導語：低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)融合5G信息網(wǎng)絡分析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

一、引言

隨著5G時代的到來以及我國將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)列入“新基建”范疇，移動通信將具備完善的產(chǎn)業(yè)鏈、巨大的用戶群體、靈活高效的應用服務模式。衛(wèi)星通信系統(tǒng)與5G相互融合，取長補短，共同構建全球無縫覆蓋的海、陸、空一體化綜合通信網(wǎng)，可滿足用戶無處不在的多種業(yè)務需求，是未來移動通信發(fā)展的重要方向。5g作為全球新一代移動通信技術，具有大帶寬、低延時、廣連接、柔性組網(wǎng)等應用特性，也拉開了萬物智聯(lián)、數(shù)據(jù)泛在的帷幕。隨著“一網(wǎng)”（OneWeb）、“星鏈”（Starlink）等中低軌衛(wèi)星星座全面推進和部署，衛(wèi)星通信服務與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務相融合也進一步加快。相比地面移動通信網(wǎng)絡，衛(wèi)星通信利用高、中、低軌衛(wèi)星可實現(xiàn)廣域甚至全球覆蓋，可為全球用戶提供無差別的通信服務。同時，若地面5G體制及其演進技術也可很好地適應低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應用場景和業(yè)務需求的挑戰(zhàn)，衛(wèi)星與5G的融合將充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，為用戶提供更全面優(yōu)質的服務。

