论卫星通信与5G 融合系统的发展

陆冬妹

（广西百色学院信息工程学院，广西百色 533099）

5G技术和4G技术相比，拥有许多先进的技术，为融合地面网络和卫星网络夯实了基础。目前，陆地通信一项最基础的设施，就是5G系统，它能够将低空和近海进行局部无线覆盖，但是对于远海和高空尚未包括，也无法实现全球覆盖。而卫星通信系统具有三维广域覆盖的特点，对于一些特殊地区比较适用，如高空、远洋、荒漠和极地等，因此需要加快二者之间的融合。从卫星的角度而言，物联网的诞生，加速了卫星与5G的融合。随着我国目前广泛的应用5G技术，当前社会研究的一项热点就是卫星通信与5G的融合。为了与5G时代更好的适应，需要将5G与卫星通信的融合研究进一步加大。

1 5G 的优势

首先，高可靠低延迟通信、大规模机器通信和增强的移动宽带是5G的三大应用场景定义，5G能够对多样化的业务需求给予最大化的满足。在5G时代，需要紧密相连人与物、物与物，最终实现万物相连；其次，5G支持有着非常广泛的工作频段。在5G网络中，弱化了核心网，网络功能向网络边缘下沉。这时通过相关软件的有效运用，可对网络、网络功能虚拟化等技术重新定义，由此实现网络资源的分配与管控能力的进一步增强；最后，5G有着更加稳定的传输，并明显提高了传输速度和传输稳定性，将5G的应用范围进一步拓宽。[1]

2 卫星通信与5G 的融合途径

2.1 构建融合架构

通过深入研究我国空间信息网络规划，能够预测到未来我国卫星通信系统的核心，将是高、低轨卫星混合轨道设计。通过对高频段、低频段多波束天线的有效利用，使宽带传输功能得以实现。而终端用户在使用过程中，就可以随意切换不同的蜂窝热点，利用5G技术还能够协调干扰管理和频谱配置。具体而言，卫星系统主要体现在以下几个方面的融合：

1.覆盖融合。地面网络由卫星网络进行补充，但是二者之间具有相互独立的业务，并且由不同的业务提供，还对不同的技术进行使用。

2.业务融合。目前，仍独立存在着地面网络、卫星网络，但是它们所提供的业务质量是相同的，同时部分服务有着共同的QoS指标。

3.用户融合。用户可以根据结合自身的实际需求，对地面网络和卫星网络进行选择，二者有着基本相同的计费方式。[2]

4.体制融合。两者之间所采用的交换技术、传输和架构是相同的。其中用户终端、关口站等，需要运用地面网络技术。

5.系统融合。作为一个整体，两者所构成的服务是相同的。通过协调二者的资源，提供相同的质量和服务，使用户能够无缝切换使用卫星网络、地面网络。

2.2 主要进行二者的互通

在一段时期内，地面互通是卫星网络的主要业务发展方向。在5G背景下，卫星转发业务依然是架构体系的研究方向。并且在研究过程中，还要对卫星及地面、卫星及卫星等问题进行大力解决，以真正实现卫星不落地的呼叫和交换等。

2.3 对于空中接口重新设计

在5G背景下，空中5G所采用的设计方案，可与地面5G相同。而在这一过程中，如果采用双工模式，则通过不断运动波光和卫星，会使定时难度增加，并且会限制MIMO在卫星中的使用。同时，在设计波形的过程中，还要对信道模型的特性适配、封峰均比进行切实考虑。最后，在定时方面，可根据位置进行延时补偿，将波束中心、波束边缘的用户延时差进一步缩短。[3]

3 卫星通信与5G 的融合面临的挑战

现阶段，还有待于制定和验证5G的标准。通过分析5G所涉及到的各项业务和指标，发现二者之间融合必将会面临更大的挑战。由于在传输的信道和部署的环境上，二者之间都有很大的差异存在，因此在设计融合系统中，应对这些问题充分考虑。目前，卫星通信与5G的融合面临的挑战主要表现在下述几个方面。

