通信隨著全球?qū)o(wú)處不在的連接需求日益增長(zhǎng)，衛(wèi)星通信成為實(shí)現(xiàn)這目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。5G衛(wèi)星通信能結(jié)合衛(wèi)星通信和傳統(tǒng)地面通信，利用規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)提升了衛(wèi)星通信的經(jīng)濟(jì)效益，這不僅推動(dòng)了空天地一體化信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，還提高了整體系統(tǒng)的覆蓋能力、可靠性和應(yīng)用創(chuàng)新潛力，為未來(lái)智慧社會(huì)發(fā)展提供了重要支撐。這也是5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的重要方向之一。
據(jù)全球行動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)等機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)通信，2020年無(wú)線通信技術(shù)覆蓋全球八成以上的人口，但僅覆蓋不到四成的陸地面積。海洋中的各類(lèi)船只都有上網(wǎng)需求，而人跡罕至的陸地地區(qū)并非完全荒蕪，農(nóng)業(yè)、石油勘探和一些公用事業(yè)等應(yīng)用大多分布在這些地區(qū)。此外，洪水、地震、海嘯等自然災(zāi)害經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致停電、斷網(wǎng)、斷路，給救援工作帶來(lái)困難。
5G非地面網(wǎng)絡(luò) (Non-Terrestrial Network, 簡(jiǎn)稱(chēng) NTN) 可以提供一種能夠覆蓋全球、不受地面環(huán)境限制的通信網(wǎng)絡(luò)解決方案。同時(shí)，它還能利用現(xiàn)有全球移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，使用通用設(shè)備將衛(wèi)星通信帶入主流市場(chǎng)，因此備受關(guān)注。
一、5G非地面網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)明顯、大勢(shì)所趨
傳統(tǒng)衛(wèi)星電話雖然可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)通話和中低速數(shù)據(jù)傳輸，但由于定制化和高昂的價(jià)格，市場(chǎng)普及率不高。衛(wèi)星通信行業(yè)用戶相對(duì)較少，難以分?jǐn)傁到y(tǒng)和終端成本。此外，傳統(tǒng)衛(wèi)星電話與5G網(wǎng)絡(luò)不兼容，限制了其在現(xiàn)代通信領(lǐng)域的應(yīng)用。
衛(wèi)星通信與5G地面網(wǎng)絡(luò)的融合是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。3GPP第17版標(biāo)準(zhǔn)提出將非地面網(wǎng)絡(luò)納入5G系統(tǒng)。通過(guò)地面5G網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信的結(jié)合，可以提供全球范圍內(nèi)無(wú)處不在的連接和覆蓋，成為地面網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充。
衛(wèi)星軌道按高度可分為低軌、中軌、地球靜止軌道和高軌：
低軌衛(wèi)星：距地面高度低于2,000公里傳輸時(shí)延較低（一般少于10毫秒）。
中軌衛(wèi)星：距地面高度在2,000公里至35,786公里之間，傳輸時(shí)延一般少于50毫秒。
地球靜止軌道衛(wèi)星：距地面高度為35,786公里，鏈路損耗較大，信號(hào)傳播時(shí)延一般超過(guò)250毫秒。
高軌衛(wèi)星：距地面高度大于35,786公里應(yīng)用范圍較窄，技術(shù)應(yīng)用相對(duì)較少。
5G NTN的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括汽車(chē)和公路運(yùn)輸、海上和航空運(yùn)輸、公共安全、媒體和娛樂(lè)、電子健康、能源、農(nóng)業(yè)和金融等。通過(guò)這些應(yīng)用，5G NTN將為各行各業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步提供有力支持。
二、5G NTN實(shí)現(xiàn)架構(gòu)
5G NTN的實(shí)現(xiàn)包含三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（見(jiàn)下圖）：
