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隨著5G的快速發(fā)展、新技術的不斷突破以及由此引發(fā)的交叉融合，移動通信從“移動互聯(lián)”走到“萬物互聯(lián)”，并進一步向“萬物智聯(lián)”發(fā)展。而6G的數(shù)據(jù)傳輸速率可能是5G的50倍，時延縮短到5G的十分之一，6G在峰值速率、時延、流量密度、連接密度、移動性、頻譜效率和定位能力等方面遠優(yōu)于5G，特別是增強的無處不在的覆蓋能力是6G核心能力，對賦能各行業(yè)數(shù)字化轉型、推動人類社會邁入智能化時代具有非常重要的作用。
星地融合通信作為未來6G的關鍵技術之一，可有效解決天空、海洋、沙漠、人口稀少地區(qū)等地面通信網絡難以覆蓋或覆蓋成本過高的問題，以及地震、洪水等自然災害下的應急通信問題。衛(wèi)星通信網絡的廣覆蓋融合地面移動通信的寬帶傳輸能力，將助力6G實現(xiàn)超大規(guī)模連接、泛在連接等。目前，國際電信聯(lián)盟（ITU）和第三代合作伙伴計劃（3GPP）等國際標準組織，以及中國通信標準化協(xié)會（CCSA）等國內標準組織已面向新一代星地融合系統(tǒng)提出了愿景和需求。本文將重點分析新一代星地融合通信技術標準的發(fā)展情況。
星地融合通信標準化工作進展
目前，ITU、3GPP、CCSA等國內外標準組織正在開展星地融合通信技術標準的制定工作。星地融合通信標準將基于地面移動通信系統(tǒng)標準設計，結合衛(wèi)星高時延、高動態(tài)等特點做出相應的增強，最終實現(xiàn)星地融合、天地一體的美好通信愿景。
ITU國際相關標準進展
早在3G研發(fā)時期，ITU就啟動了關于衛(wèi)星網絡與地面蜂窩網絡融合的研究。在《IMT-2000和IMT-2000后續(xù)系統(tǒng)未來發(fā)展的框架和總體目標》建議書中，明確提出了衛(wèi)星將進一步擴展地面IMT-2000網絡的覆蓋范圍，特別是農村、沙漠、海洋和天空等。
2010年，ITU SG4 WP4B工作組啟動了關于衛(wèi)星與IMT-Advanced融合的研究，并于2012年完成了關于IMT-Advanced衛(wèi)星網絡愿景與需求的報告。該報告提出了IMT-Advanced衛(wèi)星網絡的愿景，對應用場景、業(yè)務、系統(tǒng)、無線電接口和網絡等方面進行了分析與研究，并提出IMT-Advanced衛(wèi)星網絡系統(tǒng)的功能和性能需求。此外，該報告還提出評估IMT-Advanced衛(wèi)星技術的方法，以便向全世界征集候選技術。在完成《IMT-Advanced衛(wèi)星網絡的愿景與需求報告》之后，ITU對外發(fā)出了通函（Circular Letter）以征集IMT-Advanced衛(wèi)星候選技術。我國隨即啟動了一系列基于IMT-Advanced標準的衛(wèi)星移動通信技術研究，并于2012年5月向ITU-R提交了IMT-Advanced衛(wèi)星技術方案BMSat。最終BMSat技術被ITU正式采納，成為IMT-Advanced衛(wèi)星網絡的關鍵技術之一。
為推動5G衛(wèi)星通信標準國際化，我國在2021年2月的ITU-R SG4 WP4B第48次會議上提交了5G衛(wèi)星無線電接口標準工作計劃，旨在啟動新一輪的5G衛(wèi)星技術研究工作。在2021年7月的ITU-R SG4 WP4B第49次會議中，我國提交了5G衛(wèi)星愿景、技術需求和評估方法報告書的立項建議，并通過了會議審查。在2022年9月，經過我國與美國、加拿大、俄羅斯、法國、韓國、日本等國家，以及高通、蘋果、愛立信、泰雷茲、海事衛(wèi)星、銥星等企業(yè)專家的深入研討，最終在ITU-R SG4 WP4B第52次會議和SG4全會上，由中國信通院牽頭制定的《5G衛(wèi)星無線電接口愿景、需求和評估方法（Vision, requirements and evaluation guidelines for satellite radio interface(s) of IMT-2020）》國際標準正式獲得通過。
