卫星5G融合的研究进展（上）
无线认证x英利检测2019-08-06 11:31
1、引言
卫星通信以其大覆盖范围与广播多播优势，对实现泛在接入与内容有效分发的下一代网络至关重要。
根据卫星工作轨道的不同，可分为地球同步轨道（GEO）卫星、中地区轨道（MEO）卫星和低地球轨道（LEO）卫星。
其中，GEO卫星位于赤道上空35786km高度，是发展最早也最为成熟的通信系统，在数据中继、卫星移动通信及高通量卫星方面发挥了重要作用；MEO卫星通常位于5000km~20000km高度，广泛应用于全球导航定位系统，如全球定位系统GPS与我国的北斗系统均工作在MEO轨道；LEO卫星通常位于500km~2000km，由于该类型卫星距离地面最近，非常便于实现实时通信并可应对终端小型化需求。
当前，国际电信联盟ITU、欧洲电信标准化协会ETSI及数字视频广播DVB论坛等组织对卫星标准做了大量工作，如ETSI中发布的GMR协议标准、SL协议标准分别被瑟拉亚卫星系统和国际海事卫星的宽带全球区域网络BGAN业务采用。
尽管卫星通信系统已存在一些标准化工作，但各系统及各协议间的壁垒仍难以打破，这为不同制造商和运营商之间提供了诸多不便。在此背景下，亟需制定一套标准化的协议及接口，以实现不同运营商及设备商之间的互操作。
相比而言，地面通信系统标准化工作在第三代合作伙伴组织3GPP的推动下，已经非常成熟。
当前，3GPP已于2018年中期冻结了其R15版本，表示了5G标准化工作的第一阶段已经完成；下一阶段，3GPP将于2019年未在R16版本完成。
5G在ITU官方名称为IMT-2020，是全球信息通信技术的大融合。根据ITU所定义的IMT-2020技术，要在4G(即LTE-Advanced）基础上完成容量提升1000倍、时延降低至1ms等指标。然而，仅依靠地面通信网的部署，难以实现下一代网络对泛在接入与内容高效分发的业务需求。
具体而言，存在以下问题亟待解决：在农村及偏远地区，难以实现经济可行的部署方案；在孤岛及沙漠等地区，难以部署5G网络；在发生地震等自然灾害时，网络的抗毁性难以保证；随着海量多媒体及自媒体时代的到来，视频等内容的有效分发难以保证。
针对上述问题，国内外研究机构提出了将卫星融入5G的概念，以充分发挥星地网络的融合优势。在欧盟H2020计划中，相继开展了SANSA和SaT5G的研究项目，旨在提供卫星融入5G的解决方案；国内诸多研究机构也开展了天地一体化的相关研究，以期打破星地网络间协议壁垒实现一体化网络融合：
3GPP标准化组织从R14开始研究卫星融入5G的优势与可行性，并在相继的R15和R16版本中做了进一步研究。
2、标准化组织介绍
本章重点介绍国际电信联盟ITU、欧洲电信标准化协会ETSI及第三代合作伙伴计划3GPP，从组织功能、组织架构及出版物方面进行介绍。
2.1 国际电信联盟ITU ITU（国际电信联盟）是联合国组织下专门负责信息通信的机构。
自创建伊始，其在分配和管理全球无线电频谱与卫星轨道资源，制定电信标准及向发展中国家提供电信援助方面发挥了重要作用。ITU下设3个部门，分别为电信标准化部门ITU-T、无线电通信部门ITU-R及电信发展部门ITU-D。
其中，ITU-T负责制定全球电信标准，ITU-R负责管理和分配频谱与卫星轨道资源，ITU-D主要负责向发展中国家提供电信援助，推动全球电信发展。以上各部门内部又分为了多个研究组（SG），负责各具体领域的研究工作。
与卫星通信相关规范由无线电通信部门ITU-R负责，而ITU-R出版物可分为：常规出版：如气候变化；规则出版：无线电规则RR；会议出版：WRC-15最终文件等；业务出版：如海事出版；ITU-R建议书及报告；手册：如频谱管理等；软件和数据库；ITU-R行政卷。其中，与卫星通信在频谱与轨道资源分配管理相关的资料，大多集中在ITU-R建议书及报告中。
其中，ITU-R的BO系列为卫星分发业务，M包括了卫星移动通信业务，S为卫星固定通信业务。
2.2 欧洲电信标准化协会ETSI ETSI主要负责制定电信领域及信息与广播领域的标准。
该组织被欧洲标准化协会CEN及欧洲邮电主管部门CEPT认可的电信标准协会，通常ETSI制定的标准也被欧洲采用。
ETSI在电信标准制定方面的工作主要由下设的13个技术委员会负责，其中与卫星通信相关的为TCSES，即卫星地球站与系统技术委员会。
TCSES负责所有与卫星通信相关的技术工作，包含各类卫星通信系统（移动的和广播式的）、地面站及设备的无线频率接口和网络用户接口，卫星及地面系统的协议。
在TC-SES委员会下，WG-SCN（Working Group-Satellite Communication and Navigation）工作组负责工作在所有分配给MSS、FSS 频段的固定、移动卫星系统，以及分配给RDSS频段的全球导航卫星系统GNSS。
ETSI生成一系列的标准、规范、报告，主要包括：European Standard（EN）：欧洲标准；ETSI Standard（ES）：ETSI标准；ETSI Guide（EG）：ETSI指导；ETSI Technical Specification（TS）：ETSI 技术规范；ETSI Technical Report（TR）：ETSI技术报告；ETSI Special Report（SR）：ETSI特殊报告；ETSIGroup Report（GR）：ETSI 组报告；ETSI Group Specification（GS）：ETSI 组规范。
