與5G/6G融合的低軌星座思考

作者 | 孫晨華（中國電子科技集團公司第五十四研究所）

本文由《衛星與網絡》整理自2019衛星應用大會嘉賓現場演講，有少許不改動原意的編輯

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

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要利用好5G技術，實現天地一體化，首先要了解它。

一、5G/6G技術發展認識

（一）關于5G

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

1、新應用場景與新能力指標

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

圖1 三大應用場景

如圖2所示，這些能力指標除傳統的峰值速率、移動性、時延和頻譜效率外，還提出了用戶體驗速率、連接數密度、流量密度和能效四個新增關鍵能力指標。新的能力指標更細致地刻畫了網絡，也更關注用戶的體驗。這八個應用指標在5G的狀態下，獲得了大幅度的能力提升。（參見圖3）

圖2 八大能力指標

圖3 4G與5G場景下八大指標的對比

2、能力指標與應用場景的關聯

其實三大應用場景和八大能力指標是相互關聯的，但是在不同的應用場景下，對八大能力指標的要求不同，參見圖4。

圖4 八大能力指標

舉例來說，增強寬帶主要強調極致容量和數據速率，以及深度感知；海量物聯重點強調超低復雜度、超低能耗、深度覆蓋；垂直行業應用則更看重高安全、超高可靠、超低時延和極致用戶移動性。

3、新技術特征

從圖5可以看出，由于頻率向寬頻段發展、區域向微小發展、容量向海量發展、服務向垂直多樣發展，因此在“接入網+核心網”基本物理架構不變的情況下，功能部署跟4G相比具有較大調整（基帶前移、組網密集、回傳多段、分布處理）。這些變化主要基于5G的一些新的技術的應用，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，或者說改變了網絡架構。

圖5 4G與5G在功能部署方面的區別

5G更關注以下5個方面的技術。

① SDN/NFV的網絡架構：控制和業務，軟件和硬件解耦。

4G更關注速率，關注移動的無線部分，而5G首先在網絡架構方面有很大的變化，如圖6三種云所示。

圖6 5G網絡架構的特點

②一體化融合空口。

圖7展示了融合的統一空中接口可變參數幀結構和靈活空口控制。

圖7 融合的統一空中接口示意圖

③網絡切片。

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

圖8 網絡切片示意圖

④邊緣計算。

地面網其實也在研究邊緣計算，它的總體功能就是為了實現就近服務，如圖9所示，提供更好的服務質量。

圖9 邊緣計算示意圖

⑤無線部分。

最傳統、研究最多的，其實就是更大規模的MIMO、新型多載波、新型編碼等技術，參見圖10。其實跟它相對應的，有一個統一的空口，之后各種波形都可以兼容，自適應各種不同的場景。

圖10 對于更大規模的MIMO、新型多載波、新型編碼等技術的需求激增

（二）關于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加衛星。近期有位中興通信的專家撰文，描述了十年以后，5G發展到一定程度之后，6G發展的一個愿景：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，這其中也體現了人工智能的技術；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，比現在的5G應該說高了很多。

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

第一：網絡全要素智能化技術：網元、網絡架構、終端、承載業務智能化、網絡管理智能化，衛星不智能、終端不智能、管控不智能都不行（解決“智能連接”的問題）。

第二：空間深度擴展技術并不單單指空天地海的立體連接，還包括深度感知、觸覺網絡、深度學習、深度數據挖掘、心靈感應、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

必須要有新的理念去支撐6G的發展，否則6G將無法發展。

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

非技術因素挑戰：行業壁壘；頻率分配與使用。

3、候選關鍵技術

根據6G的特點，我們總結出了一些候選技術。

第一：新頻譜通信技術：太赫茲、可見光。

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

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

（三）5G/6G與衛星通信

實際上，在5G的基礎上，研究補充天基網絡部分，能夠補充上網絡在“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絡技術特征，但是NTN架構涉及的衛星通信網絡與蜂窩網絡及技術體系依然彼此獨立，需要通過專門的網關設備進行交互。而到了6G時代，將真正實現天地一張網設計，動態使用天地頻譜、智能支持差異化服務，做到真正的無縫銜接。

