国际天地融合的卫星通信标准进展与分析

1 引言

天地融合信息网络作为信息化发展的重要基础设施，对拓展国家利益、维护国家安全、保障国计民生、促进经济发展具有重大意义。目前，一场由技术革新和商业资本驱动的天地融合发展浪潮正席卷全球。世界多国均将天地融合视为重要发展战略，美英等国相继发布天地融合网络建设计划，加紧开展全球布局，构建天地融合低轨星座抢占发展先机。我国也大力推动天地融合系统发展，诸多企业与科研机构投入到天地融合星座的研究与设计中。本文针对目前天地融合网络的发展现状与研究方向，分别对3GPP和ITU两个标准组织的卫星通信标准研究历程进行了研究，分析了其中天地融合卫星标准的研究现状和主要研究内容，并对标准研究后续的关键问题进行了探讨。

2 ITU天地融合卫星标准情况

2.1 ITU组织架构

国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）是主管信息通信技术事务的联合国机构，负责分配和管理全球无线电频谱与卫星轨道资源，制定全球电信标准，向发展中国家提供电信援助，促进全球电信发展。ITU主要包括无线电通信部门（ITU-R）、电信标准化部门（ITU-T）以及电信发展部门（ITU-D）3个部门。3个部门各由多个研究组（SG）组成，每个研究组又包含了若干个工作组（WP），每个工作组制定出技术方案后，通过世界无线电通信大会（WRC）对技术方案进行决策（见图1）。

其中，WP4B组的研究方向为FSS、BSS和MSS系统的空中接口、性能和适用场景等相关内容，ITU中关于国际天地融合标准主要在该工作组中开展。

2.2 ITU标准进展

ITU-RM.2083建议书在“IMT愿景——2020年及以后IMT未来发展的框架和总体目标”中提出了“下一代移动通信网应满足用户能随时随地访问服务”的需求。针对上述需求，在卫星接入技术领域开展了ITURM.[NGAT_SAT]标准的研究，标准成果最新文件在2018年3月完成，其中对5G卫星网络的应用场景、网络结构、关键技术等内容进行了定义和分析。但目前标准尚未定稿，预期ITU-RM.[NGAT_SAT]报告的发布将为下一代移动通信和天地融合产业建立基本规范，指导通信技术的研究与实际终端设备的研发，为国际其它标准化组织规划基本路线。

图1 ITU标准组织架构图

2.3 标准研究内容

（1）卫星网络的功能和应用

标准中对卫星网络的业务能力进行了定义，卫星能够覆盖广泛区域，具有高吞吐能力，可以实现的功能包括：第一是可扩展性，通过在其广泛的覆盖范围，利用卫星多播功能，同时尽可能靠近终端用户的云中进行本地缓存，可以获得重要的“统计复用优势”，从而可以更高效地使用系统带宽，提供更多可靠的服务；其次，由于卫星地面站可以快速部署、连接方便，可用于连接城市、村庄、企业和家庭，为其提供相对可靠的服务质量。此外，卫星网络更健壮、更稳定，能够抵御物理攻击和自然灾害，这一特性为安全通信提供了解决方案。

标准其中定义卫星网络覆盖的业务类型包括：视频业务（包括卫星多播和数据缓存等）；导航、天气、交通和其他环境数据传输；传感器设备、机器通信和自动驾驶汽车等物联网（IoT）相关数据传输；移动平台通信（如飞机的飞行中连接、用于船舶和火车的宽带服务等）。考虑到卫星网络的特性，卫星网络的研究对促进下一代接入技术的发展、实现其“天地融合”的目的十分重要。

（2）卫星网络的典型应用场景

ITU标准中列出了4类天地融合网络中卫星网络典型的应用场景。

●中继宽带传输业务

利用地静止卫星或非对地静止卫星的高吞吐量卫星链路补充现有的地面连接，来实现视频、物联网和其他数据的高速中继到中心站点的通信连接，并进一步向本地小区站点（如3G/4G/5G蜂窝网络）等提供服务。

●数据回传及分发业务

利用卫星多播功能，将卫星链路直接连接到蜂窝基站进行补充，从而能够多播相同的内容（如视频、HD/UHD电视以及非视频数据），以及实现来自多个站点的聚合IoT流量的高效回传。在需要将内容缓存在网络边缘的超低延迟应用的情况下，内容可以通过卫星分发。

●宽带移动通信业务

卫星链路可以提供与高速行驶下的飞机、车辆、火车和船只的连接，并能够根据需要的内容（如视频、HDTV以及其它非视频数据消费）在大覆盖范围内进行本地存储或播发，实现与用户设备或传感器的高效直接连接，以补充现有的地面连接。

