低軌衛星通信系統與5G通信融合的應用設想

與傳統衛星通信系統相比，低軌衛星星座通信系統具有全球覆蓋（含兩極區域）、隨遇接入、低延時傳輸、終端輕小型化等特點。隨著全球互聯網和物聯網服務的延伸，以及第五代移動通信系統（5G）的逐步商業化應用，低軌衛星通信與地面5G的融合成為業界討論的熱點話題。

1

現狀與發展趨勢分析

近年來，互聯網衛星星座產業迅猛發展，其代表系統有「一網」（OneWeb）系統和「星鏈」（Starlink）互聯網星座系統。國際電信聯盟（ITU）、第三代合作夥伴計劃（3GPP）、SaT5G和CBA 等標準化組織組建了專業團隊對星地融合相關問題進行深入研究，業界部分研究機構也投入到此項研究工作中。

隨著低軌衛星星座的大面積規劃部署，通信頻率衝突的矛盾將日益突顯，統籌規劃星地頻率資源、研究高效的頻率資源復用技術，是解決星地資源衝突的有效手段；為保障用戶終端的一體化、小型化設計，5G通信中的大規模多輸入多輸出、非正交多址、新型多載波傳輸等新空口技術在低軌衛星星座系統中的適配、適用，將成為低軌星座與5G融合的研究熱點；星地網路的全IP 設計是星地融合的發展趨勢，網路功能虛擬化（NFV）和軟體定義網路（SDN）技術也將成為低軌星座與5G融合的關鍵研究內容。

目前，星地網路正由相互競爭轉變為合作共贏模式，衛星網路作為地面網路的擴展與延伸，可實現地面基站的拉遠，並為其提供通信回程服務。國外星地合作共贏的新型商業模式已經興起，國內產業割裂的壁壘短期內仍然存在，合作共贏的發展模式還需進一步探索。

2

網路融合可行性分析

我國IMT－2020（5G）組織提出了基於「三朵雲」的5G網路總體架構，以滿足面向5G應用的業務指標和場景需求。該架構下5G網路由接入平面、轉發平面和控制平面三部分組成，其中，接入平面支持多種無線網路的通信接入，可實現多接入網路的協同控制，並提高無線資源的利用率；轉發平面基於通用硬體平台設計，滿足業務數據的低延時、高可靠及均負載傳輸需求，提高數據轉發效率；控制平面利用網路重構技術，實現功能的集中控制和流程的簡化處理。

5G網路總體架構圖

我國低軌衛星星座系統網路架構與5G網路架構相同，也包括接入平面、轉發平面和控制平面。其中，接入平面部署在星上，通過衛星基站實現空口協議的處理，並由星載路由交換單元實現數據轉發，與5G接入平面相比，低軌星座接入平面既有接入、控制功能，也有轉發功能；低軌衛星星座系統的轉發平面和控制平面部署與關口站的核心網中，與5G網路轉發平面不同的是，低軌轉發平面主要進行終端與地面網路之間的業務處理。

低軌衛星星座網路架構圖

由上述分析可以看出，低軌衛星星座系統在網路架構方面與5G網路相似，兩者融合接入時只需做簡單的融合處理即可。由於低軌星座的特殊性，在低軌星座中不能直接使用5G通信協議，需要依據低軌星座的特點逐層對協議進行針對性的設計和優化。因此，兩網進行通信融合時，協議適應性開發是待攻克的重點問題。

3

方案設想

本設計給出低軌衛星星座系統與5G網路融合通信的設計思路，重點從網路架構、網路功能部署和關鍵技術三方面進行分析設計。

1. 網路架構

低軌與5G網路的融合架構可採用兩種設計方式實現，第一種為松耦合分立組網建設方式，低軌衛星通信網路和地面網路相互獨立，業務數據經通信衛星中繼至地面信關站，再由地面通信網實現數據的轉接分發；第二種為緊耦合建設方式，低軌星座網路和5G網路採用統一的空中介面協議，天基和地基網路統一管理、協同服務，終端採用高集成、融合設計方式，通過單一終端實現低軌星座網路與5G通信網路的無縫切換。

低軌星座系統與5G網路融合架構圖

2. 網路功能虛擬化部署

5G網路引入網路功能虛擬化和軟體定義網路兩項新型技術，該技術的引入實現了控制平面與數據平面的功能分離。低軌星座系統和5G網路的融合也將基於網路功能解耦的基礎上，實現獨立部署、升級與擴展，提高系統應用靈活性與適應性。

在融合網路中，功能的部署執行只需要建立在空閑的處理器基礎上，而無需關注該處理器隸屬於天基系統或地面系統，是預先固化配置或是臨時調用。對於應用優先順序高的業務信息，完成星上資源配置處理後，後續處理盡量交由地面節點完成，改變以往由於網元功能緊耦合所導致的星地網路功能分割絕對化。

除上述規劃外，實現低軌星座系統與5G網路的通信融合尚需突破多項技術難點：

1）多載波技術。5G網路初期仍以正交頻分復用（OFDM）技術為主。對於低軌衛星星座而言，由於移動過程中通信傾角變化較大，採用多載波技術可有效解決多徑效應和遮擋等問題，但由於通信覆蓋區域較大，星地鏈路的循環前綴、隨機接入信道（RACH）導頻設計是需要攻克的關鍵技術。

2）新型編碼技術。低軌星座與5G的融合通信網路需滿足不同業務類型的傳輸需求，業務速率、傳輸時延、誤碼率等均有不同的標準要求，融合網路既要支持百兆速率的互聯網寬頻業務傳輸，也要支持幾百比特的物聯網短數據業務傳輸，需提供一套完備的編碼調製方案，以適應不同通信業務的傳輸需求。

3）動態資源分配技術。基於頻譜感知技術，對特定頻段進行頻譜掃描，尋找未被用戶使用的和利用空分復用技術處理後可共用的通信頻率，動態地分配給低軌通信星座使用，解決資源緊缺、通信衝突、調度困難等問題。

4）移動性管理技術。與同步靜止軌道衛星不同，低軌衛星星座相對於地面是進行高速運動的，地面終端會在不同衛星與不同波束之間進行頻繁切換，因此用戶的資源管理、錨點管理、數據管理等信息變得異常複雜，研發一套安全、可靠、實用性強的移動管理平台意義重大。

低軌與5G的通信融合將為用戶提供覆蓋更廣、速率更快的通信網路接入服務，將移動寬頻、互聯網接入、物聯網等應用拓展到更廣闊的範圍，實現天地一體化的通信服務保障。

作者： 王悅 王權 張德鵬 李雯婷 於航

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！