2.33GPP
3GPP主要负责推动全球电信标准的制定，其已制定了GSM、UMTS、LTE标准化工作。当前，该标准正在推动全球5G的标准化工作，且在2018年6月完成了对5GR15版本第一阶段工作，第二阶段的R16预计于2019年内完成。
3GPP组织架构最顶层为项目协调组PCG，下设3个技术规范组分别为TSG RAN（射频接入网）、TSGSA（业务与系统方面）和TSG CT（核心网与终端），各TSG下又分为多个工作组WG。
其中，RAN负责无线接入网研究，包括物理层、数据链路层等方面；SA负责业务与系统架构研究，而CT负责核心网与终端测试方面研究。
3GPP的出版物主要分为技术报告TR和技术规范TS，标准的命名方式通常为xx.yyy，其中xx为系列号，表示了该系列报告/规范的范围。
如36.yyy描述了LTE的内容，38.yyy为5G新空口NR的内容。
3、卫星通信标准介绍
当前卫星通信标准化组织主要分为DVB和ETSI。
其中，DVB产业论坛最初旨在建立一系列TV广播的标准，在卫星方面DVB-S2广播标准被广泛采纳，同时DVB-RCS/2也支持反向链路及宽带电信业务，且DVB技术规范最终由ETSI发布。
ETSI组织主要由卫星地球站和系统技术委员会TC-SES负责卫星通信系
统、业务及应用的所有相关方面，该委员会同时也是与相应的ITU研究组协调的主要机构。
3.1 GMR协议
GMR（GEO移动射频接口规范）用于通过GEO卫星实现移动卫星业务MSS。GMR基于地面数字蜂窝标准GSM，并且可接入到GSM核心网。
GMR发行3个版本，其中GMR-1仅支持GEOMSS的电路域业务；GMR-2即GMPRS-1，基于GPRS，在R1基础上增加分组域业务；GMR-3即GMR-13G，在R2基础上演进到3G，与UMTS兼容。
GMR-1系列规范在ETSITS 101376系列中进行了规范，该系列共分为7个部分共计52个标准，7个部分为：第一部分：总体规范；第二部分：业务规范；第三部分：网络规范；第四部分：射频接口协议规范；第五部分：射频接口物理层规范；第六部分：
语音编码规范；第七部分：终端适配器规范。
GMR协议在瑟拉亚卫星通信系统中采用，瑟拉亚卫星系统为区域卫星移动通信系统，主要负责为亚太地区提供语音业务。
3.2 SL协议
Family SL Satellite Radio Interface，即SL卫星射频接口家族。SL协议族旨在实现IMT-2000的卫星部分，且基于地面UMTS协议。
多个部分构成的该系列规范，定义了通过GEO卫星为移动终端提供UMTS 业务的卫星射频接口，工作频段为1518MHz~1559MHz（DL）、1626.5MHz~
1660.5MHz/1668MHz~1675MHz（UL）。主要实现3G宽带业务，属于S-UMTS。
该系列技术规范在ETSITS102744系列中进行了规范，包含了4部分内容共计17项，标准的发布
时间为2015年10月。第一部分：总体规范；第二部分：物理层规范；第三部分：控制面和用户面规范；第四部分：增强业务和应用。
国际海事卫星第四代Inmarsat4采用该协议，提供了BGAN（宽带全球区域网络）服务，支持手持终端的话音和宽带数据，可向任何地方提供高达492kbit/s速率。
3.3 S-UMTS协议
该系列技术规范名称为Satellite Component of UMTS/IMT-2000，即3G网络中卫星组件。
S-UMTS标准表示UMTS中的卫星部分，S-UMTS将补充地面TUMTS，并可通过UMTS核心网与其它IMT-2000族成员交互；S-UMTS 将用于投递第三代MSS业务，通过GEO、LEO或MEO。
S-UMTS 基于地面3GPP规范，并支持接入到GSM/3G核心网。该标准主要基于地面WCDMA进行设计。
该系列技术规范涉及物理层和部分链路层，主要在ETSITS 101851和ETSITS 102442两个系列中进行了规范，包含了共计6部分内容共计18项。
标准的发布时间主要为3个节点，分别为2006年1月、2008年1月和2012年11月。第一部分：物理信道，传输信道到物理信道的映射；第二部分：复用和信道编码；第三部分：扩频和调制；第四部分：物理层过程；第五部分：UE射频发送和接收；第六部分：地面站和空间段射频发送和接收。
3.4 S-MIM协议
该系列技术规范名称为Air Interface for S-band Mobile InteractiveMultimedia（S-MlM），即适用于S波段移动交互式多媒体S-MIM的空口。
得益于S波段双向传输，2GHz的MSS业务尤其适用于卫星交互式业务。S-MIM系统旨在提供交互式移动
广播业务；为手持和车载终端提供消息业务，借助反向链路中创新的优化空口，支持服务百万级终端；实时应急业务诸如语音和文件传输，主要定位于行进中的对象如消防队、民众保护等。
适用于M2M业务，前向基于广播（如DVB-SH或ETSISDR），反向基于WCDMA进行适配，支持异步接入模式。
该系列技术规范在ETSI TS102721中进行了规范，包含了6部分内容共计6项。
标准的发布时间为2013年8月。第一部分：总体系统架构和配置；第二部分：前向链路子系统需求；第三部分：物理层规范，反向链路异步接入；第四部分：物理层规范，反向链路同步接入；第五部分：协议规范，链路层；第六部分：协议规范，系统信令。
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