【前沿】5G與衛星行動通訊系統的融合分析

介紹

隨著行動互聯網的快速發展和智慧終端設備的普及應用，人們對行動通訊速度提出了更高的要求。第五代行動通訊系統（5G）旨在提供10Gbps至20Gbps的峰值速率和100Mbps至1Gbps的使用者體驗速率，以滿足更豐富的業務需求。憑藉其龐大的無線通訊業務容量、豐富的業務類型和高速的傳輸速率，5G可以在人口密集地區廣泛應用。然而，在人口稀少或地面網路難以鋪設的地區，其優勢難以充分發揮。與地面行動通訊網路相比，衛星通訊系統具有覆蓋範圍廣、通訊容量大、地形影響小、靈活性高、業務適應性強等諸多無可比擬的優勢。因此，可以利用衛星覆蓋人口稀少或地面網路難以鋪設的地區，與地面網路形成良好的互補，從而實現真正的全球覆蓋，為全球用戶提供無差別的通訊服務。

事實上，人們對衛星通訊的應用早於地面蜂窩無線通訊的建置。世界上第一個商業通訊衛星系統是「早期鳥」（Early Bird），由國際衛星通訊組織（INTERSAT）於1965年發射和營運。衛星系統，而世界上第一代蜂窩無線通訊系統則在 20 世紀 80 年代開始建造。近幾十年來，國際上投入運作的衛星通訊系統不僅包括地球靜止軌道上的 Inmarsat、Thuraya、Viasat 等，還包括低地球軌道上的 Iridium、Global-star、Orbcom 等。尤其自 2015 年以來，國際上出現了低軌道網路通訊星座建設的激增，例如 OneWeb 和 Starlink，這些星座在國際熱點地區引起了廣泛關注。衛星通訊系統與地面無線通訊系統的整合建置再次成為國際上深入論證的發展方向。

01衛星與5G融合的研究現狀

21世紀初，營運商透過獲得組成星地混合通訊網路的許可，使衛星通訊進入主流市場。為了擴展衛星通訊網絡，營運商增加了地面輔助組件（ATC）或地面補充組件（CGC）。 ATC是指用於衛星行動通訊的地面輔助基地台。衛星與大量ATC基地台結合，可實現大範圍的無縫覆蓋，從而解決衛星通訊面臨的挑戰。城市高樓林立以及室內環境有訊號覆蓋不佳的問題，但這其中也涉及一些其他因素。複雜的問題，例如：衛星和空中交通管制基地台的頻率復用，太空和地面系統的切換和協調控制。

隨著5G技術的日益成熟，5G與衛星的融合已引起國內外廣泛關注。國際電信聯盟（ITU）和第三代合作夥伴計畫（3GPP）等標準化組織投入了大量精力，進行與衛星整合5G系統相關的技術示範工作。

1）國際電信聯盟（ITU）於2016年提出“下一代行動通訊網路應滿足用戶隨時隨地存取服務的需求”，並進行了衛星接取技術領域的ITU-RM研究。 [NGAT_SAT]標準的研究提出了衛星-地面融合的四個典型應用場景，包括中繼寬頻傳輸業務、資料回傳和分發業務、寬頻行動通訊業務以及混合多媒體業務（如下圖所示），並闡明了支援上述應用的關鍵特性。此外，ITU也積極推進衛星和5G頻段的使用工作，並針對衛星和5G進行了一系列頻譜共享和電磁相容性分析。

圖1 ITU給出的衛星-地面融合系統的4個應用場景

2) 自 2017 年發布 Release 14 標準以來，第三代合作夥伴計畫 (3GPP) 已開始展示衛星通訊對地面行動通訊系統的優勢。在 2017 年底發布的 TR22.822 技術報告中，3GPP 工作小組 SA1 定義了 5G 中使用衛星接取的三種主要方法：連續服務、普適服務和擴展服務。討論應用案例並探討新舊服務的需求。目前，3GPP主要依賴名為「非地面網路（NTN）」的研究項目，進行5G衛星通訊部署場景和空口設計的研究。

