論衛(wèi)星通信與5G融合系統(tǒng)的發(fā)展

陸冬妹

摘 要 隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，5G技術(shù)的運用已經(jīng)較為成熟，即將進入商用時代。衛(wèi)星通信具有天然優(yōu)勢，是未來移動通信的重要組成部分?；诖耍瑧?yīng)充分運用5G技術(shù)的優(yōu)勢，更好的發(fā)展衛(wèi)星通信技術(shù)。本文對5G技術(shù)的優(yōu)勢進行了分析，并對衛(wèi)星通信與5G的融合途徑進行了闡述，分析了二者在融合過程中所面臨的挑戰(zhàn)，最后對未來衛(wèi)星通信與5G融合系統(tǒng)的發(fā)展進行了展望。

關(guān)鍵詞 5G 衛(wèi)星通信 融合 核心技術(shù)

中圖分類號：TN927 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）12-0009-02

5G技術(shù)和4G技術(shù)相比，擁有許多先進的技術(shù)，為融合地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)夯實了基礎(chǔ)。目前，陸地通信一項最基礎(chǔ)的設(shè)施，就是5G系統(tǒng)，它能夠?qū)⒌涂蘸徒＿M行局部無線覆蓋，但是對于遠海和高空尚未包括，也無法實現(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，對于一些特殊地區(qū)比較適用，如高空、遠洋、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)，當前社會研究的一項熱點就是衛(wèi)星通信與5G的融合。為了與5G時代更好的適應(yīng)，需要將5G與衛(wèi)星通信的融合研究進一步加大。

1 5G的優(yōu)勢

首先，高可靠低延遲通信、大規(guī)模機器通信和增強的移動寬帶是5G的三大應(yīng)用場景定義，5G能夠?qū)Χ鄻踊臉I(yè)務(wù)需求給予最大化的滿足。在5G時代，需要緊密相連人與物、物與物，最終實現(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。這時通過相關(guān)軟件的有效運用，可對網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等技術(shù)重新定義，由此實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的分配與管控能力的進一步增強;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。通過對高頻段、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，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)進行補充，但是二者之間具有相互獨立的業(yè)務(wù)，并且由不同的業(yè)務(wù)提供，還對不同的技術(shù)進行使用。

2.業(yè)務(wù)融合。目前，仍獨立存在著地面網(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，同時部分服務(wù)有著共同的QoS指標。

3.用戶融合。用戶可以根據(jù)結(jié)合自身的實際需求，對地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進行選擇，二者有著基本相同的計費方式。[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，需要運用地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

5.系統(tǒng)融合。作為一個整體，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 主要進行二者的互通

在一段時期內(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，還要對衛(wèi)星及地面、衛(wèi)星及衛(wèi)星等問題進行大力解決，以真正實現(xiàn)衛(wèi)星不落地的呼叫和交換等。

2.3 對于空中接口重新設(shè)計

在5G背景下，空中5G所采用的設(shè)計方案，可與地面5G相同。而在這一過程中，如果采用雙工模式，則通過不斷運動波光和衛(wèi)星，會使定時難度增加，并且會限制MIMO在衛(wèi)星中的使用。同時，在設(shè)計波形的過程中，還要對信道模型的特性適配、封峰均比進行切實考慮。最后，在定時方面，可根據(jù)位置進行延時補償，將波束中心、波束邊緣的用戶延時差進一步縮短。[3]

3 衛(wèi)星通信與5G的融合面臨的挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段，還有待于制定和驗證5G的標準。通過分析5G所涉及到的各項業(yè)務(wù)和指標，發(fā)現(xiàn)二者之間融合必將會面臨更大的挑戰(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)計融合系統(tǒng)中，應(yīng)對這些問題充分考慮。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)的融合并非在短時間內(nèi)就可以完成，需要進行大量的可行性驗證工作。而作為最新的移動通信系統(tǒng)，5G在將前幾代通信系統(tǒng)的優(yōu)點保留的前提下，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，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，所運用的框架比較靈活，能夠與不同的移動性、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)

