宽带无线自组网与卫星移动通信的融合应用

● 文 |北京海莱特科技有限公司 罗常青

一、引言

近年来，物联网、人工智能与大数据应用的持续火热，催生了对5G移动通信和全球卫星通信系统的迫切需求。2017年以来，全球在5G移动通信网络的试点建设以及全球星座卫星系统的推进方面不遗余力。全球卫星通信系统方面，一网公司（OneWeb）、加拿大电信公司（Telesat）以及挪威航天有限公司（Space Norway）已经准入美国的市场，“下一代铱星”星座（Iridium NEXT）开始部署，中国航天科技集团有限公司与中国航天科工集团有限公司也分别提出了全球星座卫星通信系统计划。随着我国各卫星通信系统建设的推进，充分发挥卫星移动通信系统的优势，与地面无线系统进行融合应用，对于未来卫星移动通信系统的市场推广具有十分重要的意义。

本文在介绍卫星移动通信系统与应用现状的基础上，详细介绍了宽带无线自组网系统技术与应用，探讨卫星移动通信与宽带无线自组网的融合应用，并对未来的技术与应用的发展趋势进行了预测。

二、卫星移动通信系统应用的现状

国外的卫星移动通信系统包括地球同步轨道（GEO）高轨和中低轨系统两大类。各类系统支持航空、航海、车辆以及个人的移动通信应用，可在应急指挥、抢险救灾、海事通信、野外作业等方面发挥巨大作用。

国际上常见的GEO高轨卫星移动通信系统有海事卫星、瑟拉亚（Thuraya）等，常用的中低轨卫星移动通信系统有铱星、全球星等。这些卫星移动通信系统在全球或局部地区提供面向移动平台和个人的卫星话音、数据等业务。

铱星系统代表当前低轨道星座系统先进水平，其新一代Iridium NEXT系统，除了支持陆海空运动平台及个人的移动应用之外，还专门推出了面向物联网（IOT）的应用。

海事卫星代表GEO全球卫星移动通信系统的先进水平，第五代海事卫星在L频段全球覆盖的同时，提供Ka频段全球宽带移动卫星通信网络（Global Xpress），为全球海、陆、空提供宽带、无缝、可靠的宽带通信链路，支持机载、船载、车载、地面携行等站型。

回声星-21（EchoStarXXI）是一颗区域宽带移动通信卫星，为欧盟各地提供卫星移动通信服务。系统采用3G移动空口标准，用户链路采用S频段，馈电链路Ka频段，星上18m反射面天线，地面系统支持小型移动终端，支持包括公共保护及救灾、机器到机器/人（M2M）和物联网应用。

国内的卫星移动通信系统则大多以海事卫星和铱星等国外设备为主，主要应用在海事、应急、渔业、航空等领域。与此同时，利用卫星动中通设备实现移动中的卫星宽带接入在国内已经发展多年，基于Ku/Ka频段的车载、船载动中通产品在应急、运输、海洋、军事等行业具有成熟的系统应用。

随着我国对通信与信息系统的自主可控要求越来越高，近年来，我国在S频段自主卫星移动通信系统的建设方面不遗余力，以期尽快在国土及周边海域范围内，为国内军警民各行业用户提供安全可靠的卫星移动通信服务。

卫星移动通信系统具有广域覆盖、不受地理位置限制、不受天气影响、系统网络拓扑简单、链路可靠等优点，支持面向单兵、移动平台和无人平台的话音和数据应用，可满足各行业用户与个人终端用户的应急通信与专网通信的需求。然而，卫星移动通信系统在应用中也存在一些有待提升的地方，例如在都市密集区、室内、隧道、林区等遮蔽环境下的卫星链路下降或中断，无法满足某些低时延、高可靠性的区域范围内的网状网应用（如无人机编队组网），长期使用产生的高额资费等，这些都限制了卫星移动通信系统的大规模应用。

针对上述卫星移动通信系统应用中存在的不足，一些卫星移动通信系统提供商一方面采用部署地面辅助设施（ATC）的方式，来增强卫星通信系统在地面区域的覆盖；另一方面推出卫星/蜂窝双模终端，使得用户可以方便地在卫星通信系统和地面通信系统之间灵活切换，最大化系统应用的可用性和经济性。

考虑到地面辅助设施的铺设成本高、周期长，且需和地面电信运营商协调频率资源，在一些快速部署与应急通信的场景中，这并不是最优的选择。目前，将卫星移动通信系统（包括卫星动中通系统）与宽带无线自组网结合，实现天地一体的融合应用，达成系统覆盖范围的延伸，系统网络架构与产品型谱的纵深以及终端用户体验的提升，这是天地一体无线通信专网领域的发展趋势。

