衛(wèi)星通信與5G（上）

鐘 旻

0 引言

5G是人類社會邁向信息化更高度的產(chǎn)物，目標是要實現(xiàn)任何人、任何事物、任何時間、任何地方、任何業(yè)務、任何網(wǎng)絡之間的互連。但是人類生活在三維的立體空間里，單靠地面的5G設施與網(wǎng)絡，是難以達到上面所述的目標的，因此，便輪到衛(wèi)星通信“登場”了。在本講座中，我們將介紹衛(wèi)星通信在5G中的地位與作用，說明其在一些典型場景中的應用，并介紹衛(wèi)星通信系統(tǒng)的架構、技術體制，以及衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡的融合等。

1 衛(wèi)星在5G中的作用與典型應用[1]-[5]

1.1 衛(wèi)星在5G中地位與作用

由世界地理可知，地球上陸地面積為1.49億平方千米，約為地球表面積的29%。而占陸地面積7%的地區(qū)居住著全球70%的人口。但人類的活動是遍及全球的，天空中有飛機，太空中有載人飛船和空間站，海洋上有輪船，等等，因此，5G中安裝在地面上的各種基站和其他設施構成的網(wǎng)絡“鞭長莫及”，不可能完全滿足全球覆蓋的需要。在此情況下，衛(wèi)星則可發(fā)揮其優(yōu)勢，起到不可替代的作用。即使人們聚居的陸地上，也可能遇到自然災害（如地震、臺風）和某些突發(fā)事件，使基站等設施受到破壞，在修復前，只有借助于衛(wèi)星、高空平臺等通信載荷和通信終端，才能承擔通信指揮、組織搶救的職能。此外，在孤島、邊遠地區(qū)和特殊地區(qū)等惡劣條件下，只有衛(wèi)星才能提供全天候通信和數(shù)據(jù)傳輸。

圖1給出了衛(wèi)星在5G中的若干應用舉例，由此可見，通過通信衛(wèi)星可以擴展和補充地面網(wǎng)絡，使5G的覆蓋與連接更加完善。

1.2 衛(wèi)星在5G典型場景中的應用

圖1 衛(wèi)星在5G的若干應用舉例（圖來源：[1]）

ITU定義的5G三大應用場景是：增強型移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）及低時延高可靠通信（uRLLC），下面分別就衛(wèi)星在其中的應用進行說明。

（1）衛(wèi)星在eMBB場景中的應用。eMBB主要是指3D、超高清視頻等，提升以“人”為中心的娛樂、社交等個人消費業(yè)務的通信體驗，適用于高速率、大帶寬的移動寬帶業(yè)務。通過直播衛(wèi)星可提供高清電視、多媒體等直播到家的服務，這可與地面5G系統(tǒng)互為補充；對于地面蜂窩覆蓋區(qū)邊緣，以及遠地地面基礎設施難以架設的地區(qū)，如海洋、湖泊、沙漠、農(nóng)村，是衛(wèi)星“用武之地”；此外，衛(wèi)星還能為飛機、航天器和輪船等支持寬帶“動中通”。

（2）衛(wèi)星在mMTC場景中的應用。eMTC主要滿足海量物聯(lián)的通信需求，面向以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標的應用場景，大量的是窄帶互聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）的應用。在這樣的互聯(lián)網(wǎng)中，使用的是低復雜度、低能耗的傳感器和調(diào)節(jié)器，這些器件能感知、檢測物體，匯聚信息，通過互聯(lián)通信網(wǎng)絡能彼此交換信息。紅外傳感器、射頻標識器件（RFID）、攝像機、全球定位系統(tǒng)（GPS）和北斗系統(tǒng)終端等便是感知器件的例子。

廣域物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務：大量的互聯(lián)網(wǎng)器件分布在廣域，它們向一中心服務器報告信息或接受其控制，如油/氣管道等設施狀態(tài)的危急監(jiān)視、飛行器管理、長途貨運列車（如中歐班列）貨物跟蹤、數(shù)字簽收、鐵路扳道遙控等。

