衛星通信與5G融合的網絡架構設計與優化

作者簡介：劉昊昱（1971— ），女，高級工程師，碩士；研究方向：衛星移動通信。

摘要：當前，衛星通信與5G技術應用日益廣泛。文章深入探討了二者間的融合發展情況及其在通信衛星、互聯網衛星和5G網絡架構設計中的應用，并進一步研究了融合中關鍵的體系架構優化、空口波形優化、頻譜共享優化和網絡控制優化等技術，以為促進我國衛星通信技術和5G技術的優化發展、提高整體通信領域的水平提供參考。

關鍵詞：衛星通信網絡；5G通信網絡；網絡架構融合；技術優化

中圖分類號：TN927" 文獻標志碼：A

0" 引言

隨著全球移動通信技術的不斷發展，衛星通信技術也迎來了新的發展機會。衛星通信技術與5G技術的融合，正在成為推動通信技術進步的主要力量。如今，雖然移動通信技術已經取得了顯著的成就，但地面移動通信系統依然存在一些限制，特別是在偏遠山區、廣大海域以及人口稀少的極地地區，覆蓋范圍存在明顯的盲區。因此，衛星通信技術的應用成為一種有效的解決方案。衛星通信與5G技術的深度融合，為構建一種全新的融合型通信系統奠定了基礎，將推動通信技術向全覆蓋和高效率的方向發展。

1" 衛星通信與5G技術概述

1.1" 衛星通信

衛星通信技術作為現代通信領域的重要組成部分，其核心主要由2大部分構成：通信衛星和地面站。衛星通信具有以下顯著優勢：（1）電波覆蓋范圍廣，遠距離通信能力強，可以實現超過18 000 km的有效通信距離。在衛星波束覆蓋區域內，所有用戶都可以通過衛星實現多址連接，進行實時通信。（2）衛星通信的傳播頻帶寬，通信容量大。通常使用1～10 GHz的微波頻段，可以在2點之間提供成千上萬的通話路徑，并支持中高速數據通道，數據傳輸速度可達數十Mbps甚至超過100 Mbps。（3）衛星通信的穩定性和可靠性高。大多數衛星鏈路位于大氣層之上，傳輸過程中的損耗較小，電波傳播相對穩定，不易受自然環境或人為因素影響，即使在磁暴或核爆等極端情況下，也能保持正常通信。

1.2" 5G 技術

5G技術的主要特點包括高速數據傳輸、低延遲以及能夠支持大量設備的連接。作為連接人類、機器和物聯網的橋梁，5G技術不僅在提高工作效率和質量方面發揮著至關重要的作用，而且在推動社會經濟發展方面具有深遠的影響。5G技術不僅需要解決常規的通信問題，還需為用戶提供更加卓越的通信體驗，包括增強現實和虛擬現實體驗。此外，5G技術在解決人與物、物與物之間的通信問題上也顯示出其獨特的優勢，可滿足各行業對物聯網應用的迫切需求。這些應用領域包括但不限于智能家居、工業自動化控制、移動醫療等新興產業［2］。

2" 衛星通信與5G技術相互融合

2.1" 通信衛星和地面的融合

通信衛星和地面融合的主要目的是補齊地面通信技術在沙漠、海洋等特殊地域無法建立通信基站的短板。在衛星通信與地面通信技術融合的初級階段，地面模擬蜂窩網技術及分組無線服務技術等逐漸興起。地面模擬蜂窩網絡技術源自北美地區使用的衛星移動通信系統中的分組無線服務技術，屬于瑟拉亞衛星通信系統，有效地實現了與地面軌道無線接口的對接。衛星通信與地面移動通信技術融合的第二階段，主要采用的技術包括GSM技術和低軌衛星空中接口技術。這一階段的技術標準大多基于寬帶碼分多址框架。

