衛(wèi)星通信與5G融合系統(tǒng)發(fā)展探究

韋鵬寬

（海軍士官學校，安徽 蚌埠 233012）

0 引言

目前，5G系統(tǒng)已經(jīng)成為最強大的數(shù)字管道和陸地通信基礎設施。雖然通過射頻手段，可以局部無線覆蓋低空和近海，但是尚未包括高空和遠海，沒有實現(xiàn)全球覆蓋。而衛(wèi)星通信系統(tǒng)適合極地、荒漠、遠洋、高空等特殊地區(qū)，具有三維廣域覆蓋的特點，因此，需要加快二者之間的融合。

1 5G和衛(wèi)星通信發(fā)展情況

1.1 5G技術

2012年是5G的第一階段，提出了5G的基本概念；2013—2014年是5G的第二階段，重點關注了5G的關鍵能力、應用場景、愿景與需求等；2015—2016年是5G的第三階段，主要考慮驗證工作和開展關鍵技術的研究；2017—2020年是5G的第四階段，驗證了系統(tǒng)的可行性以及標準方案的制定，大幅度提高了5G的性能[1]。

1.2 衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信正逐漸邁向遠洋與天空，在連接應用場景方面，具有一定優(yōu)勢，可以開發(fā)更多資源，促進了衛(wèi)星通信類終端用戶的發(fā)展，提供經(jīng)濟和便捷的服務連接。在衛(wèi)星運行過程中，根據(jù)軌道高度，可以分為低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地球同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)，最早研發(fā)的是GEO衛(wèi)星系統(tǒng)，具有廣闊的覆蓋范圍與較高的軌道高度，除了南北極之外，僅僅需要三顆衛(wèi)星就可以覆蓋全球多數(shù)區(qū)域，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)形成一定規(guī)模，例如亞太7號、9號、5C、6C等。此外，LEO衛(wèi)星通信與GEO衛(wèi)星通信相比，具有一定優(yōu)勢，可以增強消息的實效性，降低傳輸損耗，為小型化終端提供方便，有效調節(jié)GEO軌道頻率與位置，實現(xiàn)全球覆蓋。目前，國家LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)尚處于發(fā)展階段，僅有預期中的衛(wèi)星系統(tǒng)，其中包括“行云工程”“鴻雁”系統(tǒng)、信息網(wǎng)絡重大工程等，尚且沒有低軌互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)。

2 融合場景與技術分析

2.1 融合場景

（1）中繼到站。

在中繼到站的場景中，衛(wèi)星的作用主要是中繼，將微型接收站設置在小區(qū)內，確保各小區(qū)和地面運營商間，始終擁有通信渠道，對不滿足通信基站建設條件的小區(qū)而言，以衛(wèi)星為依托，對通信進行保持，具有重要意義。現(xiàn)階段，在抗災的過程中，該場景較為常見，以地震為例，多數(shù)地震都會破壞通信設備，衛(wèi)星可使災區(qū)人民與外界保持聯(lián)系，救援及后續(xù)工作的開展自然會變得十分便利。

（2）混合多播。

對混合多播而言，衛(wèi)星所肩負的職責，通常與廣播源相似，即運營商向衛(wèi)星發(fā)送有廣播需求的消息，再由衛(wèi)星通過一對多的方式，確保消息被準確傳遞給不同區(qū)域，在保證通信質量的基礎上，將通信成本降到最低。

（3）小區(qū)回傳。

在該場景中，微型接收站成為小區(qū)向衛(wèi)星發(fā)送各類消息的平臺，再經(jīng)由衛(wèi)星向運營商網(wǎng)絡進行轉發(fā)，確保信息得到實時交互。

（4）動中通。

以車輛和飛機為代表的移動載體，通常會長期處于運動狀態(tài)下，通過對衛(wèi)星平臺進行實時跟蹤的方式，使數(shù)據(jù)、語音和其他信息得到持續(xù)傳遞，無論是應急通信，還是多媒體通信所提出的需求，均可因此而得到滿足[2]。

（5）其他場景。

首先，服務對象是普遍場景。對我國偏遠地區(qū)而言，要想建設通信設備，既要投入極高成本，又無法獲得相應收益。此外，洪水等突發(fā)災害，同樣會破壞基礎設施，導致網(wǎng)絡無法正常使用。針對上述情況，多數(shù)用戶均表達出了以衛(wèi)星網(wǎng)絡為依托，對5G服務進行訪問，確保物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點能夠有效接入的訴求。其次，服務對象是連續(xù)場景。正常來說，對地面網(wǎng)絡部署起決定作用的因素是為人口密度，而非傳統(tǒng)觀念認為的地理區(qū)域，由此而引發(fā)的問題，主要是沒有被地面網(wǎng)絡所覆蓋的區(qū)域，不具備訪問5G服務的條件，這便是連續(xù)場景被提出的背景。該場景可使用戶無縫切換5G與衛(wèi)星的設想成為現(xiàn)實，無論是機載平臺、海事平臺，還是陸地移動平臺，均可提供接入服務，這樣可保證即便用戶身處海洋、高山等特殊區(qū)域，仍然能夠享受到所需的服務。最后，服務對象是可擴展場景。衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡的差別，主要體現(xiàn)在覆蓋范圍上，衛(wèi)星網(wǎng)絡的覆蓋范圍更加廣闊，通?？梢赃_到數(shù)以萬計的小區(qū)，這也是有關人員決定利用衛(wèi)星對信息進行廣播的原因，即在確保通信成本不會出現(xiàn)大幅增加的前提下，直接作用于相應設備。除此之外，衛(wèi)星網(wǎng)絡還可被用來對敏感數(shù)據(jù)進行廣播，以地面網(wǎng)絡為依托，完成流量卸載操作等。

