基于高通量卫星的应急基站入网方式探讨

李风云

中国电信股份有限公司湖北传输局 武汉 430000

引言

在自然灾害、突发事件和紧急救援等应急情况下，通信网络的稳定性和可靠性至关重要。然而，传统基站入网方式存在着受限于地理环境、部署速度慢和成本高昂的问题。基于高通量卫星的应急基站入网方式具有全球覆盖能力和快速部署的优势，因而备受关注。本论文旨在探讨基于高通量卫星的应急基站入网方式，分析其技术特点、优势和挑战，并提出相应的解决方案。具体内容包括：高通量卫星技术简介、应急基站入网方式、具体入网案例、挑战与解决方案，以及未来的发展趋势等。

1 高通量卫星技术简介

1.1 高通量卫星的定义和原理

高通量卫星是一种利用大规模多波束和高速信号处理技术，提供高速宽带通信服务的卫星系统。它通过同时使用多个波束和复用技术[1]，将卫星的通信能力最大化，以实现更高的数据吞吐量和更低的传输时延。

1)多波束系统：传统的通信卫星一般只使用一个或少数几个波束进行通信，而高通量卫星则配备了大量的波束，每个波束可以独立进行通信。

2)高度集成的信号处理技术：高通量卫星采用了高度集成的信号处理芯片和算法，能够对多个波束上的信号进行并行处理和优化，实现更高效的数据传输和调度，提高通信系统的吞吐量和性能。

3)频谱复用和频段重用：在高通量卫星系统中，频谱是有限的资源。为了最大限度地利用频谱资源，高通量卫星采用了频谱复用和频段重用的技术。通过将不同用户或地区的信号分配到不同的频带或子载波上，实现频谱的高效利用，提高通信系统的容量和效率。

4)自适应波束形成技术：高通量卫星还采用了自适应波束形成技术，通过调整卫星上的天线波束的方向、形状和功率分配，以提高信号的覆盖范围和质量，减少传输中的干扰和衰落影响。

1.2 高通量卫星在应急通信中的优势

高通量卫星在应急通信中具有快速部署、全球覆盖、高速宽带通信、灵活调度、抗干扰和大容量扩展等优势[2]。它们能够提供高效可靠的通信服务，帮助应急机构和救援队伍在灾害或紧急情况下迅速传递信息、协调行动，提高应急响应的效率和效果。基于高通量卫星的应急基站入网方式具有以下优势。

1)快速部署和全球覆盖：高通量卫星可以迅速部署并提供全球范围的通信覆盖。无论灾害或紧急情况发生在任何地方，都能提供及时可靠的通信服务，无需建设大量基础设施。

2)高速宽带通信：高通量卫星具有高速宽带通信能力，能够支持大量数据的传输。在紧急情况下，可传输大量的实时数据、图像或视频，以便及时做出决策和采取行动。

3)灵活性和可调度性：高通量卫星系统可以根据需求进行灵活调度和资源重新分配，满足不同场景和任务的需求。

4)抗干扰和鲁棒性：高通量卫星使用先进的波束赋形技术和干扰抑制技术，能够有效减少信号干扰和衰落影响，保障通信质量。

5)网络容量和扩展性：高通量卫星系统具备大容量和可扩展性，可以同时为大量用户提供通信服务，支持多种应用需求。

2 应急基站入网方式

2.1 入网基本要求

应急基站入网方式需要考虑到以下原则：快速部署、灵活性、可靠性和适应性。应急基站网络需要能够快速搭建、快速响应，同时满足不同应急场景下的通信需求。

1)快速部署和启动：应急情况下需要迅速搭建和配置基站网络。架构设计应考虑到快速部署的需要，包括预先配置和预先设置的设备，以及简化的安装和配置流程，从而能够快速启动通信服务。

2)灵活性和可扩展性：应急通信的需求可能会在不同时间和地点发生变化。因此，架构设计应具备灵活性和可扩展性，能够根据实际需求进行快速部署和调整，以适应不同场景和任务的通信要求。