通信過程中一個很常見的問題，就是多普勒頻移。在地面移動通信系統(tǒng)中，始終固定了運營商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及基站的位置，因為不斷移動的終端，而產(chǎn)生了多普勒頻移。而對于衛(wèi)星而言，其終端一直處于高速運動和不斷變化之中，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)能夠運用有限的頻譜資源。通常是通過多色復(fù)用，以實現(xiàn)資源利用率的不斷提高。而通信系統(tǒng)所關(guān)注的重點問題，就是干擾問題，這也是設(shè)計星地融合系統(tǒng)時需要重點關(guān)注的方面。[4]對于功率受限問題，由于衛(wèi)星和地面有著不同的蜂窩網(wǎng)，所以必然會限制到衛(wèi)星上的功率。因此，在系統(tǒng)設(shè)計上應(yīng)重點考慮的問題，就是如何在限制功率的情況下，促進星地融合系統(tǒng)的吞吐量的不斷提高。對于非同步軌道衛(wèi)星來講，高速運動會不斷改變無線傳輸鏈路時延，需要動態(tài)的更新定時提前問題，這樣才能同步上行鏈路傳輸在接收點處。另外，和地面移動通信系統(tǒng)相比較而言，衛(wèi)星的時延要大得多，因此為了解決這個問題，就必須要采取適當?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行，衛(wèi)星長距離的軌道高度會導(dǎo)致在傳遞信息的過程中，有很大的時延差出現(xiàn)，遠遠大于5G所要求的時延標準，能夠單獨應(yīng)用于長領(lǐng)域中。但是結(jié)合二者，會進一步增強網(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 移動性管理的挑戰(zhàn)

在地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，目前擁有的相對成熟研究就是位置更新和越區(qū)切換過程。因為衛(wèi)星在天上一直處于不斷運動狀態(tài)，因此實施這個過程有一定的難度。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)的注冊工作。而在進入下一個區(qū)域時候，會將前一個區(qū)域的數(shù)據(jù)丟棄，并對當前區(qū)域的用戶信息進行接收，由此完成位置更新過程。對于星地融合系統(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。因為有著非常復(fù)雜的5G系統(tǒng)，所以在切換過程中，應(yīng)對多個方面的因素進行綜合考慮。

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問題，不斷進行突破和創(chuàng)新。隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，衛(wèi)星與5G融合設(shè)計下的一個重點方向，就是LEO衛(wèi)星星座的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過有機的結(jié)合通信資費結(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，當今脆弱的金融系統(tǒng)還不容易接受這種通信結(jié)算通過OKEN的形式，未來

還需要很長時間才能實現(xiàn)衛(wèi)星與5G融合設(shè)計中結(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5G、衛(wèi)星通信的特點充分了解，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)。而在未來相當長的時間內(nèi)，還會將衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用增加，通過對更多通信技術(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)，從多個角度和方面，如具體部署、對象業(yè)務(wù)類型、衛(wèi)星軌跡星座等，對服務(wù)架構(gòu)方式充分考慮。通過緊密融合二者，促進衛(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)與市場的開辟，對終端用戶數(shù)與巨量移動業(yè)務(wù)市場進行分享。

參考文獻：

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[2] 解寧宇，汪進，王慧東，等.低軌衛(wèi)星與5G融合應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)[J].郵電設(shè)計技術(shù)，2021（04）：10-14.

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[4] 郭全興.衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究[J].數(shù)字化用戶，2019（45）：9.

[5] 陳海波.探究低軌衛(wèi)星如何更加有效地與5G技術(shù)相融合[J].通訊世界，2020（05）：81，83.

[6] 夏云飛，程子敬，潘越，等.從低軌互聯(lián)網(wǎng)星座淺談衛(wèi)星通信新應(yīng)用[J].衛(wèi)星應(yīng)用，2020（08）：49-51.

[7] 江丹，鮑峰.與5G融合的低軌星座饋電鏈路切換設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技，2020（21）：52-56.