卫星与5G融合多模物联网终端的实现与应用探讨

姜元山，王运付，刘 霞，吴国建

（1.中国联通中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 100048；2.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引 言

卫星物联网是通过一定数量的卫星组网，向地面和空中终端设备提供宽带互联网接入等通信服务，卫星按照轨道高度不同划分为LEO（低地球轨道）、MEO（中地球轨道）、GEO（地球静止轨道）、NGSO（倾斜地球同步轨道）四种类型[1-4]。2030年，全球卫星通信市场规模有望达到3 000亿美元。大部分在轨静止轨道卫星将被多点波束的高通量卫星所替代，高通量卫星的通信总容量将超过1 Tb/s，终端会更轻巧便携[5-7]。以Starlink和OneWeb为代表的低轨卫星掀起了低轨卫星网络的建设高潮，全球覆盖、低时延、高速率、小终端，代表了卫星互联网的主要发展趋势。3GPP中也定义了非地面网络（NTN），卫星通信与地面5G技术的融合是大势所趋，卫星物联网是对地面网络覆盖盲区的补充和完善。中国星网集团对我国卫星互联网进行了顶层设计和资源融合，加快了空天地一体化数字信息基础设施的建设，我国将很快进入低轨卫星物联网时代[8-10]。

1 卫星与5G多模物联网终端

1.1 卫星终端的发展

卫星终端类型主要有固定站终端、车载站终端、自动便携站终端、手动便携站终端。多样化的卫星通信终端形态，满足行业个性化需求的应用能力日益增强。卫星终端形态也正在发生革命性变革，逐渐由抛物面向平面形态演进，由机械扫描向全电扫相控阵天线演进。具体见表1所列。

表1 卫星终端形态对比

卫星终端将由分体式向一体化方向演进。一体智能化卫星通信终端将大幅提升用户体验，使卫星通信更加快速可靠，使宽带互联网应用场景普遍化。其中，在一体化终端上使用一系列新技术特点如下：

（1）基于SOC芯片的VSAT卫星小站基带处理、IP处理，软件定义任务成为通用做法；

（2）空中接口、波束扫描、射频系统管理、基带处理、IP处理、干扰消除的一体化控制与管理成为发展潮流；

（3）射频子系统的一体化、平面化、可赋型化在快速实现；

（4）单一卫星路由器的IP处理能力，包括TCPUDP、PPS的处理能力，将大力支持5G基站和5G 网关。

1.2 卫星与5G多模物联网终端的实现

卫星通信时代，卫星物联网将成为通信领域“万物互联”和“泛在互联”两个发展方向的代表性技术，卫星物联网与地面5G的天地融合通信可以在不受地理条件限制的万物泛在互联中发挥不可替代的作用。本文提出一种卫星与5G融合的物联网终端，并衍生出全新的天地融合通信应用场景，可广泛服务于各类用户的通信需求。

如图1所示，卫星与5G融合终端系统主要由天线模块与卫星5G融合模块两部分组成。其中天线模块可以使用抛物面天线、阵列天线、相控阵天线三种天线形态。卫星5G融合模块包括卫星基带调制解调器，主要负责卫星信号的调制解调并转IP数据；5G模组主要负责接入5G基站，完成5G信号转IP数据；主控CPU模块负责处理路由协议，将公网转为内部局域网，扩展用户接入。主控CPU支持网口、RS 232、RS 485、WiFi等接口，提供最终用户或者物联网设备上网。其中卫星调制解调器通过网口与主控CPU连接，5G模组通过USB转网口与主控CPU连接。

图1 卫星与5G融合终端框图

1.3 卫星5G融合终端两种架构形态

传统的抛物面、阵列天线终端形态主要包括天线、LNB、BUC、调制解调器、电源、主控CPU，如图2所示。

图2 传统机械扫描天线卫星5G融合终端框图

天线为波导缝隙阵列天线或者抛物面天线，具有比抛物面形态终端体积更小、重量更轻的特点。BUC为上变频功率放大器，其作用是将调制解调器发送的中频信号进行上变频和高功率放大。LNA是低噪声下变频器，将接收的卫星信号进行低噪声和下变频。卫星基带调制解调器工作在L频段，主要对发送的数据进行信道编码和调制，对接收的信号进行解调和信道译码。

相控阵天线终端形态如图3所示，主要包括有源发射相控阵天线阵面、有源接收相控阵天线阵面、上下变频模块、追星模块（惯导、GNSS模块、多模接收机）、天线主控ACU单元、电源等。

图3 相控阵电扫描天线卫星5G融合终端框图

收发阵面分口径设计，独立可控波束指向，可实现与卫星双向通信；上下变频将天线的射频频率转换为调制解调器所用的中频频率；波控单元集成在接收阵面中，接收ACU指令控制天线波束扫描；天线主控单元（ACU）是整个相控阵的大脑，实现相控阵追星功能，同时具有自检、监控、保护、日记记录等功能；GPS、惯导（IMU）、多模接收机配合ACU完成追星闭环功能；卫星基带调制解调器工作在L频段，主要对发送的数据进行信道编码和调制，对接收的信号进行解调和信道译码。

卫星网络与5G网络双网络切换流程如图4所示，可以通过选择上网模式进行网络访问路径切换，当5G或者卫星访问链路断开后，切换到另外的通路进行网络访问。

图4 卫星5G融合终端网络切换流程

2 卫星与5G多模物联网终端应用场景

物联网通信应用场景如图5中的场景1，在一些偏远的地面网络信号难以到达的地区，地理环境恶劣，监控设备需要具备极强的室外适应性。通过搭建移动卫星终端，内置太阳能板或风能发电、蓄电池、物联终端、物联DTU等设备，采集相关数据信息，由物联网关进行数据汇总后通过卫星链路或者5G链路将采集到的信息回传到物联网云平台，实现设备的全面监控。针对飞机、远洋船舶上的上网需求一直无法有效解决的痛点，利用卫星通信覆盖范围大的特点，结合高通量卫星大带宽，建设动中通的卫星5G融合终端，为客户提供互联网服务；在设备移动过程中，有地面网络时优先接入5G网，无地面网络时接入卫星网络。

图5 卫星5G融合终端应用场景

应急通信应用场景如图5中的场景2，在信号覆盖不足的地区或者需要应急通信的其他场景，现场搭建4G/5G微基站环境，使用卫星流量通过卫星终端回传基站数据到核心网，为4G/5G微基站提供数据回传场景， 满足应急场景用户手机打电话和上网的通信诉求。应急通信解决了物联网设备上网应用场景问题，如图5中的场景3，由卫星终端、WiFi6终端一起组成WiFi Mesh网络，卫星终端与信关站直接通信，满足应急场景人员和设备对网络访问的诉求。该区域只需一个卫星终端流量出口，通过WiFi组网，扩大信号覆盖面积，降低组网成本。

3 结 语

太空互联网建设成为国际航天领域热门，世界各国已经开始进行低轨卫星互联网的建设及组网。在当前时代背景下，5G和卫星通信融合的业务场景会越来越广泛。利用卫星和5G融合能够发挥卫星通信的广覆盖和5G通信大连接、高带宽、低时延的优势，通过优势互补，实现全球范围网络的无缝覆盖。在应急通信以及陆地信号覆盖不连续区域，用户可以通过融合终端实现连续上网诉求，融合终端也将为未来的6G通信积累丰富的应用需求及经验。