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卫星通信有什么用?5G 跟卫星通信有什么关系?

2020-12-11 10:12:53 来源 : 鲜枣课堂公众号

近些年来,卫星通信引起了国内外的广泛关注。人们普遍看好这项技术的长远发展,认为它会对现有的通信技术造成颠覆性的改变,甚至可能取代现在最先进的移动通信技术——5G。然而,也有人认为,卫星通信存在诸多技术瓶颈,不会发挥太大的作用。究竟卫星通信有什么用?它和5G有什么关系?今天这篇文章,我们来探寻一下答案……

美国东部时间10月24日11时31分,美国太空探索技术公司(SpaceX)顺利完成“星链计划”第15批卫星的发射任务,用一枚“猎鹰9号”火箭将60颗卫星送入太空。

猎鹰9号火箭和60颗星链卫星

截至目前,SpaceX已累计发射893颗“星链”卫星(如果算上2018年2月发射的两颗测试卫星,则是895颗),进度非常惊人。

毫无疑问,马斯克确实是个商业奇才兼科技狂人。他引领的颠覆性创新,大大降低了发射卫星的成本和门槛。

按照他的设想,“星链计划”将在地球周围布置约1.2万颗卫星(后续可能增至4.2万颗),打造一个覆盖全球的网络,为用户提供高速互联网服务。

围绕着“星链计划”,国内很多无良自媒体进行了大量的炒作,说它有多么多么厉害,是美国的6G,会取代5G移动通信,对中国造成威胁。

事实上,马斯克本人从来没说过“星链计划”要取代5G。至于说6G,前几天小枣君关于国内某高校“6G卫星”的文章也解释过了,很多东西都还是未知数。

“星链计划”的核心威胁,在于对轨道和频谱资源的占用。

该计划每次都会申报一千多条卫星轨道。按照目前先到先得(7年内必须启用)的原则,1000公里以下的轨道资源很可能在几年之后被“星链计划”抢占大半。

卫星通信和5G之间的关系

如果说以“星链计划”为代表的卫星通信技术,不能够取代5G。那么,卫星通信和5G之间,到底是什么关系呢?

要回答这个问题,我们不妨看看国际组织正在进行的工作。

目前,国内外和卫星、5G相关的代表性组织,有如下几家:

SaT5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)

这是一个2017年成立的融合卫星与5G项目,由欧盟资助。它的成员已经为ETSI和3GPP关于卫星融入5G相关的标准化研究做出了很多贡献。

非地面网络项目(Non-terrestrial networks, NTN)

这是3GPP立项成立的项目。它致力于将卫星通信与5G融合,在5G NR空口和架构的基础上进行优化,以便未来能够提供更加广阔和多样化的通信服务。

航天通信技术工作委员会(TC12)

这个是我国CCSA(中国通信标准化协会)在2019年成立的组织,目的是开展星地一体化的研究工作。

首先看看SaT5G。

SaT5G在他们发布的白皮书中,给出了一些典型的卫星通信用例,重点聚焦于5G的eMBB和mMTC两大场景(卫星系统的传播延迟,对于uRLLC场景来说是一个难以逾越的障碍):

用例1:5G内容分发

借助卫星的广播/多播功能,将媒体娱乐内容(或者移动边缘计算设备的VNF软件更新)高效地分发到网络边缘。

用例2:5G固定回程

推动在地面5G网络无法覆盖的区域推广服务(例如海事服务、湖泊、岛屿、山区、农村地区、孤立地区等),以经济高效的方式,提升地面网络的性能。

用例3:5G到楼宇

补充地面网络的连通性,例如与地面无线或有线相结合,为服务能力不足地区的家庭或办公室提供宽带连接。

用例4:5G移动平台回程

宽带连接到移动平台,如飞机、船舶等,提供服务的连续性。

来源: SaT5G白皮书

值得一提的是,SaT5G成员在最近两年举行的欧洲网络与通信大会(EuCNC)上,进行了一系列卫星与5G网络架构融合的现场演示。

下图演示了飞机上的5G技术。卫星和地面5G网络设备相互结合,进行内容分发,为乘客提供娱乐服务以及连网方案。

来源: SaT5G官方文档

再来看看3GPP,他们关于卫星融入5G,有什么进展。

下面这张示意图,展示了相关国际组织(含3GPP)的整体工作进展情况。

来源: SaT5G官网

3GPP RAN工作组的相关内容和时间线大致如下:

R15对“NR支持非地面网络”进行了SI立项,并发布研究报告TR 38.811。该报告定义了包括卫星网络在内的NTN部署场景及信道模型,以及NR的潜在影响[1]。