3) 2017年6月，歐洲成立了SaT5G（5G衛星和地面網路）聯盟，成員包括英國電信（BT）、SES、Avanti、薩里大學以及其他歐洲公司和研究機構。該聯盟旨在為5G提供經濟高效、即插即用的衛星解決方案，並為衛星產業鏈提供持續成長的市場機會。 2018年歐洲網路與通訊大會在斯洛維尼亞盧布爾雅那舉行。會上，包括VT iDi-rect和SES在內的五家SaT5G成員展示了衛星與3GPP網路架構的整合。

圖 2 Sat5G 給出的衛星 5G 應用場景

4）為了因應5G系統提出的1000倍容量成長目標，由歐盟「地平線2020」計畫資助的SANSA（基於智慧天線的地面-衛星共享回程網路）計畫旨在為未來的大容量無線通訊系統提供良好的回程鏈路解決方案。 SANSA計畫提出了低開銷智慧天線波束成形技術、面向衛星-地面融合無線網路的動態智慧無線資源管理技術、資料庫輔助的動態頻譜共享技術等，並進行了深入的研究工作。

02  衛星5G整合的關鍵技術

由於衛星通訊與地面無線通訊在傳播距離、覆蓋範圍和功率能力方面存在差異，二者的深度融合不可避免地面臨一些挑戰。下文將從系統架構、波束覆蓋、空口波形、頻譜共享和網路控制五個面向分析衛星5G融合的關鍵技術。

2.1 系統架構

在衛星5G融合架構中，考慮採用高低軌道混合衛星星座。同時，通訊頻段的設計也涵蓋低頻段（如L波段和S波段）和高頻段（如Ku波段和Ka波段），以滿足中低速和寬頻傳輸業務的需求。衛星覆蓋區域隨著衛星下點的移動而移動，終端用戶會在不同的小區之間切換。

低軌道衛星星座的星間鏈由雷射或微波鏈路組成，多顆衛星互連形成空間通訊網絡，衛星作為交換節點。星座通常採用極地軌道設計。這是因為相鄰軌道平面上的衛星具有相對穩定的相對位置關係（極地地區或反向接縫除外），有利於維持星間鏈路並實現高緯度地區的覆蓋。此外，在網關站實施衛星饋線鏈路業務，以實現衛星網路與地面公共交換電話網路（PSTN）、公共聯絡網路（PLMN）和網際網路之間的互聯互通。這些操作均在Ka或Q/V頻段進行。

目前，星地融合網路主要有三種架構。第一種是星地互補網路。在這種架構下，5G系統和衛星系統共享一個網路管理中心，但各自的接取網路和核心網路保持獨立。接取網路和部分核心網路功能由衛星閘道站提供，終端支援蜂巢式存取和/或衛星接取模式。第二種是星地混合網路。在這種架構下，地面系統和衛星系統共享一個網路管理中心，空口部分也盡可能統一，以保持各自核心網路和頻段的獨立性。終端支援地面接取和衛星接取兩種模式。第三種是星地融合網絡。其主要特點是：整個系統的存取點（AP）、頻率、接取網路和核心網路完全統一規劃設計。需要指出的是，星地融合網路是星地融合通訊系統的最高階段，面臨著巨大的技術挑戰。

2.2 光束覆蓋範圍

在星地融合行動通訊系統中，透過調整點波束和無線資源，可以為熱點區域提供超出預定容量的語音和數據服務。這種靈活的功能是透過數位波束成形（DBF）技術實現的。目前，衛星通訊的數位波束成形技術主要有三種形式：地面DBF、星載DBF和混合DBF。其中，混合數位波束成形在性能和複雜度之間取得了良好的平衡，並得到了廣泛的研究。採用混合DBF時，地面網路控制中心根據波束調整需求和對應的策略計算出最佳化的波束成形矩陣，然後透過饋源連結將波束成形矩陣的參數傳送到衛星，衛星透過重構多波束天線動態調整波束覆蓋範圍。

