01 5G与卫星网络的发展
未来，5G技术将把每个人和每个物都连接起来，形成一个真正互联的世界，并广泛支持各种应用。与以前的标准相比，5G可实现更高的数据速率和极短的响应时间，可比以往更全面满足一个“全连接”社会的通信需求。以前的标准可以被视为通用技术，不同的服务需要针对其而定制和调整，而下一个5G标准则有望为大量服务、业务负载和最终用户群提供量身定制和优化的支持。
这种异构和优化的框架反映在5G系统预期的挑战性要求中，如吞吐量大幅增加（下行链路的目标峰值数据速率应为20Gbps，上行链路应为10Gbps）、全球无缝连接、可靠性（99.999%的数据包接收成功率）和连接密度（每平方千米100万台设备）等。新5G网络架构有望实现指数级提升效率，巨大的可扩展性，并显著降低移动和固定网络、物联网应用以及超低延迟应用（如车联网和大规模机器对机器通信）的成本。
未来，5G网络将覆盖整个世界，包括此前地面网络未覆盖地区。然而，在一些用例中，标准地面覆盖或是不存在，或是难以实现的，这使得卫星系统在提供一种解决方案弥补这种不足方面具有了独特地位。
对于人口密度非常低的地区，不必要的通信实体将增加人均成本。而在山区，部署基础设施则很困难。此外，地震、海啸和森林火灾等自然灾害可能摧毁通信基础设施，并导致回传网络完全受损。在这种情况下，提高整个系统的鲁棒性以实现救援快速响应至关重要。
卫星通信将在5G及以后发挥重要作用。它可以作为一种补充解决方案，实现真正意义上的无处不在覆盖、广播/组播、航空和海上通信、应急/灾难恢复及偏远农村地区覆盖。
5G的愿景是成为一种集成多种接入技术（包括卫星）的“网络之网络”。5G的标准化业务编排和非地面网络的5G NR（新空口）扩展将使卫星能与主流电信生态系统无缝集成，从而为卫星通信的采用消除障碍。
近年来，卫星系统和网络取得了一些进展，可以支持更高的效率、可靠性、更高的数据速率和新应用。巨型星座的出现引发了对未来星座的大量投资。到2020~2025年，将有超过100个使用地球静止轨道（GEO）的高通量卫星（HTS）系统以及LEO卫星巨型星座，可在全球范围内提供每秒太比特（Tbps）容量。
未来，由成百上千颗LEO卫星构成的巨型星座（如Starlink、Kuiper和OneWeb）将向地面网络提供有竞争力的低延迟和高容量能力，同时也可将全球高速互联网扩展到地面网络以前无法到达的偏远地区。
通常，卫星所提供的能力是将覆盖范围扩展到小蜂窝城区5G。用于GEO卫星平台和LEO卫星星座的新卫星有效载荷的激增，有助于将卫星和地面网络集成为一个重要的网络基础，从而实现单独使用两种网络中的任何一个都无法实现的服务质量。
地面移动网络运营商（MNO）已经开始部署5G Release 15网络，并在小蜂窝中提供增强型移动宽带（eMBB）服务。目前正在研究地面基础设施中卫星组件（所谓的非地面网络（NTN））的集成问题，并将在Release 17中作具体说明。预计到2023年，通信卫星将在“网络之网络”中得到广泛使用。
3GPP基于新无线电的研究项目旨在部署卫星系统作为一种独立解决方案，或在移动宽带和机器类通信（MTC）场景中作为地面网络的集成。非地面网络在5G系统中的作用将是多方面的，包括：
• 支持地面5G网络无法覆盖的未服务区域（包括偏远地区、飞机或船只），以及服务水平较低的地区（如郊区/农村地区）；
• 提高5G服务的可靠性（利用更好的服务连续性），特别是对于任务关键通信或机器类通信和物联网（IoT）设备、机器对机器通信/IoT设备或移动平台上的人员；
• 实现5G网络的可扩展性（通过为数据传输提供高效的组播/广播资源）。
非地面网络和卫星通信系统覆盖范围广，面对物理攻击或自然灾害时的脆弱性也大幅降低，可以为未来5G服务带来显著优势。卫星网络的无处不在和广播能力可以使其在5G中发挥多种作用。卫星可以作为农村地区、飞机、船只、火车的主要单回传段，也可作为额外的回传手段适时提供额外连接/带宽资源以提高服务连续性，或者作为纯粹的传输子网。
经常超出蜂窝通信公司覆盖范围的飞机、火车、船只和其他交通工具将继续依赖卫星链路。而在系统部署方面，无论是独立的5G卫星通信还是卫星地面集成解决方案都可以期待。
