【卫星+5G】卫星通信与地面5G的融合初探（二）
前文回顾：
卫星通信系统与地面移动通信系统在部署环境、信道传播特征等方面存在很多差异，为两者的融合以及在卫星网络中支撑5G服务能力带来了许多挑战，需要在卫星与5G融合的系统设计过程中加以考虑。
1、传输体制的挑战
①多普勒频移
地面移动通信网络基础设施基本固定，基站与终端的相对位置变化主要由终端的移动性产生；对于卫星网络来说，不止终端具有移动特征，卫星也沿其轨道处于高速运动状态。地球同步轨道卫星相对地面基本静止，由于太阳、月亮等天体带来的扰动（例如太阳、月亮）和影响地球引力的非球面分量地球引力，卫星也会围绕其标称轨道位置小幅度移动；位于中、低轨道的卫星相对地球表面高速运动。3GPP对卫星与地面终端运动带来的多普勒频移及变化率进行了评估，并以半径10km的地面蜂窝小区为基准，进行了对比，如表1所示。
表1 GEO与LEO（600km轨道高度）多普勒频移评估
可见，对于卫星通信系统来说，特别是非同步轨道卫星，多普勒频移带来的影响不容忽视。5G在传输体制上采用多载波OFDM，其子载波间隔设计没有考虑大多普勒频移的影响，无法满足卫星系统的需要（主要是低轨道卫星），尤其是在Ka或Ku等高频段，多普勒频移将带来子载波间的干扰。
②频率管理与干扰
目前卫星通信系统可用的频率资源较为有限，包括S频段的2×15MHz（上下行）和Ka频段的2×2500MHz（上下行）。为提高系统容量，一般通过多色复用提高频率资源的利用率，在系统设计中需要考虑消除小区间干扰。另外，卫星网络与地面网络之间的干扰、在赤道地区同步轨道卫星与非同步轨道卫星系统间的干扰也是制约系统性能的主要因素。
③功率受限
不同于陆地蜂窝网，卫星上的功率资源有限，为了能在给定发射功率条件下最大化吞吐量，功放要工作在邻近饱和点的状态。5G的下行链路使用CP-OFDM波形，具有较高的峰均比，在卫星的下行链路直接使用5G信号波形会降低功放效率，并带来散热等问题。因此在保证较高的频带利用率的同时降低信号峰均比是5G与卫星通信融合信号体制设计中需要解决的重要问题。
④定时提前
对于非同步轨道卫星来说，高速运动导致无线链路传输延时快速变化，可能需要动态更新终端的各个定时提前（Time Advance, TA），以确保所有上行链路传输在gNB接收点处同步。另外，卫星链路的延迟远远超过了5G新空口的TTI，可能需要适当的TA索引值来解决这一问题。
2、接入与资源管理的挑战
卫星飞行在距地面几百公里到几万公里高度的太空中，传输延时成为不可忽略的问题，表2对比了包含GEO、LEO和MEO在内不同轨道高度卫星传输的单向最大延时与最大延时差。其中，对于透明转发模式，单向延时指的是从信关站到卫星再到终端的传输总延时，对于星上处理模式，单向延时指的是从卫星到终端的传输延时。最大时延差指的是一个波束覆盖区内从最低点到覆盖区边缘位置的时延差值。
表2星地延时特征（信关站仰角5°，终端仰角10°）
从表中可见，在GEO卫星接入网络中，卫星与终端之间的单向传播延时可以达到240ms，两者之间收到分组的确认需要1/2秒左右，对于低轨卫星，这一延迟也在20ms以上，远高于地面5G蜂窝网的传输延时，长延时对MAC层与RLC层的接入控制、HARQ、ARQ等过程都带来了挑战。
①接入控制
为了在移动条件下支持多变的业务需求，5G要求接入控制的响应时间尽可能小，在卫星系统中，接入控制在卫星基站或者信关站实现，高传输延时导致接入控制的响应时间大幅度增加。因此，为了支持5G与卫星的有效融合，需要设计合理的预授权、半持续调度和免授权等接入机制。
②HARQ
HARQ过程对时间有严格要求。在卫星通信中，往返时间（Round Trip Time, RTT）长度通常超过了HARQ最大定时器长度，受限于终端的内存以及可以并行处理的信道数量，并不能仅仅简单地将HARQ过程的数量进行线性扩展以适应卫星信道。
