北斗在电信领域应用的发展思考

金 耀 张 贺 史正思 张晶晶 赵 良

1 中国联通研究院 北京 100048

2 中国联合网络通信有限公司 北京 100033

引言

北斗卫星导航系统(简称北斗系统)是为满足国家安全和经济社会发展需要而自主建设、独立运行的卫星导航系统，国家和相关部委出台相关政策，要求加快北斗和5G网络的融合创新和应用推广。电信行业响应国家号召，研发北斗+5G融合创新产品，推广北斗在电信领域的应用落地。目前，北斗已广泛地应用于通信领域，提升运营商高精度定位服务能力，为通信网提供高精度授时和应急通信等服务，支撑通信网的安全高效运行。北斗和通信网络的深度融合，将构建天地一体化的PNTC服务能力，提升PNTC服务的覆盖范围、精度、可靠性和安全性，实现我国对时空信息资源及通信安全的自主掌控。

随着数字经济的快速发展，传统电信业务已不能满足用户需求，电信运营商需要通过技术和业务创新来提升服务质量，增强市场竞争力，而北斗和5G的融合应用为电信运营商提供了产品创新点和数字经济切入点。此外，北斗+5G高精度融合定位，有助于电信行业开拓基于高精度时空基准的信息化业务，延伸信息通信技术产业链，提高电信企业的科技创新和市场竞争力。

关于北斗在电信领域的应用研究，已有学者做过相关研究，如北斗与5G融合定位[1-3]，北斗授时应用于通信网的时间同步[4-5]，及通信导航融合[6-7]等。这些研究主要聚焦于北斗单个功能在电信的研究应用，而北斗在电信领域应用发展的综合性研究工作较少，江华(2016)虽提出了北斗在移动通信中的多种应用[8]，但随着技术的发展和演进，北斗在电信领域的研究与应用有了新的变化和发展。因此，本文将系统性地研究北斗在电信领域的研究进展、应用场景、存在问题及发展思考，为持续推进北斗在电信领域的应用和发展提供借鉴。

1 北斗在电信领域的研究现状

电信行业响应国家北斗产业化战略，围绕北斗+5G开展了一系列的技术攻关、产品研发和应用探索，在北斗+5G融合创新产品研发、北斗地基增强设施建设及北斗标准化研究方面做了大量研究和探索工作。这些工作在推动北斗+5G融合创新与推广应用方面发挥了重要作用，相关进展情况如下。

1.1 产品研发及应用情况

在5G商用后，国内学者探讨了北斗+5G的融合产业发展，电信企业也围绕“北斗+5G”开发了一些列融合产品研发。中国联通与合作伙伴联合研发了面向5G+北斗的1588v2时频同步芯片，发布了“5G+北斗”时空服平台，平台融合了北斗定位、超宽带定位等高精度定位技术，构筑“5G+北斗”时空能力基座。中国移动研发了OnePoint“北斗+5G”高精度定位产品及通导一体化模组和终端产品[9]，发布了“北斗三号短报文公众服务——星地融合技术方案”，提供面向大众和行业的短报文+短消息一号双网融合通信服务。华为发布了支持北斗短报文通信服务的手机，在无地面网络的情况下，该手机通过北斗短报文服务发送短消息。

为了推广北斗应用的落地，电信运营商依据服务场景，提出了“北斗+5G”融合应用行业解决方案，为各行业数字化转型提供时空和信息技术支撑。中国联通针对智慧城市、工业互联网及交通物流等6个行业推出了5G+北斗应用解决方案；中国移动发布了包括智能驾驶、智慧港口和精准农业等10个行业的解决方案；中国电信在能源和铁路行业探索5G+北斗的应用落地。

随着电信运营商在北斗+5G融合领域的不断创新和应用推广，北斗+5G融合应用已经在多个行业中落地。例如，在智慧港口领域，中国联通基于5G+北斗融合技术，联合黄骅港研发了集软硬件为一体的5G+北斗高精度位姿测量自动化装船控制系统，解决了复杂海况下的定位定姿等技术难题，并通过5G专网实现数据本地化处理，实现了“船岸协同”自动化煤料装载。船基自动化装船方案如图1所示。

