天地大融合时代，卫星通信何去何从——融合5G的卫星网络方案建议

+ 郭正标

当我们研究一个事物并且会解决具体问题的时候，有时候不妨换个角度，看看它的本质到底是什么，用第一性原理去解释它，寻找解决问题的办法也许会更加合理。

通信是人类社会生活中实现信息传输和交换的重要手段，通信技术的进步也伴随着人类发展的历史长河不断演变和进步。到了近现代，以无线电为代表的现代通信手段彻底改变了人类生活的面貌，卫星通信作为一种典型的无线电通信方式，早已登上历史舞台。

就目前的社会生活来说， 虽然广泛普及的移动通信技术为整个世界的联通做出了不可磨灭的贡献，但是卫星通信看起来距离人们的日常生活仍比较遥远。卫星通信作为一种高势能的通信技术手段，在泛在通信层面有着不可替代的作用。物理空间的优势决定着它相比地面通信而言可以用更高的效率实现广泛覆盖。如何利用大众消费的移动通信需求使这种高屋建瓴的通信手段落地？或者说有什么样的需求和技术动力可能会推动卫星通信成为大众消费品呢？

本文基于国际移动通信技术标准，就如何最终实现卫星网络深度融合，并无缝集成到地面网络等问题，发表一些浅见。

融合5G的天地一体化网络和传统意义上天地一体化网络的最大区别在于融合的程度，在地面移动通信还处于3G/4G的时代，没有重要的技术演进趋势可以让我们相信卫星网络能够集成到地面网络当中，成为其网络切片的一部分。但如今，世界进入软件定义的时代，网络、数据、云计算等等都可以经过通用的规则和开源的代码来实现。扁平化的管理，使卫星网络无论作为一种信息管道或是射频前端，从整体架构上都可以符合地面网络建设的预期，以SDN/NFV为主的虚拟化技术将深刻影响卫星网络的发展趋势，这同时也为卫星本身的发展带来了巨大的影响，卫星将变成空中基站的一部分。

国际卫星行业发展趋势

在国际移动通信发展的大趋势下，我们拥有融合的相关研究基础。3GPP组织业已意识到这个趋势的重要性，已经责成对此课题进行研究。不久的未来，建立在新型5G空口框架下的卫星接入方案将成为现实：有一天，卫星通信服务将会走进千家万户，甚至个人的手机里。

R14版本的3GPP TS 22.261文件，已经开始认识到卫星作为空间基站的一部分对于5G通讯覆盖等场景的应用价值，并将其作为5G接入技术的一个分支开展了研究。在3GPP对于非地面网络的空口研究中还有两个重要的项目“These Non-terrestrial networks feature in TSG RAN’s TR38.811”以及“TR 22.822”，前者研究的是信道模型，后者研究的是接入方案。其中，TR 38.811的研究项目旨在寻求在其第一阶段定义5G中卫星的部署场景和相关的系统参数，以及获得更多关于信道模型的信息。第二阶段将处理与卫星相关的RAN协议和体系结构并为之设计接入方案。

高低轨卫星与移动通信

典型意义上的高轨通信卫星主要的擅长领域在广播和固定宽带业务上，而新兴的低轨卫星星座则是实现移动通信和增加系统带宽的唯一途径。二者将在未来的5G异构网络中以互补的形式，一起为地面网络实现高效率的覆盖提供支撑。目前看来，高轨卫星通信要深度融合进入5G网络的难度很大，存量业务比如转发器业务及部分HTS业务都有固定的客户需求，加上本身建设在轨维持周期都比较长，这种TOB的模式本身也制约着高轨卫星为大众提供消费服务。所以本文所讨论的天地一体化融合的主要对象，特指新兴的低轨卫星。

为什么说低轨卫星星座是实现移动通信和增加系统容量的唯一途径？本质上是因为低轨卫星的能量利用效率要比高轨卫星高得多。高轨卫星通信有着难以解决的空间损耗问题，这就意味着它需要更多能力把信号送达地面，因此对射频器件产生更高的要求，一些地面移动通信普及的半导体工艺在高轨上无法实现。

实现大融合的技术路径

实现卫星通信与5G网络的融合是系统性工程，尚有很多需要解决的难题。首先需要从系统架构层面设计每一个环节，也就是说，是否拥有领先的系统架构设计能力，是一个卫星通信系统性能优劣的关键要素。

