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近年,全球连接及数字化的需求不断增加,不再只是服务人口密集的区域,也延伸到深空、海洋、沙 漠等无人区,单靠地面网络和计算已无法有效满足需求。随着高、低轨卫星互联网的发展,高低轨卫星通信和地面移动通信将实现无缝连接,形成空天地海一体化立体网络。

地面5G移动通信技术是面向陆地的公众移动通信系统,通过大量的地面基站来实现信号覆盖和传输,但受制于地理条件和建设成本,基站无法在海域、沙漠、无人区等地理条件中形成有效覆盖。卫星互联网通信因为其天基网络便于实现全球覆盖的优点,将通信与计算、导航、感知、智能相融合,通过空、天、地、海泛在覆盖的网络连接实现全息泛在的智能高速宽带通信。
在天地一体化信息网络联合发展中,地面5G网络需要依托卫星互联网的广域覆盖和全球覆盖优势,弥补5G网络覆盖不足的局限,通过天地网络融合实现网络无缝连接与通信空间延伸。同时,卫星互联网也需要依托5G网络的高性能传输优势,以提升高轨宽带卫星和低轨星座互联网系统的用户体验度。
 

5G与卫星互联网融合发展的背景

地面5G是新一代移动通信技术发展的主要方向,是国家未来信息化基础设施的重要组成部分。与4G相比较,5G具备更高的性能。

(1)支持0.1~1Gbps更好的用户体验速率。

(2)频谱效率提升5~15倍、比IMT-A提升3倍。

(3)每小时500Km以上的移动性。

(4)毫秒级的端到端时延。

(5)  每平方公里一百万的连接数密度。

(6)每平方公里数10Tbps的流量密度。

(7)峰值速率达到10Gbps。

(8)能效和成本效率比IMT-A提升百倍以上。

5G与4G相比,具有“超高速率、超低时延、超大连接”的技术特点,移动通信的能力和范畴得到了前所未有的拓展。

但是在三维的立体空间里,单一地面5G网络无法适应未来广域万物智联与全球随遇接入的应用需求,唯有将5G与卫星互联网融合发展才是未来的必然发展趋势。卫星互联网与5G相互融合,取长补短,共同构成全球无缝覆盖的海、陆、空、天一体化综合通信网,满足用户无处不在的多种高速率、广接入、全覆盖的应用场景需求,为用户带来全时全域的信息服务体验。

同时,空中网络和地面通信系统的无缝对接,以及技术能力不断迭代升级,还将为全球各类应用提供高性能、低成本、高可靠、无处不在的数字化连接,降低获取连接的复杂度,并全面提升连接质量。

 

卫星在5G典型场景中的应用

卫星互联网与5G的融合,将为用户提供无缝通信交换服务。比如在地面5G网络无法覆盖的偏远地区、飞机上或者远洋舰艇上,卫星可以提供经济可靠的网络服务,将网络延伸到地面网络无法到达的地方。同时卫星还可以为物联网设备以及飞机、轮船、火车、汽车等移动载体用户提供连续不间断的网络连接,信息通信将不受地域限制实现万物互联。 

卫星在5G的若干应用举例

(来源:肖永伟等《低轨通信星座发展的思考》,华创证券) 

对于5G网络的典型应用场景,ITU从eMBB(增强型移动宽带)、mMTC(超可靠低时延通信)、URLLC ( 大规模机器型通信)三方面做出了定义。在这三类应用场景中,宽带卫星和低轨星座互联网均有“用武之地”。
(1)卫星在增强型移动宽带(eMBB)场景 
eMBB,增强型移动宽带,是针对大流量移动宽带业务。目前随着移动互联网时代的发展,超高清、3D和浸入式视频等内容对数据传输速率提出更高要求,此外还有增强现实、在线游戏、云类服务等大流量业务也对上下行速率提出了挑战。数据存储在“边端云”,海量数据交互甚至要求可媲美光纤的传输速率,提升以“人”为中心的娱乐、社交等个人消费业务的通信体验。

而低轨卫星以其高带宽、低延时等优势,可提供高清电视、多媒体等直播到家的服务,这可与地面5G系统互为补充。

对于地面蜂窝覆盖区边缘,以及远地地面基础设施难以架设的地区,如海洋、湖泊、沙漠、农村,是卫星天然的“用武之地”;此外,卫星还能为飞机、航天器和轮船等支持宽带数据通信服务,重点解决用户在高速移动环境、特殊地形地貌环境下获得一致的业务体验。

(2)卫星在海量物联网通信(mMTC)场景中的应用

mMTC是针对未来海量低功耗、低带宽、低成本和时延要求不高的场景所设计,面向以传感和数据采集为目标的应用场景,如红外传感器、射频标识器件(RFID)、摄像机、全球定位系统(GPS)和北斗系统终端等,主要满足物联网、数据采集、环境监测、智慧城市等海量接入的通信需求。

