基于低轨卫星与5G网络的融合技术研究.pdf

2023年第7期基于低轨卫星与 5G 网络的融合技术研究崔向华，徐琪，嵇誉（电信科学技术第一研究所有限公司，上海市 200032）摘要针对目前低轨卫星的发展和面向 5G 的天地一体化信息网络的需求，结合目前天地一体化信息网络发展现状，介绍基于低轨卫星与地面 5G 网络的天地一体化信息系统网络架构方案。分析不同网络架构的优缺点，给出目前网络发展阶段下推荐的网络架构。分析低轨卫星与 5G 网络融合所需的关键技术及解决方案。关键词低轨卫星；天地一体化信息网络；5G 网络；基站；核心网0引言虽然现在的移动通信网、地面互联网已基本到达了每个用户，初步实现了“地球村”的设想，但这只是对于城市区域以及有基站部署的偏远区域。世界上依然有许多偏远地区无法获得高速互联网的服务。随着卫星通信的快速发展，全球无缝立体覆盖、无盲区宽带移动通信的天地一体化信息网络的建设时机已基本成熟，但目前空间网络与地面网络依然相对独立。为了实现高效资源共享、互联互通，天地一体化信息网络的建设推进已成为当务之急。随着 5G 技术的日益成熟，ITU（国际电信联盟）、3GPP（第三代合作伙伴计划）等国际标准化组织开始研究星地融合的标准化问题。3GPP 在 5G 网络设计之初，就已经考虑支持卫星接入。本文将结合 3GPP 关于融合卫星通信的 5G 网络架构的相关研究，介绍基于低轨卫星与 5G 的天地一体化信息网络解决方案。1天地一体化信息网络系统介绍低轨卫星与 5G 网络的融合旨在形成一张无缝衔接的通信网络，覆盖地球上除极地以外的绝大部分区域，实现空、天、地一体化通信。低轨卫星与 5G网络融合系统架构如图 1 所示。天地一体化信息系统主要包括：空间部分、地面部分和用户部分，物理实体上空间部分、地面部分和用户部分对应的设备分别是卫星、地面站和终端。天地一体化信息系统主要有以下几个关键部分：a）用户终端（UE）：以手机、平板计算机为代表的传统用户终端和车载卫星、机载卫星等卫星终端。b）用户链路（Service%Link）：用户终端和卫星、基站之间的链路。c）空间平台（Space%Platform）：具备星上数据处理及数据透传能力的卫星。d）星间链路（Inter-Satellite%Links）：具备星座内或星座间数据透传的激光或微波链路。e）信关站（Gateway）：负责地面网络与卫星网络通信的关口。f）馈电链路（Feeder%links）：卫星与地面控制站相互通信的链路。2网络架构设计根据目前低轨卫星的星上处理方式，天地一体化信息系统中的空间部分，目前主要有卫星透明转发、星载完整 5G 基站 2 种不同的网络架构。由于星载完整 5G 基站方式对卫星的容量和处理能力有较基金项目：上海市科学技术委员会科研计划项目（20511106604）。技 术 交 流2023年第7期图 1低轨卫星与 5G 网络融合系统架构高的要求，所以现阶段优先推荐卫星透明转发的架构。2.1卫星透明转发方式第 1 种网络架构：基站空中接口通过卫星进行透明转发，即用户终端和 5G 基站均位于地面，卫星仅作为中继，将 Uu 接口数据按照传统卫星通信方式进行透明转发，通过卫星连接用户终端和 5G 基站，卫星通信网的地面汇聚关口站与 5G 基站共址。卫星透明转发方式如图 2 所示。该架构下的卫星功能与现有卫星功能类似，实现较为简单，但需要 5G%NR（新基站）-Uu 对卫星是友好的，即能够适应卫星的长时延和抖动特性，因此该架构需要对普通地面5G%NR 进行修改。2.2星载完整 5G 基站方式第 2 种网络架构为星载完整 5G 基站方式，如图 3 所示。在通信卫星上搭载 5G 基站的全部功能，使得通信卫星能实现广域信号转发，又能实现 5G基站数据面与控制面之间低时延处理，但这种结构需要保证终端与卫星之间的 5G 基站对卫星信道是友好的。而且由于每颗卫星均需实现基站完整功能，同时需保障通信卫星具有足够的信号处理能力。此架构的主要难点在于如何保证星载基站的功能和业务处理能力，目前此方案暂不成熟。3低轨卫星与 5G 融合关键技术为满足低轨卫星与 5G 网络融合，卫星网络空中接口结构设计参照 3GPP 的 R4、R6 架构及其空中分层方法，在保留 NAS（非接入）协议设计基础上，在 MAC（介质访问控制）以下以及 RRC（无线资源控制）协议上针对卫星特点进行适应性设计。终端和卫星之间的空中接口设计结构如图 4 所示。信道波形是空中接口技术的重要内容之一，5G图 2卫星透明转发方式技 术 交 流2023年第7期图 5低轨卫星无线资源多维组织结构下行采用 CP-OFDM（循环前缀正交频分复用）技术，上行采用 DFT-S-OFDM（基于离散傅里叶变换的扩频正交频分复用）和 CP-OFDM 技术。