三、宽带无线自组网系统特点与应用

无线自组网是一种采用分布式、自组织的思想构成的无线网络，不同于蜂窝移动通信等有中心基站的系统。无线自组网系统中每个节点都具备路由功能，随时为其他节点的数据传输提供路由和中继服务。

根据技术原理与应用场景不同，无线自组网分为Adhoc网络和Mesh网络。根据网络承载的数据带宽和业务类型，无线自组网又可划分为窄带无线自组网和宽带无线自组网。窄带无线自组网的数据带宽最高为几百Kbit/s，承载以窄带话音和低速数据业务为主的业务，而宽带无线自组网的数据带宽自从1Mbit/s起到几十Mbit/s不等，承载包括话音、数据和视频等综合业务。

宽带无线自组网中的宽带无线Mesh网络根据底层传输协议的不同，可划分为基于编码的正交多载波调制的IP网状网（COFDM IP Mesh）系统和基于IEEE802.11协议的网状网（Wi-Fi Mesh）系统，其中COFDM IP Mesh系统采用私有的物理层传输与媒体接入协议，一般适用于高速移动和网络拓扑快速动态变化的应用场景，Wi-Fi Mesh系统底层传输采用Wi-Fi协议标准，可利用成熟的商业芯片实现产品开发，适用于一些移动速度不高的无线宽带接入应用。

COFDM IP Mesh宽带无线自组网系统物理层采用专有的COFDM技术，可以有效对抗多径衰落、多普勒频移等效应，保证真正的移动中通信，保证如车辆、飞机和船舶等搭载平台可在350km以上时速移动中进行实时双向通信。节点之间均采用自适应调制编码技术，可根据节点之间的链路质量自动选择可用的最高调制编码方式，实现在当前链路质量条件下的最高吞吐速率。上层采用灵活的接入与路由算法，网络内的节点均具备自动多跳接力功能，扩展传输距离。任意两个节点之间需要进行的信息传输，在节点之间因距离地形等因素限制的情况下，无法直接传输时，均可通过其他节点进行接力中继传输。并具有路径自由选择、路由自动管理等功能，保证信息通过最短路径进行传输，并根据节点之间的实时连接状态选择是否进行接力中继传输和最优接力中继路径。

COFDM IP Mesh宽带无线自组网系统内每个节点都可以为用户提供IP接口和串口，用于用户的视频、音频和数据等多种应用信息的接入和输出。并可以通过IP接口与卫星通信、短波、超短波、3G/4G或地面网络等其他网络形式对接，实现网络融合和现场音视频数据向其他网络的传递。系统可自动实现链状网、星状网以及混合网络等多种网络拓扑类型，满足不同应用场景的需求。

COFDM IP Mesh宽带无线自组网系统适用于现场快速部署、移动中，是班组团队进行双向战术通信的最佳解决方案。系统具有快速自组织、快速自愈，终端设备体积小、质量轻、功耗低等特点，可为战术班组、单兵、车辆、船只、无人机和空中平台等提供宽带多媒体双向通信服务，可为武警、公安、消防、政府应急、电信运营商、林业、军队等用户提供快速部署、高效可靠的战术无线通信系统解决方案。

四、宽带无线自组网与卫星移动通信的融合应用

宽带无线自组网与卫星移动通信可在设备层面和系统层面进行不同层次的融合。

1.设备层面的融合

为了有效结合宽带无线自组网和卫星移动通信的优点，提升终端设备的综合使用效能，可将卫星移动通信和宽带无线自组网等多种功能集成到一个终端设备中。卫星移动通信与宽带无线自组网双模终端可分为双通道双待和单通道双模两种类型。其中单通道双模可通过选择将卫星移动通信或宽带无线自组网的波形软件加载到统一的硬件平台上实现，在体积、功耗方面相比较双通道终端更具优势。这种卫星移动通信和宽带无线自组网融合的多模终端在数字化单兵、无人化平台等场景下具有广阔的应用。

（1）数字化单兵

数字化单兵装备是单兵从事信息化任务，在数字化战场上使用的攻击、防护、观察、通信、定位高度集成化、“人机一体化”的多功能装备。

宽带无线自组网和卫星移动通信相结合，既可满足数字化单兵对移动条件下小型化、低功耗的宽带自组织通信的需求，与单兵信息装备深度耦合，完成各种单兵采集数据与实时音视频等业务的快速可靠的传输，实现单兵分组之间的协同通信，也可以通过卫星移动通信手段实现后方指挥所与单兵之间的指挥控制与情报回传。

