【前沿】“低轨卫星+5G”融合网络业务趋势、探索与挑战
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“低轨卫星+5G”融合网络业务
趋势、探索与挑战
文 | 胡悦、王光全、朱斌
前言
近年来，随着互联网/物联网的普及发展，以及机载、船载、空间中继等通信需求的日益增加，卫星通信进入以高通量卫星（HTS）、中低轨星座（NGSO）等技术系统为平台，以互联网应用为服务对象的卫星互联网发展阶段。同时，结合低轨卫星和5G网络的特性和优势，国际标准化组织也纷纷开展5G与卫星互联网融合问题的研究，定义“5G+卫星网络”的空、天、地、海泛在一体化移动通信网络，并延伸到未来6G网络的发展趋势。可以看出，卫星网络与5G融合发展、6G深度应用是未来通信发展的重要方向，已逐步成为通信网络界的关注焦点。
1、卫星通信网络业务背景
卫星通信是以卫星为中继节点的无线通信方式。具有覆盖地域广、建设速度快、抗毁能力强等优势，相比5G网络具有“三维优势”，可弥补全球地面通信网络的覆盖死角。卫星通信系统主要包括通信卫星（核心设施）、地面通信站以及对卫星跟踪遥测的地面测控监测系统。
传统卫星通信主要为中高轨卫星，技术相对成熟，但由于距离地球距离较远，存在较高的传输时延和链路损耗，并且受数量等原因限制，可用带宽较小，资费较高。大大限制了卫星通信作为民用业务的普及。
如今卫星通信已呈现商业化、规模化、低轨道小型星座化发展趋势。随着政策开放打开商业航天门槛，全球卫星互联网全产业链（电器元件材料厂商、卫星研制商、发射服务提供商与地面设备制造商、卫星运营商与卫星应用服务提供商）已渐具规模。微电子、材料、电池制造、火箭电推等技术不断发展，近十年全球小型卫星发射数量指数级增长，呈现可靠性逐步提高、成本不断降低、部署灵活及反应敏捷等趋势，特别是以太空探索公司（SpaceX ）代表的商用载人航天器连续稳定推出，其星链计划和已启动的商用进程，对全球航天业及通信运营商网络演进影响深远。
与此同时，中国卫星通信市场也快速增长，2020年发改委将“卫星互联网”首次纳入“新基建”范畴，预计2023年国内的低轨卫星星座也将完成阶段性部署建设。低轨卫星星座在航空通信、航海通信、海岛通信、偏远地区通信等商业场景具有明显的覆盖与成本优势。
2、星地融合网络研究现状及趋势
2.1 星地融合网络标准化现状
基于前述卫星通信技术的发展，特别是低轨卫星通信技术的发展，卫星通信在速率和时延上已能够满足大多数5G业务场景的需求。同时，5G网络标准已完成R16版本冻结，卫星通信网络与5G地面通信网络在技术上已具备融合的条件。通过构建架构、功能、接口、流程一体化的天地一体5G网络，能够实现覆盖融合、系统融合、网络融合、业务融合、用户融合，在提高网络资源利用率的同时，为用户提供全球全域无缝连接、业务连续性和通信服务保障，使能丰富多样的通信业务和应用，具有重要的经济和社会效益。
国际通信标准组织ITU、3GPP、SAT5G等已在5G标准中研究制定、6G愿景中明确提出星地融合的发展方向，目标是构成全球无缝覆盖的海、陆、空、天一体化综合通信网，满足用户无处不在的多种业务需求。我国通信标准化协会CCSA也已成立TC12航天通信技术委员会，开展航天及卫星相关通信标准化工作。
2.2星地融合网络演进趋势
如2.1章节所述，目前国内外天地一体5G网络架构及关键技术的相关标准与技术要求均在研究阶段，尚无完整体系的标准发布及应用化案例。
目前业界主流的星地融合网络架构体系，由天基网络和地基网络组成，其中天基网络包括天基接入网和天基核心网，地基网络包括地面接入网和地面核心网，而地面核心网又可细分为公众核心网和卫星专用核心网，公众核心网和卫星专业核心网初期建议独立组网，后期协同组网。具体融合方式按照演进的不同阶段分为三种层次：①业务融合；②体制融合；③系统融合。下面对于不同融合层次进行详细描述：
a）业务融合
