高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡助力地面網(wǎng)絡恢復

孫志昆，楊向群，郭世玉，張 曉，趙 晨

（中國衛(wèi)通集團股份有限公司，北京 100094）

1 研究背景

近年來，我國進一步推動擴大光纖網(wǎng)絡規(guī)劃建設規(guī)模，旨在加速消除網(wǎng)絡覆蓋盲點，增強網(wǎng)絡質量，提升網(wǎng)絡安全供給與服務能力，下一代信息通信網(wǎng)絡工程建設不斷取得新進展。根據(jù)工信部最新統(tǒng)計的相關數(shù)據(jù)，“十三五”期間，信息通信行業(yè)總體保持平穩(wěn)較快發(fā)展態(tài)勢，主要規(guī)劃目標任務按期完成，網(wǎng)絡能力大幅提升，業(yè)務應用蓬勃發(fā)展，信息通信技術與經(jīng)濟社會融合步伐加快，行業(yè)治理能力顯著提升，安全保障能力不斷增強，數(shù)字紅利持續(xù)釋放，穩(wěn)投資、擴內需和增就業(yè)等作用日益突出，在經(jīng)濟社會發(fā)展中的戰(zhàn)略性、基礎性、先導性地位更加凸顯。信息通信行業(yè)收入規(guī)模穩(wěn)定增長，固定資產投資規(guī)模穩(wěn)中有升，5年累計超2萬億元。信息通信技術與經(jīng)濟社會融合程度不斷加深，拉動數(shù)字經(jīng)濟規(guī)模迅速擴大。

在2021年，我國新建光纜線路增加319萬千米，光纜線路全長已達到5 488萬千米，但隨著光纜的基礎建設逐步完備，我國新增光纜長度也逐步下降。目前，我國已建成全球規(guī)模最大的光纖和移動寬帶網(wǎng)絡，5G網(wǎng)絡規(guī)模商用。行政村通光纖和4G比例均超99%，為全面打贏脫貧攻堅戰(zhàn)提供堅實的網(wǎng)絡基礎。國家級互聯(lián)網(wǎng)骨干直聯(lián)點數(shù)量增至14個，國際通信網(wǎng)絡通達和服務能力持續(xù)增強，數(shù)據(jù)中心規(guī)模和能效水平大幅提升。固定寬帶和4G用戶端到端平均下載速率提高7倍，平均資費下降超過95%，促進互聯(lián)網(wǎng)新應用、新業(yè)態(tài)、新模式蓬勃發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)生活服務實現(xiàn)規(guī)?；茝V。創(chuàng)造性運用信息通信技術和大數(shù)據(jù)資源，有效保障疫情防控和復工復產[1]。

我國信息通信行業(yè)過去5年雖取得顯著成就，但還存在一些短板和弱項。我國地域遼闊，地理氣候條件多樣復雜，自然災害種類較多且發(fā)生頻繁，當災害發(fā)生時，經(jīng)常伴隨斷電、斷網(wǎng)、斷路和暴雨、洪水、高溫等極端情況，給災害現(xiàn)場的通信保障帶來很大困難，救援隊伍行進困難，在失去現(xiàn)場通信手段的情況下，救援工作難以高效有序地開展。在自然災害中通信中斷，一般有兩大原因：第一種是基站的關鍵配套設施出現(xiàn)問題，比如，自然災害破壞了供電設施、光纜等，導致基站無法連接通信網(wǎng)絡，淪為“孤島”。第二種是自然災害損壞了基站本身，基站無法承擔通信中繼功能，導致現(xiàn)場無法正常通信。2021年7月，河南省遭遇歷史罕見特大暴雨，發(fā)生嚴重洪澇災害，大量通信基礎設施受損，機房停電、基站退服、光纜被沖毀，使得大面積地區(qū)通信網(wǎng)絡中斷。此次災害共造成河南省150個縣（市、區(qū)）1 478.6萬人受災，因災死亡失蹤398人；直接經(jīng)濟損失1 200.6億元。據(jù)工信部統(tǒng)計，河南全省因災累計退服基站6.19萬個，受損光纜3 359條共3 500千米，影響固定網(wǎng)用戶數(shù)32.6萬戶，移動網(wǎng)用戶數(shù)97.7萬戶[2]。

