美國東部時間 10 月 24 日 11 時 31 分，美國太空探索技術公司（SpaceX）順利完成 “星鏈計劃”第 15 批衛(wèi)星的發(fā)射任務，用一枚 “獵鷹 9 號”火箭將 60 顆衛(wèi)星送入太空。

▲ 獵鷹 9 號火箭和 60 顆星鏈衛(wèi)星

截至目前，SpaceX 已累計發(fā)射 893 顆 “星鏈”衛(wèi)星（如果算上 2018 年 2 月發(fā)射的兩顆測試衛(wèi)星，則是 895 顆），進度非常驚人。

毫無疑問，馬斯克確實是個商業(yè)奇才兼科技狂人。他引領的顛覆性創(chuàng)新，大大降低了發(fā)射衛(wèi)星的成本和門檻。

按照他的設想，“星鏈計劃”將在地球周圍布置約 1.2 萬顆衛(wèi)星（后續(xù)可能增至 4.2 萬顆），打造一個覆蓋全球的網(wǎng)絡，為用戶提供高速互聯(lián)網(wǎng)服務。

圍繞著 “星鏈計劃”，國內(nèi)很多無良自媒體進行了大量的炒作，說它有多么多么厲害，是美國的 6G，會取代 5G 移動通信，對中國造成威脅。

事實上，馬斯克本人從來沒說過 “星鏈計劃”要取代 5G。至于說 6G，前幾天小棗君關于國內(nèi)某高校 “6G 衛(wèi)星”的文章也解釋過了，很多東西都還是未知數(shù)。

▲ “星鏈計劃”的核心威脅，在于對軌道和頻譜資源的占用。

該計劃每次都會申報一千多條衛(wèi)星軌道。按照目前先到先得（7 年內(nèi)必須啟用）的原則，1000 公里以下的軌道資源很可能在幾年之后被 “星鏈計劃”搶占大半。

衛(wèi)星通信和 5G 之間的關系

如果說以 “星鏈計劃”為代表的衛(wèi)星通信技術，不能夠取代 5G。那么，衛(wèi)星通信和 5G 之間，到底是什么關系呢？

要回答這個問題，我們不妨看看國際組織正在進行的工作。

目前，國內(nèi)外和衛(wèi)星、5G 相關的代表性組織，有如下幾家 :

?  SaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）

這是一個 2017 年成立的融合衛(wèi)星與 5G 項目，由歐盟資助。它的成員已經(jīng)為 ETSI 和 3GPP 關于衛(wèi)星融入 5G 相關的標準化研究做出了很多貢獻。

? 非地面網(wǎng)絡項目（Non-terrestrial networks, NTN）

這是 3GPP 立項成立的項目。它致力于將衛(wèi)星通信與 5G 融合，在 5G NR 空口和架構的基礎上進行優(yōu)化，以便未來能夠提供更加廣闊和多樣化的通信服務。

? 航天通信技術工作委員會（TC12）

這個是我國 CCSA（中國通信標準化協(xié)會）在 2019 年成立的組織，目的是開展星地一體化的研究工作。

首先看看 SaT5G。

SaT5G 在他們發(fā)布的白皮書中，給出了一些典型的衛(wèi)星通信用例，重點聚焦于 5G 的 eMBB 和 mMTC 兩大場景（衛(wèi)星系統(tǒng)的傳播延遲，對于 uRLLC 場景來說是一個難以逾越的障礙）：

用例 1：5G 內(nèi)容分發(fā)

借助衛(wèi)星的廣播 / 多播功能，將媒體娛樂內(nèi)容（或者移動邊緣計算設備的 VNF 軟件更新）高效地分發(fā)到網(wǎng)絡邊緣。

用例 2：5G 固定回程

推動在地面 5G 網(wǎng)絡無法覆蓋的區(qū)域推廣服務 (例如海事服務、湖泊、島嶼、山區(qū)、農(nóng)村地區(qū)、孤立地區(qū)等)，以經(jīng)濟高效的方式，提升地面網(wǎng)絡的性能。

