当卫星通信遇见5G:技术与趋势

当卫星通信遇见5G:技术与趋势

卫星通信是否与我们个人很遥远?5G的可能应用场景有哪些?卫星通信和5G会怎样相遇?它们的遇见会给我们带来什么?和大家交流一下。

首先第一个方面卫星通信与我们个人距离远吗?提到卫星和卫星通信,我们很自然想到的是什么?我想可能是这几个关键词:高远,专业,昂贵。

“高远”既有物理上、时空上的感受,又有心理上、情感上的陌生;“专业”意味着我们日常工作生活中难有机会触碰那些呆头呆脑的终端与冰冷复杂的信道设备,是“少数人”的专属;“昂贵”的设备与通信成本则进一步加剧了我们的距离感。所以,“看不见、摸不着、很复杂、玩不起”这种直观感性,让我们觉得,日常生活距离卫星和卫星通信是如此遥远。

我们从狭义的通信概念出发,确实如此。但如果从广义的通信概念来说,卫星通信与当前我们每个人的日常息息相关:常见且容易理解的,包括电视广播节目,气象服务,导航定位与位置服务等;不直接见到但是作为背后体系支撑的,包括(1)行业卫星通信银行、证券、期货、石油、水利、电力、煤炭、气象、海关、铁路、交通、航天、民航、新闻、计委、地震局、烟草和卫生等各部门都建有专用通信网),(2)地面公共通信网的远距离干线传输,偏远地区无光缆传输、无基站覆盖情况下的移动通信、家庭宽带服务等。所以,从这个角度看,如果没有卫星通信,或者没有我们独立自主的卫星通信体系,那么难以想象今天我们所见到的这生机勃勃、多姿多彩的世界将会多么黯淡,我们的生活成本将会有多高企,更不用说有任何便利性。

润物细无声。卫星通信现在已经融入了我们的方方面面,只是不同的视角,看到了不同图景。星空近在咫尺,始终如影随形。

第二个方面,5G的可能应用场景有哪些。5G是当下非常火的话题,也是今天我们在此相遇的缘由。但这个话题不是我擅长的领域,也难有结论性、断言性的表述,毕竟预测总有偏差,而现实总会出人意料。

我们不妨再参考设备制造商和移动运营商的视角,共同展望一下5G的可能应用场景。基于ITU对5G三大基础场景的定义【(1) eMBB(Enhance Mobile Broadband),增强型移动宽带。核心:Gbps级的传输速率,满足高清视频、AR/VR等大带宽需求。(2) uRLLC(Ultra Reliable & Low LatencyCommunication),低时延、高可靠通信。核心:1ms的空口间时延,满足车联网、无人驾驶、远程医疗等低时延、高可靠需求。(3) mMTC(Massive Machine Type Communication),海量物联网连接。核心:100万个/平方公里的连接密度,满足物联网、智慧城市等海量接入需求】,华为在《5G时代十大应用场景白皮书》中指出,云VR/AR,车联网、智能制造、智慧能源、无线医疗、无线家庭娱乐、联网无人机、社交网络、个人AI辅助、智慧城市是5G时代的应用场景。

中国移动的“5G+”规划中,特别强调“5G+AICED”,即5G作为基础接入方式,同AI、IoT、云计算、边缘计算和大数据,产生深度融合,进而与社会形态、生态的方方面面进行全方位融合。

所以,总结一下,5G对4G的提升,让无线通信不再局限于手机通讯和网络连接,手机反而成为5G应用场景中很小的一部分。

相信有个断言会成立,那就是:5G作为一种通用目的技术将开启万物互联的物联网时代,通用目的技术最显著的两大特征,就是与其它技术的强烈互补性和应用领域的广泛性,这使得5G会渗透至各个行业,将和大数据、云计算、人工智能等一道迎来信息通讯时代的黄金10年。

