與5G/6G融合的低軌星座思考

+孫晨華（中國電子科技集團公司第五十四研究所）

前一陣美國竭力遏制華為發(fā)展，恰恰凸顯了中國目前在5G領(lǐng)域確實處于領(lǐng)先的地位，但是低軌星座我國目前還是非常弱勢的，所以我們要積極發(fā)展低軌星座，盡可能采用全球領(lǐng)先的技術(shù)，尤其是要把我國的5G技術(shù)做到全球，就必須把低軌星座也考慮進去，要有天地一體化的思路。

要利用好5G技術(shù)，實現(xiàn)天地一體化，首先要了解它。

一、5G/6G技術(shù)發(fā)展認識

（一）關(guān)于5G

眾所周知，5G的愿景非常美好：信息隨心至，萬物觸手及。但是我們更關(guān)心能支撐這種愿景的落地技術(shù)，主要有三個方面：新應(yīng)用場景、新能力指標和新技術(shù)特征。

1、新應(yīng)用場景與新能力指標

5G技術(shù)的三大應(yīng)用場景為增強移動寬帶、海量機器類通信（物聯(lián)網(wǎng)）及超高可靠低時延通信（垂直行業(yè)）。（參見圖1）

如圖2所示，這些能力指標除傳統(tǒng)的峰值速率、移動性、時延和頻譜效率外，還提出了用戶體驗速率、連接數(shù)密度、流量密度和能效四個新增關(guān)鍵能力指標。新的能力指標更細致地刻畫了網(wǎng)絡(luò)，也更關(guān)注用戶的體驗。

這八個應(yīng)用指標在5G的狀態(tài)下，獲得了大幅度的能力提升。（參見圖3）

2、能力指標與應(yīng)用場景的關(guān)聯(lián)

其實三大應(yīng)用場景和八大能力指標是相互關(guān)聯(lián)的，但是在不同的應(yīng)用場景下，對八大能力指標的要求不同，參見圖4。

舉例來說，增強寬帶主要強調(diào)極致容量和數(shù)據(jù)速率，以及深度感知；海量物聯(lián)重點強調(diào)超低復(fù)雜度、超低能耗、深度覆蓋；垂直行業(yè)應(yīng)用則更看重高安全、超高可靠、超低時延和極致用戶移動性。

圖1 三大應(yīng)用場景

圖2 八大能力指標

圖3 4G與5G場景下八大指標的對比

圖4 八大能力指標

3、新技術(shù)特征

從圖5可以看出，由于頻率向?qū)掝l段發(fā)展、區(qū)域向微小發(fā)展、容量向海量發(fā)展、服務(wù)向垂直多樣發(fā)展，因此在“接入網(wǎng)+核心網(wǎng)”基本物理架構(gòu)不變的情況下，功能部署跟4G相比具有較大調(diào)整（基帶前移、組網(wǎng)密集、回傳多段、分布處理）。這些變化主要基于5G的一些新的技術(shù)的應(yīng)用，比如它的頻段特別寬，容量特別大，它的LE層平移到了射頻的部分，實時處理做了一個分布式等等，這其實改變了功能部署背后的架構(gòu)，或者說改變了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

5G更關(guān)注以下5個方面的技術(shù)。

①SDN/NFV的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：控制和業(yè)務(wù)，軟件和硬件解耦。

4G更關(guān)注速率，關(guān)注移動的無線部分，而5G首先在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面有很大的變化，如圖6三種云所示。

②一體化融合空口。

圖7展示了融合的統(tǒng)一空中接口可變參數(shù)幀結(jié)構(gòu)和靈活空口控制。

③網(wǎng)絡(luò)切片。

5G的應(yīng)用場景比4G要寬泛的多，都要用這樣的一張網(wǎng)、這樣一個資源，所以就要把網(wǎng)絡(luò)切成多個虛擬且相互隔離的子網(wǎng)絡(luò)，如圖8所示，每個虛擬網(wǎng)絡(luò)面向不同的應(yīng)用場景需求。