局域物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務：在這種應用中，互聯(lián)網(wǎng)器件用來收集局域（本地）數(shù)據(jù)并向中心服務器報告。某些典型應用可能是先進的智能計量儀表，或是卡車、輪船甲板上集裝箱等子系統(tǒng)的監(jiān)測報告子系統(tǒng)。

（3）衛(wèi)星在uRLLC場景中的應用。uRLLC是基于其低時延（1 ms或更低）和高可靠（99.999%）的特點，主要面向垂直行業(yè)的特殊應用需求，如無人駕駛汽車、工業(yè)自動化操作、遠程醫(yī)療高難度手術等。由于衛(wèi)星距地面數(shù)百千米以上，信號傳播時延遠大于1 ms，因此不可能直接支持此場景的應用。但在其中一些重要的場合，衛(wèi)星仍會有所作為。例如，跨越廣域的內(nèi)容廣播和局部（在網(wǎng)絡邊緣或直接到終端）智能高速緩存處理，可令用戶體驗時延是短于1 ms的。又如以汽車自動駕駛為例，利用衛(wèi)星廣播的廣域覆蓋能力，對于汽車軟件更新與業(yè)務更新等是非常有用的。

2 5G中的通信衛(wèi)星體制[6]-[8]

衛(wèi)星通信在全球的應用已有數(shù)十年的歷史，系統(tǒng)與技術都已十分成熟?，F(xiàn)要融入5G的體系，一方面，要充分發(fā)揮衛(wèi)星的優(yōu)勢，另一方面也要考慮到5G的特點，與之適配。通信衛(wèi)星是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心組成部分，與衛(wèi)星信道的建立和使用有著密切關系，對系統(tǒng)性能具有決定性的影響。通信衛(wèi)星的體制包括衛(wèi)星的軌道，星座分布，頻譜資源的利用和空中接口等。

2.1 衛(wèi)星的軌道

由天文學知，從地球表面發(fā)射人造衛(wèi)星達到一定速度時，衛(wèi)星將以圓軌道圍繞地球運轉(zhuǎn)。需要指出，無論衛(wèi)星在什么樣的高度上，都只能在“看得見”地球表面的那一部分區(qū)域，可利用衛(wèi)星作為通信的中繼站，實現(xiàn)覆蓋區(qū)內(nèi)用戶間的通信。而為了滿足通信區(qū)域的需要，人造衛(wèi)星必需嚴格在指定的軌道上運行。

地球衛(wèi)星軌道形狀有橢圓形和圓形兩種，地球的中心（簡稱地心）就處在橢圓的一個焦點或圓心上。按照軌道平面與赤道平面的夾角i（稱為軌道傾角）大小不同（如圖2所示），地球衛(wèi)星通信軌道可分為三種：赤道軌道（i=0°）；極軌道（i=90°）；傾斜軌道（0°

隨著對衛(wèi)星使用需求和技術的發(fā)展，在低軌道之下，增加了極低軌道（Very Low orbit， VLEO），其軌道高度在100–450 km之間，這樣就為大量的微型衛(wèi)星和更低傳播時延衛(wèi)星及其應用提供了豐富的軌道資源。

圖2 通信衛(wèi)星的軌道

圖3 GEO，HEO，MEO和LEO

如圖3所示，在高軌道中，當衛(wèi)星的軌道是圓形且在赤道平面上，衛(wèi)星離地面35，786.6 km，其飛行方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同，則從地面上任何一點看去，衛(wèi)星是“靜止”不動的，這種對地靜止的同步衛(wèi)星稱為靜止衛(wèi)星，其軌道為對地靜止軌道（Geostationary-Satellite Orbit， GSO）；更一般地，運轉(zhuǎn)周期等于地球繞其軸自轉(zhuǎn)周期（23小時56分）的地球衛(wèi)星稱為同步地球衛(wèi)星，其軌道稱為地球同步衛(wèi)星軌道（Geosynchronous Earth Orbit， GEO），其軌道高度與GSO相同。而另一種高橢圓軌道（High Elliptical Orbit， HEO），則是遠地點大于35，768 km的橢圓軌道。