所以，當公眾通信網(wǎng)絡因不可抗拒因素中斷后，應急通信就成為消除“通信孤島”的重要手段。在面臨災害時，如何增強現(xiàn)有公眾網(wǎng)絡的抗毀性和在應急情況下快速組網(wǎng)、機動覆蓋能力，以確保災害救援工作的順利開展，最大程度地挽回災害造成的人員和財產損失，已成為迫切需要解決的問題。近年來，衛(wèi)星通信系統(tǒng)在突發(fā)事故以及搶險救災等應急救援現(xiàn)場的有效運用漸漸發(fā)揮了非常重要的作用。特別是在由于嚴重災害而導致通信基站損毀的情況下，地面通信系統(tǒng)基本無法保障應急救援信息傳輸，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的優(yōu)勢逐漸顯露出來。衛(wèi)星通信具有不受地理環(huán)境影響、終端部署簡單、攜帶輕便等特點，極其適用于應急救災場景。災害發(fā)生后，災區(qū)地面公網(wǎng)鏈路受損、光纖斷開，導致運營商宏基站無法與核心網(wǎng)建立連接，基站處于癱瘓狀態(tài)，無法為現(xiàn)場群眾及救援人員提供運營商網(wǎng)絡覆蓋、語音通話等服務，此時，衛(wèi)星通信可以不受地面鏈路限制，通過空中鏈路，臨時替代地面光纖，快速打通通信鏈路以恢復通信服務，且衛(wèi)星通信進入高通量時代后，高通量衛(wèi)星傳輸帶寬大、速率高，可更好地提供大帶寬、大容量的服務，將基站與核心網(wǎng)打通，完成基站用戶數(shù)據(jù)的認證鑒權、轉發(fā)處理，滿足地震災害救援場景下受災群眾和救援人員的臨時公網(wǎng)通信需求，為運營商搶修通信鏈路贏得寶貴的時間，為災害救援工作的順利開展提供有效的保障[3]。

2 高通量衛(wèi)星的應用優(yōu)勢

Ka頻段高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡由Ka頻段高通量衛(wèi)星、多個衛(wèi)星信關站、衛(wèi)星網(wǎng)絡運營中心和Ka衛(wèi)星終端組成，用戶無須自建主站，只需自行配備衛(wèi)星終端，其他設備由衛(wèi)星運營商建設、運營監(jiān)控及提供技術應用服務。與其他衛(wèi)星通信方式網(wǎng)絡相比，高通量衛(wèi)星通信網(wǎng)絡主要具備以下優(yōu)勢。

（1）衛(wèi)星網(wǎng)絡點波束、頻率復用、系統(tǒng)容量大幅提升。通常，Ka頻段高通量衛(wèi)星采用多個點波束交叉的方式，相鄰波束之間采用不同頻率，提升了衛(wèi)星的可用通信容量。在同樣頻譜資源支持的條件下，整顆衛(wèi)星的通信容量是傳統(tǒng)固定通信衛(wèi)星的數(shù)倍。Ka高通量衛(wèi)星具有豐富的頻率資源，再加上頻率復用和點波束的設計，使得整個系統(tǒng)容量得到大幅提高，用戶數(shù)量擴大至數(shù)百萬。中星16號衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量可達20 Gbps，具備支撐大規(guī)模公網(wǎng)應用的服務能力。

（2）大帶寬、高速率。Ka頻段高通量衛(wèi)星可提供最大下行150 Mbps和上行12 Mbps的高速網(wǎng)絡服務，在SCPC模式下，上行速率可達20 Mbps甚至更高，相比于傳統(tǒng)大波束衛(wèi)星，系統(tǒng)傳輸速率有了顯著提升，可以有效支撐運營商4G/5G基站中繼回傳應用。

（3）衛(wèi)星網(wǎng)絡全IP、兼容性高。Ka頻段高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡為全IP設計，以適應與互聯(lián)網(wǎng)等地面網(wǎng)絡互聯(lián)互通的應用要求。由于靜止軌道衛(wèi)星傳輸時延方面的特殊原因，系統(tǒng)可以在客戶端和信關站兩端采用TCP加速、HTTP網(wǎng)頁協(xié)議優(yōu)化、IP包頭壓縮等技術來改善傳輸性能，便于和運營商的核心網(wǎng)進行對接，為用戶提供優(yōu)質的IP應用體驗。

（4）天線口徑小、質量輕、易攜帶。隨著通信頻段的不斷增加，終端天線口徑也在不斷減小，Ka頻段高通量衛(wèi)星便攜式終端最小口徑為0.45 m，且體積小、質量輕，最輕只有7.5 kg，可背負、便攜性好，同時在功耗方面相對傳統(tǒng)大波束衛(wèi)星終端也有大幅減小，可以通過多種手段快速抵達災害現(xiàn)場，并在無市電支撐的情況提供更長的保障時間。