1. 衛(wèi)星回傳 (低軌衛(wèi)星/中軌衛(wèi)星/地球同步衛(wèi)星，LEO/MEO/GEO)：通過(guò)衛(wèi)星鏈路提供遠(yuǎn)距離5G基站到核心網(wǎng)的連接，適合偏遠(yuǎn)地區(qū)部署5G網(wǎng)絡(luò)，有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋。
2. 透明載荷 (又稱(chēng)“透明轉(zhuǎn)發(fā)”)：將衛(wèi)星僅當(dāng)作信號(hào)中繼鏈路。5G基站作為地面網(wǎng)絡(luò)的一部分，部署在信關(guān)站的后方，衛(wèi)星則只負(fù)責(zé)將手機(jī)和信關(guān)站之間的信號(hào)進(jìn)行流暢轉(zhuǎn)發(fā)，不對(duì)信號(hào)進(jìn)行任何處理。優(yōu)點(diǎn)是可利用現(xiàn)有衛(wèi)星設(shè)備，技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，成本較低；缺點(diǎn)是衛(wèi)星和基站之間路徑較長(zhǎng)，傳輸時(shí)延較大，不支持衛(wèi)星間協(xié)作，且需要部署大量信關(guān)站。
3. 可再生載荷(又稱(chēng)為 “基站上星”) ：將5G基站部署在衛(wèi)星上，使衛(wèi)星間的星間鏈路類(lèi)似于地面基站間的接口，衛(wèi)星和信關(guān)站間的饋電鏈路成為基站與核心網(wǎng)之間回傳網(wǎng)絡(luò)的一部分。優(yōu)點(diǎn)是手機(jī)與衛(wèi)星基站間時(shí)延較短，且由于存在星間鏈路，可減少信關(guān)站的部署；缺點(diǎn)是必須對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行改造并重新發(fā)射，涉及復(fù)雜技術(shù)和高昂成本。
5G NTN架構(gòu)場(chǎng)景
三、從地面網(wǎng)絡(luò)向非地面網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的挑戰(zhàn)
隨著地面網(wǎng)絡(luò)向非地面網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，出現(xiàn)了一些新的問(wèn)題和技術(shù)挑戰(zhàn)，例如：
1. 高傳輸時(shí)延：對(duì)于透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星，地球同步軌道衛(wèi)星的往返傳輸時(shí)延可達(dá)500毫秒以上，嚴(yán)重影響基站和手機(jī)間的實(shí)時(shí)交互，因此需要對(duì)相關(guān)協(xié)議流程進(jìn)行改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)，以提高時(shí)效性。
2. 多普勒頻移：非地球同步軌道衛(wèi)星相對(duì)地球高速運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的多普勒頻移現(xiàn)象。地面5G系統(tǒng)通常處理的頻偏非常小，即使在高速列車(chē)等特殊場(chǎng)景下，也只需要考慮數(shù)千赫茲的頻偏補(bǔ)償。
3. 超大小區(qū)半徑：地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)半徑通常在幾百米到幾千米之間，超遠(yuǎn)覆蓋也就到100多公里，而非地面網(wǎng)絡(luò)小區(qū)的覆蓋范圍要大得多，LEO波束可達(dá)1,000公里，GEO波束可達(dá)3,500公里。衛(wèi)星小區(qū)中心和邊緣之間存在明顯的時(shí)延差異，而5G作為同步通信系統(tǒng)，需要加強(qiáng)同步機(jī)制，以避免用戶之間的干擾。
4. 移動(dòng)性管理：非地球同步軌道衛(wèi)星相對(duì)于用戶而言具有高速運(yùn)動(dòng)性，導(dǎo)致頻繁的小區(qū)切換和重選等移動(dòng)性問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一方面需要避免不必要的切換或重選，另一方面可以進(jìn)行預(yù)先的小區(qū)或波束切換，以減少信令交互的開(kāi)銷(xiāo)。
四、應(yīng)科院與業(yè)界緊密合作、系統(tǒng)研發(fā)5G NTN技術(shù)
應(yīng)科院正在積極研發(fā)5G NTN的基站、核心網(wǎng)、和終端三個(gè)方面的工作。
1.5G NTN 基站物理層參考設(shè)計(jì)
應(yīng)科院目前正在開(kāi)發(fā)透明載荷架構(gòu)的5G NTN基站原型，以衛(wèi)星為中繼。該原型旨在改進(jìn)協(xié)議流程，緩解高傳輸時(shí)延的影響。同時(shí)，應(yīng)科院還致力于增強(qiáng)同步機(jī)制，減小由于超大小區(qū)半徑引起的時(shí)延差異。具體改進(jìn)內(nèi)容如下：
a）支持所有頻率范圍的頻分雙工（FDD），以滿足衛(wèi)星通信頻率要求。最大帶寬為400 MHz，在120 kHz子載波間隔（SCS）下實(shí)現(xiàn)最短的處理時(shí)間。