02 5G卫星网络发展面临的挑战
LEO巨型星座的一个明显特征是它们相对于地球高速运动。与地球同步卫星或地面网络不同，LEO卫星移动速度较快，时速超25000千米/小时。这造成对地面用户的覆盖时间极短（不到3分钟），给传统网络设计带来了诸多挑战。
地面用户通过终端（如卫星电话、车载天线、物联网端点）或地面站接入卫星网络。地面站可以用作网关（如Starlink和Kuiper中的运营商级网络地址转换（NAT））和远程卫星控制器（如遥测、跟踪、轨道更新命令或集中式路由控制）。
在地面和GEO卫星网络中，由于基础设施固定，逻辑网络拓扑、地址和路由大多是固定的，而LEO巨型星座的卫星则是高速（约每小时28080千米）移动的。地球自转使空间和地面间的相对运动进一步复杂。对于所有巨型星座来说，拓扑结构每10秒就会变化一次。
在地面移动网络（如4G/5G）中，这种物理链路变动可以通过越区切换来掩盖，而不会产生逻辑拓扑变化。此方法基于两个前提。首先，由于用户移动性造成的所有链路变动都发生在最后一跳无线电上，而不会影响基础设施拓扑。其次，所有蜂窝基础设施节点都是固定的，从而作为“锚点”产生稳定的逻辑拓扑。
然而，这两个前提在非地球同步星座中都不成立。相反，卫星和地面站之间的基础设施移动性会成为一种常态。这抵消了蜂窝切换的优点，即物理链路变动不会影响逻辑网络拓扑：这仅为用户移动性设计，并且严重依赖作为“锚点”的固定基础设施。因此，5G非地面网络将卫星切换列为未解决问题，最新的3GPP 5G Release 17也由于重大架构变化而推迟了针对卫星的移动性支持。虽然Starlink使用切换来迁移卫星和地面站之间的物理链路（每15秒（Starlink的运营商级网络地址转换技术）），但其逻辑拓扑和路由则要反复更新，而这需要高昂的成本。
典型的卫星信道损伤，如大路径损耗、延迟和多普勒频移，对实现基于卫星的新空口（NR）网络构成了严峻挑战。就卫星通信而言，多普勒频移可能是由卫星在轨运动和用户终端在地面上的移动性引起的。
然而，目前的卫星系统受到了频谱利用和功率通量密度监管约束的制约。这些限制是由于卫星和地面系统之间频谱共享所导致的。同时，卫星也涉及非常具体的专业技术知识，并使用专有标准，这使得与主流网络的集成变得很复杂。
03 实现技术与主要用例
巨型星座是由卫星小型化和可重用火箭的最新进展推动的。早期的卫星通信倾向于使用简单的“纯弯管”模式，即卫星仅将地面用户的无线电信号中继到固定地面站，没有星间链路（ISL）或路由。这种模式在覆盖范围广的地球同步轨道卫星中很受欢迎。要接入网络，地面用户和地面站都必须位于卫星覆盖范围内。而每颗LEO卫星的覆盖范围小，无法为地面站稀疏或没有地面站的偏远地区中大多数用户提供服务。现代LEO巨型星座支持卫星路由，以扩大全球覆盖范围或实现互联网骨干。迄今为止，星间链路仍处于早期采用阶段。
作为补救措施，目前采用地面站辅助路由。这其中有两种方案。“地面站作为网关”方案被Starlink和Kuiper采用。其中，每个地面站都是一种运营商级NAT，为地面用户提供专用IP。“地面站作为中继”方案通过地面站辅助路由减轻星间链路的影响，但容易受到Ku/Ka波段天地链路间歇性的影响。与“纯弯管”模式一样，两者依然严重依赖偏远地区甚至海洋中无处不在的地面站部署，从而降低了对地面网络的竞争优势。
最近的技术进步也使得卫星通信系统和地面网络的融合成为可能，如软件定义网络、物联网、认知无线电和高通量卫星。卫星制造和进入太空的成本正在急剧下降，柔性光伏和轻质复合材料结构等新材料以及虚拟化网络功能和软件无线电平台也提高了能力和灵活性。
在边缘计算场景中，可以利用卫星互连将视频、音频和应用软件二进制文件以单播/组播/广播的方式同时分发到大量终端。
因此，5G将极大改变卫星融入主流的方式，在端到端5G网络内实现完全互操作性。通过卫星与5G蜂窝和地面网络的无缝协作，世界任何地方的最终用户将获得一致、可靠、高性能的体验。服务提供商将能决定如何最好地为客户服务——无论是通过卫星、地面或移动网络，还是所有这些网络的组合。