在5G應用中，衛(wèi)星的覆蓋和路徑時延是最需關注的。以具有代表性的GEO，MEO和LEO為例，衛(wèi)星的高度、覆蓋和覆蓋區(qū)邊緣至衛(wèi)星的電波傳播時延如圖4和表1所示。

圖4 不同高度上的衛(wèi)星和對地球的覆蓋

表1 不同高度上的衛(wèi)星覆蓋區(qū)及電波傳播時延

由圖4和表1可見，GEO衛(wèi)星能獲得對地面的最大覆蓋，理論上，單顆衛(wèi)星可覆蓋除兩極區(qū)外約1/3的地球表面，也即用三顆GEO衛(wèi)星實現(xiàn)對全球的覆蓋（兩極極區(qū)除外），但其時延達百毫秒級，這對5G的超可靠、超低時延場景應用，是很不理想的。相反，LEO衛(wèi)星的時延甚短，若進一步降低其高度，則可獲得更短的時延。還要指出，對于GEO，MEO和LEO，距衛(wèi)星最近與最遠距離不同，傳播時延是不等的，其時延差稱為差分時延，例如，表1中三種軌道衛(wèi)星的差分時延分別為3 ms、7.2 ms和6.1 ms。另外，對于LEO，單星的覆蓋有限，為要實現(xiàn)對全球的無縫隙覆蓋，需要建立多星的星座系統(tǒng)。

此外，非靜止軌道（NGEO）中，衛(wèi)星與地面用戶存在相對運動，將產(chǎn)生多普勒頻移。計算表明，當衛(wèi)星高度為400 km、工作頻率為2.5 GHz時，最大多普勒頻移為59.4 kHz；而工作頻率為20 GHz時，最大多普勒頻移達到475 kHz。隨著衛(wèi)星與地面用戶之間相對位置的變化，多普勒頻移是時變的，在窄帶系統(tǒng)如（NB-IOT）的應用中，可能使載波頻率偏離濾波器的中心頻率，甚至漂出帶外；在信號一個碼元周期內(nèi)引入較大的相位誤差，嚴重影響載波的同步，并引起滑周等。必須采取有效的技術措施予以解決。

2.2 低軌星座系統(tǒng)

星座系統(tǒng)由多顆衛(wèi)星組成，衛(wèi)星的相互配合可以完成單顆衛(wèi)星難以實現(xiàn)的功能。理論上，包含在一個星座內(nèi)的衛(wèi)星可以位于任何軌道上，只要它們共同完成某一特定的任務就可以認為是一個星座。但從實際應用的角度考慮，星座系統(tǒng)設計應結(jié)合應用目的，具有較穩(wěn)定的構型。

衛(wèi)星星座可分為隨機星座和相位星座兩種，隨機星座由軌道高度和傾角均不相同的衛(wèi)星組成，由于這種星座的覆蓋有很大的冗余成分，并且衛(wèi)星的相對位置不確定。相位星座由時間上具有相對固定位置的衛(wèi)星組成，因此，可以利用各種優(yōu)化方法得到最佳的星座。同隨機星座相比，衛(wèi)星數(shù)量相同的條件下，相位衛(wèi)星星座的覆蓋面積相對較大，衛(wèi)星的可視時間相對較長。

為了能均勻地覆蓋南北半球，圓軌道的衛(wèi)星星座是常用的星座，描述其狀態(tài)和性能的參數(shù)主要有：星座的衛(wèi)星數(shù)量；衛(wèi)星軌道平面數(shù)量；衛(wèi)星軌道平面的傾角；不同軌道平面的相對間隔；每一軌道平面擁有的衛(wèi)星數(shù)；同一軌道平面內(nèi)衛(wèi)星的相對相位；相鄰軌道平面衛(wèi)星的相對相位；每顆衛(wèi)星的軌道高度（或軌道周期）。

