The Role of Satellites in 5G Networks

Pasternack，美国加利福尼亚州尔湾市

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为了支持5G建设，蜂窝宏基站和微基站的密集部署工作如今已经开展，这些基站使用复杂的无线电技术，以支持5G的数据速率、容量及覆盖范围。3GPP的第16版将于今年6月发布，而第17版预计会在2021年下半年发布。届时，将会在V2X、工业物联网、多SIM设备、可靠性以及低延迟性能的提升、71GHz以内免授权频谱的使用、效率、干扰等方面给出详实的具体说明。此外，作为对去年年底于西班牙举行的3GPP会议上讨论的24个大项的补充，还将明确卫星和高空平台等非地面接入（NTN）技术提供的5G新无线电（NR）支持。作为一种拥有固有优势的平台，卫星技术能够为全球5G架构贡献一份力量。

5G回传

与众多为5G赋能的无线电接入技术一道，回传技术已经经历了必要的发展——将LTE网络中的基带单元（BBU）和远程无线电头端分解为集中单元（CU）、分布单元（DU）、无线电单元（RU）三种单独功能模块。载波聚合、下行链路协调多点发送/接收、MIMO等无线电技术相互协作，使有限的6GHz以下频谱得到充分利用，而大规模MIMO（mMIMO）通过提高频谱效率提高了每一蜂窝站点的网络容量和覆盖范围。此外，高密度部署毫米波小基站等方案将频谱进一步上移，以实现更大的接入带宽。各种各样的此类技术促成了国际电信联盟（ITU）定义的如下5G功能（图1）：5G增强型移动宽带（eMBB）；超高可靠性低延迟通信（uRLLC）；大规模机器类通信（mMTC）。

图1：5G通用用途示例（来源：ITU）

如图2所示，针对5G无线电接入网络（RAN）的当前策略为所谓的gNodeB（gNB）基站，此类基站采用如下的两层架构：分布单元（DU），提供低延迟性能，用于工厂自动化和医疗服务；集中单元（CU），用于高耗电处理。RU和DU的分离使得通用公共无线接口（CPRI）暴露于外，该接口已针对5G进行了增强，称为增强型CPRI（eCPRI）接口。在某些情况下，DU可与RU相互结合，功能相当于小基站。

图2：通用5G回传架构

5G与卫星的融合

目前，多项研究正在探索星地架构对5G无线电接入网络的辅助用途：欧盟Horizon 2020合作项目涉及欧洲大陆的多家公司，旨在开发“针对5G的卫星和地面网络”；欧洲航天局出资支持“5G背景下的星地融合范例（SATis5G）”项目；SpaceX、OneWeb以及亚马逊公司正在开发能够为地球上的任何地点提供连接的低轨道（LEO）卫星网络；静止轨道（GEO）运行的高通量卫星（HTS）技术是星地网络与5G融合中的另外一种技术，可以提供点波束和多播功能；蜂窝通信标准组织3GPP也正着手于低轨道（LEO）、中轨道（MEO）、静止轨道（GEO）卫星的非地面网络方面的研究，以明确卫星通信在5G当中的功用¹。

从2004年4Gbps通量的Anik F2的发射，至2017年200Gbps通量的EchoStar XIX的发射，高通量卫星技术已获得了长足的发展。在不久的将来，Ka波段应答器将提供Tbps级的速度，而优化技术还能降低每比特传播的成本。卫星网络所拥有的“即插即用”能力旨在通过如下各个方面为5G提供支持：卫星网络虚拟化；允许蜂窝网络控制卫星无线电资源；开发针对小基站连接的链路聚合；通过蜂窝接入技术与卫星接入技术之间的密钥管理和认证，优化安全性；融合卫星技术的多播优势²。

如图3所示，参与H2020项目的组织已确定四种卫星/5G网络融合的用例，其中，卫星可连接至：

• 难以到达的孤立区域的地面网络的干线和头端；
• 用户楼宇，以向服务欠佳地区直接提供服务；
• 交通工具；
• 混合架构，以通过多播等服务，补充地面网络功能。

图3：卫星与5G网络的融合（来源：SaT5G项目）

固定回传

卫星向基站或独立小基站的固定回传能够为无法实现高性价比地面回传的eMBB提供支持。这种情形常发生于地球上蜂窝网络基础设施和无线接入资源极少的欠发达地区和服务欠佳地区。除了eMBB之外，卫星还可为智能农业等物联网用途中的mMTC提供支持。

连接住宅

为所有家庭住宅都提供高速连接即使在国家范围内也难以实现，更遑论在全球范围内了。由于难以到达的地区用户密度较低，因此安装直达到户的光缆因高成本而可行性较低。出于这一原因，对于此类地区，从太空中提供视线连接是一种可行办法。2017年，美国约有1000万的乡村家庭仍未能享受下载速度至少为25Mbps的宽带服务³。在此类情形中，通常通过微波回传实现宽带服务，而处于微波回传有限覆盖区域之外的居民往往无法获得网络连接。针对这一问题，可通过与卫星连接的分布式小基站加xDSL的方式向家庭和办公室提供服务。利用相控阵天线，这些小基站还可以同时接收不同轨道卫星的多播和单播数据流。

