手機(jī)直連衛(wèi)星 | 專家特稿：新一代星地融合通信的“前世”與“今生”

隨著5G的快速發(fā)展、新技術(shù)的不斷突破以及由此引發(fā)的交叉融合，移動通信從“移動互聯(lián)”走到“萬物互聯(lián)”，并進(jìn)一步向“萬物智聯(lián)”發(fā)展。而6G的數(shù)據(jù)傳輸速率可能是5G的50倍，時延縮短到5G的十分之一，6G在峰值速率、時延、流量密度、連接密度、移動性、頻譜效率和定位能力等方面遠(yuǎn)優(yōu)于5G，特別是增強(qiáng)的無處不在的覆蓋能力是6G核心能力，對賦能各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、推動人類社會邁入智能化時代具有非常重要的作用。

星地融合通信作為未來6G的關(guān)鍵技術(shù)之一，可有效解決天空、海洋、沙漠、人口稀少地區(qū)等地面通信網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋或覆蓋成本過高的問題，以及地震、洪水等自然災(zāi)害下的應(yīng)急通信問題。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋融合地面移動通信的寬帶傳輸能力，將助力6G實現(xiàn)超大規(guī)模連接、泛在連接等。目前，國際電信聯(lián)盟（ITU）和第三代合作伙伴計劃（3GPP）等國際標(biāo)準(zhǔn)組織，以及中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）等國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)組織已面向新一代星地融合系統(tǒng)提出了愿景和需求。本文將重點(diǎn)分析新一代星地融合通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展情況。

星地融合通信標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)展

目前，ITU、3GPP、CCSA等國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)組織正在開展星地融合通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。星地融合通信標(biāo)準(zhǔn)將基于地面移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，結(jié)合衛(wèi)星高時延、高動態(tài)等特點(diǎn)做出相應(yīng)的增強(qiáng)，最終實現(xiàn)星地融合、天地一體的美好通信愿景。

ITU國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

早在3G研發(fā)時期，ITU就啟動了關(guān)于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合的研究。在《IMT-2000和IMT-2000后續(xù)系統(tǒng)未來發(fā)展的框架和總體目標(biāo)》建議書中，明確提出了衛(wèi)星將進(jìn)一步擴(kuò)展地面IMT-2000網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，特別是農(nóng)村、沙漠、海洋和天空等。

2010年，ITU SG4 WP4B工作組啟動了關(guān)于衛(wèi)星與IMT-Advanced融合的研究，并于2012年完成了關(guān)于IMT-Advanced衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)愿景與需求的報告。該報告提出了IMT-Advanced衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的愿景，對應(yīng)用場景、業(yè)務(wù)、系統(tǒng)、無線電接口和網(wǎng)絡(luò)等方面進(jìn)行了分析與研究，并提出IMT-Advanced衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能和性能需求。此外，該報告還提出評估IMT-Advanced衛(wèi)星技術(shù)的方法，以便向全世界征集候選技術(shù)。在完成《IMT-Advanced衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的愿景與需求報告》之后，ITU對外發(fā)出了通函（Circular Letter）以征集IMT-Advanced衛(wèi)星候選技術(shù)。我國隨即啟動了一系列基于IMT-Advanced標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星移動通信技術(shù)研究，并于2012年5月向ITU-R提交了IMT-Advanced衛(wèi)星技術(shù)方案BMSat。最終BMSat技術(shù)被ITU正式采納，成為IMT-Advanced衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

為推動5G衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)國際化，我國在2021年2月的ITU-R SG4 WP4B第48次會議上提交了5G衛(wèi)星無線電接口標(biāo)準(zhǔn)工作計劃，旨在啟動新一輪的5G衛(wèi)星技術(shù)研究工作。在2021年7月的ITU-R SG4 WP4B第49次會議中，我國提交了5G衛(wèi)星愿景、技術(shù)需求和評估方法報告書的立項建議，并通過了會議審查。在2022年9月，經(jīng)過我國與美國、加拿大、俄羅斯、法國、韓國、日本等國家，以及高通、蘋果、愛立信、泰雷茲、海事衛(wèi)星、銥星等企業(yè)專家的深入研討，最終在ITU-R SG4 WP4B第52次會議和SG4全會上，由中國信通院牽頭制定的《5G衛(wèi)星無線電接口愿景、需求和評估方法（Vision, requirements and evaluation guidelines for satellite radio interface(s) of IMT-2020）》國際標(biāo)準(zhǔn)正式獲得通過。