④邊緣計算。

地面網(wǎng)其實也在研究邊緣計算，它的總體功能就是為了實現(xiàn)就近服務(wù)，如圖9所示，提供更好的服務(wù)質(zhì)量。

⑤無線部分。

最傳統(tǒng)、研究最多的，其實就是更大規(guī)模的MIMO、新型多載波、新型編碼等技術(shù)，參見圖10。其實跟它相對應(yīng)的，有一個統(tǒng)一的空口，之后各種波形都可以兼容，自適應(yīng)各種不同的場景。

圖5 4G與5G在功能部署方面的區(qū)別

圖6 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點

圖7 融合的統(tǒng)一空中接口示意圖

圖8 網(wǎng)絡(luò)切片示意圖

圖9 邊緣計算示意圖

圖10 對于更大規(guī)模的MIMO、新型多載波、新型編碼等技術(shù)的需求激增

（二）關(guān)于6G

1、6G的概念

對于6G的概念，前期其實是模糊的，有人說，6G等于5G加衛(wèi)星。近期有位中興通信的專家撰文，描述了十年以后，5G發(fā)展到一定程度之后，6G發(fā)展的一個愿景：智慧連接、深度連接、全息連接、泛在連接。簡單來說就是“一念天地、萬物隨心”。而這里所說的“念”，強調(diào)的是實時性和思維與思維通信的深度連接，我想到什么，就可以馬上連接，這其中也體現(xiàn)了人工智能的技術(shù)；所謂的“天地”，是指空天地海無處不在的泛在連接；而這里的“隨心”則體現(xiàn)了無處不在的沉浸式全息交互體驗，即全息連接。這個要求，比現(xiàn)在的5G應(yīng)該說高了很多。

也就是說，6G比5G要超前一大步，而不僅僅是5G加衛(wèi)星那么簡單，而要實現(xiàn)以上的目標，具體技術(shù)有以下幾個方面：

第一：網(wǎng)絡(luò)全要素智能化技術(shù)：網(wǎng)元、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、終端、承載業(yè)務(wù)智能化、網(wǎng)絡(luò)管理智能化，衛(wèi)星不智能、終端不智能、管控不智能都不行（解決“智能連接”的問題）。

第二：空間深度擴展技術(shù)并不單單指空天地海的立體連接，還包括深度感知、觸覺網(wǎng)絡(luò)、深度學習、深度數(shù)據(jù)挖掘、心靈感應(yīng)、思維與思維的直接交互（解決“深度連接”的問題）。

第三：全息通信、高保真AR/VR，隨時隨地無縫覆蓋的AR/VR（解決“全息連接”問題）。

第四：深地、深海、深空、極地、沙漠、孤島等通信（解決“泛在連接”問題）。

2、6G的需求與挑戰(zhàn)

必須要有新的理念去支撐6G的發(fā)展，否則6G將無法發(fā)展。

技術(shù)因素挑戰(zhàn)：隨時隨地的峰值速率（Tb/s太比特時代）、網(wǎng)絡(luò)平均速率、低時延、更高效能；隨時隨地的連接；全新理論與技術(shù)；自聚合通信架構(gòu)。

非技術(shù)因素挑戰(zhàn)：行業(yè)壁壘；頻率分配與使用。

3、候選關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)6G的特點，我們總結(jié)出了一些候選技術(shù)。

第一：新頻譜通信技術(shù)：太赫茲、可見光。

第二：基礎(chǔ)性技術(shù)：稀疏理論-壓縮感知、全新信道編碼、超大規(guī)模天線、靈活頻譜技術(shù)、頻譜共享、全自由度雙工、基于AI的無線通信技術(shù)。

第三：專有技術(shù)特性：空天地海一體化通信（天地一體化、水下通信）、無線觸覺網(wǎng)絡(luò)。

（三）5G/6G與衛(wèi)星通信

圖11 低軌星座圖譜

圖12 有星間鏈和無星間鏈的區(qū)別

實際上，在5G的基礎(chǔ)上，研究補充天基網(wǎng)絡(luò)部分，能夠補充上網(wǎng)絡(luò)在“天”這一部分的缺陷，促使從5G向6G的大步邁進，增加通信空間的延伸。但這還不夠，必須面向未來，在人工智能、新頻譜利用和共用、新傳輸理論方面開展研究。

