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5G与物联网卫星的融合通信及应用

摘要:5G和卫星网络的融合,能够在任何区域实现移动网络接入,为地面

5G网络无法覆盖的场景,如海事、应急、物流、农业、生态环保等提供移动通信

服务。物联网卫星系统作为卫星系统的一种,具备卫星制造及发射成本低、工作

频率低、终端及模组功率低等优点,与5G系统融合后可为各行各业提供各类物

联网数据互通及短消息泛在通信的服务。鉴于此,本文围绕5G与物联网卫星的

融合通信及应用展开探讨,以期为相关工作起到参考作用。

关键词:5G/6G;物联网卫星;融合通信

1.5G与物联网卫星的融合现状

目前我国在轨成熟运营的多为高轨卫星(GEO,GeostationaryEarthOrbit)

系统,如北斗、天通,因此星地融合技术也多发生在与高轨卫星融合领域,如北

斗短报文融合通信系统目前已正式运营。高轨卫星相比低轨卫星而言确实有其覆

盖优势,然而也存在传播时延大、终端发射功率大、易受干扰及“南山效应”等

劣势。物联网卫星轨道高度多在700~1500km,运行周期为2~4小时,相比于高

轨卫星,物联网卫星具有轨道高度低、传输损耗小、时延低、发射功率小等优点,

但它需要组网以实现全球覆盖,因而卫星数量多,且组网和控制切换等比较复杂。

物联网卫星通信系统发展的3个阶段:一是单点数据传输阶段,此阶段的特征是

卫星数量较少,只能以较长的时间间隔进行少量数据传输;二是多点数据传输阶

段,此阶段卫星数量较多,能够比较及时地传输数据;三是实时数据传输阶段,

卫星数量已满足全球无缝覆盖,可以实时进行数据传输[1]。物联网卫星通信系统,

作为地面通信系统的补充和延伸,能够有效扩展地面通信系统的覆盖范围,并具

有下列优点:(1)组网后覆盖地域广,可实现全球覆盖,可广泛应用于峡谷、

山区、丛林等区域,解决对地静止轨道卫星通信效果不佳问题;(2)卫星的轨

道高度低,使得传输延时短、路径损耗小,多个卫星组成的星座可以使得频率复

用更有效;(3)几乎不受天气、地理条件影响,可全天时全天候工作。系统抗

毁性强,在自然灾害、突发事件等紧急情况下依旧能够正常工作;(4)易于向

大范围运动目标(飞机、舰船等)提供无间断、高质量的网络连接。

2.5G+卫星融合通信方案

2.15G+卫星通信融合终端

2020年是5G移动通信商用的元年,当前推向市场的5G终端具备地面基站

5G接入功能,尚未具备5G直接与卫星通信网接入功能。当前5G终端可以通过

“地面基站-信关站-卫星”接入卫星通信网,可以通过具备接入卫星通信网的

WIFI热点实现卫星互联网接入,再通过微信以及APP终端实现语音以及视频通信、

收发数据信息。5G+卫星通信融合终端,具备地面基站网络、5G卫星网络接入能

力,具备智能天地5G网络无缝切换,在海洋、沙漠、深山、极地具备可以接入

5G卫星通信网的能力。融合终端的体积、重量、使用方式与现有5G终端没有大

的差异,提供个人购买融合终端即可使用无须专业卫星通信知识,无须天线指向

卫星等复杂的操作[2]。

2.25G卫5G与物联网卫星的地面基站

5G卫星便携地面基站在人口稀少的聚集区、抢险救灾、边境哨所等场景具备

快速搭建、快速便捷寻星、快速天线指向、快速接入的能力,无须专业的卫星通

信知识,普通人群即可操作搭建便携基站。5G便携基站与地面网络基站的不同之

处是直接可以接入5G卫星网络,而不是通多地面光纤接入5G网络。5G卫星移动

基站可以布局在游轮等海洋交通工具、高铁等地面交通工具、飞机等空中交通工

具,然后再把卫星移动基站通过有线网络接入到船舱、车厢、客舱等卫星网络覆

盖不到的地方,人们即便在深海游轮、高速旅行、万米高空亦可以接入5G通信

网络,实现泛在通信、5W通信[3]。在大型赛事、节假日人口密集的车站码头可以

立即投入5G移动通信车船,提高5G通信接入能力,避免通信拥堵。

2.35G卫星通信网建设

国外开展了5G+卫星通信融合验证与评估,2019年6月欧洲SaT5G项目团队

演示了5G卫星链路实现的机载视频通信、混合5G回传。SANSA提出了卫星5G网

络融合的动态频谱共享、地面自组网研究。2017年3月欧洲卫星与地面一体化的

SATis5项目研究,2018年8月投入使用了卫5G与物联网卫星的面网络验证测试

平台,用于演示、评估、验证5G+卫星融合通信网络。2019年5月,Teles

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