論衛星通信與5G融合系統的發展

陸冬妹

摘 要 隨著通信技術的不斷發展，5G技術的運用已經較為成熟，即將進入商用時代。衛星通信具有天然優勢，是未來移動通信的重要組成部分。基于此，應充分運用5G技術的優勢，更好的發展衛星通信技術。本文對5G技術的優勢進行了分析，并對衛星通信與5G的融合途徑進行了闡述，分析了二者在融合過程中所面臨的挑戰，最后對未來衛星通信與5G融合系統的發展進行了展望。

關鍵詞 5G 衛星通信 融合 核心技術

中圖分類號：TN927 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）12-0009-02

5G技術和4G技術相比，擁有許多先進的技術，為融合地面網絡和衛星網絡夯實了基礎。目前，陸地通信一項最基礎的設施，就是5G系統，它能夠將低空和近海進行局部無線覆蓋，但是對于遠海和高空尚未包括，也無法實現全球覆蓋。而衛星通信系統具有三維廣域覆蓋的特點，對于一些特殊地區比較適用，如高空、遠洋、荒漠和極地等，因此需要加快二者之間的融合。從衛星的角度而言，物聯網的誕生，加速了衛星與5G的融合。隨著我國目前廣泛的應用5G技術，當前社會研究的一項熱點就是衛星通信與5G的融合。為了與5G時代更好的適應，需要將5G與衛星通信的融合研究進一步加大。

1 5G的優勢

首先，高可靠低延遲通信、大規模機器通信和增強的移動寬帶是5G的三大應用場景定義，5G能夠對多樣化的業務需求給予最大化的滿足。在5G時代，需要緊密相連人與物、物與物，最終實現萬物相連;其次，5G支持有著非常廣泛的工作頻段。在5G網絡中，弱化了核心網，網絡功能向網絡邊緣下沉。這時通過相關軟件的有效運用，可對網絡、網絡功能虛擬化等技術重新定義，由此實現網絡資源的分配與管控能力的進一步增強;最后，5G有著更加穩定的傳輸，并明顯提高了傳輸速度和傳輸穩定性，將5G的應用范圍進一步拓寬。[1]

2 衛星通信與5G的融合途徑

2.1 構建融合架構

通過深入研究我國空間信息網絡規劃，能夠預測到未來我國衛星通信系統的核心，將是高、低軌衛星混合軌道設計。通過對高頻段、低頻段多波束天線的有效利用，使寬帶傳輸功能得以實現。而終端用戶在使用過程中，就可以隨意切換不同的蜂窩熱點，利用5G技術還能夠協調干擾管理和頻譜配置。具體而言，衛星系統主要體現在以下幾個方面的融合：

1.覆蓋融合。地面網絡由衛星網絡進行補充，但是二者之間具有相互獨立的業務，并且由不同的業務提供，還對不同的技術進行使用。

2.業務融合。目前，仍獨立存在著地面網絡、衛星網絡，但是它們所提供的業務質量是相同的，同時部分服務有著共同的QoS指標。

3.用戶融合。用戶可以根據結合自身的實際需求，對地面網絡和衛星網絡進行選擇，二者有著基本相同的計費方式。[2]

4.體制融合。兩者之間所采用的交換技術、傳輸和架構是相同的。其中用戶終端、關口站等，需要運用地面網絡技術。

5.系統融合。作為一個整體，兩者所構成的服務是相同的。通過協調二者的資源，提供相同的質量和服務，使用戶能夠無縫切換使用衛星網絡、地面網絡。

2.2 主要進行二者的互通

在一段時期內，地面互通是衛星網絡的主要業務發展方向。在5G背景下，衛星轉發業務依然是架構體系的研究方向。并且在研究過程中，還要對衛星及地面、衛星及衛星等問題進行大力解決，以真正實現衛星不落地的呼叫和交換等。

2.3 對于空中接口重新設計

在5G背景下，空中5G所采用的設計方案，可與地面5G相同。而在這一過程中，如果采用雙工模式，則通過不斷運動波光和衛星，會使定時難度增加，并且會限制MIMO在衛星中的使用。同時，在設計波形的過程中，還要對信道模型的特性適配、封峰均比進行切實考慮。最后，在定時方面，可根據位置進行延時補償，將波束中心、波束邊緣的用戶延時差進一步縮短。[3]

3 衛星通信與5G的融合面臨的挑戰

現階段，還有待于制定和驗證5G的標準。通過分析5G所涉及到的各項業務和指標，發現二者之間融合必將會面臨更大的挑戰。由于在傳輸的信道和部署的環境上，二者之間都有很大的差異存在，因此在設計融合系統中，應對這些問題充分考慮。目前，衛星通信與5G的融合面臨的挑戰主要表現在下述幾個方面。

3.1 關鍵技術的挑戰

5G與衛星系統的融合并非在短時間內就可以完成，需要進行大量的可行性驗證工作。而作為最新的移動通信系統，5G在將前幾代通信系統的優點保留的前提下，還將新的關鍵技術融入其中。現階段亟待解決的重要課題，就是如何緊密結合這些技術和衛星系統的使用。而空中接口設計，能夠將衛星和5G融合過程中無縫切換問題和漫游問題得到有效解決。還能將用戶設備的體積減少，并且將終端的功耗損降低。新型的5G空中接口，所運用的框架比較靈活，能夠與不同的移動性、數據速度相結合，高效的多路傳輸5G服務。