由衛星或終端移動引起的切換主要有兩種：一種是衛星系統內部的切換。對於低軌道衛星，其相對於地面的位置變化迅速，導致終端在同一顆衛星上連續覆蓋的時間僅為十分鐘。因此，為了防止切換過程中資料遺失，必須事先準備好星間或波束間的切換，並快速執行。另一種是終端在地面5G網路和衛星網路之間的切換。這種切換需要考慮許多因素，例如支援機載處理和彎管透明轉發架構、時間同步、測量和資訊協調等。當蜂窩網路訊號非常弱時，終端將從蜂窩網路切換到衛星網路；否則，它將保持對地面網路的存取。

2.3 空口波形

正交頻分複用（OFDM）仍然是5G系統的基礎傳輸技術，但載波間幹擾（ICI）會導致系統效能嚴重下降。這是因為OFDM技術本身對頻率偏移非常敏感，頻率偏移引起的子載波串擾會降低通訊效能。為了有效抑制殘餘頻率偏移對系統性能的影響，可以採用可變子載波頻寬的設計方案。對於頻寬較窄的L波段，由於其支援的語音業務碼率低至2.4Kbps，因此應採用15KHz或更窄的子載波設計。而在Ka波段，可以使用更大的子載波頻寬。這是因為使用者通常透過寬頻上網，且最小仰角較大，可以有效降低多普勒效應的影響。

此外，5G支援的非正交多址存取（NOMA）無需每個使用者佔用專屬資源。使用者可以在非正交資源上同時發送和接收訊息。基於多用戶聯合檢測，可以透過訊號處理避免用戶間的相互幹擾。與傳統的正交接取方式相比，NOMA技術的應用可將頻譜效率提高三倍以上。目前，用於地面5G系統的NOMA晶片已經研發、推廣和應用。 NOMA技術以犧牲頻譜效率為代價，增加了複雜性，這也意味著它難以應用於長時延的地球靜止軌道（GEO）衛星通訊場景，因為需要大量的信令互動來動態控制用戶存取參數。後續應針對衛星通訊中的NOMA技術進行進一步的技術研究。

2.4 頻譜共享

無論是衛星通訊還是地面行動通訊系統，頻譜資源短缺已成為亟待解決的問題。尤其值得注意的是，衛星通訊和地面通訊在頻譜資源方面形成了激烈的競爭。例如，衛星通訊系統多年來一直使用的C波段和Ka波段，已被國際電信聯盟（ITU）授權用於地面5G系統。兩者之間的頻譜競爭具體體現在以下幾個方面：

1）Ka波段：為了滿足用戶速度和系統容量的快速成長，5G和衛星通訊都希望使用Ka波段甚至毫米波頻段。例如：2019年世界無線電通訊大會（WRC-19）指定了24.25 GHz-27.5 GHz、37 GHz-43.5 GHz、66 GHz-71 GHz三個頻段，總計14.75 GHz頻寬的頻譜用於全球5G和未來的國際通訊系統；美國聯邦通訊委員會（FCC 27.37）已將GHz-38.6 GHz頻段授權用於地面5G，這些頻段與衛星通訊系統所使用的頻段有一定程度的重疊。

2) 3GHz-6GHz C頻段：包括中國、歐盟、日本和韓國在內的許多國家都提議將C頻段作為5G系統的候選頻段。然而，在亞洲，中國、越南和馬來西亞等國家已在該頻段建造了大量的衛星通訊系統。因此，協調C頻段用於地面5G系統存在一定難度。

