低軌衛星互聯網融合5G信息網絡分析

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一、引言

隨著5G時代的到來以及我國將衛星互聯網列入“新基建”范疇，移動通信將具備完善的產業鏈、巨大的用戶群體、靈活高效的應用服務模式。衛星通信系統與5G相互融合，取長補短，共同構建全球無縫覆蓋的海、陸、空一體化綜合通信網，可滿足用戶無處不在的多種業務需求，是未來移動通信發展的重要方向。5g作為全球新一代移動通信技術，具有大帶寬、低延時、廣連接、柔性組網等應用特性，也拉開了萬物智聯、數據泛在的帷幕。隨著“一網”（OneWeb）、“星鏈”（Starlink）等中低軌衛星星座全面推進和部署，衛星通信服務與互聯網業務相融合也進一步加快。相比地面移動通信網絡，衛星通信利用高、中、低軌衛星可實現廣域甚至全球覆蓋，可為全球用戶提供無差別的通信服務。同時，若地面5G體制及其演進技術也可很好地適應低軌衛星互聯網應用場景和業務需求的挑戰，衛星與5G的融合將充分發揮各自優勢，為用戶提供更全面優質的服務。

二、低軌衛星通信與5G融合的優勢與局限性分析

1.低軌衛星與5G通信的融合將為解決全球數字鴻溝問題提供解決方案低軌衛星通信面向特定區域、特定用戶群和特定應用，對于低密度用戶接入場景下的寬帶互聯和通信更具優勢，特別是接入點分散時的低成本優勢。5G由于技術或經濟因素難以滿足空中飛機及無人機、海上油井和船舶、森林防火及野生動物的視頻監控、天然氣管道及電力線路和鐵路沿線的巡檢、邊境線的防控等行業應用需求，而低軌衛星可解決5G地面通信偏遠地帶信號難以覆蓋的問題，解決陸地移動通信解決不了的偏遠地區、海洋、空間、荒漠與山區等寬帶通信問題，具有地面移動通信難以實現的獨特價值。此外，地面移動通信網絡在發生地震、海嘯等嚴重自然災害時容易受損而導致通信中斷，而衛星通信是危機情況下的重要應急通信手段。依托低軌寬帶通信衛星以及高機動、輕量化的5G專網，未來可為偏遠地區和應急通信場景提供無線通信保障，解決各個行業信息化、智能化的無線通信需求。低軌衛星寬帶通信系統與5G靈巧專網的融合，將能夠為極地科考、遠洋勘測探測等提供寬帶無線通信保障。同時它也能夠為應急、災害之后的救援提供寬帶信息保障?？梢?，隨著人類活動區域的擴大和數字經濟的出現，低軌衛星與5G通信的融合將為解決因移動通信發展造成的數字鴻溝問題提供可行的解決方案。2.面向不同應用場景需求低軌衛星通信與5G通信各具優勢面向萬物互聯應用場景，低軌衛星充分顯示其低功耗、全覆蓋的特征。針對沙漠與海洋等油井和天然氣井、采礦等野外作業、環境和氣候監測、貨運與交通長距離監測跟蹤、邊境和邊防的電子圍欄等行業應用場景，低軌衛星具有全球覆蓋和成本比較優勢。面向低時延高可靠應用場景，5G通信具有絕對的優勢。5G的空口時延是毫秒級；而低軌衛星的空口時延達數十毫秒，5G通信可充分滿足對于低時延、可靠性要求高的車聯網、工業互聯網等應用場景的要求。面向增強型移動寬帶應用場景，低軌衛星和5G通信各有優勢和側重。以“星鏈”為代表的低軌衛星優勢主要是服務于偏遠地區的住戶、空中的飛機乘客、海洋與大湖中船舶的船員和乘客、穿越荒漠的火車乘客、野外科考者等。大多數的衛星終端形態是機載、船載、車載的客戶端設備（CPE），提供WiFi接入；野外科考者利用便攜衛星終端直接通信。而對于城市普通用戶而言，5G手機的小體積、大帶寬和低資費仍具有絕對優勢。隨著低軌衛星星座的發展以及5G萬物互聯的推進，未來，低軌衛星通信和地面5G通信將形成相互補充相輔相成的關系。3.解決各個行業信息化、智能化的無線通信需求以低軌寬帶通信衛星星座為代表的衛星互聯網，因為具有全覆蓋、大帶寬、低時延、低成本等優勢，將成為5G乃至6G時代實現全球衛星通信網絡覆蓋的重要解決方案，成為航天、通信、互聯網產業融合發展的重要趨勢。目前，我國星座組網計劃正在有序推進。5G通信技術作為民用領域的代表性技術，向更高帶寬、更低時延、更大連接、更好的用戶體驗的方向發展演進，極大地滿足了各工業領域不斷增長的通信需求。一方面5G將滿足人們在居住、工作、休閑和交通等各種區域的多樣化業務需求，在密集住宅區、辦公室、體育場、地鐵、高鐵和廣域覆蓋等具有超高流量密度、超高連接數密度、超高移動性特征的場景，也可以為用戶提供超高清視頻、虛擬現實、增強現實、云桌面、在線游戲等極致業務體驗；另一方面衛星通信也將滲透到物聯網及各種行業領域，與工業設施、醫療儀器、交通工具等深度融合，有效滿足工業、醫療、交通等垂直行業的多樣化業務需求，實現真正的“萬物互聯”。當前互聯網發展正在從移動互聯網向物聯網轉變，物聯網要實現人、機、物智能通信，需要借助空中無線平臺甚至太空的衛星平臺，因此衛星互聯網對工業、農業、林業、應急、海洋、極地的信息化和智能化將產生深遠影響。2020年，我國將“衛星互聯網”納入新基建，專家預計到2030年，中國衛星互聯網市場總體規?？蛇_到千億元級別。4.衛星通信和地面移動通信均面臨資源受限的問題衛星通信和地面移動通信都是資源受限系統。衛星通信除稀缺的頻譜資源外，還有衛星軌道資源受限?！靶擎湣钡纳先f顆低軌衛星計劃分布在340～1300km軌道，但軌道位置是有限的，不可以無限制隨意部署衛星。衛星軌道資源和頻譜資源一樣，都需要ITU的批準和協調。衛星互聯網建設競爭激烈，“星鏈”計劃由約42000顆衛星組成，“一網”星座計劃將由約900顆衛星組成。衛星互聯網需要如此之多的衛星主要由于單顆低軌寬帶衛星信號覆蓋范圍有限，需要大量的衛星相互配合，在太空中編織出一張能夠將地面無縫覆蓋的大網。從通信系統角度分析低軌衛星通信的頻率與軌道資源、系統容量、建設和運維成本等，若其要服務全球網民還有較大差距。

