李風云

中國電信股份有限公司湖北傳輸局 武漢 430000

引言

在自然災害、突發事件和緊急救援等應急情況下，通信網絡的穩定性和可靠性至關重要。然而，傳統基站入網方式存在著受限于地理環境、部署速度慢和成本高昂的問題。基于高通量衛星的應急基站入網方式具有全球覆蓋能力和快速部署的優勢，因而備受關注。本論文旨在探討基于高通量衛星的應急基站入網方式，分析其技術特點、優勢和挑戰，并提出相應的解決方案。具體內容包括：高通量衛星技術簡介、應急基站入網方式、具體入網案例、挑戰與解決方案，以及未來的發展趨勢等。

1 高通量衛星技術簡介

1.1 高通量衛星的定義和原理

高通量衛星是一種利用大規模多波束和高速信號處理技術，提供高速寬帶通信服務的衛星系統。它通過同時使用多個波束和復用技術[1]，將衛星的通信能力最大化，以實現更高的數據吞吐量和更低的傳輸時延。

1)多波束系統：傳統的通信衛星一般只使用一個或少數幾個波束進行通信，而高通量衛星則配備了大量的波束，每個波束可以獨立進行通信。

2)高度集成的信號處理技術：高通量衛星采用了高度集成的信號處理芯片和算法，能夠對多個波束上的信號進行并行處理和優化，實現更高效的數據傳輸和調度，提高通信系統的吞吐量和性能。

3)頻譜復用和頻段重用：在高通量衛星系統中，頻譜是有限的資源。為了最大限度地利用頻譜資源，高通量衛星采用了頻譜復用和頻段重用的技術。通過將不同用戶或地區的信號分配到不同的頻帶或子載波上，實現頻譜的高效利用，提高通信系統的容量和效率。

4)自適應波束形成技術：高通量衛星還采用了自適應波束形成技術，通過調整衛星上的天線波束的方向、形狀和功率分配，以提高信號的覆蓋范圍和質量，減少傳輸中的干擾和衰落影響。

1.2 高通量衛星在應急通信中的優勢

高通量衛星在應急通信中具有快速部署、全球覆蓋、高速寬帶通信、靈活調度、抗干擾和大容量擴展等優勢[2]。它們能夠提供高效可靠的通信服務，幫助應急機構和救援隊伍在災害或緊急情況下迅速傳遞信息、協調行動，提高應急響應的效率和效果。基于高通量衛星的應急基站入網方式具有以下優勢。

1)快速部署和全球覆蓋：高通量衛星可以迅速部署并提供全球范圍的通信覆蓋。無論災害或緊急情況發生在任何地方，都能提供及時可靠的通信服務，無需建設大量基礎設施。

2)高速寬帶通信：高通量衛星具有高速寬帶通信能力，能夠支持大量數據的傳輸。在緊急情況下，可傳輸大量的實時數據、圖像或視頻，以便及時做出決策和采取行動。

3)靈活性和可調度性：高通量衛星系統可以根據需求進行靈活調度和資源重新分配，滿足不同場景和任務的需求。

4)抗干擾和魯棒性：高通量衛星使用先進的波束賦形技術和干擾抑制技術，能夠有效減少信號干擾和衰落影響，保障通信質量。

5)網絡容量和擴展性：高通量衛星系統具備大容量和可擴展性，可以同時為大量用戶提供通信服務，支持多種應用需求。

2 應急基站入網方式

2.1 入網基本要求

應急基站入網方式需要考慮到以下原則：快速部署、靈活性、可靠性和適應性。應急基站網絡需要能夠快速搭建、快速響應，同時滿足不同應急場景下的通信需求。

1)快速部署和啟動：應急情況下需要迅速搭建和配置基站網絡。架構設計應考慮到快速部署的需要，包括預先配置和預先設置的設備，以及簡化的安裝和配置流程，從而能夠快速啟動通信服務。

2)靈活性和可擴展性：應急通信的需求可能會在不同時間和地點發生變化。因此，架構設計應具備靈活性和可擴展性，能夠根據實際需求進行快速部署和調整，以適應不同場景和任務的通信要求。

3)高可靠性：應急通信需要在各種復雜、惡劣的條件下保持穩定可靠的通信連接。因此，架構設計應注重可靠性，包括冗余備份、故障恢復機制和可靠的電源供應等，以確保通信系統能夠在緊急情況下持續運行。