图1 船基自动化装船方案示意图

1.2 “北斗+5G”基础设施建设

电信运营商投资北斗基础设施，建设北斗连续运行参考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)，降低了建站成本，提升了运营商高精度定位服务能力。中国联通基于5G基站建设北斗CORS站，实现了水平定位精度优于3cm，垂直定位精度优于5cm；中国移动在全国建设了4 000多个CORS站，打造北斗+5G 融合定位网[9]；中国电信投资高精定位服务公司在全国建设CORS站。电信运营商参与北斗CORS站的建设，促进了北斗+5G应用的落地。

国内电信运营商也开展了通信网北斗授时改造工作，截至2022年四季度，全国约有近330万座4G和5G基站采用了北斗授时，其中5G基站北斗授时数量超过160万座，在全国5G基站中占比超过70%[10]。中国联通同步网采用“天面主用、地面链路备用”的原则将北斗授时应用到通信网时间同步中，天面采用北斗/GPS双模接收为时间源，地面采用IEEE 1588v2协议基于网络传递地面参考时间基准源，其时间同步结构如图2所示[11]。

图2 中国联通时间同步结构总体示意图

1.3 北斗在电信领域的标准制定

中国通信标准化协会(CCSA)设立了“导航和位置服务特设任务组ST9”，开展与电信行业相关的位置服务标准化研究，推进北斗在通信领域的应用研究，并跟踪和组织参与国际标准化组织的相关工作。中国信通院联合国内通信企业共同推进推动了北斗三号B1C新信号进入3GPP标准体系，促进了在移动通信辅助卫星定位方法中引入北斗信号[12]。

CCSA组织开展了5G+北斗通导融合等一系列课题研究及标准制定工作，发布了《5G同步组网架构及关键技术白皮书》，提出基于卫星授时与地面链路天地互备的思路。电信企业也积极开展企业内部标准规范研究，例如中国联通制定了《中国联通定位系统技术体制》等多项企业标准，还发布了《中国联通高精度时间同步及定位技术应用白皮书》。

这些工作推进了北斗在电信行业的标准化进程，但是当前北斗在电信领域的国际标准化推进工作还有待提升；此外目前的标准化工作主要侧重于北斗定位方面，在北斗授时和短报文方面的标准化工作有待加强。

2 北斗在电信领域中的应用场景研究

2020年，北斗三号系统完成全球组网，向用户提供定位导航、授时、国际搜救和短报文通信服务。北斗全球定位精度优于9m，垂直定位精度优于10m，授时精度优于20ns，通过北斗定位地基增强系统，实时定位精度可达厘米级。北斗与5G技术深度融合，催生了“北斗+5G”时空信息新业态，为我国的数字化转型及智慧城市建设提供了精准的时空底座。北斗在电信领域的应用主要体现在三方面：一是北斗+5G构建泛在高精度定位；二是北斗授时保障通信网时间同步；三是北斗短报文为应急通信服务提供重要保障。

2.1 北斗+5G构建泛在高精度定位服务

电信运营商在2G时期就提供手机定位服务，但是基于通信基站的定位精度较低，精度只有数十米到数百米。随着通信技术的演进，移动通信的定位精度也逐步提升，3GPP在R17中将5G定位的目标精度设置为优于1m[13]，但目前5G定位还未能大范围商用。随着自动驾驶、工业互联网等业务场景对高精度定位需求越来越多，传统的移动通信定位技术难以满足用户需求。

北斗定位是普适的高精度定位技术，通过后差分定位精度可达毫米级，但在卫星信号遮挡区北斗定位存在短板，5G亚米级的高精度定位可以弥补北斗定位的不足。北斗+5G融合定位可以构建室内外一体化高精度服务，可满足用户在不同场景下对高精度定位的需求，如图3所示，在室外开阔区域，终端1以北斗定位为主，5G定位为辅；在室外卫星信号被遮挡区域，终端2采用北斗+5G融合定位的策略，也可使用5G独立定位；在室内，终端3采用5G定位或5G与伪卫星、超宽带等技术融合定位[3]。北斗+5G构建室内外高精度定位服务，提升了电信运营商的定位服务能力，便于运营商开展基于高精度定位服务的各项业务。

图3 北斗+5G融合定位示意图[3]