三、發展基于5G的低軌衛星通信系統關鍵技術

地面5G體制及其演進技術可很好地適應低軌衛星互聯網應用場景和業務需求的挑戰，將地面5G通信體制應用到衛星互聯網是網絡發展的趨勢。未來，可著眼于低軌衛星互聯網與5G融合建設，突破高動態快速切換、高多普勒頻移同步、高容量尋呼等關鍵技術，設計基于5G的低軌衛星互聯網通信體制、信關站，為面向全球的低延時、高帶寬、靈活組網的低軌通信提供技術支撐。1.面向低軌衛星通信的切換技術由于低軌衛星對地快速移動，使得衛星波束的覆蓋信號也快速移動和變化，導致終端在衛星、波束、信關站之間快速切換，通常切換間隔在幾秒到幾分鐘。針對低軌衛星網絡中存在的頻繁切換問題，研究低軌衛星移動通信系統中終端在激活態下的高性能切換技術，擬制高動態快速切換方案，確保在衛星高速移動下的業務連續性，切換時延達到毫秒級，能夠滿足星內、星間以及信關站間的快速切換性能，能夠實現低時延、高成功率和低信令負荷。2.面向低軌衛星通信的同步技術由于低軌衛星的快速移動會導致在所工作的高頻段上形成巨大的多普勒頻移和快速多普勒頻移變化率。高多普勒頻移及高變化率對衛星和地面通信的時頻同步和信號檢測、解調等鏈路傳輸帶來了較大的挑戰，使得終端接入衛星網絡過程中，無法快速、準確地捕獲網絡同步信號。針對巨大多普勒頻移和高變化率問題，研究高精度多普勒頻偏估計和補償技術，克服衛星通信網絡的傳輸鏈路由于多普勒偏移帶來的性能下降；研究下行同步方案和實現機制以及相關的信號設計，以實現快速地建立衛星和地面通信鏈路的時頻同步。3.面向低軌衛星通信的尋呼技術由于低軌衛星覆蓋波束的快速移動，使得覆蓋區域小區會發生快速變化，傳統的終端尋呼跟蹤方法、尋呼信號發送和實現機制不再有效。針對低軌衛星下尋呼效率問題，研究衛星移動通信系統中，衛星高速移動下的尋呼方案，滿足網絡快速和精準尋呼需求；研究在衛星廣覆蓋下的尋呼增強方案，以滿足大容量駐留用戶的需求。4.面向低軌衛星互聯網的信關站由于信關站負責地面網絡與衛星網絡的通信，針對信關站與5G網絡之間的頻譜干擾問題，研究信關站與5G網絡虛擬化，將二者融合為統一云平臺為終端提供服務，優化服務提供、頻譜配置、用戶切換管理等需求；研究實現5G網絡與低軌衛星網絡之間在物理層解決方案、接口架構、核心網結構、鑒權管理解決方案、基于3GPP標準的協議和資源控制、通用地面無線接入體系結構和接口協議規范等，以滿足通信體制和系統的融合需求。

