卫星通信与5G融合系统发展探究

2021-11-21韦鹏宽

无线互联科技 2021年1期

韦鹏宽

（海军士官学校，安徽蚌埠 233012）

0 引言

目前，5G系统已经成为最强大的数字管道和陆地通信基础设施。虽然通过射频手段，可以局部无线覆盖低空和近海，但是尚未包括高空和远海，没有实现全球覆盖。而卫星通信系统适合极地、荒漠、远洋、高空等特殊地区，具有三维广域覆盖的特点，因此，需要加快二者之间的融合。

1 5G和卫星通信发展情况

1.1 5G技术

2012年是5G的第一阶段，提出了5G的基本概念；2013—2014年是5G的第二阶段，重点关注了5G的关键能力、应用场景、愿景与需求等；2015—2016年是5G的第三阶段，主要考虑验证工作和开展关键技术的研究；2017—2020年是5G的第四阶段，验证了系统的可行性以及标准方案的制定，大幅度提高了5G的性能[1]。

1.2 卫星通信

卫星通信正逐渐迈向远洋与天空，在连接应用场景方面，具有一定优势，可以开发更多资源，促进了卫星通信类终端用户的发展，提供经济和便捷的服务连接。在卫星运行过程中，根据轨道高度，可以分为低轨卫星通信系统和地球同步卫星通信系统，最早研发的是GEO卫星系统，具有广阔的覆盖范围与较高的轨道高度，除了南北极之外，仅仅需要三颗卫星就可以覆盖全球多数区域，经过几十年的发展，我国卫星系统已经形成一定规模，例如亚太7号、9号、5C、6C等。此外，LEO卫星通信与GEO卫星通信相比，具有一定优势，可以增强消息的实效性，降低传输损耗，为小型化终端提供方便，有效调节GEO轨道频率与位置，实现全球覆盖。目前，国家LEO卫星通信系统尚处于发展阶段，仅有预期中的卫星系统，其中包括“行云工程”“鸿雁”系统、信息网络重大工程等，尚且没有低轨互联网星座系统。

2 融合场景与技术分析

2.1 融合场景

（1）中继到站。

在中继到站的场景中，卫星的作用主要是中继，将微型接收站设置在小区内，确保各小区和地面运营商间，始终拥有通信渠道，对不满足通信基站建设条件的小区而言，以卫星为依托，对通信进行保持，具有重要意义。现阶段，在抗灾的过程中，该场景较为常见，以地震为例，多数地震都会破坏通信设备，卫星可使灾区人民与外界保持联系，救援及后续工作的开展自然会变得十分便利。

（2）混合多播。

对混合多播而言，卫星所肩负的职责，通常与广播源相似，即运营商向卫星发送有广播需求的消息，再由卫星通过一对多的方式，确保消息被准确传递给不同区域，在保证通信质量的基础上，将通信成本降到最低。

（3）小区回传。

在该场景中，微型接收站成为小区向卫星发送各类消息的平台，再经由卫星向运营商网络进行转发，确保信息得到实时交互。

（4）动中通。

以车辆和飞机为代表的移动载体，通常会长期处于运动状态下，通过对卫星平台进行实时跟踪的方式，使数据、语音和其他信息得到持续传递，无论是应急通信，还是多媒体通信所提出的需求，均可因此而得到满足[2]。

（5）其他场景。

首先，服务对象是普遍场景。对我国偏远地区而言，要想建设通信设备，既要投入极高成本，又无法获得相应收益。此外，洪水等突发灾害，同样会破坏基础设施，导致网络无法正常使用。针对上述情况，多数用户均表达出了以卫星网络为依托，对5G服务进行访问，确保物联网节点能够有效接入的诉求。其次，服务对象是连续场景。正常来说，对地面网络部署起决定作用的因素是为人口密度，而非传统观念认为的地理区域，由此而引发的问题，主要是没有被地面网络所覆盖的区域，不具备访问5G服务的条件，这便是连续场景被提出的背景。该场景可使用户无缝切换5G与卫星的设想成为现实，无论是机载平台、海事平台，还是陆地移动平台，均可提供接入服务，这样可保证即便用户身处海洋、高山等特殊区域，仍然能够享受到所需的服务。最后，服务对象是可扩展场景。卫星网络和地面网络的差别，主要体现在覆盖范围上，卫星网络的覆盖范围更加广阔，通常可以达到数以万计的小区，这也是有关人员决定利用卫星对信息进行广播的原因，即在确保通信成本不会出现大幅增加的前提下，直接作用于相应设备。除此之外，卫星网络还可被用来对敏感数据进行广播，以地面网络为依托，完成流量卸载操作等。

