北斗在電信領域應用的發展思考

金 耀 張 賀 史正思 張晶晶 趙 良

1 中國聯通研究院 北京 100048

2 中國聯合網絡通信有限公司 北京 100033

引言

北斗衛星導航系統(簡稱北斗系統)是為滿足國家安全和經濟社會發展需要而自主建設、獨立運行的衛星導航系統，國家和相關部委出臺相關政策，要求加快北斗和5G網絡的融合創新和應用推廣。電信行業響應國家號召，研發北斗+5G融合創新產品，推廣北斗在電信領域的應用落地。目前，北斗已廣泛地應用于通信領域，提升運營商高精度定位服務能力，為通信網提供高精度授時和應急通信等服務，支撐通信網的安全高效運行。北斗和通信網絡的深度融合，將構建天地一體化的PNTC服務能力，提升PNTC服務的覆蓋范圍、精度、可靠性和安全性，實現我國對時空信息資源及通信安全的自主掌控。

隨著數字經濟的快速發展，傳統電信業務已不能滿足用戶需求，電信運營商需要通過技術和業務創新來提升服務質量，增強市場競爭力，而北斗和5G的融合應用為電信運營商提供了產品創新點和數字經濟切入點。此外，北斗+5G高精度融合定位，有助于電信行業開拓基于高精度時空基準的信息化業務，延伸信息通信技術產業鏈，提高電信企業的科技創新和市場競爭力。

關于北斗在電信領域的應用研究，已有學者做過相關研究，如北斗與5G融合定位[1-3]，北斗授時應用于通信網的時間同步[4-5]，及通信導航融合[6-7]等。這些研究主要聚焦于北斗單個功能在電信的研究應用，而北斗在電信領域應用發展的綜合性研究工作較少，江華(2016)雖提出了北斗在移動通信中的多種應用[8]，但隨著技術的發展和演進，北斗在電信領域的研究與應用有了新的變化和發展。因此，本文將系統性地研究北斗在電信領域的研究進展、應用場景、存在問題及發展思考，為持續推進北斗在電信領域的應用和發展提供借鑒。

1 北斗在電信領域的研究現狀

電信行業響應國家北斗產業化戰略，圍繞北斗+5G開展了一系列的技術攻關、產品研發和應用探索，在北斗+5G融合創新產品研發、北斗地基增強設施建設及北斗標準化研究方面做了大量研究和探索工作。這些工作在推動北斗+5G融合創新與推廣應用方面發揮了重要作用，相關進展情況如下。

1.1 產品研發及應用情況

在5G商用后，國內學者探討了北斗+5G的融合產業發展，電信企業也圍繞“北斗+5G”開發了一些列融合產品研發。中國聯通與合作伙伴聯合研發了面向5G+北斗的1588v2時頻同步芯片，發布了“5G+北斗”時空服平臺，平臺融合了北斗定位、超寬帶定位等高精度定位技術，構筑“5G+北斗”時空能力基座。中國移動研發了OnePoint“北斗+5G”高精度定位產品及通導一體化模組和終端產品[9]，發布了“北斗三號短報文公眾服務——星地融合技術方案”，提供面向大眾和行業的短報文+短消息一號雙網融合通信服務。華為發布了支持北斗短報文通信服務的手機，在無地面網絡的情況下，該手機通過北斗短報文服務發送短消息。

為了推廣北斗應用的落地，電信運營商依據服務場景，提出了“北斗+5G”融合應用行業解決方案，為各行業數字化轉型提供時空和信息技術支撐。中國聯通針對智慧城市、工業互聯網及交通物流等6個行業推出了5G+北斗應用解決方案；中國移動發布了包括智能駕駛、智慧港口和精準農業等10個行業的解決方案；中國電信在能源和鐵路行業探索5G+北斗的應用落地。

隨著電信運營商在北斗+5G融合領域的不斷創新和應用推廣，北斗+5G融合應用已經在多個行業中落地。例如，在智慧港口領域，中國聯通基于5G+北斗融合技術，聯合黃驊港研發了集軟硬件為一體的5G+北斗高精度位姿測量自動化裝船控制系統，解決了復雜海況下的定位定姿等技術難題，并通過5G專網實現數據本地化處理，實現了“船岸協同”自動化煤料裝載。船基自動化裝船方案如圖1所示。