二、低軌衛(wèi)星通信與5G融合的優(yōu)勢與局限性分析

1.低軌衛(wèi)星與5G通信的融合將為解決全球數(shù)字鴻溝問題提供解決方案低軌衛(wèi)星通信面向特定區(qū)域、特定用戶群和特定應用，對于低密度用戶接入場景下的寬帶互聯(lián)和通信更具優(yōu)勢，特別是接入點分散時的低成本優(yōu)勢。5G由于技術或經(jīng)濟因素難以滿足空中飛機及無人機、海上油井和船舶、森林防火及野生動物的視頻監(jiān)控、天然氣管道及電力線路和鐵路沿線的巡檢、邊境線的防控等行業(yè)應用需求，而低軌衛(wèi)星可解決5G地面通信偏遠地帶信號難以覆蓋的問題，解決陸地移動通信解決不了的偏遠地區(qū)、海洋、空間、荒漠與山區(qū)等寬帶通信問題，具有地面移動通信難以實現(xiàn)的獨特價值。此外，地面移動通信網(wǎng)絡在發(fā)生地震、海嘯等嚴重自然災害時容易受損而導致通信中斷，而衛(wèi)星通信是危機情況下的重要應急通信手段。依托低軌寬帶通信衛(wèi)星以及高機動、輕量化的5G專網(wǎng)，未來可為偏遠地區(qū)和應急通信場景提供無線通信保障，解決各個行業(yè)信息化、智能化的無線通信需求。低軌衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)與5G靈巧專網(wǎng)的融合，將能夠為極地科考、遠洋勘測探測等提供寬帶無線通信保障。同時它也能夠為應急、災害之后的救援提供寬帶信息保障?？梢?，隨著人類活動區(qū)域的擴大和數(shù)字經(jīng)濟的出現(xiàn)，低軌衛(wèi)星與5G通信的融合將為解決因移動通信發(fā)展造成的數(shù)字鴻溝問題提供可行的解決方案。2.面向不同應用場景需求低軌衛(wèi)星通信與5G通信各具優(yōu)勢面向萬物互聯(lián)應用場景，低軌衛(wèi)星充分顯示其低功耗、全覆蓋的特征。針對沙漠與海洋等油井和天然氣井、采礦等野外作業(yè)、環(huán)境和氣候監(jiān)測、貨運與交通長距離監(jiān)測跟蹤、邊境和邊防的電子圍欄等行業(yè)應用場景，低軌衛(wèi)星具有全球覆蓋和成本比較優(yōu)勢。面向低時延高可靠應用場景，5G通信具有絕對的優(yōu)勢。5G的空口時延是毫秒級；而低軌衛(wèi)星的空口時延達數(shù)十毫秒，5G通信可充分滿足對于低時延、可靠性要求高的車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等應用場景的要求。面向增強型移動寬帶應用場景，低軌衛(wèi)星和5G通信各有優(yōu)勢和側重。以“星鏈”為代表的低軌衛(wèi)星優(yōu)勢主要是服務于偏遠地區(qū)的住戶、空中的飛機乘客、海洋與大湖中船舶的船員和乘客、穿越荒漠的火車乘客、野外科考者等。大多數(shù)的衛(wèi)星終端形態(tài)是機載、船載、車載的客戶端設備（CPE），提供WiFi接入；野外科考者利用便攜衛(wèi)星終端直接通信。而對于城市普通用戶而言，5G手機的小體積、大帶寬和低資費仍具有絕對優(yōu)勢。隨著低軌衛(wèi)星星座的發(fā)展以及5G萬物互聯(lián)的推進，未來，低軌衛(wèi)星通信和地面5G通信將形成相互補充相輔相成的關系。3.解決各個行業(yè)信息化、智能化的無線通信需求以低軌寬帶通信衛(wèi)星星座為代表的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，因為具有全覆蓋、大帶寬、低時延、低成本等優(yōu)勢，將成為5G乃至6G時代實現(xiàn)全球衛(wèi)星通信網(wǎng)絡覆蓋的重要解決方案，成為航天、通信、互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展的重要趨勢。目前，我國星座組網(wǎng)計劃正在有序推進。5G通信技術作為民用領域的代表性技術，向更高帶寬、更低時延、更大連接、更好的用戶體驗的方向發(fā)展演進，極大地滿足了各工業(yè)領域不斷增長的通信需求。一方面5G將滿足人們在居住、工作、休閑和交通等各種區(qū)域的多樣化業(yè)務需求，在密集住宅區(qū)、辦公室、體育場、地鐵、高鐵和廣域覆蓋等具有超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動性特征的場景，也可以為用戶提供超高清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、云桌面、在線游戲等極致業(yè)務體驗；另一方面衛(wèi)星通信也將滲透到物聯(lián)網(wǎng)及各種行業(yè)領域，與工業(yè)設施、醫(yī)療儀器、交通工具等深度融合，有效滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通等垂直行業(yè)的多樣化業(yè)務需求，實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。當前互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展正在從移動互聯(lián)網(wǎng)向物聯(lián)網(wǎng)轉變，物聯(lián)網(wǎng)要實現(xiàn)人、機、物智能通信，需要借助空中無線平臺甚至太空的衛(wèi)星平臺，因此衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)對工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、應急、海洋、極地的信息化和智能化將產(chǎn)生深遠影響。2020年，我國將“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”納入新基建，專家預計到2030年，中國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)市場總體規(guī)?？蛇_到千億元級別。4.衛(wèi)星通信和地面移動通信均面臨資源受限的問題衛(wèi)星通信和地面移動通信都是資源受限系統(tǒng)。衛(wèi)星通信除稀缺的頻譜資源外，還有衛(wèi)星軌道資源受限?！靶擎湣钡纳先f顆低軌衛(wèi)星計劃分布在340～1300km軌道，但軌道位置是有限的，不可以無限制隨意部署衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道資源和頻譜資源一樣，都需要ITU的批準和協(xié)調。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設競爭激烈，“星鏈”計劃由約42000顆衛(wèi)星組成，“一網(wǎng)”星座計劃將由約900顆衛(wèi)星組成。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)需要如此之多的衛(wèi)星主要由于單顆低軌寬帶衛(wèi)星信號覆蓋范圍有限，需要大量的衛(wèi)星相互配合，在太空中編織出一張能夠將地面無縫覆蓋的大網(wǎng)。從通信系統(tǒng)角度分析低軌衛(wèi)星通信的頻率與軌道資源、系統(tǒng)容量、建設和運維成本等，若其要服務全球網(wǎng)民還有較大差距。