3)高可靠性：应急通信需要在各种复杂、恶劣的条件下保持稳定可靠的通信连接。因此，架构设计应注重可靠性，包括冗余备份、故障恢复机制和可靠的电源供应等，以确保通信系统能够在紧急情况下持续运行。

2.2 入网基本方式

应急基站入网通常采取有线、无线、卫星等以下几种方式。

1)有线入网：应急基站通过有线方式(如光纤、网线等)连接到固定网络，实现与运营商核心网的连接。有线入网方式具有稳定性高、传输速率快等特点，适用于固定的应急基站布置点。

2)无线入网：应急基站通过无线方式(如微波、MESH、CPE等)连接到运营商核心网。无线入网方式适用于移动场景的应急基站，具有快速部署、灵活性强等特点。

3)卫星入网：应急基站通过卫星通信网络入网，实现与运营商核心网的连接。卫星入网方式适用于远程地区或无网络覆盖地区的应急通信需求，具有覆盖范围广、无视地理限制等特点。

不同的入网方式具有各自的优势和适用场景，选择合适的入网方式需要考虑具体的应急场景、通信需求、部署条件等因素，并结合运营商的支持和设备的兼容性进行评估和决策。

2.3 高通量卫星入网方式

高通量卫星入网方式属于卫星入网方式的一种，与常规卫星入网方式相比，其在带宽能力、信道频谱利用率、时延、开通设备成本效益等方面更具优势。高通量卫星适用于高数据需求、大规模用户接入和高速传输的应用，而常规卫星则适用于一般的通信需求和传输速率要求不高的场景。基于高通量卫星的应急基站入网组网架构[3]如图1所示。

图1 基于高通量卫星的应急基站入网组网架构图

3 基于高通量卫星入网解决方案

目前，基于Ka高通量卫星的应急基站入网方式在日常的应急通信保障中应用越来越广泛，根据其工作模式，可分为二层模式(专线方式组网)和三层模式(互联网方式组网)两种组网方式。

3.1 二层模式—专线方式组网

LTE应急基站通过高通量卫星链路落地关口站接入上海刘行卫星基地，并通过上海湖北之间的地面专线接入湖北4G移动核心网，实现应急LTE基站的卫星方式入网。二层模式—专线方式组网拓扑如图2所示。

图2 二层模式-专线方式组网拓扑

工作原理与流程如下。

1)Ka卫星便携站利用高通量卫星与Ka地面关口站建立卫星链路，实现卫星侧的二层网络通信连接。

2)运营商用户在Ka地面关口站与相应省移动核心网之间建立专用的地面通信线路，接入核心网IPRAN设备，打通Ka卫星便携站至核心网的二层网络。

3)LTE应急基站配置专用的基站IP和相应的基站入网数据，连接Ka卫星便携站的以太网接口，利用卫星至核心网间的TCP/IP二层网络连接至移动核心网，开通基站业务。

3.2 三层模式—互联网方式组网

LTE基站通过高通量卫星链路落地关口站接入互联网，通过IPsec(Internet Protocol Security)方式建立运营商核心网SAEGW网关至基站间的传输通道。IPsec和安全网关保障传输链路的安全性和可管理性，可以实现超地域性的LTE无线覆盖延伸，为应急保障提供了一种新的入网方式。三层模式—互联网方式组网拓扑如图3所示。

图3 三层模式-互联网方式组网拓扑

工作原理与流程如下。

1)Ka卫星便携站利用高通量卫星与Ka地面关口站建立卫星链路，实现卫星侧的三层网络通信连接，通过关口站与互联网的业务接口接入互联网。

2)运营商用户在本地网核心网机房部署一套基站网关设备，作为核心网与互联网间的防火墙和业务隔离，一端连接核心网，一端连接至本地网互联网。

3)在LTE应急站与基站网关之间通过配置IPsec协议，建立并打通IPsec隧道。IPsec是一种常用的安全协议，用于实现网络通信的加密和认证。通过配置IPsec协议，可以确保LTE应急站与基站网关之间的通信经过安全的隧道传输，防止数据被窃听、篡改或伪造。这样的配置方式可以有效地保护LTE应急站与基站之间的通信安全，并提供可靠的数据传输环境。