二、低軌星座現狀

1、低軌星座類型

低軌星座目前無論國內國外都是熱點，如果十年內，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展非常迅速。

從圖11來看，物聯網部分的星座都是窄帶星座，而互聯網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。

圖11 低軌星座圖譜

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、多層衛星、星上處理的Starlink型，有數萬顆；將來恐怕會占據所有空間資源。

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12 有星間鏈和無星間鏈的區別

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

目前國網星座研究的主要是沒有星間鏈路的衛星星座，而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，大量衛星的星上處理和路由數據交換的組網協議是非常難解決的問題。5G技術應用于無星間鏈路和星上處理交換的星座時，可能關聯度比較高，如圖13所示，有配置星間鏈路和星上處理交換的星座，對于技術的要求非常高。

圖13展開后，細節如圖14所示，有星間鏈路的衛星之間信息互通可以不用通過關口站，而沒有星間鏈路的衛星，彼此之間要信息互通，則必須通過關口站轉接。所以，其實有星間鏈路的星座會更方便使用，但是由于技術復雜，研制難度更大。

圖13 兩種星座的工作示意圖

圖14 兩種不同星座間數據交換詳解示意圖

三、與5G/6G融合的低軌星座

1、5G/6G關注的主要是“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）

圖15 從互聯互通到網絡融合設計

①為什么融合？

從互聯網到移動互聯網，實現了固定網和移動網的高度融合，為滿足距離拓展、全球隨心通，互聯網、移動網、天基網融合是必然趨勢，最終要做到業務類型統一、用戶無感。

②怎么融合？融合到什么程度？

5G地面移動和衛星網的融合，現階段是不同的接入網加統一的核心網，這在業界是普遍認同的。而6G的天地融合，則完全不同，就是一張完整的網，這就是二者很大的區別（參見圖16），所以我認為5G和6G還是應該分階段研究。

圖16 從5G地面移動和衛星網融合到6G天地一體融合移動網

目前5G地面網是融合的，5G衛星網也是融合的（參見圖17），我們現在要做的，就是把二者融合起來。

圖17 從地面5G網到衛星5G網

目前無論是國際標準化組織還是相關企業等，對5G與衛星融合的研究基本基于上述兩種思路：應用關聯式融合、地面5G技術在衛星中應用、共用核心網的統一架構。另外，復雜星座技術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用，和地面應用在衛星上的適應性。

①3GPP

聚焦于融合和5G地面移動技術在衛星中的適應性。（圖18）

圖18 TR38.811中提出的星地融合網絡架構

Rel-14（5G研究項目）重點討論衛星在5G中的角色作用。

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

Rel-16（5G完整版標準）擬完成一體化標準研究，形成架構標準。

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，其中衛星與 5G 融合問題將是重要研究議題。

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

圖19 4種應用場景

注重應用場景，衛星的各種回傳，不是一個深入的融合，但是在頻率的復用上是應當考慮的。

3、國外相關機構、企業研究情況

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

①側重地面5G技術在衛星中的應用。

●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聯盟

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

②側重衛星特殊問題解決并吸收5G地面移動技術。

●OneWeb

已發射6顆試驗星，天星地網架構，下行SC-TDM、上行DFTS-OFDM ，融合DVB和地面5G傳輸體制。

●Starlink

超大規模衛星數量、多層軌道被認為能在6G時代彎道超車的代表。

4、國內研究情況

①衛星通信專業單位

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

圖20 采用衛星通信專業技術、解決衛星通信獨特問題、同時借鑒吸收地面移動通信技術

國內衛星通信技術的發展，從一開始就借鑒了2G移動的技術，例如天通衛星，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，首先解決衛星高軌移動通信的大容量問題，到現在國防科工局5G與衛星融合的項目，其實都是首先解決衛星的問題，再看看地面移動的技術是否能為衛星所用。

