5G專網(wǎng)與多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同組網(wǎng)方案與實現(xiàn)

隨著5G和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的不斷發(fā)展成熟以及國家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略布局，如何結(jié)合5G專網(wǎng)及多類型衛(wèi)星系統(tǒng)特性在應(yīng)急等場景應(yīng)用是研究的重要議題。梳理了當(dāng)前應(yīng)急業(yè)務(wù)需求及痛點、近年衛(wèi)星通信和5G專網(wǎng)技術(shù)發(fā)展背景和特點，提出一種5G專網(wǎng)協(xié)同多衛(wèi)星系統(tǒng)在應(yīng)急業(yè)務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用的方案模式，并詳細(xì)闡述了其架構(gòu)、各部分功能以及關(guān)鍵實現(xiàn)設(shè)備的技術(shù)點。最后對該融合協(xié)同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用愿景、意義進(jìn)行了描繪，并給出了運(yùn)營商業(yè)務(wù)發(fā)展建議。

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?背 景

近些年來，重大自然災(zāi)害、工業(yè)事故、恐怖襲擊等突發(fā)事件給政府及人民帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)通過預(yù)防與預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)、后期處置等工作，在自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、公共衛(wèi)生、社會安全等突發(fā)事件情況下實現(xiàn)通信保障，確保重要通信安全暢通。但當(dāng)前普遍采用的應(yīng)急通信系統(tǒng)較為獨立封閉，并存在與地面移動通信系統(tǒng)不互通、應(yīng)急場景下終端操作不便、受衛(wèi)星資源限制無法覆蓋或不穩(wěn)定、時延高等問題。

隨著我國5G基礎(chǔ)設(shè)施的逐步完善，5G基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力快速提升，5G專網(wǎng)可根據(jù)客戶需求提供大上行、超高可靠、超低時延、5G切片、5G高精度同步、5G高精度定位、廣域漫游、二次認(rèn)證、能力開放等30項以上關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)差異化能力。5G專網(wǎng)賦能應(yīng)急通信領(lǐng)域可使應(yīng)急通信更加靈活，同時減少對周邊各環(huán)境因素的要求，為搶險救災(zāi)提高了效率、爭取了寶貴的時間，并提高了應(yīng)急服務(wù)保障的服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗。

同時，由于衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，特別是低軌衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信在速率和時延上已經(jīng)可以滿足大多數(shù)5G業(yè)務(wù)場景的需求。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與5G地面通信網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)上已具備融合的基本條件，逐步向不同軌道多衛(wèi)星系統(tǒng)融合、通信遙感導(dǎo)航衛(wèi)星融合、地面與衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同融合等趨勢發(fā)展。通過構(gòu)建架構(gòu)、功能、接口、流程一體化的天地一體5G網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋融合、系統(tǒng)融合、網(wǎng)絡(luò)融合和業(yè)務(wù)融合，在提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率的同時，為用戶提供全球全域無縫連接、業(yè)務(wù)連續(xù)性和通信服務(wù)保障，使通信業(yè)務(wù)和應(yīng)用能豐富多樣，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

本文首先結(jié)合應(yīng)急場景當(dāng)前的需求和痛點，對5G專網(wǎng)、衛(wèi)星通信以及星地融合的發(fā)展趨勢進(jìn)行了概述，其次介紹了應(yīng)急業(yè)務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)狀和5G專網(wǎng)在該領(lǐng)域應(yīng)用的方案及模式，并著重介紹了方案中實現(xiàn)5G專網(wǎng)與多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)點和功能實體，最后結(jié)合研究內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)和展望。

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5G專網(wǎng)在應(yīng)急業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1? 現(xiàn)有應(yīng)急通信方式分析

應(yīng)急通信專業(yè)機(jī)構(gòu)主要職責(zé)一般為：戰(zhàn)時為中央和各級黨政軍機(jī)構(gòu)“指揮系統(tǒng)”提供應(yīng)急通信保障；平時為搶險救災(zāi)、各種突發(fā)事件和重大國務(wù)活動、軍事活動提供應(yīng)急通信保障。在面對一系列突發(fā)性事件時，借助應(yīng)急指揮通信車移動的靈活性以及快捷的部署能力，為相應(yīng)指揮處理工作的高效開展提供保障。應(yīng)急指揮車到達(dá)現(xiàn)場后，通過通信系統(tǒng)將圖像和聲音傳送到數(shù)十公里或數(shù)百公里外的應(yīng)急中心，可實現(xiàn)音視頻采集與傳輸、對外宣傳、會議決策、自備電及外接電源、照明等基本功能。采集到的音頻和視頻信號傳輸?shù)街笓]車再到后方指揮中心，基于指揮平臺的信息采集和集成功能，實現(xiàn)重大事件和突發(fā)事件的現(xiàn)場疏導(dǎo)和決策處理。

