5G and 卫星，到底啥关系？_风闻

　　引言：

　　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。

　　—— 全文完 ——

　　参考文档：

　　[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.