第三个方面,卫星通信和5G会怎样相遇。这是我想和大家重点探讨的部分。两者一定会相遇,并且是一场美丽的邂逅。要邂逅,就要有共同的话题、互补的特质。以手机为代表的地面移动通信系统现在已经与我们的生活高度融合,成为呼吸一样自然的东西。但地面移动通信系统的覆盖能力,一直是最痛苦的短板;卫星通信的天然优势却是无视地形地貌与距离的广域覆盖,但终端和资费都很昂贵。如果他们邂逅,取长补短,既能实现全时全域无缝覆盖,又能成为大众化通信手段,那将多么美妙。

事实上,卫星通信和地面移动通信在2G时代,就尝试过邂逅与融合,产生了卫星移动通信系统。1989年,国际海事卫星组织(Inmarsat)决定将业务范围从航海和航空卫星通信扩展到陆地卫星通信,并更名为国际移动卫星组织,1994年完成改制,变革为国际商业公司,成为最早的卫星移动通信系统服务商,大名鼎鼎的“海事卫星电话”就是它的服务产品。该公司目前通过4颗固定轨道卫星向全球提供移动通信服务【其固定轨道卫星分别为I-4 F1(25°E 服务于欧洲和非洲,2005年3月发射)、 I-4 F2(143.5°E服务于亚太地区,2005年11月发射)、 I-4 F3(98°W服务于美洲地区,2008年8月发射)、I-4A(Alphasat,2013年7月发射)】,是目前商业运营最成功的卫星移动通信系统。

1997年成立的舒拉亚(Thuraya)公司,通过3颗同步轨道卫星(2000年、2003年、2008年发射)提供区域性卫星移动通信服务,主要覆盖亚太地区、欧洲、非洲、中东,可为140余国家和地区的40亿以上人口提供话音、传真、短信、低速数据接入等服务。除此之外,还有TerreStar、SkyTerra等类似系统。

我国2016年8月发射的天通一号移动通信卫星,是我国自主设计制造的第一颗同步轨道移动通信卫星。2019年3月由中国电信集团卫通公司提供商用服务,提供我国国土和周边海域的话音、短信、传真、视频回传、数据、定位等卫星移动通信服务。截至目前,商业用户数量已突破3万,还在稳步增长中。

Inmarsat、Thuraya和天通是同步轨道卫星移动通信系统的代表。

低轨卫星移动通信系统方面,“铱星系统(Iridium)”是先行者。在摩托罗拉公司如日中天的1998年,推出了雄心勃勃的“铱星”低轨通信卫星星座,由77颗(66+11)低轨通信卫星组网,为用户提供手机式的全球个人移动通信服务。这是一套在技术理念和商业愿景上都非常先进的系统,但当时的现实脚步并未跟上前进灵魂的速度,2000年3月,由于用户收益不足以维持系统运维,“铱星”背负40多亿美元债务正式破产。后来由美军接手,再次复活,目前正在部署的下一代系统(IridiumNext),提供通信、气候变化监视、多光谱对地成像等综合业务。

近几年,低轨互联网卫星移动通信系统突飞猛进,典型的包括O3b、OneWeb(一网)和SpaceX的Starlink星座【知乎号我们的太空:《关于StarLink,我们需要知道的事》],国内的“鸿雁”星座、“虹云”星座,以及中国卫通的“低轨移动宽带互联网卫星星座”。

低轨卫星移动通信系统的共同特征包括:多采用中、低轨道,相比同步轨道卫星可以大幅度降低往返传输时延,使卫星传输的延迟可以与地面光纤相当;采用数量众多的微小卫星组网实现大范围覆盖;通过模块化设计大幅度降低卫星生产周期与成本,从而降低通信资费;多采用Ka/Ku频段,提高系统容量;【O3b的单波束可以提供1.6Gbps的传输速率,每颗星70个波束;OneWeb单星容量5-8Gbps,系统总容量超过7Tbps,可为0.36米口径天线的终端提供50Mbit/s的互联网接入服务,为传统互联网架设成本过于昂贵的地区提供高速宽带互联网接入服务】终端小型化、智能化趋势明显;而且业务类型都聚焦宽带互联网接入服务。这些特征,使得卫星通信系统越来越具备同地面通信系统融合的切入。