三、發(fā)展基于5G的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)關鍵技術

地面5G體制及其演進技術可很好地適應低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應用場景和業(yè)務需求的挑戰(zhàn)，將地面5G通信體制應用到衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢。未來，可著眼于低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與5G融合建設，突破高動態(tài)快速切換、高多普勒頻移同步、高容量尋呼等關鍵技術，設計基于5G的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信體制、信關站，為面向全球的低延時、高帶寬、靈活組網(wǎng)的低軌通信提供技術支撐。1.面向低軌衛(wèi)星通信的切換技術由于低軌衛(wèi)星對地快速移動，使得衛(wèi)星波束的覆蓋信號也快速移動和變化，導致終端在衛(wèi)星、波束、信關站之間快速切換，通常切換間隔在幾秒到幾分鐘。針對低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡中存在的頻繁切換問題，研究低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中終端在激活態(tài)下的高性能切換技術，擬制高動態(tài)快速切換方案，確保在衛(wèi)星高速移動下的業(yè)務連續(xù)性，切換時延達到毫秒級，能夠滿足星內、星間以及信關站間的快速切換性能，能夠實現(xiàn)低時延、高成功率和低信令負荷。2.面向低軌衛(wèi)星通信的同步技術由于低軌衛(wèi)星的快速移動會導致在所工作的高頻段上形成巨大的多普勒頻移和快速多普勒頻移變化率。高多普勒頻移及高變化率對衛(wèi)星和地面通信的時頻同步和信號檢測、解調等鏈路傳輸帶來了較大的挑戰(zhàn)，使得終端接入衛(wèi)星網(wǎng)絡過程中，無法快速、準確地捕獲網(wǎng)絡同步信號。針對巨大多普勒頻移和高變化率問題，研究高精度多普勒頻偏估計和補償技術，克服衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的傳輸鏈路由于多普勒偏移帶來的性能下降；研究下行同步方案和實現(xiàn)機制以及相關的信號設計，以實現(xiàn)快速地建立衛(wèi)星和地面通信鏈路的時頻同步。3.面向低軌衛(wèi)星通信的尋呼技術由于低軌衛(wèi)星覆蓋波束的快速移動，使得覆蓋區(qū)域小區(qū)會發(fā)生快速變化，傳統(tǒng)的終端尋呼跟蹤方法、尋呼信號發(fā)送和實現(xiàn)機制不再有效。針對低軌衛(wèi)星下尋呼效率問題，研究衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星高速移動下的尋呼方案，滿足網(wǎng)絡快速和精準尋呼需求；研究在衛(wèi)星廣覆蓋下的尋呼增強方案，以滿足大容量駐留用戶的需求。4.面向低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的信關站由于信關站負責地面網(wǎng)絡與衛(wèi)星網(wǎng)絡的通信，針對信關站與5G網(wǎng)絡之間的頻譜干擾問題，研究信關站與5G網(wǎng)絡虛擬化，將二者融合為統(tǒng)一云平臺為終端提供服務，優(yōu)化服務提供、頻譜配置、用戶切換管理等需求；研究實現(xiàn)5G網(wǎng)絡與低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡之間在物理層解決方案、接口架構、核心網(wǎng)結構、鑒權管理解決方案、基于3GPP標準的協(xié)議和資源控制、通用地面無線接入體系結構和接口協(xié)議規(guī)范等，以滿足通信體制和系統(tǒng)的融合需求。