连接交通工具

对于交通工具而言，卫星链路是一种非常实用的连接手段——无论该交通工具的移动速度如何，均可获得与地面或空中任何设施连接的能力。为了实现支持飞机、轮船、卡车、汽车、铁道车辆等交通工具的复杂切换功能，地面基础设施必须设计得相对较为精巧。虽然在许多情况下可以进行混合多合一支持，但飞机、轮船等更远的交通工具可能需要使用固定卫星回传。Sat5G项目为此应用设想了三种主要用例：1）更新交通工具的状态；2）宽带接入；3）为经营公司提供业务和技术数据传输。

低密度地区的补充服务

这一服务需要通过卫星提供实时或点播多媒体内容，以减小低人口密度、高服务成本地区内地面5G基础设施的负荷。其中，卫星多播向广阔地理区域中的多个用户终端发送相同数据包，以避免对5G基础设施的容量造成额外负担。该应用的主要限制在于GEO卫星链路的高延迟。为了实现及时的视频传输，可以使用缓存优化技术，该技术针对特定视频内容，根据预先知悉的按地区受欢迎程度，通过卫星进行在线预读取⁴。

星地网络

5G卫星接入网络内的卫星采用两种架构之一，这两种架构分别称为转发gNB和再生gNB（图4）。转发gNB仅通过NR协议将用户数据重新定向至地面gNB。而再生卫星具有全部的gNB功能，带有数字有效载荷的新型卫星可以再生输入信号，而传统中继卫星仅将输入信号从上行链路转换至下行链路，在放大和发送时不更改原始内容。如图4所示，再生卫星中的F1逻辑接口表示CU和DU之间的5G连接。卫星在各种用例中有潜力向全球各个区域提供从低延迟至高延迟的各种高带宽5G服务⁵。

图4：转发卫星（a）和再生卫星（b）在5G接入网络中的整合（来源：3GPP TR 22.822）

虽然3GPP尚未明确指出，但是未来的地面站可连接不同轨道的多种卫星，从而同时享受LEO卫星的低延迟优势、MEO卫星的位置/定位功能优势以及GEO卫星的覆盖范围和高通量优势。这将要求用户终端具有接收卫星信号的能力（有可能通过有源相控阵实现）。

HTS赋能技术

卫星技术已从传统的固定卫星服务（FSS）发展至HTS技术，并持续不断地为人们提供越来越多的功能和服务。

点波束与频率复用

图5：点波束和频率分离改善了HTS的覆盖范围和容量。

当存在数目极少且跨越范围极大（大至跨越整个大陆）的FSS波束时，HTS卫星可通过多个经频率复用平衡的点波束，在相同的频率分配方案下将通量提高20倍（图5）。其中，与FSS卫星的宽波束相比，每一个点波束均可向目标区域提供更大的功率。如此，无论卫星应答器的工作波段是哪个（C波段、K波段或Ka波段），均可使得频谱得到最佳利用。为了降低干扰和信号丢失风险，点波束的布局方式是相邻波束的频率互不接近。点波束频率分离与卫星通量之间存在如下的权衡：点波束间的频率越接近，频率复用率越高，从而使得卫星容量越大。这一概念类似于以数百个有源天线振子和波束成形单元为不同位置的用户提供多个波束的mMIMO的数据速率与容量提升之间的关系。然而，这一概念与空间分集存在显著差异：在地面mMIMO系统通过增加波束数量而减小同信道干扰时，卫星所处环境并非富于散射的环境，因此使得同信道干扰成为一项需要关注的问题。这一问题可通过“四色”频率复用法（FR4）得到缓解：相邻波束之间通过具有不同偏振方向的非相交频率实现正交性。一般情况下，这一正交性一直保持至用户终端。

多播

HTS技术天生具有多播功能：一条待发送给一千个用户的消息只需发送一次即可，无需发送一千次，从而使得频谱和数据资源得到高效利用。与地面无线服务相比，HTS技术具有如下特点：卫星波束覆盖区域大；长信道代码能够克服噪声；传输信号含有多个用户的信息。此外，该技术的相应帧可通过DVB-S2X成帧协议编码，并可被成组用户解码，从而实现多播传输⁶。如此，接收广播内容的设备越多，越能更多地节省带宽。多播服务的一个例子为视频会议：每一与会者均形成一个针对所有其他与会者的多播源（即多点对多点）。虽然多播服务往往会成为地面系统的高带宽消耗源头，但是对于HTS而言，却相对不是问题。

频谱上移

最近发射的HTS使用Ka波段应答器。频率上移的目的在于获得更大带宽，从而实现更多的点波束。未来数代的卫星将提供Tb/s级的容量，因此可能需要使用Q波段和V波段才能实现对更大用户流量的聚集，并在覆盖范围内使用数千个点波束。