在卫星系统中，波形设计除满足信道特性的适配之外，还需要考虑 PAPR（峰值平均功率比）。DFT-S-OFDM 在PAPR 性能上优于 CP-OFDM，但 CP-OFDM 在抗多径衰落、宽带传输性能上具有较大优势，因此通常将2 种技术在高低频段上组合使用。低轨卫星通信网络中的高低频参考 5G 的资源划分，包括时域、频域、空域资源等。低轨卫星无线资源多维组织结构如图 5 所示。低轨卫星相对地面终端在不断运动，这使得卫星与终端的距离变化率和时延变化率持续变化。当卫星出现在地面终端追踪的范围内以及离开追踪范围内的临界点时，具有最大的距离变化率和时延变化率。当卫星和地面终端连线经过地心时，卫星具有最大径向速度。在低轨卫星通信网络中，循环前图 3星载完整 5G 基站方式图 4终端和卫星之间的空中接口设计结构技 术 交 流2023年第7期电信科学技术第一研究所有限公司（简称“电信一所”）成立于1957年3月，前身为邮电部第一研究所，现为中国信息通信科技集团有限公司特通产业板块核心企业之一，专业从事智慧应急、检测计量、卫星通信及专用通信业务，面向公共安全和应急通信领域，为政企部门、行业、运营商及国防数字化领域提供解决方案、应急指挥调度和卫星通信系统设备，是我国信息通信领域的专业研究机构和应急通信指挥领域的领军企业。电信一所智慧应急板块主要面向智慧警务、智慧消防、智慧人防、政府应急、企业应急、智慧社区、海外应急、军民融合等提供专用信息化系统设备、软件开发和解决方案。检测计量板块主要提供网络系统类检测、产品设备类检测、计量校准、物联网及设备检测、信息安全风评、军品检测等信息服务。卫星通信板块主要提供新一代宽带卫星通信信关站和测运控系统解决方案、卫星通信射频产品、卫星通信终端产品、专用软件开发、工程和测试服务。专用通信板块主要服务于国防军队通信业务，业务领域涵盖5G通信系统和设备、专用大数据和人工智能、音视频通信系统、无线通信系统和相关行业系统集成等。电信一所产品与系统广泛应用于公安、消防、人防、水利、国土、军队、电信、电力等党和国家重点部门和领域，市场覆盖全国三十一省、市、自治区，并拓展至东南亚、中东及非洲等二十多个国家和地区。作为中央企业，电信一所肩负着客户责任、产业责任和社会责任，以其科学、高效、安全的应急通信与指挥系统及服务，圆满完成国家重大、突发事件的各项应急通信保障任务。为进博会、十九大、杭州G20峰会、APEC会议、亚信峰会、北京奥运会、上海世博会、“神九”发射等重大活动保驾护航，在九寨沟地震、雅安地震、汶川特大地震、菲特台风等重大自然灾害抗险救灾以及重大反恐处突中发挥巨大作用。!广告电信科学技术第一研究所有限公司技 术 交 流缀的持续时间需达到最大往返时延差和最大时延扩展之和，才能保障星上处理器在观察间隔内接收到地面终端发送的完整数据流。4结束语本文简单阐述了面向低轨卫星与 5G 网络的天地一体化信息网络的系统设计、网络架构以及融合关键技术，初步可实现天地一体化信息网络的基本需求。当然，目前天地一体化信息网络的研究和设计还在起步阶段，相关的架构、技术和接口标准还有很大的优化和演进空间，随着技术的演进和发展，最终实现全方位、无盲区宽带移动通信的发展目标。参考文献13GPP%TS%22.261%V16.7.0：Service%requirements%for%the%5G%system;%Stage%1（Release%16）S.%2019.%23GPP%TR%38.913%V15.0.0：Study%on%Scenarios%and%Require-ments%for%Next%Generation%Access%Technologies（Release%15）S.%2018.%33GPP%TR%38.821%V16.2.0：Solutions%for%NR%to%Support%Non-terrestrial%Networks（NTN）S.%2023.4徐晖,孙韶辉.%面向 6G 的天地一体化信息网络架构研究 J.%天地一体化信息网络，2021，2（4）：1-9.5%解宁宇,%汪进,%王慧东,等.%低轨卫星与 5G 融合应用及关键技术 J.%邮电设计技术，2021（4）：10-14.6华政翔.%卫星通信在 5G 非地面网络架构中的应用和问题分析 J.%电信工程技术与标准化，2019，32（3）：76-80.%崔向华（1981），男，高级工程师，主要从事地面核心网方案设计等方面的工作。收稿日期：2023-06-19