3.2 傳輸體制的挑戰

通信過程中一個很常見的問題，就是多普勒頻移。在地面移動通信系統中，始終固定了運營商的網絡設備以及基站的位置，因為不斷移動的終端，而產生了多普勒頻移。而對于衛星而言，其終端一直處于高速運動和不斷變化之中，因此不能忽視多普勒頻移帶來的影響。在頻率管理與干擾方面，衛星系統能夠運用有限的頻譜資源。通常是通過多色復用，以實現資源利用率的不斷提高。而通信系統所關注的重點問題，就是干擾問題，這也是設計星地融合系統時需要重點關注的方面。[4]對于功率受限問題，由于衛星和地面有著不同的蜂窩網，所以必然會限制到衛星上的功率。因此，在系統設計上應重點考慮的問題，就是如何在限制功率的情況下，促進星地融合系統的吞吐量的不斷提高。對于非同步軌道衛星來講，高速運動會不斷改變無線傳輸鏈路時延，需要動態的更新定時提前問題，這樣才能同步上行鏈路傳輸在接收點處。另外，和地面移動通信系統相比較而言，衛星的時延要大得多，因此為了解決這個問題，就必須要采取適當的解決方法。

3.3 接入與資源管理的挑戰

由于在距離地面幾萬公里的軌道中運行，衛星長距離的軌道高度會導致在傳遞信息的過程中，有很大的時延差出現，遠遠大于5G所要求的時延標準，能夠單獨應用于長領域中。但是結合二者，會進一步增強網絡架構的性能，并且有更加簡化的互操性，從而得到更加靈活的星地融合網絡系統的功能。[5]

3.4 移動性管理的挑戰

在地面蜂窩網絡中，目前擁有的相對成熟研究就是位置更新和越區切換過程。因為衛星在天上一直處于不斷運動狀態，因此實施這個過程有一定的難度。在位置更新過程中，若是某一區域覆蓋衛星的波束，衛星接收地面的海關站發送的信息并完成相應的注冊工作。而在進入下一個區域時候，會將前一個區域的數據丟棄，并對當前區域的用戶信息進行接收，由此完成位置更新過程。對于星地融合系統而言，主要是有兩種切換類型：第一種是衛星與衛星之間的切換。為了防止數據在切換過程中丟失，必須將衛星間或波束間的切換過程快速完成;第二種是衛星與地面5G網絡之間的切換過程。因為有著非常復雜的5G系統，所以在切換過程中，應對多個方面的因素進行綜合考慮。

4 衛星通信與5G的融合展望

5G作為未來人類最重要的信息基礎設施建設，在全球范圍內進展迅速。而衛星通信界應利用星地一體化這一研究熱點問題，不斷進行突破和創新。隨著物聯網時代的到來，衛星與5G融合設計下的一個重點方向，就是LEO衛星星座的物聯網系統。通過有機的結合通信資費結算問題、“區塊鏈”技術和星地融合網絡，能很好的解決低軌衛星星座網絡急需要解決落地和跨境結算的問題，實現通信即結算。由于目前還沒有成熟的數字貨幣市場，當今脆弱的金融系統還不容易接受這種通信結算通過OKEN的形式，未來

還需要很長時間才能實現衛星與5G融合設計中結合區塊鏈技術。[6-7]

5 結論

在現代化背景下，若要將5G與衛星通信的融合加快，就要對5G、衛星通信的特點充分了解，與現代通信發展相結合，尋找最佳的5G與衛星通信的融合途徑及技術。而在未來相當長的時間內，還會將衛星系統的應用增加，通過對更多通信技術的采納與借鑒，緊密結合衛星通信系統與5G技術，從多個角度和方面，如具體部署、對象業務類型、衛星軌跡星座等，對服務架構方式充分考慮。通過緊密融合二者，促進衛星的整體水平與性能的不斷提升。通過新的衛星業務與市場的開辟，對終端用戶數與巨量移動業務市場進行分享。

參考文獻：

[1] 吳剛，陳伯龍，王譚，等.基于調頻信號的5G低軌衛星移動通信系統調制分類器設計[J].自動化與儀器儀表，2021 （01）：193-196.

[2] 解寧宇，汪進，王慧東，等.低軌衛星與5G融合應用及關鍵技術[J].郵電設計技術，2021（04）：10-14.

[3] 閆復利.5G+衛星融合通信應用研究[J].長江信息通信，2021（06）：22-24.

[4] 郭全興.衛星網絡與地面網絡融合的5G網絡架構研究[J].數字化用戶，2019（45）：9.

[5] 陳海波.探究低軌衛星如何更加有效地與5G技術相融合[J].通訊世界，2020（05）：81，83.

[6] 夏云飛，程子敬，潘越，等.從低軌互聯網星座淺談衛星通信新應用[J].衛星應用，2020（08）：49-51.

[7] 江丹，鮑峰.與5G融合的低軌星座饋電鏈路切換設計[J].無線互聯科技，2020（21）：52-56.