1、频率

首先要解决的是频率问题。我们认为，行业传统的由国家无线电管理局向国际电联申报网络资料的方式已经不足以解决今天的问题。

融合5G的卫星通信技术的重要创新点之一是采用频谱共享方案，可以制定一种动态的高级频谱共享机制（类似于空间分层的CBRS频谱接入系统），将允许多个服务提供商或终端接入一个频带或一组频带，通过不同等级的分层管理来控制来自卫星或者地面基站的信号接入，提升现有频谱的利用效率，这种方法尤其适用于中低频段。

对于高频段则可结合采用频率调谐的方案，即系统具备一定的动态感知能力，能在主流的5G频段内实现兼容，当卫星位于不同国家不同5G网络内，通过调取频谱数据调谐至相关频率并开展频谱共享。例如在中美欧日韩都会分配的28Ghz频段，可实现在不同国家上空27.25GHZ～28.25GHZ范围内的调谐。具体该调谐参数的设计主要取决于国家间对于5G网络用频的不同设定，比如我国根据国内具体无线电干扰情况，对27.75Ghz附近频率酌情分配；美国人则已经开始分配28GHZ以上频段用于5G通信。我们可以采用提前整理各国无线电频谱使用资料作为数据库备案的手段，开展星上调谐。

在这里需要说明的是，民营公司似乎在国际间频率协调时拥有更多回旋和操作的空间，也许是平衡各方利益诉求的较好的操作对象。据了解一些公司已经联合国家合作伙伴开展了国家间协调工作。

2、频谱利用效率

解决完频率干扰的问题，接下来需讨论如何提高频谱利用效率了。目前在高轨卫星中提高频率复用率并使用多波束技术是主流解决方案。而针对低轨卫星使用新型可重构的相控阵多波束天线，对提升卫星性能有非常明显的作用。该新型载荷能产生大量的点波束并可以动态地进行波束调节，能根据用户使用需求来动态地分配带宽。

如何将新型载荷用于较小体积、较低功率要求的小卫星上，成为创新研究的重点。由于低轨卫星轨道高度较低，如果结合第三代半导体工艺，使用氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）甚至是磷化铟（InP）研制的相控阵天线，在较小的空间损耗下实现和地面终端的互联互通，可以实现极低功耗和极高增益的要求，使得卫星通信融合5G网络，甚至是直接连接移动终端成为可能。据悉，有企业研发中的高性能宽带卫星相控阵多波束载荷，使用了大量地面成熟工艺，比如将TR模块直接实现AIC(antenna in Chips)集成到芯片上去，最大程度克服多余的星上能量损耗，最终实现卫星的超大系统容量，单星指标有望达到百吉比特量级。

3、标准化

两个独立的网络需要融合，就必须在标准化层面做好工作，这也是决定这两个系统是否能够深度融合的关键要素。

我们的建议是，利用5G软件定义自适应空口的技术特点，结合卫星特殊的信号环境——快速移动和时延特点，设计独立于地面基站的新的接入方案。利用好3GPP组织在非地面网络接入方案的研究成果，制定具有中国独立知识产权的接入标准，提出具有中国特点的通信物理层设计，尤其是帧结构的设计，并推动以TDD动态时分多址为标准的接入方案成为国际卫星接入标准之一。

同时，基于5G软件定义自适应空口技术，制定具备中国独立知识产权的卫星接入方案，针对卫星信道模型设计新的通信物理层帧结构方案。提升多终端接入能力和降低系统时延，并推动基于5G NR TDD的天地网络标准成为3GPP beyond 5G的主要候选标准之一。

天地网络深度融合之下，卫星网络也将开始使用地面网络的网状网架构。系统新型拓扑结构和无线回传方案成为决定融合程度的关键，卫星系统既可作为纯射频前端，做透明转发，也可以自带路由和星上处理能力。对此可结合地面网络的SDN和C-RAN技术，将卫星网络数据处理等复杂功能交由地面处理。事实上，分布式虚拟路由技术已经可以很好地解决这一问题，最终建设成一个具有共同标准的、涵盖高低轨卫星不同路由方式的异构网络架构。