LEO星座高度在600–2，000 km之間，是綜合考慮了空氣阻力和范?艾倫輻射帶的結(jié)果。如果衛(wèi)星高度太低，受大氣阻力影響，軌道壽命較短，并且原子腐蝕嚴重；高度更高，受范?艾倫輻射帶的環(huán)境影響，對衛(wèi)星提出更高的抗輻射要求，增加了衛(wèi)星設計的復雜性和衛(wèi)星重量。

如圖5所示，范?艾倫輻射帶是指在地球附近的近層宇宙空間中包圍著地球的高能輻射層，在赤道附近呈環(huán)狀繞著地球，并向極地彎曲。從1，500 km–6，000 km之間帶有高能粒子的空間稱為“內(nèi)帶”，13，000 km–20，000 km之間含較低高能粒子的高空稱為“外帶”。范?艾倫輻射帶內(nèi)的高能粒子對載人空間飛行器、衛(wèi)星等都有一定危害，其內(nèi)外帶之間的縫隙則是輻射較少的安全地帶。

圖5 范?艾倫輻射帶示意圖

衛(wèi)星5G應用中的一個重要特點是能夠在地面網(wǎng)絡不能覆蓋的地方提供通信服務，因此，星座通信系統(tǒng)應該具有完備的通信功能。星際鏈路是實現(xiàn)該功能的重要保證，它的運用對星座的結(jié)構有一定影響，同軌相鄰衛(wèi)星必須可見，同時衛(wèi)星的覆蓋區(qū)應該相互重疊，使得同軌衛(wèi)星的覆蓋區(qū)形成覆蓋帶。

（1）極地軌道星座，極地軌道星座衛(wèi)星軌道傾角接近90°，星座設計利用覆蓋帶組合的方法，組成星座的衛(wèi)星軌道高度一致，軌道傾角相同，同一軌道內(nèi)的衛(wèi)星等間隔分布，從而形成均勻一致的覆蓋通道，利用不同軌道平面的覆蓋通道的組合實現(xiàn)全球或緯度帶的覆蓋。同軌衛(wèi)星覆蓋帶關系圖如圖6所示，ψ為覆蓋帶半寬度，n為同軌衛(wèi)星數(shù)。

圖6 覆蓋帶寬度關系圖

（2）傾斜軌道星座。在傾斜軌道星座設計中，Walker星座得到廣泛的應用。在這種星座中，各軌道均為圓軌道，具有相同的軌道傾角和軌道周期，每個軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星均勻分布。Walker星座具有兩個特點：一是由于每顆衛(wèi)星的運動情況基本類似，所以各衛(wèi)星所受的攝動（即因宇宙中某些因素導致衛(wèi)星偏離理想軌道的現(xiàn)象）影響基本相同，衛(wèi)星間相互位置保持不變，星座整體的形狀保持不變；二是星座采用近圓軌道，衛(wèi)星運行的角速率基本保持恒定，對于全球均勻覆蓋極為有利。

圖7是利用低軌衛(wèi)星星座對全球?qū)崿F(xiàn)無縫隙覆蓋的三維視圖。實際上，衛(wèi)星星座與地面之間存在著相對運動，每顆衛(wèi)星對地面的覆蓋區(qū)隨衛(wèi)星的運動而移動，這里有幾點是值得注意和需要解決的：一是覆蓋區(qū)的切換，即衛(wèi)星更換后，地面上的用戶仍能保持通信線路連續(xù)不中斷；二是衛(wèi)星通過互連保證用戶能實現(xiàn)“全球通”；三是保證高速大容量的信息傳輸，這也是低軌通信衛(wèi)星體制的關鍵問題。

圖7 低軌星座的全球覆蓋三維示意圖

2.3 低軌衛(wèi)星星座覆蓋的關鍵技術

2.3.1 切換控制

將業(yè)務與控制由當前波束或衛(wèi)星轉(zhuǎn)移至相鄰波束或衛(wèi)星的過程，稱為切換控制。在地面蜂窩系統(tǒng)中，切換主要是由于用戶終端的移動造成的，而在衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，用戶終端的移動性已經(jīng)不再是造成切換的主要因素，衛(wèi)星的高速運動成為切換的主要原因。切換對用戶而言應當是透明的，也即是說用戶不應當感覺到切換的存在。衛(wèi)星切換主要包括網(wǎng)絡層的切換管理和鏈路層的切換管理，如圖8所示。

