衛星與5G融合多模物聯網終端的實現與應用探討

姜元山，王運付，劉 霞，吳國建

（1.中國聯通中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 100048；2.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引 言

衛星物聯網是通過一定數量的衛星組網，向地面和空中終端設備提供寬帶互聯網接入等通信服務，衛星按照軌道高度不同劃分為LEO（低地球軌道）、MEO（中地球軌道）、GEO（地球靜止軌道）、NGSO（傾斜地球同步軌道）四種類型[1-4]。2030年，全球衛星通信市場規模有望達到3 000億美元。大部分在軌靜止軌道衛星將被多點波束的高通量衛星所替代，高通量衛星的通信總容量將超過1 Tb/s，終端會更輕巧便攜[5-7]。以Starlink和OneWeb為代表的低軌衛星掀起了低軌衛星網絡的建設高潮，全球覆蓋、低時延、高速率、小終端，代表了衛星互聯網的主要發展趨勢。3GPP中也定義了非地面網絡（NTN），衛星通信與地面5G技術的融合是大勢所趨，衛星物聯網是對地面網絡覆蓋盲區的補充和完善。中國星網集團對我國衛星互聯網進行了頂層設計和資源融合，加快了空天地一體化數字信息基礎設施的建設，我國將很快進入低軌衛星物聯網時代[8-10]。

1 衛星與5G多模物聯網終端

1.1 衛星終端的發展

衛星終端類型主要有固定站終端、車載站終端、自動便攜站終端、手動便攜站終端。多樣化的衛星通信終端形態，滿足行業個性化需求的應用能力日益增強。衛星終端形態也正在發生革命性變革，逐漸由拋物面向平面形態演進，由機械掃描向全電掃相控陣天線演進。具體見表1所列。

表1 衛星終端形態對比

衛星終端將由分體式向一體化方向演進。一體智能化衛星通信終端將大幅提升用戶體驗，使衛星通信更加快速可靠，使寬帶互聯網應用場景普遍化。其中，在一體化終端上使用一系列新技術特點如下：

（1）基于SOC芯片的VSAT衛星小站基帶處理、IP處理，軟件定義任務成為通用做法；

（2）空中接口、波束掃描、射頻系統管理、基帶處理、IP處理、干擾消除的一體化控制與管理成為發展潮流；

（3）射頻子系統的一體化、平面化、可賦型化在快速實現；

（4）單一衛星路由器的IP處理能力，包括TCPUDP、PPS的處理能力，將大力支持5G基站和5G 網關。

1.2 衛星與5G多模物聯網終端的實現

衛星通信時代，衛星物聯網將成為通信領域“萬物互聯”和“泛在互聯”兩個發展方向的代表性技術，衛星物聯網與地面5G的天地融合通信可以在不受地理條件限制的萬物泛在互聯中發揮不可替代的作用。本文提出一種衛星與5G融合的物聯網終端，并衍生出全新的天地融合通信應用場景，可廣泛服務于各類用戶的通信需求。

如圖1所示，衛星與5G融合終端系統主要由天線模塊與衛星5G融合模塊兩部分組成。其中天線模塊可以使用拋物面天線、陣列天線、相控陣天線三種天線形態。衛星5G融合模塊包括衛星基帶調制解調器，主要負責衛星信號的調制解調并轉IP數據；5G模組主要負責接入5G基站，完成5G信號轉IP數據；主控CPU模塊負責處理路由協議，將公網轉為內部局域網，擴展用戶接入。主控CPU支持網口、RS 232、RS 485、WiFi等接口，提供最終用戶或者物聯網設備上網。其中衛星調制解調器通過網口與主控CPU連接，5G模組通過USB轉網口與主控CPU連接。

