衛(wèi)星通信與5G技術(shù)融合應(yīng)用

樊振興 江利民

【摘要】5G由于其大帶寬、大流量、廣覆蓋已經(jīng)成為未來發(fā)展方向?，F(xiàn)如今5G建設(shè)已成為國(guó)家戰(zhàn)略需要，相關(guān)5G技術(shù)與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)也得到了蓬勃發(fā)展，未來構(gòu)建起一個(gè)龐大的星地通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋全球每個(gè)角落，已經(jīng)是通信發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文將5G系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)融合做了分析，并對(duì)星地融合的可行性進(jìn)行技術(shù)說明，最后展望了衛(wèi)星通信與5G融合技術(shù)在未來應(yīng)用上的美好愿景。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星通信;5G;融合與應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.10..002

伴隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，衛(wèi)星通信技術(shù)也迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，未來衛(wèi)星和5G聯(lián)合組網(wǎng)共同發(fā)展也是大勢(shì)所趨。移動(dòng)通信帶給廣大人民的便利性、實(shí)時(shí)性、可靠性已得到全世界的普遍認(rèn)可。但是，地面移動(dòng)通信系統(tǒng)仍然存局限性，一些無覆蓋區(qū)域，例如：偏遠(yuǎn)山區(qū)，戈壁灘、廣袤海洋、南北極和突發(fā)性基站大面積退服等，由于所在區(qū)域環(huán)境惡劣基站無法在短時(shí)間內(nèi)建設(shè)，并且建設(shè)成本巨大等問題。而移動(dòng)衛(wèi)星通信覆蓋面積廣才能夠彌補(bǔ)地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的不足，并為其自身發(fā)展帶來了契機(jī)。衛(wèi)星與5G融合通信系統(tǒng)的聯(lián)合建設(shè)將會(huì)為未來全球通信全覆蓋帶來新的發(fā)展浪潮。

2. 衛(wèi)星通信與5G技術(shù)相互融合

2.1 移動(dòng)衛(wèi)星通信與5G融合之路

截止2017年底，全球同步軌道衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)展到第五代的國(guó)際海事衛(wèi)星（Inmarsat）系統(tǒng)Ka頻段，衛(wèi)星通信正向著大容量、高帶寬、低時(shí)延方向的逐漸轉(zhuǎn)型，衛(wèi)星接收器使用60cm口徑地面接收終端，就可提供下行50Mbps、上行5Mbps傳輸。

近期值得一提的是，MSV的SkyTerra系統(tǒng)（MSV，前身為美國(guó)移動(dòng)衛(wèi)星風(fēng)險(xiǎn)公司）研發(fā)了一套新的方案，其主要思想是部署地面輔助基站（輔助地面組件，ATC）來解決密集城區(qū)人口數(shù)量集中問題和樓宇內(nèi)覆蓋信號(hào)弱問題（如圖1所示）。采用方法為衛(wèi)星和基站共用相同頻帶，而且空中接口信號(hào)格式幾乎相同。移動(dòng)終端在不同場(chǎng)景可進(jìn)行衛(wèi)星系統(tǒng)和地面基站系統(tǒng)之間自由切換。使用單模終端即可在全美Skyland Land系統(tǒng)下進(jìn)行全球微波互連服務(wù)包括接入（WiMAX）、LTE、5G無線寬帶網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。

2.2 互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座與地面的融合之路

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)就是以“衛(wèi)星通信承載的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)”，其核心是以衛(wèi)星通信建立的“星星”通信鏈路，通過網(wǎng)間接口與協(xié)議實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與衛(wèi)星間相互網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，承載各類信息服務(wù)。單純以衛(wèi)星通信作為互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)會(huì)受到限制，將衛(wèi)星通信與地面通信網(wǎng)絡(luò)相互融合，形成用戶側(cè)相對(duì)“透明”的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同實(shí)現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”的產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，將會(huì)對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來更廣闊的發(fā)展空間。

