注：(本文已收录于2019年软件定义卫星大会论文集)
向马斯克说不，中国需要建设独立自主的低轨卫星星座
1.关于3GPP NTN（非地面网络）和3GPP NonT/N-RAN（非地面无线接入网）的差异 ,NTN非地面网络目前是3GPP组织停留在R16阶段的产物，研究了卫星对于地面网络的几种服务形式，但伴随着地面与卫星网络深度融合之后，卫星网络已经不单独区分，而是作为一种重要的地面无线接入网而存在，这是大势所趋。
2.关于软件定义自适应空口卫星接入标准化对于自由协议的的兼容性。要求我们在追求空口协议的灵活性的同时，进一步形成规范。比如根据卫星轨道参数而设计的灵活的物理层帧结构、时隙宽度、子载波间隔设计，根据卫星移动多普勒效应采用灵活的时延补偿方案。包括双工方式，在频率资源支持下灵活的在FDD/TDD之间切换，简而言之，追求频谱共享就用TDD，如果有充足的KU资源可以用FDD。对于波形和调制方式的兼容性，要区分载荷技术对于不同调制方式的有效性。卫星大概率要使用FPGA进行灵活的协议装入。
B5G/6G时代的卫星通信技术
郭正标1
1.南京世域天基通信技术有限公司，南京 210000
摘 要：作为移动通信技术演进趋势的下一个关键节点也就是我们通常所说的Beyond5G甚至是6G技术，不过现阶段都还处于概念阶段，这里我们使用融合5G的天地一体化网络未定义。它与传统意义上天地一体化网络的最大区别在于融合的程度，是否要使用地面成熟的空口协议和基本波形做，在地面移动通信还处于3G/4G的时代，没有重要的技术演进趋势可以让我们相信卫星网络能够集成到地面网络当中，成为其网络切片的一部分。但如今，世界进入软件定义一切的时代，无线电，网络、数据、云计算等等都可以经过通用的规则和开源的代码来实现，比如软件定义无线电技术可以通过载荷的灵活性，实现卫星后期相关通信协议的升级。扁平化的管理，使卫星网络无论作为一种信息管道或是射频前端，从整体架构上都可以符合地面网络建设的预期，以SDN/NFV为主的虚拟化技术将深刻影响卫星网络的发展趋势，这同时也对卫星本身的发展带来了巨大的影响，N-RAN非地面接入网则实现了传统NTN网络与地面网络的高度融合，从此卫星将变成空中基站的一部分。
关键词：6G；SDN/NFV；SDR；3GPP；LEO ；Satellite and Terrestrial Network
中图分类号：TN 文献标识码：A
Satellite Communication Technology in B5G/6G Era
GUOZHENGBIAO
1. NANJING HORIZONBASE COMNICATION，NANJING 210000，CHINA
2 正文
国际卫星行业发展趋势
在国际移动通信发展的大趋势下，我们拥有融合的相关研究基础。3GPP组织业已意识到这个趋势的重要性，已经责成对此课题进行研究。未来不久，建立在新型5G空口框架下的卫星接入方案将成为现实：有一天，卫星通信服务将会走进千家万户，甚至个人的手机里。
R14版本的3GPP TS 22.261文件，已经开始认识到卫星作为空间基站的一部分对于5G通讯覆盖等场景的应用价值，并将其作为5G接入技术的一个分支开展了研究。在3GPP对于非陆地网络的空口研究中还有两个重要的项目“These Non-terrestrial networks feature in TSG RAN’s TR38.811”以及“TR 22.822”，前者研究的是信道模型，后者研究的是接入方案。其中，TR 38.811的研究项目旨在寻求在其第一阶段定义5G中卫星的部署场景和相关的系统参数，以及获得更多关于信道模型的信息。第二阶段将处理与卫星相关的RAN协议和体系结构并为之设计接入方案。
