科普：5G 和卫星，到底啥关系

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。

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.

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