與地面蜂窩移動(dòng)通信顯著不同的是，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是以衛(wèi)星通信為基礎(chǔ)在其上建立的綜合性網(wǎng)絡(luò)，基于IP化搭建的通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，在其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)?？v觀衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程，其演變過程放棄了衛(wèi)星星座方向，開啟了以（OneWeb）公司、（SpaceX）公司等為代表的引領(lǐng)新型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)（如圖3所示），其主要特點(diǎn)是：（1）時(shí)延小，更多地利用低軌道和中軌道衛(wèi)星相比較同步軌道衛(wèi)星，可以大大減少往返傳輸?shù)难舆t，使衛(wèi)星傳輸時(shí)間可與地面光纖博弈;（2）運(yùn)營(yíng)成本低，使用數(shù)百個(gè)小型衛(wèi)星星座進(jìn)行大規(guī)模組網(wǎng)全球覆蓋，通過模塊化設(shè)計(jì)可以大大降低衛(wèi)星生產(chǎn)成本，從而降低通信費(fèi)用，并為用戶享用更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)付出更低廉低價(jià)格帶來了可能;

下一步發(fā)展方向，新型網(wǎng)絡(luò)會(huì)向著衛(wèi)星和地面互聯(lián)網(wǎng)相互融合之路上發(fā)展，需重點(diǎn)進(jìn)行衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面互聯(lián)網(wǎng)不同協(xié)議結(jié)構(gòu)的研發(fā)和互聯(lián)互通方案探索，關(guān)鍵技術(shù)方面朝著依據(jù)用戶需求進(jìn)行合理的網(wǎng)絡(luò)資源分配、多維度網(wǎng)絡(luò)虛擬化、業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)切片化、管理網(wǎng)絡(luò)清晰化，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面互聯(lián)網(wǎng)相融相生共同發(fā)展。

2.3 星地融合趨勢(shì)

縱觀星地通信發(fā)展的演變過程，推動(dòng)其演進(jìn)的主要?jiǎng)恿碓从屑夹g(shù)與市場(chǎng)這兩方面。

1）技術(shù)方面。制約衛(wèi)星地面一體化瓶頸主要的頻率資源。在低軌道和中軌道衛(wèi)星普遍被使用后，在空間中同頻率互相干擾問題也越發(fā)突出。怎樣解決好衛(wèi)星和5G頻率統(tǒng)一規(guī)劃和頻率復(fù)用是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和5G一體化組網(wǎng)的關(guān)鍵問題;目前，廣泛采用的技術(shù)方向有大規(guī)模MIMO、新型多載波傳輸、5G空中接口技術(shù)等。

2）市場(chǎng)方面。在人們的傳統(tǒng)觀念中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)互相競(jìng)爭(zhēng)相互制衡，而現(xiàn)在衛(wèi)星對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)正在從競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)向相互合作發(fā)展，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供回傳服務(wù)，為遠(yuǎn)程基站的建設(shè)提供了便利，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已成為5G網(wǎng)絡(luò)超遠(yuǎn)距離傳輸?shù)难a(bǔ)充。為基于雙贏合作的星地一體化新商業(yè)模式帶來了勃勃生機(jī)。

3. 衛(wèi)星通信與5G融合的關(guān)鍵技術(shù)

由于衛(wèi)星通信與5G無線通信在傳輸距離、覆蓋廣度、發(fā)射功率和性能等方面存在不同，為使它們相互融合，將會(huì)在功能實(shí)現(xiàn)上帶來新的課題和挑戰(zhàn)，以下通過幾個(gè)方面簡(jiǎn)單介紹衛(wèi)星和5G融合的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容包括體系架構(gòu)、波束覆蓋、空口波形、網(wǎng)絡(luò)控制。

3.1 體系架構(gòu)

衛(wèi)星與5G的融合主要有三種架構(gòu)。第一種是衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡(luò)互相補(bǔ)充。在這種架構(gòu)中，5G系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)有相同的網(wǎng)管系統(tǒng)（如圖3所示），而不同的是它們各自有獨(dú)立的接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)，功能由衛(wèi)星信關(guān)站提供。終端信號(hào)接入到5G系統(tǒng)或衛(wèi)星系統(tǒng)完全由終端確定。第二種是衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡(luò)混合網(wǎng)絡(luò)。在此框架下，5G小區(qū)和衛(wèi)星共用網(wǎng)管中心，而空間端口部分采用統(tǒng)一接口協(xié)議，保持各自核心網(wǎng)和使用頻段的獨(dú)立性。終端可支持5G和衛(wèi)星兩種接入方式。第三種是衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡(luò)同步組網(wǎng)。其主要特點(diǎn)是：空口協(xié)議、頻率資源、傳輸資源、核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和工程施工，終端具備可智能軟切換接入5G系統(tǒng)或衛(wèi)星系統(tǒng)能力。

