卫星互联网+5G融合测试及应用前景展望

石玉龙，秦 迎

（中国联合网络通信有限公司北京市分公司，北京 100094）

0 引言

2020年是卫星互联网元年[1]，4月20日，国家发改委首次将卫星互联网列入“新基建”范畴，这意味着“卫星互联网”已上升到国家战略层面。各地积极响应，纷纷出台相关政策，北京市发布了《北京市加快新型基础设施建设行动方案（2020-2022年）》[2]，提出新基建六大方向，其中，5G网络和卫星互联网被列为“新型网络基础设施”建设行动的两大要素：5G即第五代移动通信技术[3]，一方面大幅提升用户高带宽移动互联网业务体验，另一方面契合大带宽、大连接、低时延、超可靠等5G网络能力；低轨通信卫星距离地面近、通信时延短、数据传输率高，其移动终端具有重量轻、体积小等特点，将成为卫星互联网的主要发展热点[4]。

北京联通不仅深耕于5G，而且提前布局卫星互联网，其卫星地面站是专门进行卫星互联网业务运营的部门，始终关注并积极推动着相关工作开展。卫星地面站成立于1973年，是我国最早的卫星通信专业局所，卫星通信架起了我国与世界沟通的桥梁，圆满完成历次重大通信保障任务，作出了不可磨灭的历史性贡献。从2018年起，卫星地面站开始了对卫星互联网的研究，并进行了积极布局，克服困难取得了关键性成果——北京联通与合作伙伴进行的国内首次低轨卫星互联网+5G融合测试取得圆满成功，推动我国卫星互联网事业昂首跨入了全球领先行列！

本文根据北京联通与合作伙伴银河航天近期在京进行的卫星互联网+5G融合测试相关材料整理而成，通过现网实地测试初步验证了卫星互联网的承载能力，并对其应用前景进行了探讨。

1 卫星互联网概要

图1 卫星互联网示意

卫星互联网是指通过卫星承载的互联网络，相当于把地面的互联网搬到了太空中[5]，卫星以宇航员视角俯瞰全球，真正实现了无死角的网络覆盖。我们知道，网络时延对用户体验很重要，传统静止轨道（GEO）卫星通信由于轨道位置高，时延较高。低轨（LEO）卫星通信系统距地表高度范围为300-2000 km，高度低，信号传播时延短，其链路损耗小，对卫星和用户终端的要求低，可以采用微型/小型卫星和手持用户终端，能够带来较好的用户体验，将成为卫星互联网的核心。但也正是由于轨道低，每颗卫星所能覆盖的范围比较小，要构成全球通信系统需要更多的卫星组成星座来提供服务。低轨道卫星星座系统[6]是指多颗低轨卫星构成的可以进行实时信息处理的大型卫星通信系统，其中，多颗卫星以特定分布组成的卫星群称为卫星星座，其主要优点：一是链路速率高，可用频带宽，可支持1 Gb/s以上的数据速率；二是全球覆盖，以较低成本实现不受任何地域条件限制的广域覆盖；三是低时延，星地单向传输时延是2-30 ms，地-星-地全链路时延约5-60 ms；四是安全可靠，地面的自然灾害等突发事件不会影响通信系统的正常运行；五是不依赖地面基础设施即可快速组网，实现低成本轻量化终端[7]。

2 卫星互联网+5G融合测试

6月6日是我国5G商用牌照发放一周年的日子。当天，北京联通与合作伙伴银河航天进行了卫星互联网+5G融合测试，这是国内首次通过低轨卫星互联网链路完成5G基站的开通验证测试。担任测试任务的银河一号首发星是中国首颗通信能力超过10 Gb/s的低轨宽带通信卫星。测试过程中，卫星链路峰值速率超过500 Mb/s，用户端5G手机下载均值382 Mb/s，上传均值91 Mb/s，实际卫星链路传输能力可达1 Gb/s以上。本次测试实际验证了卫星互联网可以较好地承载5G基站业务，测试结果超出合作方的预期，国内首次低轨卫星互联网+5G融合测试获得圆满成功。

图2 手机测速截图和现场照片

图3 卫星互联网+5G融合测试系统图

如图3所示，低轨卫星通过用户波束和馈电波束分别连接用户端小站和关口站，共同构成了卫星互联网。5G基站通过用户终端小站接入卫星互联网，卫星关口站直接连入5G核心网，从而实现了网络信号的连通。用户终端站摆脱了光缆的束缚，可以方便地布置在汽车、轮船、飞机等各种交通工具上，或者个人携带地面展开，实现沙漠、山峰、极地、海洋、天空等全球任意地点的高速网络通信。本次卫星互联网+5G融合测试在卫星链路侧取得的测试数据分析如下：