4)LTE应急基站利用卫星分配的互联网IP和配置相应的基站入网数据，连接Ka卫星便携站的以太网接口，利用卫星至核心网间的TCP/IP三层网络连接至移动核心网，开通基站业务。

3.3 两种入网方式性能比较

1)二层模式专线方式组网

优势是专线方式网络时延较小(＜700ms)，业务吞吐量带宽抖动小。不足主要有：需事先完成卫星数据落地关口站与跨省域运营商承载网的专用传输线路申请，且该线路资源需长期性占用与维护；开站前需将Ka卫星猫更改为二层专线模式，配置项增多，且专线网络一般不直接提供互联网服务，因此用户只可通过4G网络上网，非电信用户上网受限；LTE基站以宏站模式开站需向核心网侧申请专用数据，大规模多站部署时会消耗核心网license资源。

2)三层模式互联网方式组网

此种组网的优势主要有：应急部署快速灵活，开机即可使用；传输侧无需配置，基站入网参数可出厂预设；不占用核心网侧资源，开站部署仅需与小基站网关产生交互，且小基站网关及KaLTE卫星基站均可支持远程网管；可以实现超地域性的LTE无线覆盖延伸，通过IPsec安全网关的方式来保障传输链路的安全性和可管理性，偏远及受灾地区以及海外基地的4G用户随时随地享受无差别化网络服务。不足主要有：需单独部署小基站网关设备并开通互联网入口；互联网方式网络时延较大，传输抖动较大，业务速率较低。

两种模式入网测试结果如图4、图5所示。

图4 二层模式入网测试结果

图5 三层模式入网测试结果

4 挑战与解决方案

4.1 挑战分析

诚然高通量卫星的出现，其高带宽的优势给应急基站入网和业务的开通提供了一种新的解决方案。然而基于高通量卫星的应急基站入网方式面临着以下一些挑战[4]。

1)快速部署：高通量卫星系统采用的星型架构，用户使用必须通过卫星信关站配合接入，无法在紧急情况下自主控制、快速搭建和配置基站网络。

2)带宽限制：高通量卫星的带宽是有限的，单波束下接入用户过多会造成容量受限，需合理分配带宽以满足通信需求。

3)雨衰影响：目前Ka或KU高通量卫星便携站工作时均易受到雨衰影响，在强降雨时将严重影响通信质量。

4)成本问题：高通量卫星通信系统的建设和运营成本较高，通过该方式入网必然面临较高的终端设备成本和卫星带宽使用成本。

5)性能优化：高通量卫星应急基站入网面临着高时延、网络拥塞、频谱利用效率低等问题需要进一步优化。

4.2 解决方案

为了应对上述挑战，可以采取以下解决方案。

1)快速部署方案：提前进行基站网络的规划和准备工作，预置基站设备和配置信息，以便在紧急情况下能够快速搭建和配置基站网络。同时可以与卫星通信运营商建立紧急通信合作机制，提前规划和协商基站入网的事项，以便在紧急情况下能够迅速获得卫星通信资源。

2)带宽优化：为了合理分配带宽以满足通信需求，可以通过优化网络架构和调整用户接入策略来实现。例如，可以采用动态带宽分配的方式，根据用户的实际需求和网络负载情况，动态分配带宽资源。

3)减少雨衰影响：采用天线技术的改进和优化，选择具有较高增益和较低雨衰影响的天线，或者采用自适应调制和编码技术，根据实际信道质量和雨衰情况，动态调整传输参数，提高通信质量和可靠性。

4)成本问题：可以与卫星通信运营商进行合作，采用灵活的商业模式，如按需使用和按流量计费，根据实际需求和使用情况，灵活调整成本支出，以降低建设和使用成本。

5)性能优化：可以采用优化协议栈、增加网络缓存等方式减少信号传播时延；采用流量调度算法，对不同用户的数据流进行优先级调度，保障重要数据的传输；采用动态频谱分配技术，根据实时需求灵活分配频谱资源，提高频谱利用效率。

