5G and 衛(wèi)星，到底啥關(guān)系？
引言：
近些年來，衛(wèi)星通信引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。 人們普遍看好這項技術(shù)的長遠(yuǎn)發(fā)展，認(rèn)為它會對現(xiàn)有的通信技術(shù)造成顛覆性的改變，甚至可能取代現(xiàn)在最先進(jìn)的移動通信技術(shù)——5G。 然而，也有人認(rèn)為，衛(wèi)星通信存在諸多技術(shù)瓶頸，不會發(fā)揮太大的作用。 究竟衛(wèi)星通信有什么用？它和5G有什么關(guān)系？ 今天這篇文章，我們來探尋一下答案……
美國東部時間10月24日11時31分，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）順利完成“星鏈計劃”第15批衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，用一枚“獵鷹9號”火箭將60顆衛(wèi)星送入太空。
獵鷹9號火箭和60顆星鏈衛(wèi)星
截至目前，SpaceX已累計發(fā)射893顆“星鏈”衛(wèi)星（如果算上2018年2月發(fā)射的兩顆測試衛(wèi)星，則是895顆），進(jìn)度非常驚人。
毫無疑問，馬斯克確實是個商業(yè)奇才兼科技狂人。他引領(lǐng)的顛覆性創(chuàng)新，大大降低了發(fā)射衛(wèi)星的成本和門檻。
按照他的設(shè)想，“星鏈計劃”將在地球周圍布置約1.2萬顆衛(wèi)星（后續(xù)可能增至4.2萬顆），打造一個覆蓋全球的網(wǎng)絡(luò)，為用戶提供高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。
圍繞著“星鏈計劃”，國內(nèi)很多無良自媒體進(jìn)行了大量的炒作，說它有多么多么厲害，是美國的6G，會取代5G移動通信，對中國造成威脅。
事實上，馬斯克本人從來沒說過“星鏈計劃”要取代5G。至于說6G，前幾天小棗君關(guān)于國內(nèi)某高?！?G衛(wèi)星”的文章也解釋過了，很多東西都還是未知數(shù)。
“星鏈計劃”的核心威脅，在于對軌道和頻譜資源的占用。
該計劃每次都會申報一千多條衛(wèi)星軌道。按照目前先到先得（7年內(nèi)必須啟用）的原則，1000公里以下的軌道資源很可能在幾年之后被“星鏈計劃”搶占大半。
▉ 衛(wèi)星通信和5G之間的關(guān)系
如果說以“星鏈計劃”為代表的衛(wèi)星通信技術(shù)，不能夠取代5G。那么，衛(wèi)星通信和5G之間，到底是什么關(guān)系呢？
要回答這個問題，我們不妨看看國際組織正在進(jìn)行的工作。
目前，國內(nèi)外和衛(wèi)星、5G相關(guān)的代表性組織，有如下幾家:
SaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）
這是一個2017年成立的融合衛(wèi)星與5G項目，由歐盟資助。它的成員已經(jīng)為ETSI和3GPP關(guān)于衛(wèi)星融入5G相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化研究做出了很多貢獻(xiàn)。
非地面網(wǎng)絡(luò)項目（Non-terrestrial networks, NTN）
這是3GPP立項成立的項目。 它致力于將衛(wèi)星通信與5G融合，在5G NR空口和架構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，以便未來能夠提供更加廣闊和多樣化的通信服務(wù)。
航天通信技術(shù)工作委員會（TC12）
這個是我國CCSA（中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會）在2019年成立的組織，目的是開展星地一體化的研究工作。
首先看看SaT5G。
SaT5G在他們發(fā)布的白皮書中，給出了一些典型的衛(wèi)星通信用例，重點聚焦于5G的eMBB和mMTC兩大場景（衛(wèi)星系統(tǒng)的傳播延遲，對于uRLLC場景來說是一個難以逾越的障礙）：
用例1：5G內(nèi)容分發(fā)
借助衛(wèi)星的廣播/多播功能，將媒體娛樂內(nèi)容（或者移動邊緣計算設(shè)備的VNF軟件更新）高效地分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)邊緣。
用例2：5G固定回程
推動在地面5G網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的區(qū)域推廣服務(wù)(例如海事服務(wù)、湖泊、島嶼、山區(qū)、農(nóng)村地區(qū)、孤立地區(qū)等)，以經(jīng)濟(jì)高效的方式，提升地面網(wǎng)絡(luò)的性能。