2.2 入網基本方式

應急基站入網通常采取有線、無線、衛星等以下幾種方式。

1)有線入網：應急基站通過有線方式(如光纖、網線等)連接到固定網絡，實現與運營商核心網的連接。有線入網方式具有穩定性高、傳輸速率快等特點，適用于固定的應急基站布置點。

2)無線入網：應急基站通過無線方式(如微波、MESH、CPE等)連接到運營商核心網。無線入網方式適用于移動場景的應急基站，具有快速部署、靈活性強等特點。

3)衛星入網：應急基站通過衛星通信網絡入網，實現與運營商核心網的連接。衛星入網方式適用于遠程地區或無網絡覆蓋地區的應急通信需求，具有覆蓋范圍廣、無視地理限制等特點。

不同的入網方式具有各自的優勢和適用場景，選擇合適的入網方式需要考慮具體的應急場景、通信需求、部署條件等因素，并結合運營商的支持和設備的兼容性進行評估和決策。

2.3 高通量衛星入網方式

高通量衛星入網方式屬于衛星入網方式的一種，與常規衛星入網方式相比，其在帶寬能力、信道頻譜利用率、時延、開通設備成本效益等方面更具優勢。高通量衛星適用于高數據需求、大規模用戶接入和高速傳輸的應用，而常規衛星則適用于一般的通信需求和傳輸速率要求不高的場景。基于高通量衛星的應急基站入網組網架構[3]如圖1所示。

圖1 基于高通量衛星的應急基站入網組網架構圖

3 基于高通量衛星入網解決方案

目前，基于Ka高通量衛星的應急基站入網方式在日常的應急通信保障中應用越來越廣泛，根據其工作模式，可分為二層模式(專線方式組網)和三層模式(互聯網方式組網)兩種組網方式。

3.1 二層模式—專線方式組網

LTE應急基站通過高通量衛星鏈路落地關口站接入上海劉行衛星基地，并通過上海湖北之間的地面專線接入湖北4G移動核心網，實現應急LTE基站的衛星方式入網。二層模式—專線方式組網拓撲如圖2所示。

圖2 二層模式-專線方式組網拓撲

工作原理與流程如下。

1)Ka衛星便攜站利用高通量衛星與Ka地面關口站建立衛星鏈路，實現衛星側的二層網絡通信連接。

2)運營商用戶在Ka地面關口站與相應省移動核心網之間建立專用的地面通信線路，接入核心網IPRAN設備，打通Ka衛星便攜站至核心網的二層網絡。

3)LTE應急基站配置專用的基站IP和相應的基站入網數據，連接Ka衛星便攜站的以太網接口，利用衛星至核心網間的TCP/IP二層網絡連接至移動核心網，開通基站業務。

3.2 三層模式—互聯網方式組網

LTE基站通過高通量衛星鏈路落地關口站接入互聯網，通過IPsec(Internet Protocol Security)方式建立運營商核心網SAEGW網關至基站間的傳輸通道。IPsec和安全網關保障傳輸鏈路的安全性和可管理性，可以實現超地域性的LTE無線覆蓋延伸，為應急保障提供了一種新的入網方式。三層模式—互聯網方式組網拓撲如圖3所示。

圖3 三層模式-互聯網方式組網拓撲

工作原理與流程如下。

1)Ka衛星便攜站利用高通量衛星與Ka地面關口站建立衛星鏈路，實現衛星側的三層網絡通信連接，通過關口站與互聯網的業務接口接入互聯網。

2)運營商用戶在本地網核心網機房部署一套基站網關設備，作為核心網與互聯網間的防火墻和業務隔離，一端連接核心網，一端連接至本地網互聯網。

3)在LTE應急站與基站網關之間通過配置IPsec協議，建立并打通IPsec隧道。IPsec是一種常用的安全協議，用于實現網絡通信的加密和認證。通過配置IPsec協議，可以確保LTE應急站與基站網關之間的通信經過安全的隧道傳輸，防止數據被竊聽、篡改或偽造。這樣的配置方式可以有效地保護LTE應急站與基站之間的通信安全，并提供可靠的數據傳輸環境。