就目前來說，從3GPP的5G標準推進情況看，R16開始研究并標準化非陸地移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特征，但是NTN架構(gòu)涉及的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)及技術(shù)體系依然彼此獨立，需要通過專門的網(wǎng)關(guān)設(shè)備進行交互。而到了6G時代，將真正實現(xiàn)天地一張網(wǎng)設(shè)計，動態(tài)使用天地頻譜、智能支持差異化服務(wù)，做到真正的無縫銜接。

二、低軌星座現(xiàn)狀

1、低軌星座類型

低軌星座目前無論國內(nèi)國外都是熱點，如果十年內(nèi)，我們還不能完成低軌星座的部署，以后一定會處于非常被動的地位，可能連再發(fā)展的機會都沒有了。因為目前國外不但有低軌星座在運行，而且其新一代的星座發(fā)展非常迅速。

從圖11來看，物聯(lián)網(wǎng)部分的星座都是窄帶星座，而互聯(lián)網(wǎng)部分的幾個星座都是典型的寬帶星座，而且都是屬于美國的。

事實上，這些熱門的星座可以分成三大類：

第一種：星間無鏈路、星上不處理的OneWeb類型，數(shù)百顆星，全球布站；

第二種：星間全鏈路，星上處理的LeoSat類型，近百顆星；

第三種：星間鏈路有的有有的無、多層衛(wèi)星、星上處理的StarLink型，有數(shù)萬顆；將來恐怕會占據(jù)所有空間資源。

2、不同星座需要解決的特殊問題

除了以上三種劃分方式之外，其實最典型的可以分成如圖12所示的兩種，有星間鏈和無星間鏈，或者是這兩種的綜合。

圖13 兩種星座的工作示意圖

圖14 兩種不同星座間數(shù)據(jù)交換詳解示意圖

圖15 從互聯(lián)互通到網(wǎng)絡(luò)融合設(shè)計

有星間鏈路的星座可完全依托自身鏈路組網(wǎng)，而無星間鏈路的星座只能基于地面節(jié)點組網(wǎng)，需全球大規(guī)模布置地面站，不現(xiàn)實；且在南北極存在鏈路中斷。

目前國內(nèi)一些低軌星座研究的主要是沒有星間鏈路的星座，而中電科的天地一體化星座是有星間鏈路的。

但是對于有星間鏈路的星座來說，大量衛(wèi)星的星上處理和路由數(shù)據(jù)交換的組網(wǎng)協(xié)議是非常難解決的問題。5G技術(shù)應(yīng)用于無星間鏈路和星上處理交換的星座時，可能關(guān)聯(lián)度比較高，如圖13所示，有配置星間鏈路和星上處理交換的星座，對于技術(shù)的要求非常高。

圖13展開后，細節(jié)如圖14所示，有星間鏈路的衛(wèi)星之間信息互通可以不用通過關(guān)口站，而沒有星間鏈路的衛(wèi)星，彼此之間要信息互通，則必須通過關(guān)口站轉(zhuǎn)接。所以，其實有星間鏈路的星座會更方便使用，但是由于技術(shù)復(fù)雜，研制難度更大。

三、與5G/6G融合的低軌星座

1、5G/6G關(guān)注的主要是“融合”

但是為什么要融合？怎么融合？又要融合到什么程度？（參見圖15）

①為什么融合？

從互聯(lián)網(wǎng)到移動互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了固定網(wǎng)和移動網(wǎng)的高度融合，為滿足距離拓展、全球隨心通，互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)、天基網(wǎng)融合是必然趨勢，最終要做到業(yè)務(wù)類型統(tǒng)一、用戶無感。