四、基于5G的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)應用前景

未來低軌衛(wèi)星與5G融合應用研究可著眼于將5G關鍵技術點同低軌衛(wèi)星應用需求相結合，立足于具體的行業(yè)應用場景進行有針對性的研究。未來可以持續(xù)關注物聯(lián)網(wǎng)、機動通信、毫米波通信及衛(wèi)星通信等領域。現(xiàn)就面向行業(yè)典型應用場景，探討5G通信技術可能的應用前景。1.寬帶大容量綜合接入的應用場景5G的大規(guī)模天線技術可以很好地滿足系統(tǒng)高容量、高能效和高用戶體驗吞吐量的需求；以鏈路級調制編碼、鏈路自適應、網(wǎng)絡編碼為主的先進編碼調制技術可以在大帶寬、高容量的場景下很好地兼顧性能和頻譜效率，對不同的碼長保持穩(wěn)定的性能增益，結合先進的路由策略和信道設計可以很好地降低多節(jié)點協(xié)作傳輸時的節(jié)點間干擾，提升系統(tǒng)容量；5G的高頻段通信充分利用6GHz以上的無線頻譜，可用頻率范圍大，帶寬資源豐富，可以滿足頻率帶寬的擴大要求，能在室內與室外、視距與非視距等場景中穩(wěn)定工作；D2D通信是一種近距離用戶之間使用可以直接傳輸而無需經(jīng)過基站控制轉發(fā)的通信技術，允許用戶直接實現(xiàn)端到端的通信以達到保持正常通信或擴容等目的，更可以在基站設備故障、停電及人為破壞后蜂窩系統(tǒng)癱瘓時發(fā)揮重大作用；基于5G的虛擬化網(wǎng)絡架構，通過通用的硬件平臺，以軟件定義網(wǎng)絡和網(wǎng)絡功能虛擬化為主要技術，可以構建聯(lián)合衛(wèi)星通信、升空通信平臺、地面終端、車載中心站和固定宏基站的一體化的網(wǎng)絡架構，實現(xiàn)與短波、超短波、衛(wèi)星等現(xiàn)有通信網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，適應通信高速化、寬帶化、網(wǎng)絡化和天空地一體化的發(fā)展需求。2.時延敏感和高可靠性的應用場景5G的低時延高可靠通信技術是一系列技術協(xié)同配合的結果，具體而言，可利用5G的新型幀結構設計思路降低通信的端到端時延；利用5G的免調度傳輸技術降低甚至消除調度時延；利用優(yōu)化的HARQ機制和自包含的幀結構提高傳輸可靠性并降低反饋開銷和反饋時延；利用高效的調制編碼技術提高通信的抗干擾能力，提高首次傳輸可靠性。此外，5G通信系統(tǒng)和設備必須具備抗干擾、抗截獲等能力，確保在復雜對抗環(huán)境下重要業(yè)務的不間斷通信和可信可靠服務。3.低功耗大連接的應用場景5G提出的低功耗、大連接的通信面向萬物互聯(lián)場景，使對真實世界的精確數(shù)字化感知成為可能，再結合大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術，可創(chuàng)造出許多新的業(yè)務模式和價值增長點。該技術行業(yè)應用主要體現(xiàn)在態(tài)勢感知中。未來的物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)需要具備連接大量終端的能力，工作在統(tǒng)一的網(wǎng)絡體制下支撐異構數(shù)據(jù)的融合能力，管理設備功耗低、覆蓋范圍廣等能力；行業(yè)信息感知也會向信息網(wǎng)絡化、決策智能化、作業(yè)自動化、管理科學化、無人值守化方向發(fā)展；而未來的廣域態(tài)勢感知系統(tǒng)也存在著廣覆蓋、大連接等特點。上述需求均需要一種能夠在有限資源上提供較多接入能力、且極低功耗的通信手段，而5G的低功耗大連接技術和低軌衛(wèi)星的全覆蓋能力相融合則可以滿足這一需求。利用超密集組網(wǎng)技術實現(xiàn)廣域密集接入和大量節(jié)點接入，在有限的資源上實現(xiàn)大量通信節(jié)點的接入和目標的廣域覆蓋。4.按需定制的應用場景5G是面向場景、以用戶為中心的網(wǎng)絡，希望根據(jù)用戶的行為方式、用戶所在的位置、用戶接入網(wǎng)絡的特點、終端的能力等去感知用戶的需求和用戶業(yè)務的特征，并實現(xiàn)網(wǎng)絡的按需定制，為每個用戶業(yè)務的傳輸提供最好的服務。未來通信網(wǎng)絡同樣遵循按需提供服務的原則，因此，在充分考慮網(wǎng)絡安全因素的前提下，5G網(wǎng)絡服務能力及其對應的組網(wǎng)技術與上述未來行業(yè)通信網(wǎng)絡需求在很大程度上可以匹配在一起，形成多個行業(yè)通信網(wǎng)絡解決方案。

五、結語

低軌衛(wèi)星通信與5G移動網(wǎng)絡融合，不僅能以更經(jīng)濟的方式補充地面網(wǎng)絡覆蓋，還可將先進的蜂窩網(wǎng)絡技術引入衛(wèi)星通信，有效解決衛(wèi)星通信面臨的容量、工程部署、移動性等問題。兩者的融合應用不僅擴展通信網(wǎng)絡的覆蓋范圍，為用戶提供覆蓋更廣、速率更快的通信網(wǎng)絡接入服務，全方位提高衛(wèi)星和地面通信服務水平，實現(xiàn)天地一體化的通信服務保障，有效滿足未來各種應用場景的需求，更重要的是，低軌衛(wèi)星通信還可以借助移動通信數(shù)萬億的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，通過產(chǎn)業(yè)鏈共享來加速產(chǎn)業(yè)繁榮。

作者：李虹 孫一中 賀玉 單位：中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院 中國信息通信研究院