卫星在5G网络中的角色 留言

The Role of Satellites in 5G Networks

Pasternack，美国加利福尼亚州尔湾市

为了支持5G建设，蜂窝宏基站和微基站的密集部署工作如今已经开展，这些基站使用复杂的无线电技术，以支持5G的数据速率、容量及覆盖范围。3GPP的第16版将于今年6月发布，而第17版预计会在2021年下半年发布。届时，将会在V2X、工业物联网、多SIM设备、可靠性以及低延迟性能的提升、71GHz以内免授权频谱的使用、效率、干扰等方面给出详实的具体说明。此外，作为对去年年底于西班牙举行的3GPP会议上讨论的24个大项的补充，还将明确卫星和高空平台等非地面接入（NTN）技术提供的5G新无线电（NR）支持。作为一种拥有固有优势的平台，卫星技术能够为全球5G架构贡献一份力量。

5G回传

与众多为5G赋能的无线电接入技术一道，回传技术已经经历了必要的发展——将LTE网络中的基带单元（BBU）和远程无线电头端分解为集中单元（CU）、分布单元（DU）、无线电单元（RU）三种单独功能模块。载波聚合、下行链路协调多点发送/接收、MIMO等无线电技术相互协作，使有限的6GHz以下频谱得到充分利用，而大规模MIMO（mMIMO）通过提高频谱效率提高了每一蜂窝站点的网络容量和覆盖范围。此外，高密度部署毫米波小基站等方案将频谱进一步上移，以实现更大的接入带宽。各种各样的此类技术促成了国际电信联盟（ITU）定义的如下5G功能（图1）：5G增强型移动宽带（eMBB）；超高可靠性低延迟通信（uRLLC）；大规模机器类通信（mMTC）。

图1：5G通用用途示例（来源：ITU）

如图2所示，针对5G无线电接入网络（RAN）的当前策略为所谓的gNodeB（gNB）基站，此类基站采用如下的两层架构：分布单元（DU），提供低延迟性能，用于工厂自动化和医疗服务；集中单元（CU），用于高耗电处理。RU和DU的分离使得通用公共无线接口（CPRI）暴露于外，该接口已针对5G进行了增强，称为增强型CPRI（eCPRI）接口。在某些情况下，DU可与RU相互结合，功能相当于小基站。

图2：通用5G回传架构

5G与卫星的融合

目前，多项研究正在探索星地架构对5G无线电接入网络的辅助用途：欧盟Horizon 2020合作项目涉及欧洲大陆的多家公司，旨在开发“针对5G的卫星和地面网络”；欧洲航天局出资支持“5G背景下的星地融合范例（SATis5G）”项目；SpaceX、OneWeb以及亚马逊公司正在开发能够为地球上的任何地点提供连接的低轨道（LEO）卫星网络；静止轨道（GEO）运行的高通量卫星（HTS）技术是星地网络与5G融合中的另外一种技术，可以提供点波束和多播功能；蜂窝通信标准组织3GPP也正着手于低轨道（LEO）、中轨道（MEO）、静止轨道（GEO）卫星的非地面网络方面的研究，以明确卫星通信在5G当中的功用¹。

从2004年4Gbps通量的Anik F2的发射，至2017年200Gbps通量的EchoStarXIX的发射，高通量卫星技术已获得了长足的发展。在不久的将来，Ka波段应答器将提供Tbps级的速度，而优化技术还能降低每比特传播的成本。卫星网络所拥有的“即插即用”能力旨在通过如下各个方面为5G提供支持：卫星网络虚拟化；允许蜂窝网络控制卫星无线电资源；开发针对小基站连接的链路聚合；通过蜂窝接入技术与卫星接入技术之间的密钥管理和认证，优化安全性；融合卫星技术的多播优势²。

如图3所示，参与H2020项目的组织已确定四种卫星/5G网络融合的用例，其中，卫星可连接至：

• 难以到达的孤立区域的地面网络的干线和头端；
• 用户楼宇，以向服务欠佳地区直接提供服务；
• 交通工具；
• 混合架构，以通过多播等服务，补充地面网络功能。

图3：卫星与5G网络的融合（来源：SaT5G项目）

固定回传

卫星向基站或独立小基站的固定回传能够为无法实现高性价比地面回传的eMBB提供支持。这种情形常发生于地球上蜂窝网络基础设施和无线接入资源极少的欠发达地区和服务欠佳地区。除了eMBB之外，卫星还可为智能农业等物联网用途中的mMTC提供支持。

连接住宅

为所有家庭住宅都提供高速连接即使在国家范围内也难以实现，更遑论在全球范围内了。由于难以到达的地区用户密度较低，因此安装直达到户的光缆因高成本而可行性较低。出于这一原因，对于此类地区，从太空中提供视线连接是一种可行办法。2017年，美国约有1000万的乡村家庭仍未能享受下载速度至少为25Mbps的宽带服务³。在此类情形中，通常通过微波回传实现宽带服务，而处于微波回传有限覆盖区域之外的居民往往无法获得网络连接。

原文始发于微信公众号（actMWJC）