3.1 关键技术的挑战

5G与卫星系统的融合并非在短时间内就可以完成，需要进行大量的可行性验证工作。而作为最新的移动通信系统，5G在将前几代通信系统的优点保留的前提下，还将新的关键技术融入其中。现阶段亟待解决的重要课题，就是如何紧密结合这些技术和卫星系统的使用。而空中接口设计，能够将卫星和5G融合过程中无缝切换问题和漫游问题得到有效解决。还能将用户设备的体积减少，并且将终端的功耗损降低。新型的5G空中接口，所运用的框架比较灵活，能够与不同的移动性、数据速度相结合，高效的多路传输5G服务。

3.2 传输体制的挑战

通信过程中一个很常见的问题，就是多普勒频移。在地面移动通信系统中，始终固定了运营商的网络设备以及基站的位置，因为不断移动的终端，而产生了多普勒频移。而对于卫星而言，其终端一直处于高速运动和不断变化之中，因此不能忽视多普勒频移带来的影响。在频率管理与干扰方面，卫星系统能够运用有限的频谱资源。通常是通过多色复用，以实现资源利用率的不断提高。而通信系统所关注的重点问题，就是干扰问题，这也是设计星地融合系统时需要重点关注的方面。[4]对于功率受限问题，由于卫星和地面有着不同的蜂窝网，所以必然会限制到卫星上的功率。因此，在系统设计上应重点考虑的问题，就是如何在限制功率的情况下，促进星地融合系统的吞吐量的不断提高。对于非同步轨道卫星来讲，高速运动会不断改变无线传输链路时延，需要动态的更新定时提前问题，这样才能同步上行链路传输在接收点处。另外，和地面移动通信系统相比较而言，卫星的时延要大得多，因此为了解决这个问题，就必须要采取适当的解决方法。

3.3 接入与资源管理的挑战

由于在距离地面几万公里的轨道中运行，卫星长距离的轨道高度会导致在传递信息的过程中，有很大的时延差出现，远远大于5G所要求的时延标准，能够单独应用于长领域中。但是结合二者，会进一步增强网络架构的性能，并且有更加简化的互操性，从而得到更加灵活的星地融合网络系统的功能。[5]

3.4 移动性管理的挑战

在地面蜂窝网络中，目前拥有的相对成熟研究就是位置更新和越区切换过程。因为卫星在天上一直处于不断运动状态，因此实施这个过程有一定的难度。在位置更新过程中，若是某一区域覆盖卫星的波束，卫星接收地面的海关站发送的信息并完成相应的注册工作。而在进入下一个区域时候，会将前一个区域的数据丢弃，并对当前区域的用户信息进行接收，由此完成位置更新过程。对于星地融合系统而言，主要是有两种切换类型：第一种是卫星与卫星之间的切换。为了防止数据在切换过程中丢失，必须将卫星间或波束间的切换过程快速完成；第二种是卫星与地面5G网络之间的切换过程。因为有着非常复杂的5G系统，所以在切换过程中，应对多个方面的因素进行综合考虑。

4 卫星通信与5G 的融合展望

5G作为未来人类最重要的信息基础设施建设，在全球范围内进展迅速。而卫星通信界应利用星地一体化这一研究热点问题，不断进行突破和创新。随着物联网时代的到来，卫星与5G融合设计下的一个重点方向，就是LEO卫星星座的物联网系统。通过有机的结合通信资费结算问题、“区块链”技术和星地融合网络，能很好的解决低轨卫星星座网络急需要解决落地和跨境结算的问题，实现通信即结算。由于目前还没有成熟的数字货币市场，当今脆弱的金融系统还不容易接受这种通信结算通过OKEN的形式，未来还需要很长时间才能实现卫星与5G融合设计中结合区块链技术。[6-7]

5 结论

在现代化背景下，若要将5G与卫星通信的融合加快，就要对5G、卫星通信的特点充分了解，与现代通信发展相结合，寻找最佳的5G与卫星通信的融合途径及技术。而在未来相当长的时间内，还会将卫星系统的应用增加，通过对更多通信技术的采纳与借鉴，紧密结合卫星通信系统与5G技术，从多个角度和方面，如具体部署、对象业务类型、卫星轨迹星座等，对服务架构方式充分考虑。通过紧密融合二者，促进卫星的整体水平与性能的不断提升。通过新的卫星业务与市场的开辟，对终端用户数与巨量移动业务市场进行分享。