5G与物联网卫星的融合通信及应用*

刘善彬，陈达伟，朱斌，王泽林，王光全

（1.中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048；2.北京电信规划设计院有限公司，北京 100048）

0 引言

5G 和卫星网络的融合，可以提供无处不在的移动网络接入，为地面5G 网络无法覆盖的场景，如海事、应急、物流、农业、生态环保等提供移动通信服务。物联网卫星系统作为卫星系统的一种，具备卫星制造及发射成本低、工作频率低、终端及模组功率低等优点，与5G 系统融合后可为各行各业提供各类物联网数据互通及短消息泛在通信的服务。

多数的物联网卫星是低轨卫星（LEO，Low Earth Orbit），由于其轨道高度低，更易实现地面终端直连卫星进行通信。3GPP 在R17 中针对IoT NTN（IoT Non-Terrestrial Network，基于非陆地网络的物联网）进行了时间和频率同步增强、非连续覆盖、控制和用户面增强方面的研究，在R18 中针对R17 遗留问题，如禁用HARQ（Hybrid Auto Repeat Request，混合自动重传请求）反馈、GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）长连接时间等问题进行了研究，同时对移动性增强、非连续覆盖增强等技术进行了研究。由于5G 网络与物联网卫星网络在网络结构、通信协议、通信流程等方面存在巨大差异，在现阶段为实现快速融合，业界普遍认为在双网间增加融合通信平台作为中间处理单元，能快速实现两张网络在短消息业务层面的互联互通，为用户提供全球范围内的泛在通信服务。

当前，基于北斗网络，国内已完成直连卫星手机终端的卫星短报文单向通信业务的应用。本文将着重分析5G 与物联网卫星的网络融合技术，为未来包括物联网在内的各类低轨卫星直连终端提供网络基础。

1 星地融合现状

目前我国在轨成熟运营的多为高轨卫星（GEO，Geostationary Earth Orbit）系统，如北斗、天通，因此星地融合技术也多发生在与高轨卫星融合领域，如北斗短报文融合通信系统目前已正式运营。高轨卫星相比低轨卫星而言确实有其覆盖优势，然而也存在传播时延大、终端发射功率大、易受干扰及“南山效应”等劣势。物联网卫星轨道高度多在700～1 500 km，运行周期为2～4 小时，相比于高轨卫星，物联网卫星具有轨道高度低、传输损耗小、时延低、发射功率小等优点，但它需要组网以实现全球覆盖，因而卫星数量多，且组网和控制切换等比较复杂。

物联网卫星通信系统发展的3 个阶段：一是单点数据传输阶段，此阶段的特征是卫星数量较少，只能以较长的时间间隔进行少量数据传输；二是多点数据传输阶段，此阶段卫星数量较多，能够比较及时地传输数据；三是实时数据传输阶段，卫星数量已满足全球无缝覆盖，可以实时进行数据传输。

物联网卫星通信系统，作为地面通信系统的补充和延伸，能够有效扩展地面通信系统的覆盖范围，并具有下列优点：

（1）组网后覆盖地域广，可实现全球覆盖，可广泛应用于峡谷、山区、丛林等区域，解决对地静止轨道卫星通信效果不佳问题；

（2）卫星的轨道高度低，使得传输延时短、路径损耗小，多个卫星组成的星座可以使得频率复用更有效；

（3）几乎不受天气、地理条件影响，可全天时全天候工作。系统抗毁性强，在自然灾害、突发事件等紧急情况下依旧能够正常工作；

（4）易于向大范围运动目标（飞机、舰船等）提供无间断、高质量的网络连接。

2 星地融合网络

2.1 融合通信网络的系统结构

物联网卫星由于其轨道高度低，更易实现终端直连。作为星地融合通信快速解决方案，融合通信平台可作为物联网卫星网络与地面网络的桥接平台，实现星、地系统间短消息的双向传输。图1为通过融合通信平台桥接的星地融合网络系统结构图。

