星地5G融合初探

迫于论文开题方向,最近主要在看3gpp、ITU等标准化组织关于星地融合(卫星和5g融合)的相关研究,跟进SaT5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)项目的研究进展。下面是基于标准文档和相关解读整理的卫星5g融合和5g回传的现状。

3GPP与卫星相关的研究

目前找到的与卫星相关的标准文档主要有以下几篇:

  • 3GPP TS 22.261 on satellite access
  • 3GPP TR 22.822 “Study on using Satellite Access in 5G”
  • 3GPP TR 38.811 “Study on NR to support non-terrestrial networks”
  • 3GPP TR 23.737 “Study on architecture aspects for using satellite access in 5G; (Release 16)”
  • 3GPP TR 38.821 “Study on solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN) (Release 16)”

3GPP从R14开始着手开展星地融合的研究工作。在TS22.261中,对卫星在5G系统中的角色和优势进行了探讨,作为5G多种接入技术之一,卫星在一些要求广域覆盖的工业应用场景中具有显著优势。卫星网络可以在地面5G覆盖的薄弱地区提供低成本的覆盖方案,对于5G网络中的M2M/IoT,以及为高速移动载体上的乘客提供无所不及的网络服务,借助卫星优越的广播/多播能力,可以为网络边缘网元及用户终端提供广播/多播信息服务。

在2017年底发布的技术报告22.822中,3GPP工作组SA1对与卫星相关的接入网协议及架构进行了评估,并计划进一步开展基于5G的接入研究。在这份报告中,定义了在5G中使用卫星接入的三大类用例,分别是连续服务、泛在服务和扩展服务。并讨论了新的及现有服务的需求,卫星终端特性的建立、配置与维护,以及在卫星网络与地面网络间的切换问题。

在3GPP名为“面向‘非地面网络’中的5G新空口”研究项目中,定义了包括卫星网络在内的非地面网络(NTN:Non-terrestrial networks)的部署场景。按照3GPP的定义,5G网络中的NTN应用场景包括8个增强型移动宽带(eMBB)场景和2个大规模机器类通信(mMTC)场景。借助卫星的广域覆盖能力,可以使运营商在地面网络基础设施不发达地区提供5G商用服务,实现5G业务连续性,尤其是在应急通信、海事通信、航空通信及铁路沿线通信等场景中发挥作用。

38.811规定的卫星网络架构可能包含的系统组成包括:

  • NTN终端:3GPP 用户终端(UE)和非3GPP UE (卫星终端)
  • 用户链路(Service Link):UE和卫星之间的链路
  • 空间平台(Space Platform):搭载弯管或者具备星上处理能力的卫星
  • 星间链路(ISL: Inter-Satellite Links):对于具备星上处理能力卫星间的链路
  • 信关站(Gateway):连接卫星和地面核心网的网元
  • 馈电链路:卫星与地面关口站之间的链路

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在非地面网络与地面5G融合的网络架构上,3GPP提出了星地融合的4种网络架构初步模型。38.811还对卫星5G场景中的传输延时、多普勒频移进行了估计,并对在非地面网络中部署5G新空口需要做的适应性修改进行了讨论,包括由于卫星等空间飞行器的移动性带来的切换和寻呼问题、定时提前的调整、下行链路同步等问题,星地链路长延时对HARQ、MAC/RLC过程、物理层ACM及功率控制等过程的影响,卫星小区尺寸过大给PRACH和随机过程带来的影响以及对随机接入响应消息中定时提前的影响,多径时延扩展带来的问题,双工模式问题,对CP-OFDM技术在卫星上的适用性也进行了分析。

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ITU的星地5G融合

针对卫星与地面5G融合的问题,国际电信联盟(ITU,International Telecommunication Union)提出了星地5G融合的4种应用场景,包括中继到站、小区回传、动中通及混合多播场景,并提出支持这些场景必须考虑的关键因素,包括多播支持、智能路由支持、动态缓存管理及自适应流支持、延时、一致的服务质量、NFV(Network Function Virtualization,网络功能虚拟化)/SDN(Software Defined Network,软件定义网络)兼容、商业模式的灵活性等。

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(a)中继到站场景

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(b)小区回传场景

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(c)动中通场景

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(d)混合多播场景

5g回传

5g整体可以划分为接入网、承载网、核心网,承载网就是专门负责承载数据传输的网络。整个通信网络的数据传输,都是由承载网负责的,不仅连接接入网和核心网,它也存在于接入网网元之间,以及核心网网元之间。

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5g基站与核心网之间的数据传输属于承载网络的范畴,而在5G网络中,接入网不再是由BBU、RRU、天线这些东西组成,而是被重构为CU(Centralized unit,集中单元)、DU(Distribute Unit,分布单元)和AAU(Active Antenna Unit,有源天线单元)这3个功能实体,依据3gpp标准,CU、DU、AAU可以采取分离或合设的方式,会出现多种网络部署形态:

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承载网随着RAN架构的重构,划分为前传网络、中传网络和回传网络三部分。前传、中传、回传是不同实体之间的连接:AAU和DU之间是前传网络、DU和CU之间是中传网络、CU以上是回传网络。

传统的回传技术有两种:无线回传,光纤回传。这两种技术都广泛应用于当前的LTE网络中。两种回传方式每个运营商各有偏好,从全球统计数据来看,绝大部分网络都是选用无线回传,但在中国刚好相反,仅在少数应急场景才动用无线回传。

但在5G时代,高密集组网的需求下,全光纤组网的成本让运营商难以承担。前段时间任正非就提出了5G和微波技术结合的方向,微波回传与光纤回传混合使用这也将是未来5G回传的主流趋势。

传统的微波回传应用的是6-42GHz频段,平均容量在50Mbps至500Mbps之间,而对于5G时代,这一需求可高达10-20G,所以,传统微波回传是无法满足5G时代的基站回传容量需求的。于是业界将眼光投向了能提供超大带宽的E-Band微波。E频段指频率在80GHz附近的微波频段,实际分配频段为71-76GHz和81-86GHz的对称两段,可用总频宽达10GHz。较传统的3.5-112M信道带宽,E频段可以使用惊人的1000MHz至2000MHz带宽,再采用高阶调制方式、多频段聚合和MIMO等技术后,回传容量可高达20Gbps以上。面向未来,微波通信技术还将从E波段向W波段(92-115GHz)和D波段(130-175GHz)扩展,可实现100Gbps的高需求。

关于无线回传,另一种方案是把无线接入网和回传集成,这也是3GPP R16的工作项目。利用Massive MIMO多波束的特性,将无线接入和回传集成,让每个微站通过无线“自回传”实现更加灵活、简单、低成本的基站部署。