移动网络运营商将能够通过卫星连接来补充其5G服务，从而大幅度减轻地面网络的负担。他们能够将卫星固有的组播/广播功能用于新用例，如车联网，同时为延迟敏感型服务保留高价值的无线频谱。或者，他们可以使用卫星的长距离优势来补充偏远地区的5G建设，降低这些地区因增强型宽带服务而建设的地面网络的高昂成本。
为了实现卫星和5G之间的深度融合，还需要采取一系列行动，以使最先进的卫星技术更接近5G架构中使用的虚拟化范式。这其中许多问题都与物理层有关，包括非正交多址（NOMA）、大规模多输入多输出（MIMO）、协作通信和网络编码、全双工（FD）、设备到设备（D2D）通信、毫米波通信、自动化网络组织以及认知无线电（CR）。
先进的5G通信预计将改变三个主要用例：增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低延迟通信（URLLC）以及大规模机器类通信（mMTC）。而卫星可以在每一种用例中都发挥关键作用。
（1）增强型移动宽带（eMBB）
在这一场景中，卫星网络能够以每秒吉比特的速度保持数据传输，可以满足移动宽带eMBB扩展业务的要求。如今，卫星技术可以通过上千条信道广播高带宽内容（高清和超高清）。这种潜力可用于支持下一代移动网络业务。目前，卫星在世界许多地区被用作2G/3G传输网络，而当前及未来几代地球静止和非地球静止轨道高通量卫星也可以在未来维持4G/LTE和5G移动网络的传输基础设施。
随着5G的出现，广域网及移动或固定网络热点将有机会获得大大增强和更快的宽带连接（如语音、视频和数据）：
• 5G到驻地（5G to Premises）：卫星将补充地面网络，如与家庭或办公室及服务水平较低地区的宽带连接，或作为备份与企业站点的宽带连接；
• 5G固定回传：在农村和偏远地区的广大区域中，很难仅部署地面连接，卫星可以给这些区域带来宽带连接服务；
• 5G移动回传：卫星将为动中远端装置或用户终端（UE）带来宽带连接，如飞机、火车、车辆或船只。
卫星在5G中的一个用例是通过蜂窝业务回传将移动网络运营商核心网与边缘连接起来。在当前的地面部署中，此回传基于光纤连接或微波链路。因此，Release 15中的控制平面依赖于网络组件之间的连续回传连接。然而，通过卫星回传的下一代节点B（gNB）必须处理更长的信号延迟，而不像地面光纤连接那样延迟较短。如果gNB本身是移动的，还需要考虑卫星回传链路中持续时间不断变化的链路中断问题。
在上述背景下，地面系统与GEO卫星集成将有利于全球大容量覆盖。但GEO的巨大延迟也带来了重大挑战。为了避免上述问题，LEO巨型星座正在引起人们的极大关注。此类星座可部署数以百计的卫星提供全球覆盖。
从Facebook到亚马逊，从SpaceX到OneWeb，它们都正处于部署数千颗小型LEO卫星的早期阶段。这些卫星旨在提供比以前更快、更便宜的基于卫星的互联网服务。2021年，OneWeb曾报告说，其第一批LEO卫星可达到400Mb/s的速率，延迟为32毫秒。
（2）超可靠低延迟通信（URLLC）
5G第二种用例是URLLC应用，它对于关键任务和伪实时应用尤其重要。在自动驾驶汽车用例中，延迟问题十分重要。为了成功运行，自动驾驶汽车需要能够在几毫秒内与其他人和周围环境通信（也称为V2X）。
很明显，卫星连接无论其轨道如何（GEO、MEO和LEO），都难以支持某些延迟敏感型应用和服务，因此也不是V2X或自动驾驶本身的最佳接入技术选项。然而，它仍能在整个车联网应用中发挥作用，如在乘客信息娱乐服务和汽车软件更新中。
在车联网情况下，组播将允许媒体流（如OTT和软件更新）同时广播到数百万辆汽车，从而大大减少原本会在基站中出现的拥塞现象。卫星将通过业务卸载来补充地面建设。这也要求端点（基站或汽车）本质上是混合型，需要融合卫星和蜂窝连接调制解调器技术。
卫星通信系统在满足网络信号延迟以提供关键高可靠通信方面一直颇受诟病。因而，对信号延迟更敏感的应用可能需要通过新介质与即将部署的中低地球轨道卫星网络得到加强。
（3）大规模机器类通信（mMTC）