傳統(tǒng)的應(yīng)急通信車通信方式主要分為車載4G無線通信、微波通信和衛(wèi)星通信，其中：車載4G無線通信通過車載路由器、移動通信模塊接入運(yùn)營商4G基站，或通過光纖接入的方式接入運(yùn)營商核心網(wǎng)，完成語音及數(shù)據(jù)信息的交互；微波通信由無線電對講機(jī)技術(shù)發(fā)展而來，采用短波或超短波的方式實現(xiàn)調(diào)度、組呼以及快速呼叫的功能；衛(wèi)星通信是在空間技術(shù)和地面磁波通信的技術(shù)基礎(chǔ)上，利用人造地球衛(wèi)星做中繼站用以轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，以實現(xiàn)2個或2個以上個體或單位之間通信的通信手段。3種通信方式的優(yōu)點和不足如表1所示。

表1? 3種通信方式的優(yōu)點和不足

現(xiàn)有的車載4G通信需要通過車載路由器、移動通信模塊接入運(yùn)營商4G基站或光纖接入的方式接入運(yùn)營商核心網(wǎng)完成語音及數(shù)據(jù)信息的交互，存在一定局限性。例如，部分災(zāi)區(qū)環(huán)境惡劣，通信設(shè)施（基站/回傳光纖/供電線路等）損毀嚴(yán)重，救援人員手機(jī)終端無法正常接入運(yùn)營商基站進(jìn)行通信；通過光纖接入運(yùn)營商的通信方式不能深入災(zāi)區(qū)重點區(qū)域，且應(yīng)急通信車失去了靈活機(jī)動特性，功能性有所缺失；無法對注冊終端接入控制，加大了通信資源有限的利用成本，降低了通信效率。

通過上述綜合分析，3種應(yīng)急通信方式各有利弊，通常組合起來共同完成在搶險救災(zāi)或重大事件保障工作中的通信工作。然而，因為移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展催生的各種多媒體業(yè)務(wù)形態(tài)以及應(yīng)急場景本身的環(huán)境局限等原因，車載4G通信已經(jīng)不能滿足當(dāng)前應(yīng)急通信的需求。

2.2? ?5G專網(wǎng)與多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同應(yīng)急業(yè)務(wù)方案

結(jié)合當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)及衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢，本文提出5G專網(wǎng)與多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同的應(yīng)急業(yè)務(wù)方案，充分發(fā)揮高通量衛(wèi)星及低軌衛(wèi)星的傳輸優(yōu)勢，將運(yùn)營商語音及數(shù)據(jù)訪問等5G業(yè)務(wù)無差異化地延伸至遠(yuǎn)洋海域、地面災(zāi)害等應(yīng)急場景，保障在災(zāi)害地區(qū)應(yīng)急時穩(wěn)定便捷的通信。在保障業(yè)務(wù)穩(wěn)定性和功能性的前提下，充分利用不同軌道衛(wèi)星特性，與5G專網(wǎng)資源整合，利用“5G泛在接入+衛(wèi)星通道”達(dá)到1+1>2的業(yè)務(wù)體驗。

方案以5G專網(wǎng)基礎(chǔ)能力為底座，結(jié)合多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同接入的解決方案，解決帶寬受限問題，將多鏈路帶寬捆綁，增加優(yōu)化帶寬及服務(wù)時長。同時結(jié)合應(yīng)急機(jī)動場景下的業(yè)務(wù)需求，提供包括但不限于如下的基礎(chǔ)及增強(qiáng)功能。

a） 應(yīng)急專網(wǎng)內(nèi)部人員間的3G/4G/5G語音通話、短信及數(shù)據(jù)訪問功能。

b） 應(yīng)急專網(wǎng)與外部移動通信網(wǎng)絡(luò)間的3G/4G/5G語音通話、短信及數(shù)據(jù)訪問功能。

c） 應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)資源編排和分配優(yōu)化，實現(xiàn)業(yè)務(wù)路由的智能選擇。