星地融合的互联互通阶段。通过过卫星接入网关实现卫星网络接入地面核心网；卫星网络用于补充覆盖地面网络，提供地面网络延伸服务；两者网络协议不同，用户终端不同。卫星作为基站的传输中继，解决偏远地区覆盖以及应急应用。
b）体制融合
星地融合的混合接入阶段。通过卫星互通网关实现卫星接入与地面接入互补，地面控制与星上控制并存；卫星和地面沿用现有技术，通过接口互通和信息交互实现两张网络按需选网提供服务；两张网络独立发展，网络协议可以相同或不同，可以通过多模终端选择接入。
c）系统融合
星地融合统一组网阶段，即融合的理想阶段。全面融合天基和地基网络，提供用户无感的一致服务；星地融合为一个整体，采用统一的技术协议，统一的终端接入，实现一致的服务质量、星地无缝的漫游；实现资源管理统一、最大化实现产业链复用。
3、“低轨卫星+5G”融合网络业务探索
基于5G网络大带宽、低轨卫星网络广覆盖的优势互补，中国联通和航天科工于2020年12月基于运营商5G网络的星地融合通信实验组网架构下，成功实现我国首个“5G+低轨卫星”融合网络业务演示。演示当日低轨技术验证卫星过境东海海域，在远海中韩渔业界定线附近的远洋渔政船现场，演示人员使用5G手机拨打联通移动号码，同渔政码头实现了通话，声音清晰无卡顿，使用5G手机上网观看视频、发送微信操作流畅。
该案例作为我国低轨卫星和5G网络首次实现融合组网实验业务，对于星地融合网络发展与研究的意义体现如下几个方面：
a）在业务体验演进方面，以往解决传统海事卫星电话成本高，使用卫星终端或手机APP方式用户体验差，安全性低。5G网络与低轨卫星网络打破壁垒，实现普通5G用户终端直接通过联通网络访问卫星互联网，使用语音及数据业务，客户使用体验好，安全可靠。
b）在海洋拓展应用场景方面，通过轻量化、特种化等设备形态与运营商网络结合，适应空天地海复杂的通信环境。
c）在星地融合网络研究发展方面，通过搭建现网验证环境，探索分析星地融合网络端到端业务可行性，为后续研究奠定基础和参考。
d）从泛在接入角度来看，未来可实现了多种连接方式的端到端的协同，将运营商5G无线网络、卫星网络，与光纤固定网络结合，实现空天地一体化的覆盖，实现了跨地域、跨空域，跨海域等多种业务场景需求。
随着5G网络不断演进，低轨卫星的全面覆盖，星地融合网络架构逐步清晰和标准化，未来此类业务可广泛用于钻井平台及远洋船舶，海外基地及勘察车辆等场景，地面移动业务不仅能够覆盖城市、乡村，还能够覆盖广裘的天空和海洋。
4、星地融合网络业务问题与挑战
理想固然美好，但同时道路也充满荆棘。星地融合网络涉及多系统、节点规模庞大，环境复杂多变等特点。同时考虑外在环境，如中美贸易摩擦的不确定性，卫星星座建设程度及渗透速度不达预期，卫星互联网产业政策支持不及预期等客观因素。
对于星地融合网络架构中的关键问题，考虑在2.2节描述的不同融合阶段，存在如下关键问题及技术突破点：
a）对于业务融合的互联互通阶段卫星接入节点具有很强的移动性，需要研究低时延、高效率，健壮的网络结构及灵活的功能部署方案应对接入节点的频繁切换，开展空口一体化技术，智能接入管理以及频繁切换带来的寻呼、漫游等移动性管理问题技术研究。
b）对于体制融合的混合接入阶段，由于卫星网络的独立性、星上限制性以及物理传播特性等，需要突破卫星网元与地面网元隔离的难题。
在卫星接入架构方面，卫星接入方式分为卫星作为无线基站接入及作为非3GPP接入点接入，需要对卫星通信系统中星座卫星和信关站的网络功能进行重新的梳理和分割，重构卫星接入网元，实现资源绿色集约化配置。
在网络协议互通方面，互通网关在卫星网络协议体系和地面网络IP协议体系之间，需要做协议转换和适配；基于卫星通信时延长、丢包率高的现状，结合话音、消息、5G数据业务的特点，需要研究卫星互通网关的性能增强技术，解决用户接入认证和连接管理等问题。
c）对于系统融合的统一组网阶段，核心网架构及位置划分是研究的重点。
对于卫星核心网，需研究如何基于卫星通信需求对核心网进行简化和增强，研究多连接管理、移动性管理、会话管理、业务连续性、容灾等技术专题；研究卫星核心网和地面核心网后期如何协同组网发展，以及从独立组网到协同组网的演进路线。
