)議進行了增強。在透明轉發(fā)的網(wǎng)絡架構、FDD(Frequency-division Duplex)模式的框架下,對協(xié)議中的初始接入、回傳策略、時延及多普勒頻偏補償和UE移動性管理等方面進行了技術增強。

R18階段,較為突出的增強則是為未來消費級商用終端引入了更多的可用頻段,在RAN4中,包括NR NTN LSband[4]、IoT NTN extLband[5]、IoT NTN FDD LSband[6]等多項工作項目將NTN的應用頻段擴展到低頻的L band和S band,包括蘋果公司與華為公司正在使用的上行1.6 GHz、下行2.4 GHz頻段。R18在時間上與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)商用移動智能終端推向市場的時間重疊,商用終端與標準協(xié)同在R18階段清晰地規(guī)劃了商用衛(wèi)星終端的發(fā)展路線,VSAT(Very Small Aperture Terminal)在10 GHz以上頻段的部署,將以Ka頻段作為參考。PC3等手持類低功率終端在L band和S band部署,包含物聯(lián)網(wǎng)類型和智能手機類型的終端,3GPP對兩類終端的參數(shù)設定如表1所示。

2022年5月3GPP SA1在R19立項了 Study on satellite access-Phase 3(衛(wèi)星接入研究-階段3)研究報告,2023年6月結束。研究提供了一種衛(wèi)星接入5G系統(tǒng)的操作模式,當衛(wèi)星連接間歇性/暫時不可用時,5G系統(tǒng)可以為衛(wèi)星提供存儲和轉發(fā)數(shù)據(jù)的服務。未來3GPP SA3將開展空天地網(wǎng)絡安全方面的相關標準研究。

當前,高通、MTK、紫光展銳、vivo等終端與芯片廠商宣布支持NTN衛(wèi)星方案,但當前各類衛(wèi)星廠商并未宣布支持NTN方案,多數(shù)推行的是各衛(wèi)星廠商的私有協(xié)議。NTN的部署,依賴傳統(tǒng)地面運營商與衛(wèi)星運營企業(yè)的合作模式探索以及未來以Starlink、我國星網(wǎng)、垣信衛(wèi)星等為代表的低軌衛(wèi)星運營企業(yè)對NTN方案的支持程度。3GPP層面,NTN方案的發(fā)展路徑如表2所示。

表2 3GPP NTN發(fā)展路徑Tab.2 3GPP NTN development path

1.2 NTN標準化關鍵技術

目前NTN解決的關鍵問題是在透明轉發(fā)的體制下,解決衛(wèi)星高軌道、高移動速度帶來的大時延、大多普勒問題,對移動性管理、網(wǎng)絡接入等方面的問題進行技術研究[7]。本文對于相關度較高的幾種關鍵技術進行梳理分析。

1.2.1 頻率資源管理

當?shù)孛?G和基于5G的衛(wèi)星通信系統(tǒng)共存時,一個重要的問題是頻率資源的分配和利用。在傳統(tǒng)的頻率分配中,衛(wèi)星和地面資源是分離的,隨著技術和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,這兩種通信模式是融合的,甚至是一個運營商管理,因此完全有可能采用統(tǒng)一的頻率分配。因此技術上需要考慮通信模式共存時的資源聯(lián)合分配和優(yōu)化利用,可以考慮半靜態(tài)或動態(tài)的資源共享模式。

對于采用星地雙連接傳輸技術,頻率資源的利用可以充分動態(tài)共享,網(wǎng)絡可以基于業(yè)務類型來確定星地頻率資源的分配。在頻率管理中,一個重要的環(huán)節(jié)是干擾管理,一般來說,衛(wèi)星的波束具有較大的方向性,可以用作干擾規(guī)避的基礎條件。在多星之間、星地之間,干擾管理需要考慮不同運營主體和相同運營主體的應用條件,來確定采用不同的干擾規(guī)避或者頻率監(jiān)管的策略。在頻率資源管理流程上,形成了劃分、規(guī)劃、許可、監(jiān)督、評價、調整、回收、再劃分這樣一個完整的閉環(huán)。其中劃分是根據(jù)ITU《無線電規(guī)則》出臺的《中華人民共和國無線電頻率劃分規(guī)定》,是我國開發(fā)、利用、保護頻率資源的基礎性行政規(guī)章,隨著ITU《無線電規(guī)則》的更新和無線電業(yè)務發(fā)展趨勢而定期修訂。劃分主要針對頻段,是對頻率比較粗略的分割。規(guī)劃對重要的業(yè)務系統(tǒng),規(guī)定其使用頻段、技術體制、射頻指標、許可權限、臺站管理、干擾保護原則等,指導其規(guī)范、安全和高效運行。許可則是授權部門或臺站使用特定的頻率資源。監(jiān)督與評價是對頻率資源的使用效率等情況做出評估,以便后續(xù)對頻率資源的調整與回收。無線電頻率資源具有有限性、非耗竭性、固有性和易污染性等特點,世界各國家和地區(qū)越來越多地參與到無線電規(guī)則修訂,以謀取更多頻譜利益。

