衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+5G融合測(cè)試及應(yīng)用前景展望

石玉龍，秦 迎

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司北京市分公司，北京 100094）

0 引言

2020年是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)元年[1]，4月20日，國(guó)家發(fā)改委首次將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)列入“新基建”范疇，這意味著“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”已上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。各地積極響應(yīng)，紛紛出臺(tái)相關(guān)政策，北京市發(fā)布了《北京市加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行動(dòng)方案（2020-2022年）》[2]，提出新基建六大方向，其中，5G網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)被列為“新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施”建設(shè)行動(dòng)的兩大要素：5G即第五代移動(dòng)通信技術(shù)[3]，一方面大幅提升用戶高帶寬移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)體驗(yàn)，另一方面契合大帶寬、大連接、低時(shí)延、超可靠等5G網(wǎng)絡(luò)能力；低軌通信衛(wèi)星距離地面近、通信時(shí)延短、數(shù)據(jù)傳輸率高，其移動(dòng)終端具有重量輕、體積小等特點(diǎn)，將成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的主要發(fā)展熱點(diǎn)[4]。

北京聯(lián)通不僅深耕于5G，而且提前布局衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，其衛(wèi)星地面站是專門進(jìn)行衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的部門，始終關(guān)注并積極推動(dòng)著相關(guān)工作開展。衛(wèi)星地面站成立于1973年，是我國(guó)最早的衛(wèi)星通信專業(yè)局所，衛(wèi)星通信架起了我國(guó)與世界溝通的橋梁，圓滿完成歷次重大通信保障任務(wù)，作出了不可磨滅的歷史性貢獻(xiàn)。從2018年起，衛(wèi)星地面站開始了對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的研究，并進(jìn)行了積極布局，克服困難取得了關(guān)鍵性成果——北京聯(lián)通與合作伙伴進(jìn)行的國(guó)內(nèi)首次低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+5G融合測(cè)試取得圓滿成功，推動(dòng)我國(guó)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)事業(yè)昂首跨入了全球領(lǐng)先行列！

本文根據(jù)北京聯(lián)通與合作伙伴銀河航天近期在京進(jìn)行的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+5G融合測(cè)試相關(guān)材料整理而成，通過現(xiàn)網(wǎng)實(shí)地測(cè)試初步驗(yàn)證了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的承載能力，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。

1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)概要

圖1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)示意

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是指通過衛(wèi)星承載的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，相當(dāng)于把地面的互聯(lián)網(wǎng)搬到了太空中[5]，衛(wèi)星以宇航員視角俯瞰全球，真正實(shí)現(xiàn)了無死角的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。我們知道，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)用戶體驗(yàn)很重要，傳統(tǒng)靜止軌道（GEO）衛(wèi)星通信由于軌道位置高，時(shí)延較高。低軌（LEO）衛(wèi)星通信系統(tǒng)距地表高度范圍為300-2000 km，高度低，信號(hào)傳播時(shí)延短，其鏈路損耗小，對(duì)衛(wèi)星和用戶終端的要求低，可以采用微型/小型衛(wèi)星和手持用戶終端，能夠帶來較好的用戶體驗(yàn)，將成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的核心。但也正是由于軌道低，每顆衛(wèi)星所能覆蓋的范圍比較小，要構(gòu)成全球通信系統(tǒng)需要更多的衛(wèi)星組成星座來提供服務(wù)。低軌道衛(wèi)星星座系統(tǒng)[6]是指多顆低軌衛(wèi)星構(gòu)成的可以進(jìn)行實(shí)時(shí)信息處理的大型衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其中，多顆衛(wèi)星以特定分布組成的衛(wèi)星群稱為衛(wèi)星星座，其主要優(yōu)點(diǎn)：一是鏈路速率高，可用頻帶寬，可支持1 Gb/s以上的數(shù)據(jù)速率；二是全球覆蓋，以較低成本實(shí)現(xiàn)不受任何地域條件限制的廣域覆蓋；三是低時(shí)延，星地單向傳輸時(shí)延是2-30 ms，地-星-地全鏈路時(shí)延約5-60 ms；四是安全可靠，地面的自然災(zāi)害等突發(fā)事件不會(huì)影響通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行；五是不依賴地面基礎(chǔ)設(shè)施即可快速組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)低成本輕量化終端[7]。

