過去數(shù)十年內(nèi)，在人們不斷地追求“更高頻譜效率”和“更高傳輸速率”的過程中，移動通信系統(tǒng)被優(yōu)化成為一個越來越適于“地面通信信道模型和業(yè)務(wù)模型”的“地面”通信系統(tǒng)，為個人移動用戶和物聯(lián)網(wǎng)用戶提供移動通信服務(wù)。

  如今，隨著3GPP R17版本中正式發(fā)布5G NTN第一個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，衛(wèi)星通信系統(tǒng)正式進(jìn)入公眾視野。

  那么，在技術(shù)儲備日益完善，關(guān)鍵場景逐步清晰、產(chǎn)業(yè)鏈布局積極拓展的當(dāng)下，5G NTN如何加速星地融合駛?cè)肟燔嚨溃?br />
  5G NTN打通星地融合“第一步”

  從1G到5G，移動通信系統(tǒng)主要由地面移動通信組成，覆蓋范圍只占陸地面積20%、地球表面積6%。隨著人類活動空間的拓展，沙漠、海洋、森林等偏遠(yuǎn)地區(qū)對移動通信有著強(qiáng)盛的需求，以手機(jī)為中心的個人移動通信業(yè)務(wù)與應(yīng)用越來越需要“手機(jī)直連衛(wèi)星”，以避免專用衛(wèi)星通信終端引起的各種問題與不便，而衛(wèi)星通信對這些地區(qū)具有天然的覆蓋優(yōu)勢。

  面向場景，以信息傳遞和應(yīng)用處理為中心的萬物智聯(lián)不僅需要低成本局域物聯(lián)網(wǎng)連接，也需要經(jīng)濟(jì)的廣域物聯(lián)網(wǎng)連接，以支持信息的快速交互與共享，實(shí)現(xiàn)融合的業(yè)務(wù)與應(yīng)用。衛(wèi)星通信為地面偏遠(yuǎn)地區(qū)、中高空域和臨近空間的萬物智聯(lián)提供了更加便捷和經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段。

  作為地面互聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)和產(chǎn)業(yè)延伸，以及繼固定通信網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)之后新興的國家信息通信基礎(chǔ)設(shè)施，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為全球信息通信網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展的重點(diǎn)方向，然而卻一直進(jìn)展較為緩慢。

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  究其原因，地面移動通信擁有數(shù)十億的用戶、強(qiáng)大的技術(shù)隊伍和完備的產(chǎn)業(yè)鏈，但衛(wèi)星通信目前只有百萬級的用戶量，并且其參與人員與產(chǎn)業(yè)規(guī)模也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地面移動通信，這也造成了衛(wèi)星通信設(shè)備和運(yùn)營成本高、技術(shù)更新慢。

  因此，如何充分利用地面移動通信的產(chǎn)業(yè)鏈，如何把普通移動通信用戶發(fā)展為衛(wèi)星通信用戶，這不僅是運(yùn)營商面臨的重要問題，也是無數(shù)深耕與衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)鏈持續(xù)思索的部分，而以5G NTN為代表的關(guān)鍵技術(shù)所構(gòu)成的“星地融合通信”則成為了關(guān)鍵。

  NTN(non-terrestrial network，非地面網(wǎng)絡(luò))是3GPP在R17階段制定的基于新空口技術(shù)的終端與衛(wèi)星直接通信技術(shù)。在該版本中重點(diǎn)規(guī)劃了在原有5G地面蜂窩標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基礎(chǔ)上，5G NTN根據(jù)衛(wèi)星通信的需求和技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計和制定可用于手機(jī)與高低軌衛(wèi)星直接連接通信的技術(shù)規(guī)范，通過對5G地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)和終端協(xié)議增添與優(yōu)化，使其滿足衛(wèi)星通信要求，并保持與5G地面蜂窩通信標(biāo)準(zhǔn)兼容，5G NTN支持衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)組網(wǎng)，或與地面蜂窩通信系統(tǒng)聯(lián)合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)星地融合通信。