LEO的低延迟

LEO卫星网络能够提供单颗GEO卫星无法实现的功能。LEO的主要优点在于：LEO卫星能够减小延迟；而且LEO卫星网络能够实现更大的覆盖范围。GEO卫星的高度为约36000km，端到端传播延迟为280ms；MEO卫星的高度为10000km，延迟为90ms；LEO卫星的高度为350-1200km，延迟为6-30ms。虽然LEO卫星的低延迟只能支持有限的低延迟5G服务，但是大多数低延迟5G服务的同步链均需要极小的往返延迟和相应的时序误差（表1）。

凭借无所不在的全球覆盖能力，LEO卫星网络成为mMTC应用的最佳选择。虽然高通量GEO卫星能够通过具有频率复用功能的点波束架构为预定区域提供服务，但只要具有足够的地面基础设施，LEO卫星网络也能够实现全球覆盖。全世界首个LEO卫星网络铱星在1998年发射后不久便宣告破产。但该卫星网络随后在十多年内一直提供低数据速率服务，目前已通过新一代卫星实现升级⁸。

LEO卫星网络的运作由包括数字有效载荷、高级调制、频率复用、高功率密度GaN功率放大器（PA）、波束敏捷有源相控阵在内的多种技术促成。

LEO通信

LEO卫星网络涉及地面与卫星、地面站与地面站（G2G）、卫星与卫星（S2S）以及卫星与地面之间的轮询调度（Round Robin）通信。这些物理链路分为地面至卫星链路和卫星间链路。卫星与卫星之间以及地面站与地面站之间的通信为LEO与HTS之间的另一区别。LEO卫星通信网可对用户、控制端以及遥测端（如状态、诊断、配置）之间的数据传输实现严密的控制。

与GEO等在太空中保持固定位置的卫星不同，LEO卫星以极快的速度掠过地面区段，因此需要多颗卫星才能实现对某一区域的连贯覆盖。其中，地面站需要通过机械扫描式反射面天线或具有高增益和高方向性的有源相控阵天线进行复杂的切换。在状态更新时，可在G2G链路的支持下，通过卫星与用户之间的波束跳跃抵达没有相应基础设施的偏远地区。此外，设有摄像机和传感器的卫星还可通过相互间的紧密协调实现对太空垃圾的追踪⁵。

星载处理

对于高通量GEO和LEO卫星而言，要想提高卫星通量，需要对卫星架构做出调整。主要的架构调整在于将先前的转发拓扑结构转变为再生拓扑结构。由于转发卫星所用应答器的固定带宽不支持精微调整，因此用户必须购买整个网段，而非仅购买其应用所需的网段，从而导致带宽和卫星资源的管理缺乏效率。

当前，许多卫星都使用再生应答器。其中，可通过星载处理（OBP）技术或透明数字处理器（DTP）实现软件定义有效载荷。DTP将每一输入信道分割为宽度不定的子信道，同时不改变接收信号的形式。OBP更为复杂，并涉及波束成形、干扰抑制、自动电平控制以及频率的多路复用/解复用（图6）。这一处理过程可由阵列馈电反射面天线或直接辐射阵列、ASIC、高速串行器/解串器、数字信号处理器、数据转换器等技术实现⁹。在卫星在轨运行过程中，模块化的灵活有效载荷能够随服务需求的变化而调节，以支持新的用途。

图6：再生卫星星载信号处理

GaN固态功率放大器（SSPA）

由于具有克服从地面至GEO卫星传播过程中大气传播损耗的高输出功率，行波管放大器（TWTA）历史上一直用于地面站的功率放大器。LEO卫星网络具有传输距离更短的优点，因此所需的发射功率较小。然而，由于LEO卫星的尺寸更小，因此尺寸方面的限制使得功率放大器的功率密度成为一项重要要求。与TWTA相比，虽然固态功率放大器的效率相对更低，但是由于其发射重量和成本较低，因此仍然常作为首选功率放大器。GaN功率放大器是固态功率放大器当中的佼佼者，能够提供更佳的线性度、更轻的重量、更小的尺寸，而且在某些情况下能够提供与TWTA不相上下的效率。

相控阵天线

空间监视和追踪系统用成千上万个收发模块监视和跟踪太空垃圾，有源相控阵正在该系统中得到应用。通过将该技术应用于对LEO卫星网络进行追踪的小型地面终端设备中，可以在取代具有电子波束转向、可变扫描速率及干扰抵消功能的万向节天线的同时，实现比机械转向天线更高的可靠性。

总结

HTS卫星和LEO卫星网络均可通过提供混合多合一服务和固定回传服务而增强地面5G网络的性能，以确保偏远地区和城市区域的无缝连接。HTS技术已经用于在全球范围内提供宽带互联网，而且未来可能在继续发挥这一作用的同时，还用于通过Q波段和V波段馈送链路和小尺寸点波束而将容量提升至数Tbps。LEO卫星架构虽然在技术上更为复杂，但是它能够提供一个具有全球覆盖能力的模块化高通量平台。网络规划人员可根据需求，利用LEO卫星和GEO卫星的各自优势，为地面5G网络提供补充。