在5G的mMTC万物互联场景中,借助卫星的广域覆盖能力,可以使运营商在地面网络基础设施不发达地区实现感知器件的接入,如油/气管道等设施状态的危急监视、飞行器管理、长途货运列车(如中欧班列)货物跟踪、数字签收、铁路扳道遥控、轮船甲板上集装箱的监测等等,凭借无所不在的全球覆盖能力,低轨卫星网络将成为5G mMTC场景的有力补充手段。 
(3)卫星在低时延高可靠通信(uRLLC)场景中的应用
uRLLC是基于低时延(1ms)和高可靠(99.999%)的特点,主要面向垂直行业的特殊应用需求,如无人驾驶汽车、工业自动化操作、远程医疗高难度手术等。这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求,需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性。由于卫星距地面数百千米以上,信号传播时延远大于1ms,因此不可能直接支持此场景的应用。但在其中一些业务应用需求细分场景,将对时延的要求进行分解,卫星将大有可为。

例如以汽车自动驾驶为例,利用卫星广播的广域覆盖能力融合路基端云设备,完成差异化的车路协同、车车协同等场景。10毫秒级和毫秒级的应用也可以形成业务链路备份聚合,满足高可靠性场景。如远程医疗救护,要求全程对高危病患进行监护,届时,低时延的卫星通信链路将与地面覆盖网络一起在全程护理上发挥重要作用。

而这一切应用场景的落地都离不开星地计算。星地计算是指由卫星系统、空中网络、地面通信和云计算集成而成的一种新兴的计算架构。星地计算通过空、天、地、海广覆盖的网络连接实现全息泛在的智能高速宽带通信和全域计算服务,促进万物互联,将有效解决偏远地区、航海航空的通信需求,低延时广覆盖的网络将促进云网端的进一步融合,从而为各种极端场景带来新型应用的可能。

 

卫星互联网与5G融合技术的关键作用

与5G融合的低轨星座网络架构示意图 
(来源:《闵长宁:卫星互联网与5G融合的价值研究》,卫星互联网百人会) 
随着卫星互联网和5G网络建设的逐步深入,卫星+5G的网络融合技术可以在多方面发挥至关重要的作用: 
一是利用卫星网络广域覆盖的特点,可以极大拓展5G基站的部署范围。位于太空中的卫星利用高度优势可以覆盖地面上非常广泛的区域,当在地面光纤网络建设成本高、难度大的区域有网络需求时,可以利用卫星链路按需完成5G基站快速部署。哪里需要就在哪里开通,不需要就能够随时撤站,节约设备和建站空间及能耗。 
二是利用卫星网络天然的广播优势。结合MEC边缘计算技术,可以实现广域内容播发,分担地面传输网络负荷,增强网络弹性,大幅节约成本;同时,作为接入侧的用户,也能体验到无差别的高速互联网服务。
三是卫星链路与地面传输网络互为备份,可以共同承载5G网络业务。2020年已成功实现我国首个“5G+低轨卫星”融合网络业务演示。演示当日低轨技术验证卫星过境东海海域,在远海中韩渔业界定线附近的远洋渔政船现场,演示人员使用5G手机拨打手机移动号码,同渔政码头实现了通话,声音清晰无卡顿,使用5G手机上网观看视频、发送微信操作流畅。2021年7月25日,我国首次低轨宽带卫星与5G专网融合试验在北京和济南完成,利用低轨宽带卫星,构建起北京、济南两地5G专网间的骨干网络,代替了需要预先铺设的地面光纤,实现了低轨卫星和5G专网的融合。

目前,除了时延、速度、安全、可靠和连接能力提升的需求外,泛在连接需求正成为行业内关注的重点。通过卫星互联网与5G网络融合发展,可以连通空、天、地、海多维空间,形成一体化的泛在网络格局,满足多元化的泛在连接需求,加速整个社会迈向数字化通信时代。 

参考资料:
1.《闵长宁:卫星互联网与5G融合的价值研究》,卫星互联网百人会
2.《2022十大科技趋势-达摩院》-星地计算
3.肖永伟等《低轨通信星座发展的思考》,华创证券
4.吴晓文, 焦侦丰, 凌翔, 刘冰, 朱立东, 韩磊.面向6G的卫星通信网络架构展望. 电信科学[J], 2021, 37(7): 1-14 doi:10.11959/j.issn.1000-0801.2021147
5.韦鹏宽.卫星通信与5G融合系统发展探究[J].无线互联科技,2021,18(01):1-2.
6.胡悦、王光全、朱斌:“低轨卫星+5G”融合网络业务,卫星与网络微信公众号
7.华西证券股份有限公司通信行业周报:卫星互联网纳入新基建,行业加速发展
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卫星互联网与5G融合的发展意义