2.2 核心技术

对5G技术、卫星系统进行融合，通常要经过一段时间才能初见成效，对可行性进行验证是不可或缺的环节。本文所研究5G是最新系统，这也表明其既对原有系统的优势进行了保留，又增添了全新技术，只有确保全新技术价值得到实现，才能达到融合的目的。下文将对新引入技术进行介绍，供有关人员参考。

2.2.1 组网服务

D2D是指以蓝牙和无线网络技术为依托，使终端设备直接通信成为可能的技术。对处于运行状态的卫星而言，极广的覆盖范围，导致相邻卫星带来干扰的情况变得较为常见，对D2D加以利用，可使干扰大幅减轻。除此之外，对通信网络与系统而言，随着通信链路被建立，对数据进行传输，将不再以中间设备、核心设备为依托，这样做可避免核心网络承担过大压力的情况出现，随着频谱吞吐量与利用率的提升，网络容量必然会得到扩大[3]。

作为分散运算架构的边缘计算，强调将海量数据向边缘节点进行分散并处理，由于边缘节点与终端装置相似，因此，这样做可使数据拥有更快的传送和处理效率，延迟问题自然会得到解决。在物联网发展势头迅猛的当下，如何使海量数据得到快速处理，已成为人们关注的焦点，这便是边缘计算诞生的背景。事实证明，充分利用边缘计算，可使系统对安全保护、实时业务与智能应用所提出要求得到满足。对星地融合系统而言，该技术的优势在于优化卫星能力，使其表现出更加理想的服务质量，上述内容应尤为注意。

2.2.2 空中接口

其一，4G所用多载波技术，主要是OFDM，该技术对宽带应用有理想的扩展效果，兼具低复杂性与高频谱效率。由此可见，对5G技术而言，该技术仍然作为首选波形而存在，但业务多元的5G，又对其提出了全新要求，即以新型技术为依托，对遮挡、多径等问题加以解决。

其二，5G适用编码方案，主要由控制信道方案与数据信道方案构成，其中，前者对应Polar码，后者对应LDPC码。星地融合业务均有较为突出的复杂性，例如，时延要求低及误码率低，只有对现有方案进行组合，才能使复杂业务所提出需求得到满足，因此，在条件允许的情况下，有关人员可对上文提到的两种方案进行综合运用。

2.2.3 网路虚拟部署

作为全新网络架构的软件定义网络，强调以OpenFlow为依托，在数据平面中，将路由器对应控制平面彻底分离，经由软件的方式加以实现。而文中提到的网络功能虚拟，同样是网络系统架构，强调以虚拟技术为依托，结合网络节点阶层所具备的功能，对功能区块进行分割，再借助软件将其实现，硬件架构所存在的问题得到有效解决。本文研究的SDN与NFV的互补性极强，这并不代表二者互相依赖，从某个层面来说，二者的适用领域不同，因此，在条件允许的情况下，有关人员可以对二者进行结合，确保网络架构拥有更为理想的性能，在简化互操作性的基础上，使运营及维护负担得到有效减轻。

3 未来展望

从卫星的角度来说，物联网的诞生，为5G与卫星的融合指明了方向，对向数百个国家提供服务的低轨卫星而言，现阶段，亟待解决的问题只有一个，即跨境结算。在这里不妨做出如下假设：将通信资费结算与区块链技术相结合，提出“通信即为结算”的概念，在对通信过程进行详细记录的基础上，借助数字货币，对通信费用进行计算。该假设可使跨境结算及相关问题得到有效解决。当然，对数字货币所形成市场仍有极大上升空间的现阶段而言，上文所提及通信结算要想成为现实，还要经过无数次的实践和优化，有关人员应对此引起重视。