淺談衛(wèi)星通信與5G的融合途徑

陳超

摘 要：現(xiàn)如今，5G即將進(jìn)入商用時(shí)代。在這一背景下，應(yīng)當(dāng)加大衛(wèi)星通信、5G的融合研究，充分利用5G的優(yōu)勢促進(jìn)衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展。文章就此展開了論述，先是簡述了5G及星地融合通信的發(fā)展歷史，接下來，分析了衛(wèi)星通信與5G的融合途徑，最后簡述了其融合技術(shù)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信;5G;融合途徑

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.061

隨著我國5G的產(chǎn)生與應(yīng)用，衛(wèi)星通信與5G的融合已成為社會(huì)研究熱點(diǎn)。相比于4G來說，5G采用了許多先進(jìn)技術(shù)，且具備了新特征，為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、地面網(wǎng)絡(luò)的融合奠定了基礎(chǔ)。所以，為了迎接即將到來的5G時(shí)代，應(yīng)進(jìn)一步加大5G與衛(wèi)星通信的融合研究。

1 5G的優(yōu)勢

5G的主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，5G能夠滿足更加豐富的業(yè)務(wù)需求。在5G時(shí)代，人與物、物與物都可以相連，最終實(shí)現(xiàn)萬物相連。ITU曾經(jīng)將5G的三大應(yīng)用場景定義為：增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶、大規(guī)模機(jī)器通信、高可靠低延遲通信。第二，5G支持的工作頻段非常廣泛。在5G網(wǎng)絡(luò)中，核心網(wǎng)被弱化，網(wǎng)絡(luò)功能下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣。這時(shí)通過利用軟件就可以重新定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等技術(shù)，提高網(wǎng)絡(luò)資源的分配與管控能力。第三，傳輸更加穩(wěn)定。5G的傳輸速度、傳輸穩(wěn)定性都有了明顯提高。這進(jìn)一步拓寬了5G的應(yīng)用范圍。

2 星地融合通信的發(fā)展歷史

有關(guān)星地融合通信的研究主要起源于上世紀(jì)90年代。雖然地面通訊為人們提供了便捷的通信服務(wù)，但是某些地形復(fù)雜的地區(qū)難以架設(shè)基站。而衛(wèi)星通信正能彌補(bǔ)這一不足之處，與地面通信充分融合，為人們提供通信服務(wù)。我國對衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)的研究主要是從2010年開始，隨后在2012年提交了衛(wèi)星通信LTE標(biāo)準(zhǔn)草案。2016年發(fā)射了天通一號衛(wèi)星。如今，多是采用基于統(tǒng)一的IP交換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星與地面互聯(lián)網(wǎng)的融合。而在5G的出現(xiàn)，給星地融合發(fā)展提供了新的發(fā)展方向，使得星地網(wǎng)絡(luò)逐漸走向合作。

3 衛(wèi)星通信與5G的融合途徑

3.1 融合架構(gòu)

結(jié)合我國空間信息網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及有關(guān)研究，能夠預(yù)測到未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)將會(huì)以高、低軌衛(wèi)星混合軌道設(shè)計(jì)為核心，并利用高頻段、低頻段多波束天線，在地面形成蜂窩覆蓋，從而實(shí)現(xiàn)低速、寬帶傳輸服務(wù)功能。這樣終端用戶在使用中就可以在不同的蜂窩熱點(diǎn)區(qū)域間隨意切換。而利用5G可以使頻譜配置、干擾管理等工作更加協(xié)調(diào)。具體來說，衛(wèi)星系統(tǒng)的融合主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：①覆蓋融合。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充地面網(wǎng)絡(luò)。但是兩者仍相互獨(dú)立，且提供不同的業(yè)務(wù)，使用不同的技術(shù)。②業(yè)務(wù)融合。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、地面網(wǎng)絡(luò)仍獨(dú)立存在，但是它們可提供相同的業(yè)務(wù)質(zhì)量，且部分服務(wù)QoS指標(biāo)達(dá)到一致。③用戶融合。也就是說，用戶通過使用唯一的身份可以依據(jù)需求選擇衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)或是地面網(wǎng)絡(luò)。兩者的計(jì)費(fèi)方式是相同的。④體制融合。兩者采用同樣的構(gòu)架、傳輸、交換技術(shù)，其中用戶終端、關(guān)口站可采用地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。⑤系統(tǒng)融合。兩者構(gòu)成一個(gè)整體，給用戶提供一致的服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)兩者的資源的協(xié)調(diào)調(diào)用，實(shí)現(xiàn)兩者能提供相同的服務(wù)及質(zhì)量，從而讓用戶感受到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、地面網(wǎng)絡(luò)的無縫切換使用。

