5G and 衛星通信,到底啥關系?

引言:

近些年來,衛星通信引起瞭國內外的廣泛關註。人們普遍看好這項技術的長遠發展,認為它會對現有的通信技術造成顛覆性的改變,甚至可能取代現在最先進的移動通信技術——5G。然而,也有人認為,衛星通信存在諸多技術瓶頸,不會發揮太大的作用。究竟衛星通信有什麼用?它和5G有什麼關系?今天這篇文章,我們來探尋一下答案……


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批衛星的發射任務,用一枚“獵鷹9號”火箭將60顆衛星送入太空。


獵鷹9號火箭和60顆星鏈衛星


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


毫無疑問,馬斯克確實是個商業奇才兼科技狂人。他引領的顛覆性創新,大大降低瞭發射衛星的成本和門檻。

按照他的設想,“星鏈計劃”將在地球周圍佈置約1.2萬顆衛星(後續可能增至4.2萬顆),打造一個覆蓋全球的網絡,為用戶提供高速互聯網服務。


圍繞著“星鏈計劃”,國內很多無良自媒體進行瞭大量的炒作,說它有多麼多麼厲害,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。至於說6G,前幾天小棗君關於國內某高校“6G衛星”的文章也解釋過瞭,很多東西都還是未知數。


 “星鏈計劃”的核心威脅,在於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星軌道。按照目前先到先得(7年內必須啟用)的原則,1000公裡以下的軌道資源很可能在幾年之後被“星鏈計劃”搶占大半。

▉ 衛星通信和5G之間的關系


如果說以“星鏈計劃”為代表的衛星通信技術,不能夠取代5G。那麼,衛星通信和5G之間,到底是什麼關系呢?

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,國內外和衛星、5G相關的代表性組織,有如下幾傢:

  • SaT5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)


這是一個2017年成立的融合衛星與5G項目,由歐盟資助。它的成員已經為ETSI和3GPP關於衛星融入5G相關的標準化研究做出瞭很多貢獻。

  • 非地面網絡項目(Non-terrestrial networks, NTN)


這是3GPP立項成立的項目。它致力於將衛星通信與5G融合,在5G NR空口和架構的基礎上進行優化,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在他們發佈的白皮書中,給出瞭一些典型的衛星通信用例,重點聚焦於5G的eMBB和mMTC兩大場景(衛星系統的傳播延遲,對於uRLLC場景來說是一個難以逾越的障礙):


用例1:5G內容分發
借助衛星的廣播/多播功能,將媒體娛樂內容(或者移動邊緣計算設備的VNF軟件更新)高效地分發到網絡邊緣。
用例2:5G固定回程
推動在地面5G網絡無法覆蓋的區域推廣服務(例如海事服務、湖泊、島嶼、山區、農村地區、孤立地區等),以經濟高效的方式,提升地面網絡的性能。
用例3:5G到樓宇
補充地面網絡的連通性,例如與地面無線或有線相結合,為服務能力不足地區的傢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絡與通信大會(EuCNC)上,進行瞭一系列衛星與5G網絡架構融合的現場演示。


下圖演示瞭飛機上的5G技術。衛星和地面5G網絡設備相互結合,進行內容分發,為乘客提供娛樂服務以及連網方案。

來源: SaT5G官方文檔

再來看看3GPP,他們關於衛星融入5G,有什麼進展。

下面這張示意圖,展示瞭相關國際組織(含3GPP)的整體工作進展情況。

來源: SaT5G官網

3GPP RAN工作組的相關內容和時間線大致如下:


R15對“NR支持非地面網絡”進行瞭SI立項,並發佈研究報告TR 38.811。該報告定義瞭包括衛星網絡在內的NTN部署場景及信道模型,以及NR的潛在影響[1]
R16的“NR支持非地面網絡的解決方案”SI,仿真評估瞭不同部署場景的性能以及NR適應性分析。2019年12月,SI結項並且發佈瞭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]


為瞭簡化理解,大傢可以想象把地面基站搬到空中的衛星平臺(實際上這確實是它一種部署方式)。

這種情況和傳統地面移動通信的區別在於:地面移動通信中基站不動,而用戶是移動的;而衛星通信中,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,兩者的無線傳播環境與特性也存在著很大的不同。

那麼問題來瞭,地面移動通信網絡最初並不是為這樣的場景設計的,這些由NTN(非地面網絡項目)帶來的顯著特征,會在不同程度上影響5G的架構、協議和實現(特別是物理層)。

▉ 5G NR支持NTN的技術細節

首先,我們需要瞭解NTN波束覆蓋的兩種典型模式:


  • 透明轉發


即彎管方案,可以認為是無線信號經衛星中繼。

  • 星上處理


可以認為是衛星具有5G基站的全部或者部分功能。



相應地,基於透明轉發、星上處理、有/無中繼,提出瞭4種網絡架構:

來源: 3GPP 38.811 V1.0.0


其次,如果我們站在協議棧的角度來看:

1. 透明轉發架構的用戶面和控制面協議棧如下:

透明轉發架構的用戶面協議棧

透明轉發架構的控制面協議棧


2. 星上處理架構的用戶面和控制面協議棧如下:

星上處理架構的用戶面協議棧

星上處理架構的控制面協議棧

最後,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並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配置的方式來獲取。

註: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

  • 上行功控

R16討論瞭比如波束專用和通用的功控參數配置、基於預測的功控調整、基於組的功控參數配置等功控優化方案,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。

  • 自適應調制編碼AMC和延遲的CSI反饋

大傢知道,AMC通過調整無線傳輸的調制方式與編碼速率,來確保鏈路的傳輸質量。為解決信道狀態信息CSI上報過時問題,R16討論瞭多種優化方案,但尚未形成收斂的結論。根據SI的結論,R15定義的CSI反饋機制至少可以用於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,根據指令提前相應時間發上行數據。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:第一種是根據用戶位置和星歷信息(即商業衛星的關鍵軌道參數)自主獲取TA值。第二種是基於網絡側指示TA調整。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並進行時頻偏預補償,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

大傢知道,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進程數會遠大於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,來匹配更長的衛星雙向傳輸時延。或者禁用UL HARQ反饋,以避免HARQ過程中的停止和等待,並依賴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進程的數量,並考慮HARQ反饋、緩沖區大小、RLC反饋和RLC ARQ緩沖區大小等。

d)其他更多的議題,限於篇幅這裡就暫時不列舉瞭…


▉ 結語

根據各大組織的研究進展,我們基本可以認為——衛星通信,將作為一個有益補充,集成到整個5G生態系統中。

衛星通信和5G的融合,將會是一個雙贏的結果。

一方面,由於5G的規模化效應,為衛星通信打開瞭全新的市場機會。另一方面,“即插即用”的衛星通信網絡,將是對地面5G網絡的有效補充,使得5G的生態系統可以更具彈性和效率。

從標準化的角度來看,3GPP針對衛星和5G網絡的融合,還在規范制定的過程當中。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。

相信到瞭2021年,也就是R17發佈的時候,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。

—— 全文完 ——

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.

*文章來源:鮮棗課堂(ID:xzclasscom)

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