圖8 衛(wèi)星的切換管理

切換主要有三個過程：第一步是初始化，用戶終端或網(wǎng)絡根據(jù)衛(wèi)星與終端的相對位置、星座拓撲結(jié)構的變化以及系統(tǒng)通信質(zhì)量來確定是否需要進行越區(qū)切換。第二步是新連接的產(chǎn)生，這里必須為切換連接尋找新的資源和執(zhí)行一些路由選擇的操作。在由網(wǎng)絡控制的切換或移動終端輔助的切換過程中，由網(wǎng)絡產(chǎn)生新的連接；在由移動終端控制的越區(qū)切換中，由移動終端尋找新的資源。路由選擇用來避免大的時延抖動，平衡業(yè)務分布。第三步是數(shù)據(jù)流控制，將數(shù)據(jù)流從舊鏈路轉(zhuǎn)移到新鏈路上來。

2.3.2 星間鏈路

如圖9（a）所示，當兩個要通信的用戶在同一衛(wèi)星的覆蓋區(qū)內(nèi)時，可通過該衛(wèi)星彼此聯(lián)系；若二用戶分別位于二顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)，則需要通過二衛(wèi)星共視的地面網(wǎng)關站轉(zhuǎn)接，但因跳接數(shù)增加，時延加大，較好的辦法是通過如圖9（b）所示的星間鏈路連接。

星間鏈路（Inter-Satellite link， ISL）是指連接衛(wèi)星之間的無線電鏈路，其作用是將星座內(nèi)的各衛(wèi)星互連，構成一個天基網(wǎng)絡，進而實現(xiàn)信息的獲取、處理、傳輸和分發(fā)。

圖9（a） 同一覆蓋區(qū)終端之間通信

圖9（b） 不同衛(wèi)星覆蓋區(qū)內(nèi)用戶通信鏈路

按連接兩顆衛(wèi)星所處軌道的不同，星間鏈路可分成軌道面內(nèi)星間鏈路（Intra-ISL）和軌道面間星間鏈路（Inter-ISL）。就是說，Intra-ISL存在于一個軌道面內(nèi)相鄰兩顆衛(wèi)星之間，而Inter-ISL則存在于兩個不同軌道平面內(nèi)兩顆相鄰衛(wèi)星之間。其例如圖10所示。

星間鏈路可用毫米波或激光實現(xiàn)。一方面，所產(chǎn)生的波束應較窄，以免對其他衛(wèi)星產(chǎn)生干擾；另一方面，應具有較寬的頻帶，以支持高速、大容量的信息傳輸。建立星間鏈路有三個基本步驟：捕獲、跟蹤和通信。捕獲指的是通信雙方波束指向?qū)?，一旦成功后，便進入彼此瞄準的跟蹤狀態(tài)，進行星間信息傳輸。

圖10 具有星間鏈路的低軌星座圖

2.3.3 多波束天線

低軌衛(wèi)星對地覆蓋的區(qū)域距離達數(shù)百千米或更多，采用多波束覆蓋，即衛(wèi)星天線產(chǎn)生多個子波束對星下的視區(qū)形成蜂窩形的覆蓋，如圖11（a）所示；圖11（b）是某低軌衛(wèi)星的天線照射到地面的覆蓋圖，圖中的坐標表示沿經(jīng)、緯度的角度，共有48個窄波束，每個波束之間在峰值下降3 dB處相交，這樣可認為波束間是無縫連接的。

圖11（a） 衛(wèi)星天線的多波束覆蓋

圖11（b） 低軌衛(wèi)星48個波束產(chǎn)生的覆蓋圖

利用多波束技術的一個優(yōu)點是可實現(xiàn)同頻的多重復用，大大提高射頻頻帶利用率，以圖12為例，覆蓋區(qū)中使用了3個頻率，每一頻率和所占用的頻帶均能獲得13重復用的好處。