③MAC及RLC过程
RLC层的ARQ过程需要缓存所以已经发送的分组，直到收到分组确认或者计时器超时发起重传，在卫星系统中，需要更大的缓存来应对长传输延时，并且有可能限制每个传输分组所允许重传的次数。此外，在MAC层及RLC层的调度过程中，卫星系统的长延时也会影响调度的及时性，需要对其调度延迟参数进行调整。
3、移动性管理的挑战
①位置更新过程
在地面蜂窝网络中，终端驻留在小区中，该小区在无线接入网中具有唯一标识，只要终端停留的注册区不变，就不需要更新位置。如果出现指向该终端的通信请求，AMF会尝试在该注册区的所有小区上寻呼UE。而在非同步轨道卫星接入网中，随着卫星的移动，终端会随着时间的推移而驻留在不同的波束和不同的卫星上，地面上的小区和卫星波束之间没有对应关系。因此，在入网初始注册时，网络将无法基于波束和接收到注册请求的卫星向AMF提供跟踪区信息，当终端发生移动时无法顺利执行位置更新，如果出现指向该终端的通信请求，将无法顺利实现寻呼。
②切换过程
由于卫星或者终端移动带来的切换主要有两种，其一是卫星系统内的切换，对于低轨卫星系统，其相对地面位置快速变化，终端被同一颗卫星连续覆盖的时间只有十几分钟，对于采用多波束的低轨卫星，同一波束连续覆盖终端的时间只有几分钟，因此卫星间或波束间切换必须快速执行，并防止切换过程中数据丢失。
其二是终端在地面5G网络与卫星网络之间的切换，网络间的切换过程需要考虑多方面因素：
✔ 同时支持星上处理和弯管透明转发架构
✔ 切换准备与切换失败处理
✔ 时间同步
✔ 测量对象协调
✔ 无损切换的支持
需要注意的是，切换的方向不同，触发条件也不一样，例如，当地面蜂窝网信号足够的时候，终端由卫星网络切换到地面网络；但是，只有当蜂窝网信号非常弱的时候，终端才会离开蜂窝网。
1、未来卫星系统的构成
根据当前我国空间信息网络规划以及国内外相关领域发展趋势，未来卫星通信系统构成如下图所示。卫星通信系统采用高、低轨卫星混合轨道设计。采用低频段或者高频段频段多波束天线，在地面形成蜂窝状覆盖，分别实现中低速和宽带传输服务功能。覆盖区随着星下点移动而运动，终端用户在不同蜂窝小区（波束）间切换。
低轨道卫星星座采用激光或微波链路构建星间链路，互联构成空间网络。星座较为适合采用极轨星座设计，相邻轨道面卫星之间的相对位置关系较为稳定（除了极区或反向缝），利于星间链路的保持，且能够实现高纬度区域覆盖。卫星采用Ka或者Q/V等频段实现馈电链路业务在关口站落地,关口站实现卫星网与地面PSTN、PLMN以及互联网的互联互通。
目前网络虚拟化成为5G系统的发展趋势。信关站可以与地面5G网络共用同一个云平台，从而协调彼此之间的服务提供、频谱配置、干扰管理、用户移动性管理等信息，实现地面5G网络与卫星网络协同融合来为终端提供服务。
图7 未来与5G融合的的卫星通信网络构成
2、融合内涵和层次
本文将卫星通信与地面5G融合的划分为以下5个层次：
①覆盖融合：卫星网络用于补充覆盖地面网络，两者仍然是相互独立的网络，提供的业务和采用的技术互不相同；
②业务融合：两者仍然独立组网，但能够提供相同或相似的业务质量，在部分服务QoS指标上到达一致水平；
③用户融合:使用同一的用户身份（码号）提供服务，用户身份唯一、统一计费，网络按需选择利用卫星或者地面网络提供服务；
④体制融合:采用相同的架构、传输和交换技术，用户终端、关口站或者卫星载荷可大量采用地面网技术成果；
⑤系统融合：星地构成一个整体，提供用户无感的一致服务，采用协同的资源调度、一致的服务质量、星地无缝的漫游。
目前，从需求发展的角度和3GPP等组织开展的5G NTN工作来看，当前设计目标至少是实现第4层次的体制融合。5G第二阶段标准(R16)将研究面向5G“非地面网络”架构、需求和接入网RAN开展研究。
3、从卫星网络的业务构成来看，与地面网络互通仍然占据主要份额。