（2）无人化平台

无人化平台是具有自主机动能力，可在远程操控和自主智能两种模式下完成预定或应急响应的任务操作，集信息采集、传输与处理为一体的机电一体化装备，常见的有无人机、无人车、无人艇等。

受限于安装空间和输出功率，无人化平台对通信装备的体积、功耗的要求十分严格，为了满足多地域多任务的需求，无人化平台对无线通信系统提出超视距和高机动的要求。卫星移动通信与宽带无线自组网多模终端，可为无人化平台在各种地形条件下提供远距离、高可靠的安全链路，实现无人化平台的姿态控制、指挥控制以及信息回传。宽带无线自组网主要实现无人化平台编队内部的数据链路与协同通信，而卫星移动通信则作为远距离、超视距数据链路，实现最后的保底通信与可靠的指挥控制。

2.系统层面的融合

图1 卫星移动通信与宽带无线自组网系统融合应用

利用卫星移动通信系统和宽带无线自组网系统构建一个天地一体无缝连接的移动通信专网，系统中各移动平台和单兵节点既可以通过宽带无线自组网实现局域范围的无线宽带接入，也可以通过车载、船载或机载等网关节点自适应接入卫星移动通信系统，实现广域范围的专网连接。卫星移动通信与宽带无线自组网系统融合应用如图1所示。

（1）智慧海洋

智慧海洋是智能化信息技术与海洋活动相结合，是海洋工业化与信息化的深度融合，近年来被提升到国家战略高度，各地方政府都在大力推进智慧海洋相关的工程建设。为了维护我国海上权益、解决海域资源争端、建设海洋强国，可以无线宽带自组网系统为依托，结合卫星移动通信技术、北斗卫星导航技术、IP语音组网技术和视频监控等技术系统，构建一个远洋动态监控与综合服务平台。

该综合服务平台将以卫星移动通信手段为干线传输网络，由宽带无线自组网实现全海域覆盖、结合Wi-Fi专网等多种现场通信网络，为用户提供网络接入服务、视频采集服务、海洋数据信息采集服务等多种服务内容。该网络具有网络结构统一，网络层次清晰，业务模式多样，用户需求各异等特点。该系统可在我国广大海域上建立一套网格化传感和通信网络，为我国一带一路建设和海上资源开发提供通信和数据信息支撑。

（2）智慧林业

在林区的日常管理中，在森林防火、外来人员管控、野生动物保护、应急救援、日常巡逻等各方面具体任务的执行过程中，在林区内提供广域、高效、宽带、可移动、多业务的通信覆盖能力，从而实现对林区的实时有效的监控、巡护和管控，将极大提高林业管理效率。智慧林业林区巡逻监控组织应用如图2所示。

整合宽带无线自组网和第四代移动通信（LTE）公网等无线宽带通信及卫星移动通信技术，构建一体化的信息感知与实时传输体系，实现智慧林业无线专网系统。网络节点包括无人机、瞭望塔、监测站、传感器、巡护车辆、巡护人员，各节点根据应用场景自适应地组成天地一体化互联互通的自组织专网，主要实现如下功能：

① 实时多样化林区监测

将林区内视频、红外、夜视微光等多种传感器及有人值守瞭望台站的数据信息回传至后方指挥中心，进行实时监控探测。

② 林区巡逻监控指挥

为辖内林区巡逻队及巡逻指挥车辆提供移动通信保障，与指挥中心实现双向音视频通信实时指挥，并提供无人机巡查等先进巡查手段。

图2 智慧林业林区巡逻监控组织应用

③ 防火应急救援指挥

为消防灭火、人员搜救、抢险救灾等应急处置现场提供现场天地一体无线专网通信服务并实现与后方指挥中心的音视频通信指挥。

五、结束语

5G移动通信、全球卫星移动通信、无线自组网在不同时空的各种互联节点上，或独立组网，或融合应用，都在发挥着各自的优势与作用。随着通信技术的不断发展与应用创新的持续推进，万物互联基础上的融合应用一定是未来的发展趋势。

无线自组网和卫星移动通信的深度融合，一方面取决于一体化宽带天线、射频及芯片等终端实现技术的进步；另一方面依赖于网络感知、路由选择等智能技术的不断演进。或许在不远的未来，卫星通信与无线自组网的界限将十分模糊，自组网卫星和卫星自组网将彻底改变现有的无线通信网络体系架构，实现真正意义上的天地融合，无远弗届。