《5G衛(wèi)星無線電接口愿景、需求和評估方法》明確了5G衛(wèi)星融合通信系統(tǒng)的三大應(yīng)用場景分別是eMBB-s（增強(qiáng)衛(wèi)星移動寬帶）、mMTC-s（海量機(jī)器類衛(wèi)星通信）、HRC-s（高可靠衛(wèi)星通信）。在eMBB-s場景下，5G衛(wèi)星系統(tǒng)將依托星地融合空口技術(shù)為航空、海事、偏遠(yuǎn)地區(qū)的終端提供高速傳輸業(yè)務(wù)。在mMTC-s場景下，5G衛(wèi)星系統(tǒng)將依托衛(wèi)星大波束、廣覆蓋的能力，為海量MTC終端提供接入能力。在HRC-s場景下，面向地震、海嘯、火災(zāi)等強(qiáng)災(zāi)害現(xiàn)場，星地融合系統(tǒng)可以提供應(yīng)急通信服務(wù)，降低人員傷害和減少財產(chǎn)損失。同時，為滿足三大應(yīng)用場景需求，《5G衛(wèi)星無線電接口愿景、需求和評估方法》定義了多項技術(shù)性能指標(biāo)，包括速率、頻譜效率、時延、可靠性、移動性和帶寬等，如表1所示。

表1 《5G衛(wèi)星無線電接口愿景、需求和評估方法》定義的5G衛(wèi)星技術(shù)性能指標(biāo)

2022年11月，ITU-R對外發(fā)出了通函，邀請各成員國、相關(guān)組織機(jī)構(gòu)提交5G衛(wèi)星候選技術(shù)，并根據(jù)《5G衛(wèi)星無線電接口愿景、需求和評估方法》中的內(nèi)容開展自評估工作。2023年6月30日，在ITU-R SG4 WP4B全會上通過了首個面向6G衛(wèi)星研究項目——《衛(wèi)星國際移動通信（IMT）未來技術(shù)趨勢》的立項。根據(jù)目前的工作計劃，該項目將于2026年上半年完成?！缎l(wèi)星國際移動通信（IMT）未來技術(shù)趨勢》涉及的主要技術(shù)包括：調(diào)制編碼、時間和頻率同步、波束跳變、衛(wèi)星與地面系統(tǒng)頻譜共享等無線接口技術(shù)，星地融合通信、高低軌融合、星間鏈路、星間組網(wǎng)、星上處理等衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，手機(jī)直連衛(wèi)星、衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)等終端技術(shù)。

3GPP國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

非地面網(wǎng)絡(luò)（Non Terrestrial Network，NTN）是3GPP從Rel-15階段開始設(shè)立的研究項目。該項目聚焦于基于地面移動通信技術(shù)的終端與衛(wèi)星、高空平臺和無人機(jī)等組成的非地面網(wǎng)絡(luò)直接通信的技術(shù)研究，目前研究的重點(diǎn)是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。相對于地面移動通信網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)存在高時延、高動態(tài)、信號衰減大等問題。因此，3GPP NTN項目在5G移動通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)議增強(qiáng)，研究了時序調(diào)度管理、HARQ增強(qiáng)、高動態(tài)下的時頻同步、海量尋呼等關(guān)鍵技術(shù)。

2020年，在3GPP Rel-17階段全面開展了NTN標(biāo)準(zhǔn)研究，針對NTN網(wǎng)絡(luò)涉及的無線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)、終端等方面開展技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定工作。NTN項目也被分成了IoT NTN（基于非地面網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)終端接入）和NR NTN（基于非地面網(wǎng)絡(luò)的5G智能終端接入）兩個標(biāo)準(zhǔn)項目。IoT NTN側(cè)重支持低復(fù)雜度eMTC和NB-IoT終端的衛(wèi)星物聯(lián)業(yè)務(wù)，NR NTN采用5G NR框架來實現(xiàn)“智能手機(jī)直連衛(wèi)星”并提供數(shù)據(jù)服務(wù)和語音服務(wù)。

在3GPP NTN項目中，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以分為透明轉(zhuǎn)發(fā)和星上再生兩種。其中，透明轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是指衛(wèi)星在通信服務(wù)中不對信號、波形等進(jìn)行處理，僅作為射頻放大器對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，如圖1所示。