2.2" 互聯網衛星和地面融合

近年來，隨著O3b系統的出現，互聯網衛星技術步入了快速發展的新階段。互聯網衛星的發展特點在于大量采用中軌道和低軌道衛星。這些衛星顯著提升了數據傳輸速度，甚至可與當前地面網絡系統中的光纖傳播速度相媲美。互聯網衛星技術的另一大特色是使用了眾多小型衛星，這些衛星共同構成了龐大的衛星網絡。隨著生產技術的進步和成本的降低，企業應用這些衛星的經濟負擔顯著下降，這不僅有助于控制網絡通信服務的費用，還增強了長期使用高頻段通信的可行性。高頻段通信的使用有效提升了當前的通信容量，為網絡通信技術的進一步發展和通信效率的持續提高奠定了基礎。

2.3" 衛星5G融合網絡架構設計

衛星5G融合網絡的構想是基于現有地面網絡進行擴展，采用天基網絡以增強信號覆蓋，提高服務效能。這種網絡布局依循星際聯網及天地互聯的戰略，以統一的技術框架、協議標準和基礎平臺為基礎進行系統的規劃和建設。如圖1所示，該網絡體系由3大主要部分構成：天基網絡包括高軌道和中低軌道衛星星座，負責數據的接收、處理和轉發；地基網絡融合5G基站、衛星地面站及一體化核心網，這一核心網絡部分是整個融合網絡的樞紐，負責統籌網絡資源和布局規劃；用戶終端覆蓋了包括海基、陸基、空基和天基在內的多種類型，它們通過統一的空口傳輸協議，在衛星接入點和地面基站之間實現靈活切換。

在衛星5G融合網絡的構架中，5G核心網的微服務架構起到了至關重要的作用，顯著提升了網絡功能網元的部署靈活性及開發速度。這種網絡架構的核心在于服務導向，采用基于容器或虛擬機的微服務功能部署模式。該模式通過分解傳統的一體化功能網元，并借助軟件定義網絡（Software-defined Networking，SDN）及網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術，在虛擬化平臺中進行微服務功能網元的布置，極大地增強了網絡的適應性和可配置性。這種設計方式有效地支持了網絡元素的隔離與動態部署，從而增強了網絡的適應性和魯棒性。在此框架下，地面節點、中低軌道衛星節點和高軌衛星節點均采用虛擬化的通用平臺，依據特定的業務需求和資源限制，動態部署無線接入、邊緣計算、核心網絡以及網絡管理等功能，確保遵守服務等級協議（Service Level Agreement，SLA），以實現網絡性能的全面優化［3］。

3" 衛星通信與5G融合的關鍵技術優化

3.1" 體系架構優化

在設計衛星通信與5G融合技術的體系架構時，首要的考慮因素是如何有效融合高軌與低軌衛星星座。這一設計需兼顧不同軌道特性和頻段要求，以滿足寬帶傳輸和特殊服務的需求。在架構設計中，衛星覆蓋區的動態性是一個重要因素，這要求終端用戶能夠在不同蜂窩小區之間順暢切換，以降低星下點移動帶來的影響。低軌道衛星星座的星間鏈路設計是架構優化的關鍵，通常由微波鏈路或激光鏈路構成。這些鏈路使得衛星能夠作為交換節點，構建一個全方位的空間通信網絡系統。此外，極軌星座的使用為衛星星座提供了穩定的相鄰軌道面位置關系，進一步優化了網絡的運行效率。目前，融合網絡的組織架構主要有2種形式。（1）星地互補網絡架構：該模式建立在5G網絡與衛星通信系統共同利用同一網絡管理中心的基礎之上，允許這2種系統在維持各自獨立性的前提下，實現管理資源的共享與協同。（2）兩系統混合應用網絡架構：與星地互補網絡架構類似，此架構也共用網管中心，但其空口部分盡可能保持統一，以提高工作效率［4］。

