高通量衛星與Femtocell組網的研究

陳耀銘

摘要：高通量衛星為目前主流的海洋網絡通信覆蓋方案，本文通過Femtocell的網絡架構介紹，提出與高通量衛星組網方案，實現地面運營商的網絡覆蓋補充，以解決海洋經濟通信的瓶頸問題。

關鍵詞： Femtocell;高通量衛星;海上衛星;海洋寬帶

中圖分類號：TN927.2? 文獻標識碼：A? 文章編號：1672-9129（2020）02-0037-02

Abstract： high flux satellite is the current mainstream ocean network communication coverage scheme. This paper introduces the network architecture of Femtocell， and proposes the network networking scheme with high flux satellite to realize the network coverage supplement of ground operators， so as to solve the bottleneck problem of Marine economic communication.

Key words： Femtocell; High-throughput satellite; Maritime satellites; Ocean broadband

1? 引言

習主席在黨的十九大報告中指出：“堅持陸海統籌，加快建設海洋強國?！钡哪繕?，建設海洋強國成為中國特色社會主義事業的重要組成部分。自然而然的，海洋經濟成為海洋強國的重要一環。包括海洋交通運輸、海洋漁業，海上油氣業，濱海旅游業等項目隨之得到飛速發展，然而，伴隨而來的是海上通信的瓶頸問題。

海洋產業由于距離陸地遙遠，往往無法獲得地面網絡的有效覆蓋，只能通過衛星網絡實現海上通信。然而由于國內衛星產業發展遠遠落后于歐洲，傳統海洋經濟的通信中，往往只能采取國外衛星運營商的高價低速率方案，如20M套餐需要400美元，此外若需要使用衛星電話，亦要支付數美元一分鐘的使用費用。

近年，隨著交信集團引入Inmarsat的第五代星，以及中國衛通及旗下的鑫諾衛星的大力發展，海洋經濟的通信迎來了真正的寬帶時代，一般海上通信的需求得到滿足。然而，由于缺乏地面網絡的覆蓋，需要依賴運營商交換域的功能，包括語音通信、短消息服務、及基于移動核心網認證的功能缺失，導致如基于短信驗證的軟件注冊，用戶驗證，和基于電話號碼的緊急來電的等服務依然無法實現。

本文提出一種Femtocell的覆蓋方案以解決此問題。

2? Femtocell網絡架構

Femtocell，又被稱為“飛蜂窩”、“飛基站”。是在2013年起被運營商用作推廣4G網絡的覆蓋方案，是一種小型化、低功率的微蜂窩基站。Femtocell被3GPP定義作為HNB（Home Node-b，家庭基站）的特殊方案，采用互聯網方式與移動核心網進行電路域與數據域的交換，從而實現特殊區域的2G、3G、4G的移動網絡覆蓋。其基本原理如下圖所示：

Femtocell有著設備體積小，造價低的優勢，同時單個femtocell HNB最高支持16個用戶附著，4-6個用戶同時使用，因而特別適合遠洋船舶、海上作業平臺等對場景。另外，Femtocell可通過管理系統實現多個HNB網關聯網，以形成分布系統，以實現郵輪等多用戶場景的覆蓋。

另外由于Femtocell必須依托互聯網，且由于目前基于4G網絡發展的相關軟件的普及、移動用戶自然對于帶寬需求自然越來越高，Femtocell如若使用衛星網絡實現互聯網接入的交換，必然需要較高的帶寬資源。傳統衛星資源自然無法滿足這種需求。

3? 高通量衛星與Femtocell組網

高通量通信衛星（HTS，High Throughput Satellite），亦稱作高吞吐量衛星，就是為了滿足航空、海洋及偏遠地區高流量覆蓋需求發展而來的，相比傳統衛星，高通量衛星一般采用Ka、Ku等高頻段，結合多點波速、頻率復用、載荷分配等特有技術，實現對區域針對性覆蓋。

中星16衛星是我國的第一顆高通量衛星，是首次在中國衛星上應用Ka頻段多波束寬帶通信系統，該衛星配置26路轉發器及用戶波束，其通信總帶寬超過20Gbps?？梢杂行崿F航空運載、海洋運輸等領域的用戶需求。

即將發射的亞太6D通信衛星，是我國第一顆Ku/Ka頻段的高通量衛星，設計覆蓋區域為東亞區域，星上轉發器1220臺，設計波束99個，設計總帶寬50Ghz。作為新一代高通量衛星，技術遠遠領先國內外現有衛星水平。

至于船端方面，目前在船端或海上作業平臺上，主流方案是使用的是0.6米至1.5米的動中通天線，動中通天線通過捷聯慣導技術加信標跟蹤方式相結合實現對高通量衛星的跟蹤，并內置GPS模塊，保證船舶在行駛過程天線始終精確地對準衛星，同時，動中通天線配置三軸穩定平臺，保證天線性能的穩定。支持Ka、Ku頻段的船載動中通天線安裝便捷，由專業人員進行實施，一天內可完成焊接安裝。

Femtocell采用HNB+HNB網關方式，利用雙網線傳輸實現MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出），滿足了高帶寬、高速率的覆蓋要求，同時HNB與家用路由器大小相仿，HNB網關大小與一般交換機相仿，便于小空間安裝布線;且若有大空間需求，亦可通過多HNB方式進行分布式覆蓋。

Femtocell網絡架構的互聯網接入方式，可以經由高通量衛星實現，組合后的架構圖如下：

現階段，高通量衛星通常通過保障帶寬的形式提供限定帶寬的形式提供服務。根據各運營商的業務標準，基本的Femtocell單用戶語音功能覆蓋帶寬不低于64kbps，網絡功能大數據技術對數據進行處理，可以挖掘出更多的價值，并能獲取有效的信息，為管理者提供可靠的決策依據。

4? Femtocell與衛星組網的優勢和缺陷

在衛星網絡的部署階段，可以通過于地面運營商的合作，引入Femtocell資源，同時由地面運營商分擔建設成本，減少船東或衛星運營商的前期投入費用，降低衛星網的建設成本。與此同時，增加Femtocell的覆蓋可以填補運營商用戶覆蓋的空白，擴充海上寬帶網絡的應用場景，增加衛星寬帶資源的利用率，同時為衛星運營商、船東創造更多的營收渠道，優勢明顯。

當然，由于高吞吐量的需要，高通量衛星采用Ku或Ka等高頻段，高頻段更容易受大氣環境和地面微波干擾，影響傳輸質量;同時，由于衛星鏈路傳輸距離，衛星網絡必然存在一定的時延。因而會對Femtocell組網質量產生一定的影響。

5? 結束語

本文根據船端或海上作業平臺等特殊場景引入Femtocell網絡架構，并提出Femtocell與高通量衛星結合實現地面運營商的海上覆蓋，本方案可作為建設單位、使用單位、運營單位的一種選擇，在降低成本、提高網絡覆蓋、增加衛星網絡資源利用率的基礎上，便于用戶能夠享受高通量衛星覆蓋所帶來的好處，解決“海洋強國”的通信瓶頸問題。

參考文獻：

[1]王傳江 余剛 徐紅波一種分布式Femto用戶側多模HNB設備及其應用[J]，移動通信，2017（22），14-17

[2]徐雷 Femto 技術及其應用研究[J]，信息通信，2016（10），229-230