②怎么融合？融合到什么程度？

5G地面移動和衛(wèi)星網(wǎng)的融合，現(xiàn)階段是不同的接入網(wǎng)加統(tǒng)一的核心網(wǎng)，這在業(yè)界是普遍認同的。而6G的天地融合，則完全不同，就是一張完整的網(wǎng)，這就是二者很大的區(qū)別（參見圖16），所以我認為5G和6G還是應(yīng)該分階段研究。

目前5G地面網(wǎng)是融合的，5G衛(wèi)星網(wǎng)也是融合的（參見圖17），我們現(xiàn)在要做的，就是把二者融合起來。

目前無論是國際標準化組織還是相關(guān)企業(yè)等，對5G與衛(wèi)星融合的研究基本基于上述兩種思路：應(yīng)用關(guān)聯(lián)式融合、地面5G技術(shù)在衛(wèi)星中應(yīng)用、共用核心網(wǎng)的統(tǒng)一架構(gòu)。另外，復(fù)雜星座技術(shù)特殊問題也臻待解決。

2、國際標準化組織研究情況

目前國際標準化組織研究的是天地互通的綜合應(yīng)用，和地面應(yīng)用在衛(wèi)星上的適應(yīng)性。

①3GPP

聚焦于融合和5G地面移動技術(shù)在衛(wèi)星中的適應(yīng)性。（圖18）

Rel-14（5G研究項目）重點討論衛(wèi)星在5G中的角色作用。

圖16 從5G地面移動和衛(wèi)星網(wǎng)融合到6G天地一體融合移動網(wǎng)

圖17 從地面5G網(wǎng)到衛(wèi)星5G網(wǎng)

圖18 TR38.811中提出的星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Rel-15（5G第一版標準）定義了衛(wèi)星在5G中的三大服務(wù)用例（連續(xù)、泛在、擴展）和初步融合架構(gòu)模型。

Rel-16（5G完整版標準）擬完成一體化標準研究，形成架構(gòu)標準。

Rel-17（包含 NTN研究）列為重點方向、開展多層研究。

②ITU

2018年7月成立 2030焦點組，其中衛(wèi)星與 5G 融合問題將是重要研究議題。

在4.25 GHz-86GHz 范圍內(nèi)探索 5G 新的可用頻率，并正在開展衛(wèi)星與 5G 的 頻譜共用研究。（參見圖19）

注重應(yīng)用場景，衛(wèi)星的各種回傳，不是一個深入的融合，但是在頻率的復(fù)用上是應(yīng)當考慮的。

3、國外相關(guān)機構(gòu)、企業(yè)研究情況

衛(wèi)星界更注重的還是衛(wèi)星的問題，在解決自己的問題的同時，再考慮哪些5G技術(shù)具有適用性。二者的思路不太一樣。

①側(cè)重地面5G技術(shù)在衛(wèi)星中的應(yīng)用。

●歐洲航天局

2014年以來，啟動 16個項目；多個項目組在場景、應(yīng)用、SDN/NFV/MEC、物理層、測試平臺等方面開展研究，向3GPP提出多項建議。

●歐洲SAT聯(lián)盟

2017年成立，有16家機構(gòu)；在融合架構(gòu)、SDN/ NFV/ MEC和 5G+衛(wèi)星等方面開展研究，向ETSI、ITU-T、3GPP 提交了多份提案。

②側(cè)重衛(wèi)星特殊問題解決并吸收5G地面移動技術(shù)。

●OneWeb

已發(fā)射6顆試驗星，天星地網(wǎng)架構(gòu)，下行SC-TDM、上行DFTS-OFDM，融合DVB和地面5G傳輸體制。

●Starlink

超大規(guī)模衛(wèi)星數(shù)量、多層軌道被認為能在6G時代彎道超車的代表。

4、國內(nèi)研究情況

①衛(wèi)星通信專業(yè)單位

以中國電科54所為核心的衛(wèi)星通信專業(yè)單位，走“采用衛(wèi)星通信專業(yè)技術(shù)、解決衛(wèi)星通信獨特問題、同時借鑒吸收地面移動通信技術(shù)”的路線。（參見圖20）