d） 互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在應(yīng)急場景的操作優(yōu)化，解決大網(wǎng)損壞時APP應(yīng)用及短信等不能使用的問題。

e） 集群認(rèn)證功能，針對特定應(yīng)急用戶群體增加認(rèn)證能力。

f） 快速部署方案，對5G應(yīng)急專網(wǎng)實現(xiàn)解耦和簡化，滿足快速與大網(wǎng)互通和隨機(jī)隨時接入需求。

g） 5G消息、短信與應(yīng)急通信系統(tǒng)的緊密聯(lián)動及高效精準(zhǔn)投送方案。

h） 其它運(yùn)營商增值業(yè)務(wù)，如話音增強(qiáng)（實時翻譯）、NEF能力開放、QoS控制等的融合應(yīng)用方案。

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5G專網(wǎng)與多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同組網(wǎng)方案與實現(xiàn)

3.1? 系統(tǒng)架構(gòu)

5G專網(wǎng)與多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同應(yīng)急業(yè)務(wù)方案的系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)如圖1所示，按照所屬網(wǎng)絡(luò)及功能可大致分為5G應(yīng)急專網(wǎng)、多衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、融合接入及控制3個部分。其中5G應(yīng)急專網(wǎng)、多衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為對應(yīng)體系下的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)元及設(shè)備組成，不需要定制；融合接入及控制為匹配該專網(wǎng)業(yè)務(wù)方案的定制化功能設(shè)備簇。

圖1? 5G專網(wǎng)與多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同應(yīng)急業(yè)務(wù)方案系統(tǒng)架構(gòu)

3.2? 系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

對系統(tǒng)架構(gòu)的5G應(yīng)急專網(wǎng)、多衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、融合接入及控制3個部分進(jìn)行功能介紹。

3.2.1? 5G應(yīng)急專網(wǎng)

作為本系統(tǒng)方案業(yè)務(wù)功能的主要實現(xiàn)部分，5G應(yīng)急專網(wǎng)可部署在應(yīng)急機(jī)動車、大型無人機(jī)、移動飛艇等業(yè)務(wù)接入側(cè)，根據(jù)部署環(huán)境和業(yè)務(wù)需求，靈活調(diào)整專網(wǎng)部署模式和對應(yīng)網(wǎng)元實體及功能。

在虛擬專網(wǎng)模式下，基于運(yùn)營商5G核心網(wǎng)提供的DNN、QoS優(yōu)先級配置和切片等特性滿足用戶對應(yīng)急專網(wǎng)隔離性和性能方面的需求；在混合專網(wǎng)模式下，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的UPF網(wǎng)元下沉，滿足數(shù)據(jù)不出場和業(yè)務(wù)隔離等需求；在獨立專網(wǎng)模式下，部分5GC網(wǎng)元下沉（如AMF、SMF等），UDM不下沉，基礎(chǔ)語音業(yè)務(wù)仍使用大網(wǎng)的IMS實現(xiàn)業(yè)務(wù)功能。

3.2.2? 多衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

衛(wèi)星通信在星地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，既可作為基站傳輸通道，也可直接為用戶終端（手機(jī)或者其他形態(tài)）提供接入。本應(yīng)用方案為基站傳輸通道的衛(wèi)星系統(tǒng)融合架構(gòu)，采用“衛(wèi)星+基站”的方式，用戶通過符合蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的終端直接接入基站，基站再通過衛(wèi)星傳輸至核心網(wǎng)，衛(wèi)星通信作為傳輸網(wǎng)絡(luò)的一部分拓展基站的覆蓋。

一套完整的衛(wèi)星傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包含衛(wèi)星用戶站、星上衛(wèi)星系統(tǒng)、衛(wèi)星信關(guān)站3個部分。本方案可同時將多個不同的衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)作為業(yè)務(wù)傳輸鏈路，連接5G應(yīng)急專網(wǎng)和運(yùn)營商5G核心大網(wǎng)。單一的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)源可通過反向復(fù)用多個衛(wèi)星系統(tǒng)信道用于傳輸，然后在接收端重新聚合，實現(xiàn)多種接入?yún)f(xié)議的融合及轉(zhuǎn)換，使傳輸數(shù)據(jù)具備不同維度策略的分流/并流傳輸能力，提高應(yīng)急專網(wǎng)的可用性和傳輸效率。