圖1 衛星與5G融合終端框圖

1.3 衛星5G融合終端兩種架構形態

傳統的拋物面、陣列天線終端形態主要包括天線、LNB、BUC、調制解調器、電源、主控CPU，如圖2所示。

圖2 傳統機械掃描天線衛星5G融合終端框圖

天線為波導縫隙陣列天線或者拋物面天線，具有比拋物面形態終端體積更小、重量更輕的特點。BUC為上變頻功率放大器，其作用是將調制解調器發送的中頻信號進行上變頻和高功率放大。LNA是低噪聲下變頻器，將接收的衛星信號進行低噪聲和下變頻。衛星基帶調制解調器工作在L頻段，主要對發送的數據進行信道編碼和調制，對接收的信號進行解調和信道譯碼。

相控陣天線終端形態如圖3所示，主要包括有源發射相控陣天線陣面、有源接收相控陣天線陣面、上下變頻模塊、追星模塊（慣導、GNSS模塊、多模接收機）、天線主控ACU單元、電源等。

圖3 相控陣電掃描天線衛星5G融合終端框圖

收發陣面分口徑設計，獨立可控波束指向，可實現與衛星雙向通信；上下變頻將天線的射頻頻率轉換為調制解調器所用的中頻頻率；波控單元集成在接收陣面中，接收ACU指令控制天線波束掃描；天線主控單元（ACU）是整個相控陣的大腦，實現相控陣追星功能，同時具有自檢、監控、保護、日記記錄等功能；GPS、慣導（IMU）、多模接收機配合ACU完成追星閉環功能；衛星基帶調制解調器工作在L頻段，主要對發送的數據進行信道編碼和調制，對接收的信號進行解調和信道譯碼。

衛星網絡與5G網絡雙網絡切換流程如圖4所示，可以通過選擇上網模式進行網絡訪問路徑切換，當5G或者衛星訪問鏈路斷開后，切換到另外的通路進行網絡訪問。

圖4 衛星5G融合終端網絡切換流程

2 衛星與5G多模物聯網終端應用場景

物聯網通信應用場景如圖5中的場景1，在一些偏遠的地面網絡信號難以到達的地區，地理環境惡劣，監控設備需要具備極強的室外適應性。通過搭建移動衛星終端，內置太陽能板或風能發電、蓄電池、物聯終端、物聯DTU等設備，采集相關數據信息，由物聯網關進行數據匯總后通過衛星鏈路或者5G鏈路將采集到的信息回傳到物聯網云平臺，實現設備的全面監控。針對飛機、遠洋船舶上的上網需求一直無法有效解決的痛點，利用衛星通信覆蓋范圍大的特點，結合高通量衛星大帶寬，建設動中通的衛星5G融合終端，為客戶提供互聯網服務；在設備移動過程中，有地面網絡時優先接入5G網，無地面網絡時接入衛星網絡。

圖5 衛星5G融合終端應用場景

應急通信應用場景如圖5中的場景2，在信號覆蓋不足的地區或者需要應急通信的其他場景，現場搭建4G/5G微基站環境，使用衛星流量通過衛星終端回傳基站數據到核心網，為4G/5G微基站提供數據回傳場景， 滿足應急場景用戶手機打電話和上網的通信訴求。應急通信解決了物聯網設備上網應用場景問題，如圖5中的場景3，由衛星終端、WiFi6終端一起組成WiFi Mesh網絡，衛星終端與信關站直接通信，滿足應急場景人員和設備對網絡訪問的訴求。該區域只需一個衛星終端流量出口，通過WiFi組網，擴大信號覆蓋面積，降低組網成本。

3 結 語

太空互聯網建設成為國際航天領域熱門，世界各國已經開始進行低軌衛星互聯網的建設及組網。在當前時代背景下，5G和衛星通信融合的業務場景會越來越廣泛。利用衛星和5G融合能夠發揮衛星通信的廣覆蓋和5G通信大連接、高帶寬、低時延的優勢，通過優勢互補，實現全球范圍網絡的無縫覆蓋。在應急通信以及陸地信號覆蓋不連續區域，用戶可以通過融合終端實現連續上網訴求，融合終端也將為未來的6G通信積累豐富的應用需求及經驗。