用例 3：5G 到樓宇

補充地面網(wǎng)絡的連通性，例如與地面無線或有線相結合，為服務能力不足地區(qū)的家庭或辦公室提供寬帶連接。

用例 4：5G 移動平臺回程

寬帶連接到移動平臺，如飛機、船舶等，提供服務的連續(xù)性。

▲ 來源 : SaT5G 白皮書

值得一提的是，SaT5G 成員在最近兩年舉行的歐洲網(wǎng)絡與通信大會 (EuCNC)上，進行了一系列衛(wèi)星與 5G 網(wǎng)絡架構融合的現(xiàn)場演示。

下圖演示了飛機上的 5G 技術。衛(wèi)星和地面 5G 網(wǎng)絡設備相互結合，進行內(nèi)容分發(fā)，為乘客提供娛樂服務以及連網(wǎng)方案。

▲ 來源 : SaT5G 官方文檔

再來看看 3GPP，他們關于衛(wèi)星融入 5G，有什么進展。

下面這張示意圖，展示了相關國際組織（含 3GPP）的整體工作進展情況。

▲ 來源 : SaT5G 官網(wǎng)

3GPP RAN 工作組的相關內(nèi)容和時間線大致如下：

R15 對 “NR 支持非地面網(wǎng)絡”進行了 SI 立項，并發(fā)布研究報告 TR 38.811。該報告定義了包括衛(wèi)星網(wǎng)絡在內(nèi)的 NTN 部署場景及信道模型，以及 NR 的潛在影響 [1]。

R16 的 “NR 支持非地面網(wǎng)絡的解決方案”SI，仿真評估了不同部署場景的性能以及 NR 適應性分析。2019 年 12 月，SI 結項并且發(fā)布了 TR 38.821[2]。

R17 將 R16 SI 轉為工作項目 WI，重點研究 NR NTN 增強方案 [3]。

為了簡化理解，大家可以想象把地面基站搬到空中的衛(wèi)星平臺（實際上這確實是它一種部署方式）。

這種情況和傳統(tǒng)地面移動通信的區(qū)別在于：地面移動通信中基站不動，而用戶是移動的；而衛(wèi)星通信中，空中的基站在高速移動，大部分用戶在靜止或低速移動時可看作準靜止的。

除此之外，兩者的無線傳播環(huán)境與特性也存在著很大的不同。

那么問題來了，地面移動通信網(wǎng)絡最初并不是為這樣的場景設計的，這些由 NTN（非地面網(wǎng)絡項目）帶來的顯著特征，會在不同程度上影響 5G 的架構、協(xié)議和實現(xiàn)（特別是物理層）。

5G NR 支持 NTN 的技術細節(jié)

首先，我們需要了解 NTN 波束覆蓋的兩種典型模式：

?  透明轉發(fā)

即彎管方案，可以認為是無線信號經(jīng)衛(wèi)星中繼。

?  星上處理

可以認為是衛(wèi)星具有 5G 基站的全部或者部分功能。

相應地，基于透明轉發(fā)、星上處理、有 / 無中繼，提出了 4 種網(wǎng)絡架構：

▲ 來源 : 3GPP 38.811 V1.0.0

其次，如果我們站在協(xié)議棧的角度來看：

1. 透明轉發(fā)架構的用戶面和控制面協(xié)議棧如下：

▲ 透明轉發(fā)架構的用戶面協(xié)議棧

▲ 透明轉發(fā)架構的控制面協(xié)議棧

2. 星上處理架構的用戶面和控制面協(xié)議棧如下：

▲ 星上處理架構的用戶面協(xié)議棧

▲ 星上處理架構的控制面協(xié)議棧

最后，我們來一起看看對物理層的主要影響（以及解決方案建議）：

a）物理層控制過程

?  時序關系

NTN 相比地面網(wǎng)絡會存在較大的雙向傳輸時延 RTT，導致上下行的幀時序存在較大偏移，需要增強物理層時序關系，可以通過引入偏移量 Koffset 并應用它來修改相關的時序關系。Koffset 的具體值在不同的時序關系中也將會有所不同。另外，還需要進一步討論 Koffset 值是通過廣播還是高層參數(shù)配置的方式來獲取。