用例3：5G到樓宇
補(bǔ)充地面網(wǎng)絡(luò)的連通性，例如與地面無線或有線相結(jié)合，為服務(wù)能力不足地區(qū)的家庭或辦公室提供寬帶連接。
用例4：5G移動平臺回程
寬帶連接到移動平臺，如飛機(jī)、船舶等，提供服務(wù)的連續(xù)性。
來源: SaT5G白皮書
值得一提的是，SaT5G成員在最近兩年舉行的歐洲網(wǎng)絡(luò)與通信大會(EuCNC)上，進(jìn)行了一系列衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)融合的現(xiàn)場演示。
下圖演示了飛機(jī)上的5G技術(shù)。衛(wèi)星和地面5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相互結(jié)合，進(jìn)行內(nèi)容分發(fā)，為乘客提供娛樂服務(wù)以及連網(wǎng)方案。
來源: SaT5G官方文檔
再來看看3GPP，他們關(guān)于衛(wèi)星融入5G，有什么進(jìn)展。
下面這張示意圖，展示了相關(guān)國際組織（含3GPP）的整體工作進(jìn)展情況。
來源: SaT5G官網(wǎng)
3GPP RAN工作組的相關(guān)內(nèi)容和時間線大致如下：
R15對“NR支持非地面網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行了SI立項，并發(fā)布研究報告TR 38.811。該報告定義了包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的NTN部署場景及信道模型，以及NR的潛在影響[1]。
R16的“NR支持非地面網(wǎng)絡(luò)的解決方案”SI，仿真評估了不同部署場景的性能以及NR適應(yīng)性分析。2019年12月，SI結(jié)項并且發(fā)布了TR 38.821[2]。
R17將R16 SI轉(zhuǎn)為工作項目WI，重點研究NR NTN增強(qiáng)方案[3]。
為了簡化理解，大家可以想象把地面基站搬到空中的衛(wèi)星平臺（實際上這確實是它一種部署方式）。
這種情況和傳統(tǒng)地面移動通信的區(qū)別在于：地面移動通信中基站不動，而用戶是移動的；而衛(wèi)星通信中，空中的基站在高速移動，大部分用戶在靜止或低速移動時可看作準(zhǔn)靜止的。
除此之外，兩者的無線傳播環(huán)境與特性也存在著很大的不同。
那么問題來了，地面移動通信網(wǎng)絡(luò)最初并不是為這樣的場景設(shè)計的，這些由NTN（非地面網(wǎng)絡(luò)項目）帶來的顯著特征，會在不同程度上影響5G的架構(gòu)、協(xié)議和實現(xiàn)（特別是物理層）。
▉ 5G NR支持NTN的技術(shù)細(xì)節(jié)
首先，我們需要了解NTN波束覆蓋的兩種典型模式：
透明轉(zhuǎn)發(fā)
即彎管方案，可以認(rèn)為是無線信號經(jīng)衛(wèi)星中繼。
星上處理
可以認(rèn)為是衛(wèi)星具有5G基站的全部或者部分功能。
相應(yīng)地，基于透明轉(zhuǎn)發(fā)、星上處理、有/無中繼，提出了4種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：
來源: 3GPP 38.811 V1.0.0
其次，如果我們站在協(xié)議棧的角度來看：
1. 透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)的用戶面和控制面協(xié)議棧如下：
透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)的用戶面協(xié)議棧
透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)的控制面協(xié)議棧
2. 星上處理架構(gòu)的用戶面和控制面協(xié)議棧如下：
星上處理架構(gòu)的用戶面協(xié)議棧
星上處理架構(gòu)的控制面協(xié)議棧
最后，我們來一起看看對物理層的主要影響（以及解決方案建議）：
a）物理層控制過程
- 時序關(guān)系
NTN相比地面網(wǎng)絡(luò)會存在較大的雙向傳輸時延RTT，導(dǎo)致上下行的幀時序存在較大偏移，需要增強(qiáng)物理層時序關(guān)系，可以通過引入偏移量Koffset并應(yīng)用它來修改相關(guān)的時序關(guān)系。Koffset的具體值在不同的時序關(guān)系中也將會有所不同。另外，還需要進(jìn)一步討論Koffset值是通過廣播還是高層參數(shù)配置的方式來獲取。
注：具體影響的時序關(guān)系，請參考TR 38.821 V16.0.0的6.2.1.2小節(jié)
- 上行功控
