摘要：本文梳理衛(wèi)星通信發(fā)展歷程和衛(wèi)星通信的優(yōu)勢和不足,，提出衛(wèi)星通信和5G通信的五個內(nèi)涵和層次,，以某聯(lián)通公司“海南海陸通一體化通信”應用為例討論衛(wèi)星通信和5G融合的初步思路,、組網(wǎng)架構以及關鍵技術分析,。
0 引言
4G 時代,，電信運營商的移動網(wǎng)絡雖然覆蓋了全球90%人口，但卻只覆蓋了不到20%的全球區(qū)域,。與4G 相比,，5G在速率、連接數(shù),、時延3個方面有巨大改善,，主要面對3個核心應用場景：增強移動寬帶（eMBB）、海量機器通信（mMTC）和超高可靠低時延通信（uRLLC）,。5G 相比4G LTE 的提升也是全方位的,，并實現(xiàn)接入類型多樣性。
全球絕大多數(shù)通信衛(wèi)星主要以GEO衛(wèi)星為主,，不同高度的衛(wèi)星由于距離產(chǎn)生的時延不同,，地球同步衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸延遲大，為500 ms左右,，而低軌衛(wèi)星則能極大縮短時延,，實現(xiàn)50 ms以內(nèi)時延，與地面光纖網(wǎng)絡相當,，這也使其可以支持在線游戲或視頻聊天等基于實時數(shù)據(jù)傳輸類應用,，可以滿足除了部分超低時延場景外的其他5G場景需求。
要實現(xiàn)萬物互聯(lián)的愿景,，衛(wèi)星通信是其中重要一環(huán),，衛(wèi)星通信與5G融合將在應急搜救、無人區(qū)廣域覆蓋,、智能船舶,、海洋牧場,、無人船,、智能航運和海事監(jiān)測及國防等業(yè)務應用上發(fā)揮重要作用。
1 衛(wèi)星通信的優(yōu)勢和不足
通信衛(wèi)星按運行軌道分可為靜止軌道衛(wèi)星和非靜止軌道衛(wèi)星,，非靜止軌道衛(wèi)星又可以分為低軌道衛(wèi)星（500~3 000 km）,、中軌道衛(wèi)星（3 000~10 000 km）和高軌道衛(wèi)星（10 000 km以上）。
1958年12月,，美國宇航局發(fā)射了“斯柯爾”（SCORE）廣播實驗衛(wèi)星,，進行磁帶錄音信號的傳播，拉開了衛(wèi)星通信的序幕,，早期的衛(wèi)星通信多以用于軍事用途為主,。1962年7月，美國AT&T發(fā)射“電星一號”（TELESTAR-1）低軌道衛(wèi)星實現(xiàn)橫跨大西洋兩岸的電話和電視服務,，奠定了商用衛(wèi)星的技術基礎,。到了20世紀90年代，美國摩托羅拉公司為了給全球提供移動通信服務，提出了由77顆近地衛(wèi)星組成的星群讓用戶從世界上任何地方都可以打電話的銥星計劃,，雖然由于移動通信的快速發(fā)展最后宣告失敗,，但也為衛(wèi)星全球組網(wǎng)尤其是為現(xiàn)在的“星鏈”提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。
星鏈是美國太空探索技術公司的一個項目,，計劃有大約1.2萬顆衛(wèi)星（其中1 584顆將部署在地球上空550 km處的近地軌道）組成,，在全球范圍內(nèi)提供低成本的互聯(lián)網(wǎng)連接服務。
衛(wèi)星通信具有以下明顯的優(yōu)勢,。
?。?a ） 通信距離遠，覆蓋范圍廣,，靜止衛(wèi)星最大的通信距離達18 000 km,，單顆地球同步衛(wèi)星覆蓋范可達地球表面積的42.5%。
?。?b ） 以廣播方式工作,，在衛(wèi)星天線波束覆蓋的整個區(qū)域內(nèi)的任何一點都可以設置地球站，這些地球站可共用一顆通信衛(wèi)星來實現(xiàn)雙邊或多邊通信,，即進行多址通信,。
（ c ） 通信容量大,，適用多種業(yè)務傳輸,。衛(wèi)星通信使用微波頻段，可以使用的頻帶很寬,。一般C和Ku頻段的衛(wèi)星帶寬可達500～800 MHz,，而Ka頻段可達幾個GHz。
?。?d ） 機動靈活的廣域組網(wǎng)成能力,，衛(wèi)星通信的高功率密度與靈活的多點波束能力加上星上交換處理技術，它為通信網(wǎng)絡的組成,，提供了高效率和靈活性,。
（ e ） 不受地面災害等惡劣氣候的影響,，在面對抗震救災或國際海底光纜的故障時,，衛(wèi)星通信是一種無可比擬的重要通信手段。