頻譜管理在潛在技術解決方案上主要是頻譜共享技術。首先,在頻段應用上通過劃分地面頻段給衛(wèi)星應用,這是歐美國家的做法,通過這種頻率資源的共享,激發(fā)衛(wèi)星通信的業(yè)務活力。其次,通過將星地系統(tǒng)按固定的時間周期進行業(yè)務需求預測,并按系統(tǒng)優(yōu)先級和調度算法進行頻譜資源重新分配。在周期內每個系統(tǒng)只能使用各自分配的資源傳輸數(shù)據(jù)。資源重分配的時間周期越短,頻譜資源分配的精確度就越高,整段頻譜的利用率就越高。

因此,我國需積極參與國際頻譜資源的競爭,對國內頻譜資源的應用積極推動面向行業(yè)需求的靈活管理策略,同時通過對運營商進行頻譜資源使用監(jiān)督的方式加強頻譜合法使用的監(jiān)管,推動頻譜共享策略與相關技術的研究,提高頻譜資源的利用率。

1.2.2 衛(wèi)星對其他業(yè)務的干擾

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)較為明顯的發(fā)展趨勢是低軌衛(wèi)星、巨型衛(wèi)星星座的發(fā)展,這對傳統(tǒng)的高軌高通量衛(wèi)星的業(yè)務無疑帶來一定程度的干擾。同時,無論是高軌高通量衛(wèi)星還是中低軌道的巨型衛(wèi)星星座,這些衛(wèi)星產(chǎn)生的業(yè)務對射電天文的干擾同樣不可忽視。

根據(jù)ITU規(guī)則,高軌衛(wèi)星擁有頻率和業(yè)務保護的高優(yōu)先級。由于高軌衛(wèi)星在導航、遙感以及應急通信方面長期的應用,尤其在導航和遙感方面具備的廣覆蓋優(yōu)勢是中低軌衛(wèi)星無法比擬的,所以ITU規(guī)定了非高軌衛(wèi)星在衛(wèi)星發(fā)射功率、衛(wèi)星天線指向等方面的技術要求,旨在降低對高軌衛(wèi)星業(yè)務的影響。

對射電天文的保護同樣也是衛(wèi)星通信面對的重要研究課題,美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communication Commission,FCC)在其制定的衛(wèi)星通信法規(guī)Part25.216中明確了美國境內射電天文臺站的具體位置,對衛(wèi)星和地球站的等效功率通量密度在這些位置提出了明確的限值。

因此,保證衛(wèi)星通信不影響其他通信以及非通信行業(yè)的業(yè)務,將是衛(wèi)星通信健康發(fā)展的必要課題。針對空間網(wǎng)絡與地面系統(tǒng)可能面臨的干擾場景,一方面,可研究傳統(tǒng)方法的干擾抑制、規(guī)避和協(xié)調方法在場景下的應用可行性,并通過波束管理和小區(qū)復用技術、多點波束、寬波束和窄波束結合等技術對衛(wèi)星波束進行動態(tài)管理;另一方面,針對傳統(tǒng)方法大概率失效的可能性,突破頻譜擴展與靈活分配技術和全雙工技術在實用化進程中尚需解決的問題和技術挑戰(zhàn),消除頻譜使用限制,實現(xiàn)對干擾的抑制、規(guī)避和協(xié)調。

1.2.3 衛(wèi)星傳輸鏈路技術

衛(wèi)星傳輸鏈路按照空間分布可以分為星地鏈路(衛(wèi)星-地面站)和星間鏈路(衛(wèi)星-衛(wèi)星)。在星地鏈路上主要使用微波通信,由于無線電波要穿過大氣層,跨越距離大,加之雨衰等各種近地大氣因素的影響,大容量通信不易實現(xiàn),通過采用比Ka更高的波段可實現(xiàn)通過無線電波的大容量通信。在星間鏈路上主要使用激光通信,通過光通信可實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸。為滿足衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)大業(yè)務量,星際鏈路勢必采用較高的工作頻段或采用激光星際鏈路。星間鏈路通信按照工作頻段分為微波(L、S、C、Ku、Ka頻段)、毫米波(部分Ka頻段和Q/V頻段)、太赫茲和激光。