透過星地協同規劃優化配置，可以提高頻率資源的使用效率。建構星地聯合頻譜感知系統，可實現星地通訊系統間的頻譜共享，提高頻譜利用效率。與地面無線通訊網路相比，認知用戶在網路環境中偵測所有頻譜的難度更高，這是由於衛星通訊覆蓋範圍廣造成的。頻譜資料庫的快速更新、波束形成、頻譜感知精度以及認知區域描述都是此技術的研究重點。此外，從資源融合的角度來看，對蜂窩通訊和衛星通訊進行統一規劃設計，以「頻譜共享」的形式解決幹擾問題，從而促進頻率資源的共享利用，可以為衛星通訊系統與5G系統的深度融合提供相容的基礎。

2.5 網路控制

基於SDN和NFV技術的端對端網路切片是5G系統網路控制雲的最大特徵。 SDN和NFV技術分別實現了網路承載與控制的分離以及核心網元的軟體化，為實現網路切片奠定了堅實的基礎。堅實的基礎。

當衛星通訊系統與地面5G深度整合時，衛星核心網的控制功能和轉送功能可以分離，進一步簡化轉發功能。為了支援高流量傳輸需求和靈活均衡的流量負載調度，業務儲存和運算能力可以從網路中心遷移到網路邊緣。

為了支援與地面的融合，除了 3GPP 提供的九項基本業務功能外，還需要在 5G 衛星核心網的用戶平面中添加非 3GPP 互連功能和用戶平面功能。

03 衛星5G融合面臨的挑戰與研究方向

儘管衛星與5G融合工作已取得長足進展，但要真正實現衛星與5G融合的美好願景，仍面臨許多技術挑戰。衛星領域和地面領域存在許多共同的挑戰。以下我們將列出主要的技術挑戰和未來的研究方向。

1）傳輸系統面臨的挑戰：在星地融合網路傳輸中，多普勒頻移、頻率管理與幹擾、功率限制和定時提前等問題亟待解決。針對多普勒頻移，5G在傳輸系統中採用了多載波OFDM技術。然而，其子載波間隔設計並未考慮多普勒頻移的影響，這會導致子載波間幹擾。在功率限制方面，5G雖然保證了高頻段利用率，但同時也降低了訊號的峰均比。最後，在定時提前方面，無線鏈路傳輸時延的快速變化可能導致需要動態更新終端的定時提前量，以確保所有上行鏈路傳輸的同步。

2）存取與資源管理挑戰：考慮到星地融合網路的長時延為MAC層和RLC層的存取控制、HARQ、ARQ等流程帶來了挑戰。在接取控制方面，為了支援5G與衛星的有效融合，需要設計合理的接取機制，例如預授權、半持續調度和免授權。對於HARQ，往返時間通常會超過HARQ計時器的最大時長，且HARQ過程對時間要求嚴格。在MAC層和RLC層的調度過程中，衛星系統的長時延也會影響調度的及時性，需要對調度時延參數進行調整。

3）移動性管理挑戰：在星地融合網路中，行動性管理面臨的挑戰更為嚴峻。從通訊層面來看，可分為網路層切換與連結層切換；從應用場景來看，可分為地面小區間的切換、衛星與地面小區間的切換、衛星小區間的切換、以及衛星間的切換。此問題雖已有所探討，但仍需進一步研究。

04 結語

衛星通訊和地面蜂窩通訊系統歷經近三十年的發展，並取得了輝煌的成就。然而，由於其固有的局限性，難以滿足人們日益增長的行動通訊和大量資料互聯需求。近年來，隨著物聯網技術的快速發展，未來的無線通訊系統將朝著「人與人」轉變為「人與物」和「物與物」的方向發展，實現普適通訊與萬物互聯。透過衛星通訊和地面蜂窩通訊的整合發展，可以實現優勢互補，並迎來新的發展機會。本文將介紹與探討衛星通訊與5G整合的發展現況、關鍵技術及面臨的挑戰，以期為本技術的發展提供參考與指導。

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