姜元山，王運(yùn)付，劉 霞，吳國建

（1.中國聯(lián)通中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，北京 100048；2.華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引 言

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)是通過一定數(shù)量的衛(wèi)星組網(wǎng)，向地面和空中終端設(shè)備提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入等通信服務(wù)，衛(wèi)星按照軌道高度不同劃分為LEO（低地球軌道）、MEO（中地球軌道）、GEO（地球靜止軌道）、NGSO（傾斜地球同步軌道）四種類型[1-4]。2030年，全球衛(wèi)星通信市場規(guī)模有望達(dá)到3 000億美元。大部分在軌靜止軌道衛(wèi)星將被多點(diǎn)波束的高通量衛(wèi)星所替代，高通量衛(wèi)星的通信總?cè)萘繉⒊^1 Tb/s，終端會(huì)更輕巧便攜[5-7]。以Starlink和OneWeb為代表的低軌衛(wèi)星掀起了低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)高潮，全球覆蓋、低時(shí)延、高速率、小終端，代表了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的主要發(fā)展趨勢(shì)。3GPP中也定義了非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN），衛(wèi)星通信與地面5G技術(shù)的融合是大勢(shì)所趨，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)是對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的補(bǔ)充和完善。中國星網(wǎng)集團(tuán)對(duì)我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了頂層設(shè)計(jì)和資源融合，加快了空天地一體化數(shù)字信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，我國將很快進(jìn)入低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代[8-10]。

1 衛(wèi)星與5G多模物聯(lián)網(wǎng)終端

1.1 衛(wèi)星終端的發(fā)展

衛(wèi)星終端類型主要有固定站終端、車載站終端、自動(dòng)便攜站終端、手動(dòng)便攜站終端。多樣化的衛(wèi)星通信終端形態(tài)，滿足行業(yè)個(gè)性化需求的應(yīng)用能力日益增強(qiáng)。衛(wèi)星終端形態(tài)也正在發(fā)生革命性變革，逐漸由拋物面向平面形態(tài)演進(jìn)，由機(jī)械掃描向全電掃相控陣天線演進(jìn)。具體見表1所列。

表1 衛(wèi)星終端形態(tài)對(duì)比

衛(wèi)星終端將由分體式向一體化方向演進(jìn)。一體智能化衛(wèi)星通信終端將大幅提升用戶體驗(yàn)，使衛(wèi)星通信更加快速可靠，使寬帶互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景普遍化。其中，在一體化終端上使用一系列新技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）基于SOC芯片的VSAT衛(wèi)星小站基帶處理、IP處理，軟件定義任務(wù)成為通用做法；

（2）空中接口、波束掃描、射頻系統(tǒng)管理、基帶處理、IP處理、干擾消除的一體化控制與管理成為發(fā)展潮流；

（3）射頻子系統(tǒng)的一體化、平面化、可賦型化在快速實(shí)現(xiàn)；

（4）單一衛(wèi)星路由器的IP處理能力，包括TCPUDP、PPS的處理能力，將大力支持5G基站和5G 網(wǎng)關(guān)。

1.2 衛(wèi)星與5G多模物聯(lián)網(wǎng)終端的實(shí)現(xiàn)

衛(wèi)星通信時(shí)代，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)將成為通信領(lǐng)域“萬物互聯(lián)”和“泛在互聯(lián)”兩個(gè)發(fā)展方向的代表性技術(shù)，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)與地面5G的天地融合通信可以在不受地理?xiàng)l件限制的萬物泛在互聯(lián)中發(fā)揮不可替代的作用。本文提出一種衛(wèi)星與5G融合的物聯(lián)網(wǎng)終端，并衍生出全新的天地融合通信應(yīng)用場景，可廣泛服務(wù)于各類用戶的通信需求。

如圖1所示，衛(wèi)星與5G融合終端系統(tǒng)主要由天線模塊與衛(wèi)星5G融合模塊兩部分組成。其中天線模塊可以使用拋物面天線、陣列天線、相控陣天線三種天線形態(tài)。衛(wèi)星5G融合模塊包括衛(wèi)星基帶調(diào)制解調(diào)器，主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星信號(hào)的調(diào)制解調(diào)并轉(zhuǎn)IP數(shù)據(jù)；5G模組主要負(fù)責(zé)接入5G基站，完成5G信號(hào)轉(zhuǎn)IP數(shù)據(jù)；主控CPU模塊負(fù)責(zé)處理路由協(xié)議，將公網(wǎng)轉(zhuǎn)為內(nèi)部局域網(wǎng)，擴(kuò)展用戶接入。主控CPU支持網(wǎng)口、RS 232、RS 485、WiFi等接口，提供最終用戶或者物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上網(wǎng)。其中衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器通過網(wǎng)口與主控CPU連接，5G模組通過USB轉(zhuǎn)網(wǎng)口與主控CPU連接。

圖1 衛(wèi)星與5G融合終端框圖

1.3 衛(wèi)星5G融合終端兩種架構(gòu)形態(tài)

傳統(tǒng)的拋物面、陣列天線終端形態(tài)主要包括天線、LNB、BUC、調(diào)制解調(diào)器、電源、主控CPU，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)機(jī)械掃描天線衛(wèi)星5G融合終端框圖

