淺談衛星通信與5G的融合途徑

陳超

摘 要：現如今，5G即將進入商用時代。在這一背景下，應當加大衛星通信、5G的融合研究，充分利用5G的優勢促進衛星通信技術的發展。文章就此展開了論述，先是簡述了5G及星地融合通信的發展歷史，接下來，分析了衛星通信與5G的融合途徑，最后簡述了其融合技術。

關鍵詞：衛星通信;5G;融合途徑

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.24.061

隨著我國5G的產生與應用，衛星通信與5G的融合已成為社會研究熱點。相比于4G來說，5G采用了許多先進技術，且具備了新特征，為衛星網絡、地面網絡的融合奠定了基礎。所以，為了迎接即將到來的5G時代，應進一步加大5G與衛星通信的融合研究。

1 5G的優勢

5G的主要優點體現在以下幾個方面：第一，5G能夠滿足更加豐富的業務需求。在5G時代，人與物、物與物都可以相連，最終實現萬物相連。ITU曾經將5G的三大應用場景定義為：增強的移動寬帶、大規模機器通信、高可靠低延遲通信。第二，5G支持的工作頻段非常廣泛。在5G網絡中，核心網被弱化，網絡功能下沉到網絡邊緣。這時通過利用軟件就可以重新定義網絡、網絡功能虛擬化等技術，提高網絡資源的分配與管控能力。第三，傳輸更加穩定。5G的傳輸速度、傳輸穩定性都有了明顯提高。這進一步拓寬了5G的應用范圍。

2 星地融合通信的發展歷史

有關星地融合通信的研究主要起源于上世紀90年代。雖然地面通訊為人們提供了便捷的通信服務，但是某些地形復雜的地區難以架設基站。而衛星通信正能彌補這一不足之處，與地面通信充分融合，為人們提供通信服務。我國對衛星移動通信技術的研究主要是從2010年開始，隨后在2012年提交了衛星通信LTE標準草案。2016年發射了天通一號衛星。如今，多是采用基于統一的IP交換技術，實現互聯網衛星與地面互聯網的融合。而在5G的出現，給星地融合發展提供了新的發展方向，使得星地網絡逐漸走向合作。

3 衛星通信與5G的融合途徑

3.1 融合架構

結合我國空間信息網絡規劃及有關研究，能夠預測到未來衛星通信系統將會以高、低軌衛星混合軌道設計為核心，并利用高頻段、低頻段多波束天線，在地面形成蜂窩覆蓋，從而實現低速、寬帶傳輸服務功能。這樣終端用戶在使用中就可以在不同的蜂窩熱點區域間隨意切換。而利用5G可以使頻譜配置、干擾管理等工作更加協調。具體來說，衛星系統的融合主要體現在以下五個方面：①覆蓋融合。衛星網絡補充地面網絡。但是兩者仍相互獨立，且提供不同的業務，使用不同的技術。②業務融合。衛星網絡、地面網絡仍獨立存在，但是它們可提供相同的業務質量，且部分服務QoS指標達到一致。③用戶融合。也就是說，用戶通過使用唯一的身份可以依據需求選擇衛星網絡或是地面網絡。兩者的計費方式是相同的。④體制融合。兩者采用同樣的構架、傳輸、交換技術，其中用戶終端、關口站可采用地面網絡技術。⑤系統融合。兩者構成一個整體，給用戶提供一致的服務，并實現兩者的資源的協調調用，實現兩者能提供相同的服務及質量，從而讓用戶感受到衛星網絡、地面網絡的無縫切換使用。

3.2 仍以兩者互通為主

在一段時期內，衛星網絡的主要業務發展方向仍是以地面互通為主。在5G背景下，其架構體系的研究方向也應是衛星轉發業務。同時，在研究中還應著力于解決一下問題：第一，科學分割衛星及地面、衛星及衛星。第二，如何實現衛星不落地的交換、呼叫等。

3.3 重新設計空中接口

在早期，我國天通一號主要是以3GPP-R4/R6為參考。但是在5G背景下，可采用與地面5G相同的設計方案。但是在這一過程中應注意：第一，若是采用雙工模式，則應注意衛星、波光的不斷運動會增加定時難度，MIMO在衛星中的使用會受到限制。第二，在波形設計中，要切實考慮信道模型的特性適配、封峰均比。第三，在復用中，應注意即便是采用CP-OFDM，也可參考5G的時、頻、空域的資源劃分方式。第四，在定時方面，可采用基于位置進行延時補償的思路，縮短波束中心、波束邊緣的用戶延時差。

4 衛星通信與5G的融合技術

4.1 大多普勒頻移下的多載波傳輸技術

其實，制約5G傳輸體系在衛星系統中應用的關鍵因素就是大多普勒頻移。但是考慮到大多普勒頻移與衛星軌道高度衛星覆蓋區存在聯系。況且，5G系統的基礎傳輸體制對頻率偏移非常敏感。即便是較小的偏移也會造成載波間的干擾。所以，可選擇與可變子載波寬帶的設計方案。比如對于L頻段，可采用在15KHz以下的子載波;對于Ka頻段，可采用較大的頻段。如大于2.4MHz的子載波。需要注意的是5G的最大子載波寬度只能達到480KHz。但是這并不能完全滿足通信需求。所以，還可嘗試應用星歷進行預先補償。

4.2 短突發傳輸技術

物聯網也是5G的重要應用場景。但在衛星通信物聯網中，系統帶寬更窄。加之，衛星傳輸的功率受限，其傳輸延時性會更加明顯。所以，需進一步改進適配衛星的適應性。對此，可從降低頻域RBE顆粒度、構建短突發信號波形等方面入手。

4.3 面向長延時的AHRQ優化技術

直射信號對衛星移動通信質量的影響非常大。依據直射信號狀態可以將移動通信建立成不同的狀態模型。即Good、Bad狀態模型。在Bad狀態模型下，衛星信道的長延時會導致鏈路出現各種突發誤碼。對此，可嘗試采用HARQ、交織技術進行解決。一方面可采用交織、FEC編碼技術，并設置合理的交織深度、編碼碼率。另一方面，可直接優化HARQ機制。

4.4 波束覆蓋級切換技術

從上文中能夠了解到衛星網絡在地面上是蜂窩狀覆蓋。每個波束對應了一個小區。那么，波束在地面上就會呈現出兩種覆蓋方式。即衛星覆蓋、地面覆蓋。其切換方式包括同步、異步兩種。其中異步切換的優點是風險小、星上載荷設計簡單。同步切換的優點是能實現無損切換、管理簡單，且能有效解決業務不均勻、建筑物遮蔽等問題。對此，可應用衛星覆蓋方式。但這會帶來漫游難題。所以，可嘗試提前預測需切換的波束、衛星，并提前做好信道資源分配。這樣就能迅速縮短切換過程。

綜上所述，在現代化背景下，若要加快5G與衛星通信的融合，就應充分了解5G、衛星通信的特點，并結合現代通信發展尋找最佳5G與衛星通信的最佳融合途徑及技術。

參考文獻：

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[2]王明旭，張萬東，陳周天，劉理.衛星導航與5G移動通信融合架構與關鍵技術[J].通訊世界，2017（20）：50-51.