图1 5G+物联网卫星融合通信系统

目前，双网互联互通后可在以下3个场景进行应用：

一是在物联网应用层面，可将卫星物联网终端的信息采集到运营商网络系统，与运营商物联网系统进行融合，并进行统一的管理。

二是可以实现单/多模终端与运营商平台间短消息（包括语音短消息）的双向通信，可在应急等场景进行应用。

三是实现在运营商5G网络无覆盖区域，单/多模终端之间通过卫星网络与地面运营商网络进行短消息的双向通信。

2.2 融合通信平台的功能组成

融合通信平台作为星、地网络的桥接平台，在星地网络之间传递各种信令、媒体层面的消息，其分层架构及主要功能模块如图2所示。

图2 融合通信平台分层架构

（1）鉴权功能模块，支持对终端、用户鉴权信令的处理和传递，在星、地网络之间传递鉴权信令。

（2）数据监测与采集功能模块，传递各类数据，包括位置数据、短消息数据及各类应用数据。

1）接口适配。完成融合通信平台与卫星网络、地面通信网络之间的数据接口适配功能，包括网络接口、文件接口、数据库接口、协议转换、数据路由等功能单元的设计与实现。

2）原始数据归类。包括数据集分管理、数据筛分管理、原始数据质量分析等功能单元的功能与实现。

3）数据治理。包括标准数据接口、元数据标引、标准命名管理、字段体系管理、字段映射管理、规则算法管理、异构转换等功能单元的设计与实现。

（3）数据存储与管理功能模块，负责对传输的数据进行解析、处理、分析和存储。

1）数据解析与预处理。包括在线数据解析、离线数据解析、公式脚本引擎单元、数据解析引擎单元等功能。

2）数据处理。包括数据清理、数据转换、数据特征单元、特征抽取分析等功能。

3）数据质量分析。包括数据的完整性、准确性、有效性、一致性、及时性等方面的分析功能。

4）参数数据融合。包括数据集成单元、数据变换单元等。

5）数据分类存储。包括行业类别数据库维护、数据存储引擎、数据持久化功能等。

（4）统一查询功能模块，负责通过各个维度对终端进行查询，包括按终端ID查询、按经纬度查询、按数据类型查询、组合查询等。

（5）双向短消息功能模块，负责对卫星通信系统和地面通信系统之间的短消息进行解析和双向传送。

1）短消息接收。将接收到的卫星系统短消息进行解析，并按照地面通信系统的接口协议进行封装后，推送给地面通信系统。

2）短消息发送。将接收到的地面通信系统的短消息进行解析，并按照卫星通信系统的协议进行封装后，推送给卫星通信系统。

3）短消息内容监控。按照监管要求进行消息中的敏感词识别与过滤，对包含非法字段的消息进行拒绝服务与警示提醒。

2.3 星地通信典型信令流程

在2.1节介绍的3类应用场景中，涉及到物联网数据传送及手机终端的鉴权、位置更新、双向短消息等信令流程，下面分别进行介绍。

（1）星地物联网数据传输。作为地面物联网的补充，卫星物联网终端将感知到的信息通过卫星系统传送至运营商，如图3所示。

图3 物联网数据传输

步骤①、②：物联网终端将传感器的数据通过卫星系统发送至融合通信平台；

步骤③、④：融合通信平台将感知数据传送给运营商核心网能力开放平台，并收到响应消息；

步骤⑤：运营商核心网能力开放平台将感知数据传送至第三方业务平台；

步骤⑥：融合通信平台将运营商的响应消息反馈给卫星系统。

（2）星地短消息双向传输

以地面移动通信网络现行标准认证方案为基础，当用户移动至无地面网络的场景下，通过物联网卫星网络与地面网络进行短消息的传递。

1）鉴权流程，如图4所示。

图4 鉴权流程

步骤①：用户终端向融合通信平台发起新联系业务请求；

步骤②：融合通信平台判断为手机终端后向运营商认证服务器发送认证消息；

步骤③：运营商认证服务器将认证信息返回给融合通信平台；

步骤④：融合通信平台将认证信息返回给卫星网络和终端；

步骤⑤：用户终端通过融合通信平台向运营商发送短消息。

2）位置更新流程，以用户发送卫星短消息为触发条件，由融合通信平台完成用户认证后，向运营商地面网络发送位置更新指令，由运营商对该用户卫星入网状态进行更新，如图5所示。