注：具體影響的時序關系，請參考 TR 38.821 V16.0.0 的 6.2.1.2 小節(jié)

?  上行功控

R16 討論了比如波束專用和通用的功控參數(shù)配置、基于預測的功控調(diào)整、基于組的功控參數(shù)配置等功控優(yōu)化方案，但尚未形成收斂的結論。因此，依舊還是會沿用 R15 的功控方式。

?  自適應調(diào)制編碼 AMC 和延遲的 CSI 反饋

大家知道，AMC 通過調(diào)整無線傳輸?shù)恼{(diào)制方式與編碼速率，來確保鏈路的傳輸質(zhì)量。為解決信道狀態(tài)信息 CSI 上報過時問題，R16 討論了多種優(yōu)化方案，但尚未形成收斂的結論。根據(jù) SI 的結論，R15 定義的 CSI 反饋機制至少可以用于 LOS 場景的 NTN 鏈路自適應。

b）上行定時提前與 RACH 增強

?  TA 增強

定時提前用來指示 UE，根據(jù)指令提前相應時間發(fā)上行數(shù)據(jù)。NR 的 TA 機制不能滿足 NTN 幾百甚至幾千 km 的傳輸距離要求。R16 考慮的增強方案，是使用公共 TA 和 UE 專用 TA 的組合：第一種是根據(jù)用戶位置和星歷信息 (即商業(yè)衛(wèi)星的關鍵軌道參數(shù))自主獲取 TA 值。第二種是基于網(wǎng)絡側指示 TA 調(diào)整。上述兩種方式仍有一些增強工作需要放到 R17 進一步探討。

?  RACH 增強

如果 UE 可以精確獲取用戶位置信息并進行時頻偏預補償，則可以復用 R15 的 PRACH 格式和前導序列（可以進一步討論額外增強的必要性），否則就需要考慮增強的 PRACH 格式和前導序列設計。

此外 NTN 也可考慮采用 R16 中的兩步接入，以此簡化初始接入流程。

c）更多的時延容忍重傳機制

大家知道，混合自動重傳請求 HARQ 機制可保證信息完整性，提高傳輸可靠性。

但是 NTN 中 RTT 較大，所需最小 HARQ 進程數(shù)會遠大于 NR 支持的 16 個。

目前主要討論的是以下兩個方案：

第一種是 HARQ 關閉機制。

第二種是 HARQ 傳輸機制的增強。比如增加 HARQ 進程數(shù)，來匹配更長的衛(wèi)星雙向傳輸時延?；蛘呓?UL HARQ 反饋，以避免 HARQ 過程中的停止和等待，并依賴 RLC ARQ 來提高可靠性。這兩種增強機制目前還沒有定論。R17 應該會進一步討論 HARQ 進程的數(shù)量，并考慮 HARQ 反饋、緩沖區(qū)大小、RLC 反饋和 RLC ARQ 緩沖區(qū)大小等。

d）其他更多的議題，限于篇幅這里就暫時不列舉了…

結語

根據(jù)各大組織的研究進展，我們基本可以認為——衛(wèi)星通信，將作為一個有益補充，集成到整個 5G 生態(tài)系統(tǒng)中。

衛(wèi)星通信和 5G 的融合，將會是一個雙贏的結果。

一方面，由于 5G 的規(guī)?；?，為衛(wèi)星通信打開了全新的市場機會。另一方面，“即插即用”的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，將是對地面 5G 網(wǎng)絡的有效補充，使得 5G 的生態(tài)系統(tǒng)可以更具彈性和效率。

從標準化的角度來看，3GPP 針對衛(wèi)星和 5G 網(wǎng)絡的融合，還在規(guī)范制定的過程當中。不過目前看來，最重要的考量，還是如何最大程度地復用地面的 5G 關鍵技術和標準。

相信到了 2021 年，也就是 R17 發(fā)布的時候，我們會看到初步的結果。那個時候，將是未來 6G 星地一體化深度融合的起點。

參考文檔：

[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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