北斗+5G開啟智慧新時代

文|李殿赟 北斗航天衛星應用科技集團有限公司

一、引言

2020年注定是不平凡的一年，新年伊始，一場新冠病毒肺炎席卷全球，各國人民眾志成城，共克時艱，已經取得了抗擊肺炎的階段性勝利。根據2003年非典的經驗，疫情過后，經濟將會報復性增長，而我國的兩大“國之重器”，北斗和5G都將在今年隆重登場，必將成位經濟快速增長的“雙引擎”。

二、北斗全球衛星導航系統建成

2020年6月，最后一顆北斗三號衛星發射升空，北斗三號系統完成全球組網，提前半年完成北斗全球導航系統建設。

北斗系統是采用地球靜止軌道（GEO）、中地球軌道（MEO）、傾斜地球同步軌道（IGSO）三種軌道衛星組成的混合星座，與其他衛星導航系統相比，具有衛星數量多、高軌衛星更多的優勢。因此抗遮擋能力強，特別是在低緯度地區優勢會更加明顯。而且北斗系統特有“星間鏈路”的功能，不需要像GPS一樣全球建地面站，自身就可以使星座中的衛星相連，并通過衛星間的位置相互定位。同時，北斗系統還融合了導航與通信能力，能提供定位導航授時、全球短報文通信、國際搜救、星基增強、地基增強、精密單點定位和區域短報文通信七種服務。

三、5G建設提速

根據國際電信聯盟（ITU）的定義，5G的三大典型應用場景包括增強型移動互聯網業務（eMBB）、超高可靠性與超低時延業務（uRLLC）、海量連接的物聯網業務（mMTC）。5G與4G相比，具有“大帶寬、低延時、高可靠、低功耗、海連接”的特點。2019年6月6日，工信部向中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電發放了4張5G商用牌照，5G建設全面鋪開。今年5G將迎來大規模建設，5G基站數量有望再創新高。四家運營商的5G基站建設規模將達到60萬個。

四、北斗與5G融合

北斗和5G，表面上天地一方，各自發展，實際上，它們具有天然的淵源（同為無線電技術應用），注定產生交集。兩者在深度融合的同時，也將相互賦能，彼此增強，可以產生感知、學習、認知、決策、調控五大能力，讓全球性分布的物理設備，能在智能感知的基礎上具有計算、通信、協同、控制和自治等功能，將給人們帶來更為廣闊的應用場景。北斗系統和5G結合，將充分發揮北斗系統融網絡、融技術、融服務、融終端、融應用的天然特性，實現北斗系統在信息領域深度應用。“北斗+5G”有機融合將成為高精度、高可靠、高安全的新一代信息時空體系，實現物聯網的可感知、可測量、可計算、可控制，支撐大數據、云計算、人工智能等互相融合，提供基于“高精度定位、高精準時間、高清晰圖像”的能力，為智慧城市、智慧制造、智慧農業、智慧氣象、智慧海洋、智慧國土和智慧家庭等領域提供全新的服務。

1．北斗是5G信息安全的基礎保障

目前，GPS在全球得到廣泛的應用，通過免費開放，在市場上取得絕對壟斷地位。不僅在民用領域的出行導航、網約車、購物、精準推送等方面需要GPS，即使在關系國計民生的通信、電力、金融等授時也依賴于GPS。但是，過于依靠GPS是非常危險的，因為GPS受控于美國，一旦GPS信號被人為地關閉、干擾或者發送錯誤的定位信號，不僅會帶來不能共享位置信息、不能正確導航等小小的不便，更可能會給國家安全造成致命的威脅。例如移動通信、電力調度、金融證券等涉及國計民生的行業將會遭受重創。

為保障移動通信正常工作，需要精準的授時和嚴格的時間同步。然而，我國的通信基站目前基本上是以GPS為時鐘源進行授時和同步。如果GPS信號被切斷或者干擾，信息安全將會遭受重大威脅，移動通信系統將無法工作。因此，我國的5G移動基站建設將全面使用北斗授時，而北斗的授時也是全球四大衛星導航系統中精度最高、方式最多的。

根據規劃，2020年將是北斗全球服務和5G大規模商用的元年，這并不是時間上的巧合，而是北斗和5G的彼此需要。北斗和5G的融合“勢在必行”，這是我國信息基礎設施安全可靠必備的基礎保障。

2．5G可解決北斗信號被遮擋的難題

5G移動通信業的安全發展，需要北斗衛星系統來支撐和保障，反過來，北斗衛星系統也需要得到5G的支撐。所有衛星導航系統，都存在一個共同難題，就是因為衛星與地球的距離太遠，衛星信號無法穿透屋頂、橋面等建筑物。也就是說，衛星信號很容易被遮擋，而一旦信號被遮擋，那就無法提供服務了。

然而，人們80%的活動是在室內，也就是說位置服務最多的應用場景恰恰是來自于室內。雖然空中有衛星定位系統，但是在隧道、地下車庫、室內等“最后一公里”的應用中，衛星定位系統就遇上了大麻煩。北斗和5G的融合，是業界公認解決這個問題的辦法，根據3GPP的規劃，Rel-17可以實現亞米級精度（比如0.3m以內的絕對精度要求），北斗與5G深度融合，形成“衛星廣域、5G局域”的局面，從而實現從室內到室外、從城市到無人區無縫連接的精準時空信息服務。

