5G地面移动通信技术在低轨星座的适应性分析

孙晨华，张亚生，王力男，赵伟松

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

卫星移动通信发展过程中，其技术体制设计大量借鉴了地面移动通信标准，有利于实现二者兼容、融合发展[1]。在网络架构设计上，参考或遵循地面移动网络“接入网+核心网”架构，如海事卫星的BGAN系统[2]，完全采用了3G WCDMA核心网。在空口层面，卫星移动通信系统传输标准多基于地面移动通信系统传输标准进行适应性修改，如Thuraya系统[3]采用的GMR-1标准基于 GSM/3G 体制进行设计。

2010年底，ITU启动的IMT-Advanced卫星空口技术标准的征集工作中，提出了最大限度地利用与IMT-Advanced 地面空口技术标准相似的技术和协议，并提出了相关设计的参考指标。

目前我国处于5G技术研发和试验阶段，预计2020年实现5G商用[4]。届时我国也将启动低轨卫星移动通信星座研制与建设工作，如何吸收和借鉴5G的先进技术和设计理念，探索低轨星座与地面5G融合发展，国内已经开展了相关研究和探讨。

本文借鉴5G网络架构设计，充分考虑低轨星座特征，提出了部署在星上的低轨卫星移动通信系统接入网和部署在地面关口站的核心网网络架构。同时，依据低轨星座的特点逐层对协议进行针对性设计和优化设计，包括空口协议、移动性管理及切换协议、会话管理层协议、路由协议和用户面协议等。

1 天地一体化重大项目及低轨星座

1.1 天地一体化信息网络重大项目

天地一体化信息网络重大项目组成示意图如图1所示。

图1 天地一体化信息网络重大项目组成

天地一体化信息网络重大项目是国家科技创新2030先期启动的4个科技重大项目之一。在天地一体化信息网络重大项目中，采用“天网地网”架构，突出天基组网、天地互联，由天基骨干网、天基接入网和地基节点网构成，并可与地面互联网、移动通信网开放互联。天基骨干网主要由部署在GEO轨道的天基骨干节点通过星间高速互连而成，具备全球覆盖能力；天基接入网(低轨)主要由布设在LEO轨道的星座构成，具备全球无缝的随遇接入和移动、宽带通信能力，也称为天基接入网低轨星座。地基节点网重点实现按需服务能力，由布设在国土范围内的多个地基骨干节点组成。天基骨干网、天基接入网(低轨)、地基节点网构成天地一体的网络来支撑国家战略发展的移动宽带服务、航空信息服务、海洋信息服务、航天信息支援、防灾减灾服务、反恐维稳信息支持和信息普惠服务等应用。

1.2 天基接入网低轨星座

天基接入网低轨星座(简称低轨星座)主要采用星座部署、空间组网的方式，提供全球无缝覆盖的移动、宽带通信服务，通过搭载载荷支持航空/航海监视、频谱监测、导航增强以及广域物联网服务等。

低轨星座构型为近极轨道，轨道高度800～1 100 km，重大项目考虑部署200～300个节点，支持全球覆盖，用基于星间链、星载路由交换的空间组网技术，不依赖地面站提供实现全球服务能力。

天基接入网低轨星座网络架构示意图如图2所示。借鉴国外典型低轨星座设计特点，针对我国应用需求，重大项目低轨星座对移动通信和宽带通信进行一体化综合设计，首期部署60个左右综合节点，以星上处理模式为主，支持全球无缝的移动通信和物联网服务，包括ADS-B[5]和AIS[6]等，并兼顾有限的宽带通信能力。第二阶段重点补充宽带增强节点，提供宽带接入服务，以透明转发为主。