对于核心网功能上星，重点问题在于核心网通信载荷能否上星，研究和规划如何分割、处理及选择上星的核心功能，攻关核心网通信载荷上星的低轨移动性、大规模用户连续性及用户迁移等重点技术问题。
对于星上体制协议，需要明确星上体制协议发展路线（3GPP体制/非3GPP体制）的可行性及一致性。
5、结束语
“低轨卫星+5G”星地融合网络将卫星通信网与地面通信网各自优势相结合，使通信网络边界拓展到无人区、海洋、天空，可实现通信网络在任意时间、任意空间的全覆盖，真正实现全球用户无缝通信连接的愿景目标，具有很强的社会意义和经济意义。
从网络接入的角度看，全球卫星互联网目标群体包括航空及航海员工和旅客、偏远地区的富裕阶级及户外作业、科考、旅行人员，长期来看卫星互联网满足的是全球性用户的网络服务需求，以及“物”、“人”、“星”之间的全面互联，具有广阔的应用空间。随着5G网络及卫星互联网“新基建”政策的持续推动，对于通信运营商而言，积极布局空间网络研究及建设方案，实现空间与地面设施互联互通，探索5G/6G一体化网络业务，推动相关产业发展，具有十分重要的战略意义。
参考文献：
［1］ 胡悦. 当5G遇上卫星——中国联通与航天科工完成国内首个“5G+低轨卫星”融合网络业务演示［EB/OL］. ［2020-12-02］. http://www.cnii.com.cn/rmydb/202012/t20201201_235801.html.
［2］ 王悦，王权. 低轨卫星通信系统与5G通信融合的应用设想［J］. 通信世界，2019（1）：54-59.
［3］ 李洪雷. 基于智能手机终端的数据业务质量监测系统的研究与实现［J］. 电信工程技术与标准化，2008（4）：1-2.
［4］ 王俊，杨进佩，梁维泰，等 . 天地一体化网络信息体系构建设想［J］. 指挥信息系统与技术，2016（4）：59-65.
［5］PULTAROVA T. News: Space tycoons go head to head over mega satellite network[J]. Engineering & Technology,2015(10).
［6］ MATTEO F,SIBEL T,JONAS M,et al.Modeling Energy Performance of C － RAN with Optical Transport in 5G Network Scenarios[J].IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking,2016,8(11):B21－ B34.
［7］ General Packet Radio Service（GPRS）enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network（E-UTRAN）access：3GPP TS 23.401［S/OL］.［2020-03-12］. ftp：//ftp.3gpp.org.
［8］3rd Generation PartnershipnProject; Technical Specification Group Core Network and Terminals；5G System; Unstructured Data Storage Services：3GPP TS 29.598［S/OL］.［2020-03-12］. ftp：//ftp.3gpp.org.
作者简介：
胡悦，工程师，毕业于西安电子科技大学，硕士，主要从事核心网技术及星地网络融合、5G消息相关领域的研究工作。
王光全，教授级高级工程师，毕业于南京邮电大学，硕士，主要从事光通信、量子加密通信等领域研究工作。
朱斌，高级工程师，毕业于北京邮电大学，硕士，主要从事核心网、IMS和通信能力开放等研究工作。