論衛(wèi)星通信與5G 融合系統(tǒng)的發(fā)展

陸冬妹

（廣西百色學(xué)院信息工程學(xué)院，廣西百色 533099）

5G技術(shù)和4G技術(shù)相比，擁有許多先進(jìn)的技術(shù)，為融合地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)夯實(shí)了基礎(chǔ)。目前，陸地通信一項(xiàng)最基礎(chǔ)的設(shè)施，就是5G系統(tǒng)，它能夠?qū)⒌涂蘸徒＿M(jìn)行局部無線覆蓋，但是對(duì)于遠(yuǎn)海和高空尚未包括，也無法實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。而衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有三維廣域覆蓋的特點(diǎn)，對(duì)于一些特殊地區(qū)比較適用，如高空、遠(yuǎn)洋、荒漠和極地等，因此需要加快二者之間的融合。從衛(wèi)星的角度而言，物聯(lián)網(wǎng)的誕生，加速了衛(wèi)星與5G的融合。隨著我國目前廣泛的應(yīng)用5G技術(shù)，當(dāng)前社會(huì)研究的一項(xiàng)熱點(diǎn)就是衛(wèi)星通信與5G的融合。為了與5G時(shí)代更好的適應(yīng)，需要將5G與衛(wèi)星通信的融合研究進(jìn)一步加大。

1 5G 的優(yōu)勢(shì)

首先，高可靠低延遲通信、大規(guī)模機(jī)器通信和增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶是5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景定義，5G能夠?qū)Χ鄻踊臉I(yè)務(wù)需求給予最大化的滿足。在5G時(shí)代，需要緊密相連人與物、物與物，最終實(shí)現(xiàn)萬物相連；其次，5G支持有著非常廣泛的工作頻段。在5G網(wǎng)絡(luò)中，弱化了核心網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)功能向網(wǎng)絡(luò)邊緣下沉。這時(shí)通過相關(guān)軟件的有效運(yùn)用，可對(duì)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等技術(shù)重新定義，由此實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的分配與管控能力的進(jìn)一步增強(qiáng)；最后，5G有著更加穩(wěn)定的傳輸，并明顯提高了傳輸速度和傳輸穩(wěn)定性，將5G的應(yīng)用范圍進(jìn)一步拓寬。[1]

2 衛(wèi)星通信與5G 的融合途徑

2.1 構(gòu)建融合架構(gòu)

通過深入研究我國空間信息網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，能夠預(yù)測(cè)到未來我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心，將是高、低軌衛(wèi)星混合軌道設(shè)計(jì)。通過對(duì)高頻段、低頻段多波束天線的有效利用，使寬帶傳輸功能得以實(shí)現(xiàn)。而終端用戶在使用過程中，就可以隨意切換不同的蜂窩熱點(diǎn)，利用5G技術(shù)還能夠協(xié)調(diào)干擾管理和頻譜配置。具體而言，衛(wèi)星系統(tǒng)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面的融合：

1.覆蓋融合。地面網(wǎng)絡(luò)由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充，但是二者之間具有相互獨(dú)立的業(yè)務(wù)，并且由不同的業(yè)務(wù)提供，還對(duì)不同的技術(shù)進(jìn)行使用。

2.業(yè)務(wù)融合。目前，仍獨(dú)立存在著地面網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，但是它們所提供的業(yè)務(wù)質(zhì)量是相同的，同時(shí)部分服務(wù)有著共同的QoS指標(biāo)。

3.用戶融合。用戶可以根據(jù)結(jié)合自身的實(shí)際需求，對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行選擇，二者有著基本相同的計(jì)費(fèi)方式。[2]

4.體制融合。兩者之間所采用的交換技術(shù)、傳輸和架構(gòu)是相同的。其中用戶終端、關(guān)口站等，需要運(yùn)用地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

5.系統(tǒng)融合。作為一個(gè)整體，兩者所構(gòu)成的服務(wù)是相同的。通過協(xié)調(diào)二者的資源，提供相同的質(zhì)量和服務(wù)，使用戶能夠無縫切換使用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、地面網(wǎng)絡(luò)。

