高通量卫星与Femtocell组网的研究

陈耀铭

摘要：高通量卫星为目前主流的海洋网络通信覆盖方案，本文通过Femtocell的网络架构介绍，提出与高通量卫星组网方案，实现地面运营商的网络覆盖补充，以解决海洋经济通信的瓶颈问题。

关键词： Femtocell;高通量卫星;海上卫星;海洋宽带

中图分类号：TN927.2  文献标识码：A  文章编号：1672-9129（2020）02-0037-02

Abstract： high flux satellite is the current mainstream ocean network communication coverage scheme. This paper introduces the network architecture of Femtocell， and proposes the network networking scheme with high flux satellite to realize the network coverage supplement of ground operators， so as to solve the bottleneck problem of Marine economic communication.

Key words： Femtocell; High-throughput satellite; Maritime satellites; Ocean broadband

1  引言

习主席在党的十九大报告中指出：“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国。”的目标，建设海洋强国成为中国特色社会主义事业的重要组成部分。自然而然的，海洋经济成为海洋强国的重要一环。包括海洋交通运输、海洋渔业，海上油气业，滨海旅游业等项目随之得到飞速发展，然而，伴随而来的是海上通信的瓶颈问题。

海洋产业由于距离陆地遥远，往往无法获得地面网络的有效覆盖，只能通过卫星网络实现海上通信。然而由于国内卫星产业发展远远落后于欧洲，传统海洋经济的通信中，往往只能采取国外卫星运营商的高价低速率方案，如20M套餐需要400美元，此外若需要使用卫星电话，亦要支付数美元一分钟的使用费用。

近年，随着交信集团引入Inmarsat的第五代星，以及中国卫通及旗下的鑫诺卫星的大力发展，海洋经济的通信迎来了真正的宽带时代，一般海上通信的需求得到满足。然而，由于缺乏地面网络的覆盖，需要依赖运营商交换域的功能，包括语音通信、短消息服务、及基于移动核心网认证的功能缺失，导致如基于短信验证的软件注册，用户验证，和基于电话号码的紧急来电的等服务依然无法实现。

本文提出一种Femtocell的覆盖方案以解决此问题。

2  Femtocell网络架构

Femtocell，又被称为“飞蜂窝”、“飞基站”。是在2013年起被运营商用作推广4G网络的覆盖方案，是一种小型化、低功率的微蜂窝基站。Femtocell被3GPP定义作为HNB（Home Node-b，家庭基站）的特殊方案，采用互联网方式与移动核心网进行电路域与数据域的交换，从而实现特殊区域的2G、3G、4G的移动网络覆盖。其基本原理如下图所示：

Femtocell有着设备体积小，造价低的优势，同时单个femtocell HNB最高支持16个用户附着，4-6个用户同时使用，因而特别适合远洋船舶、海上作业平台等对场景。另外，Femtocell可通过管理系统实现多个HNB网关联网，以形成分布系统，以实现邮轮等多用户场景的覆盖。

另外由于Femtocell必须依托互联网，且由于目前基于4G网络发展的相关软件的普及、移动用户自然对于带宽需求自然越来越高，Femtocell如若使用卫星网络实现互联网接入的交换，必然需要较高的带宽资源。传统卫星资源自然无法满足这种需求。

3  高通量卫星与Femtocell组网

高通量通信卫星（HTS，High Throughput Satellite），亦称作高吞吐量卫星，就是为了满足航空、海洋及偏远地区高流量覆盖需求发展而来的，相比传统卫星，高通量卫星一般采用Ka、Ku等高频段，结合多点波速、频率复用、载荷分配等特有技术，实现对区域针对性覆盖。

中星16卫星是我国的第一颗高通量卫星，是首次在中国卫星上应用Ka频段多波束宽带通信系统，该卫星配置26路转发器及用户波束，其通信总带宽超过20Gbps。可以有效实现航空运载、海洋运输等领域的用户需求。

即将发射的亚太6D通信卫星，是我国第一颗Ku/Ka频段的高通量卫星，设计覆盖区域为东亚区域，星上转发器1220台，设计波束99个，设计总带宽50Ghz。作为新一代高通量卫星，技术远远领先国内外现有卫星水平。

至于船端方面，目前在船端或海上作业平台上，主流方案是使用的是0.6米至1.5米的动中通天线，动中通天线通过捷联惯导技术加信标跟踪方式相结合实现对高通量卫星的跟踪，并内置GPS模块，保证船舶在行驶过程天线始终精确地对准卫星，同时，动中通天线配置三轴稳定平台，保证天线性能的稳定。支持Ka、Ku频段的船载动中通天线安装便捷，由专业人员进行实施，一天内可完成焊接安装。

Femtocell采用HNB+HNB网关方式，利用双网线传输实现MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出），满足了高带宽、高速率的覆盖要求，同时HNB与家用路由器大小相仿，HNB网关大小与一般交换机相仿，便于小空间安装布线;且若有大空间需求，亦可通过多HNB方式进行分布式覆盖。

Femtocell网络架构的互联网接入方式，可以经由高通量卫星实现，组合后的架构图如下：

现阶段，高通量卫星通常通过保障带宽的形式提供限定带宽的形式提供服务。根据各运营商的业务标准，基本的Femtocell单用户语音功能覆盖带宽不低于64kbps，网络功能大数据技术对数据进行处理，可以挖掘出更多的价值，并能获取有效的信息，为管理者提供可靠的决策依据。

4  Femtocell与卫星组网的优势和缺陷

在卫星网络的部署阶段，可以通过于地面运营商的合作，引入Femtocell资源，同时由地面运营商分担建设成本，减少船东或卫星运营商的前期投入费用，降低卫星网的建设成本。与此同时，增加Femtocell的覆盖可以填补运营商用户覆盖的空白，扩充海上宽带网络的应用场景，增加卫星宽带资源的利用率，同时为卫星运營商、船东创造更多的营收渠道，优势明显。

当然，由于高吞吐量的需要，高通量卫星采用Ku或Ka等高频段，高频段更容易受大气环境和地面微波干扰，影响传输质量;同时，由于卫星链路传输距离，卫星网络必然存在一定的时延。因而会对Femtocell组网质量产生一定的影响。

5  结束语

本文根据船端或海上作业平台等特殊场景引入Femtocell网络架构，并提出Femtocell与高通量卫星结合实现地面运营商的海上覆盖，本方案可作为建设单位、使用单位、运营单位的一种选择，在降低成本、提高网络覆盖、增加卫星网络资源利用率的基础上，便于用户能够享受高通量卫星覆盖所带来的好处，解决“海洋强国”的通信瓶颈问题。

参考文献：

[1]王传江 余刚 徐红波一种分布式Femto用户侧多模HNB设备及其应用[J]，移动通信，2017（22），14-17

[2]徐雷 Femto 技术及其应用研究[J]，信息通信，2016（10），229-230