卫星通信与5G技术融合应用

樊振兴 江利民

【摘要】5G由于其大带宽、大流量、广覆盖已经成为未来发展方向。现如今5G建设已成为国家战略需要，相关5G技术与卫星通信网络融合技术也得到了蓬勃发展，未来构建起一个庞大的星地通信网络覆盖全球每个角落，已经是通信发展的必然趋势。本文将5G系统和卫星通信系统融合做了分析，并对星地融合的可行性进行技术说明，最后展望了卫星通信与5G融合技术在未来应用上的美好愿景。

【关键词】卫星通信;5G;融合与应用

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.10..002

伴随着移动通信的发展，卫星通信技术也迎来了新的发展机遇，未来卫星和5G联合组网共同发展也是大势所趋。移动通信带给广大人民的便利性、实时性、可靠性已得到全世界的普遍认可。但是，地面移动通信系统仍然存局限性，一些无覆盖区域，例如：偏远山区，戈壁滩、广袤海洋、南北极和突发性基站大面积退服等，由于所在区域环境恶劣基站无法在短时间内建设，并且建设成本巨大等问题。而移动卫星通信覆盖面积广才能够弥补地面移动通信系统的不足，并为其自身发展带来了契机。卫星与5G融合通信系统的联合建设将会为未来全球通信全覆盖带来新的发展浪潮。

2. 卫星通信与5G技术相互融合

2.1 移动卫星通信与5G融合之路

截止2017年底，全球同步轨道卫星已经发展到第五代的国际海事卫星（Inmarsat）系统Ka频段，卫星通信正向着大容量、高带宽、低时延方向的逐渐转型，卫星接收器使用60cm口径地面接收终端，就可提供下行50Mbps、上行5Mbps传输。

近期值得一提的是，MSV的SkyTerra系统（MSV，前身为美国移动卫星风险公司）研发了一套新的方案，其主要思想是部署地面辅助基站（辅助地面组件，ATC）来解决密集城区人口数量集中问题和楼宇内覆盖信号弱问题（如图1所示）。采用方法为卫星和基站共用相同频带，而且空中接口信号格式几乎相同。移动终端在不同场景可进行卫星系统和地面基站系统之间自由切换。使用单模终端即可在全美Skyland Land系统下进行全球微波互连服务包括接入（WiMAX）、LTE、5G无线宽带网络业务。

2.2 互联网卫星星座与地面的融合之路

卫星互联网就是以“卫星通信承载的互联网络”，其核心是以卫星通信建立的“星星”通信链路，通过网间接口与协议实现卫星与卫星间相互网络组网，承载各类信息服务。单纯以卫星通信作为互联网运营会受到限制，将卫星通信与地面通信网络相互融合，形成用户侧相对“透明”的天地一体化信息网络，协同实现“互联网+”的产业生态体系，将会对卫星互联网的发展带来更广阔的发展空间。

与地面蜂窝移动通信显著不同的是，卫星互联网是以卫星通信为基础在其上建立的综合性网络，基于IP化搭建的通信网络服务平台，在其网络内进行功能实现。纵观卫星互联网的发展历程，其演变过程放弃了卫星星座方向，开启了以（OneWeb）公司、（SpaceX）公司等为代表的引领新型卫星互联网星座建設（如图3所示），其主要特点是：（1）时延小，更多地利用低轨道和中轨道卫星相比较同步轨道卫星，可以大大减少往返传输的延迟，使卫星传输时间可与地面光纤博弈;（2）运营成本低，使用数百个小型卫星星座进行大规模组网全球覆盖，通过模块化设计可以大大降低卫星生产成本，从而降低通信费用，并为用户享用更优质的服务付出更低廉低价格带来了可能;

下一步发展方向，新型网络会向着卫星和地面互联网相互融合之路上发展，需重点进行卫星互联网与地面互联网不同协议结构的研发和互联互通方案探索，关键技术方面朝着依据用户需求进行合理的网络资源分配、多维度网络虚拟化、业务网络切片化、管理网络清晰化，实现卫星与地面互联网相融相生共同发展。

2.3 星地融合趋势

纵观星地通信发展的演变过程，推动其演进的主要动力来源有技术与市场这两方面。

1）技术方面。制约卫星地面一体化瓶颈主要的频率资源。在低轨道和中轨道卫星普遍被使用后，在空间中同频率互相干扰问题也越发突出。怎样解决好卫星和5G频率统一规划和频率复用是实现卫星和5G一体化组网的关键问题;目前，广泛采用的技术方向有大规模MIMO、新型多载波传输、5G空中接口技术等。