圖1 船基自動化裝船方案示意圖

1.2 “北斗+5G”基礎設施建設

電信運營商投資北斗基礎設施，建設北斗連續運行參考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)，降低了建站成本，提升了運營商高精度定位服務能力。中國聯通基于5G基站建設北斗CORS站，實現了水平定位精度優于3cm，垂直定位精度優于5cm；中國移動在全國建設了4 000多個CORS站，打造北斗+5G 融合定位網[9]；中國電信投資高精定位服務公司在全國建設CORS站。電信運營商參與北斗CORS站的建設，促進了北斗+5G應用的落地。

國內電信運營商也開展了通信網北斗授時改造工作，截至2022年四季度，全國約有近330萬座4G和5G基站采用了北斗授時，其中5G基站北斗授時數量超過160萬座，在全國5G基站中占比超過70%[10]。中國聯通同步網采用“天面主用、地面鏈路備用”的原則將北斗授時應用到通信網時間同步中，天面采用北斗/GPS雙模接收為時間源，地面采用IEEE 1588v2協議基于網絡傳遞地面參考時間基準源，其時間同步結構如圖2所示[11]。

圖2 中國聯通時間同步結構總體示意圖

1.3 北斗在電信領域的標準制定

中國通信標準化協會(CCSA)設立了“導航和位置服務特設任務組ST9”，開展與電信行業相關的位置服務標準化研究，推進北斗在通信領域的應用研究，并跟蹤和組織參與國際標準化組織的相關工作。中國信通院聯合國內通信企業共同推進推動了北斗三號B1C新信號進入3GPP標準體系，促進了在移動通信輔助衛星定位方法中引入北斗信號[12]。

CCSA組織開展了5G+北斗通導融合等一系列課題研究及標準制定工作，發布了《5G同步組網架構及關鍵技術白皮書》，提出基于衛星授時與地面鏈路天地互備的思路。電信企業也積極開展企業內部標準規范研究，例如中國聯通制定了《中國聯通定位系統技術體制》等多項企業標準，還發布了《中國聯通高精度時間同步及定位技術應用白皮書》。

這些工作推進了北斗在電信行業的標準化進程，但是當前北斗在電信領域的國際標準化推進工作還有待提升；此外目前的標準化工作主要側重于北斗定位方面，在北斗授時和短報文方面的標準化工作有待加強。

2 北斗在電信領域中的應用場景研究

2020年，北斗三號系統完成全球組網，向用戶提供定位導航、授時、國際搜救和短報文通信服務。北斗全球定位精度優于9m，垂直定位精度優于10m，授時精度優于20ns，通過北斗定位地基增強系統，實時定位精度可達厘米級。北斗與5G技術深度融合，催生了“北斗+5G”時空信息新業態，為我國的數字化轉型及智慧城市建設提供了精準的時空底座。北斗在電信領域的應用主要體現在三方面：一是北斗+5G構建泛在高精度定位；二是北斗授時保障通信網時間同步；三是北斗短報文為應急通信服務提供重要保障。

2.1 北斗+5G構建泛在高精度定位服務

電信運營商在2G時期就提供手機定位服務，但是基于通信基站的定位精度較低，精度只有數十米到數百米。隨著通信技術的演進，移動通信的定位精度也逐步提升，3GPP在R17中將5G定位的目標精度設置為優于1m[13]，但目前5G定位還未能大范圍商用。隨著自動駕駛、工業互聯網等業務場景對高精度定位需求越來越多，傳統的移動通信定位技術難以滿足用戶需求。

北斗定位是普適的高精度定位技術，通過后差分定位精度可達毫米級，但在衛星信號遮擋區北斗定位存在短板，5G亞米級的高精度定位可以彌補北斗定位的不足。北斗+5G融合定位可以構建室內外一體化高精度服務，可滿足用戶在不同場景下對高精度定位的需求，如圖3所示，在室外開闊區域，終端1以北斗定位為主，5G定位為輔；在室外衛星信號被遮擋區域，終端2采用北斗+5G融合定位的策略，也可使用5G獨立定位；在室內，終端3采用5G定位或5G與偽衛星、超寬帶等技術融合定位[3]。北斗+5G構建室內外高精度定位服務，提升了電信運營商的定位服務能力，便于運營商開展基于高精度定位服務的各項業務。

圖3 北斗+5G融合定位示意圖[3]