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

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應用于衛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吸收應用到衛星上。

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架構研究。

就架構來說，地面網的架構衛星是可用的。（參見圖21）

圖21 SDN/NFV架構研究示意圖

SDN/NFV的優點：控制與業務分離、軟件和硬件分離。

對低軌星座的適應性：非常適合。

實現思路：SDN實現控制和業務分離，控制中心向地面下沉，減少星上處理壓力，星地構成轉發云（54所已實現，并在軌驗證）。

NFV:主要基于資源池化和統一編排，實現軟硬件解耦，這在無線技術中是比較難的，目前正在研究。

②衛星接入網切片技術研究。

切片技術在衛星中也是可以借鑒的（圖22），如果能實現切片，才能支撐虛擬化。這里的5G給的是一個概念化的圖，至于5G的地面網絡怎么切片，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。支撐不同的功能應用分割、實現資源和應用支持解耦。

圖22 衛星接入網切片技術概念圖

目前該項技術尚沒有獲得突破。對衛星接入網資源類型多，如何切片、如何統一表征需要深入研究。

③地面移動傳輸技術在衛星中的適應性研究。

我們一直在考慮把地面移動傳輸技術應用到衛星中去，（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百倍；多普勒頻偏是地面移動的數百倍；多普勒頻偏變化率是地面的數百倍；波束覆蓋是地面小區寬度上百倍。

圖23地面移動傳輸技術應用

總的來說，衛星具有場景復雜、功率受限、多普勒頻移大、單波束、單衛星節點用戶數多等特點，因此，地面5G移動傳輸體制優勢難以發揮，沒有辦法直接移植到衛星系統中加以應用。

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

④星上處理低軌星座組網協議研究

為什么說星間組網協議是難點，因為地面站是固定不動的，而星上組網是一個倒掛的模式，容易受限，如圖24所示，而且路由計算數量巨大，因此需要設計適合的架構和協議，適應衛星高動態和衛星載荷有限處理能力。

圖24 星上處理模式組網協議

針對這些問題，54所天基網絡協議團隊，經過多年研究，提出了一套自主可控組網協議。協議特點主要包括：身份位置分離；數據、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。（參見圖25）

圖25 可控組網協議工作模式示意圖

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

⑤邊緣計算等。

6、關于5G融合的低軌星座關鍵技術的小結

第一、地面移動傳輸技術在衛星中的適應性需要深入研究。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，是提升系統容量的有效途徑，這個將作為研究的重點。

第二，接入網的切片技術是難點，需要有所突破；

第三，邊緣計算的應用，需要加大研究。

7、今后的研究思路

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

第二：與傳統衛星通信體制結合出發（單波束下）開展準恒包絡、恒包絡、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計信道信息的傳輸方案，基于干擾抵消的多用戶聯合接收；

第四：借鑒5G的融合空口思路，研究適合不同頻率、不同場景的衛星5G、6G融合空口設計。

8、關于6G衛星與低軌星座

6G提出了全要素智能、全息、泛在等需求。目前的低軌星座設計，解決了6G“泛在”的一部分問題，從這個角度看“6G=5G+衛星”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（衛星、終端、關口站），具有自聚合通信架構的低軌星座系統需要打破天、地界限，開展共頻譜、共網絡的一張網研究。

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星通信系統技術研究和產品研發。在天基網絡協議和天基網絡技術體制方面有所長，地面移動方面研究較少。但是天網、地網的融合，傳輸網與信息網融合是未來發展趨勢，這需要多專業、多學科交流、分享、共同開展研究。

希望與各位衛星通信（天基網絡）領域、地面移動通信領域、人工智能等各領域專家，有更多的合作互動，共同推動我國全球覆蓋網絡的快速發展。

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編輯：林紫、娜娜

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