第三个用例是用于机器对机器通信或物联网设备与传感器的mMTC。软件定义网络（SDN）将在这里发挥关键作用，因为它可实现使用更少资源为给定用户终端提供服务，从而也得以使用单个4G 用户终端的等效资源为多个用户终端提供服务。
5G架构需要大幅扩展，因为它将连接和回传来自家庭和城市基础设施内数百万智能设备和传感器的数据（这些在未来智慧城市中将很普遍）。机器对机器通信和物联网的连接总量，虽然本质上并不大，但将对网络负载产生重大影响。为了减轻5G网络负担，可以用卫星回传这些设备的非延迟敏感型数据，或者更准确地说，从聚合点回传到核心网。
04 5G卫星项目
4.1 欧洲
目前，欧洲一些典型的5G卫星项目包括：
欧盟“地平线2020”计划VITAL（用于韧性和未来灵活网络的虚拟化星地混合系统）项目：通过将网络功能虚拟化（NFV）引入到卫星领域，并在卫星通信-地面混合网络中实现基于SDN的联邦式资源管理，该项目将解决地面和卫星网络的结合问题。
欧盟“地平线2020”计划Sat5G（5G卫星和地面网络）项目：该项目旨在通过卫星网关和终端虚拟化以及用例演示来开发划算的卫星通信解决方案。
欧空局SATis5（5G背景下卫星地面集成演示）项目：该项目将演示eMBB和大规模物联网部署领域中用于5G的相关卫星用例。
欧盟“地平线2020”计划SANSA（由智能天线实现的共享接入地面-卫星回传网络）项目：该项目旨在增强移动无线回传网络的容量和韧性性能，同时确保有效利用频谱。
4.2 美国
（1）波音公司非地球静止轨道（NGSO）系统
波音公司曾要求美国联邦通信委员会（FCC）允许其在非地球静止轨道（NGSO）上发射和运营固定卫星服务（FSS）网络。该网络将在低地球轨道运行，采用37.5~42.5GHz频段（天-地）以及V频段的47.2~50.2GHz和50.4~52.4GHz频段（地-天）。它将被用作NGSO系统，为5G卫星段运行问题提供解决方案。
波音公司提出的NGSO系统被认为是一种5G“卫星段”，旨在为各种类型的V频段地球站和用户终端提供广泛的现代电信服务以及5G互联网服务。V频段用户终端使用现代天线阵列在不同通带信道中发送和接收宽带信号。需要注意的是，高吞吐量由多信道和多极化终端提供支持。
该NGSO系统将由2956颗用于固定卫星业务网络的LEO卫星组成，为通过网关（“Hub”）接入5G网络和地面光纤网络（作为5G回传）的用户终端提供高吞吐量、低延迟接入。NGSO系统网关将不在人口稠密地区，而是位于消费者5G服务需求相对较低的地区。每颗NGSO卫星将生成波束，对应于整个卫星覆盖区域内直径8~11千米的蜂窝。
波音NGSO系统网关将与用户终端在同一V频段运行。这些网关将支持信号的频率和极化选择，具有左旋圆极化（LHCP）和右旋圆极化（RHCP）两种类型的天线极化。此外，接入网关可以包含不止一部天线，从而可提供对相关接入网关可见的多颗NGSO卫星的同时访问能力。在部署的第一阶段，波音NGSO系统将包括一个由1396颗LEO卫星组成的星座，高度为1200千米。最初的卫星星座将由35个倾角为45°的圆形轨道平面和另外6个倾角为55°的圆形平面组成。
波音NGSO系统有效载荷将在天线波束形成过程和星上数字处理过程中使用改进的时空处理技术，从而产生数千个窄带波束，以提供5G网络服务。
每个卫星上行链路或下行链路可能由多达5个1GHz通带信道组成，从而产生5GHz的总通带，这取决于相关卫星天线波束支持的小区所需的即时容量。任何卫星上行链路信道都可以连接到任何符合所用连接算法的卫星下行链路信道。波音的估计结果表明，在以下条件下，将卫星网络用于固定卫星信道以及与37.5~40.0GHz频段5G地面网络进行频谱共享是可行的：
• 37.5~40.0GHz频段仅用于固定卫星业务（FSS）网络下行链路中的信号接收；
• 由于卫星仰角高，5G卫星段和5G地面段之间的频谱共享是可行的；
• 将时空选择波束形成方法应用于卫星网络和5G设备的终端天线，以实现更高数据速率。
（2）Verizon 5G与亚马逊Kuiper项目
Verizon公司近期与亚马逊公司进行了战略合作，以整合Verizon的地面移动网络与亚马逊的LEO卫星网络项目（Kuiper）。Kuiper项目负责提供蜂窝回传解决方案，以扩展Verizon的4G/LTE和5G数据网络，连接美国的农村和偏远地区。