5G的万物互联愿景,将为卫星通信和地面移动通信融合提供切入。包括ITU、3GPP在内的标准化组织成立了专门工作组着手研究星地融合的标准化问题。

ITU针对卫星与地面5G融合的问题,提出了星地5G融合的4种应用场景,包括中继到站、小区回传、动中通及混合多播场景,并提出支持这些场景的关键因素,包括多播、智能路由、动态缓存管理及自适应流、延时、一致的服务质量、NFV(NetworkFunction Virtualization,网络功能虚拟化)/SDN(SoftwareDefined Network,软件定义网络)兼容、商业模式的灵活性等。

3GPP从R14开始着手开展星地融合的研究工作。在TS22.261中,对卫星在5G系统中的角色和优势进行了探讨,认为,作为5G多种接入技术之一,卫星在一些要求广域覆盖的工业应用场景中具有显著优势。卫星网络可以在地面5G覆盖的薄弱地区提供低成本的覆盖方案,对于5G网络中的M2M/IoT,以及为高速移动载体上的乘客提供网络服务,借助卫星优越的广播/多播能力,可以为网络边缘网元及用户终端提供广播/多播信息服务。

在2017年底发布的技术报告TS22.822中,3GPP工作组SA1对与卫星相关的接入网协议及架构进行了评估,并计划进一步开展基于5G的接入研究。在这份报告中,定义了在5G中使用卫星接入的三大类用例,分别是连续服务泛在服务扩展服务。并讨论了卫星终端特性的建立、配置与维护,以及在卫星网络与地面网络间的跨协议漫游及通信切换问题。

3GPP在R16中开展名为“面向‘非地面网络’中的5G新空口”研究项目,定义了包括卫星网络在内的非地面网络(NTN:Non-terrestrialnetworks)的部署场景。按照3GPP的定义,5G网络中的NTN应用场景包括8个增强型移动宽带(eMBB)场景和2个大规模机器类通信(mMTC)场景。借助卫星的广域覆盖能力,可以使运营商在地面网络基础设施不发达地区提供5G商用服务,实现5G业务连续性,尤其是在应急通信、海事通信、航空通信及铁路沿线通信等场景中发挥作用。

SaT5G联盟:2017年6月,英国电信、空客防务及航天公司、萨里大学等16家企业与研究机构联合成立了SaT5G(Satelliteand Terrestrial Network for 5G)联盟,计划在30个月内完成卫星与5G的无缝集成方案,并进行试用。整个项目将完成以下5个方面的工作:1)定义和评估将星地5G融合的网络体系结构解决方案;2)研究星地5G融合的商业价值主张;3)定义和开发星地5G融合的相关关键技术;4)对星地5G融合的特性和用例进行演示;5)推进星地5G融合在3GPP和ETSI中的标准化工作。

作为全球范围内5G技术和商用的第一梯队国家,我国在星地5G融合发展中当然有自己的声音与行动。国家队中国卫通公司基于高通量卫星(中星16)成功完成卫星传输5G数据业务的融合测试(2019年11月),利用高通量卫星的便携站与地面5G网络之间搭建卫星基站回程试验系统,实现了基于星地链路的5G基站与核心网之间信息传输,这是卫星与5G网络互联互通实质性的探索。民营企业(世域天基通信等)成立的Sat5G-CHINA标准推动工作组,在中国通信标准化协会和航天标准化协会的联合指导下,结合国际力量(比如欧洲委员会旗下的HORIZON2020计划)积极向ITU/IMT组织协调空间频率共享共同,并创造性提出“共享MEO”的5G低轨卫星星座设计理念,也初步实现了5G毫米波通信试验卫星平台。