圖12 衛(wèi)星多波束的頻率復用

另一方面，由于多波束中每個子波束方向性增強，接收靈敏度（接收天線增益與接收系統(tǒng)噪聲溫度之比，G/T）和發(fā)射等效全向輻射功率（發(fā)射機射頻功率與天線增益之積，EIRP）提高，通信鏈路計算公式表明，系統(tǒng)的通信能力與這兩個參數(shù)成正比，高的G/T值和EIRP可支持更多的用戶和更大的通信容量。

2.4 頻譜利用

根據(jù)ITU-R的規(guī)定，分配給衛(wèi)星使用的頻率如圖13所示。

圖13 衛(wèi)星使用的頻率

20世紀末至21世紀初，L、S頻段用于移動衛(wèi)星通信，商用固定業(yè)務衛(wèi)星廣泛地采用C和Ku頻段，占用帶寬從500 MHz擴展至800 MHz；隨著通信容量的增長，再將頻譜擴展至Ka頻段，并向更高的頻段（Q、V、W）開拓。這是因為射頻越高，所能提供的頻帶越寬。據(jù)ITU-R的規(guī)定，（17 GHz–70 GHz）中分配給衛(wèi)星通信的頻帶如表2所示。

表2 17 GHz–70 GHz中分配給衛(wèi)星通信的頻帶

由表2可見，上述頻帶資源中，可供衛(wèi)星通信使用的帶寬達21.4 GHz，這是較低頻段無法做到的。注意到，這些高頻段資源，既考慮到了固定業(yè)務，也考慮了移動衛(wèi)星業(yè)務的需要，為二者大容量的需求提供了保障。

以往國際上對頻譜分配采用了固定指派的方式，許多頻譜已被傳統(tǒng)的業(yè)務占領，出現(xiàn)了一些頻譜資源閑置不用，或利用效率不高，而新出現(xiàn)的通信方式又分不到所需的頻譜資源。到5G時代，地面移動通信前幾代的頻譜已遠不能滿足需要，這促使人們尋求頻譜共享的規(guī)則與技術，如軟件定義無線電（SDR）、認知無線電（CR）等。

2.5 星上處理

通信衛(wèi)星的核心是通信有效載荷，包含天線和轉(zhuǎn)發(fā)器。按功能劃分，轉(zhuǎn)發(fā)器有透明（彎管式）和處理轉(zhuǎn)發(fā)器兩種。前者僅具有信號放大、變頻等功能，衛(wèi)星對來自地面的信號只具有接收轉(zhuǎn)發(fā)的作用；處理轉(zhuǎn)發(fā)器又稱再生轉(zhuǎn)發(fā)器，除具有轉(zhuǎn)發(fā)功能外，還有信號處理功能，包括對多波束信號的分路、交換（包括衛(wèi)星間、波束間和波束內(nèi)）、解調(diào)和再調(diào)制、解碼和再編碼、多址方式變換等；為實現(xiàn)頻譜共享，還需具有軟件定義無線電（SDR）和認知無線電（CR）的功能。作為例子，圖14給出了具有再生處理和非再生處理的轉(zhuǎn)發(fā)器組成框圖。在這兩種處理轉(zhuǎn)發(fā)器中，在接收端由多波束天線接收到的上行射頻信號，變換為中頻后，通過中頻交換矩陣，得到要送給用戶的各路信號，通過發(fā)射側(cè)的中頻交換矩陣，經(jīng)上變頻，進入多端口放大器到達多波束發(fā)射天線，發(fā)送給位于不同覆蓋區(qū)的用戶。例如，來自波束1、2、3的三個上行信號， 經(jīng)上述過程分別轉(zhuǎn)到下行波束2、3、1去，即1→2，2→3，3→1。對于具有再生處理的系統(tǒng)，則要將接收側(cè)中頻交換矩陣送來的信號加以處理，按要求進行解調(diào)-再調(diào)制和解碼-編碼等或其他波形變換，再作相應的下行處理，通過發(fā)端的多波束天線發(fā)向地面。

圖14 具有再生處理和非再生處理的轉(zhuǎn)發(fā)器組成框圖

（未完待續(xù)）