寬帶無線自組網與衛星移動通信的融合應用

● 文 |北京海萊特科技有限公司 羅常青

一、引言

近年來，物聯網、人工智能與大數據應用的持續火熱，催生了對5G移動通信和全球衛星通信系統的迫切需求。2017年以來，全球在5G移動通信網絡的試點建設以及全球星座衛星系統的推進方面不遺余力。全球衛星通信系統方面，一網公司（OneWeb）、加拿大電信公司（Telesat）以及挪威航天有限公司（Space Norway）已經準入美國的市場，“下一代銥星”星座（Iridium NEXT）開始部署，中國航天科技集團有限公司與中國航天科工集團有限公司也分別提出了全球星座衛星通信系統計劃。隨著我國各衛星通信系統建設的推進，充分發揮衛星移動通信系統的優勢，與地面無線系統進行融合應用，對于未來衛星移動通信系統的市場推廣具有十分重要的意義。

本文在介紹衛星移動通信系統與應用現狀的基礎上，詳細介紹了寬帶無線自組網系統技術與應用，探討衛星移動通信與寬帶無線自組網的融合應用，并對未來的技術與應用的發展趨勢進行了預測。

二、衛星移動通信系統應用的現狀

國外的衛星移動通信系統包括地球同步軌道（GEO）高軌和中低軌系統兩大類。各類系統支持航空、航海、車輛以及個人的移動通信應用，可在應急指揮、搶險救災、海事通信、野外作業等方面發揮巨大作用。

國際上常見的GEO高軌衛星移動通信系統有海事衛星、瑟拉亞（Thuraya）等，常用的中低軌衛星移動通信系統有銥星、全球星等。這些衛星移動通信系統在全球或局部地區提供面向移動平臺和個人的衛星話音、數據等業務。

銥星系統代表當前低軌道星座系統先進水平，其新一代Iridium NEXT系統，除了支持陸海空運動平臺及個人的移動應用之外，還專門推出了面向物聯網（IOT）的應用。

海事衛星代表GEO全球衛星移動通信系統的先進水平，第五代海事衛星在L頻段全球覆蓋的同時，提供Ka頻段全球寬帶移動衛星通信網絡（Global Xpress），為全球海、陸、空提供寬帶、無縫、可靠的寬帶通信鏈路，支持機載、船載、車載、地面攜行等站型。

回聲星-21（EchoStarXXI）是一顆區域寬帶移動通信衛星，為歐盟各地提供衛星移動通信服務。系統采用3G移動空口標準，用戶鏈路采用S頻段，饋電鏈路Ka頻段，星上18m反射面天線，地面系統支持小型移動終端，支持包括公共保護及救災、機器到機器/人（M2M）和物聯網應用。

國內的衛星移動通信系統則大多以海事衛星和銥星等國外設備為主，主要應用在海事、應急、漁業、航空等領域。與此同時，利用衛星動中通設備實現移動中的衛星寬帶接入在國內已經發展多年，基于Ku/Ka頻段的車載、船載動中通產品在應急、運輸、海洋、軍事等行業具有成熟的系統應用。

隨著我國對通信與信息系統的自主可控要求越來越高，近年來，我國在S頻段自主衛星移動通信系統的建設方面不遺余力，以期盡快在國土及周邊海域范圍內，為國內軍警民各行業用戶提供安全可靠的衛星移動通信服務。

衛星移動通信系統具有廣域覆蓋、不受地理位置限制、不受天氣影響、系統網絡拓撲簡單、鏈路可靠等優點，支持面向單兵、移動平臺和無人平臺的話音和數據應用，可滿足各行業用戶與個人終端用戶的應急通信與專網通信的需求。然而，衛星移動通信系統在應用中也存在一些有待提升的地方，例如在都市密集區、室內、隧道、林區等遮蔽環境下的衛星鏈路下降或中斷，無法滿足某些低時延、高可靠性的區域范圍內的網狀網應用（如無人機編隊組網），長期使用產生的高額資費等，這些都限制了衛星移動通信系統的大規模應用。

針對上述衛星移動通信系統應用中存在的不足，一些衛星移動通信系統提供商一方面采用部署地面輔助設施（ATC）的方式，來增強衛星通信系統在地面區域的覆蓋；另一方面推出衛星/蜂窩雙模終端，使得用戶可以方便地在衛星通信系統和地面通信系統之間靈活切換，最大化系統應用的可用性和經濟性。

考慮到地面輔助設施的鋪設成本高、周期長，且需和地面電信運營商協調頻率資源，在一些快速部署與應急通信的場景中，這并不是最優的選擇。目前，將衛星移動通信系統（包括衛星動中通系統）與寬帶無線自組網結合，實現天地一體的融合應用，達成系統覆蓋范圍的延伸，系統網絡架構與產品型譜的縱深以及終端用戶體驗的提升，這是天地一體無線通信專網領域的發展趨勢。