高低轨卫星与移动通信
典型意义上的高轨通信卫星主要的擅长领域在广播和固定宽带业务上，而新兴的低轨卫星星座则是实现移动通信和增加系统带宽的唯一途径。二者将在未来的5G异构网络中以互补的形式，一起为地网实现高效率的覆盖提供支撑。目前看来，高轨卫星通信要深度融合进入5G网络的难度很大，存量的业务比如转发器业务还有部分HTS业务都有固定的客户需求，加上本身建设在轨维持周期都比较长，这种TOB的模式本身也制约着高轨卫星为大众提供消费服务的模式。所以这里我们所讲的天地一体化融合的主要对象还是新兴的低轨卫星。
为什么说低轨卫星星座是实现移动通信和增加系统容量的唯一途径？本质上是因为低轨卫星的能量利用效率要比高轨卫星高很多。高轨卫星通信有着难以解决的空间损耗问题，这就意味着它需要更多能力把信号送达地面，因此对射频器件产生更高的要求，一些地面移动通信普及的半导体工艺在高轨上无法实现。
实现大融合的技术路径--N-RAN基于SDN/NFV网络的非地面无线接入网技术
实现卫星通信与5G网络的融合是系统性工程，尚有很多需要解决的难题。首先需要从系统架构层面设计每一个环节，也就是说，是否拥有领先的系统架构设计能力，是制约一个卫星通信系统性能的关键要素。作为地面网络的一部分，一个优秀的接入网体系设计可以实现高效率，灵活性和开放性并存的局面，在兼容地面网络标准的基础上实现卫星空口接入协议的自适应化,Nonterrestrial-RAN非地面无线接入网实际上是深层次融合进了地面网络架构当中，充当地面基站相同的功能与角色，这也是有别于传统NTN非地面网络的概念。在此基础上多主体卫星才能够实现在不同国家不同运营商的对等接入服务。这其中对于卫星来说有包括很多细节技术：
1、频谱资源
而这些急需解决的问题中，首先要解决的就是频率问题。我们认为，采用传统的方式通过国家无线电管理局向国际电联申报网络资料的方式已经不足以解决今天的问题。一个具备商业使用价值的卫星网络，必须具备足够连续频谱带宽，才能确保足够大的卫星通信容量。
融合5G的卫星通信技术的重要创新点之一是采用频谱共享方案，可以制定一种动态的高级频谱共享机制(可能类似于空间分层的CBRS频谱接入系统)，将允许多个服务提供商或终端接入一个频带或一组频带，通过不同等级的分层管理来控制来自卫星或者地面基站的信号接入，提升现有频谱的利用效率，这种方法尤其适用于中低频段。
对于高频段则可结合采用频率调谐的方案，即系统具备一定的动态感知能力，能在主流的5G频段内实现兼容，当卫星位于不同国家不同5G网络内，通过调取频谱数据调谐至相关频率并开展频谱共享，例如在中美欧日韩都会分配的28Ghz频段，可实现在不同国家上空27.25GHZ-28.25GHZ范围内的调谐。具体该调谐参数的设计主要取决于国家间对于5G网络用频的不同设定，比如我国根据国内具体无线电干扰情况，对27.75Ghz附近频率酌情分配；美国人则已经开始分配28GHZ以上频段用于5G通信。我们可以采用提前整理各国无线电频谱使用资料作为数据库备案的手段，开展星上调谐。
另外需要关注的是除了主流的KU/KU频段外，采用频谱动态感知，开展频率共享的技术路径之外，还可以考虑使用大量未开发的Q/V频段做独立的频率解决方案。对于星间链路如有必要还可以开发太赫兹频段。这些频段都可以找到足够支持大容量宽带应用的连续频谱资源。