图2 天基接入网低轨星座网络架构

重大项目低轨星座主要提出以下设计思路：宽窄结合、功能综合，全球覆盖、无缝服务，空间组网、安全互联，软件定义、灵活重构，智能感知、共谱利用，高低互联、地基融合。

宽窄结合、功能综合，全球覆盖、无缝服务，空间组网、安全互联：配置两类卫星节点，各有侧重、协同工作满足以移动通信为主的各类应用和宽带接入应用。基于低轨星座全球覆盖的特性，在移动/宽带通信基础上，进行ADS-B、AIS、广域物联和导航增强等多功能综合设计。配置ADS-B载荷，单节点支持不小于3 000架飞机航空监视；配置AIS载荷，单节点支持每分钟不少于3 000艘船舶信息采集能力；面向广域物联，支持小型低功耗物联端使用，发射功率不大于地面手机标准；支持信号增强和信息增强等多种方式的导航增强服务。采用星间链和星上路由交换技术，支持空间组网，实现真正的全球服务能力以及不依赖境外关口站的安全可控通信传输能力。

软件定义、灵活重构，智能感知、共谱利用，高低互联、地基融合：软件定义主要包括波形重构、路由控制和天线波束等方面软件定义，波形重构主要依托灵活的软硬件处理平台设计，支持不同技术体制波形的重构；采用SDN思想控制转发分离的思想[7]，进行星地一体化的路由控制设计。采用数字化阵列天线技术，支持波束资源在覆盖区域、功率和频率上的灵活调整。智能感知、共谱利用是指基于感知实现与其它系统无干扰/低干扰共存，降低频轨协调难度和应用风险[8]，一是可利用ITU“落地功率谱小于噪声功率谱6%”规则，构建扩频低速信令网；二是基于星地联合感知，选择空闲载波传输业务，达到与现有卫星网络的同频段共存。高低互联、地基融合，是指可与高轨骨干节点互联，节点数量较少时，用于提高连续覆盖性和覆盖范围，数量较多时，可提供天基控制面备份；地基融合方面，主要是指与地面4G/5G融合实现业务服务无感互补，低轨地基节点、管控均与高轨地基节点统一设计；应用终端方面，高轨、低轨和地面移动等模式综合设计。

重大项目低轨星座预期能够达到的能力：支持中低速移动业务容量不小于300 Mbps，宽带业务通信容量不小于500 Gbps。对于移动通信手持类终端，上行接入速率不小于64 kbps，接收可达1 Mbps；对于小型化低功耗物联网终端接入速率可达600 bps，接入用户数可达1亿；对于典型的0.5 m口径宽带接入终端，上行接入速率不小于2 Mbps，接收速率不小于50 Mbps。

2 5G技术在低轨星座中的适应性

2.1 体系架构适应性分析

为满足面向5G 业务指标和应用场景需求，各国际通信组织陆续发表5G 愿景白皮书。其中，我国的IMT-2020(5G) 组织提出了基于“三朵云”的网络总体架构设想[9]。5G功能结构示意图如图3所示。

图3 5G功能结构

在“三朵云”的5G 网络架构中，整个5G 网络被分为3 个平面：接入平面、转发平面和控制平面[10]。在这个架构中，控制平面通过网络功能重构，实现集中的控制功能和简化的控制流程。接入平面支持多种无线接入技术和网络形式，能够实现灵活的无线接入协同控制和更高的无线资源利用率[11]。转发平面基于通用的硬件平台，实现业务数据流的高可靠、低时延、均负载传输，数据转发效率和灵活性得到提升。5G网络架构中，SDN 和NFV 作为其中的重要技术基础[12]，可以支持多种无线接入方式及集中统一控制管理与大容量业务数据传输功能。其中，SDN 是实现控制平面与转发平面连接的关键，以灵活、高效、开放等为原则来实现5G 网络在新构架下的转发分离化、功能模块化、网络虚拟化和部署分布化特性。

借鉴5G网络架构设计，我国低轨卫星移动通信系统也分为接入网和核心网，网络逻辑架构同样包括接入平面、转发平面和控制平面。

低轨星座全球覆盖、具有星间链路可星间组网、终端之间需要满足T2T直接通信需求，基于上述因素考虑，建议将接入网部署在星上，即在每个卫星上部署卫星基站和路由交换单元进行空口协议处理和路由转发，与其他虚拟化切片方式相比，这种方式可大大降低星间链路带宽要求，同时可实现终端之间T2T直接通信。由上述分析可见，与5G接入网相比，低轨卫星接入网除具有接入、控制功能外，还具有转发功能。