三、寬帶無線自組網系統特點與應用

無線自組網是一種采用分布式、自組織的思想構成的無線網絡，不同于蜂窩移動通信等有中心基站的系統。無線自組網系統中每個節點都具備路由功能，隨時為其他節點的數據傳輸提供路由和中繼服務。

根據技術原理與應用場景不同，無線自組網分為Adhoc網絡和Mesh網絡。根據網絡承載的數據帶寬和業務類型，無線自組網又可劃分為窄帶無線自組網和寬帶無線自組網。窄帶無線自組網的數據帶寬最高為幾百Kbit/s，承載以窄帶話音和低速數據業務為主的業務，而寬帶無線自組網的數據帶寬自從1Mbit/s起到幾十Mbit/s不等，承載包括話音、數據和視頻等綜合業務。

寬帶無線自組網中的寬帶無線Mesh網絡根據底層傳輸協議的不同，可劃分為基于編碼的正交多載波調制的IP網狀網（COFDM IP Mesh）系統和基于IEEE802.11協議的網狀網（Wi-Fi Mesh）系統，其中COFDM IP Mesh系統采用私有的物理層傳輸與媒體接入協議，一般適用于高速移動和網絡拓撲快速動態變化的應用場景，Wi-Fi Mesh系統底層傳輸采用Wi-Fi協議標準，可利用成熟的商業芯片實現產品開發，適用于一些移動速度不高的無線寬帶接入應用。

COFDM IP Mesh寬帶無線自組網系統物理層采用專有的COFDM技術，可以有效對抗多徑衰落、多普勒頻移等效應，保證真正的移動中通信，保證如車輛、飛機和船舶等搭載平臺可在350km以上時速移動中進行實時雙向通信。節點之間均采用自適應調制編碼技術，可根據節點之間的鏈路質量自動選擇可用的最高調制編碼方式，實現在當前鏈路質量條件下的最高吞吐速率。上層采用靈活的接入與路由算法，網絡內的節點均具備自動多跳接力功能，擴展傳輸距離。任意兩個節點之間需要進行的信息傳輸，在節點之間因距離地形等因素限制的情況下，無法直接傳輸時，均可通過其他節點進行接力中繼傳輸。并具有路徑自由選擇、路由自動管理等功能，保證信息通過最短路徑進行傳輸，并根據節點之間的實時連接狀態選擇是否進行接力中繼傳輸和最優接力中繼路徑。

COFDM IP Mesh寬帶無線自組網系統內每個節點都可以為用戶提供IP接口和串口，用于用戶的視頻、音頻和數據等多種應用信息的接入和輸出。并可以通過IP接口與衛星通信、短波、超短波、3G/4G或地面網絡等其他網絡形式對接，實現網絡融合和現場音視頻數據向其他網絡的傳遞。系統可自動實現鏈狀網、星狀網以及混合網絡等多種網絡拓撲類型，滿足不同應用場景的需求。

COFDM IP Mesh寬帶無線自組網系統適用于現場快速部署、移動中，是班組團隊進行雙向戰術通信的最佳解決方案。系統具有快速自組織、快速自愈，終端設備體積小、質量輕、功耗低等特點，可為戰術班組、單兵、車輛、船只、無人機和空中平臺等提供寬帶多媒體雙向通信服務，可為武警、公安、消防、政府應急、電信運營商、林業、軍隊等用戶提供快速部署、高效可靠的戰術無線通信系統解決方案。

四、寬帶無線自組網與衛星移動通信的融合應用

寬帶無線自組網與衛星移動通信可在設備層面和系統層面進行不同層次的融合。

1.設備層面的融合

為了有效結合寬帶無線自組網和衛星移動通信的優點，提升終端設備的綜合使用效能，可將衛星移動通信和寬帶無線自組網等多種功能集成到一個終端設備中。衛星移動通信與寬帶無線自組網雙模終端可分為雙通道雙待和單通道雙模兩種類型。其中單通道雙模可通過選擇將衛星移動通信或寬帶無線自組網的波形軟件加載到統一的硬件平臺上實現，在體積、功耗方面相比較雙通道終端更具優勢。這種衛星移動通信和寬帶無線自組網融合的多模終端在數字化單兵、無人化平臺等場景下具有廣闊的應用。

（1）數字化單兵

數字化單兵裝備是單兵從事信息化任務，在數字化戰場上使用的攻擊、防護、觀察、通信、定位高度集成化、“人機一體化”的多功能裝備。

寬帶無線自組網和衛星移動通信相結合，既可滿足數字化單兵對移動條件下小型化、低功耗的寬帶自組織通信的需求，與單兵信息裝備深度耦合，完成各種單兵采集數據與實時音視頻等業務的快速可靠的傳輸，實現單兵分組之間的協同通信，也可以通過衛星移動通信手段實現后方指揮所與單兵之間的指揮控制與情報回傳。