2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+5G融合測(cè)試

6月6日是我國(guó)5G商用牌照發(fā)放一周年的日子。當(dāng)天，北京聯(lián)通與合作伙伴銀河航天進(jìn)行了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+5G融合測(cè)試，這是國(guó)內(nèi)首次通過低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)鏈路完成5G基站的開通驗(yàn)證測(cè)試。擔(dān)任測(cè)試任務(wù)的銀河一號(hào)首發(fā)星是中國(guó)首顆通信能力超過10 Gb/s的低軌寬帶通信衛(wèi)星。測(cè)試過程中，衛(wèi)星鏈路峰值速率超過500 Mb/s，用戶端5G手機(jī)下載均值382 Mb/s，上傳均值91 Mb/s，實(shí)際衛(wèi)星鏈路傳輸能力可達(dá)1 Gb/s以上。本次測(cè)試實(shí)際驗(yàn)證了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以較好地承載5G基站業(yè)務(wù)，測(cè)試結(jié)果超出合作方的預(yù)期，國(guó)內(nèi)首次低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+5G融合測(cè)試獲得圓滿成功。

圖2 手機(jī)測(cè)速截圖和現(xiàn)場(chǎng)照片

圖3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+5G融合測(cè)試系統(tǒng)圖

如圖3所示，低軌衛(wèi)星通過用戶波束和饋電波束分別連接用戶端小站和關(guān)口站，共同構(gòu)成了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。5G基站通過用戶終端小站接入衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，衛(wèi)星關(guān)口站直接連入5G核心網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的連通。用戶終端站擺脫了光纜的束縛，可以方便地布置在汽車、輪船、飛機(jī)等各種交通工具上，或者個(gè)人攜帶地面展開，實(shí)現(xiàn)沙漠、山峰、極地、海洋、天空等全球任意地點(diǎn)的高速網(wǎng)絡(luò)通信。本次衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+5G融合測(cè)試在衛(wèi)星鏈路側(cè)取得的測(cè)試數(shù)據(jù)分析如下：