R16的“NR支持非地面网络的解决方案”SI,仿真评估了不同部署场景的性能以及NR适应性分析。2019年12月,SI结项并且发布了TR 38.821[2]。

R17将R16 SI转为工作项目WI,重点研究NR NTN增强方案[3]。

为了简化理解,大家可以想象把地面基站搬到空中的卫星平台(实际上这确实是它一种部署方式)。

这种情况和传统地面移动通信的区别在于:地面移动通信中基站不动,而用户是移动的;而卫星通信中,空中的基站在高速移动,大部分用户在静止或低速移动时可看作准静止的。

除此之外,两者的无线传播环境与特性也存在着很大的不同。

那么问题来了,地面移动通信网络最初并不是为这样的场景设计的,这些由NTN(非地面网络项目)带来的显著特征,会在不同程度上影响5G的架构、协议和实现(特别是物理层)。

5G NR支持NTN的技术细节

首先,我们需要了解NTN波束覆盖的两种典型模式:

透明转发

即弯管方案,可以认为是无线信号经卫星中继。

星上处理

可以认为是卫星具有5G基站的全部或者部分功能。

相应地,基于透明转发、星上处理、有/无中继,提出了4种网络架构:

来源: 3GPP 38.811 V1.0.0

其次,如果我们站在协议栈的角度来看:

1. 透明转发架构的用户面和控制面协议栈如下:

透明转发架构的用户面协议栈

透明转发架构的控制面协议栈

2. 星上处理架构的用户面和控制面协议栈如下:

星上处理架构的用户面协议栈

星上处理架构的控制面协议栈

最后,我们来一起看看对物理层的主要影响(以及解决方案建议):

a)物理层控制过程

时序关系

NTN相比地面网络会存在较大的双向传输时延RTT,导致上下行的帧时序存在较大偏移,需要增强物理层时序关系,可以通过引入偏移量Koffset并应用它来修改相关的时序关系。Koffset的具体值在不同的时序关系中也将会有所不同。另外,还需要进一步讨论Koffset值是通过广播还是高层参数配置的方式来获取。

注:具体影响的时序关系,请参考TR 38.821 V16.0.0的6.2.1.2小节

上行功控

R16讨论了比如波束专用和通用的功控参数配置、基于预测的功控调整、基于组的功控参数配置等功控优化方案,但尚未形成收敛的结论。因此,依旧还是会沿用R15的功控方式。

自适应调制编码AMC和延迟的CSI反馈

大家知道,AMC通过调整无线传输的调制方式与编码速率,来确保链路的传输质量。为解决信道状态信息CSI上报过时问题,R16讨论了多种优化方案,但尚未形成收敛的结论。根据SI的结论,R15定义的CSI反馈机制至少可以用于LOS场景的NTN链路自适应。

b)上行定时提前与RACH增强

TA增强

定时提前用来指示UE,根据指令提前相应时间发上行数据。NR的TA机制不能满足NTN几百甚至几千km的传输距离要求。R16考虑的增强方案,是使用公共TA和UE专用TA的组合:第一种是根据用户位置和星历信息(即商业卫星的关键轨道参数)自主获取TA值。第二种是基于网络侧指示TA调整。上述两种方式仍有一些增强工作需要放到R17进一步探讨。

RACH增强

如果UE可以精确获取用户位置信息并进行时频偏预补偿,则可以复用R15的PRACH格式和前导序列(可以进一步讨论额外增强的必要性),否则就需要考虑增强的PRACH格式和前导序列设计。

此外NTN也可考虑采用R16中的两步接入,以此简化初始接入流程。

c)更多的时延容忍重传机制

大家知道,混合自动重传请求HARQ机制可保证信息完整性,提高传输可靠性。

但是NTN中RTT较大,所需最小HARQ进程数会远大于NR支持的16个。

目前主要讨论的是以下两个方案:

第一种是HARQ关闭机制。

第二种是HARQ传输机制的增强。比如增加HARQ进程数,来匹配更长的卫星双向传输时延。或者禁用UL HARQ反馈,以避免HARQ过程中的停止和等待,并依赖RLC ARQ来提高可靠性。这两种增强机制目前还没有定论。R17应该会进一步讨论HARQ进程的数量,并考虑HARQ反馈、缓冲区大小、RLC反馈和RLC ARQ缓冲区大小等。

d)其他更多的议题,限于篇幅这里就暂时不列举了…

结语

根据各大组织的研究进展,我们基本可以认为——卫星通信,将作为一个有益补充,集成到整个5G生态系统中。

卫星通信和5G的融合,将会是一个双赢的结果。

一方面,由于5G的规模化效应,为卫星通信打开了全新的市场机会。另一方面,“即插即用”的卫星通信网络,将是对地面5G网络的有效补充,使得5G的生态系统可以更具弹性和效率。

从标准化的角度来看,3GPP针对卫星和5G网络的融合,还在规范制定的过程当中。不过目前看来,最重要的考量,还是如何最大程度地复用地面的5G关键技术和标准。

相信到了2021年,也就是R17发布的时候,我们会看到初步的结果。那个时候,将是未来6G星地一体化深度融合的起点。

关键词:卫星通信 5G

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