2.2 主要進(jìn)行二者的互通

在一段時(shí)期內(nèi)，地面互通是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的主要業(yè)務(wù)發(fā)展方向。在5G背景下，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)依然是架構(gòu)體系的研究方向。并且在研究過程中，還要對(duì)衛(wèi)星及地面、衛(wèi)星及衛(wèi)星等問題進(jìn)行大力解決，以真正實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星不落地的呼叫和交換等。

2.3 對(duì)于空中接口重新設(shè)計(jì)

在5G背景下，空中5G所采用的設(shè)計(jì)方案，可與地面5G相同。而在這一過程中，如果采用雙工模式，則通過不斷運(yùn)動(dòng)波光和衛(wèi)星，會(huì)使定時(shí)難度增加，并且會(huì)限制MIMO在衛(wèi)星中的使用。同時(shí)，在設(shè)計(jì)波形的過程中，還要對(duì)信道模型的特性適配、封峰均比進(jìn)行切實(shí)考慮。最后，在定時(shí)方面，可根據(jù)位置進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，將波束中心、波束邊緣的用戶延時(shí)差進(jìn)一步縮短。[3]

3 衛(wèi)星通信與5G 的融合面臨的挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段，還有待于制定和驗(yàn)證5G的標(biāo)準(zhǔn)。通過分析5G所涉及到的各項(xiàng)業(yè)務(wù)和指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)二者之間融合必將會(huì)面臨更大的挑戰(zhàn)。由于在傳輸?shù)男诺篮筒渴鸬沫h(huán)境上，二者之間都有很大的差異存在，因此在設(shè)計(jì)融合系統(tǒng)中，應(yīng)對(duì)這些問題充分考慮。目前，衛(wèi)星通信與5G的融合面臨的挑戰(zhàn)主要表現(xiàn)在下述幾個(gè)方面。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)

5G與衛(wèi)星系統(tǒng)的融合并非在短時(shí)間內(nèi)就可以完成，需要進(jìn)行大量的可行性驗(yàn)證工作。而作為最新的移動(dòng)通信系統(tǒng)，5G在將前幾代通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)保留的前提下，還將新的關(guān)鍵技術(shù)融入其中?，F(xiàn)階段亟待解決的重要課題，就是如何緊密結(jié)合這些技術(shù)和衛(wèi)星系統(tǒng)的使用。而空中接口設(shè)計(jì)，能夠?qū)⑿l(wèi)星和5G融合過程中無縫切換問題和漫游問題得到有效解決。還能將用戶設(shè)備的體積減少，并且將終端的功耗損降低。新型的5G空中接口，所運(yùn)用的框架比較靈活，能夠與不同的移動(dòng)性、數(shù)據(jù)速度相結(jié)合，高效的多路傳輸5G服務(wù)。

3.2 傳輸體制的挑戰(zhàn)

通信過程中一個(gè)很常見的問題，就是多普勒頻移。在地面移動(dòng)通信系統(tǒng)中，始終固定了運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及基站的位置，因?yàn)椴粩嘁苿?dòng)的終端，而產(chǎn)生了多普勒頻移。而對(duì)于衛(wèi)星而言，其終端一直處于高速運(yùn)動(dòng)和不斷變化之中，因此不能忽視多普勒頻移帶來的影響。在頻率管理與干擾方面，衛(wèi)星系統(tǒng)能夠運(yùn)用有限的頻譜資源。通常是通過多色復(fù)用，以實(shí)現(xiàn)資源利用率的不斷提高。而通信系統(tǒng)所關(guān)注的重點(diǎn)問題，就是干擾問題，這也是設(shè)計(jì)星地融合系統(tǒng)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的方面。[4]對(duì)于功率受限問題，由于衛(wèi)星和地面有著不同的蜂窩網(wǎng)，所以必然會(huì)限制到衛(wèi)星上的功率。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上應(yīng)重點(diǎn)考慮的問題，就是如何在限制功率的情況下，促進(jìn)星地融合系統(tǒng)的吞吐量的不斷提高。對(duì)于非同步軌道衛(wèi)星來講，高速運(yùn)動(dòng)會(huì)不斷改變無線傳輸鏈路時(shí)延，需要?jiǎng)討B(tài)的更新定時(shí)提前問題，這樣才能同步上行鏈路傳輸在接收點(diǎn)處。另外，和地面移動(dòng)通信系統(tǒng)相比較而言，衛(wèi)星的時(shí)延要大得多，因此為了解決這個(gè)問題，就必須要采取適當(dāng)?shù)慕鉀Q方法。

