浅谈卫星通信与5G的融合途径

浅谈卫星通信与5G的融合途径

作者：陈超

来源：《山东工业技术》2019年第24期

摘要：现如今，5G即将进入商用时代。在这一背景下，应当加大卫星通信、5G的融合研究，充分利用5G的优势促进卫星通信技术的发展。文章就此展开了论述，先是简述了5G及星地融合通信的发展历史，接下来，分析了卫星通信与5G的融合途径，最后简述了其融合技术。

关键词：卫星通信;5G;融合途径

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2019.24.061

随着我国5G的产生与应用，卫星通信与5G的融合已成为社会研究热点。相比于4G来说，5G采用了许多先进技术，且具备了新特征，为卫星网络、地面网络的融合奠定了基础。所以，为了迎接即将到来的5G时代，应进一步加大5G与卫星通信的融合研究。

1 5G的优势

5G的主要优点体现在以下几个方面：第一，5G能够满足更加丰富的业务需求。在5G时代，人与物、物与物都可以相连，最终实现万物相连。ITU曾经将5G的三大应用场景定义为：增强的移动宽带、大规模机器通信、高可靠低延迟通信。第二，5G支持的工作频段非常广泛。在5G网络中，核心网被弱化，网络功能下沉到网络边缘。这时通过利用软件就可以重新定义网络、网络功能虚拟化等技术，提高网络资源的分配与管控能力。第三，传输更加稳定。5G的传输速度、传输稳定性都有了明显提高。这进一步拓宽了5G的应用范围。

2 星地融合通信的发展历史

有关星地融合通信的研究主要起源于上世纪90年代。虽然地面通讯为人们提供了便捷的通信服务，但是某些地形复杂的地区难以架设基站。而卫星通信正能弥补这一不足之处，与地面通信充分融合，为人们提供通信服务。我国对卫星移动通信技术的研究主要是从2010年开始，随后在2012年提交了卫星通信LTE标准草案。2016年发射了天通一号卫星。如今，多是采用基于统一的IP交换技术，实现互联网卫星与地面互联网的融合。而在5G的出現，给星地融合发展提供了新的发展方向，使得星地网络逐渐走向合作。

3 卫星通信与5G的融合途径

3.1 融合架构

结合我国空间信息网络规划及有关研究，能够预测到未来卫星通信系统将会以高、低轨卫星混合轨道设计为核心，并利用高频段、低频段多波束天线，在地面形成蜂窝覆盖，从而实现低速、宽带传输服务功能。这样终端用户在使用中就可以在不同的蜂窝热点区域间随意切换。而利用5G可以使频谱配置、干扰管理等工作更加协调。具体来说，卫星系统的融合主要体现在以下五个方面：①覆盖融合。卫星网络补充地面网络。但是两者仍相互独立，且提供不同的业务，使用不同的技术。②业务融合。卫星网络、地面网络仍独立存在，但是它们可提供相同的业务质量，且部分服务QoS指标达到一致。③用户融合。也就是说，用户通过使用唯一的身份可以依据需求选择卫星网络或是地面网络。两者的计费方式是相同的。④体制融合。两者采用同样的构架、传输、交换技术，其中用户终端、关口站可采用地面网络技术。⑤系统融合。两者构成一个整体，给用户提供一致的服务，并实现两者的资源的协调调用，实现两者能提供相同的服务及质量，从而让用户感受到卫星网络、地面网络的无缝切换使用。

3.2 仍以两者互通为主

在一段时期内，卫星网络的主要业务发展方向仍是以地面互通为主。在5G背景下，其架构体系的研究方向也应是卫星转发业务。同时，在研究中还应着力于解决一下问题：第一，科学分割卫星及地面、卫星及卫星。第二，如何实现卫星不落地的交换、呼叫等。

3.3 重新设计空中接口

在早期，我国天通一号主要是以3GPP-R4/R6为参考。但是在5G背景下，可采用与地面5G相同的设计方案。但是在这一过程中应注意：第一，若是采用双工模式，则应注意卫星、波光的不断运动会增加定时难度，MIMO在卫星中的使用会受到限制。第二，在波形设计中，要切实考虑信道模型的特性适配、封峰均比。第三，在复用中，应注意即便是采用CP-OFDM，也可参考5G的时、频、空域的资源划分方式。第四，在定时方面，可采用基于位置进行延时补偿的思路，缩短波束中心、波束边缘的用户延时差。

4 卫星通信与5G的融合技术

4.1 大多普勒频移下的多载波传输技术

其实，制约5G传输体系在卫星系统中应用的关键因素就是大多普勒频移。但是考虑到大多普勒频移与卫星轨道高度卫星覆盖区存在联系。况且，5G系统的基础传输体制对频率偏移非常敏感。即便是较小的偏移也会造成载波间的干扰。所以，可选择与可变子载波宽带的设计方案。比如对于L频段，可采用在15KHz以下的子载波;对于Ka频段，可采用较大的频段。如大于2.4MHz的子载波。需要注意的是5G的最大子载波宽度只能达到480KHz。但是这并不能完全满足通信需求。所以，还可尝试应用星历进行预先补偿。

4.2 短突发传输技术

物联网也是5G的重要应用场景。但在卫星通信物联网中，系统带宽更窄。加之，卫星传输的功率受限，其传输延时性会更加明显。所以，需进一步改进适配卫星的适应性。对此，可从降低频域RBE颗粒度、构建短突发信号波形等方面入手。

4.3 面向长延时的AHRQ优化技术

直射信号对卫星移动通信质量的影响非常大。依据直射信号状态可以将移动通信建立成不同的状态模型。即Good、Bad状态模型。在Bad状态模型下，卫星信道的长延时会导致链路出现各种突发误码。对此，可尝试采用HARQ、交织技术进行解决。一方面可采用交织、FEC编码技术，并设置合理的交织深度、编码码率。另一方面，可直接优化HARQ机制。

4.4 波束覆盖级切换技术

从上文中能够了解到卫星网络在地面上是蜂窝状覆盖。每个波束对应了一个小区。那么，波束在地面上就会呈现出两种覆盖方式。即卫星覆盖、地面覆盖。其切换方式包括同步、异步两种。其中异步切换的优点是风险小、星上载荷设计简单。同步切换的优点是能实现无损切换、管理简单，且能有效解决业务不均匀、建筑物遮蔽等问题。对此，可应用卫星覆盖方式。但这会带来漫游难题。所以，可尝试提前预测需切换的波束、卫星，并提前做好信道资源分配。这样就能迅速缩短切换过程。

综上所述，在现代化背景下，若要加快5G与卫星通信的融合，就应充分了解5G、卫星通信的特点，并结合现代通信发展寻找最佳5G与卫星通信的最佳融合途径及技术。

参考文献：

[1]郭正标.天地大融合时代，卫星通信何去何从——融合5G的卫星网络方案建议[J].卫星与网络，2018（09）：22-26.

[2]王明旭，张万东，陈周天，刘理.卫星导航与5G移动通信融合架构与关键技术[J].通讯世界，2017（20）：50-51.