图5 位置更新流程

步骤①：终端接入卫星网络作为触发条件并完成用户认证；

步骤②：融合通信平台向地面运营商HLR/HSS发送位置更新消息；

步骤③：位置更新消息的响应。

3）上行短消息流程，卫星用户向地面运营商用户发送短消息，如图6所示。

图6 上行短消息流程

步骤①：卫星用户向融合通信平台发送短信，此过程触发用户鉴权流程。

步骤②：融合通信平台完成鉴权流程后，将短信内容向运营商短息中心进行投递。

步骤③、④：融合通信平台和运营商短信中心分别返回响应消息。

4）下行短消息流程，地面运营商用户向卫星用户发送短消息，如图7所示。

图7 下行短消息流程

步骤①、②：运营商短信中心收到下行短信后想HLR/HSS查询卫星用户的位置；

步骤③：运营商短信中心向融合通信平台发送短消息；

步骤④、⑤：融合通信平台通过卫星网络向卫星终端发送短消息；

步骤⑥：融合通信平台向运营商短信中心发送短消息响应。

2.4 关键技术

（1）安全边缘保护功能。融合通信平台作为5G网络、卫星网络的边缘网元，负责双网控制面接口上的安全策略管理，包括拓扑隐藏、消息过滤、访问控制以及错误检测和处理功能。在跨网通信时，平台应通过网元地址转换对双网屏蔽对方内部网元地址，同时通过访问控制实现对双网数据的校验、消息来源真实性的鉴别、请求消息使用范围的管理等。

（2）一号双网功能。以5G网络现行标准认证方案为基础，当终端运动至卫星网络下发起业务时，通过融合通信平台向5G网络认证服务器BSF发起鉴权请求，并通过BSF向归属用户服务器HSS获取鉴权向量，完成终端和网络的双向鉴权，实现5G用户在卫星网络下的身份认证。

（3）短消息加解密功能。终端在卫星网络下与融合通信平台进行短消息收发时，消息加密过程基于预埋密钥key和短消息，采用国密SM3、SM4算法进行特征提取与数据加密；平台侧解密过程基于预埋密钥的对称性，同样采用国密SM3、SM4算法对加密报文进行解密，实现短消息的加密传输。

3 星地融合应用领域

5G+物联网卫星融合通信系统可以广泛应用于航空、航海、物流、渔业、农业、电力、煤炭、应急等涉及国计民生的各领域，一方面，可为公众用户在应急场景下提供短消息通道服务（比如报警），另一方面，可为政府、企业用户提供全域场景下的各类物联网监测和预警服务，其主要应用场景如图8 所示。

图8 星地融合系统应用领域

3.1 海事监控及通信

海事船舶监控是5G+物联网卫星融合的典型应用，通过卫星数据回传，可提供船舶定位、跟踪、遇险呼叫、数据报告、实时动态查询及历史轨迹追踪等的多种应用和人员保护方案。

◆船舶数据采集，主要包括船舶位置、船舶运行轨迹、速度、航向等基本数据的采集；

◆提供船舶偏航报警、区域、超时报警等功能，船舶航行诊断、航行报告；

◆进行航运效率分析，并提供航运数据建模；

◆为港口测算距离，设计航线，监控航程等全方位航次管理与设计提供通信信息基础；

◆为船舶、港口、码头等提供海洋气候、潮汐等海事信息查询功能，提供高效率的协同工作平台。

3.2 应急抢险

5G+物联网卫星融合可为公众用户提供泛在接入通信能力，为野外旅游爱好者、探险者、渔民、野外勘探人员、游牧民等人员提供灾情预警、接收求救信息等功能。

◆将气象、火警、地震等灾情信息实时广播至灾害区域人员的手机终端；

◆可接收求救信号，锁定遇险人员经纬度位置，并与遇险人员进行双向通信；

◆指导遇险人员自救，并将救援安排、救援进度同步至遇险人员；

◆将现场灾情及救援进展实时传递至指挥中心。

4 结束语

从国内外通信组织研究进展来看，物联网卫星通信与5G通信密不可分，该领域已经成为未来6G通信的研究重点，ITU、3GPP、CCSA 等国内外标准组织也在不断推进该领域的标准研究活动。但目前5G 与物联网卫星是两套独立的标准体系，在标准和协议层面互不兼容，因此未来在标准和协议层面的融合将是研究的重点。在标准和协议融合之前，网络互通和业务融合更易实现，本文便是以此为切入点，介绍了5G 通信系统与物联网卫星系统通过融合通信平台进行跨系统的网络通信和业务应用，这种融合通信方式在现阶段是运营商和物联网卫星公司共同研发和落地的方向，同时也能给双方带来更加广阔的应用空间。

随着航天技术、人工智能、激光通信等新兴技术的不断发展，物联网卫星通信系统将不断完善其自身的星座组网及通信能力，像地面通信网络一样，其自身的带宽、时延和连接数量等能力将会不断提升，因此未来地面通信系统和物联网卫星系统的深度融合将带来更加丰富的应用场景，提供更加便捷高效的泛在通信服务。