  與此同時，NTN是地面蜂窩通信技術(shù)的重要補(bǔ)充，是手機(jī)直連衛(wèi)星的技術(shù)方向之一。利用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面5G網(wǎng)絡(luò)的融合，可以不受地形地貌的限制提供無處不在的覆蓋能力，連通空、天、地、海多維空間，形成一體化的泛在接入網(wǎng)，使能全場景隨需接入。

  目前，國內(nèi)外已經(jīng)從標(biāo)準(zhǔn)等多方面開始推動星地融合通信的實(shí)現(xiàn)。其中，2023年5月，中國移動率先完成國內(nèi)首款5G IoT NTN手機(jī)直連衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，支持雙向語音對講和文字消息，同時開展二期驗(yàn)證優(yōu)化，全面提升高軌手機(jī)直連衛(wèi)星落地能力。

  需要指出的是，在當(dāng)前5G階段，星地融合通信的目標(biāo)是“體制兼容”，即在已有地面5G標(biāo)準(zhǔn)的整體技術(shù)框架下通過優(yōu)化的方式實(shí)現(xiàn)星地融合通信，因此，在技術(shù)方面還存在諸多挑戰(zhàn)。

  滿足關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：助推重點(diǎn)場景落地

  星地融合通信網(wǎng)絡(luò)，是一個星地立體通信網(wǎng)絡(luò)，由地面網(wǎng)絡(luò)、臨近空間網(wǎng)絡(luò)和天基網(wǎng)絡(luò)組成。其中，地面網(wǎng)絡(luò)主要包括地面蜂窩基站、衛(wèi)星信關(guān)站和核心網(wǎng)；臨近空間網(wǎng)絡(luò)包括無人機(jī)和臨空接入平臺；天基網(wǎng)絡(luò)主要包括高中低軌衛(wèi)星通信載荷與平臺。

  從技術(shù)架構(gòu)看，星地融合通信網(wǎng)絡(luò)使用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)體制，使用一體化的無線接入、傳輸和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使用一體化的星地協(xié)同無線資源分配與業(yè)務(wù)管理，為多種通信設(shè)備提供寬帶或窄帶接入服務(wù)，滿足天基、空基、海基和陸基用戶隨時隨地通信需要。

  也正因此，基于用戶與業(yè)務(wù)的需要，結(jié)合典型的衛(wèi)星星座、頻率資源和載荷配置，并考慮到衛(wèi)星通信技術(shù)、器件和組件發(fā)展水平，星地融合通信系統(tǒng)中衛(wèi)星通信也需要滿足如峰值速率、空口時延、多普勒頻移、終端移動速度、頻譜效率、頻段與頻率復(fù)用、鏈路可用度、單波束服務(wù)的用戶數(shù)、小區(qū)半徑等諸多技術(shù)指標(biāo)。

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  其中，在峰值速率上，未來星地融合通信系統(tǒng)的衛(wèi)星應(yīng)具有部分或全部基站功能，每顆衛(wèi)星支持?jǐn)?shù)十至數(shù)百個波束，每顆衛(wèi)星的容量可設(shè)定在10～100Gbps之間；空口時延上，空口時延包括傳播時延、處理時延、跳波束調(diào)度時延和重傳引入的時延，它與“接入網(wǎng)-核心網(wǎng)”間的時延、核心網(wǎng)內(nèi)時延之和應(yīng)滿足所支持的通信業(yè)務(wù)的包時延預(yù)算的要求；多普勒頻移上，多普勒頻移由信號頻率、衛(wèi)星與終端、信關(guān)站之間的相對徑向速度決定，因此，多普勒頻移對同步、隨機(jī)接入、信號檢測等有明顯的影響，星地融合通信系統(tǒng)應(yīng)具有容忍大多普勒頻移的特性。

  迎接6G：邁向全面系統(tǒng)融合生態(tài)