2 國內衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)標準

2.1 CCSA通信行業(yè)標準

CCSA制定我國通信行業(yè)標準,是由工業(yè)和信息化部主管的標準化組織,同時也是3GPP主要組成成員。隨著3GPP對NTN的技術研究,CCSA也開始加快了各類衛(wèi)星標準的研究過程,其中主要由TC5、TC12、TC11分別對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的各個方面做了標準化研究。以下對CCSA部分衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)方面的標準工作進行梳理。

2.1.1 TC5主要標準

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)設備相關標準研究主要在TC5的衛(wèi)星與微波通信技術組展開,其技術保持與3GPP的技術同步,在終端側,對高頻段(Ka/Ku)的小型地球站終端和L/S頻段的天通終端進行了完備的標準化研究。具體如下。

(1) 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系列標準

?基于NTN的NB-IoT:接入網(wǎng)總體技術要求(第一階段);

?基于NTN的NB-IoT:終端設備技術要求(第一階段);

?基于NTN的NB-IoT:終端設備測試方法(第一階段);

?基于NTN的NB-IoT:衛(wèi)星接入節(jié)點設備技術要求(第一階段);

?基于NTN的NB-IoT:衛(wèi)星接入節(jié)點設備測試方法(第一階段)。

(2) 天通一號手持/非手持終端的主要標準

?天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)模塊技術要求和測試方法;

?天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)多模非手持終端技術要求和測試方法;

?天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)多模手持終端技術要求和測試方法;

?天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)非手持終端測試方法;

?天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)非手持終端技術要求;

?天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)手持終端測試方法;

?天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)手持終端技術要求。

2.1.2 TC11移動互聯(lián)網(wǎng)應用和終端技術組主要標準

TC11主要對新型終端進行標準化工作的研究,2022年利用北斗短報文實現(xiàn)智能手機直連衛(wèi)星的終端以來,TC11在WG3中快速對該種設備的技術要求與測試方法進行了標準的研究,面向北斗短報文終端產(chǎn)業(yè)的監(jiān)管,支持北斗短報文在移動智能終端上的正式商用。具體標準如下:

?民用蜂窩通信終端設備支持北斗三號短報文功能的技術要求;

?民用蜂窩通信終端設備支持北斗三號短報文功能的測試方法。

2.1.3 TC12航天通信技術組主要標準

TC12是傳統(tǒng)的航天通信技術標準組,目前在NTN等通信與航天融合的趨勢下,在地面通信網(wǎng)絡與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡融合等方面進行了大量的研究,具體如下。

(1) TC12 WG1工作組主要標準

TC12 WG1的研究重點是航天通信系統(tǒng),主要包括寬帶移動衛(wèi)星通信協(xié)議、寬帶VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)調制解調器等方面,具體如下:

?寬帶移動衛(wèi)星通信協(xié)議要求第1部分:總體;

?寬帶VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)單路單載波(SCPC)調制解調器空口協(xié)議規(guī)范;

?寬帶VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)調制解調器通用技術要求;

?寬帶VSAT衛(wèi)星通信系統(tǒng)調制解調器通用測試方法;

?寬帶移動衛(wèi)星通信協(xié)議要求第2部分:無線電接口物理層。

(2) TC12 WG2工作組主要標準

TC12 WG2的研究重點是航天通信應用。主要包括寬帶移動衛(wèi)星通信協(xié)議、天地一體5G網(wǎng)絡、衛(wèi)星網(wǎng)絡的LoRaWAN、航空機載通信等方面。具體如下:

?寬帶移動衛(wèi)星通信協(xié)議要求第3部分:鏈路層;

?寬帶移動衛(wèi)星通信協(xié)議要求第4部分:上層協(xié)議;

?天地一體5G網(wǎng)絡應用場景及需求;

?適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡的LoRaWAN技術要求;

?航空機載通信客艙基站子系統(tǒng)技術要求;

?航空機載通信艙內局域網(wǎng)子系統(tǒng)技術要求;

?航空機載通信ATG子系統(tǒng)技術要求;

?航空機載通信衛(wèi)星網(wǎng)絡子系統(tǒng)技術要求;

?航空機載通信系統(tǒng)總體技術要求;