3.2.3? 融合接入及控制

該部分包含2個獨立的功能設(shè)備，分別為協(xié)同接入配置模塊和5G應(yīng)急業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)。

協(xié)同接入配置模塊部署在衛(wèi)星傳輸網(wǎng)絡(luò)的兩側(cè)，分別同5G應(yīng)急專網(wǎng)及運(yùn)營商5G核心網(wǎng)互通，單一的數(shù)據(jù)源通過反向復(fù)用多個信道用于傳輸，然后在接收端重新聚合，實現(xiàn)多種接入?yún)f(xié)議融合及轉(zhuǎn)換，使傳輸數(shù)據(jù)具備不同維度策略的分流/并流傳輸能力。

5G應(yīng)急業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)部署在靠近運(yùn)營商核心網(wǎng)大網(wǎng)一側(cè)，并與其對接，實現(xiàn)5G應(yīng)急專網(wǎng)業(yè)務(wù)的精準(zhǔn)控制編排、權(quán)限管理、第三方能力接入及開放等。

3.3? 協(xié)同組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

作為多個系統(tǒng)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與5G地面通信網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)及業(yè)務(wù)方面融合的可行性落地應(yīng)用方案，協(xié)同組網(wǎng)的關(guān)鍵功能實體——協(xié)同接入配置模塊是關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)網(wǎng)元。協(xié)同接入配置模塊能夠?qū)崿F(xiàn)低軌衛(wèi)星和中高軌衛(wèi)星資源的按需合理分配的目標(biāo)，具體功能設(shè)計及技術(shù)點如下。

3.3.1? 網(wǎng)絡(luò)部署位置

協(xié)同接入配置模塊在網(wǎng)絡(luò)中的部署位置包含以下2個位置。

a） 接入側(cè)：位于5G基站和各種不同衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用戶站之間。上行方向，將5G基站來的流量通過不同的策略路由到不同的衛(wèi)星鏈路進(jìn)行傳輸，下行方向，接收不同的衛(wèi)星鏈路流量并匯聚傳輸?shù)?G基站。

b） 網(wǎng)絡(luò)側(cè)：位于各種不同衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信關(guān)站和5G核心網(wǎng)之間。上行方向，將不同衛(wèi)星的信關(guān)站數(shù)據(jù)匯聚并傳輸?shù)酵獠亢诵木W(wǎng)，下行方向，將核心網(wǎng)下發(fā)的流量根據(jù)不同的策略路由到不同的信關(guān)站進(jìn)行傳輸。

協(xié)同接入配置模塊處理的流量包括5G N1、N2、N3、N9以及SNMP的網(wǎng)絡(luò)管理流量。

3.3.2? 自適應(yīng)分流/聚合功能

協(xié)同接入配置模塊可按配置的時間間隔動態(tài)監(jiān)控每個連接鏈路的帶寬，并根據(jù)每個連接的可利用率來分配傳輸對應(yīng)數(shù)量的數(shù)據(jù)包，然后數(shù)據(jù)包將在接收終端經(jīng)過糾錯后重新合并還原到原始數(shù)據(jù)。

3.3.3? 應(yīng)用層流量檢測和識別功能

當(dāng)TCP或UDP數(shù)據(jù)流通過協(xié)同接入配置模塊時，系統(tǒng)會讀取IP數(shù)據(jù)包內(nèi)承載的ISO應(yīng)用層數(shù)據(jù)并進(jìn)行重組，從而得到整個應(yīng)用層數(shù)據(jù)流的內(nèi)容，然后按照系統(tǒng)定義的管理策略對流量進(jìn)行管理、監(jiān)控操作。

3.3.4? 可配置策略的分流功能

模塊可以根據(jù)不同的策略模板，手動或遠(yuǎn)程配置不同的分流策略，便于根據(jù)不同成本的鏈路流量消耗或者不同的衛(wèi)星傳輸特性，有針對性地設(shè)置和調(diào)節(jié)。例如，有些用戶希望優(yōu)先使用4G網(wǎng)絡(luò)，其次選擇使用衛(wèi)星提供的網(wǎng)線鏈路（成本因素）；或者優(yōu)先采用高軌衛(wèi)星傳輸信令面數(shù)據(jù)（穩(wěn)定）及低軌衛(wèi)星傳輸用戶面數(shù)據(jù)（高效），其次選擇使用高軌衛(wèi)星傳輸用戶面數(shù)據(jù)，策略場景舉例如下。