國內(nèi)衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，從一開始就借鑒了2G移動的技術(shù)，例如天通衛(wèi)星，到了后面863計劃，還有十二五、十三五支持的一些項目，借鑒的都是4G的技術(shù)，首先解決衛(wèi)星高軌移動通信的大容量問題，到現(xiàn)在國防科工局5G與衛(wèi)星融合的項目，其實都是首先解決衛(wèi)星的問題，再看看地面移動的技術(shù)是否能為衛(wèi)星所用。

可以說4G及之前的技術(shù)，為5G的融合打下了堅實的基礎(chǔ)，上層時延的適配已經(jīng)得到解決，這在5G融合中可以直接應(yīng)用。

圖19 4種應(yīng)用場景

圖20 采用衛(wèi)星通信專業(yè)技術(shù)、解決衛(wèi)星通信獨特問題、同時借鑒吸收地面移動通信技術(shù)

②地面移動單位

華為、信通院、中興等地面移動單位，則是沿著地面移動通信技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星移動通信場景開展研究，與3GPP等標準化組織思路相同。就是考慮怎么把地面的技術(shù)吸收應(yīng)用到衛(wèi)星上。

5、與5G融合的低軌星座研究重點及進展

總之，融合是必須的，那么目前研究的重點和進展如何呢？

①SDN/NFV架構(gòu)研究。

就架構(gòu)來說，地面網(wǎng)的架構(gòu)衛(wèi)星是可用的。（參見圖21）

SDN/NFV的優(yōu)點：控制與業(yè)務(wù)分離、軟件和硬件分離。

對低軌星座的適應(yīng)性：非常適合。

實現(xiàn)思路：SDN實現(xiàn)控制和業(yè)務(wù)分離，控制中心向地面下沉，減少星上處理壓力，星地構(gòu)成轉(zhuǎn)發(fā)云（54所已實現(xiàn)，并在軌驗證）。

NFV：主要基于資源池化和統(tǒng)一編排，實現(xiàn)軟硬件解耦，這在無線技術(shù)中是比較難的，目前正在研究。

②衛(wèi)星接入網(wǎng)切片技術(shù)研究。

切片技術(shù)在衛(wèi)星中也是可以借鑒的（圖22），如果能實現(xiàn)切片，才能支撐虛擬化。這里的5G給的是一個概念化的圖，至于5G的地面網(wǎng)絡(luò)怎么切片，最后可能落實到功能切片上，或者切成微功能，或者切成微服務(wù)。支撐不同的功能應(yīng)用分割、實現(xiàn)資源和應(yīng)用支持解耦。

目前該項技術(shù)尚沒有獲得突破。對衛(wèi)星接入網(wǎng)資源類型多，如何切片、如何統(tǒng)一表征需要深入研究。

③地面移動傳輸技術(shù)在衛(wèi)星中的適應(yīng)性研究。

我們一直在考慮把地面移動傳輸技術(shù)應(yīng)用到衛(wèi)星中去，（圖23）但是低軌星座具有自己的特殊性：鏈路損耗是地面移動的萬倍以上；傳輸時延是地面移動的數(shù)百倍；多普勒頻偏是地面移動的數(shù)百倍；多普勒頻偏變化率是地面的數(shù)百倍；波束覆蓋是地面小區(qū)寬度上百倍。

總的來說，衛(wèi)星具有場景復(fù)雜、功率受限、多普勒頻移大、單波束、單衛(wèi)星節(jié)點用戶數(shù)多等特點，因此，地面5G移動傳輸體制優(yōu)勢難以發(fā)揮，沒有辦法直接移植到衛(wèi)星系統(tǒng)中加以應(yīng)用。

而且衛(wèi)星具有相控陣天線MIMO效果不易發(fā)揮的特點，所以我們希望能有更多人士投入相關(guān)研究，解決系列關(guān)鍵技術(shù)，使衛(wèi)星多波束相當于地面的多波束，將部分地面移動技術(shù)引入，提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量，這樣才有更大的意義。