短期内卫星网络仍然是以透明转发为主、星上处理为主要工作模式。对于透明转发器，卫星充当射频信号转发单元。卫星5G的架构的研究主要面向星上转发业务，具体拟解决以下问题：
①如何实现5G网元功能的合理星地、星间分割，尤其是星上处理业务流量处于次要地位情况下。
②如何支持星上不落地的直接交换，如TtT(TerminaltoTerminal)呼叫，以及宽带网状用户专网的构建。
图8 卫星5G总体架构设想
图8给出了一种可能的卫星5G网络架构设想。对于星上处理业务中接入网gNB基站部署在卫星上，实现空中接口的处理，然后借助星间网络将基于IP承载业务和信令传递给核心网。核心网部署在由卫星星上处理载荷和关口站处理载荷构成的一体化虚拟的“云”设施上，其各种服务可以根据需求部署在卫星或者关口站。星上处理器是非常宝贵的，大部分业务的核心网功能应该调度在关口站，当支持少量TtT业务或者空间多跳回传业务时，核心网功能可以部署在星上。
在研究5G功能的星地分割合理问题时，主要研究内容集中在以下几点：
a)研究和仿真长延时、高误码、LEO卫星运动条件下网元和协议栈功能在星地之间不同分割方式对主要流程以及系统技术指标（如业务建立延时、呼通率等）的影响，包括位置更新、随机接入、RRC连接建立、与核心网连接建立、鉴权和加密、无线承载建立和释放、寻呼以及切换等；
b)在不同部署方案中，梳理、和评估协议内上述流程涉及的所有定时器或者定时机制受到的影响；
c)在不同部署方案中，梳理、评估所有闭环调整机制的性能受到的影响，包括HARQ、定时提前、功率调整、测量和信道信息反馈等机制。
4、空中接口设计
①空中接口分层结构
我国的天通1号、国外的Thuraya-3、Inmarsat-4卫星均采用与3GPP-R4/R6相同架构以及空中接口分层方法，在保留了上层协议（主要是NAS层）大部分设计前提下，主要在MAC层以下以及RRC协议上针对卫星特点进行了适应性设计。因此，在空中接口分层结构上，可未来卫星网络与地面5G可采用相同的设计方案，如下图所示。
图9 空中接口控制面结构
②双工模式
卫星网络中双工模式选择需要考虑几个因素：
a）卫星、波束（小区）和终端不断运动造成的定时困难；
b）MIMO在卫星中的适用受限，TDD上下行互易性带来的优势不能发挥；
c）卫星网络需要全球范围内的频率协调，并遵循ITU的分配方案，目前可用频段内尚存在可用的对称频段资源，如L频段的1668-1675MHz（地对空）、1518-1525MHz（空对地）。
③波形设计
信道模型是空中波形接口设计的主要考虑因素。根据ITU发布的“Recommendation ITU-R P.681-10(12/2017)，Propagation data required for the design of Earth-space land mobile telecommunication systems”，卫星通信信道可以采用两状态Markov模型描述，每个状态又服从Loo模型,模型适应性覆盖0-20Ghz以及城区、郊区等多个场景。低频段传输由于终端的设计最小通信仰角可能较低（如铱星为10度），必须考虑信号多径传播效应。高频段由接收天线存在增益，只能接收有限到达角范围多径信号，且最小仰角较高（如OneWeb为55度），可以不考虑多径效应。
目前5G下行采用CP-OFDM波形方案，上行采用基于DFT扩展的OFDM波形方案DFT-S-OFDM或者CP-OFDM，对应子载波带宽可选15KHz、30KHZ、60KHz、120Kz、240KHz。在卫星系统中，波形设计除了要考虑对信道特性的适配之外，峰均比PAPR是一个重要的约束。根据目前的研究，DFT-S-OFDM在峰均比性能上优于CP-OFDM，但其在抗多径、宽带传输性能上不具备优势，这可能导致我们在高低两个频段上作出不同的设计组合。