《5G衛(wèi)星無線電接口愿景、需求和評估方法》明確了5G衛(wèi)星融合通信系統(tǒng)的三大應用場景分別是eMBB-s（增強衛(wèi)星移動寬帶）、mMTC-s（海量機器類衛(wèi)星通信）、HRC-s（高可靠衛(wèi)星通信）。在eMBB-s場景下，5G衛(wèi)星系統(tǒng)將依托星地融合空口技術為航空、海事、偏遠地區(qū)的終端提供高速傳輸業(yè)務。在mMTC-s場景下，5G衛(wèi)星系統(tǒng)將依托衛(wèi)星大波束、廣覆蓋的能力，為海量MTC終端提供接入能力。在HRC-s場景下，面向地震、海嘯、火災等強災害現(xiàn)場，星地融合系統(tǒng)可以提供應急通信服務，降低人員傷害和減少財產損失。同時，為滿足三大應用場景需求，《5G衛(wèi)星無線電接口愿景、需求和評估方法》定義了多項技術性能指標，包括速率、頻譜效率、時延、可靠性、移動性和帶寬等，如表1所示。
表1 《5G衛(wèi)星無線電接口愿景、需求和評估方法》定義的5G衛(wèi)星技術性能指標
2022年11月，ITU-R對外發(fā)出了通函，邀請各成員國、相關組織機構提交5G衛(wèi)星候選技術，并根據(jù)《5G衛(wèi)星無線電接口愿景、需求和評估方法》中的內容開展自評估工作。2023年6月30日，在ITU-R SG4 WP4B全會上通過了首個面向6G衛(wèi)星研究項目——《衛(wèi)星國際移動通信（IMT）未來技術趨勢》的立項。根據(jù)目前的工作計劃，該項目將于2026年上半年完成?！缎l(wèi)星國際移動通信（IMT）未來技術趨勢》涉及的主要技術包括：調制編碼、時間和頻率同步、波束跳變、衛(wèi)星與地面系統(tǒng)頻譜共享等無線接口技術，星地融合通信、高低軌融合、星間鏈路、星間組網、星上處理等衛(wèi)星網絡技術，手機直連衛(wèi)星、衛(wèi)星物聯(lián)網等終端技術。
3GPP國際標準進展
非地面網絡（Non Terrestrial Network，NTN）是3GPP從Rel-15階段開始設立的研究項目。該項目聚焦于基于地面移動通信技術的終端與衛(wèi)星、高空平臺和無人機等組成的非地面網絡直接通信的技術研究，目前研究的重點是衛(wèi)星網絡。相對于地面移動通信網絡，衛(wèi)星網絡存在高時延、高動態(tài)、信號衰減大等問題。因此，3GPP NTN項目在5G移動通信系統(tǒng)的基礎上進行協(xié)議增強，研究了時序調度管理、HARQ增強、高動態(tài)下的時頻同步、海量尋呼等關鍵技術。
2020年，在3GPP Rel-17階段全面開展了NTN標準研究，針對NTN網絡涉及的無線接入網、承載網、核心網、終端等方面開展技術標準制定工作。NTN項目也被分成了IoT NTN（基于非地面網絡的物聯(lián)終端接入）和NR NTN（基于非地面網絡的5G智能終端接入）兩個標準項目。IoT NTN側重支持低復雜度eMTC和NB-IoT終端的衛(wèi)星物聯(lián)業(yè)務，NR NTN采用5G NR框架來實現(xiàn)“智能手機直連衛(wèi)星”并提供數(shù)據(jù)服務和語音服務。
在3GPP NTN項目中，網絡架構可以分為透明轉發(fā)和星上再生兩種。其中，透明轉發(fā)網絡架構是指衛(wèi)星在通信服務中不對信號、波形等進行處理，僅作為射頻放大器對數(shù)據(jù)進行轉發(fā)，如圖1所示。
圖1 3GPP NTN透明轉發(fā)網絡架構
星上再生網絡架構是指衛(wèi)星除了射頻放大外，還具有調制/解調、編碼/解碼、交換、路由等處理能力，如圖2所示?；诳稍偕Ｊ降男l(wèi)星具有一定的星上處理能力，因此具備為終端提供接入網部分功能（DU）或接入網全部功能（CU+DU），甚至核心網功能的能力，在這種模式下衛(wèi)星之間可通過星間鏈路（Inter-satellite link，ISL）進行星間信息交互。