在这里需要说明的是，民营公司似乎在国际间频率协调时拥有更多回旋和操作的空间，是平衡各方利益诉求的较好的操作对象。据了解一些公司已经联合国家合作伙伴开展了国家间协调工作，比如近期成立的GreenSpaceFrequency绿色空间频谱组织，已经跟ITU开展相关互动，联合希望发展卫星通信运营的新太空企业，在国际电联ITU WRC19会议期间提请相关频谱使用规则的修缮，让卫星频率不再是单个卫星公司的私有产物，而实现全球统一标准下的共享共用。
2、空口体制设计
解决完频率干扰的问题，就该讨论如何提高频谱利用效率的问题了。目前在高轨卫星中提高频率复用率并使用多波束技术是主流解决方案。而针对低轨卫星使用新型可重构的相控阵多波束天线，对提升卫星性能有非常明显的作用。该新型载荷能产生大量的点波束并可以动态地进行波束调节，能根据用户使用需求来动态地分配带宽。当然这里需要说明白的是如果需要深度融合进入地面网络，我们是否需要遵循只使用5G网络的基本波形就实现跟地面网络相同或近似的频谱利用效率，就地面网络而言，CP-OFDMA已经实现了超高的频谱利用效率，就这项技术而言，最近萨里大学和TELESAT在一颗低轨道卫星上已经开展了相关尝试，据了解已经取得了成功。如果卫星只使用地面的基本波形就像实现基本的传输，难度很大，存在多普勒频移，时间延迟等卫星无法克服的问题。而这些都在地面的空口体制中很难实现共存。最理想的还是使用一种基于软件定义自适应的空口接入技术，保留绝大多数5G空口的特性，但是可以在提前导频导码以及物理层帧结构时隙宽度上能够匹配卫星的高度来实现自适应接入，比如GEO卫星和LEO卫星就可以采取两套方案以供灵活切换。就可以完整解决融合的问题。
3、相控阵天线
如何将新型载荷用于较小体积、较低功率要求的小卫星上，成为创新研究的重点。由于低轨卫星轨道高度较低，如果结合第三代半导体工艺，使用氮化镓（GaN）工艺研制的相控阵天线，结合基于硅衬底的CMOS工艺，实现多层异质集成3D封装，可在一个硅芯片上集成多种射频，模拟，数字系统。这样就使得我们在较小的空间损耗下实现和地面终端的互联互通，可以实现极低功耗和极高增益的要求，使得卫星通信融合5G网络，甚至是直接连接移动终端成为可能。我们研发中的高性能宽带卫星相控阵多波束载荷，使用了大量地面成熟工艺，比如将TR模块直接实现AIC(antenna in Chips)集成到芯片上去，一切多余的星上的能量损耗都需要将其克服。空间损耗和星上能力的高效率利用最终得到的将是一个超大系统容量的卫星，单星指标直达百吉比特将不再困难。在这里需要指出的是传统在地面终端使用的低成本的硅基的TR收发组件很难实现卫星使用，到底基于哪种衬底材料的异质集成，恐怕还需要看半导体技术的发展，相关工艺是否成熟，具体而言是采用SiC碳化硅基还是采用硅基的GaN?就材料的散热特性而言，SiC可能是首选，但是工艺不够成熟，成本居高不下，国内电科55所，三安光电都在做这方面的努力，所以未来这种相控阵天线大概率可以实现不同材质的三维封装。其次采用这种数字波束形成的一体化设计，大大的降低了对移相器的需求，简化了射频系统的复杂性。新型的星载多波束相控阵天线应最大限度的利用地面MASSIVE MIMO相关的技术进展，提高多径传输效率，进一步提升系统容量；大力发展全数字多波束天线，而非相控阵子阵技术（其更适合在低成本要求的地面基站中使用），原因是全数字相控阵拥有更大的波束调节范围，可以独立产生上千个相互隔离的小波束，在优化射频系统设计上有很明显的作用，实现卫星更广的视场覆盖范围，进一步提高卫星利用效率。
4、标准化