核心网可直接采用5G核心网，部署在地面关口站，多个关口站之间通过地面网络互联。核心网具有控制和转发平面功能，与5G转发平面不同，该转发平面主要进行终端与地面网之间的业务处理。综上，低轨卫星通信系统网络架构设计如图4所示。

图4 低轨移动卫星通信系统网络架构

2.2 协议适应性分析

每一代地面移动通信系统架构都有与之对应的协议，本文讨论的通信协议主要是空口及其上层协议，不涉及核心网内部接口等其他协议。

与2G/3G/4G移动通信协议类似，5G移动通信协议采用分层模型，包括控制面协议和用户面协议，如图5所示。

图5 低轨卫星通信系统协议设计

控制面协议主要包括非接入层(NAS)和接入层(AS)。

非接入层：分为会话管理子层(SM)和移动管理子层(MM)。会话管理子层主要执行与承载有关的功能包括建立、维护和释放承载。移动管理子层主要执行与连接有关的功能包括建立网络和终端间通信的安全机制。

接入层：由无线资源控制层(RRC)、分组数据汇聚层(PDCP)、数据链路层(RLC/MAC)和物理层(PHY)组成。RRC负责终端接入时无线信道资源管理，包括无线资源分配和释放；同时还要负责层2 协议实体的建立、更改和删除。此外它还携带MM和SM等高层信令，负责连接模式下终端的移动性管理控制(测量、切换以及小区更新等)。PDCP在控制面其主要功能包括加密、完整性保护和控制面数据传输等。数据链路层分为无线链路控制层(RLC)和媒体访问控制层(MAC)两个子层，负责链路帧格式的拆分、封装及数据发送调度等。物理层为上层数据提供传输通道，主要定义了物理信道复用、多址、编码、调制解调和无线链路同步等内容。

用户面协议由空口协议及TCP/IP网络层及上层协议组成，网络层及上层协议采用标准TCP/IP协议，可支持基于IP的语音、数据、音频及视频等各类业务。

空口协议由分组数据汇聚层(PDCP)、数据链路层和物理层组成。PDCP在用户平面其主要功能包括头压缩和解压功能，在PDCP重建立过程中，支持确认RLC模式下逻辑信道向高层进行按需递交，及对底层SDU数据的重复检测，在切换过程中，支持对确认RLC模式的逻辑信道的PDCP SDU的重传、加密和解密、业务面数据的传输、上行基于定时器的SDU丢弃机制等功能。数据链路层和物理层功能为上层数据提供传输服务。

由于低轨星座的特点，在低轨星座中不能直接应用5G通信协议，需要依据低轨星座的特点逐层对协议进行针对性设计和优化设计。

空口协议设计：需要针对宽带通信、窄带通信和物联网等应用针对性地设计空中接口各层协议，包括控制面(RRC、RLC、MAC、PHY)和数据面协议(主要是RLC、MAC、PHY)。

低轨移动性管理及切换协议优化设计：在地面移动通信系统中，影响移动性管理技术的主要因素是移动终端运动特征，切换的判决条件主要依据终端的测量结果。在低轨星座中，移动性管理及切换方案的选取则主要取决于卫星的运动，由于卫星的高速运动，通信用户在不同波束及卫星间快速切换，这大大增加了切换的信令开销。低轨卫星运动轨迹可通过计算得到，因此，可以结合低轨卫星运行轨迹优化移动性管理及切换协议设计，减小移动性管理及切换通信开销。

低轨会话管理层协议优化设计：在地面移动通信系统中，两终端之间的数据都需要通过核心网转发才能互相通信，为减小终端间通信时延，低轨星座接入网需要支持终端间T2T直接通信，即两终端间的业务数据不经落地处理，直接由星间链路转发，业务路径由2跳变为1跳，这样可降低一半的通信时延。为此需要对低轨会话管理层协议进行优化设计，修改会话承载建立与数据传输流程。

