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随着5G的快速发展、新技术的不断突破以及由此引发的交叉融合，移动通信从“移动互联”走到“万物互联”，并进一步向“万物智联”发展。而6G的数据传输速率可能是5G的50倍，时延缩短到5G的十分之一，6G在峰值速率、时延、流量密度、连接密度、移动性、频谱效率和定位能力等方面远优于5G，特别是增强的无处不在的覆盖能力是6G核心能力，对赋能各行业数字化转型、推动人类社会迈入智能化时代具有非常重要的作用。
星地融合通信作为未来6G的关键技术之一，可有效解决天空、海洋、沙漠、人口稀少地区等地面通信网络难以覆盖或覆盖成本过高的问题，以及地震、洪水等自然灾害下的应急通信问题。卫星通信网络的广覆盖融合地面移动通信的宽带传输能力，将助力6G实现超大规模连接、泛在连接等。目前，国际电信联盟（ITU）和第三代合作伙伴计划（3GPP）等国际标准组织，以及中国通信标准化协会（CCSA）等国内标准组织已面向新一代星地融合系统提出了愿景和需求。本文将重点分析新一代星地融合通信技术标准的发展情况。
星地融合通信标准化工作进展
目前，ITU、3GPP、CCSA等国内外标准组织正在开展星地融合通信技术标准的制定工作。星地融合通信标准将基于地面移动通信系统标准设计，结合卫星高时延、高动态等特点做出相应的增强，最终实现星地融合、天地一体的美好通信愿景。
ITU国际相关标准进展
早在3G研发时期，ITU就启动了关于卫星网络与地面蜂窝网络融合的研究。在《IMT-2000和IMT-2000后续系统未来发展的框架和总体目标》建议书中，明确提出了卫星将进一步扩展地面IMT-2000网络的覆盖范围，特别是农村、沙漠、海洋和天空等。
2010年，ITU SG4 WP4B工作组启动了关于卫星与IMT-Advanced融合的研究，并于2012年完成了关于IMT-Advanced卫星网络愿景与需求的报告。该报告提出了IMT-Advanced卫星网络的愿景，对应用场景、业务、系统、无线电接口和网络等方面进行了分析与研究，并提出IMT-Advanced卫星网络系统的功能和性能需求。此外，该报告还提出评估IMT-Advanced卫星技术的方法，以便向全世界征集候选技术。在完成《IMT-Advanced卫星网络的愿景与需求报告》之后，ITU对外发出了通函（Circular Letter）以征集IMT-Advanced卫星候选技术。我国随即启动了一系列基于IMT-Advanced标准的卫星移动通信技术研究，并于2012年5月向ITU-R提交了IMT-Advanced卫星技术方案BMSat。最终BMSat技术被ITU正式采纳，成为IMT-Advanced卫星网络的关键技术之一。
为推动5G卫星通信标准国际化，我国在2021年2月的ITU-R SG4 WP4B第48次会议上提交了5G卫星无线电接口标准工作计划，旨在启动新一轮的5G卫星技术研究工作。在2021年7月的ITU-R SG4 WP4B第49次会议中，我国提交了5G卫星愿景、技术需求和评估方法报告书的立项建议，并通过了会议审查。在2022年9月，经过我国与美国、加拿大、俄罗斯、法国、韩国、日本等国家，以及高通、苹果、爱立信、泰雷兹、海事卫星、铱星等企业专家的深入研讨，最终在ITU-R SG4 WP4B第52次会议和SG4全会上，由中国信通院牵头制定的《5G卫星无线电接口愿景、需求和评估方法（Vision, requirements and evaluation guidelines for satellite radio interface(s) of IMT-2020）》国际标准正式获得通过。
《5G卫星无线电接口愿景、需求和评估方法》明确了5G卫星融合通信系统的三大应用场景分别是eMBB-s（增强卫星移动宽带）、mMTC-s（海量机器类卫星通信）、HRC-s（高可靠卫星通信）。在eMBB-s场景下，5G卫星系统将依托星地融合空口技术为航空、海事、偏远地区的终端提供高速传输业务。在mMTC-s场景下，5G卫星系统将依托卫星大波束、广覆盖的能力，为海量MTC终端提供接入能力。在HRC-s场景下，面向地震、海啸、火灾等强灾害现场，星地融合系统可以提供应急通信服务，降低人员伤害和减少财产损失。同时，为满足三大应用场景需求，《5G卫星无线电接口愿景、需求和评估方法》定义了多项技术性能指标，包括速率、频谱效率、时延、可靠性、移动性和带宽等，如表1所示。