四、基于5G的低軌衛星通信系統應用前景

未來低軌衛星與5G融合應用研究可著眼于將5G關鍵技術點同低軌衛星應用需求相結合，立足于具體的行業應用場景進行有針對性的研究。未來可以持續關注物聯網、機動通信、毫米波通信及衛星通信等領域。現就面向行業典型應用場景，探討5G通信技術可能的應用前景。1.寬帶大容量綜合接入的應用場景5G的大規模天線技術可以很好地滿足系統高容量、高能效和高用戶體驗吞吐量的需求；以鏈路級調制編碼、鏈路自適應、網絡編碼為主的先進編碼調制技術可以在大帶寬、高容量的場景下很好地兼顧性能和頻譜效率，對不同的碼長保持穩定的性能增益，結合先進的路由策略和信道設計可以很好地降低多節點協作傳輸時的節點間干擾，提升系統容量；5G的高頻段通信充分利用6GHz以上的無線頻譜，可用頻率范圍大，帶寬資源豐富，可以滿足頻率帶寬的擴大要求，能在室內與室外、視距與非視距等場景中穩定工作；D2D通信是一種近距離用戶之間使用可以直接傳輸而無需經過基站控制轉發的通信技術，允許用戶直接實現端到端的通信以達到保持正常通信或擴容等目的，更可以在基站設備故障、停電及人為破壞后蜂窩系統癱瘓時發揮重大作用；基于5G的虛擬化網絡架構，通過通用的硬件平臺，以軟件定義網絡和網絡功能虛擬化為主要技術，可以構建聯合衛星通信、升空通信平臺、地面終端、車載中心站和固定宏基站的一體化的網絡架構，實現與短波、超短波、衛星等現有通信網絡的互聯互通，適應通信高速化、寬帶化、網絡化和天空地一體化的發展需求。2.時延敏感和高可靠性的應用場景5G的低時延高可靠通信技術是一系列技術協同配合的結果，具體而言，可利用5G的新型幀結構設計思路降低通信的端到端時延；利用5G的免調度傳輸技術降低甚至消除調度時延；利用優化的HARQ機制和自包含的幀結構提高傳輸可靠性并降低反饋開銷和反饋時延；利用高效的調制編碼技術提高通信的抗干擾能力，提高首次傳輸可靠性。此外，5G通信系統和設備必須具備抗干擾、抗截獲等能力，確保在復雜對抗環境下重要業務的不間斷通信和可信可靠服務。3.低功耗大連接的應用場景5G提出的低功耗、大連接的通信面向萬物互聯場景，使對真實世界的精確數字化感知成為可能，再結合大數據分析、人工智能等技術，可創造出許多新的業務模式和價值增長點。該技術行業應用主要體現在態勢感知中。未來的物聯網、工業互聯網等行業需要具備連接大量終端的能力，工作在統一的網絡體制下支撐異構數據的融合能力，管理設備功耗低、覆蓋范圍廣等能力；行業信息感知也會向信息網絡化、決策智能化、作業自動化、管理科學化、無人值守化方向發展；而未來的廣域態勢感知系統也存在著廣覆蓋、大連接等特點。上述需求均需要一種能夠在有限資源上提供較多接入能力、且極低功耗的通信手段，而5G的低功耗大連接技術和低軌衛星的全覆蓋能力相融合則可以滿足這一需求。利用超密集組網技術實現廣域密集接入和大量節點接入，在有限的資源上實現大量通信節點的接入和目標的廣域覆蓋。4.按需定制的應用場景5G是面向場景、以用戶為中心的網絡，希望根據用戶的行為方式、用戶所在的位置、用戶接入網絡的特點、終端的能力等去感知用戶的需求和用戶業務的特征，并實現網絡的按需定制，為每個用戶業務的傳輸提供最好的服務。未來通信網絡同樣遵循按需提供服務的原則，因此，在充分考慮網絡安全因素的前提下，5G網絡服務能力及其對應的組網技術與上述未來行業通信網絡需求在很大程度上可以匹配在一起，形成多個行業通信網絡解決方案。

五、結語

低軌衛星通信與5G移動網絡融合，不僅能以更經濟的方式補充地面網絡覆蓋，還可將先進的蜂窩網絡技術引入衛星通信，有效解決衛星通信面臨的容量、工程部署、移動性等問題。兩者的融合應用不僅擴展通信網絡的覆蓋范圍，為用戶提供覆蓋更廣、速率更快的通信網絡接入服務，全方位提高衛星和地面通信服務水平，實現天地一體化的通信服務保障，有效滿足未來各種應用場景的需求，更重要的是，低軌衛星通信還可以借助移動通信數萬億的產業規模，通過產業鏈共享來加速產業繁榮。

作者：李虹 孫一中 賀玉 單位：中國航天系統科學與工程研究院 中國信息通信研究院