?C/Ku/Ka頻段靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)中衛(wèi)星固定業(yè)務地球站發(fā)射設備射頻特性要求和測量方法。

(3) TC12 WG3工作組主要標準

TC12 WG3的研究重點在協(xié)同組網(wǎng)通信技術,主要包括北斗短報文與地面網(wǎng)短消息互通、北斗短報文星地融合通信業(yè)務和北斗短報文與互聯(lián)網(wǎng)應用互通等方面,具體如下:

?北斗短報文與地面網(wǎng)短消息互通總體技術要求;

?北斗短報文星地融合通信業(yè)務總體要求;

?北斗短報文與互聯(lián)網(wǎng)應用互通技術要求;

?基于5G的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)第1部分:總體要求。

2.2 TAF團體標準

TAF是由中國信息通信研究院聯(lián)合行業(yè)各企業(yè),對我國通信團體標準進行制定的標準化組織,其中WG6衛(wèi)星終端技術組。協(xié)同我國各終端廠商、運營商等參加單位共同開展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)終端技術研究、標準制定和測試驗證,服務于國家需求與產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。

TAF WG6于2023年開展了衛(wèi)星終端標準化的技術研究工作,具體如下:

?衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)終端技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題研究[8];

?支持衛(wèi)星通信的移動智能終端技術要求和測試方法第1部分:多模天通衛(wèi)星終端[9];

?支持衛(wèi)星通信的移動智能終端技術要求和測試方法第2部分:低軌衛(wèi)星終端[10]。

值得注意的是,TAF WG6是我國第一個開展低軌衛(wèi)星通信終端標準化研制的標準化工作組,這是對未來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)廣泛部署階段及商用階段的終端標準化進行的有效技術預研,對我國未來低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的標準化發(fā)展和終端發(fā)展起到重要的基礎作用。

3 我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)標準化發(fā)展建議

3.1 完善并推動NTN技術路線

技術上,NR NTN能夠將成熟的地面移動通信技術復用于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,透明轉發(fā)和再生轉發(fā)的模式均將地面網(wǎng)絡在核心網(wǎng)管理、初始接入、上下行同步、尋呼管理等高層協(xié)議復用了地面網(wǎng)絡的技術,針對性地對衛(wèi)星高試驗和大多普勒頻移的特點進行了增強;商業(yè)上,NTN對地面運營商、終端及芯片廠商等傳統(tǒng)通信行業(yè)進入衛(wèi)星網(wǎng)絡的壁壘極低,在垂直行業(yè)上多年深耕也有利于衛(wèi)星行業(yè)拓展其在通信領域的應用面和消費群體。因此,目前NTN是有利于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)發(fā)展的最佳路線,產(chǎn)業(yè)各方應積極推進NTN技術發(fā)展,推動傳統(tǒng)的衛(wèi)星行業(yè)和通信行業(yè)雙向奔赴。

3.2 加強手持終端標準的完備性

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)終端的形態(tài)目前尚不確定,手持衛(wèi)星終端將是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)展的亮點。目前包括3GPP在內的各標準化組織對小型地面站、物聯(lián)網(wǎng)類型終端的技術標準進行了充分的研究和制定。面向手機直連,考慮到太空衛(wèi)星的全球業(yè)務可實現(xiàn)性、終端連接衛(wèi)星的業(yè)務穩(wěn)定性等,應盡快完善手持衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)終端在信息安全、OTA技術要求和測量方法、射頻要求、SAR等方面的技術要求以及相關的標準,同時加強研究手機直連在搶險救災、大型活動等場景下是否會對有效的衛(wèi)星資源進行擠占問題和對應的管理策略。為我國管理部門對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)終端的監(jiān)管提供有效抓手,強化衛(wèi)星直連手機業(yè)務的健康生態(tài)和行業(yè)自律。

4 結束語

對NTN以及各類私有協(xié)議的標準化進程正逐步加快,能夠對現(xiàn)有的各類技術進行快速協(xié)調,使行業(yè)達成統(tǒng)一,推進衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。但多類衛(wèi)星體制,也對行業(yè)推行何種衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的路線產(chǎn)生了不同的引導,終端廠商與運營商將主推NTN的統(tǒng)一技術標準,已完成衛(wèi)星星座建設的企業(yè)將主推各自的私有技術體制,但完成對NTN的兼容將是衛(wèi)星企業(yè)不得不采取的路線,標準化的發(fā)展也將呈現(xiàn)NTN為主、私有體制為輔的發(fā)展趨勢。