●混合多媒体业务

在混合多媒体通信应用场景中，卫星可以向家庭和办公室提供地面宽带以外的补充内容，解决地面网络负载过重的问题，支持海量用户的宽带业务需求（如视频、高清电视以及其他非视频数据）。同时，还可以实现聚合物联网数据的高效连接。

（2）未来卫星网络的关键技术

●卫星组网技术

在卫星星座建设中，不同轨道高度的卫星具有各自不同的优势，其中地球静止轨道卫星（GSO）能提供经济高效、即时的网络覆盖；中低轨道卫星（MEO、LEO）具有较低传播延迟。实现网络的连续覆盖需要部署卫星星座，通过将卫星解决方案集成到下一代接入技术中，使用高/中低轨卫星混合网络进一步降低有效延迟，充分发挥地静止卫星和非对地静止卫星网络各自具备的优势。

●高通量卫星制造

高通量卫星系统利用集中式点波束，宽带有效载荷，高频率复用和更高频段的波段来显著提高大范围区域的传输容量和传输速度，可为终端用户提供速度超过100Mbit/s的宽带服务。这些系统可以支持多种应用，包括广播和多播内容分发，并提供高速、高容量、随时随地的服务。图2为传统卫星波束与HTS点波束的区别。

图2 传统卫星波束与HTS点波束的区别示意图

●卫星系统地面段先进技术

将下一代移动通信中的地面先进技术应用于卫星网络中，包括服务交付、网络切片、移动边缘计算、互操作和资源虚拟化等，以便卫星网络透明地支持端到端的垂直服务。预计卫星调制解调器、网络平台和管理系统将在地面网络架构中实现标准化，从而实现与其他网络的互操作。

●相控阵天线技术

使用先进材料提供低成本相控阵技术的新型移动卫星通信终端。这类终端功耗较低，同时成本大大降低，并且降低了与现有技术相关的许多尺寸、重量和功率要求，适合汽车、船只、飞机等移动平台的卫星通信。

3 3GPP天地融合卫星标准情况

3.1 3GPP标准进展

3GPP最早在R14中开展了卫星通信对5G地面移动通信带来的优势的研究。随着5G标准的发展，目前3GPP在SA以及RAN工作组中先后设立了4个5G卫星通信相关的研究项目和技术标准，将卫星接入列为5G的多种接入技术之一，并对卫星网络的部署方案和应用场景进行了具体研究和分析，各标准的进展情况如表1所示。

表1 3GPP天地融合标准进展情况表

3.2 标准研究内容

3GPP中天地融合卫星通信相关标准研究主要在TR38.811和TR22.822两个项目中开展。

（1）TR38.811：面向非地面网络的5G新空口

标准针对5G应用场景的需求以及现有卫星技术的发展水平，确定卫星网络部署方案及相关参数，是保障5G系统卫星通信功能和性能需求的关键。具体研究内容包括：

●5G非地面网络的作用

定义5G非地面网络的作用：基于广覆盖、物理攻击和自然灾害影响较小的特点，非地面网络将提供地面5G网络欠覆盖地区提供低成本覆盖方案；对于5G网络中的M 2M/IoT以及在高速移动载体上的乘客提供服务，保证无所不及的网络服务；为网络边缘网元及用户终端提供多播/广播信息传输。

●非地面网络的业务特性及网络结构

包括非地面网络所应具备的功能，卫星和空中接入网络架构的原则，非地面网络卫星和空中接入网络的特性，非地面网络空中载体的特性以及非地面网络的覆盖模可选的非地面网络的网络结构。

并根据宽带接入网和窄带接入网的链路频率、终端类型以及是否存在星间链路进行分类，提出了5种常见的卫星和空中接入网络架构。

●非地面网络部署方案

标准中归纳了10个典型的卫星应用场景，其中eMBB场景共8个，mMTC场景共2个，并根据不同的应用场景及其功能需求，确定了典型的5G网络应用场景下的非地面网络部署方案。

部署方案的研究包括：具体的实施方案，包括平台轨道、载波频率、波束模式、复用方式、非地面网络结构、终端、应用场景等；各类属性和参数进行详细描述和分析；分析系统的多普勒和传播时延特性。

●非地面网络信道模型

研究内容包括卫星信道的现状和预期达到的功能、卫星与地面信道建模方法的差异分析、卫星坐标系模型、天线模型、大规模通信模型、快速衰落模型、用于链路级仿真的通道模型、信道模型修正等10个研究方向，目前该部分标准仅梳理出了研究框架，具体内容还需在后续会议中讨论。