同時,，衛(wèi)星通信也有不足之處,，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
?。?a ） 傳輸時延大,，在地球同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,，通信站到同步衛(wèi)星的距離最大可達40 000km，電磁波以光速（3×108m/s）傳輸時單程需要時間約0.27 s,。
?。?b ） 高緯度地區(qū)難以實現(xiàn)衛(wèi)星通信。
?。?c ） 衛(wèi)星在太空的惡劣環(huán)境中工作,，存在日凌中斷、星蝕和雨衰現(xiàn)象,。
?。?d ） 衛(wèi)星發(fā)射的成功率為80%，衛(wèi)星的壽命為幾年到十幾年,，發(fā)展衛(wèi)星通信需要長遠規(guī)劃和承擔發(fā)射失敗的風險,。
2 衛(wèi)星和5G融合通信的分類
衛(wèi)星通信與5G融合的過程不是一蹴而就的，需要分階段實施,，根據(jù)實現(xiàn)是先后順序和難以程度,，劃分為以下5個層次。
?。?a ） 覆蓋融合：衛(wèi)星網(wǎng)絡與5G網(wǎng)絡采用不同的技術標準,，相互獨立，衛(wèi)星用于地面無線基站覆蓋的補充,，主要用于人煙稀少的廣域區(qū)域覆蓋,。
（ b ） 業(yè)務融合：兩者仍然獨立組網(wǎng),，但能夠提供相同或相似的業(yè)務質(zhì)量,，在部分服務QoS指標上到達一致水平。
?。?c ） 用戶融合：保證用戶不換卡不換號,，使用同一個用戶身份（碼號），統(tǒng)一的計費規(guī)則,，網(wǎng)絡按需選擇利用衛(wèi)星或者地面網(wǎng)絡提供服務,。
?。?d ） 體制融合：采用相同的架構,、傳輸和交換技術，用戶終端,、關口站或者衛(wèi)星載荷可大量采用地面網(wǎng)技術成果,。
（ e ） 系統(tǒng)融合：星地構成一個整體,，提供用戶無感的一致服務,，采用協(xié)同的資源調(diào)度、一致的服務質(zhì)量、星地無縫的漫游,。
目前,，從需求發(fā)展的角度和3GPP等組織開展的5G NTN工作來看，當前設計目標至少是實現(xiàn)第4層次體制融合,。
3 衛(wèi)星通信與移動通信融合應用
海南海陸通項目實現(xiàn)第2層次業(yè)務融合,，借助VoWiFi技術，為用戶提供在陸地和海洋情形下的相同的通話質(zhì)量,。
衛(wèi)星通信是目前最好的一種海上通信方式,，然而衛(wèi)星通信設備的價格比較昂貴（幾千到幾萬都有），通信資費也高（以最便宜海事衛(wèi)星電話為例,，不區(qū)分主叫和被叫,，按分鐘收費，在中國區(qū)域每分鐘收1.6元,，國際區(qū)域每分鐘6.8元）,。因此，衛(wèi)星電話的個人擁有者極少,，通常為企業(yè)單位購買使用,。企業(yè)單位為了控制生產(chǎn)成本會對衛(wèi)星電話的使用進行嚴格的限制，員工個人在非緊急情況下是不允許使用的,。在缺乏有效的通信手段的情況下,，人們要承受長期失去親友聯(lián)絡的思念之苦，甚至在遇到危險的時候也無法及時向外界發(fā)出求救信號,，從而造成嚴重生命和財產(chǎn)損失,。
針對海上通信的痛點和目前衛(wèi)星通話資費貴的問題，運營商可與衛(wèi)星公司合作,，實現(xiàn)漁船用戶在海上工作時,，基于衛(wèi)星通道撥打和接聽電話的需求，同時為漁船用戶提供上網(wǎng)服務,，當漁民登岸時,，可以用在岸用戶同樣的手機通話和移動上網(wǎng)服務。
漁民在海上的語音通話流程主要包括以下幾個步驟,。
?。?a ） 衛(wèi)星接收終端（ZXHY-KU619），在漁船上接收衛(wèi)星信號,，在漁船上形成WiFi環(huán)境,。
（ b ） 用戶通過衛(wèi)星通道接入到北京的地面站,。
?。?c ） 衛(wèi)星地面接收站通過北京到海南的專線到某聯(lián)通公司,。
（ d ） 最終通過I- SBC 接入移動IMS,，實現(xiàn)VoWiFi撥打電話,。
圖1 漁民海上撥打VoWiFi電話示意圖
漁民在海上的移動上網(wǎng)的流程主要包括以下幾個步驟。
?。?a ） 衛(wèi)星接收終端（ZXHY-KU619）,，在漁船上接收衛(wèi)星信號，在漁船上形成wifi環(huán)境,。