此外，北斗高精度定位可提升運營商對網絡的精細化管理和運營能力。北斗高精度定位應用于通信基站，有助于優化基站布局、網絡覆蓋和網絡規劃。高精度的終端位置信息還能夠輔助通信系統提升天線波束管理的準確性，增強網絡運行效率等[14]。5G網絡的高精度定位方法依賴于已知基站準確的位置信息，北斗高精度定位讓通信基站的位置信息更加準確，提升了5G定位的精度。

2.2 北斗授時提升同步網安全

同步網是電信網的重要基礎支撐網之一，為電信網內所有電信設備提供同步控制信號，使電信設備工作在共同的時間基準上。5G高精度時間同步需求主要體現在基本業務、協同增強及部分新業務上，基本業務時間同步要求為3μs[15]，協同業務時間同步要求為100ns量級[16]，5G支撐的新業務提出了更高要求的時間同步精度，例如5G高精度定位業務要求基站間的時間同步精度達到10ns量級，甚至更高[17]。全球定位系統(Global Positioning System, GPS)授時是通信網重要的時間源，但GPS授時存在一定的安全隱患，影響國家通信網安全和網絡通信能力[18]。

北斗授時精度滿足通信網的時間同步要求，且安全可控，目前已廣泛應用到我國通信同步網中。當前在通信同步網中引入北斗授時有2種方式：一是基站通過天面北斗衛星獲取北斗授時；二是基于IEEE 1588v2協議，通過地面傳輸網傳遞北斗地面時間源。如圖4所示，圖中3個站點都可以通過IEEE 1588v2協議傳遞北斗時間，站點3還可以直接獲取北斗授時。僅依靠天基北斗衛星授時存在一定風險，北斗+IEEE 1588v2時間同步方案可以構建天地互備的授時方式，提升時間同步網的安全性和穩定性。

圖4 北斗+IEEE 1588v2時間同步示意圖

通過天面北斗衛星獲取北斗授時，時間傳輸鏈路短，時間同步精度高，可以滿足未來5G協同業務對高精度時間同步的要求；但部署北斗接收機天饋線難度較大，且成本較高。基于IEEE 1588v2協議通過地面鏈路傳輸時間，存在時間同步精度降低的問題，且需要運營商對現有的網絡架構進行改造。因此，建議5G基站時間同步方案采用天面北斗授時為主用同步參考基準，同時采用IEEE 1588v2協議通過逐點傳遞方式從本地時間服務器設備獲取同步參考基準作為備用參考基準，也可依據業務需求在局部部署低成本小型化時間服務器，滿足對高精度時間同步業務的支持[5]。

2.3 北斗短報文保障應急通信服務

我國地面通信網絡雖然很成熟，但在沙漠、草原及海洋等地區沒有覆蓋地面通信服務。北斗短報文是北斗系統的特色服務，可為中國及周邊地區用戶提供數據傳輸服務，該服務具備傳輸文字、圖片、語音等多種能力，最大單次報文可達14 000bit。北斗短報文通信作為一種天基通信方式，在一些地面通信服務無法保證的區域，北斗短報文可以做到穩定持續地傳輸數據。

將北斗短報文與移動通信融合，可有效補充地面通信網絡覆蓋范圍的短板，構建5G+北斗星地一體化綜合通信體系，以滿足在無地面網絡覆蓋地區應急通信和數據傳輸等需求。目前北斗三號短報文服務已與地面移動通信網絡打通，可用于大眾短信息通信服務。其通信服務鏈路如圖5所示，使用配有北斗短報文功能的終端，直接向北斗地球靜止軌道衛星(Geostationary Earth Orbits，GEO)發送信息，北斗GEO衛星收到消息后，將信息發給地面短報文通信平臺，然后再接入地面通信網絡完成通信服務。

圖5 北斗短報文公眾通信服務示意圖

3 北斗在電信領域應用的挑戰和問題

隨著北斗技術的不斷發展，北斗定位、授時及短報文服務廣泛地應用于電信領域，保障了我國通信服務的安全穩定，同時也促進了電信行業的產品創新，但北斗在電信領域應用還面臨一些挑戰和問題。

1)信號覆蓋及穩定性：衛星信號經過長距離傳到地面后信號較弱，且易受干擾，特別是在高山、隧道及城市峽谷等地形復雜或遮擋區域，北斗系統的信號會受到影響，導致服務不穩定或無法提供，這對高精度定位、通信網的時間同步及應急通信服務的應用帶來了挑戰。