b）支持具有擴(kuò)展循環(huán)前綴（ECP）的正交頻分復(fù)用（OFDM）信號(hào)，以減輕地理上相距較遠(yuǎn)的衛(wèi)星通信設(shè)備之間上行鏈路時(shí)序差異引起的干擾。
c）支持增強(qiáng)數(shù)據(jù)信道的發(fā)射器和接收器，以適應(yīng)衛(wèi)星通信傳播特性，包括滿足3GPP關(guān)于衛(wèi)星通信所有頻段性能要求的接收機(jī)信道估計(jì)和補(bǔ)償算法，并支持最多32個(gè)混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（HARQ）進(jìn)程，即在等待確認(rèn)/否認(rèn)確認(rèn)（ACK/NACK）時(shí)可以發(fā)送32組數(shù)據(jù)。
d）支持多種硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈多元化，應(yīng)科院的5G基站設(shè)計(jì)了兩種主要的硬件平臺(tái)，一種是主流芯片平臺(tái)，另一種是采用在內(nèi)地設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的芯片組，包括ARM CPU和FPGA的硬件平臺(tái)。
2.5G NTN 核心網(wǎng)和邊緣計(jì)算
在核心網(wǎng)方面，應(yīng)科院致力分段支持三種5G NTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：
a）短期內(nèi)針對(duì)衛(wèi)星回傳，增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋：通過(guò)5G和WiFi接入對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)提供局域網(wǎng)，利用數(shù)據(jù)加速和邊緣計(jì)算，提供基本可用的通信網(wǎng)絡(luò)。
b）增強(qiáng)已有核心網(wǎng)功能，為中長(zhǎng)期做準(zhǔn)備：針對(duì)透明載荷和可再生載荷，重點(diǎn)解決NTN無(wú)線接入的挑戰(zhàn)，以降低長(zhǎng)傳播延遲的影響，并優(yōu)化移動(dòng)性管理策略，確保用戶能夠享受到高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。
c）支持衛(wèi)星和機(jī)載 5G 基站（透明和再生）接入和衛(wèi)星回傳：滿足各種延遲、移動(dòng)性接入和服務(wù)質(zhì)量要求，邊緣計(jì)算與衛(wèi)星接入，實(shí)現(xiàn)高覆蓋，高效、低成本，可擴(kuò)展的內(nèi)容數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交付。
3.5G NTN 可配置終端
應(yīng)科院還研發(fā)了5G NTN可配置的終端參考設(shè)計(jì)，以支持與不同技術(shù)條件的衛(wèi)星系統(tǒng)之間的通信。可配置終端參考設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容包括：
a）具備上行時(shí)間和頻率預(yù)補(bǔ)償功能：上行鏈路利用終端位置和衛(wèi)星星歷信息和其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)自行估計(jì)連接延遲，從而及時(shí)進(jìn)行上行發(fā)送提前補(bǔ)償。同時(shí)，根據(jù)終端位置/速度和衛(wèi)星星歷信息自行估計(jì)多普勒頻移，進(jìn)行上行頻率補(bǔ)償。
b）增強(qiáng)型隨機(jī)接入過(guò)程從而應(yīng)對(duì)大傳播延遲：包括隨機(jī)接入信道（RACH）接收?qǐng)鼍暗膬?yōu)化以及前導(dǎo)碼映射法，增強(qiáng)RACH響應(yīng)的監(jiān)測(cè)適應(yīng)能力，覆蓋增強(qiáng)的觸發(fā)條件和機(jī)制。
c）增強(qiáng)信道狀態(tài)信息（CSI）反饋選擇：包括增強(qiáng)的CSI的信道估計(jì)，基于預(yù)測(cè)的CSI反饋，以及可配置的信道質(zhì)量指標(biāo)（CQI）反饋的可設(shè)置的區(qū)塊錯(cuò)誤率（BLER）目標(biāo)。
應(yīng)科院5G NTN 技術(shù)一覽
總之，應(yīng)科院在5G NTN的基站、核心網(wǎng)和終端方面進(jìn)行了全面的研發(fā)工作。通過(guò)改進(jìn)協(xié)議流程、增強(qiáng)同步機(jī)制和優(yōu)化移動(dòng)性管理策略，應(yīng)科院致力于提供高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)連接和用戶體驗(yàn)。同時(shí)，應(yīng)科院還致力于與行業(yè)合作，推動(dòng)基于5G NTN標(biāo)準(zhǔn)的定制化基站和終端的開(kāi)發(fā)。通過(guò)持續(xù)的研究和創(chuàng)新，相信5G NTN將會(huì)迎來(lái)更加廣闊的應(yīng)用前景。 