3.3 接入與資源管理的挑戰(zhàn)

由于在距離地面幾萬公里的軌道中運(yùn)行，衛(wèi)星長距離的軌道高度會(huì)導(dǎo)致在傳遞信息的過程中，有很大的時(shí)延差出現(xiàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5G所要求的時(shí)延標(biāo)準(zhǔn)，能夠單獨(dú)應(yīng)用于長領(lǐng)域中。但是結(jié)合二者，會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的性能，并且有更加簡化的互操性，從而得到更加靈活的星地融合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能。[5]

3.4 移動(dòng)性管理的挑戰(zhàn)

在地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，目前擁有的相對(duì)成熟研究就是位置更新和越區(qū)切換過程。因?yàn)樾l(wèi)星在天上一直處于不斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此實(shí)施這個(gè)過程有一定的難度。在位置更新過程中，若是某一區(qū)域覆蓋衛(wèi)星的波束，衛(wèi)星接收地面的海關(guān)站發(fā)送的信息并完成相應(yīng)的注冊(cè)工作。而在進(jìn)入下一個(gè)區(qū)域時(shí)候，會(huì)將前一個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)丟棄，并對(duì)當(dāng)前區(qū)域的用戶信息進(jìn)行接收，由此完成位置更新過程。對(duì)于星地融合系統(tǒng)而言，主要是有兩種切換類型：第一種是衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的切換。為了防止數(shù)據(jù)在切換過程中丟失，必須將衛(wèi)星間或波束間的切換過程快速完成；第二種是衛(wèi)星與地面5G網(wǎng)絡(luò)之間的切換過程。因?yàn)橛兄浅?fù)雜的5G系統(tǒng)，所以在切換過程中，應(yīng)對(duì)多個(gè)方面的因素進(jìn)行綜合考慮。

4 衛(wèi)星通信與5G 的融合展望

5G作為未來人類最重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在全球范圍內(nèi)進(jìn)展迅速。而衛(wèi)星通信界應(yīng)利用星地一體化這一研究熱點(diǎn)問題，不斷進(jìn)行突破和創(chuàng)新。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，衛(wèi)星與5G融合設(shè)計(jì)下的一個(gè)重點(diǎn)方向，就是LEO衛(wèi)星星座的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過有機(jī)的結(jié)合通信資費(fèi)結(jié)算問題、“區(qū)塊鏈”技術(shù)和星地融合網(wǎng)絡(luò)，能很好的解決低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)急需要解決落地和跨境結(jié)算的問題，實(shí)現(xiàn)通信即結(jié)算。由于目前還沒有成熟的數(shù)字貨幣市場(chǎng)，當(dāng)今脆弱的金融系統(tǒng)還不容易接受這種通信結(jié)算通過OKEN的形式，未來還需要很長時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與5G融合設(shè)計(jì)中結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)。[6-7]

5 結(jié)論

在現(xiàn)代化背景下，若要將5G與衛(wèi)星通信的融合加快，就要對(duì)5G、衛(wèi)星通信的特點(diǎn)充分了解，與現(xiàn)代通信發(fā)展相結(jié)合，尋找最佳的5G與衛(wèi)星通信的融合途徑及技術(shù)。而在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，還會(huì)將衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用增加，通過對(duì)更多通信技術(shù)的采納與借鑒，緊密結(jié)合衛(wèi)星通信系統(tǒng)與5G技術(shù)，從多個(gè)角度和方面，如具體部署、對(duì)象業(yè)務(wù)類型、衛(wèi)星軌跡星座等，對(duì)服務(wù)架構(gòu)方式充分考慮。通過緊密融合二者，促進(jìn)衛(wèi)星的整體水平與性能的不斷提升。通過新的衛(wèi)星業(yè)務(wù)與市場(chǎng)的開辟，對(duì)終端用戶數(shù)與巨量移動(dòng)業(yè)務(wù)市場(chǎng)進(jìn)行分享。