5 未来的发展趋势

5.1 物联网和边缘计算

随着物联网的发展和边缘计算的兴起，应急基站入网方式将更多地与物联网设备和边缘计算节点进行集成。这将实现更广泛的应用场景和更强大的通信能力。

随着物联网的发展和边缘计算的兴起，应急基站入网方式将更多地与物联网设备和边缘计算节点进行集成。物联网设备可以将丰富的传感器数据收集和上报到应急基站，使得应急响应能够更加精准和实时。边缘计算节点的加入可以处理部分数据分析和决策功能，减少对中心节点的依赖性，降低网络延迟，并提高应急响应的效率。

5.2 5G和卫星网络融合

5G技术的快速发展将为基于高通量卫星的应急基站入网方式带来更多的机会和挑战。5G和卫星网络的融合[5]将为应急通信提供更高速、低时延的通信体验。

5G技术的快速发展将为基于高通量卫星的应急基站入网方式带来更多的机会和挑战。5G的高带宽、低时延特性可以改善基站入网的传输速率和响应时间。结合卫星网络，可以实现更广泛的覆盖范围，弥补传统通信网络的盲区。在应急响应中，5G和卫星网络的融合将为应急通信提供更高速、低时延的通信体验，支持实时图像传输、大容量数据传输和高效的紧急指令传递。

5.3 多模式通信

为了提高应急通信的鲁棒性和可靠性，将来的发展趋势将是采用多模式通信，包括Ka高通量卫星通信、无线电通信和光纤通信等多种通信方式的融合。通过灵活地切换和组合不同的通信模式，可以在不同的环境下保持可靠的通信连接。例如，在山区、海洋等地形复杂的应急场景中，Ka高通量卫星通信可以提供广域覆盖，而无线电通信和光纤通信可以提供较小范围内的高速数据传输，以满足不同场景的需求。

5.4 网络智能化和自动化

随着人工智能和自动化技术的不断发展，应急基站入网方式将趋向于智能化和自动化。通过引入智能的网络管理系统和自适应的网络优化算法[6]，可以提高网络的性能和效率，并减少人为干预的需求。

随着人工智能和自动化技术的不断发展，应急基站入网方式将趋向于智能化和自动化。通过引入智能的网络管理系统和自适应的网络优化算法，可以提高网络的性能和效率，并减少人为干预的需求。例如，基于AI技术的网络管理系统可以实时监测网络状态、预测网络拥塞，并自动调整网络资源分配，以确保应急通信的可靠性和稳定性。此外，自动化的故障检测和恢复机制也可以提高网络的容错性和抗故障能力。

5.5 安全与隐私保护

在应急通信中，网络安全和隐私保护是至关重要的。未来的发展趋势将是加强基于高通量卫星的应急基站入网方式的安全性和隐私保护能力，采用加密技术、身份验证和访问控制等手段，保障用户数据的安全和隐私。同时，随着物联网设备的增多，物联网安全也将成为攸关应急通信的一个重要方面。因此，未来的发展趋势将是加强应急基站入网方式的安全性，包括数据的端到端加密、设备身份认证、访问控制等技术措施。同时，要加强应急通信网络的监测和威胁应对能力，及时发现和应对安全威胁，确保网络的稳定性和可靠性。

5.6 环保和可持续发展

在全球可持续发展的背景下，未来的应急基站入网方式将趋向于更环保和可持续的发展。例如，可以采用节能技术来减少应急基站的能源消耗，如智能控制系统和低功耗设备的应用。此外，可以探索使用太阳能供电等可再生能源，减少对传统能源的依赖，降低碳排放。在材料选择上，可以采用环保材料，降低对环境的影响，并支持可持续的生态系统建设。

6 结论

本文通过对基于高通量卫星的应急基站入网方式进行探讨，分析了其在应急通信中的优势和挑战，并提出了相应的解决方案。基于高通量卫星的应急基站入网方式具有快速部署、全球覆盖能力、灵活性和稳定性等优势，但也面临一些挑战，如带宽限制、网络管理和雨衰影响等。通过优化网络架构、调度算法和干扰抑制技术等方式，可以提高应急基站入网方式的性能和可靠性。随着高通量卫星技术的进一步建设与发展，其在应急通信领域将带来新的机遇和挑战，推动该领域的发展和进步。