两个独立的网络需要融合，就必须在标准化层面做好工作，这也是决定这两个系统是否能够深度融合的关键要素。由于大量采用的地面移动通信技术体系，天地这两大网络的融合基本上是推翻了传统以CCSDS国际空间数据咨询委员会组织所倡导的包括射频频率、物理层、网络层等相关协议的合集。
我们的建议是，利用5G软件定义自适应空口的技术特点，结合卫星特殊的信号环境——快速移动和时延特点，设计独立于地面基站的新的接入方案N-RAN非地面无线接入网技术。利用好3GPP组织在非地面网络接入方案的研究成果，最大程度保留并采用CP-OFDMA循环前缀的波形设计，制定具有中国独立知识产权的接入标准，提升多终端接入能力和降低系统时延，提出具有中国特点的通信物理层设计，尤其是帧结构的设计，并推动以OFDM -TDD动态时分多址为标准的接入方案成为国际卫星接入标准之一。
天地网络深度融合之下，卫星网络也将开始使用地面网络的网状网架构。系统新型拓扑结构和无线回传方案成为决定融合程度的关键，卫星系统既可作为纯射频前端，做透明转发，也可以自带路由和星上处理能力。对此可结合地面网络的SDN和C-RAN技术，将卫星网络数据处理等复杂功能交由地面处理。事实上，分布式虚拟路由技术已经可以很好地解决这一问题，最终建设成一个具有共同标准的、涵盖高低轨卫星不同路由方式的异构网络架构。
在转发层面的网络协议栈上，也需要考虑如何兼容地面的TCP/IP协议，便于实现互联网化API化，具体操作可以结合IPV6等新的技术方案，甚至未来可以在轨道部署自己的根服务器（使用一种充气胶囊式可伸缩、充满低温惰性气体的在轨空间根服务器），并混合使用激光或者微波链路进行数据中继，存储，分发等场景。理论上这种空间根服务器，具备网络节点所有的功能，而且使用激光链路具备不可干扰性，不受任何地面因素影响，这套系统在国防安全，信心安全角度具备重大的战略价值。使用空间根服务器的在轨网络节点，可以给广泛覆盖的物联网节点提供直接的自组网能力，既可以脱离目前地面因特网架构的组群规模应用，也可以实现基于传统因特网的互联互通。但是对于物联网终端来说，刻意强调因特网的概念其实意义不大，绝大多数物联网终端并未实际为了互联网应用而去，而是专业的群组服务，比如集装箱服务。这种系统建设也许会唤醒BAT们投资商业航天项目的冲动。
5.B5G/6G核心网与N-RAN非地面接入网的选择
核心网的开发难度较大，并且成本较高，所以没有必要为卫星开发单独的核心网。考虑到目前阶段5G对4G的核心网结构已经普遍升级到了软件定义硬件的时代，卫星的诸多管控都可以在SDN/NFV网络里面进行功能的重新定义，安排开展相关的功能应用。特别是下一代核心网会使用到人工智能的技术，极大效率的提升核心网在处理复杂的路由形式（比如虚拟化路由），异构的网络形态，频率的动态分配，功能的个性化定制能力。软件定义和虚拟化技术以及人工智能技术是互相绑定，无法分离的核心网技术，这种功能的设定对于非地面接入网而言带来前所未有的机遇，这也是为什么很多年前一直提天地融合却难以真正深度融合的技术症结所在。对于N-RAN非地面无线接入网的定义而言，区别于传统的非地面网络，之所以叫做接入网，根本在于它实现了与现有的5G架构的深层次融合。卫星变成了一种标准化的基站形态，充当了和地面基站相同的责任。但就功能而言，两者互有差异，并且互相补充。
对于传统地面的蜂窝接入网架构而言，它通常呈现一个个的小区，运营商仅仅依靠百兆赫兹的频谱资源通过在固定范围内的频率复用技术来实现高密度覆盖。而卫星接入网不可能复制地面接入网的模式，也不可能每个扇区都平均覆盖上波束。卫星接入网更合理的设计应该是在掌握大带宽连续频谱的资源情况下，通过空分复用技术，隔离成一个个扇区，这些扇区是可以灵活切换，动态分布的。以一个4GHZ的连续频谱来说，结合点波束技术，可以使用1000平方公里面积内的百吉比特用户总的接入带宽。相对而言这种模式的非地面无线接入网就实现了蜂窝网相互竞争的优势，尤其是在基站建设成本高昂的山区和落户地区，具体对于我国胡焕庸线以西地区特别适用。