④星上處理低軌星座組網(wǎng)協(xié)議研究

為什么說星間組網(wǎng)協(xié)議是難點，因為地面站是固定不動的，而星上組網(wǎng)是一個倒掛的模式，容易受限，如圖24所示，而且路由計算數(shù)量巨大，因此需要設(shè)計適合的架構(gòu)和協(xié)議，適應(yīng)衛(wèi)星高動態(tài)和衛(wèi)星載荷有限處理能力。

針對這些問題，54所天基網(wǎng)絡(luò)協(xié)議團隊，經(jīng)過多年研究，提出了一套自主可控組網(wǎng)協(xié)議。協(xié)議特點主要包括：身份位置分離；數(shù)據(jù)、控制面分離；先天具有安全性；解決了移動性切換；大大降低星上資源需求；輕量化SDN，是個SDN廣域網(wǎng)。（參見圖25）

以上項目在我們近期發(fā)射的雙星低軌星間鏈路條件下，進行了驗證，效果令人滿意，這個成果也可以應(yīng)用到其他的項目里。

⑤邊緣計算等

6、關(guān)于5G融合的低軌星座關(guān)鍵技術(shù)的小結(jié)

圖21 SDN/NFV架構(gòu)研究示意圖

圖22 衛(wèi)星接入網(wǎng)切片技術(shù)概念圖

第一、地面移動傳輸技術(shù)在衛(wèi)星中的適應(yīng)性需要深入研究。力求突破，包括相控陣天線的MIMO效果的研究，也許在載荷配置不變的情況下，是提升系統(tǒng)容量的有效途徑，這個將作為研究的重點。

第二，接入網(wǎng)的切片技術(shù)是難點，需要有所突破；

第三，邊緣計算的應(yīng)用，需要加大研究。

7、今后的研究思路

第一：從地面移動體制應(yīng)用于衛(wèi)星出發(fā)（單波束下）研究高動態(tài)下的高精度信道估計、時頻同步捕獲與跟蹤算法；

第二：與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信體制結(jié)合出發(fā)（單波束下）開展準恒包絡(luò)、恒包絡(luò)、低峰均比、低功耗體制研究；

第三：多波束天線形成的MIMO效果（多波束下）基于不準確因子和統(tǒng)計信道信息的傳輸方案，基于干擾抵消的多用戶聯(lián)合接收；

第四：借鑒5G的融合空口思路，研究適合不同頻率、不同場景的衛(wèi)星5G、6G融合空口設(shè)計。

8、關(guān)于6G衛(wèi)星與低軌星座

6G提出了全要素智能、全息、泛在等需求。目前的低軌星座設(shè)計，解決了6G“泛在”的一部分問題，從這個角度看“6G=5G+衛(wèi)星”的說法有一定道理，但是不夠全面。

針對6G：需要研究新的更大容量（Tbps）、全要素智能（衛(wèi)星、終端、關(guān)口站），具有自聚合通信架構(gòu)的低軌星座系統(tǒng)需要打破天、地界限，開展共頻譜、共網(wǎng)絡(luò)的一張網(wǎng)研究。

建議：與6G融合的低軌星座研究，需要長時間逐步開展。

以上是關(guān)于5G/6G與低軌星座融合方面的一點粗淺看法。

我和我的團隊長期從事衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)研究和產(chǎn)品研發(fā)。在天基網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和天基網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制方面有所長，地面移動方面研究較少。但是天網(wǎng)、地網(wǎng)的融合，傳輸網(wǎng)與信息網(wǎng)融合是未來發(fā)展趨勢，這需要多專業(yè)、多學科交流、分享、共同開展研究。

希望與各位衛(wèi)星通信（天基網(wǎng)絡(luò)）領(lǐng)域、地面移動通信領(lǐng)域、人工智能等各領(lǐng)域?qū)＜遥懈嗟暮献骰?，共同推動我國全球覆蓋網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展。SATNET

圖23 地面移動傳輸技術(shù)應(yīng)用

圖24 星上處理模式組網(wǎng)協(xié)議

圖25 可控組網(wǎng)協(xié)議工作模式示意圖