圖4 關(guān)口站發(fā)射鏈路性能分析

2.1 關(guān)口站發(fā)射

（1）載波符號(hào)速率：150 Ms/s。

（2）載波數(shù)據(jù)速率：最高：515.5 Mb/s；最低：369.7 Mb/s。

（3）Modcod（傳輸期間）：最高：46（32APSK 32/45）；最低 ：33（16APSK 23/36）。

（4）實(shí)際測(cè)試流量：最高：400.3 Mb/s；信道占用率：約80%。

（5）分析：流量測(cè)試軟件5G下載數(shù)據(jù)量大，信道占用率高。

圖5 終端站接收鏈路性能分析

2.2 終端站接收

（1）符號(hào)速率：150 Ms/s。

（2）載波數(shù)據(jù)速率：最高：515.5 Mb/s；最低：369.7 Mb/s。

（3）Es/No（傳輸期間）：最高：14.9 dB。

（4）Modcod（傳輸期間）：最高：46（32APSK 32/45）；最低 ：33（16APSK 23/36）。

（5）傳輸期間符號(hào)信噪比基本恒定，低軌衛(wèi)星鏈路質(zhì)量穩(wěn)定。

圖6 終端站發(fā)射鏈路性能分析

2.3 終端站發(fā)射

（1）載波符號(hào)速率：150 Ms/s。

（2）載波數(shù)據(jù)速率：最高：531.4 Mb/s。

（3）Modcod（傳輸期間）：最高：47（32APSK 11/15）。

（4）測(cè)試期間實(shí)際業(yè)務(wù)流量：最高：93.5 Mb/s；信道空閑帶寬：437.9 Mb/s。

（5）分析：流量測(cè)試軟件5G回傳的數(shù)據(jù)量少，信道占用率低。

圖7 關(guān)口站接收鏈路性能分析

2.4 關(guān)口站接收

（1）符號(hào)速率：150 Ms/s。

（2）載波數(shù)據(jù)速率：最高：531.4 Mb/s。

（3）Es/No（傳輸期間）：最高：15.3 dB。

（4）Modcod（傳輸期間）：最高：47（32APSK 11/15）。

（5）傳輸期間符號(hào)信噪比恒定，低軌衛(wèi)星鏈路質(zhì)量穩(wěn)定。

圖8 測(cè)試期間衛(wèi)星鏈路頻譜截圖

圖9 低軌衛(wèi)星信號(hào)跟蹤電平截圖

從圖8和圖9可看出，衛(wèi)星過境期間，衛(wèi)星信號(hào)跟蹤電平穩(wěn)定，鏈路載波頻譜純凈，載波噪聲比高。衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器采用了自適應(yīng)編碼調(diào)制（ACM）技術(shù)[8]，將鏈路余量轉(zhuǎn)化成為傳輸容量。ACM允許MODEM根據(jù)當(dāng)前鏈路狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整載波的調(diào)制方式和編碼方式，載波的符號(hào)速率和發(fā)射功率維持恒定，數(shù)據(jù)速率根據(jù)鏈路質(zhì)量及時(shí)調(diào)整，能夠帶來更高的傳輸容量提升，手機(jī)端峰值速率可達(dá)到500 Mb/s以上。按照鏈路質(zhì)量計(jì)算，實(shí)際衛(wèi)星鏈路傳輸能力可達(dá)1 Gb/s以上。目前，由于衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器限制暫不能提供更高速率，下一步工作重點(diǎn)是調(diào)制解調(diào)器的迭代升級(jí)，相關(guān)設(shè)備的小型化也正在進(jìn)行中。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)承載5G基站手機(jī)端全鏈路時(shí)延在30 ms之內(nèi)，與目前地面5G基站典型的10 ms左右端到端時(shí)延可比擬，可以較好地承載大部分5G應(yīng)用，能夠保障用戶無感切換。

3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+5G融合技術(shù)應(yīng)用前景

基于低軌衛(wèi)星鏈路的5G基站回傳測(cè)試，充分驗(yàn)證了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的帶寬和時(shí)延特性可以很好地承載5G基站業(yè)務(wù)。在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，智能化的網(wǎng)絡(luò)連接是新平臺(tái)、新生態(tài)、新應(yīng)用的基礎(chǔ)，衛(wèi)星通信最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠以較低的成本解決全球信號(hào)覆蓋的問題[9]，能確保網(wǎng)絡(luò)信號(hào)在飛機(jī)上、海洋上乃至戈壁荒漠也能隨時(shí)隨地的暢通，可以說衛(wèi)星通信和5G基站兩者在信號(hào)覆蓋上是互補(bǔ)的。3GPP的Rel-16標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)對(duì)5G衛(wèi)星接入進(jìn)行了規(guī)范化，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信系統(tǒng)協(xié)同工作，構(gòu)成天地融合的5G通信網(wǎng)絡(luò)，提供復(fù)雜地形地貌條件下的全域覆蓋，為基于寬帶接入和萬物互聯(lián)的各種業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)設(shè)施保障。