圖2 3GPP NTN星上再生網絡架構
目前在3GPP Rel-17/18階段，NTN項目主要研究透明轉發(fā)的網絡架構，該結構對衛(wèi)星的制造和性能要求不高，適于用初期階段。在后續(xù)Rel-19階段，NTN項目將重點研究星上再生的網絡架構和星間鏈路技術，進一步提升星地融合網絡的性能和效率。
在頻率方面，NTN項目建議星地融合系統(tǒng)中的衛(wèi)星采用L和S頻段的衛(wèi)星移動業(yè)務頻率，包括n256（上行：1980MHz—2010MHz；下行：2170MHz—2200MHz）、n255（上行：1626.5MHz—1660.5MHz；下行：1525MHz—1559MHz）、n254（上行：1610MHz—1626.5MHz；下行：2483.5MHz—2500MHz）和n253（上行：1668MHz—1675MHz；下行：1518MHz—1525MHz）。
CCSA國內標準進展
2021年8月，CCSA TC5 WG9及WG10聯(lián)合工作組設立了《基于5G的衛(wèi)星通信系統(tǒng)研究》項目。該項目將圍繞基于5G的衛(wèi)星通信系統(tǒng)開展研究，研究內容包括基于5G的衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要構建的標準體系以及開展衛(wèi)星與5G融合的通信系統(tǒng)需要考慮的需求與技術問題，如應用場景、網絡架構、業(yè)務需求、技術需求和關鍵技術等。
2021年11月，CCSA TC12 WG2工作組設立了《基于IoT NTN的衛(wèi)星物聯(lián)網系統(tǒng)技術研究》項目。該項目將圍繞基于IoT NTN的衛(wèi)星通信系統(tǒng)開展研究，研究內容主要包括：基于NB-IoT/eMTC NTN的衛(wèi)星物聯(lián)網需求和技術、行業(yè)中的應用場景及需求、基于NB-IoT/eMTC NTN的衛(wèi)星物聯(lián)網架構、NB-IoT/eMTC對衛(wèi)星網絡特性的協(xié)議適配拓展、衛(wèi)星地面站針對NB-IoT/eMTC NTN的改造要求、融合終端設計等，預期輸出應用場景、業(yè)務需求、網絡架構、功能要求、關鍵技術等內容，可以指導未來天地融合的衛(wèi)星物聯(lián)網通信系統(tǒng)標準體系建設。
2023年2月，CCSA TC12 WG1工作組討論通過了《基于5G的衛(wèi)星互聯(lián)網第1部分：總體要求》行業(yè)標準立項申請。該標準項目預期完成基于5G的衛(wèi)星互聯(lián)網總體技術規(guī)范，將以地面移動通信網絡技術標準、3GPP NTN R17技術標準等為標準基線，形成包括核心網、接入網、終端、信關站等在內的總體技術規(guī)范。2023年4月，CCSA TC5 WG9、WG10和WG12工作組瞄準我國相關產業(yè)需求，全面推進基于3GPP NTN星地融合通信標準的立項。WG12工作組通過了《5G非地網絡的核心網技術要求（第一階段）》行業(yè)標準立項，該項目是國內首個基于3GPP R17的非地面網絡核心網標準立項，將對支持NTN的核心網關鍵技術進行研究和規(guī)定，為衛(wèi)星核心網與地面核心網的互聯(lián)互通奠定技術基礎。WG9和WG10聯(lián)合工作組研究制定了基于3GPP NTN的窄帶物聯(lián)標準體系，通過了《基于非地面網絡（NTN）的物聯(lián)網窄帶接入（NB-IoT）接入網總體技術要求（第一階段）》等5項系列行業(yè)標準立項，包括接入網總體技術要求、衛(wèi)星接入節(jié)點設備技術要求、衛(wèi)星接入節(jié)點設備測試方法、終端設備技術要求和終端設備測試方法。該系列行標以3GPP R17的IoT NTN技術為基礎，將NB-IoT與衛(wèi)星通信相結合，助力構建天地一體的窄帶物聯(lián)網絡。WG10工作組通過了《Ka頻段衛(wèi)星通信地球站相控陣天線技術要求》及配套的測試方法兩項行業(yè)標準立項。該項目是國內首個衛(wèi)星相控陣天線標準項目，將拓寬衛(wèi)星動中通天線的型譜，推動衛(wèi)星相控陣天線的產業(yè)發(fā)展和普及應用。
