摘要：本文针对未来5G物联网的技术及标准演进路线进行了研究，重点分析了5G星地网络架构与5G卫星物联网标准演进现状，提出了对中国星地物联网的展望。除此之外，还对5G物联网另一个演进方向NRRedCap进行了介绍。
关键词：5G；物联网；卫星
15G物联网概述
5G的重要愿景之一就是实现万物互联的物联网，而其中的大规模机器类通信（mMTC）是海量连接的解决方案，是5G三大应用方向中专门为物联网应用而设计的，应用场景包括智能抄表、井盖、家电、门锁等。NB-IoT和eMTC技术面向了5G的mMTC场景，是未来进入5G物联网的基础。目前，3GPP已经将NB-IoT/eMTC的后续演进作为5GmMTC的技术标准，两者具有增强覆盖、大连接、低功耗、低成本的特点。超高可靠低时延（uRLLC）体现了“人”与“物”之间的超低时延、超高可靠性的通信需求，当前uRLLC的主要物联网应用场景包括车联网、工业精确控制、远程手术等。
25G星地物联网演进
为了更好地支持物联网设备的应用，5G物联网的一个新扩展方向是卫星天基物联网，特别是对于陆地蜂窝网络无法连接的偏远地区，包括运输（海运、公路、铁路、航空）、农业、环境监测、采矿等需求，只有利用卫星网络进行互补，才能实现无处不在的物联网覆盖。卫星物联网可以为地面用户提供更加广阔的信号覆盖范围，而且不易遭受自然灾害影响，具有较高的灵活性和可靠性。近年来，物联网已经成为卫星通信领域里出现频率最高的词汇。同时，卫星通信正在积极寻求和地面移动蜂窝网络之间的融合，进而激发新的商业运营合作模式，上述场景中约五分之一的场景可以使用卫星连接技术。星地融合的物联网是卫星通信系统和5GNR之间的深度融合，本文对其网络架构、标准化等方面进行了讨论。
2.15G星地物联网架构
在支持NB-IoT/eMTC的5G星地物联网架构中，多个物联网终端设备分布在卫星覆盖区域中，通过服务链路与单个卫星连接，单个卫星处于卫星星座网络之中。通过卫星节点上的转发器，将物联网网络与具有透明有效载荷的卫星集成，以便在边远地区快速部署无线蜂窝物联网。卫星节点通过馈线链路与地面网关通信，同时受地面卫星测控中心控制。回传到地面站的物联网数据通过基带处理单元（BBU）与5G核心网链接，再分发用于各种应用，架构如图1所示。星地物联网系统在应用中面临着多种问题。例如，物联网终端设备需要配备全球导航卫星系统，用以支持系统移动性、时频偏的补偿，但同时也会增加终端耗电量，缩短电池使用寿命；终端与卫星的通信会显著增加链路损耗，对上行链路预算造成重大挑战。此外，系统容量和服务质量等问题也需要在未来演进中继续开展研究。
2.25G卫星物联网场景
在为NB-IoT/eMTC引入卫星支持的标准化解决方案的主要研究内容中，目前Rel-17的研究项目（SI）中已经确定包含三种场景：基于地球同步轨道（GEO）的非地面接入网、基于低轨卫星（LEO）的非地面接入网产生可操纵波束（海拔1200千米和600千米）以及基于低轨卫星（LEO）的非地面接入网产生固定波束，轨迹随卫星移动（海拔1200千米和600千米）。卫星星座轨道类型包含GEO和LEO，采用透明有效载荷，考虑到物联网设备的特点，主要支持使用低于6GHz的低频段。
2.35G卫星物联网标准演进
5G持续推动卫星通信标准化工作，在Rel-15阶段就成功推动了非地面网络（NTN）的研究立项，并在Rel-16/17阶段持续开展研究，按照计划，3GPP于2022年了第1版的NTN通信标准。而在其中的物联网通信领域，由于全球运营商的物联网方案主要聚焦于NB-IoT和eMTC，3GPP也在积极推动相关标准化研究工作。2019年12月，3GPPRAN＃86会议批准通过了NB-IoT/eMTCsupportforNTN的Rel-17研究项目（SI），以评估适用于卫星连接NB-IoT/eMTC设备的场景和相应的解决方案，为后续Rel-18的工作项目（WI）立项做准备。但由于疫情影响，Rel-17的进度整体延后，从2020年11月的3GPP会议才开始启动该课题的电子邮件讨论。与此同时，2019年，芯片厂商MediaTek也在推动Rel-17中窄带物联网NTN（IoT-NTN）相关技术标准的研究。目前，3GPP非地面网络研究包括业务与系统架构组SI实现卫星一体化的标准化、确定卫星5G系统架构、制定新空口支持非地面网络解决方案。