3.1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+5G融合技術(shù)的關(guān)鍵作用

隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的逐步深入，衛(wèi)星+5G的網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)可以在以下方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用：一是利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)廣域覆蓋的特點(diǎn)，可以極大拓展5G基站的部署范圍，特別是在地面光纖網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本高、難度大的區(qū)域，可以利用衛(wèi)星鏈路快速完成5G基站部署；二是利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)天然的廣播優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合MEC邊緣計(jì)算技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)廣域內(nèi)容播發(fā)，分擔(dān)地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)彈性，大幅節(jié)約成本；三是衛(wèi)星鏈路與地面?zhèn)鬏斁W(wǎng)絡(luò)可以共同承載5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)能力，并且結(jié)合網(wǎng)絡(luò)切片和區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用，提高總體網(wǎng)絡(luò)效能和安全性；四是通過衛(wèi)星鏈路建立的5G基站可以實(shí)現(xiàn)按需布站，哪里需要就在哪里開通，不需要就能夠隨時(shí)撤站，節(jié)約設(shè)備和建站空間及能耗。

3.2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具備廣泛應(yīng)用前景

根據(jù)已公布的相關(guān)信息，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將應(yīng)用于5G全球覆蓋、智能物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程教學(xué)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、偏遠(yuǎn)地區(qū)、油田開采、航空通信、交通運(yùn)輸、應(yīng)急通信、科考探險(xiǎn)、緊急事件、車聯(lián)網(wǎng)、高速公路、海洋牧場(chǎng)、林業(yè)監(jiān)測(cè)、信令分流等諸多領(lǐng)域。

圖10 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景

3.3 衛(wèi)星通信是6G核心技術(shù)之一

從1G到5G的移動(dòng)通信技術(shù)，主要是面向陸地的公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)，通過大量的地面基站來實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋和傳輸，但受制于地理?xiàng)l件，基站無法在海域、沙漠、無人區(qū)等地理?xiàng)l件中形成有效覆蓋。5G相比4G無論在速度、延時(shí)還是連接能力上都得到了極大地提升，也需要部署更多的基站。展望未來的6G，除了時(shí)延、速度、安全、可靠和連接能力提升的需求外，泛在連接需求正成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)。衛(wèi)星通信因?yàn)槠涮旎W(wǎng)絡(luò)便于實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的優(yōu)點(diǎn)，正成為通信行業(yè)對(duì)未來6G技術(shù)演進(jìn)的重要研究方向之一[10]。6G網(wǎng)絡(luò)將融合陸地?zé)o線移動(dòng)通信、中高低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信及短距離直接通信等技術(shù)，將通信與計(jì)算、導(dǎo)航、感知、智能相融合，通過空、天、地、海泛在覆蓋的網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)全息泛在的智能高速寬帶通信。

3.4 低成本相控陣技術(shù)進(jìn)一步拓展應(yīng)用

近年來，相控陣技術(shù)在5G和衛(wèi)星通信中應(yīng)用越來越廣泛，其具有的響應(yīng)速度快、多波束掃描、掃描精度高等優(yōu)點(diǎn)特別適用于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。尤其是以稀布陣、光控陣、數(shù)字陣、液晶陣為代表的低成本相控陣天線技術(shù)的逐步成熟，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可逐漸擺脫傳統(tǒng)拋物面天線的束縛，在汽車、輪船、飛機(jī)等載體上方便布置，甚至實(shí)現(xiàn)手機(jī)屏下天線。5G基站的手機(jī)終端可以和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)終端合二為一，真正實(shí)現(xiàn)一機(jī)在手、萬物互聯(lián)、全球無憂。

圖11 低成本相控陣天線

4 結(jié)束語

5G和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施是新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，覆蓋了新的領(lǐng)域新的技術(shù)。我們通過深入的研究和前瞻性測(cè)試取得了豐碩成果，描繪了新技術(shù)融合發(fā)展帶來的數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代美好前景。今后，5G與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步深度融合、協(xié)同發(fā)展，我國(guó)的5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)將不僅能覆蓋城市、鄉(xiāng)村、沙漠、丘陵、山峰，還能覆蓋廣袤的海洋和天空。我們也會(huì)緊跟時(shí)代的步伐，結(jié)合全面數(shù)字化轉(zhuǎn)型，找準(zhǔn)新定位和新賦能，為加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行動(dòng)貢獻(xiàn)自己的最大力量。