“低轨卫星+5G”融合网络服务
趋势、探索和挑战
文|胡月、王广权、朱斌
序
近年来，随着互联网/物联网的普及和发展，以及日益增长的机载、舰载、空中继的通信需求，卫星通信进入了以高通量卫星、中低轨道星座等技术体系为平台，以互联网应用为服务对象的卫星互联网发展阶段。同时，结合LEO卫星和5G网络的特点和优势，ISO也开展了5G与卫星互联网融合的研究，将“5G+卫星网络”定义为空的一体化移动通信网络，并将其扩展到6G网络的未来发展趋势。可见，卫星网络与5G的融合以及6G的深度应用是未来通信发展的重要方向，并逐渐成为通信网络领域关注的焦点。
1.卫星通信网络的业务背景
卫星通信是以卫星为中继节点的无线通信方式。它具有覆盖面积广、建设速度快、抗破坏能力强等优点。与5G网络相比，具有“立体优势”，可以弥补全球地面通信网络覆盖的死角。卫星通信系统主要包括通信卫星、地面通信站和用于卫星跟踪遥测的地面测控监视系统。
传统的卫星通信主要是中高轨道卫星，技术相对成熟。但由于其距离地球较远，存在较高的传输时延和链路损耗，并且受数量等原因限制，可用带宽较小，成本较高。这极大地限制了卫星通信作为民用服务的普及。
如今，卫星通信已经呈现出商业化、规模化、低轨道小星座的趋势。随着政策的开放和商业空间门槛的打开，全球卫星互联网产业链逐渐成型。微电子、材料、电池制造、电火箭推进等技术不断发展。近十年来，世界上发射的小卫星数量呈指数级增长，呈现出可靠性增加、成本降低、部署灵活、响应快速的趋势。特别是以Ether 空探索公司为代表的商用载人飞船持续稳定发射，其卫星链计划和商用进程早已启动，对全球航天产业和通信运营商网络的演进影响深远。
与此同时，中国的卫星通信市场也在快速增长。2020年，国家发改委首次将“卫星互联网”纳入“新型基础设施”范畴。预计国产低轨卫星星座也将于2023年分阶段部署。LEO卫星星座在导航空通信、海上通信、海岛通信、偏远地区通信等商用场景中，覆盖范围和成本优势明显。
2.星地一体化网络的研究现状及趋势。
2.1星地融合网标准化现状
基于卫星通信技术的发展，尤其是低轨卫星通信技术的发展，卫星通信在速率和时延方面已经能够满足大多数5G业务场景的需求。同时，R16版本的5G网络标准已经冻结，卫星通信网络和5G地面通信网络在技术上已经做好融合的准备。通过构建架构、功能、接口和流程的一体化，5G网络可以实现覆盖一体化、系统一体化、网络一体化、业务一体化和用户一体化。在提高网络资源利用率的同时，能够为用户提供全球无缝连接、业务连续性和通信服务保障，实现多种通信服务和应用，具有重要的经济效益和社会效益。
国际通信标准组织ITU、3GPP、SAT5G等。已经研究制定了5G标准，6G愿景明确提出了星地一体化的发展方向。目标是形成无缝覆盖的海陆空空全球一体化通信网络，满足用户无处不在的业务需求。中国通信标准化协会CCSA也成立了TC12航天通信技术委员会，开展航天和卫星相关通信标准化工作。
2.2星地融合网络的演进趋势
如2.1节所述，目前国内外对一体化空天一体5G网络的架构和关键技术的相关标准和技术要求处于研究阶段，没有完整系统的标准发布和应用案例。
目前业界主流的星地融合网络架构体系由天基网络和地基网络组成，其中天基网络包括天基接入网和天基核心网，地基核心网又可细分为公共核心网和卫星专用核心网。建议公共核心网和卫星专用核心网初期独立组网，后期协同组网。具体的整合方式根据演进的不同阶段可以分为三个层次:①业务整合；②系统集成；③系统集成。下面详细描述不同的融合级别:
a)业务整合
星地融合的互联阶段。卫星网络通过卫星接入网关连接到地面核心网络；卫星网络用于补充地面网络，提供地面网络延伸服务；它们有不同的网络协议和不同的用户终端。卫星作为基站的传输中继，可以解决偏远地区覆盖和应急应用。
b)机构整合
星地融合混合接入阶段。卫星接入通过卫星互通网关与地面接入互补，地面控制与机上控制并存；卫星和地面遵循现有技术，通过接口互通和信息交互，两个网络可以选择网络按需提供服务；两个网络独立开发，网络协议可以相同也可以不同，可以通过多模终端选择接入。
c)系统集成
星地一体化的统一组网阶段是一体化的理想阶段。充分融合天基和地基网络，为用户提供无感的一致服务；星地一体，采用统一的技术协议和统一的终端接入，实现星地服务质量一致和无缝漫游；实现产业链资源管理和再利用的统一和最大化。
3.“低轨卫星+5G”融合网络服务探索