表1 《5G卫星无线电接口愿景、需求和评估方法》定义的5G卫星技术性能指标
2022年11月，ITU-R对外发出了通函，邀请各成员国、相关组织机构提交5G卫星候选技术，并根据《5G卫星无线电接口愿景、需求和评估方法》中的内容开展自评估工作。2023年6月30日，在ITU-R SG4 WP4B全会上通过了首个面向6G卫星研究项目——《卫星国际移动通信（IMT）未来技术趋势》的立项。根据目前的工作计划，该项目将于2026年上半年完成。《卫星国际移动通信（IMT）未来技术趋势》涉及的主要技术包括：调制编码、时间和频率同步、波束跳变、卫星与地面系统频谱共享等无线接口技术，星地融合通信、高低轨融合、星间链路、星间组网、星上处理等卫星网络技术，手机直连卫星、卫星物联网等终端技术。
3GPP国际标准进展
非地面网络（Non Terrestrial Network，NTN）是3GPP从Rel-15阶段开始设立的研究项目。该项目聚焦于基于地面移动通信技术的终端与卫星、高空平台和无人机等组成的非地面网络直接通信的技术研究，目前研究的重点是卫星网络。相对于地面移动通信网络，卫星网络存在高时延、高动态、信号衰减大等问题。因此，3GPP NTN项目在5G移动通信系统的基础上进行协议增强，研究了时序调度管理、HARQ增强、高动态下的时频同步、海量寻呼等关键技术。
2020年，在3GPP Rel-17阶段全面开展了NTN标准研究，针对NTN网络涉及的无线接入网、承载网、核心网、终端等方面开展技术标准制定工作。NTN项目也被分成了IoT NTN（基于非地面网络的物联终端接入）和NR NTN（基于非地面网络的5G智能终端接入）两个标准项目。IoT NTN侧重支持低复杂度eMTC和NB-IoT终端的卫星物联业务，NR NTN采用5G NR框架来实现“智能手机直连卫星”并提供数据服务和语音服务。
在3GPP NTN项目中，网络架构可以分为透明转发和星上再生两种。其中，透明转发网络架构是指卫星在通信服务中不对信号、波形等进行处理，仅作为射频放大器对数据进行转发，如图1所示。
图1 3GPP NTN透明转发网络架构
星上再生网络架构是指卫星除了射频放大外，还具有调制/解调、编码/解码、交换、路由等处理能力，如图2所示。基于可再生模式的卫星具有一定的星上处理能力，因此具备为终端提供接入网部分功能（DU）或接入网全部功能（CU+DU），甚至核心网功能的能力，在这种模式下卫星之间可通过星间链路（Inter-satellite link，ISL）进行星间信息交互。
图2 3GPP NTN星上再生网络架构
目前在3GPP Rel-17/18阶段，NTN项目主要研究透明转发的网络架构，该结构对卫星的制造和性能要求不高，适于用初期阶段。在后续Rel-19阶段，NTN项目将重点研究星上再生的网络架构和星间链路技术，进一步提升星地融合网络的性能和效率。
在频率方面，NTN项目建议星地融合系统中的卫星采用L和S频段的卫星移动业务频率，包括n256（上行：1980MHz—2010MHz；下行：2170MHz—2200MHz）、n255（上行：1626.5MHz—1660.5MHz；下行：1525MHz—1559MHz）、n254（上行：1610MHz—1626.5MHz；下行：2483.5MHz—2500MHz）和n253（上行：1668MHz—1675MHz；下行：1518MHz—1525MHz）。
CCSA国内标准进展
2021年8月，CCSA TC5 WG9及WG10联合工作组设立了《基于5G的卫星通信系统研究》项目。该项目将围绕基于5G的卫星通信系统开展研究，研究内容包括基于5G的卫星通信系统需要构建的标准体系以及开展卫星与5G融合的通信系统需要考虑的需求与技术问题，如应用场景、网络架构、业务需求、技术需求和关键技术等。
2021年11月，CCSA TC12 WG2工作组设立了《基于IoT NTN的卫星物联网系统技术研究》项目。该项目将围绕基于IoT NTN的卫星通信系统开展研究，研究内容主要包括：基于NB-IoT/eMTC NTN的卫星物联网需求和技术、行业中的应用场景及需求、基于NB-IoT/eMTC NTN的卫星物联网架构、NB-IoT/eMTC对卫星网络特性的协议适配拓展、卫星地面站针对NB-IoT/eMTC NTN的改造要求、融合终端设计等，预期输出应用场景、业务需求、网络架构、功能要求、关键技术等内容，可以指导未来天地融合的卫星物联网通信系统标准体系建设。