  事實(shí)上，5G在設(shè)計之初并沒有考慮衛(wèi)星通信，而R15作為5G第一個商用版本，3GPP才正式開啟了對衛(wèi)星通信的研究，在R17完成第一個版本的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定，主要在定時關(guān)系、時間和頻率的補(bǔ)償、混合自動重傳請求（HARQ）機(jī)制、移動性管理與切換等方面做了技術(shù)優(yōu)化，以適應(yīng)衛(wèi)星通信場景，這就決定了星地融合通信在5G階段是體制兼容，5G NTN使得衛(wèi)星通信能夠利用并分享5G的產(chǎn)業(yè)鏈和規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

  目前，我國在5G的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和運(yùn)營方面已實(shí)現(xiàn)全球引領(lǐng)，采用5G兼容的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)模式可以借助5G的產(chǎn)業(yè)鏈和規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。

  面向產(chǎn)業(yè)，通過蜂窩通信和衛(wèi)星通信兩大產(chǎn)業(yè)鏈的深度融合，讓接入衛(wèi)星的物聯(lián)終端形態(tài)向低成本、小型化、低功耗等易用性方向發(fā)展，讓智能手機(jī)具備直連衛(wèi)星能力，形成規(guī)模效應(yīng)，推動衛(wèi)星連接價格下降。

  面向運(yùn)營商，提供低成本的廣覆蓋方案，在用戶稀疏的偏遠(yuǎn)地區(qū)、海面等區(qū)域無需建設(shè)和維護(hù)蜂窩基站，可顯著降低基站數(shù)量并進(jìn)行集中部署，進(jìn)而降低運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)維成本。

  與此同時，NTN作為3GPP R17版本的重要功能，還將在5G-Advanced中持續(xù)演進(jìn)，并成為3GPP R18工作計劃的重要部分。

  據(jù)悉，NTN包括IoTNTN和NR NTN兩個研究課題，IoT NTN側(cè)重支持低復(fù)雜度eMTC和NB-IoT終端的衛(wèi)星物聯(lián)業(yè)務(wù)，NR NTN采用5G NR框架來實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)直連衛(wèi)星，提供低速率數(shù)據(jù)服務(wù)和語音服務(wù)。借助衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)5G全域覆蓋，讓成熟的5G智能終端和物聯(lián)網(wǎng)終端可以在地表的每一處連接入網(wǎng)，而基于5G NTN的手機(jī)直連衛(wèi)星方案，既契合手機(jī)更迭周期短的特點(diǎn)，又能滿足行業(yè)應(yīng)用需求，也為6G星地融合通信奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

  6G時代，從標(biāo)準(zhǔn)制定之初，就充分考慮了地面與衛(wèi)星兩種不同類型的接入方式，地面移動通信將與GEO、MEO、LEO衛(wèi)星通信充分融合，實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋，使得任何人或物在任何地點(diǎn)和任何時間都可以接入到網(wǎng)絡(luò)。

  也正因此，6G星地融合通信網(wǎng)絡(luò)是一個多維復(fù)雜的“巨系統(tǒng)”，是多個異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)的融合，具有多層立體、空間大尺度、動態(tài)時變的特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計、傳輸效率提升、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)、移動性管理、以及服務(wù)質(zhì)量與業(yè)務(wù)連續(xù)性保障等方面都面臨巨大的挑戰(zhàn)，這些都將在6G網(wǎng)絡(luò)中予以充分考慮，并在網(wǎng)絡(luò)初始設(shè)計中予以解決，實(shí)現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)充分融合。

  可以預(yù)見，隨著星地融合通信的不斷滲透發(fā)展將使得衛(wèi)星通信和地面移動通信在通信技術(shù)、元器件、通信設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、通信系統(tǒng)、通信業(yè)務(wù)與應(yīng)用方面得以深度融合，極大地降低成本，提升用戶體驗(yàn)，促進(jìn)整個產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。