場景1：協(xié)同接入配置模塊能夠根據(jù)配置的策略，選擇將信令面流量通過高軌衛(wèi)星用戶站傳輸，將用戶面流量通過低軌衛(wèi)星用戶站傳輸。

場景2：協(xié)同接入配置模塊能夠根據(jù)配置的策略，選擇將信令面和用戶面流量都通過低軌衛(wèi)星傳輸。

場景3：協(xié)同接入配置模塊能夠根據(jù)配置的策略，選擇將流量按照一定比例分別通過低軌衛(wèi)星+高軌衛(wèi)星進(jìn)行傳輸。

3.3.5? 傳輸鏈路檢測功能

模塊能夠根據(jù)不同的策略快速檢測當(dāng)前配置的衛(wèi)星鏈路狀態(tài)，并能實時維護(hù)各條鏈路狀態(tài)。當(dāng)某條衛(wèi)星鏈路檢測故障時，模塊能自動將該鏈路置為故障狀態(tài)，后續(xù)當(dāng)該鏈路恢復(fù)后，模塊能夠根據(jù)策略或者實時檢測，自動將鏈路從故障狀態(tài)切換到可用狀態(tài)。

3.3.6? 自動切換鏈路功能

當(dāng)目前正在傳輸中的鏈路出現(xiàn)故障時，模塊能夠自動選擇其他可用的鏈路進(jìn)行傳輸。如當(dāng)前是通過高軌衛(wèi)星鏈路進(jìn)行傳輸，當(dāng)檢查到高軌衛(wèi)星鏈路出現(xiàn)故障時，模塊能夠按照策略自動選擇其他可用的高軌衛(wèi)星鏈路或者低軌衛(wèi)星鏈路進(jìn)行傳輸。

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總結(jié)及展望

“5G專網(wǎng)+衛(wèi)星”星地融合網(wǎng)絡(luò)將衛(wèi)星通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)各自的優(yōu)勢相結(jié)合，使通信網(wǎng)絡(luò)邊界拓展到無人區(qū)、海洋、天空，可實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)在任意時間、任意空間的全覆蓋，真正實現(xiàn)全球用戶無縫通信連接的愿景目標(biāo)，具有很強(qiáng)的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。本文探討的方案能夠充分利用已部署的部分低軌衛(wèi)星資源，同時協(xié)同中高軌衛(wèi)星資源，通過基于地面運(yùn)營商5G通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)選路的優(yōu)化控制，實現(xiàn)高中低軌衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同可靠的“星網(wǎng)云端”的融合應(yīng)急通信業(yè)務(wù)。隨著5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)及低軌衛(wèi)星的全面覆蓋，該業(yè)務(wù)可隨著方案部署地區(qū)低軌星座的服務(wù)情況不斷優(yōu)化，充分發(fā)揮低軌衛(wèi)星低時延和高軌高通量衛(wèi)星廣覆蓋的資源優(yōu)勢，提供高質(zhì)量可靠的5G星地融合服務(wù)，為運(yùn)營商優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)創(chuàng)新以及探索6G天地一體化提供參考。

作者簡介

胡 悅，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，工程師，碩士，主要從事核心網(wǎng)技術(shù)及星地網(wǎng)絡(luò)融合、5G消息相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。

高功應(yīng)，畢業(yè)于華中科技大學(xué)，高級工程師，碩士，主要從事核心網(wǎng)規(guī)劃、方案、新技術(shù)、數(shù)字化運(yùn)營等研究工作。

朱 斌，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，高級工程師，碩士，主要從事5G網(wǎng)絡(luò)及能力開放研究、天地一體化新技術(shù)跟蹤及創(chuàng)新業(yè)務(wù)產(chǎn)品研究工作。

時鵬，畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，工程師，碩士，主要從事無線通信、衛(wèi)星通信相關(guān)咨詢、設(shè)計工作。

編輯：黃飛

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