3．北斗+5G，把時空數字化服務無縫連接

通過北斗的短報文通信功能，可以覆蓋5G信號到達不了的區域，比如山川、大漠、林海、海洋等。通過5G可以把北斗的加速定位和增強信息傳送給大家，這個時候大家可以在秒級就實現自己的高精度定位。把北斗和5G融合在一起，實現從天上到地下的一個信息服務體系，這個體系可以獲得更精準、更可靠、更可用以及更低廉的成本等。

把這兩個系統融合在一起，需要在網絡級進行融合，把北斗的地基增強網絡和5G網絡融合到一起，使信息融合，互相支持，以便提供更好的服務；把導航、定位、授時服務和5G的服務融合到一起，使所有的信息采集都在精準時空下進行，使所有的活動都和時空關聯起來，通過5G物聯網技術，形成真正的“數字孿生”。特別是把終端和應用融合起來，在一個智能設備上就可以實現高精度的定位和服務。這既是網絡級的融合，衛星打天上，5G打地下，天上地下融為一體，用最小的成本覆蓋所有的廣域空間，也是信號的融合，在信號層面融合到一起，通過5G傳輸北斗的地基增強信號，甚至“偽衛星”信號，解決衛星信號的“室內場景”問題，使定位更準確、覆蓋無死角。

4．“通導一體”賦能更多行業快速發展

通信和導航是無線電技術應用的兩個分支，二者是密不可分的。從開始兩個應用的分離到現在的相互補充、相互促進、融合發展是一個必然的結果。北斗與5G的融合發展，回歸無線電技術的本質，既是行業發展的熱點、也是技術發展的必然趨勢。而許多行業應用場景的迫切需要，也是促進“北斗+5G”深度融合發展的直接動力，例如無人駕駛。無人駕駛需要移動狀態下的高精度定位支持，特別是在極端環境下的位置感知。例如，在冬天積雪覆蓋路面以及沒有車道的廣場、草原、沙漠等環境，沒有道路邊線，周圍又沒有供系統辨識的參照物，利用視覺傳感器和激光雷達無法做出相對定位，這時就需要衛星定位來救場。北斗衛星導航系統，不僅有北斗導航衛星，還有天基增強和地基增強系統，其定位精度可以達到移動實時厘米級、靜止毫米級，可為無人駕駛車輛在急轉彎路段的安全和舒適駕駛、節省自動駕駛的運算量和V2X通信中車輛的精確定位提供堅實的保障。

無人駕駛汽車，不僅要實現單車智能，而且要實現人、車、路、環境等全要素的自主感知、自主決策和自動控制。特別是車輛在高速運動中的控制，需要瞬間把信息送到相應的車上并實時做出正確的反應。這不僅需要終端間精確的時間同步，而且需要低時延、高可靠地把信息送到車上，進行智能判斷和車控反應。5G標準恰恰包含對5G時間敏感網絡（TSN）的原生支持，可支持5G聯網終端之間的精確時間同步，并具備對專網和增強型超可靠低時延通信（eURLLC）的支持，可實現高達99.9999%的可靠性和低至1ms的確定性低時延。同時具有基于距離群組和傳感器共享的可靠多播通信帶來的諸多優勢。所以，“北斗+5G”的搭配將為打造城市智能交通網絡和無人駕駛的發展插上騰飛的翅膀。

5．北斗+5G，生活更智能

隨著5G時代的到來，“北斗+5G”有望在機場調度、智能機器人、無人機、智慧建筑、智慧交通、車聯網和智慧物流等領域廣泛應用，將進一步促進北斗增值服務的應用普及和多樣化發展。北斗導航技術將會融入生活的方方面面，市民將來無論是在室外還是在室內都可以進行精準定位和導航。

根據3GPP的規劃，引入5G物聯網技術，更好地支持海量物聯網，從eMTC到FeMTC再到eFeMTC，還有窄帶物聯網（NB-IoT）都可以演進至5G。未來各種各樣的產品都將接入到網絡中形成智能生活的一部分。我們生活中的腕表、手環、手機、眼鏡、衣服、腰帶、鞋子、門鎖、窗簾、電視、空調、冰箱、洗衣機、空氣凈化器、加濕器、井蓋、垃圾桶、圍欄、站牌、廣告牌、路燈等都可以接入網絡，成為智能產品并進行智能控制和管理。可以說，我們生活中每一個產品都有可能通過5G接入網絡，通過5G+北斗可以讓這些設備都成為具有精準時空信息的智能設備，最終形成真正的數字孿生。

五、小結

北斗和5G的發展正在如火如荼地進行，它們是并行發展的，現在是把兩者融合在一起的最佳時機。要使兩個“國之重器”同時提供服務，需要從標準、信號和應用等幾個層面進行融合，最終形成空、天、地一體的智慧感知與傳輸，并通過云計算和大數據技術實現海量時空數據的分析、挖掘和智能化處理。5G帶來的移動物聯網革命，將推動北斗及時空信息應用的泛在化。北斗系統的廣泛應用，助力5G在提升我們國家安全的同時，也會打造出智能時代的時空基礎設施，賦能各行各業，推動數字化和智慧化的快速發展。