4)LTE應急基站利用衛星分配的互聯網IP和配置相應的基站入網數據，連接Ka衛星便攜站的以太網接口，利用衛星至核心網間的TCP/IP三層網絡連接至移動核心網，開通基站業務。

3.3 兩種入網方式性能比較

1)二層模式專線方式組網

優勢是專線方式網絡時延較小(＜700ms)，業務吞吐量帶寬抖動小。不足主要有：需事先完成衛星數據落地關口站與跨省域運營商承載網的專用傳輸線路申請，且該線路資源需長期性占用與維護；開站前需將Ka衛星貓更改為二層專線模式，配置項增多，且專線網絡一般不直接提供互聯網服務，因此用戶只可通過4G網絡上網，非電信用戶上網受限；LTE基站以宏站模式開站需向核心網側申請專用數據，大規模多站部署時會消耗核心網license資源。

2)三層模式互聯網方式組網

此種組網的優勢主要有：應急部署快速靈活，開機即可使用；傳輸側無需配置，基站入網參數可出廠預設；不占用核心網側資源，開站部署僅需與小基站網關產生交互，且小基站網關及KaLTE衛星基站均可支持遠程網管；可以實現超地域性的LTE無線覆蓋延伸，通過IPsec安全網關的方式來保障傳輸鏈路的安全性和可管理性，偏遠及受災地區以及海外基地的4G用戶隨時隨地享受無差別化網絡服務。不足主要有：需單獨部署小基站網關設備并開通互聯網入口；互聯網方式網絡時延較大，傳輸抖動較大，業務速率較低。

兩種模式入網測試結果如圖4、圖5所示。

圖4 二層模式入網測試結果

圖5 三層模式入網測試結果

4 挑戰與解決方案

4.1 挑戰分析

誠然高通量衛星的出現，其高帶寬的優勢給應急基站入網和業務的開通提供了一種新的解決方案。然而基于高通量衛星的應急基站入網方式面臨著以下一些挑戰[4]。

1)快速部署：高通量衛星系統采用的星型架構，用戶使用必須通過衛星信關站配合接入，無法在緊急情況下自主控制、快速搭建和配置基站網絡。

2)帶寬限制：高通量衛星的帶寬是有限的，單波束下接入用戶過多會造成容量受限，需合理分配帶寬以滿足通信需求。

3)雨衰影響：目前Ka或KU高通量衛星便攜站工作時均易受到雨衰影響，在強降雨時將嚴重影響通信質量。

4)成本問題：高通量衛星通信系統的建設和運營成本較高，通過該方式入網必然面臨較高的終端設備成本和衛星帶寬使用成本。

5)性能優化：高通量衛星應急基站入網面臨著高時延、網絡擁塞、頻譜利用效率低等問題需要進一步優化。

4.2 解決方案

為了應對上述挑戰，可以采取以下解決方案。

1)快速部署方案：提前進行基站網絡的規劃和準備工作，預置基站設備和配置信息，以便在緊急情況下能夠快速搭建和配置基站網絡。同時可以與衛星通信運營商建立緊急通信合作機制，提前規劃和協商基站入網的事項，以便在緊急情況下能夠迅速獲得衛星通信資源。

2)帶寬優化：為了合理分配帶寬以滿足通信需求，可以通過優化網絡架構和調整用戶接入策略來實現。例如，可以采用動態帶寬分配的方式，根據用戶的實際需求和網絡負載情況，動態分配帶寬資源。

3)減少雨衰影響：采用天線技術的改進和優化，選擇具有較高增益和較低雨衰影響的天線，或者采用自適應調制和編碼技術，根據實際信道質量和雨衰情況，動態調整傳輸參數，提高通信質量和可靠性。

4)成本問題：可以與衛星通信運營商進行合作，采用靈活的商業模式，如按需使用和按流量計費，根據實際需求和使用情況，靈活調整成本支出，以降低建設和使用成本。

5)性能優化：可以采用優化協議棧、增加網絡緩存等方式減少信號傳播時延；采用流量調度算法，對不同用戶的數據流進行優先級調度，保障重要數據的傳輸；采用動態頻譜分配技術，根據實時需求靈活分配頻譜資源，提高頻譜利用效率。