天線為波導(dǎo)縫隙陣列天線或者拋物面天線，具有比拋物面形態(tài)終端體積更小、重量更輕的特點(diǎn)。BUC為上變頻功率放大器，其作用是將調(diào)制解調(diào)器發(fā)送的中頻信號(hào)進(jìn)行上變頻和高功率放大。LNA是低噪聲下變頻器，將接收的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行低噪聲和下變頻。衛(wèi)星基帶調(diào)制解調(diào)器工作在L頻段，主要對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼和調(diào)制，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和信道譯碼。

相控陣天線終端形態(tài)如圖3所示，主要包括有源發(fā)射相控陣天線陣面、有源接收相控陣天線陣面、上下變頻模塊、追星模塊（慣導(dǎo)、GNSS模塊、多模接收機(jī)）、天線主控ACU單元、電源等。

圖3 相控陣電掃描天線衛(wèi)星5G融合終端框圖

收發(fā)陣面分口徑設(shè)計(jì)，獨(dú)立可控波束指向，可實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星雙向通信；上下變頻將天線的射頻頻率轉(zhuǎn)換為調(diào)制解調(diào)器所用的中頻頻率；波控單元集成在接收陣面中，接收ACU指令控制天線波束掃描；天線主控單元（ACU）是整個(gè)相控陣的大腦，實(shí)現(xiàn)相控陣追星功能，同時(shí)具有自檢、監(jiān)控、保護(hù)、日記記錄等功能；GPS、慣導(dǎo)（IMU）、多模接收機(jī)配合ACU完成追星閉環(huán)功能；衛(wèi)星基帶調(diào)制解調(diào)器工作在L頻段，主要對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼和調(diào)制，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和信道譯碼。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)雙網(wǎng)絡(luò)切換流程如圖4所示，可以通過選擇上網(wǎng)模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問路徑切換，當(dāng)5G或者衛(wèi)星訪問鏈路斷開后，切換到另外的通路進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問。

圖4 衛(wèi)星5G融合終端網(wǎng)絡(luò)切換流程

2 衛(wèi)星與5G多模物聯(lián)網(wǎng)終端應(yīng)用場景

物聯(lián)網(wǎng)通信應(yīng)用場景如圖5中的場景1，在一些偏遠(yuǎn)的地面網(wǎng)絡(luò)信號(hào)難以到達(dá)的地區(qū)，地理環(huán)境惡劣，監(jiān)控設(shè)備需要具備極強(qiáng)的室外適應(yīng)性。通過搭建移動(dòng)衛(wèi)星終端，內(nèi)置太陽能板或風(fēng)能發(fā)電、蓄電池、物聯(lián)終端、物聯(lián)DTU等設(shè)備，采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，由物聯(lián)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總后通過衛(wèi)星鏈路或者5G鏈路將采集到的信息回傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全面監(jiān)控。針對(duì)飛機(jī)、遠(yuǎn)洋船舶上的上網(wǎng)需求一直無法有效解決的痛點(diǎn)，利用衛(wèi)星通信覆蓋范圍大的特點(diǎn)，結(jié)合高通量衛(wèi)星大帶寬，建設(shè)動(dòng)中通的衛(wèi)星5G融合終端，為客戶提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；在設(shè)備移動(dòng)過程中，有地面網(wǎng)絡(luò)時(shí)優(yōu)先接入5G網(wǎng)，無地面網(wǎng)絡(luò)時(shí)接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

圖5 衛(wèi)星5G融合終端應(yīng)用場景

應(yīng)急通信應(yīng)用場景如圖5中的場景2，在信號(hào)覆蓋不足的地區(qū)或者需要應(yīng)急通信的其他場景，現(xiàn)場搭建4G/5G微基站環(huán)境，使用衛(wèi)星流量通過衛(wèi)星終端回傳基站數(shù)據(jù)到核心網(wǎng)，為4G/5G微基站提供數(shù)據(jù)回傳場景， 滿足應(yīng)急場景用戶手機(jī)打電話和上網(wǎng)的通信訴求。應(yīng)急通信解決了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上網(wǎng)應(yīng)用場景問題，如圖5中的場景3，由衛(wèi)星終端、WiFi6終端一起組成WiFi Mesh網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星終端與信關(guān)站直接通信，滿足應(yīng)急場景人員和設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)訪問的訴求。該區(qū)域只需一個(gè)衛(wèi)星終端流量出口，通過WiFi組網(wǎng)，擴(kuò)大信號(hào)覆蓋面積，降低組網(wǎng)成本。

3 結(jié) 語

太空互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成為國際航天領(lǐng)域熱門，世界各國已經(jīng)開始進(jìn)行低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)及組網(wǎng)。在當(dāng)前時(shí)代背景下，5G和衛(wèi)星通信融合的業(yè)務(wù)場景會(huì)越來越廣泛。利用衛(wèi)星和5G融合能夠發(fā)揮衛(wèi)星通信的廣覆蓋和5G通信大連接、高帶寬、低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)，通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)全球范圍網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋。在應(yīng)急通信以及陸地信號(hào)覆蓋不連續(xù)區(qū)域，用戶可以通過融合終端實(shí)現(xiàn)連續(xù)上網(wǎng)訴求，融合終端也將為未來的6G通信積累豐富的應(yīng)用需求及經(jīng)驗(yàn)。