此外，Verizon和Kuiper项目也将为美国和全球农业、能源、制造业、教育、应急响应、交通运输及其他行业的企业探索联合连接解决方案。
首先，亚马逊和Verizon将专注于使用Kuiper项目的蜂窝回传解决方案扩展Verizon数据网络。该集成将利用Kuiper项目团队已经进行的天线研发成果。同时，两家公司的团队也在合作定义技术要求，以将固定无线覆盖扩展到美国的农村和偏远地区。
Kuiper系统设计具有灵活性和较大容量，可支持各种规模的企业。通过将这些能力与Verizon的无线、专用网络和边缘计算解决方案相结合，连接将能够扩展到全球范围内运营和部署资产的企业中。
（3）5G卫星网络的军事应用
随着军事系统变得越来越智能并越来越“以网络为中心”，它们会产生更多的数据。但无论其战术位置如何，这些系统都将面临着寻找安全高数据速率信息访问方法的挑战。新5G技术可以支持高性能网络，将改变美国军方从飞机维修到战区作战等所有工作的工作方式。5G网络将为所有用户提供更快的速度、更高的灵活性以及不间断的数据访问，无论其位于何处。通过卫星连接5G网络更使它们能够在世界任何地方使用，并提供更高水平的网络韧性。
来自商业提供商的韧性宽带卫星通信连接可以将全球的国防用户与其附近和远程位置连接起来。除了这种地理覆盖范围之外，这些多传输网络还可以通过基于智能人工智能（AI）和机器学习的网络和编排以及5G边缘云访问，提高作战效率，并节约成本。
洛克希德·马丁公司近期宣布了一种新卫星天线。该公司表示，该卫星天线可用于5G网络，最终可能有助于同步五角大楼的所有武器信息。洛克希德·马丁公司在其公告中表示，这种新型廉价卫星天线配备了广角有源电扫阵有源反射器（WAEFR）天线。与传统相控阵天线相比，其覆盖范围可以增加190%。
该卫星天线属于洛克希德·马丁公司5G.MIL工作的一部分。5G.MIL工作旨在将一系列高科技平台聚合到一个有凝聚力的跨域网络中，利用5G技术提供无与伦比的态势感知。
洛克希德·马丁公司表示，美军的5G网络可能包含广泛元素，包括地面和太空中的网络设备。该公司在最近的一份白皮书中写道：“太空是终极制高点，5G、人工智能、快速技术插入都将为联合全域作战提供支持，这将有助于应对现在及未来所面临的日益严重的威胁。”
Omnispace公司目前也成功为美国海军和海军陆战队展示了初步“借助卫星的5G”能力，测试在LinQuest实验室进行。Omnispace公司的技术正在进行试点，而这也与Verizon公司新的在用5G实验室有一定关联。2021年，国家安全创新网络（NSIN）曾选择Omnispace公司展示其供美国政府和军方使用的5G非地面网络连接解决方案。
Omnispace公司的S波段频谱所推动的基于标准的5G非地面网络技术的发展，将使小型战术5G设备能够与具有5G能力的卫星和地面网络直接无缝通信，为美军作战人员提供无处不在的全球连接和真正的动中通能力。试验中使用了LinQuest位于弗吉尼亚州北部的实验室设施和一些5G商业现货设备。通过模拟的5G无线接入网（RAN），这些设备能够实现与Omnispace在轨卫星的语音与数据通信。美国海军陆战队中校Brandon Newell表示：“在不久的将来，5G将成为美军军事作战的关键技术，这些作战行动不再局限于大多数5G基础设施所密集部署的城市环境。”
05 结语
为了能使5G覆盖包括地面网络未覆盖区域在内的整个世界，需要卫星网络加以补充。当前，5G卫星网络的发展与挑战并存，卫星也在5G技术的增强型移动宽带（eMBB）、超可靠低延迟通信（URLLC）以及大规模机器类通信（mMTC）用例中发挥了关键作用。同时，欧美一些国家也积极开展了与5G卫星项目有关的研究，并将5G卫星网络用于了军事目的，这进一步促进了5G卫星网络的发展。
（本文根据互联网资料编译整理，仅供参考使用，文中观点不代表本公众号立场）
声明：本文来自电科小氙，版权归作者所有。文章内容仅代表作者独立观点，不代表安全内参立场，转载目的在于传递更多信息。如有侵权，请联系 anquanneican@163.com。