此外，北斗高精度定位可提升运营商对网络的精细化管理和运营能力。北斗高精度定位应用于通信基站，有助于优化基站布局、网络覆盖和网络规划。高精度的终端位置信息还能够辅助通信系统提升天线波束管理的准确性，增强网络运行效率等[14]。5G网络的高精度定位方法依赖于已知基站准确的位置信息，北斗高精度定位让通信基站的位置信息更加准确，提升了5G定位的精度。

2.2 北斗授时提升同步网安全

同步网是电信网的重要基础支撑网之一，为电信网内所有电信设备提供同步控制信号，使电信设备工作在共同的时间基准上。5G高精度时间同步需求主要体现在基本业务、协同增强及部分新业务上，基本业务时间同步要求为3μs[15]，协同业务时间同步要求为100ns量级[16]，5G支撑的新业务提出了更高要求的时间同步精度，例如5G高精度定位业务要求基站间的时间同步精度达到10ns量级，甚至更高[17]。全球定位系统(Global Positioning System, GPS)授时是通信网重要的时间源，但GPS授时存在一定的安全隐患，影响国家通信网安全和网络通信能力[18]。

北斗授时精度满足通信网的时间同步要求，且安全可控，目前已广泛应用到我国通信同步网中。当前在通信同步网中引入北斗授时有2种方式：一是基站通过天面北斗卫星获取北斗授时；二是基于IEEE 1588v2协议，通过地面传输网传递北斗地面时间源。如图4所示，图中3个站点都可以通过IEEE 1588v2协议传递北斗时间，站点3还可以直接获取北斗授时。仅依靠天基北斗卫星授时存在一定风险，北斗+IEEE 1588v2时间同步方案可以构建天地互备的授时方式，提升时间同步网的安全性和稳定性。

图4 北斗+IEEE 1588v2时间同步示意图

通过天面北斗卫星获取北斗授时，时间传输链路短，时间同步精度高，可以满足未来5G协同业务对高精度时间同步的要求；但部署北斗接收机天馈线难度较大，且成本较高。基于IEEE 1588v2协议通过地面链路传输时间，存在时间同步精度降低的问题，且需要运营商对现有的网络架构进行改造。因此，建议5G基站时间同步方案采用天面北斗授时为主用同步参考基准，同时采用IEEE 1588v2协议通过逐点传递方式从本地时间服务器设备获取同步参考基准作为备用参考基准，也可依据业务需求在局部部署低成本小型化时间服务器，满足对高精度时间同步业务的支持[5]。

2.3 北斗短报文保障应急通信服务

我国地面通信网络虽然很成熟，但在沙漠、草原及海洋等地区没有覆盖地面通信服务。北斗短报文是北斗系统的特色服务，可为中国及周边地区用户提供数据传输服务，该服务具备传输文字、图片、语音等多种能力，最大单次报文可达14 000bit。北斗短报文通信作为一种天基通信方式，在一些地面通信服务无法保证的区域，北斗短报文可以做到稳定持续地传输数据。

将北斗短报文与移动通信融合，可有效补充地面通信网络覆盖范围的短板，构建5G+北斗星地一体化综合通信体系，以满足在无地面网络覆盖地区应急通信和数据传输等需求。目前北斗三号短报文服务已与地面移动通信网络打通，可用于大众短信息通信服务。其通信服务链路如图5所示，使用配有北斗短报文功能的终端，直接向北斗地球静止轨道卫星(Geostationary Earth Orbits，GEO)发送信息，北斗GEO卫星收到消息后，将信息发给地面短报文通信平台，然后再接入地面通信网络完成通信服务。

图5 北斗短报文公众通信服务示意图

3 北斗在电信领域应用的挑战和问题

随着北斗技术的不断发展，北斗定位、授时及短报文服务广泛地应用于电信领域，保障了我国通信服务的安全稳定，同时也促进了电信行业的产品创新，但北斗在电信领域应用还面临一些挑战和问题。

1)信号覆盖及稳定性：卫星信号经过长距离传到地面后信号较弱，且易受干扰，特别是在高山、隧道及城市峡谷等地形复杂或遮挡区域，北斗系统的信号会受到影响，导致服务不稳定或无法提供，这对高精度定位、通信网的时间同步及应急通信服务的应用带来了挑战。