●引入新空口技术后对非地面网络潜在应用的支持性的分析

标准中研究了非地面网络目前存在的相关限制因素，进行非地面网络的部署时，需要对5G现有接入技术进行的修改。具体研究涉及传输信道、链路预算、传播时延、网络接入连续性、网络拓扑管理等多个方面的关键因素。

（2）TRTR22.822：5G卫星接入的研究

该标准主要研究卫星网络的接入，对终端和原有地面网络提出新的要求，结合对5G卫星网络应用场景的分析，对已有服务进行修改和更新，是实现5G网络产业应用的关键环节，其具体研究内容包括：

●5G卫星接入场景分类

将5G卫星接入用例分为服务连续性、服务无处不在、服务的可拓展性3类，并对各类用例的适用场景进行了分析。阐述中表明这3种类别不是互相排斥的，一个用例可能同时属于以上多种类别范畴。

●5G卫星的功能需求分析

对5G卫星的功能需求进行分析，介绍了12种功能需求及其对应的使用场景示例，包括卫星网络与地面网络之间的漫游、卫星覆盖的广播与多播、卫星物联网、卫星应急应用、卫星网络最佳路由、卫星跨国服务的连续性、卫星全球覆盖、5G卫星直接连接、5G接口与核心网之间的通信链路、5G移动平台通信、卫星与远程服务中心的连接。

其中，详细阐述了各用例的基本场景、服务前提条件、业务流程、后置条件、服务的潜在要求以及对现有/未来服务的潜在影响与交互性。

●5G卫星接入的性能指标

分析5G卫星接入的性能指标，目前该部分已完成卫星接入的延迟研究，确定了5G卫星接入场景下LEO/MEO/GEO 3类卫星应支持的最大端对端延迟要求，以及各类延迟场景下用户终端所对应的服务质量等级；其余相关性能指标尚未确定。

●5G卫星网络的潜在应用

分析5G卫星网络应用的潜在要求和考虑事项，涉及卫星网络安全、网络收费功能、网络路由、终端功能、通信服务质量要求等几个方面。

4 天地融合卫星通信标准关键问题

4.1 网络架构设计

图3 天地融合的网络架构示意图

如图3所示，在天地融合网络架构设计时，需要考虑卫星接入低成本广覆盖、受物理攻击和自然灾害影响较小的特点，与地面蜂窝网络优势互补、紧密融合，构建立体分层的融合网络架构，实现信息在全球范围内的传输和交互。

（1）蜂窝协议与卫星协议的相互借鉴，通过在卫星上支持蜂窝空口（方式1），或在信关站支持蜂窝空口（方式2）等方式实现无线空口技术的深度融合。

（2）天地融合业务用户实现透明接入，在卫星与蜂窝接入技术间灵活切换。

4.2 业务分类与需求

确定天地融合各通信场景的业务分类，如管道类业务、移动类业务和物联网/数据采集类业务等业务类型；并确定各类业务场景下的性能需求，包括卫星覆盖范围、信道带宽、通信时延、可靠性和最大连接数等。

4.3 天地融合标准体系架构

天地融合标准体系包括接入网、核心网、系统应用和终端4个部分。

●接入网：提出完整的、前后兼容性较强的接入网标准。考虑“弯管式、星上处理、星上交换”3类卫星接入方式，统筹现存的卫星通信体制。

●核心网：提出天地深度融合的核心网架构，实现卫星业务和蜂窝业务的一体化管理、安全控制、业务编排和资源分配。

●系统应用：针对不同业务、应用场景，定义相应的技术要求、协议规范。初步定义应急通信、物联网、宽带互联网、机载、船载、基站回传等。

●终端：编制全球统一的各种终端（模组）型谱的需求、技术、性能、测试标准；满足产业发展需要。

5 结束语

太空域和信息域是国家经济发展和军事斗争的两个重要战略制高点，空间信息资源已成为各个国家的重要战略资源。天地融合网络结合了天基网络和地基网络的特点，能满足未来经济、社会发展和信息技术发展中广覆盖、高速率、超密度连接通信的需求，是信息技术、信息产业、信息网络和信息化发展的重点、焦点和方向。其中，天地融合标准对网络性能、技术等方面进行了规范，对天地融合网络的关键技术进行了分析和研究，对天地融合行业的发展具有重要作用。本文总结了天地融合标准的发展现状，并对天地融合卫星通信标准发展中的关键问题进行了分析和探究，对天地融合标准的发展具有一定的指导意义。