我國首顆Ka高通量衛(wèi)星中星16號于2017年發(fā)射，服役5年來，在應急領域充分發(fā)揮其技術優(yōu)勢，可以很好地承擔現(xiàn)有光纖、4G/5G通信網(wǎng)絡的備份和補充作用，從機動便攜、通信容量等方面提升應急通信保障能力。結合其技術優(yōu)勢，主要有兩大應用能力。一是加強重要通信基站、通信光纜的常規(guī)備份能力，提升災害情況下的重要通信節(jié)點抗毀能力。有了高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)，用戶無須自建衛(wèi)星網(wǎng)絡，可靈活使用衛(wèi)星資源，大幅降低建設成本，并可利用高速率的通信帶寬，支撐常規(guī)4G/5G基站以及重要光纖備份傳輸。二是提高機動場景中的地面網(wǎng)絡應急通信保障能力，實現(xiàn)災害現(xiàn)場公網(wǎng)覆蓋的快速恢復。高通量衛(wèi)星通信終端具有功耗低、帶寬大、易集成、便攜性好等特點，可提升應急通信裝備的輕型化、集成化水平，實現(xiàn)通信應急車、便攜基站與高通量衛(wèi)星終端的高度集成，大幅提升應急通信保障的時效性和機動性[4]。

下面就針對高通量衛(wèi)星在基站備份和應急場景中快速恢復公網(wǎng)接入的三種解決方案進行闡述。

3 超級基站解決方案

如圖1所示，超級基站采用了光纖+衛(wèi)星的雙保險功能，可在地面公共通信傳輸光纜中斷等非常規(guī)情況下，自動應急切換成衛(wèi)星通信模式，實現(xiàn)基站覆蓋的瞬時恢復功能，保障市民正常打電話和政府對應急通信指揮的需求。并且超級基站的抗震土建建筑標準比當?shù)乜拐鹪O防烈度高一度，其相關基站和配套設施均滿足工信部的抗震測試標準；超級基站的天線通過設計改進、加固，大大提高了抗風、抗震防災等方面能力；超級基站還配置了大容量的蓄電池和自啟動油機，增強了保障供電能力，能夠在斷電、斷傳輸?shù)膽鼻闆r下保障正常通信，進一步提升公眾應急通信網(wǎng)絡應對重大突發(fā)事件的能力。

圖1 超級基站解決方案

相比于普通基站來講，超級基站除地面光纖外，還具備一條通往運營商核心網(wǎng)的鏈路，即衛(wèi)星鏈路，采用部署衛(wèi)星固定站的方式搭建，在災害發(fā)生導致地面光纖受損時，可以自動切換至衛(wèi)星鏈路，繼續(xù)提供手機通信服務。但基于傳統(tǒng)大波束衛(wèi)星的超級基站，通信鏈路受衛(wèi)星帶寬限制，多數(shù)只能工作在2G模式下。與此不同的是，高通量衛(wèi)星因其大帶寬優(yōu)勢，能夠為超級基站提供更大的傳輸帶寬，從而能夠支持4G/5G基站傳輸?shù)臉I(yè)務，擔任地面光纖鏈路備份的角色。

4 衛(wèi)星便攜站+宏基站解決方案

如圖2所示，采用衛(wèi)星便攜站+宏基站的形式，在災害發(fā)生道路受阻的情況下，僅需救援人員攜帶輕巧可背負的衛(wèi)星便攜站前往災害救援現(xiàn)場，與受災現(xiàn)場周邊現(xiàn)有的因光纜中斷退服的宏基站相結合，打通宏基站與運營商核心網(wǎng)之間的鏈路，為現(xiàn)場群眾及救援人員提供語音電話、互聯(lián)網(wǎng)接入等服務，實現(xiàn)快速組網(wǎng)、機動恢復的救援能力。

圖2 衛(wèi)星便攜站+宏基站解決方案

該網(wǎng)絡組成部分包括災害救援現(xiàn)場、高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡及運營商核心網(wǎng)。

（1）災害救援現(xiàn)場?？刹渴鹨惶谆蚨嗵仔l(wèi)星便攜站，與救援現(xiàn)場一臺或多臺宏基站通過網(wǎng)線連接使用，快速搭建衛(wèi)星鏈路傳輸基站數(shù)據(jù)業(yè)務，用戶手機即可重新接入該宏基站的運營商網(wǎng)絡。