2.2 核心技術

對5G技術、衛(wèi)星系統(tǒng)進行融合，通常要經(jīng)過一段時間才能初見成效，對可行性進行驗證是不可或缺的環(huán)節(jié)。本文所研究5G是最新系統(tǒng)，這也表明其既對原有系統(tǒng)的優(yōu)勢進行了保留，又增添了全新技術，只有確保全新技術價值得到實現(xiàn)，才能達到融合的目的。下文將對新引入技術進行介紹，供有關人員參考。

2.2.1 組網(wǎng)服務

D2D是指以藍牙和無線網(wǎng)絡技術為依托，使終端設備直接通信成為可能的技術。對處于運行狀態(tài)的衛(wèi)星而言，極廣的覆蓋范圍，導致相鄰衛(wèi)星帶來干擾的情況變得較為常見，對D2D加以利用，可使干擾大幅減輕。除此之外，對通信網(wǎng)絡與系統(tǒng)而言，隨著通信鏈路被建立，對數(shù)據(jù)進行傳輸，將不再以中間設備、核心設備為依托，這樣做可避免核心網(wǎng)絡承擔過大壓力的情況出現(xiàn)，隨著頻譜吞吐量與利用率的提升，網(wǎng)絡容量必然會得到擴大[3]。

作為分散運算架構的邊緣計算，強調將海量數(shù)據(jù)向邊緣節(jié)點進行分散并處理，由于邊緣節(jié)點與終端裝置相似，因此，這樣做可使數(shù)據(jù)擁有更快的傳送和處理效率，延遲問題自然會得到解決。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展勢頭迅猛的當下，如何使海量數(shù)據(jù)得到快速處理，已成為人們關注的焦點，這便是邊緣計算誕生的背景。事實證明，充分利用邊緣計算，可使系統(tǒng)對安全保護、實時業(yè)務與智能應用所提出要求得到滿足。對星地融合系統(tǒng)而言，該技術的優(yōu)勢在于優(yōu)化衛(wèi)星能力，使其表現(xiàn)出更加理想的服務質量，上述內容應尤為注意。

2.2.2 空中接口

其一，4G所用多載波技術，主要是OFDM，該技術對寬帶應用有理想的擴展效果，兼具低復雜性與高頻譜效率。由此可見，對5G技術而言，該技術仍然作為首選波形而存在，但業(yè)務多元的5G，又對其提出了全新要求，即以新型技術為依托，對遮擋、多徑等問題加以解決。

其二，5G適用編碼方案，主要由控制信道方案與數(shù)據(jù)信道方案構成，其中，前者對應Polar碼，后者對應LDPC碼。星地融合業(yè)務均有較為突出的復雜性，例如，時延要求低及誤碼率低，只有對現(xiàn)有方案進行組合，才能使復雜業(yè)務所提出需求得到滿足，因此，在條件允許的情況下，有關人員可對上文提到的兩種方案進行綜合運用。

2.2.3 網(wǎng)路虛擬部署

作為全新網(wǎng)絡架構的軟件定義網(wǎng)絡，強調以OpenFlow為依托，在數(shù)據(jù)平面中，將路由器對應控制平面徹底分離，經(jīng)由軟件的方式加以實現(xiàn)。而文中提到的網(wǎng)絡功能虛擬，同樣是網(wǎng)絡系統(tǒng)架構，強調以虛擬技術為依托，結合網(wǎng)絡節(jié)點階層所具備的功能，對功能區(qū)塊進行分割，再借助軟件將其實現(xiàn)，硬件架構所存在的問題得到有效解決。本文研究的SDN與NFV的互補性極強，這并不代表二者互相依賴，從某個層面來說，二者的適用領域不同，因此，在條件允許的情況下，有關人員可以對二者進行結合，確保網(wǎng)絡架構擁有更為理想的性能，在簡化互操作性的基礎上，使運營及維護負擔得到有效減輕。

3 未來展望

從衛(wèi)星的角度來說，物聯(lián)網(wǎng)的誕生，為5G與衛(wèi)星的融合指明了方向，對向數(shù)百個國家提供服務的低軌衛(wèi)星而言，現(xiàn)階段，亟待解決的問題只有一個，即跨境結算。在這里不妨做出如下假設：將通信資費結算與區(qū)塊鏈技術相結合，提出“通信即為結算”的概念，在對通信過程進行詳細記錄的基礎上，借助數(shù)字貨幣，對通信費用進行計算。該假設可使跨境結算及相關問題得到有效解決。當然，對數(shù)字貨幣所形成市場仍有極大上升空間的現(xiàn)階段而言，上文所提及通信結算要想成為現(xiàn)實，還要經(jīng)過無數(shù)次的實踐和優(yōu)化，有關人員應對此引起重視。

4 結語

綜上所述，未來將會增加衛(wèi)星系統(tǒng)的應用，采納與借鑒更多的通信技術，將衛(wèi)星通信系統(tǒng)與5G技術相結合，從衛(wèi)星軌位星座、對象業(yè)務類型、具體部署覆蓋類型等多種角度，考慮服務架構方式。通過二者之間的融合，可以提高衛(wèi)星的整體水平與性能，開辟新的衛(wèi)星業(yè)務與市場，分享終端用戶數(shù)與巨量移動業(yè)務市場。