当然这里需要说明的是N-RAN非地面接入网不单单只是卫星这一种形态，无人机，浮空器都可以是它主要的平台，未来实现互相补充将对整个天地一体化网络的大融合带来现实的可能。
6.移动边缘计算节点中的基带及其芯片系统
5G的核心需求定义，比如低时延，要求卫星不仅仅是一个透明转发的节点，而需要承担的今天的边缘计算的角色，这里讲移动边缘计算节点。由于平台的能源供应限制，所处的环境特点，对其功能要求的差异，就需要我们量身设计星上系统。这里所说的边缘计算对于通用和专用有着复杂的定义和划分规则。本质上要解决的就是高性能和高可靠性以及低成本的需求。
软硬件解耦合与扁平化控制要求将卫星作为地面基站的节点延伸，不需要采用专用芯片，可以降低系统开发难度。卫星和地面基站的芯片系统高度一致，由通用白盒芯片和开源软件组成的系统实现软硬件解耦合。卫星网络后期可以通过地面网的升级换代跟着升级，而不再需要重新发射卫星。在使用基于OPENFLOW等开源软件的基础上搭建的SDN/NFV网络，实现地面对卫星网络的扁平化控制，甚至在控制层面实现地面对卫星网络的测控和确保系统安全性。需要说明的是，上升的芯片层面在应用层上使用软件定义技术有其合理性，但专用和通用本身就是一种矛盾的关系，对于卫星的射频信号处理，星上交换还是需要寻找专用的解决方案。比如世域公司的星载ASIC基带芯片不会追求单个IP核心的性能，多核异构提供给它一种灵活的架构，更追求各方面性能的平衡。使用片上集成的eFPGA，可以实现灵活的算法设计，特别是对于卫星网络这种复杂的协议，兼容不同的软件定义无线电接口。同时这些多路的eFPGA结合大采样速率的ADC/DAC模块，可以极大的加速射频信号的处理能力，甚至实现直采进基带的架构，并由专用的DSP核心实现处理。比如控制调度的CPU，负责处理射频信号的DSP，以及实现硬件加速和灵活的无线电可重构的eFPGA。它将最大程度的集成和利用成熟的IP，比如RISC V保证高可靠性，采用国际一流的IP实现高性能，并通过合适的半导体工艺和适合宇航环境下的制程完成平衡。目前硅光互联技术也是一个新兴的热点领域，光芯片和电芯片互相补充，在传统CMOS的基础上实现单芯片集成对降低功耗提升性能也有着明显的作用，特别是面对高频通信产生的大数据量传输处理的难度，硅光互联技术应用也不排除能实现全星上路由和处理。未来天地一体化网络，将有成千上万颗卫星，而且会持续的发射更新，从单品的价格层面也会稍贵于地面芯片。这都给发展这一领域的ASIC芯片提供了市场契机。预计将在未来3-5年内投产。
7.空间计算是天地一体化时代云计算的升级
这里所说的空间计算，全称（Space Computing）,不同于视频时空处理技术的空间计算(spatialcomputing),它是一种新型的网络架构形态，而非单一的算法技术原理。