?。?b ） 用戶通過衛(wèi)星通道接入到地面站，通過地面站互聯(lián)網(wǎng)專線接入公眾互聯(lián)網(wǎng),，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務,。
（ c ） 由合作方租賃運營商互聯(lián)網(wǎng)專線通道,，互聯(lián)網(wǎng)訪問業(yè)務經(jīng)運營商DNS尋址后業(yè)務流量本地疏通,。
（ d ） 由運營商負責互聯(lián)網(wǎng)信息安全的監(jiān)管,。
圖2 漁民海上上網(wǎng)示意圖
4 衛(wèi)星與5G的混合組網(wǎng)方案
3GPP從R14開始著手開展星地融合的研究工作,。在TS 22.261中，對衛(wèi)星在5G系統(tǒng)中的角色和優(yōu)勢進行了探討,，作為5G多種接入技術之一,，衛(wèi)星在一些要求廣域覆蓋的工業(yè)應用場景中具有顯著優(yōu)勢。
為實現(xiàn)像衛(wèi)星這樣非可信Non-3GPP用戶的接入,，3GPP在5G網(wǎng)絡架構中新增N3IWF網(wǎng)元,，實現(xiàn)用戶鑒權和用戶面路由的協(xié)議映射，Non-3GPP用戶的接入5G路由具體如圖3所示,。
圖3 3GPP新增N3IWF實現(xiàn)Non-3GPP接入
目前,，從衛(wèi)星網(wǎng)絡的業(yè)務構成來看，與地面網(wǎng)絡互通仍然占據(jù)主要份額,。短期內(nèi)衛(wèi)星網(wǎng)絡仍然是以透明轉(zhuǎn)發(fā)為主要工作模式,，長期來看，衛(wèi)星和5G架構的研究主要面對用戶的接入和星上轉(zhuǎn)發(fā)時的業(yè)務連續(xù)性,，具體需要解決以下問題,。
（ a ） 如何實現(xiàn)與5G統(tǒng)一的空中接口,，實現(xiàn)5G用戶在衛(wèi)星和5G網(wǎng)絡下的無縫接入,。
?。?b ） 中低軌道的衛(wèi)星運行速度特別高,，單獨一顆衛(wèi)星為用戶單獨提供服務的時間只有十幾到幾十分鐘,，在高速運動狀態(tài)下，如何實現(xiàn)切換和保證業(yè)務連續(xù)性,。
對于衛(wèi)星和移動通信采用統(tǒng)一的空中接口的演進很早就開始了,，早期的MSAT系統(tǒng)采用地面模擬蜂窩網(wǎng)技術；Thuraya系統(tǒng)在設計過程中采用了類似GSM/GPRS體制的GMR標準,；低軌衛(wèi)星星座銥星和GlobalStar的空中接口則是以GSM和IS-95作為藍本,。Imarsat-4衛(wèi)星系統(tǒng)采用的IAI-2標準以及ETSI發(fā)布的S-UMTS標準均基于WCDMA框架設計。2016年發(fā)射的天通一號衛(wèi)星在空中接口的設計上也借鑒并部分采用了3GPP的標準,。
5G時代采用小基站技術,，使5G基站在衛(wèi)星上部署成為可能，對于星上處理業(yè)務中接入網(wǎng)gNB基站部署在衛(wèi)星上,，實現(xiàn)空地的空中接口的一致,，然后借助星間網(wǎng)絡將基于IP承載業(yè)務和信令傳遞給核心網(wǎng)。
5G時代核心網(wǎng)采用NFV的架構,，實現(xiàn)CU和DU的分離,，核心網(wǎng)用戶面處理網(wǎng)元為UPF，借助NFV技術,，在衛(wèi)星上部署UPF網(wǎng)元,，可以實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)流量的轉(zhuǎn)發(fā)。未來衛(wèi)星和5G通信混合組網(wǎng)架構如圖4所示,。
圖4 衛(wèi)星和5G融合組網(wǎng)架構
核心網(wǎng)功能當然也可以區(qū)別部署在星上,，但是受限于星上功率、處理能力以及星地鏈路長延時,、大動態(tài)等,，考慮到衛(wèi)星的體積有限，運力和存儲資源有限,，因此不建議將全部核心網(wǎng)功能放到衛(wèi)星上面,。
5 結束語
未來類似海南海陸通融合的業(yè)務將會越來越多，與衛(wèi)星的融合通信也是未來5G的發(fā)展趨勢之一,。本文通過介紹衛(wèi)星通信優(yōu)缺點,，提出了衛(wèi)星通信和5G通信融合的5個層次，以海南海陸通項目為切入點,，引入未來衛(wèi)星和5G通信的研究重點和混合組網(wǎng)架構要求,，為后續(xù)運營商等業(yè)界相關領域的部署研究具有一定的參考意義。