基于5G网络带宽大、低轨卫星网络覆盖广的优势互补，中国联通与航天科技股份有限公司在基于运营商5G网络的星地统一通信实验组网架构下，于2020年12月成功演示了国内首个“5G+低轨卫星”融合网络业务。演示当天，低轨技术验证卫星过境东海。在中韩渔业分界线附近的近海渔政船现场，示威人员用5G手机拨打联通手机号码，与渔业码头进行通话。声音很清晰，没有卡顿。使用5G手机在线观看视频和发送微信非常流畅。
该案例是我国LEO卫星与5G网络首次实现融合组网实验，对星地融合网络发展和研究的意义体现在以下几个方面:
a)业务体验演进方面，传统海事卫星电话使用卫星终端或手机APP，成本高，用户体验差，安全性低。5G网络和LEO卫星网络打破壁垒，让普通5G用户终端可以通过联通网络直接接入卫星互联网，使用语音和数据业务。客户体验好，安全可靠。
b)在海洋拓展的应用场景中，通过轻量级、专业化等设备形态与运营商网络相结合，可以适应空天、地、海的复杂通信环境。
c)在星地融合网络的研发中，通过搭建现有网络的验证环境，探索分析星地融合网络端到端业务的可行性，为后续研究奠定基础和参考。
d)从泛在接入的角度，未来可以实现多种连接方式的端到端协同。将运营商的5G无线网络、卫星网络、光纤固网相结合，实现空天地一体化的覆盖，满足跨地域、跨-[/k0/]域、跨海等多种业务场景的需求。
随着5G网络的不断演进，低轨卫星的全覆盖，以及星地一体化网络架构的逐渐清晰和规范，未来这种业务可以广泛应用于钻井平台、远洋船舶、海外基地和测量车。地面移动业务不仅可以覆盖城市和乡村，还可以覆盖广阔的天空空和海洋。
4.星地融合网络的业务问题和挑战
理想是美好的，但同时道路也布满荆棘。星地融合网络具有多系统、节点庞大、环境复杂多变的特点。同时要考虑外部环境，如中美贸易摩擦的不确定性、卫星星座建设程度和渗透速度达不到预期、卫星互联网产业的政策支持等。
针对星地一体化网络架构中的关键问题，考虑2.2节描述的不同集成阶段的以下关键问题和技术突破:
a)卫星接入节点在业务融合的互联阶段具有很强的移动性，需要研究低时延、高效率、健壮的网络结构和灵活的功能部署方案来应对接入节点的频繁切换，开展空端口集成技术、智能接入管理和频繁切换引起的寻呼、漫游等移动性管理问题的技术研究。
b)对于系统集成的混合接入阶段，由于卫星网络的独立性、星上限制和物理传播特性，需要突破卫星网元与地面网元隔离的问题。
在卫星接入架构方面，卫星接入方式分为作为无线基站的卫星接入和非3GPP接入点。要对卫星通信系统中星座卫星和关口站的网络功能进行重组和划分，重构卫星接入网元，实现资源的绿色集约配置。
在网络协议互通方面，互通网关需要卫星网络协议体系和地面网络IP协议体系之间的协议转换和适配；基于卫星通信长时延、高丢包率的现状，结合语音、消息和5G数据业务的特点，有必要研究卫星互通网关的性能增强技术，解决用户接入认证和连接管理问题。
c)对于系统融合的统一组网阶段，核心网架构和位置划分是研究重点。
对于卫星核心网，需要根据卫星通信的要求，研究如何简化和增强核心网，研究多连接管理、移动性管理、会话管理、业务连续性、容灾等技术课题。研究了卫星核心网和地面核心网在后期如何协同工作，以及从独立组网到协同组网的演进路线。
对于核心网功能，关键问题是核心网通信载荷能否发射，如何划分、处理和选择发射的核心功能，以及发射对核心网通信载荷的低轨道机动性、大规模用户连续性和用户迁移等关键技术问题。
对于船上制度协议，需要明确船上制度协议发展路线的可行性和一致性。
5.结束语
“LEO卫星+5G”星地融合网络结合了卫星通信网络和地面通信网络各自的优势，将通信网络的边界扩展到无人区、海洋、天空空，可实现随时随地空的通信网络全覆盖，真正实现全球用户无缝通信连接的愿景目标。它具有很强的社会和经济意义。
从网络接入来看，全球卫星互联网目标群体包括航空空和导航从业人员和乘客、偏远地区的富裕阶层和户外工作者、科研和旅行者。从长远来看，卫星互联网可以满足全球用户的网络服务需求，以及“物”、“人”、“星”之间的全面互联，具有广泛的应用空。随着5G网络和卫星互联网“新基础设施”政策的不断推进，通信运营商积极布局空之间的网络研究和建设方案，实现空与地面设施的互联互通，探索5G/6G融合网络业务，促进相关产业发展，具有重要的战略意义。
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作者介绍:
胡月，工程师，毕业于西安电子科技大学，硕士，主要从事核心网技术、星地网络融合及5G报文相关领域的研究。
王广权，教授级高级工程师，硕士毕业于南京邮电大学。主要从事光通信、量子加密通信等领域的研究。
朱斌，高级工程师，硕士毕业于北京邮电大学。主要从事核心网、IMS、通信能力开放的研究。