另外我们要给普及一个区别，那就是云计算和空间计算的区别。空间计算不是为了把云计算取而代之，而是另一种空间形态的网络拓扑结构的拓展，有了天地一体化网络，我们实现了对传统平面化的网络结构的重塑，利用卫星等具备高度优势的平台来提供网络服务，使得网络更加的立体，摆脱了地理环境对网络节点的束缚，使得很多网络节点不需要围绕地表状况而布置，也不需要经过层层的网络管控，可以更高效率的进行互联互通。比如我们要与跨洋的国度建立通信连接，网络需要绕经日本的海底光缆才能实现，而现在只需要两个地面站和几个具备星间链路的卫星就可以实现。为什么空间计算在卫星通信发展的很多年都不具备成熟的可能？首选类似铱星系统是一个窄带卫星星座，并不支持大数据量的传输，无法实现云计算所能提供的大数据存储，大通量的数据交换。另外传统的高通量地球同步轨道卫星是相对独立的网络，无法与互联网形成深度融合，且带宽价格高昂，制约了面向大众和企业端的应用普及。只有到了今天，当卫星完全变成了地面的网络切片，实现深层次融合，并且卫星的数量和通信容量大为提升，给空间计算面向大众提供公共服务带来的全新的机会。如果说帮运营商做免光纤微波互联是一种ToG的业务，空间计算实际上可以提供给更多元化的用户，本质上可以与现阶段所有的云计算用户产生关联，比如帮助投资公司开展国际间的高频交易服务。
8.卫星通信运营前景展望
对于传统的地面通信运营商而言，中国铁塔这种基础设施仅仅是冰山一角，剩下的庞杂工作还需要在整个通信运营层面体现。融合5G的卫星网络是否具备活下来的机会，同样在于运营商是否拥有这种能力，业界也在呼唤天地一体的新型运营商的出现。
特别应注意的是，低轨移动通信卫星网络必然是全球性的，如何实现在不同的国家间落地，除了在系统方案上的考量之外，利用互联网思维去开发更多应用级的场景也很有必要。卫星网络未必就是一个管道，最大的收益还是在应用上：服务于200多个国家的低轨星座网络急需要解决落地和跨境结算的问题。而今天如果把区块链技术结合到卫星运营领域，将碰撞出完全不一样的火花，这甚至比单单做一个星座收益更大。但话说回来，没有这样的空间基础设施，一切都将是镜中月水中花，区块链本身只是一个工具，需要依托现实的服务来衡量它的价值。
在这里我们普及一个新的名词“CAAS”(Communication AS A Settlement)——通信即结算。可以类比一下主流的PAAS SAAS系统理念，每一次数据交换都会被记录下来，并且以固定的数字货币形式完成交易。这种模式非常适合在不同国家、不同运营商、不同系统之间实现数据交易和结算，这将大幅度降低卫星通信运营的成本。而这种区块链技术的落地需要基于成熟合理的协议架构，这种数字货币也绝非今天被热炒的比特币，仅仅是传统电信运营商通信资费的一个呈现形式，本身并不具备炒作的空间。
当然，玩区块链是要花钱的，玩数字货币是骗钱的，大量的数字货币项目带着各种目的，不管这种钱最终去向如何，是否是流入了实际建设当中，通过TOKEN的形式预支了未来空间又没有任何监管，始终是当今脆弱的金融系统难以接受的。我们也呼吁达成新的共识机制，依托现实的服务来完成空间基础设施的建设。
3 参考文献
《SaT5g-project-document》
《卫星与网络》 天地大融合时代，卫星网络何去何从 郭正标
《信息通信技术与政策》 国际天地融合的卫星通信标准进展与分析 何异舟
《卫星与网络》 5G世界中的卫星物联网 Alan Crisp（NSR）
4结束语
新型载荷及其芯片方案决定卫星性能的直接体现，整个系统架构都需要依托在这个方案上才能落地，如果没有先进的载荷和芯片方案，一切融合都是空中楼阁；基于地面SDN/NFV网络实现卫星与地面架构合二为一，有利于发挥卫星平台的核心效能；基于地面网络成熟的自适应技术空口与波形设计的N-RAN非地面无线接入网，可以极大的利用好地面网络技术优势，全面提升频谱利用效率，扩大覆盖范围，增强用户体验。发展融合5G的低轨卫星通信，是5G网络建设的下一个演进方向，也有可能就此成为6G网络的核心定义，首先就应该把行业目标的方向聚集在此，以上论述均为切实可行的路径。