就在我们刚刚步入5G元年之际,在学术界和产业界的努力下,卫星通信与5G已经产生了美丽的邂逅,步入融合。

第四个方面,卫星通信和5G的相遇会给我们带来什么。综合各方信息,卫星通信和地面5G移动通信的相遇,一定会给我们带来深度融合的“天地一体化网络”。天地一体化并非新生事物,“铱星”一代就是人类第一次进行天地一体化的尝试。但是“铱星”一代的设想是要彻底取代地面移动通信系统,成为人们移动通信方式的主导,这显然超出了时代的理解和技术基础。当前,人们越来越深刻地认识到,星地系统由竞争走向合作,卫星系统以提供回程服务、基站拉远等方式成为地面移动通信网络的补充,优势互补,合作共赢,这才是邂逅之道。

我国《国家民用空间基础设施 中长期发展规划(2015-2025年)》中明确提出:“坚持天地一体化发展,空间系统与地面系统同步规划、同步研发、同步建设、同步使用,提升系统整体效能。”天地一体化网络背景下,用户能够在任意时间、地点透明地享受来自于地面网络/天基网络的融合服务。[融合服务的维度:覆盖融合、业务融合、体制融合、用户融合、芯片融合、终端融合、应用融合]

卫星通信和地面5G移动通信的相遇,是不是会把我们带入6G时代?虽然5G还未全面铺开,但6G已处于研究启动阶段。即使未来的需求及技术方向仍不明朗,但并不影响各方提前布局。

国内外围绕着6G技术及标准的主导权的争夺已经正式开始。关于6G研究的焦点,有两个观点是各方比较一致的,那就是通信维度的陆海空天全覆盖更大传输带宽所需的更高频段

北京邮电大学吕廷杰教授在《5G与产业互联网》的主题演讲中提出了这样的观点:“移动通信的一代、三代、五代通常都是颠覆性技术的诞生,偶数代通常是对奇数代的优化和完善,并发展出创新业务,是可以改写游戏规则的技术” 。

移动通讯技术到目前为止经历了5代,无一例外都是如此。按照这个观点,6G将会是5G的补充和延伸。补充什么,往哪里去延伸?5G的主要标准阶段,是R15和R16。这之后的R17,事实上就是5G的升级目标了。根据3GPP最新的消息,R17讨论区收集到的议题如下:

NR Light:针对中档NR(新空口)设备(例如可穿戴设备)运作进行优化设计;小数据传输优化;Sidelink增强:sidelink是D2D直联通信采用的技术;52.6GHz以上频率:R15中定义的FR2毫米波频段上限为52.6GHz,R17中将对52.6GHz以上频段的波形进行研究。多SIM卡操作;NR多播/广播;覆盖增强;非陆地网络NR:NR支持卫星通信相关标准化;定位增强;RAN数据收集增强;NB-IoT和eMTC增强;IoT和URLLC增强;MIMO增强;综合接入与回传增强;非授权频谱;NR增强;节能增强。

我们可以看到,大量的“增强”字样,说明是在现有技术上的进一步升级再升级。除了“增强”之外,有2个关键的词汇:非陆地网络NR、52.6GHz以上频率。这与“低轨通信卫星”和“太赫兹频段”有紧密关系。因此我们是否可以断言,卫星通信与5G的相遇,会把我们带入6G时代。

卫星通信与5G的相遇和融合会给我们带来很多机会,也一定伴生诸多挑战。

面对机遇和挑战,作为通信人的我们,应该感到很幸运,我们生在这样一个信息技术突飞猛进的时代,能够参与其中,感受巨变;也一定会有强烈的紧迫感,使命感和危机感,我们能为这个时代贡献什么,贡献多少。还好我们都还年轻,我们大有可为!



作者 | 郭浩然 博士

编辑 | 游宗泽

编辑于 2019-11-25