5G卫星网络发展展望

5G通信系统是支撑未来全球数字经济的通信基础设施。目前，5G新空口（NR）还不能实现全球泛在覆盖，特别是在高空和远海等区域。而卫星通信系统具有覆盖区域广、广播多播、移动和宽带传输等优势，对实现5G万物互联愿景至关重要。

5G网络卫星段是2020～2025年期间5G网络发展第二阶段研发和标准化面临的迫切问题。5G卫星网络需求将主要由5G网络支持的三种基本业务场景决定，即增强型移动宽带接入（eMBB）、大规模物联网连接（mIoT）和超可靠低延迟通信（uRLLC）。作为处于引领地位的国际标准化机构，第三代伙伴合作计划（3GPP）已经确定了5G卫星网络的一些用例和场景。

5G卫星网络指利用卫星网络技术构建5G无线接入网（NG-RAN）。本文主要讨论了5G卫星网络发展中的频谱和技术问题，5G卫星段的架构，以及在分布式和集中式gNB基站基础上构建5G卫星段的可能性。针对基于弯管技术和星载处理技术的5G卫星段考虑了卫星有效载荷的利用问题。

5G卫星网络利用卫星网络来设计新一代无线接入网（NG-RAN），3GPP技术规范TR 22.822（R16）明确了5G卫星网络的一些用例。

用例1：地面网络和卫星网络之间漫游。这种情况下，5G卫星网络运营商基于全球覆盖提供数据服务。地面5G网络运营商则与5G卫星网络运营商以及其他地面网络运营商签订漫游协议。用户终端仅在没有地面5G网络无线电覆盖的情况下使用5G卫星网络。

用例2：卫星广播和多播。5G卫星网络运营商在全球范围内提供视频广播或其他服务。提供广播服务的现有地面移动网络可以依赖5G卫星网络，满足其与扩展无线电资源、广播内容和确保全球内容访问相关的主要目标。

用例3：卫星物联网。5G卫星网络运营商在全球范围内提供物联网服务。5G卫星网络的空间段使用低轨卫星，以确保低功耗物联网设备的无线连接。

用例4：卫星组件临时使用。在发生重大自然灾害、战争等情况下5G地面网络服务无法正常使用时，许多能接入卫星组件的5G网络运营商授权访问其网络，允许使用最少的服务（如语音、消息和邮件），让卫星覆盖下的每一用户设备都能获得有保证接入能力。

用例5：最优路由或控制。5G网络将组合可用的地面和卫星网络组件，根据请求的服务质量优化用户设备连通性。根据对服务质量参数5QI以及带宽的质量要求，在卫星和地面网络的联合无线覆盖区域内保证最佳业务路由。在具有卫星接入的5G网络中，具有地面接入能力并支持卫星网络接入的用户设备将能够实现与卫星接入网络和地面接入网络的双重连接。5G卫星接入网络将能够通过5G卫星和5G地面接入网络独立建立上行链路和下行链路连接。

用例6：卫星跨境连续服务。在几个国家的领土内提供5G全球卫星网络。5G卫星网络设计为各自地面网络的接入网络，覆盖各国领土；也可以用作中立地区的自主5G网络。

用例7：全球卫星覆盖（overlay）。全球低轨道卫星网络将用作地面数据网络的覆盖网络。通信链路的拓扑将以最小化协议数据单元传送时间为基础定义。

用例8：通过5G卫星接入网的非直接连接。这种情况下，大量用户设备无法访问卫星接口。这些5G用户设备与卫星网络的交互通过支持卫星接口的中继用户单元（中继用户设备）实现。该中继设备可以单独运行，也可以安装在救援船、飞机和火车车厢中。在通过卫星接入网络实现5G用户设备间的非直连时，解决安全、计费等问题至关重要。

用例9：NR和5G核心网之间的5G固定回传。该用例考虑在固定基站gNB和5G核心网络之间使用卫星网络构建中传和回传传输信道。5G核心网和NR之间的接口通过卫星链路直接传输。

用例10：5G移动平台回传。考虑使用卫星网络构建5G网络（移动平台）的传输链路，例如移动gNB和5G核心网之间的中传和回传。移动5G基站可以放置在河流和海上船只、火车等上面。