3.2 仍以兩者互通為主

在一段時(shí)期內(nèi)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的主要業(yè)務(wù)發(fā)展方向仍是以地面互通為主。在5G背景下，其架構(gòu)體系的研究方向也應(yīng)是衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)。同時(shí)，在研究中還應(yīng)著力于解決一下問題：第一，科學(xué)分割衛(wèi)星及地面、衛(wèi)星及衛(wèi)星。第二，如何實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星不落地的交換、呼叫等。

3.3 重新設(shè)計(jì)空中接口

在早期，我國天通一號主要是以3GPP-R4/R6為參考。但是在5G背景下，可采用與地面5G相同的設(shè)計(jì)方案。但是在這一過程中應(yīng)注意：第一，若是采用雙工模式，則應(yīng)注意衛(wèi)星、波光的不斷運(yùn)動(dòng)會(huì)增加定時(shí)難度，MIMO在衛(wèi)星中的使用會(huì)受到限制。第二，在波形設(shè)計(jì)中，要切實(shí)考慮信道模型的特性適配、封峰均比。第三，在復(fù)用中，應(yīng)注意即便是采用CP-OFDM，也可參考5G的時(shí)、頻、空域的資源劃分方式。第四，在定時(shí)方面，可采用基于位置進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償?shù)乃悸?，縮短波束中心、波束邊緣的用戶延時(shí)差。

4 衛(wèi)星通信與5G的融合技術(shù)

4.1 大多普勒頻移下的多載波傳輸技術(shù)

其實(shí)，制約5G傳輸體系在衛(wèi)星系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵因素就是大多普勒頻移。但是考慮到大多普勒頻移與衛(wèi)星軌道高度衛(wèi)星覆蓋區(qū)存在聯(lián)系。況且，5G系統(tǒng)的基礎(chǔ)傳輸體制對頻率偏移非常敏感。即便是較小的偏移也會(huì)造成載波間的干擾。所以，可選擇與可變子載波寬帶的設(shè)計(jì)方案。比如對于L頻段，可采用在15KHz以下的子載波;對于Ka頻段，可采用較大的頻段。如大于2.4MHz的子載波。需要注意的是5G的最大子載波寬度只能達(dá)到480KHz。但是這并不能完全滿足通信需求。所以，還可嘗試應(yīng)用星歷進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償。

4.2 短突發(fā)傳輸技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)也是5G的重要應(yīng)用場景。但在衛(wèi)星通信物聯(lián)網(wǎng)中，系統(tǒng)帶寬更窄。加之，衛(wèi)星傳輸?shù)墓β适芟?，其傳輸延時(shí)性會(huì)更加明顯。所以，需進(jìn)一步改進(jìn)適配衛(wèi)星的適應(yīng)性。對此，可從降低頻域RBE顆粒度、構(gòu)建短突發(fā)信號波形等方面入手。

4.3 面向長延時(shí)的AHRQ優(yōu)化技術(shù)

直射信號對衛(wèi)星移動(dòng)通信質(zhì)量的影響非常大。依據(jù)直射信號狀態(tài)可以將移動(dòng)通信建立成不同的狀態(tài)模型。即Good、Bad狀態(tài)模型。在Bad狀態(tài)模型下，衛(wèi)星信道的長延時(shí)會(huì)導(dǎo)致鏈路出現(xiàn)各種突發(fā)誤碼。對此，可嘗試采用HARQ、交織技術(shù)進(jìn)行解決。一方面可采用交織、FEC編碼技術(shù)，并設(shè)置合理的交織深度、編碼碼率。另一方面，可直接優(yōu)化HARQ機(jī)制。

4.4 波束覆蓋級切換技術(shù)

從上文中能夠了解到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在地面上是蜂窩狀覆蓋。每個(gè)波束對應(yīng)了一個(gè)小區(qū)。那么，波束在地面上就會(huì)呈現(xiàn)出兩種覆蓋方式。即衛(wèi)星覆蓋、地面覆蓋。其切換方式包括同步、異步兩種。其中異步切換的優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)險(xiǎn)小、星上載荷設(shè)計(jì)簡單。同步切換的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無損切換、管理簡單，且能有效解決業(yè)務(wù)不均勻、建筑物遮蔽等問題。對此，可應(yīng)用衛(wèi)星覆蓋方式。但這會(huì)帶來漫游難題。所以，可嘗試提前預(yù)測需切換的波束、衛(wèi)星，并提前做好信道資源分配。這樣就能迅速縮短切換過程。

綜上所述，在現(xiàn)代化背景下，若要加快5G與衛(wèi)星通信的融合，就應(yīng)充分了解5G、衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)代通信發(fā)展尋找最佳5G與衛(wèi)星通信的最佳融合途徑及技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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