2)地基系统建设成本：北斗高精度定位和授时服务有赖于地基增强系统，建设北斗地基增强系统和相关的配套改造，需要大量资金投入。此外，当前我国北斗CORS站建设已趋于饱和，如何将CORS站与通信网进行深度融合，提升北斗CORS站的利用效率也是面临的问题。

3)5G网络定位技术：虽然北斗+5G融合定位可以构建泛在高精度定位服务，但目前5G定位还处于测试验证和试点应用阶段，大规模商用还需要解决5G时间同步和网络改造成本等问题，例如5G上行到达时间差定位方法，需要通信基站间的时间同步精度小于3ns，定位精度才能破亚米级。

4)短报文通信承载能力：北斗短报文作为北斗系统的特色服务，对于高并发、高随机性的通信业务承载能力还有待完善，目前适用于小容量、低并发的应急通信场景，对数据密集型通信和低时延传输应用还难以满足。此外，目前支持北斗短报文服务的大众类手机终端较少，这也阻碍了北斗短报文公众服务的市场化应用。

4 未来发展思考

针对北斗系统存在的问题，杨元喜院士提出了弹性PNT战略[19]，后来一些学者在PNT基础上增加了通信，构成了PNTC的理论[20-21]。在国家综合PNT体系里地面通信基站是地基PNT基础设施的重要组成部分[22]，地面通信基站可作为我国PNT服务的重要补充[6]。北斗与地面通信网络深度融合，构建高精度泛在定位服务、天地互备的授时体系及星地一体化通信服务，推进国家PNTC能力建设。

北斗定位与5G定位相辅相成，构建室内外无缝高精度定位服务。北斗定位可以提升运营商的定位服务能力，5G定位也可以弥补北斗在信号遮挡区域的定位短板。北斗要实现快速高精度定位需要通信网络的支持，基于通信网络的辅助北斗定位，实现了北斗快速定位；基于通信网络的实时动态载波相位差分定位技术，实现了厘米级高精度定位。此外，基于5G基站建设北斗CORS站，可以节约建设成本，并借助运营商的运维能力，将北斗CORS站的运维水平提升至电信级别[23]。

国家正在建设地基授时系统，并基于通信光纤网络传递时间信号，时间同步精度优于100ps[24]，通信运营商借助国家地基授时系统在通信网络中引入北斗地基授时作为基准时间参考，不仅能提升5G网络时间同步精度，还可以实现天地互备的时间同步方式。建议运营商网络可以作为全国北斗地基授时网络的补充，将骨干地基授时网络延伸至本地网。

北斗在电信领域的应用落地，不但延伸了信息技术产业链，还提升了电信运营商的产品创新能力和市场竞争力。随着数字经济的不断发展，北斗+5G将成为未来数字中国发展的重要基础设施，这也对北斗在电信行业的创新研究和应用提出了更高的要求，未来北斗与通信网络的深度融合，还需在以下领域进行更深入的研究。

1)完善通导融合标准。需要继续推进制定北斗在国际电信领域的标准规范，为北斗的国际化推广应用奠定基础。加强制定北斗授时和短报文在电信行业的标准规范，促进北斗的规模化应用，引导北斗与电信产业协同发展。

2)加数据安全研究。在北斗+5G的融合应用过程中，大量时空信息被传输和处理，部分数据涉及国家安全和个体隐私，如何保障数据安全成为需要解决的问题。

3)北斗+5G融合定位研究。加强北斗+5G深度融合定位研究，研究在信号层面的融合定位，例如卫星信号遮挡时，5G定位信号作为补充，与北斗信号实现联合定位。此外，还需要解决5G定位技术的瓶颈，加速5G定位的大规模商用。

4)北斗授时与时间同步研究。研究针对5G超低时延场景，利用光纤授时与波分系统混传技术，实现全国的北斗地基授时信号端到端高精度传送。此外，还需要研究在北斗授时主用时，北斗信号异常情况下，如何切换成其它卫星信号的策略。

5)星天地一体化的PNTC通导融合研究。随着卫星互联网的发展，需要研究基于北斗、低轨通信卫星和地面通信网络，建设天地互备的定位授时能力及星地一体化通信服务能力。

致谢：感谢中国联通研究院的魏步征博士和张子宁博士在文章撰写过程中提出的宝贵意见和建议！