低轨星座路由协议设计：这是实现低轨星座空间组网的关键协议，该部分内容对应于地面移动通信系统地面承载网路由协议，采用地面路由协议(OSPF、BGP等)，在3GPP标准中一般不包括该部分内容。与地面网络拓扑固定不同，由于低轨星座高速运动，网络拓扑动态变化，因此地面网络路由协议不能直接应用。目前该领域国内外研究者众多，也提出了许多路由算法，如时间片路由和基于地理位置路由算法等。

用户面协议增强设计：相对于地面光纤链路，低轨卫星无线链路具有误码率高、时延较长等特点，为此在数据面网络层之上进行协议增强设计，主要是传输层协议增强和应用层协议增强设计。

2.3 空口传输体制适应性

5G新空口(5G NR)技术路线将摆脱现有4G系统框架的约束，通过采用各种先进的空口技术来全面实现5G的关键性能参数指标，其中传输体制研究是5G研发重点，主要包括新型多址、新波形和大规模MIMO等[13]。

5G新空口候选的多址技术除了传统的CP-OFDMA外，非正交多址接入主要有SCMA、NOMA、PDMA和MUSA。与OFDMA相比，非正交接入在时间、频率和空间等物理资源基础上，引入了功率域、码域维度，进一步提高了用户的连接数和信道容量，在地面移动信道环境下非正交多址接入比OFDMA有更好的性能，其中SCMA采用近似最优的MPA迭代算法使其有最好的误码性能。低轨星座与地面系统在卫星信道环境方面有类似的多径特点，而且载荷功率受限，从这点来说非正交接入更适合低轨卫星。目前针对非正交多址接入的研究不够全面深入，在低轨卫星上使用更需要考虑卫星的多谱勒影响。5G指标定义终端最高速度为500 km/h，而低轨卫星运动速度可达7.9 km/s，再加上工作频段差异，低轨星座的多谱勒影响是地面的几十倍。国内外对OFDM在低轨卫星上的应用研究比较多，对非正交多址接入研究较少。

5G传输波形还是在OFDM[14]基础上作变化，主要有W-OFDM、UFMC、f-OFDM、FBMC和GFDM多个备选方案。OFDM的一个弱点就是峰均比较高，有关降低峰均比的方法研究较多，比如陷幅法、选择性图法和子载波预留法等，这些方法会带来性能的少许损失，但可以满足应用需求。随着5G对低峰均比的强烈重视，降低峰均比的优化方法也会得到快速发展。

MIMO系统[15]已在地面4G中得到实际应用，5G的大规模多天线技术也是一种MIMO系统。相对于高轨卫星，针对低轨卫星的MIMO应用研究较为成熟，尤其在双极化天线上应用空时码研究较深。但是近10年来还是主要集中在理论研究和仿真，这些仿真存在一些缺点，如不准确、缺乏验证、仿真与实际场景不符。MIMO的作用是空间复用和分集，可以用来增加系统容量和传输性能，而近年来主要围绕低轨卫星多波束覆盖的方法提高系统容量，效果明显，可以认为这也是MIMO未能投入应用的主要原因之一。在容量及性能继续提高的要求下，极化MIMO或星座MIMO应用于低轨星座的存在较大可能性。

5G对传输时延的要求短到ms级[19]，而低轨卫星的RTT达到50 ms，两者差别较大，因而5G中和传输延迟相关的一些过程不能直接照搬，需要做修改。这些过程包括随机接入、闭环功控和混合自动重传等。传输时延长和运动速度快对上行同步造成比较大的影响，这也更需要改进。国内“863”项目“卫星移动通信系统关键技术研究”对LTE技术在GEO卫星上应用适应性做了比较深入的研究，其中关于传输延迟的影响和措施可以在低轨卫星应用借鉴。

3 结束语

低轨星座的发展建设要加强相关关键技术攻关，并充分吸收和借鉴5G的研究成果，结合低轨星座特点，从网络架构、空口体制开展创新性研究。结合天地一体化信息网络重大项目推进，2020年左右构建一个低轨星座的技术试验示范网，完成关键技术和体系架构验证，充分考虑与未来地面5G移动通信网络的融合共处。在上述基础上，争取在2025年完成网络建设，提供全球无缝覆盖的移动通信、宽带增强和物联网应用等多样化服务能力，使低轨星座成为5G向天基拓展的关键组成部分。

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