当前，DVB-S2采用的单载波时分复用模式SC-TDM用于低轨道星座高频段的下行也受到一定关注，主要是其具有更低PAPR。OneWeb星座采用了下行SC-TDM、上行DFT-S-OFDM的方案，巧妙融合了DVB和3GPP两个协议体系的成果。目前罗德与施瓦茨公司提供了SMW-K130和SMW-K355选件，借助R&SSMW200A信号源可实现OneWeb信号模拟。
④复用
当采用CP-OFDM、DFT-S-OFDM作为波形后，高低频仍然能够参考5G的时、频、空域资源划分方式。5G的无线资源是一个三维结构，涉及天线端口、载波、时隙等多种概念的组合，下图给出了其基本概念的逻辑组织关系。
图10 5G无线资源的多维组织结构
在卫星系统中，需要为低速话音业务（天通1号系统话音速率可低至1.2Kbps）或者物联网业务设计资源块RB，减少每个RB占据子载波数和持续符号数，从而降低物联网终端、话音终端的发射功率、功放线性度要求，并提升同时接入的连接数。也可以设计更小的子载波，如增加7.5KHz配置。如果类似于OneWeb在下行采用SC-TDM，MAC层和物理层需要重新设计逻辑信道、物理信道和资源建模方式。
在复用方面还可以考虑非正交多址技术,但考虑到多个终端与卫星距离差异不大，功率域方案适用性需要仔细研究。
⑤定时问题
对于GEO卫星而言，相对运动主要由用户终端的低速移动造成，由此造成的卫星与用户终端的距离变化率和时延变化率可忽略，定时提前TA值具有一定的稳定性。对于LEO卫星而言，由于卫星相对于终端在不断运动，导致卫星与终端的距离变化率和时延变化率不断变化。
在LEO刚出现或者刚消失时，对于终端而言，具有最大的距离变化率，即存在最大的时延变化率。LEO卫星在刚出现的时刻相对于终端的径向速度最大，但不大于卫星飞行速度。以轨道高度为800km的卫星为例，卫星飞行速度约为7.5km/s，终端的往返传输时延约为22ms，期间由于卫星移动造成的最大距离变化值不高于165m，由此引起的时间不确定度不高于0.55 us。LEO轨道高度分别为800km和1200km时，最快时延变化率分别约为22 us/s和20 us/s，且轨道高度越低，距离和时延的变化率越高。
在卫星移动通信中，循环前缀CP的持续时间须达到最大往返时延差和最大时延扩展之和，这样就确保了星上基站在观察间隔内能够接受到卫星移动终端发送的完整序列。卫星覆盖很大，波束中心和波束边缘用户的延时差较大。天通1号的波束覆盖区的10万平方公里，如果简单的以直径除以光速来设置CP，则CP长达1.2ms。铱星大概一个波束16万平方公里，CP需要长达1.51ms。由于5G的一个时隙仅1ms，这显然是不可行的，此外如前所述这个延时还在如前所述不停的变化。由于低轨道卫星的轨迹是可预测的，基于位置进行延时补偿是一个可能的思路。
5、基于SDN/NFV的网络虚拟化部署
通过将与呼叫紧密相关的核心网就近天基部署在用户接入卫星上，可以达到加快接入的目的。基于欧洲电信标准组织（ETSI）的NFV 架构以及国内电信厂商的建议，本文设想了了天地一体化网络虚拟化架构，如下图所示。实现5G网络虚拟化管理管理实体主要包括虚拟设施管理（VIM）、虚拟网元管理（VNFM）和虚拟业务编排（VNFO）。
图11 星地虚拟化架构示意图
虚拟设施管理（VirtualInfrastructureManagement，VIM）负责虚拟化基础设施的管理。作为基础设施中处理单元CPU、FPGA等硬件资源既能够设置于卫星上，也可设置于地面站。虚拟网元管理（VirtualNetworkFunctionManagement，VNFM）负责5G虚拟网络功能的生命周期管理及其资源使用情况的监控。虚拟任务编排（VirtualNetworkFunctionOrganization，VNFO）：VNFO 负责基础设施和虚拟化网络功能VNF 的管理和编排，进而实现完整的网络服务。