用例11：5G to premises。这种情况意味着5G卫星网络与非3GPP技术（如，IEEE 802.11、IEEE 802.16）互操作。使用家庭/办公室网关单元组合来自5G卫星网络的可用信号，并在房屋内提供现代无线网络覆盖。

用例12：远端服务中心与离岸风场间的卫星连接。基于低轨卫星的5G卫星网络用于与风力发电中的本地控制中心建立卫星链路连接。提供低卫星通信延迟和高上行/下行数据传输量。

不过，5G卫星的可能应用并不限于上述用例，随着3GPP R17继续研究5G的演进，5G卫星应用还将继续发展。

卫星段的主要缺陷在于，由于用户单元和gNB基站之间的距离原因，信息传输延迟会增加。对5G卫星段内数据传输服务质量的需求还取决于运行中的相关卫星数量。对于不同高度轨道上的卫星，用户设备到卫星间的信号传播延迟不同。对低轨、中轨和地球同步轨道卫星，最大延迟分别可达30、90和280毫秒。5G卫星段的其他服务质量要求（默认优先级、分组延迟预算、分组差错率）已在3GPP技术规范中规定。

不久的将来，毫米波频段可望成为5G和卫星通信中最受欢迎的频段。一方面，5G地面网络需要利用毫米波频段来提供高达20Gb/s的数据传输速度，满足扩展宽带移动接入（eMBB）服务需求。另一方面，使用50~400MHz带宽信道提供eMBB服务要求只能利用已经在卫星网络中使用的毫米波段提供。

2019年世界无线电通信大会（WRC-19）为全球5G地面网络分配了24.25~27.5GHz、37~43.5GHz和66~71GHz毫米波频段。在一些国家和地区，45.5~47GHz和47.2~48.2GHz频段补充分配给了IMT地面部分。这一决定允许5G卫星和5G地面网络在频谱共享基础上使用部分毫米波频段。

表1显示了10.7~275GHz频段范围内分配给固定和移动卫星服务的基本频段，这些频段针对卫星网络设计，但满足5G信道带宽需求。对12.5~86GHz频段的分析表明，10.7~76GHz范围内卫星网络上行链路可用频段总带宽达到17.75GHz，下行链路可用频段总带宽达到20GHz。

为了确保5G卫星段能在物联网设备大规模部署领域提供服务，建议选择使用部分S波段（带宽30MHz）：

· 上行链路（IoT设备-卫星）：1980~2010 MHz；

· 下行链路（卫星-IoT设备）：2170~2200 MHz。

卫星5G基站gNB和卫星网络馈线链路之间的连接可以在一个固定卫星服务频段中实现。

此外，对最受欢迎的频段，即Ka频段（28GHz）和Q/V频段（37~53GHz）的研究表明：

5G卫星段考虑使用Ka波段时，应注意：

· Ka波段是传统卫星波段，增强了卫星网络接入；

· 该频段的一部分由WRC-19在全球范围内分配给5G地面网络；

· 一些国家的行政部门正在从5G地面网络使用的角度审查这一频段。

5G卫星网络考虑使用Q/V波段（37-53GHz）时，应注意：

· V波段尚未用于卫星，特别是卫星网络的馈线链路；

· WRC-19已将一部分V波段在全球范围内分配给5G地面网络分配；

· 3GPP在R17中加快了对V波段卫星以及5G频段地面部分的需求研究。

因此，5G卫星段可以和5G地面段一样构建为多频段，频段也划分为6GHz以下（FR1）和6GHz以上（FR2）。

在2020～2025年期间5G网络建设的第二阶段，需要为发达国家的大面积区域提供5G网络覆盖，并创建5G卫星段，为打造数字经济提供关键助力。

3GPP开展的工作将促进实现5G卫星段的许多不同用例。基于弯管/星上处理技术的5G卫星架构将在未来卫星系统开发中得以实现。电信领域的主要国际组织，如国际电联、3GPP、5G PPP正在联合业内联盟和卫星制造商，研究5G与卫星如何共享原本分配给卫星的频段，包括S、Ka和V波段，这也是5G卫星段未来发展的最重要问题之一。另一紧迫问题是5G地面段基站和用户设备与星载设备间的电磁兼容问题。可以肯定的是，随着地面移动网络聚集了巨量的用户和应用资源，卫星通信比以往更加依赖与5G融合发展，而卫星和5G的深度融合也将推动卫星通信技术不断进步并拓展卫星通信的市场空间。