3.2 波束覆蓋

在星地融合移動(dòng)通信系統(tǒng)中，數(shù)字波束成形（DBF）技術(shù)常常被采用，其主要是通過調(diào)整其點(diǎn)波束和無線資源，集中為熱點(diǎn)地區(qū)提供超過預(yù)定容量的話音和數(shù)據(jù)服務(wù)。目前，衛(wèi)星通信在數(shù)字波束應(yīng)用上主要有星載DBF、地面DBF和混合DBF形式。

3.3 空口波形

采用5G系統(tǒng)的正交頻分復(fù)用（OFDM）方式，會(huì)對(duì)載波間產(chǎn)生嚴(yán)重干擾（ICI）并會(huì)影響系統(tǒng)的性能。從而提出了非正交多址接入（NOMA）方式，來解決單用戶獨(dú)占資源的難題。用戶可以同時(shí)發(fā)送和接收非正交資源的信息?；诙嘤脩袈?lián)合檢測(cè)，可以通過信號(hào)處理的手段避免終端間的互相干擾。采用非正交多址接入NOMA技術(shù)后，相比正交接入技術(shù)可以大大提高頻譜利用率，實(shí)測(cè)能夠提高3倍以上。

3.4 網(wǎng)絡(luò)控制

通過SDN和NFV技術(shù)進(jìn)行端到端網(wǎng)絡(luò)切片是5G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)云控制的最大特點(diǎn)。SDN和NFV技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)承載、網(wǎng)絡(luò)控制和核心網(wǎng)網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)軟件化，為網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。衛(wèi)星系統(tǒng)為了與5G的融合，在滿足9種基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力基礎(chǔ)上，還增加了非3GPP互聯(lián)互通功能和用戶平面等功能。

4. 衛(wèi)星通信與5G融合之后的應(yīng)用

衛(wèi)星通信與5G技術(shù)的融合后，為用戶提供了無縫通信交換服務(wù)。一是移動(dòng)通信的應(yīng)用，只要移動(dòng)終端具備連接5G信號(hào)的功能，就可以不受地形限制接入5G網(wǎng)絡(luò)。二是在物聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用，信息通信將不受地域限制實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。

應(yīng)用前景廣闊，可在未來實(shí)現(xiàn)多種能力包括（定位、導(dǎo)航、授時(shí)、遙感、物聯(lián)網(wǎng)、通信）。在未來宇宙空間中的互聯(lián)網(wǎng)會(huì)呈現(xiàn)成百上千個(gè)巨型星座群，對(duì)超大規(guī)模星座通信網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性、協(xié)作性和環(huán)境敏感性提出了更高的要求，并期望未來系統(tǒng)可對(duì)多個(gè)領(lǐng)域、多個(gè)維度、多關(guān)聯(lián)度的支持，為星座間真正實(shí)現(xiàn)全互聯(lián)互通，提高超大星座網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將變得越來越龐大和異構(gòu)，業(yè)務(wù)類型和應(yīng)用場(chǎng)景將變得越來越復(fù)雜和多樣化，充分利用基于人工智能的6G（“AI人工智能+地面通信網(wǎng)絡(luò)+衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)”）來解決這一復(fù)雜場(chǎng)景幾乎是必經(jīng)之路。

5. 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，一旦衛(wèi)星通信與5G通信融合之后實(shí)現(xiàn)“天地一體化”，每位移動(dòng)用戶將會(huì)使用到更廉價(jià)、高速、便捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并能夠進(jìn)一步促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)公共發(fā)展，為打造全方位數(shù)字經(jīng)濟(jì)提供了關(guān)鍵阻力。在未來衛(wèi)星和5G將會(huì)在無人駕駛、航空通訊、高鐵通訊和船舶等場(chǎng)景大展拳腳。

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