（2）高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡。用戶業(yè)務數(shù)據(jù)經(jīng)由Ka高通量衛(wèi)星轉發(fā)至地面信關站，再通過地面專線傳輸至寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡運營中心，寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡運營中心可將用戶業(yè)務數(shù)據(jù)通過地面專線轉發(fā)至對應運營商核心網(wǎng)。

（3）運營商核心網(wǎng)。與寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡運營中心通過地面專線連接，負責對用戶業(yè)務數(shù)據(jù)進行響應和處理，完成語音通話、互聯(lián)網(wǎng)接入等業(yè)務。

5 融合型LTE衛(wèi)星便攜站解決方案

融合型LTE衛(wèi)星便攜站終端體積小、質量輕，并將衛(wèi)星便攜站與微基站設備集成為一體化，具有更高的機動性和靈活性，可滿足救援人員隨時隨地的公網(wǎng)通信需求，快速恢復救援隊伍附近的語音通話及互聯(lián)網(wǎng)接入等公網(wǎng)服務，支撐救災現(xiàn)場搜救工作。

該網(wǎng)絡架構如圖3所示，主要由融合型LTE衛(wèi)星便攜站、高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡、運營商核心網(wǎng)組成。融合型LTE衛(wèi)星便攜站可在災害發(fā)生后隨時攜帶至救災現(xiàn)場，經(jīng)過簡單、快速的部署，即可為災害現(xiàn)場提供一定區(qū)域的運營商網(wǎng)絡覆蓋。融合型-LTE衛(wèi)星便攜站可分為衛(wèi)星通信子模塊和寬帶通信子模塊。衛(wèi)星通信子模塊可實現(xiàn)對星上線功能，可通過高通量衛(wèi)星鏈路將寬帶通信子模塊與運營商核心網(wǎng)連接；寬帶通信子模塊可為災區(qū)當?shù)靥峁┮欢▍^(qū)域的無線信號覆蓋，能夠滿足覆蓋區(qū)域內用戶終端的接入。兩個子模塊相輔相成，合力為災區(qū)群眾提供運營商網(wǎng)絡通信服務，實現(xiàn)短信、語音以及互聯(lián)網(wǎng)接入等功能。

圖3 融合型LTE衛(wèi)星便攜站解決方案

災害救援現(xiàn)場可部署一套或多套融合型LTE衛(wèi)星便攜站，其覆蓋范圍內的用戶終端，如手機、平板等可插SIM卡的設備均可接入。用戶通信數(shù)據(jù)可由融合型LTE衛(wèi)星便攜站傳輸上星，經(jīng)由高通量衛(wèi)星轉發(fā)至地面信關站，再通過地面專線傳輸至寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡運營中心，最終再由地面專線或互聯(lián)網(wǎng)IPSec+小基站網(wǎng)關的形式，將數(shù)據(jù)傳輸至對應運營商核心網(wǎng)，以實現(xiàn)短信、語音、互聯(lián)網(wǎng)接入功能。

6 存在的問題及展望

在地面網(wǎng)絡恢復領域普及并應用衛(wèi)星技術，對于我國的災害事故處理來講非常有益，衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠高效實現(xiàn)應急通信鏈路的構建，以支撐信息的實時共享，從而在很大程度上加快救援速度并最大化降低災難損失[5]。高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡應用在國內正處于起步階段，我國第一顆Ka頻段高通量衛(wèi)星中星16號能夠覆蓋我國除西北、東北以外的大部分陸地和近海300 km海域，總通信容量約20 Gbps，單終端最高下行能力可達150 Mbps、上行能力最大為12 Mbps。后續(xù)我國還將計劃發(fā)射中星19、中星26等多顆Ka頻段高通量衛(wèi)星，其中，中星26號衛(wèi)星將與中星16號衛(wèi)星共同組網(wǎng)，覆蓋中國及周邊海域、俄羅斯部分地區(qū)、東南亞、印度尼西亞、印度、印度洋等區(qū)域，入列后可提供具備更高保障能力的高通量星隊組網(wǎng)通信服務，為地面網(wǎng)絡運營商提供更大的單站接入帶寬，終端最高下行能力可達450 Mbps、上行能力最大為100 Mbps，更好地為災害場景中的公網(wǎng)備份以及公網(wǎng)快速恢復等應用提供支撐?！?/p>