2023年2月，CCSA TC12 WG1工作组讨论通过了《基于5G的卫星互联网第1部分：总体要求》行业标准立项申请。该标准项目预期完成基于5G的卫星互联网总体技术规范，将以地面移动通信网络技术标准、3GPP NTN R17技术标准等为标准基线，形成包括核心网、接入网、终端、信关站等在内的总体技术规范。2023年4月，CCSA TC5 WG9、WG10和WG12工作组瞄准我国相关产业需求，全面推进基于3GPP NTN星地融合通信标准的立项。WG12工作组通过了《5G非地网络的核心网技术要求（第一阶段）》行业标准立项，该项目是国内首个基于3GPP R17的非地面网络核心网标准立项，将对支持NTN的核心网关键技术进行研究和规定，为卫星核心网与地面核心网的互联互通奠定技术基础。WG9和WG10联合工作组研究制定了基于3GPP NTN的窄带物联标准体系，通过了《基于非地面网络（NTN）的物联网窄带接入（NB-IoT）接入网总体技术要求（第一阶段）》等5项系列行业标准立项，包括接入网总体技术要求、卫星接入节点设备技术要求、卫星接入节点设备测试方法、终端设备技术要求和终端设备测试方法。该系列行标以3GPP R17的IoT NTN技术为基础，将NB-IoT与卫星通信相结合，助力构建天地一体的窄带物联网络。WG10工作组通过了《Ka频段卫星通信地球站相控阵天线技术要求》及配套的测试方法两项行业标准立项。该项目是国内首个卫星相控阵天线标准项目，将拓宽卫星动中通天线的型谱，推动卫星相控阵天线的产业发展和普及应用。
新一代星地融合通信系统关键技术
目前星地融合通信系统的研究主要是针对无线侧进行提升和增强，而新一代星地融合通信系统的研发重点是卫星侧的关键技术，包括跳波束技术、多波束技术和星间链路技术等，以进一步提高系统的性能。
跳波束技术
在传统卫星通信系统中，通常是一颗卫星通过多个波束为地面提供服务，多波束间共享卫星的带宽和功率，不同波束的覆盖区域一般有部分重叠。但是用户数量和业务需求的地理分布并不均衡，单一的波束分配方式可能会造成带宽资源的浪费。跳波束技术是利用时间切片技术来有效分配波束的工作范围，从而提高卫星资源的使用效率，满足用户动态的业务需求，在未来面向6G的卫星网络中具有巨大的应用价值。卫星跳波束技术最大的挑战在于如何根据地面的业务需求，在特定的时隙中提供合适的带宽和功率。未来新一代星地融合通信系统将具备一定的星上处理功能，卫星侧会根据地面用户的业务需求，不断调整波束的指向、频点、工作时隙、带宽以及功率等，从而有效提升整个系统的服务能力。
多波束技术
目前，由于通信卫星的信道特性，单颗卫星仅能为用户提供单流的通信能力，即SISO。为了进一步提高卫星系统的通信容量，在未来新一代星地融合通信系统中会考虑采用卫星多波束技术，增加卫星波束数量、降低波束宽度以提高正交子空间数量，在同一时间内支持更多用户的接入，提高系统的通信容量。多波束技术根据卫星的数量可以分为单星多波束技术和多星多波束技术。单星多波束技术是指单颗卫星通过多个点波束为用户提供数据服务，多个波束之间可以通过OFDM调制技术获得正交的时频资源并结合预编码技术抑制波束间的干扰，从而提升系统的吞吐量。多星多波束技术是指通过多颗卫星的多个单波束向用户提供数据服务。在低轨卫星通信系统中，由于卫星的高速移动，卫星与用户之间的相对位置也在快速变化。多颗卫星与用户之间的相对位置变化，会破坏波束间的相关性，降低系统的吞吐量，解决这一问题还需要进一步开展相关研究。
星间链路技术
在新一代星地融合通信系统中，为进一步提升卫星网络的工作效率，将以同一轨道面及不同轨道面之间的卫星大规模组网，实现高、中、低轨卫星协同处理，以及卫星与地面融合工作。由于激光链路具有大带宽、点波束等技术特点，卫星之间可以通过激光链路实现大容量、高速率、抗干扰性强的数据交换，从而提升卫星系统的性能。但由于激光链路的波束窄，容易造成接收卫星精确对准困难等问题，对卫星网络的拓扑结构带来极大的技术挑战。
结束语
星地融合网络作为未来6G网络的重要组成部分，将助力推动空天地一体化发展。目前国内外标准组织对于新一代星地融合通信的标准化工作还处于初期阶段，提出了愿景和需求，后续将开展关键技术研究以满足新一代的通信系统要求。
作者：中国信息通信研究院 李侠宇 钱梦媛
责编/版式：王禹蓉
审核：舒文琼
监制：刘启诚
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