2）市场方面。在人们的传统观念中，卫星网络和5G网络互相竞争相互制衡，而现在卫星对5G网络正在从竞争转向相互合作发展，卫星网络提供回传服务，为远程基站的建设提供了便利，卫星网络已成为5G网络超远距离传输的补充。为基于双赢合作的星地一体化新商业模式带来了勃勃生机。

3. 卫星通信与5G融合的关键技术

由于卫星通信与5G无线通信在传输距离、覆盖广度、发射功率和性能等方面存在不同，为使它们相互融合，将会在功能实现上带来新的课题和挑战，以下通过几个方面简单介绍卫星和5G融合的关键技术内容包括体系架构、波束覆盖、空口波形、网络控制。

3.1 体系架构

卫星与5G的融合主要有三种架构。第一种是卫星与5G网络互相补充。在这种架构中，5G系统和卫星系统有相同的网管系统（如图3所示），而不同的是它们各自有独立的接入网络和核心网络，功能由卫星信关站提供。终端信号接入到5G系统或卫星系统完全由终端确定。第二种是卫星与5G网络混合网络。在此框架下，5G小区和卫星共用网管中心，而空间端口部分采用统一接口协议，保持各自核心网和使用频段的独立性。终端可支持5G和卫星两种接入方式。第三种是卫星与5G网络同步组网。其主要特点是：空口协议、频率资源、传输资源、核心网络进行全网规划设计和工程施工，终端具备可智能软切换接入5G系统或卫星系统能力。

3.2 波束覆盖

在星地融合移动通信系统中，数字波束成形（DBF）技术常常被采用，其主要是通过调整其点波束和无线资源，集中为热点地区提供超过预定容量的话音和数据服务。目前，卫星通信在数字波束应用上主要有星载DBF、地面DBF和混合DBF形式。

3.3 空口波形

采用5G系统的正交频分复用（OFDM）方式，会对载波间产生严重干扰（ICI）并会影响系统的性能。从而提出了非正交多址接入（NOMA）方式，来解决单用户独占资源的难题。用户可以同时发送和接收非正交资源的信息。基于多用户联合检测，可以通过信号处理的手段避免终端间的互相干扰。采用非正交多址接入NOMA技术后，相比正交接入技术可以大大提高频谱利用率，实测能够提高3倍以上。

3.4 网络控制

通过SDN和NFV技术进行端到端网络切片是5G系统网络云控制的最大特点。SDN和NFV技术将网络承载、网络控制和核心网网元实现软件化，为网络切片的实现提供了坚实的基础。卫星系统为了与5G的融合，在满足9种基础网络能力基础上，还增加了非3GPP互联互通功能和用户平面等功能。

4. 卫星通信与5G融合之后的应用

卫星通信与5G技术的融合后，为用户提供了无缝通信交换服务。一是移动通信的应用，只要移动终端具备连接5G信号的功能，就可以不受地形限制接入5G网络。二是在物联网上的应用，信息通信将不受地域限制实现万物互联。

应用前景广阔，可在未来实现多种能力包括（定位、导航、授时、遥感、物联网、通信）。在未来宇宙空间中的互联网会呈现成百上千个巨型星座群，对超大规模星座通信网络的异构性、协作性和环境敏感性提出了更高的要求，并期望未来系统可对多个领域、多个维度、多关联度的支持，为星座间真正实现全互联互通，提高超大星座网络协调稳定运行奠定基础。

未来卫星网络结构将变得越来越庞大和异构，业务类型和应用场景将变得越来越复杂和多样化，充分利用基于人工智能的6G（“AI人工智能+地面通信网络+卫星星座网络”）来解决这一复杂场景几乎是必经之路。

5. 结语

综上所述，一旦卫星通信与5G通信融合之后实现“天地一体化”，每位移动用戶将会使用到更廉价、高速、便捷的网络服务，并能够进一步促进互联网和物联网公共发展，为打造全方位数字经济提供了关键阻力。在未来卫星和5G将会在无人驾驶、航空通讯、高铁通讯和船舶等场景大展拳脚。

参考文献：

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