其中，关于IoT-NTN的研究主要聚焦在增强各项功能以解决由于卫星的传输距离和高速移动带来的影响。未来，我们会将全球导航卫星系统（GNSS）作为NB-IoT和eMTC设备应具备的基本能力，通过全球导航卫星系统，UE可以在UL传输之前估计其位置并预补偿定时和频率偏移以实现同步。同时，SI阶段中考虑到物联网终端支持问题，假定支持发展到Rel-16版本的所有IoT功能，NR-NTN的解决方案和结论可以重用于NTNNB-IoT/eMTC，IoT-NTN无线网络可以连接到4G和5G核心网，从而尽量采用简单规范更改和功能扩展来实现NTN对NB-IoT/eMTC设备的支持。当前关于星地融合标准化研究主要是以地面通信标准为基础，并结合卫星通信传播的技术特点做出适应性改进。但随着未来网络的演进，为了能够更好地实现深度融合，进一步的增强设计是不可或缺的。空天地一体化是未来网络实现全球无缝覆盖的必由之路，也会是由多种异构网络混合而成的复杂网络。未来基于5G和卫星通信的融合技术将很好地提供万物互联、万物智联服务。
2.4中国星地物联网展望
未来的物联网将是卫星通信网络与地面5G物联网深度融合，打造“陆海空天”一体化通信能力，构建天地协同融合的网络，同时，结合地面物联网的业务需求，为客户提供天地一体、星网融合、万物互联的智能综合通信解决方案和综合信息服务。在“一带一路”的倡议下，中国将积极推动卫星国际通信互联互通水平，畅通国际信息之路。中国将和国际伙伴携手共同把握数字化、网络化、智能化的发展机遇，努力探索卫星新技术、新业态、新模式，共同推进高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合数字信息基础设施建设，共同推进数字经济的发展。
35GNRRedCap演进
NRRedCap是5G未来的演进方向之一，引入NRRedCap的主要目的是填补5G三大场景eMBB、mMTC与uRLLC之间的中间地带。NRRedCap应用场景设想如图2所示。尽管5G定义了eMBB、uRLLC和mMTC三大场景，但这三大场景估计并不能满足未来所有的5G应用需求。目前，3GPP已定义的NB-IoT/eMTC与uRLLC场景正好应对的是物联网应用市场的两个极端，即或是成本最低、时延最大的“低成本物联网市场”，或是成本最高、时延最低的“高成本物联网市场”。显然，在eMBB、mMTC与uRLLC之间，存在一个面向“中端物联网市场”的空白地带，而NRRedCap正好可以用来填补这一空白的物联网应用场景。总体来说，NRRedCap比LTE性能更优，比NR更精简。从适用场景上来说，NRRedCap比eMTC和NB-IoT具有更高的数据速率、更高的可靠性和更低的延迟，比NReMBB具有更低的成本和复杂性，以及更长的电池寿命，比NRuRLLC具有更广泛的覆盖范围。具体表现为NRRedCap在支持数据速率上可达到100Mbps，网络时延上约为10~30ms，模块成本预计与LTE相近，终端模块的电池寿命比eMBB长2~4倍，同时覆盖能力比uRLLC增强10~15dB。NRRedCap的研究技术方向包括降低UE成本和复杂性、减少UE上下行带宽、减少UERX天线（包括2RX和1RX）、降低基带复杂度、降低UETX功率等级、研究进一步提升UE能效的技术、研究RRCIDLE/INACTIVE节电技术（包括空闲模式RRM、寻呼唤醒等）、研究基于RRCCONNECTED态的低功耗技术等。NRRedCap关键特性如表1所示。主要支持用例包括工业无线传感器网络、视频监控、无人机远程控制、机械设备远程控制、可穿戴设备等。这些用例要求具备中等的数据传输速率和中等的网络时延，以满足适时的高清视频回传和远程操控需求。同时，由于上述场景均面向物联网应用场景，要求具备更低的模块成本、更强的覆盖能力以及更长的电池寿命。NRRedCap应用举例如表2所示。NRRedCap标准化工作预计将在2022年6月完成，在2023年或2024年产生RedCap的商用化产品。RedCap将会实现低成本的5G行业终端，其成为迈入元宇宙的基础条件之一，也让数字孪生、平行世界更近一步。
作者：张翀 汪传武 单位：国家广播电视总局广播电视科学研究院 中兴通讯股份有限公司