圖1 3GPP NTN透明轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

星上再生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是指衛(wèi)星除了射頻放大外，還具有調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼、交換、路由等處理能力，如圖2所示?；诳稍偕Ｊ降男l(wèi)星具有一定的星上處理能力，因此具備為終端提供接入網(wǎng)部分功能（DU）或接入網(wǎng)全部功能（CU+DU），甚至核心網(wǎng)功能的能力，在這種模式下衛(wèi)星之間可通過星間鏈路（Inter-satellite link，ISL）進(jìn)行星間信息交互。

圖2 3GPP NTN星上再生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前在3GPP Rel-17/18階段，NTN項目主要研究透明轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該結(jié)構(gòu)對衛(wèi)星的制造和性能要求不高，適于用初期階段。在后續(xù)Rel-19階段，NTN項目將重點(diǎn)研究星上再生的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和星間鏈路技術(shù)，進(jìn)一步提升星地融合網(wǎng)絡(luò)的性能和效率。

在頻率方面，NTN項目建議星地融合系統(tǒng)中的衛(wèi)星采用L和S頻段的衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)頻率，包括n256（上行：1980MHz—2010MHz；下行：2170MHz—2200MHz）、n255（上行：1626.5MHz—1660.5MHz；下行：1525MHz—1559MHz）、n254（上行：1610MHz—1626.5MHz；下行：2483.5MHz—2500MHz）和n253（上行：1668MHz—1675MHz；下行：1518MHz—1525MHz）。

CCSA國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

2021年8月，CCSA TC5 WG9及WG10聯(lián)合工作組設(shè)立了《基于5G的衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究》項目。該項目將圍繞基于5G的衛(wèi)星通信系統(tǒng)開展研究，研究內(nèi)容包括基于5G的衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)體系以及開展衛(wèi)星與5G融合的通信系統(tǒng)需要考慮的需求與技術(shù)問題，如應(yīng)用場景、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)需求、技術(shù)需求和關(guān)鍵技術(shù)等。

2021年11月，CCSA TC12 WG2工作組設(shè)立了《基于IoT NTN的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)研究》項目。該項目將圍繞基于IoT NTN的衛(wèi)星通信系統(tǒng)開展研究，研究內(nèi)容主要包括：基于NB-IoT/eMTC NTN的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)需求和技術(shù)、行業(yè)中的應(yīng)用場景及需求、基于NB-IoT/eMTC NTN的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、NB-IoT/eMTC對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特性的協(xié)議適配拓展、衛(wèi)星地面站針對NB-IoT/eMTC NTN的改造要求、融合終端設(shè)計等，預(yù)期輸出應(yīng)用場景、業(yè)務(wù)需求、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、功能要求、關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容，可以指導(dǎo)未來天地融合的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。

2023年2月，CCSA TC12 WG1工作組討論通過了《基于5G的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)第1部分：總體要求》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)立項申請。該標(biāo)準(zhǔn)項目預(yù)期完成基于5G的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)總體技術(shù)規(guī)范，將以地面移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、3GPP NTN R17技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等為標(biāo)準(zhǔn)基線，形成包括核心網(wǎng)、接入網(wǎng)、終端、信關(guān)站等在內(nèi)的總體技術(shù)規(guī)范。2023年4月，CCSA TC5 WG9、WG10和WG12工作組瞄準(zhǔn)我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)需求，全面推進(jìn)基于3GPP NTN星地融合通信標(biāo)準(zhǔn)的立項。WG12工作組通過了《5G非地網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)技術(shù)要求（第一階段）》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)立項，該項目是國內(nèi)首個基于3GPP R17的非地面網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)立項，將對支持NTN的核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和規(guī)定，為衛(wèi)星核心網(wǎng)與地面核心網(wǎng)的互聯(lián)互通奠定技術(shù)基礎(chǔ)。WG9和WG10聯(lián)合工作組研究制定了基于3GPP NTN的窄帶物聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)體系，通過了《基于非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）的物聯(lián)網(wǎng)窄帶接入（NB-IoT）接入網(wǎng)總體技術(shù)要求（第一階段）》等5項系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)立項，包括接入網(wǎng)總體技術(shù)要求、衛(wèi)星接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備技術(shù)要求、衛(wèi)星接入節(jié)點(diǎn)設(shè)備測試方法、終端設(shè)備技術(shù)要求和終端設(shè)備測試方法。該系列行標(biāo)以3GPP R17的IoT NTN技術(shù)為基礎(chǔ)，將NB-IoT與衛(wèi)星通信相結(jié)合，助力構(gòu)建天地一體的窄帶物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。WG10工作組通過了《Ka頻段衛(wèi)星通信地球站相控陣天線技術(shù)要求》及配套的測試方法兩項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)立項。該項目是國內(nèi)首個衛(wèi)星相控陣天線標(biāo)準(zhǔn)項目，將拓寬衛(wèi)星動中通天線的型譜，推動衛(wèi)星相控陣天線的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和普及應(yīng)用。