在转发层面的网络协议栈上，也需要考虑如何兼容地面的TCP/IP协议，便于实现互联网化API化，具体操作可以结合IPV6等新的技术方案，甚至可以大胆想象，未来在轨道部署自己的根服务器（使用一种充气胶囊式可伸缩、充满低温惰性气体的在轨空间根服务器），这种系统建设也许能触发BAT们投资商业航天项目的决心。

软硬件解耦合与扁平化控制要求将卫星作为地面基站的节点延伸，不需要采用专用芯片，可以降低系统开发难度。卫星和地面基站的芯片系统高度一致，由通用白盒芯片和开源软件组成的系统实现软硬件解耦合。卫星网络后期可以随着地面网的升级换代而升级，不再需要重新发射卫星。在使用基于OPENFLOW等开源软件的基础上搭建的SDN/NFV网络，实现地面对卫星网络的扁平化控制，甚至在控制层面实现地面对卫星网络的测控和确保系统安全性。需要说明的是，上升的芯片层面在应用层上使用软件定义技术有其合理性，但专用和通用本身就是一种矛盾的关系，对于卫星的射频信号处理，星上交换还是需要寻找专用的解决方案。

4、新型载荷及芯片

新型载荷及其芯片方案决定卫星性能的直接体现，整个系统架构都需要依托在这个方案上才能落地，如果没有先进的载荷和芯片方案，一切融合都是空中楼阁，发展融合5G的低轨卫星通信，首先就应该把行业目标的方向聚集在此。

新型载荷实现阵列天线、射频芯片和数字基带高度集成，大量采用第三代宽禁带半导体材料。对于阵列天线可采用将传统TR模块做到晶圆当中来降低功耗，提升TR的数量。对于射频芯片，可采用部分地面系统使用的射频工艺，比如PLL锁相环设计，尽可能地把技术水平更高、开放程度更高的地面5G通信射频解决方案带到卫星通信当中。比如采用超高采样速率的ADC，不需要经过变中频的射频架构，直接采集送达基带进行处理。这种做法可以极大提升传统卫星通信系统的性能，做到小平台大容量。对于数字IC，类似龙芯等完全自主可控的芯片类型一般不会考虑使用国际同行的IP解决方案，而特殊工艺的FPGA又面临国际限制和成本过高的问题，对此建议，民营企业可通过自研ASIC的办法，集成国内高可靠性IP核心和国际高性能的IP核心，比如eFPGA和DSP阵列，再通过台积电等厂家进行量产，实现自主可控高可靠和商用高性能之间的折中。

卫星通信运营前景展望

对于传统的地面通信运营商而言，基站等基础设施仅仅是冰山一角，剩下的庞杂工作还需要在整个通信运营层面体现。融合5G的卫星网络是否具备活下来的机会，同样在于运营商是否拥有这样的能力，业界也在呼唤天地一体的新型运营商的出现。

特别应注意的是，低轨移动通信卫星网络必然是全球性的，如何实现在不同国家间落地，除了在系统方案上的考量之外，利用互联网思维去开发更多应用级的场景也很有必要。卫星网络未必就是一个管道，最大的收益还是在应用上：服务于200多个国家的低轨星座网络急需要解决落地和跨境结算的问题。而今天如果把区块链技术结合到卫星运营领域，将碰撞出完全不一样的火花，这甚至比单单做一个星座收益更大。但话说回来，没有这样的空间基础设施，一切都将是镜中月水中花，区块链本身只是一个工具，需要依托现实的服务来衡量它的价值。

在这里我们普及一个新的名词“CAAS”(CommunicationASA Settlement)——通信即结算。可以类比一下主流的PAAS SAAS系统理念，每一次数据交换都会被记录下来，并且以固定的数字货币形式完成交易。这种模式非常适合在不同国家、不同运营商、不同系统之间实现数据交易和结算，这将大幅度降低卫星通信运营的成本。而这种区块链技术的落地需要基于成熟合理的协议架构，这种数字货币也绝非今天被热炒的比特币，仅仅是传统电信运营商通信资费的一个呈现形式，本身并不具备炒作的空间。

当然，通过TOKEN的形式预支了未来空间又没有任何监管，始终是当今脆弱的金融系统难以接受的。我们也呼吁达成新的共识机制，依托现实的服务来完成空间基础设施的建设。