R16討論了比如波束專用和通用的功控參數(shù)配置、基于預(yù)測的功控調(diào)整、基于組的功控參數(shù)配置等功控優(yōu)化方案，但尚未形成收斂的結(jié)論。因此，依舊還是會沿用R15的功控方式。
- 自適應(yīng)調(diào)制編碼AMC和延遲的CSI反饋
大家知道，AMC通過調(diào)整無線傳輸?shù)恼{(diào)制方式與編碼速率，來確保鏈路的傳輸質(zhì)量。為解決信道狀態(tài)信息CSI上報過時問題，R16討論了多種優(yōu)化方案，但尚未形成收斂的結(jié)論。根據(jù)SI的結(jié)論，R15定義的CSI反饋機(jī)制至少可以用于LOS場景的NTN鏈路自適應(yīng)。
b）上行定時提前與RACH增強(qiáng)
- TA增強(qiáng)
定時提前用來指示UE，根據(jù)指令提前相應(yīng)時間發(fā)上行數(shù)據(jù)。NR的TA機(jī)制不能滿足NTN幾百甚至幾千km的傳輸距離要求。R16考慮的增強(qiáng)方案，是使用公共TA和UE專用TA的組合：第一種是根據(jù)用戶位置和星歷信息(即商業(yè)衛(wèi)星的關(guān)鍵軌道參數(shù))自主獲取TA值。第二種是基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)指示TA調(diào)整。上述兩種方式仍有一些增強(qiáng)工作需要放到R17進(jìn)一步探討。
- RACH增強(qiáng)
如果UE可以精確獲取用戶位置信息并進(jìn)行時頻偏預(yù)補(bǔ)償，則可以復(fù)用R15的PRACH格式和前導(dǎo)序列（可以進(jìn)一步討論額外增強(qiáng)的必要性），否則就需要考慮增強(qiáng)的PRACH格式和前導(dǎo)序列設(shè)計。
此外NTN也可考慮采用R16中的兩步接入，以此簡化初始接入流程。
c）更多的時延容忍重傳機(jī)制
大家知道，混合自動重傳請求HARQ機(jī)制可保證信息完整性，提高傳輸可靠性。
但是NTN中RTT較大，所需最小HARQ進(jìn)程數(shù)會遠(yuǎn)大于NR支持的16個。
目前主要討論的是以下兩個方案：
第一種是HARQ關(guān)閉機(jī)制。
第二種是HARQ傳輸機(jī)制的增強(qiáng)。比如增加HARQ進(jìn)程數(shù)，來匹配更長的衛(wèi)星雙向傳輸時延。或者禁用UL HARQ反饋，以避免HARQ過程中的停止和等待，并依賴RLC ARQ來提高可靠性。這兩種增強(qiáng)機(jī)制目前還沒有定論。R17應(yīng)該會進(jìn)一步討論HARQ進(jìn)程的數(shù)量，并考慮HARQ反饋、緩沖區(qū)大小、RLC反饋和RLC ARQ緩沖區(qū)大小等。
d）其他更多的議題，限于篇幅這里就暫時不列舉了…
▉ 結(jié)語
根據(jù)各大組織的研究進(jìn)展，我們基本可以認(rèn)為——衛(wèi)星通信，將作為一個有益補(bǔ)充，集成到整個5G生態(tài)系統(tǒng)中。
衛(wèi)星通信和5G的融合，將會是一個雙贏的結(jié)果。
一方面，由于5G的規(guī)模化效應(yīng)，為衛(wèi)星通信打開了全新的市場機(jī)會。另一方面，“即插即用”的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，將是對地面5G網(wǎng)絡(luò)的有效補(bǔ)充，使得5G的生態(tài)系統(tǒng)可以更具彈性和效率。
從標(biāo)準(zhǔn)化的角度來看，3GPP針對衛(wèi)星和5G網(wǎng)絡(luò)的融合，還在規(guī)范制定的過程當(dāng)中。不過目前看來，最重要的考量，還是如何最大程度地復(fù)用地面的5G關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。
相信到了2021年，也就是R17發(fā)布的時候，我們會看到初步的結(jié)果。那個時候，將是未來6G星地一體化深度融合的起點。
—— 全文完 ——
參考文檔：
[1]SaT5G Whitepaper.
[2]3GPP. 3GPP TR 38.811: Study on New Radio (NR) to support non terrestrial networks V15.0.0 (Release 15) [R]. 2018.06.
[3]3GPP. 3GPP TR 38.821: Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN) V1.0.0 (Release 16 ) [R]. 2019.12.
[4]Thales. 3GPP RP-193234: New WID: Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN) [R]. 2019.12.
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