（2）無人化平臺

無人化平臺是具有自主機動能力，可在遠程操控和自主智能兩種模式下完成預定或應急響應的任務操作，集信息采集、傳輸與處理為一體的機電一體化裝備，常見的有無人機、無人車、無人艇等。

受限于安裝空間和輸出功率，無人化平臺對通信裝備的體積、功耗的要求十分嚴格，為了滿足多地域多任務的需求，無人化平臺對無線通信系統提出超視距和高機動的要求。衛星移動通信與寬帶無線自組網多模終端，可為無人化平臺在各種地形條件下提供遠距離、高可靠的安全鏈路，實現無人化平臺的姿態控制、指揮控制以及信息回傳。寬帶無線自組網主要實現無人化平臺編隊內部的數據鏈路與協同通信，而衛星移動通信則作為遠距離、超視距數據鏈路，實現最后的保底通信與可靠的指揮控制。

2.系統層面的融合

圖1 衛星移動通信與寬帶無線自組網系統融合應用

利用衛星移動通信系統和寬帶無線自組網系統構建一個天地一體無縫連接的移動通信專網，系統中各移動平臺和單兵節點既可以通過寬帶無線自組網實現局域范圍的無線寬帶接入，也可以通過車載、船載或機載等網關節點自適應接入衛星移動通信系統，實現廣域范圍的專網連接。衛星移動通信與寬帶無線自組網系統融合應用如圖1所示。

（1）智慧海洋

智慧海洋是智能化信息技術與海洋活動相結合，是海洋工業化與信息化的深度融合，近年來被提升到國家戰略高度，各地方政府都在大力推進智慧海洋相關的工程建設。為了維護我國海上權益、解決海域資源爭端、建設海洋強國，可以無線寬帶自組網系統為依托，結合衛星移動通信技術、北斗衛星導航技術、IP語音組網技術和視頻監控等技術系統，構建一個遠洋動態監控與綜合服務平臺。

該綜合服務平臺將以衛星移動通信手段為干線傳輸網絡，由寬帶無線自組網實現全海域覆蓋、結合Wi-Fi專網等多種現場通信網絡，為用戶提供網絡接入服務、視頻采集服務、海洋數據信息采集服務等多種服務內容。該網絡具有網絡結構統一，網絡層次清晰，業務模式多樣，用戶需求各異等特點。該系統可在我國廣大海域上建立一套網格化傳感和通信網絡，為我國一帶一路建設和海上資源開發提供通信和數據信息支撐。

（2）智慧林業

在林區的日常管理中，在森林防火、外來人員管控、野生動物保護、應急救援、日常巡邏等各方面具體任務的執行過程中，在林區內提供廣域、高效、寬帶、可移動、多業務的通信覆蓋能力，從而實現對林區的實時有效的監控、巡護和管控，將極大提高林業管理效率。智慧林業林區巡邏監控組織應用如圖2所示。

整合寬帶無線自組網和第四代移動通信（LTE）公網等無線寬帶通信及衛星移動通信技術，構建一體化的信息感知與實時傳輸體系，實現智慧林業無線專網系統。網絡節點包括無人機、瞭望塔、監測站、傳感器、巡護車輛、巡護人員，各節點根據應用場景自適應地組成天地一體化互聯互通的自組織專網，主要實現如下功能：

① 實時多樣化林區監測

將林區內視頻、紅外、夜視微光等多種傳感器及有人值守瞭望臺站的數據信息回傳至后方指揮中心，進行實時監控探測。

② 林區巡邏監控指揮

為轄內林區巡邏隊及巡邏指揮車輛提供移動通信保障，與指揮中心實現雙向音視頻通信實時指揮，并提供無人機巡查等先進巡查手段。

圖2 智慧林業林區巡邏監控組織應用

③ 防火應急救援指揮

為消防滅火、人員搜救、搶險救災等應急處置現場提供現場天地一體無線專網通信服務并實現與后方指揮中心的音視頻通信指揮。

五、結束語

5G移動通信、全球衛星移動通信、無線自組網在不同時空的各種互聯節點上，或獨立組網，或融合應用，都在發揮著各自的優勢與作用。隨著通信技術的不斷發展與應用創新的持續推進，萬物互聯基礎上的融合應用一定是未來的發展趨勢。

無線自組網和衛星移動通信的深度融合，一方面取決于一體化寬帶天線、射頻及芯片等終端實現技術的進步；另一方面依賴于網絡感知、路由選擇等智能技術的不斷演進。或許在不遠的未來，衛星通信與無線自組網的界限將十分模糊，自組網衛星和衛星自組網將徹底改變現有的無線通信網絡體系架構，實現真正意義上的天地融合，無遠弗屆。