2)地基系統建設成本：北斗高精度定位和授時服務有賴于地基增強系統，建設北斗地基增強系統和相關的配套改造，需要大量資金投入。此外，當前我國北斗CORS站建設已趨于飽和，如何將CORS站與通信網進行深度融合，提升北斗CORS站的利用效率也是面臨的問題。

3)5G網絡定位技術：雖然北斗+5G融合定位可以構建泛在高精度定位服務，但目前5G定位還處于測試驗證和試點應用階段，大規模商用還需要解決5G時間同步和網絡改造成本等問題，例如5G上行到達時間差定位方法，需要通信基站間的時間同步精度小于3ns，定位精度才能破亞米級。

4)短報文通信承載能力：北斗短報文作為北斗系統的特色服務，對于高并發、高隨機性的通信業務承載能力還有待完善，目前適用于小容量、低并發的應急通信場景，對數據密集型通信和低時延傳輸應用還難以滿足。此外，目前支持北斗短報文服務的大眾類手機終端較少，這也阻礙了北斗短報文公眾服務的市場化應用。

4 未來發展思考

針對北斗系統存在的問題，楊元喜院士提出了彈性PNT戰略[19]，后來一些學者在PNT基礎上增加了通信，構成了PNTC的理論[20-21]。在國家綜合PNT體系里地面通信基站是地基PNT基礎設施的重要組成部分[22]，地面通信基站可作為我國PNT服務的重要補充[6]。北斗與地面通信網絡深度融合，構建高精度泛在定位服務、天地互備的授時體系及星地一體化通信服務，推進國家PNTC能力建設。

北斗定位與5G定位相輔相成，構建室內外無縫高精度定位服務。北斗定位可以提升運營商的定位服務能力，5G定位也可以彌補北斗在信號遮擋區域的定位短板。北斗要實現快速高精度定位需要通信網絡的支持，基于通信網絡的輔助北斗定位，實現了北斗快速定位；基于通信網絡的實時動態載波相位差分定位技術，實現了厘米級高精度定位。此外，基于5G基站建設北斗CORS站，可以節約建設成本，并借助運營商的運維能力，將北斗CORS站的運維水平提升至電信級別[23]。

國家正在建設地基授時系統，并基于通信光纖網絡傳遞時間信號，時間同步精度優于100ps[24]，通信運營商借助國家地基授時系統在通信網絡中引入北斗地基授時作為基準時間參考，不僅能提升5G網絡時間同步精度，還可以實現天地互備的時間同步方式。建議運營商網絡可以作為全國北斗地基授時網絡的補充，將骨干地基授時網絡延伸至本地網。

北斗在電信領域的應用落地，不但延伸了信息技術產業鏈，還提升了電信運營商的產品創新能力和市場競爭力。隨著數字經濟的不斷發展，北斗+5G將成為未來數字中國發展的重要基礎設施，這也對北斗在電信行業的創新研究和應用提出了更高的要求，未來北斗與通信網絡的深度融合，還需在以下領域進行更深入的研究。

1)完善通導融合標準。需要繼續推進制定北斗在國際電信領域的標準規范，為北斗的國際化推廣應用奠定基礎。加強制定北斗授時和短報文在電信行業的標準規范，促進北斗的規模化應用，引導北斗與電信產業協同發展。

2)加數據安全研究。在北斗+5G的融合應用過程中，大量時空信息被傳輸和處理，部分數據涉及國家安全和個體隱私，如何保障數據安全成為需要解決的問題。

3)北斗+5G融合定位研究。加強北斗+5G深度融合定位研究，研究在信號層面的融合定位，例如衛星信號遮擋時，5G定位信號作為補充，與北斗信號實現聯合定位。此外，還需要解決5G定位技術的瓶頸，加速5G定位的大規模商用。

4)北斗授時與時間同步研究。研究針對5G超低時延場景，利用光纖授時與波分系統混傳技術，實現全國的北斗地基授時信號端到端高精度傳送。此外，還需要研究在北斗授時主用時，北斗信號異常情況下，如何切換成其它衛星信號的策略。

5)星天地一體化的PNTC通導融合研究。隨著衛星互聯網的發展，需要研究基于北斗、低軌通信衛星和地面通信網絡，建設天地互備的定位授時能力及星地一體化通信服務能力。

致謝：感謝中國聯通研究院的魏步征博士和張子寧博士在文章撰寫過程中提出的寶貴意見和建議！