图4 关口站发射链路性能分析

2.1 关口站发射

（1）载波符号速率：150 Ms/s。

（2）载波数据速率：最高：515.5 Mb/s；最低：369.7 Mb/s。

（3）Modcod（传输期间）：最高：46（32APSK 32/45）；最低 ：33（16APSK 23/36）。

（4）实际测试流量：最高：400.3 Mb/s；信道占用率：约80%。

（5）分析：流量测试软件5G下载数据量大，信道占用率高。

图5 终端站接收链路性能分析

2.2 终端站接收

（1）符号速率：150 Ms/s。

（2）载波数据速率：最高：515.5 Mb/s；最低：369.7 Mb/s。

（3）Es/No（传输期间）：最高：14.9 dB。

（4）Modcod（传输期间）：最高：46（32APSK 32/45）；最低 ：33（16APSK 23/36）。

（5）传输期间符号信噪比基本恒定，低轨卫星链路质量稳定。

图6 终端站发射链路性能分析

2.3 终端站发射

（1）载波符号速率：150 Ms/s。

（2）载波数据速率：最高：531.4 Mb/s。

（3）Modcod（传输期间）：最高：47（32APSK 11/15）。

（4）测试期间实际业务流量：最高：93.5 Mb/s；信道空闲带宽：437.9 Mb/s。

（5）分析：流量测试软件5G回传的数据量少，信道占用率低。

图7 关口站接收链路性能分析

2.4 关口站接收

（1）符号速率：150 Ms/s。

（2）载波数据速率：最高：531.4 Mb/s。

（3）Es/No（传输期间）：最高：15.3 dB。

（4）Modcod（传输期间）：最高：47（32APSK 11/15）。

（5）传输期间符号信噪比恒定，低轨卫星链路质量稳定。

图8 测试期间卫星链路频谱截图

图9 低轨卫星信号跟踪电平截图

从图8和图9可看出，卫星过境期间，卫星信号跟踪电平稳定，链路载波频谱纯净，载波噪声比高。卫星调制解调器采用了自适应编码调制（ACM）技术[8]，将链路余量转化成为传输容量。ACM允许MODEM根据当前链路状态自动调整载波的调制方式和编码方式，载波的符号速率和发射功率维持恒定，数据速率根据链路质量及时调整，能够带来更高的传输容量提升，手机端峰值速率可达到500 Mb/s以上。按照链路质量计算，实际卫星链路传输能力可达1 Gb/s以上。目前，由于卫星调制解调器限制暂不能提供更高速率，下一步工作重点是调制解调器的迭代升级，相关设备的小型化也正在进行中。卫星互联网承载5G基站手机端全链路时延在30 ms之内，与目前地面5G基站典型的10 ms左右端到端时延可比拟，可以较好地承载大部分5G应用，能够保障用户无感切换。

3 卫星互联网+5G融合技术应用前景

基于低轨卫星链路的5G基站回传测试，充分验证了低轨卫星互联网的带宽和时延特性可以很好地承载5G基站业务。在数字经济时代，智能化的网络连接是新平台、新生态、新应用的基础，卫星通信最大的优点是能够以较低的成本解决全球信号覆盖的问题[9]，能确保网络信号在飞机上、海洋上乃至戈壁荒漠也能随时随地的畅通，可以说卫星通信和5G基站两者在信号覆盖上是互补的。3GPP的Rel-16标准中已经对5G卫星接入进行了规范化，实现了卫星通信系统与地面通信系统协同工作，构成天地融合的5G通信网络，提供复杂地形地貌条件下的全域覆盖，为基于宽带接入和万物互联的各种业务提供基础设施保障。

3.1 卫星互联网+5G融合技术的关键作用

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以下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，特别是在地面光纤网络建设成本高、难度大的区域，可以利用卫星链路快速完成5G基站部署；二是利用卫星网络天然的广播优势，并结合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；三是卫星链路与地面传输网络可以共同承载5G网络业务，增强网络容灾能力，并且结合网络切片和区块链技术的应用，提高总体网络效能和安全性；四是通过卫星链路建立的5G基站可以实现按需布站，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。

3.2 卫星互联网具备广泛应用前景

根据已公布的相关信息，卫星互联网将应用于5G全球覆盖、智能物联网、远程教学、远程医疗、偏远地区、油田开采、航空通信、交通运输、应急通信、科考探险、紧急事件、车联网、高速公路、海洋牧场、林业监测、信令分流等诸多领域。

图10 卫星互联网应用场景

3.3 卫星通信是6G核心技术之一

从1G到5G的移动通信技术，主要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，基站无法在海域、沙漠、无人区等地理条件中形成有效覆盖。5G相比4G无论在速度、延时还是连接能力上都得到了极大地提升，也需要部署更多的基站。展望未来的6G，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。卫星通信因为其天基网络便于实现全球覆盖的优点，正成为通信行业对未来6G技术演进的重要研究方向之一[10]。6G网络将融合陆地无线移动通信、中高低轨卫星移动通信及短距离直接通信等技术，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。

3.4 低成本相控阵技术进一步拓展应用

近年来，相控阵技术在5G和卫星通信中应用越来越广泛，其具有的响应速度快、多波束扫描、扫描精度高等优点特别适用于卫星互联网。尤其是以稀布阵、光控阵、数字阵、液晶阵为代表的低成本相控阵天线技术的逐步成熟，卫星互联网可逐渐摆脱传统抛物面天线的束缚，在汽车、轮船、飞机等载体上方便布置，甚至实现手机屏下天线。5G基站的手机终端可以和卫星互联网终端合二为一，真正实现一机在手、万物互联、全球无忧。

图11 低成本相控阵天线

4 结束语

5G和卫星互联网等新型基础设施是新兴产业发展的基础，覆盖了新的领域新的技术。我们通过深入的研究和前瞻性测试取得了丰硕成果，描绘了新技术融合发展带来的数字经济时代美好前景。今后，5G与卫星互联网等新型网络基础设施进一步深度融合、协同发展，我国的5G网络信号将不仅能覆盖城市、乡村、沙漠、丘陵、山峰，还能覆盖广袤的海洋和天空。我们也会紧跟时代的步伐，结合全面数字化转型，找准新定位和新赋能，为加快新型基础设施建设行动贡献自己的最大力量。