5 未來的發展趨勢

5.1 物聯網和邊緣計算

隨著物聯網的發展和邊緣計算的興起，應急基站入網方式將更多地與物聯網設備和邊緣計算節點進行集成。這將實現更廣泛的應用場景和更強大的通信能力。

隨著物聯網的發展和邊緣計算的興起，應急基站入網方式將更多地與物聯網設備和邊緣計算節點進行集成。物聯網設備可以將豐富的傳感器數據收集和上報到應急基站，使得應急響應能夠更加精準和實時。邊緣計算節點的加入可以處理部分數據分析和決策功能，減少對中心節點的依賴性，降低網絡延遲，并提高應急響應的效率。

5.2 5G和衛星網絡融合

5G技術的快速發展將為基于高通量衛星的應急基站入網方式帶來更多的機會和挑戰。5G和衛星網絡的融合[5]將為應急通信提供更高速、低時延的通信體驗。

5G技術的快速發展將為基于高通量衛星的應急基站入網方式帶來更多的機會和挑戰。5G的高帶寬、低時延特性可以改善基站入網的傳輸速率和響應時間。結合衛星網絡，可以實現更廣泛的覆蓋范圍，彌補傳統通信網絡的盲區。在應急響應中，5G和衛星網絡的融合將為應急通信提供更高速、低時延的通信體驗，支持實時圖像傳輸、大容量數據傳輸和高效的緊急指令傳遞。

5.3 多模式通信

為了提高應急通信的魯棒性和可靠性，將來的發展趨勢將是采用多模式通信，包括Ka高通量衛星通信、無線電通信和光纖通信等多種通信方式的融合。通過靈活地切換和組合不同的通信模式，可以在不同的環境下保持可靠的通信連接。例如，在山區、海洋等地形復雜的應急場景中，Ka高通量衛星通信可以提供廣域覆蓋，而無線電通信和光纖通信可以提供較小范圍內的高速數據傳輸，以滿足不同場景的需求。

5.4 網絡智能化和自動化

隨著人工智能和自動化技術的不斷發展，應急基站入網方式將趨向于智能化和自動化。通過引入智能的網絡管理系統和自適應的網絡優化算法[6]，可以提高網絡的性能和效率，并減少人為干預的需求。

隨著人工智能和自動化技術的不斷發展，應急基站入網方式將趨向于智能化和自動化。通過引入智能的網絡管理系統和自適應的網絡優化算法，可以提高網絡的性能和效率，并減少人為干預的需求。例如，基于AI技術的網絡管理系統可以實時監測網絡狀態、預測網絡擁塞，并自動調整網絡資源分配，以確保應急通信的可靠性和穩定性。此外，自動化的故障檢測和恢復機制也可以提高網絡的容錯性和抗故障能力。

5.5 安全與隱私保護

在應急通信中，網絡安全和隱私保護是至關重要的。未來的發展趨勢將是加強基于高通量衛星的應急基站入網方式的安全性和隱私保護能力，采用加密技術、身份驗證和訪問控制等手段，保障用戶數據的安全和隱私。同時，隨著物聯網設備的增多，物聯網安全也將成為攸關應急通信的一個重要方面。因此，未來的發展趨勢將是加強應急基站入網方式的安全性，包括數據的端到端加密、設備身份認證、訪問控制等技術措施。同時，要加強應急通信網絡的監測和威脅應對能力，及時發現和應對安全威脅，確保網絡的穩定性和可靠性。

5.6 環保和可持續發展

在全球可持續發展的背景下，未來的應急基站入網方式將趨向于更環保和可持續的發展。例如，可以采用節能技術來減少應急基站的能源消耗，如智能控制系統和低功耗設備的應用。此外，可以探索使用太陽能供電等可再生能源，減少對傳統能源的依賴，降低碳排放。在材料選擇上，可以采用環保材料，降低對環境的影響，并支持可持續的生態系統建設。

6 結論

本文通過對基于高通量衛星的應急基站入網方式進行探討，分析了其在應急通信中的優勢和挑戰，并提出了相應的解決方案。基于高通量衛星的應急基站入網方式具有快速部署、全球覆蓋能力、靈活性和穩定性等優勢，但也面臨一些挑戰，如帶寬限制、網絡管理和雨衰影響等。通過優化網絡架構、調度算法和干擾抑制技術等方式，可以提高應急基站入網方式的性能和可靠性。隨著高通量衛星技術的進一步建設與發展，其在應急通信領域將帶來新的機遇和挑戰，推動該領域的發展和進步。