新一代星地融合通信系統(tǒng)關鍵技術
目前星地融合通信系統(tǒng)的研究主要是針對無線側進行提升和增強，而新一代星地融合通信系統(tǒng)的研發(fā)重點是衛(wèi)星側的關鍵技術，包括跳波束技術、多波束技術和星間鏈路技術等，以進一步提高系統(tǒng)的性能。
跳波束技術
在傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，通常是一顆衛(wèi)星通過多個波束為地面提供服務，多波束間共享衛(wèi)星的帶寬和功率，不同波束的覆蓋區(qū)域一般有部分重疊。但是用戶數(shù)量和業(yè)務需求的地理分布并不均衡，單一的波束分配方式可能會造成帶寬資源的浪費。跳波束技術是利用時間切片技術來有效分配波束的工作范圍，從而提高衛(wèi)星資源的使用效率，滿足用戶動態(tài)的業(yè)務需求，在未來面向6G的衛(wèi)星網絡中具有巨大的應用價值。衛(wèi)星跳波束技術最大的挑戰(zhàn)在于如何根據(jù)地面的業(yè)務需求，在特定的時隙中提供合適的帶寬和功率。未來新一代星地融合通信系統(tǒng)將具備一定的星上處理功能，衛(wèi)星側會根據(jù)地面用戶的業(yè)務需求，不斷調整波束的指向、頻點、工作時隙、帶寬以及功率等，從而有效提升整個系統(tǒng)的服務能力。
多波束技術
目前，由于通信衛(wèi)星的信道特性，單顆衛(wèi)星僅能為用戶提供單流的通信能力，即SISO。為了進一步提高衛(wèi)星系統(tǒng)的通信容量，在未來新一代星地融合通信系統(tǒng)中會考慮采用衛(wèi)星多波束技術，增加衛(wèi)星波束數(shù)量、降低波束寬度以提高正交子空間數(shù)量，在同一時間內支持更多用戶的接入，提高系統(tǒng)的通信容量。多波束技術根據(jù)衛(wèi)星的數(shù)量可以分為單星多波束技術和多星多波束技術。單星多波束技術是指單顆衛(wèi)星通過多個點波束為用戶提供數(shù)據(jù)服務，多個波束之間可以通過OFDM調制技術獲得正交的時頻資源并結合預編碼技術抑制波束間的干擾，從而提升系統(tǒng)的吞吐量。多星多波束技術是指通過多顆衛(wèi)星的多個單波束向用戶提供數(shù)據(jù)服務。在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星的高速移動，衛(wèi)星與用戶之間的相對位置也在快速變化。多顆衛(wèi)星與用戶之間的相對位置變化，會破壞波束間的相關性，降低系統(tǒng)的吞吐量，解決這一問題還需要進一步開展相關研究。
星間鏈路技術
在新一代星地融合通信系統(tǒng)中，為進一步提升衛(wèi)星網絡的工作效率，將以同一軌道面及不同軌道面之間的衛(wèi)星大規(guī)模組網，實現(xiàn)高、中、低軌衛(wèi)星協(xié)同處理，以及衛(wèi)星與地面融合工作。由于激光鏈路具有大帶寬、點波束等技術特點，衛(wèi)星之間可以通過激光鏈路實現(xiàn)大容量、高速率、抗干擾性強的數(shù)據(jù)交換，從而提升衛(wèi)星系統(tǒng)的性能。但由于激光鏈路的波束窄，容易造成接收衛(wèi)星精確對準困難等問題，對衛(wèi)星網絡的拓撲結構帶來極大的技術挑戰(zhàn)。
結束語
星地融合網絡作為未來6G網絡的重要組成部分，將助力推動空天地一體化發(fā)展。目前國內外標準組織對于新一代星地融合通信的標準化工作還處于初期階段，提出了愿景和需求，后續(xù)將開展關鍵技術研究以滿足新一代的通信系統(tǒng)要求。
作者：中國信息通信研究院 李俠宇 錢夢媛
責編/版式：王禹蓉
審核：舒文瓊
監(jiān)制：劉啟誠
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