5G and 衛星，到底啥關系？
本文轉載自微信公眾號「鮮棗課堂」，作者周磊 。轉載本文請聯系鮮棗課堂公眾號。
引言：
近些年來，衛星通信引起了國內外的廣泛關注。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。究竟衛星通信有什么用?它和5G有什么關系?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，大大降低了發射衛星的成本和門檻。
按照他的設想，“星鏈計劃”將在地球周圍布置約1.2萬顆衛星(后續可能增至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某高校“6G衛星”的文章也解釋過了，很多東西都還是未知數。
“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星軌道。按照目前先到先得(7年內必須啟用)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。那么，衛星通信和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，國內外和衛星、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年成立的融合衛星與5G項目，由歐盟資助。它的成員已經為ETSI和3GPP關于衛星融入5G相關的標準化研究做出了很多貢獻。
- 非地面網絡項目(Non-terrestrial networks, NTN)
這是3GPP立項成立的項目。它致力于將衛星通信與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在他們發布的白皮書中，給出了一些典型的衛星通信用例，重點聚焦于5G的eMBB和mMTC兩大場景(衛星系統的傳播延遲，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，進行了一系列衛星與5G網絡架構融合的現場演示。
下圖演示了飛機上的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，他們關于衛星融入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
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”進行了SI立項，并發布研究報告TR 38.811。該報告定義了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于：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。
那么問題來了，地面移動通信網絡最初并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，我們需要了解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，基于透明轉發、星上處理、有/無中繼，提出了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
- 上行功控
R16討論了比如波束專用和通用的功控參數配置、基于預測的功控調整、基于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
大家知道，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討論了多種優化方案，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。第二種是基于網絡側指示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，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，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進程的數量，并考慮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，限于篇幅這里就暫時不列舉了…
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，由于5G的規模化效應，為衛星通信打開了全新的市場機會。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。
相信到了2021年，也就是R17發布的時候，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。
—— 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.