新一代星地融合通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

目前星地融合通信系統(tǒng)的研究主要是針對無線側(cè)進(jìn)行提升和增強(qiáng)，而新一代星地融合通信系統(tǒng)的研發(fā)重點(diǎn)是衛(wèi)星側(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，包括跳波束技術(shù)、多波束技術(shù)和星間鏈路技術(shù)等，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。

跳波束技術(shù)

在傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，通常是一顆衛(wèi)星通過多個波束為地面提供服務(wù)，多波束間共享衛(wèi)星的帶寬和功率，不同波束的覆蓋區(qū)域一般有部分重疊。但是用戶數(shù)量和業(yè)務(wù)需求的地理分布并不均衡，單一的波束分配方式可能會造成帶寬資源的浪費(fèi)。跳波束技術(shù)是利用時間切片技術(shù)來有效分配波束的工作范圍，從而提高衛(wèi)星資源的使用效率，滿足用戶動態(tài)的業(yè)務(wù)需求，在未來面向6G的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中具有巨大的應(yīng)用價值。衛(wèi)星跳波束技術(shù)最大的挑戰(zhàn)在于如何根據(jù)地面的業(yè)務(wù)需求，在特定的時隙中提供合適的帶寬和功率。未來新一代星地融合通信系統(tǒng)將具備一定的星上處理功能，衛(wèi)星側(cè)會根據(jù)地面用戶的業(yè)務(wù)需求，不斷調(diào)整波束的指向、頻點(diǎn)、工作時隙、帶寬以及功率等，從而有效提升整個系統(tǒng)的服務(wù)能力。

多波束技術(shù)

目前，由于通信衛(wèi)星的信道特性，單顆衛(wèi)星僅能為用戶提供單流的通信能力，即SISO。為了進(jìn)一步提高衛(wèi)星系統(tǒng)的通信容量，在未來新一代星地融合通信系統(tǒng)中會考慮采用衛(wèi)星多波束技術(shù)，增加衛(wèi)星波束數(shù)量、降低波束寬度以提高正交子空間數(shù)量，在同一時間內(nèi)支持更多用戶的接入，提高系統(tǒng)的通信容量。多波束技術(shù)根據(jù)衛(wèi)星的數(shù)量可以分為單星多波束技術(shù)和多星多波束技術(shù)。單星多波束技術(shù)是指單顆衛(wèi)星通過多個點(diǎn)波束為用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)，多個波束之間可以通過OFDM調(diào)制技術(shù)獲得正交的時頻資源并結(jié)合預(yù)編碼技術(shù)抑制波束間的干擾，從而提升系統(tǒng)的吞吐量。多星多波束技術(shù)是指通過多顆衛(wèi)星的多個單波束向用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星的高速移動，衛(wèi)星與用戶之間的相對位置也在快速變化。多顆衛(wèi)星與用戶之間的相對位置變化，會破壞波束間的相關(guān)性，降低系統(tǒng)的吞吐量，解決這一問題還需要進(jìn)一步開展相關(guān)研究。

星間鏈路技術(shù)

在新一代星地融合通信系統(tǒng)中，為進(jìn)一步提升衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的工作效率，將以同一軌道面及不同軌道面之間的衛(wèi)星大規(guī)模組網(wǎng)，實現(xiàn)高、中、低軌衛(wèi)星協(xié)同處理，以及衛(wèi)星與地面融合工作。由于激光鏈路具有大帶寬、點(diǎn)波束等技術(shù)特點(diǎn)，衛(wèi)星之間可以通過激光鏈路實現(xiàn)大容量、高速率、抗干擾性強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換，從而提升衛(wèi)星系統(tǒng)的性能。但由于激光鏈路的波束窄，容易造成接收衛(wèi)星精確對準(zhǔn)困難等問題，對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

結(jié)束語

星地融合網(wǎng)絡(luò)作為未來6G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將助力推動空天地一體化發(fā)展。目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)組織對于新一代星地融合通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作還處于初期階段，提出了愿景和需求，后續(xù)將開展關(guān)鍵技術(shù)研究以滿足新一代的通信系統(tǒng)要求。

作者：中國信息通信研究院 李俠宇 錢夢媛

責(zé)編/版式：王禹蓉

審核：舒文瓊

監(jiān)制：劉啟誠