3.2" 空口波形優化

在衛星通信與5G融合的過程中，空口波形的優化是確保高效和穩定通信的關鍵。正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）作為5G系統的基本傳輸體制，雖然提供了高效的頻譜利用率，但其對頻率偏移的高敏感性導致了載波間干擾（Inter-Carrier Interference，ICI）問題。這種頻率偏移引起的子載波間串擾顯著降低了通信性能。因此，優化OFDM以減少頻率偏移影響，從而提高系統性能，成為空口波形優化的一個重要方向。5G技術支持的非正交多址（Non-Orthgonal Multiple Access，NOMA）技術為多用戶資源共享提供了新的可能性。與OFDM相比，NOMA不對每個用戶的資源使用進行嚴格約束，允許用戶共享相同的頻譜資源進行通信。這種共享機制在多用戶聯合檢測的基礎上，通過先進的信號處理技術有效避免用戶間的干擾。NOMA在頻譜效率上的優勢明顯，其頻譜利用率甚至是傳統OFDM方法的2倍以上。空口波形優化是衛星通信與5G融合的關鍵技術之一，對提高整體網絡的通信效率和穩定性起著至關重要的作用。

3.3" 頻譜共享優化

在衛星通信與地面移動通信技術中，頻譜資源的稀缺已成為關鍵問題。競爭激烈，但通過聯合頻譜感知系統，能夠實現頻譜資源的優化配置，提升其使用效率。然而，相比地面無線通信，認知網絡對頻譜的檢測帶來更大挑戰。頻譜數據庫的更新速度和精確性成了研究焦點，對技術的發展起到重要作用。

3.4" 網絡控制優化

在衛星通信系統與5G通信系統深度融合的進程中，網絡控制層面的優化至關重要。（1）操作人員應有計劃地對網絡的轉發及控制職能執行分割。這一分割行動旨在降低轉發功能的復雜性，并通過功能的優化下沉，增強網絡對高量級流量傳輸的支持能力。通過這種方法，網絡可以更加靈活地調節流量負載，并在此基礎上，優化和提升業務存儲功能及計算能力。（2）將核心網絡功能下沉到網絡的邊緣部位是網絡控制優化的一個關鍵策略。這種邊緣化不僅提高了網絡響應速度，還縮短了數據傳輸路徑，從而降低了網絡延遲［5］。

4" 結語

綜上所述，衛星通信與5G技術的深度融合，不僅極大地擴展了信號覆蓋范圍，而且為用戶提供了更連續、廣泛的網絡接入。此融合進程不僅是通信領域技術創新的重要方向，而且對提升國家綜合實力具有深遠的影響。因此，深入探討和研究衛星通信與5G技術融合過程中遇到的技術挑戰顯得尤為重要。

參考文獻

［1］董彥磊，關俊鵬，張建君，等.基于決策融合的多衛星通信系統態勢分析技術［J］.河北工業科技，2022（4）：320-327.

［2］徐冰玉，杜斌，李俠宇.與5G融合的衛星通信移動性管理技術研究［J］.國際太空，2021（11）：53-57.

［3］高陽東，黃勇，郝曉強.衛星通信與5G通信融合的網絡架構與關鍵技術［J］.電子技術與軟件工程，2020（10）：26-27.

［4］馬越.衛星導航與5G移動通信融合架構與關鍵技術研究［J］.電腦知識與技術，2019（24）：38-39.

［5］夏彥東，鄧寧靜.衛星導航與5G移動通信融合架構的關鍵技術與應用前景［J］.中國新通信，2019（18）：23.

（編輯" 王雪芬）

Design and optimization of network architecture for the integration of

satellite communications and 5G

Liu" Haoyu

（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract：" Currently， the application of satellite communication and 5G technology is becoming increasingly widespread. The article delves into the integration and development of the satellite communication and 5G technology， as well as their applications in communication satellites， Internet satellites， and 5G network architecture design. It further studies key technologies such as system architecture optimization， air port waveform optimization， spectrum sharing optimization， and network control optimization in the integration， providing reference for promoting the optimization and development of satellite communication technology and 5G technology in China and improving the overall level of the communication field.

Key words： satellite communication network; 5G communication network; network architecture convergence; technology optimization