摘要：5G和卫星网络的融合，能够在任何区域实现移动网络接入，为地面5G网络无法覆盖的场景，如海事、应急、物流、农业、生态环保等提供移动通信服务。物联网卫星系统作为卫星系统的一种，具备卫星制造及发射成本低、工作频率低、终端及模组功率低等优点，与5G系统融合后可为各行各业提供各类物联网数据互通及短消息泛在通信的服务。鉴于此，本文围绕5G与物联网卫星的融合通信及应用展开探讨，以期为相关工作起到参考作用。 关键词：5G/6G；物联网卫星；融合通信
1.5G与物联网卫星的融合现状
目前我国在轨成熟运营的多为高轨卫星（GEO，GeostationaryEarthOrbit）系统，如北斗、天通，因此星地融合技术也多发生在与高轨卫星融合领域，如北斗短报文融合通信系统目前已正式运营。高轨卫星相比低轨卫星而言确实有其覆盖优势，然而也存在传播时延大、终端发射功率大、易受干扰及“南山效应”等劣势。物联网卫星轨道高度多在700～1500km，运行周期为2～4小时，相比于高轨卫星，物联网卫星具有轨道高度低、传输损耗小、时延低、发 射功率小等优点，但它需要组网以实现全球覆盖，因而卫星数量多，且组网和控制切换等比较复杂。物联网卫星通信系统发展的3个阶段：一是单点数据传输阶段，此阶段的特征是卫星数量较少，只能以较长的时间间隔进行少量数据传输；二是多点数据传输阶段，此阶段卫星数量较多，能够比较及时地传输数据；三是实时数据传输阶段，卫星数量已满足全球无缝覆盖，可以实时进行数据传输[1]。物联网卫星通信系统，作为地面通信系统的补充和延伸，能够有效扩展地面通信系统的覆盖范围，并具有下列优点：（1）组网后覆盖地域广，可实现全球覆盖，可广泛应用于峡谷、山区、丛林等区域，解决对地静止轨道卫星通信效果不佳问题；（2）卫星的轨道高度低，使得传输延时短、路径损耗小，多个卫星组成的星座可以使得频率复用更有效；（3）几乎不受天气、地理条件影响，可全天时全天候工作。系统抗毁性强，在自然灾害、突发事件等紧急情况下依旧能够正常工作；（4）易于向大范围运动目标（飞机、舰船等）提供无间断、高质量的网络连接。
2.5G+卫星融合通信方案
2.15G+卫星通信融合终端
2020年是5G移动通信商用的元年，当前推向市场的5G终端具备地面5G接入功能，尚
未具备5G直接与卫星通信网接入功能。当前5G终端可以通过“地面－信关站－卫星”接入卫星通信网，可以通过具备接入卫星通信网的WIFI热点实现卫星互联网接入，再通过以及APP终端实现语音以及视频通信、收发数据信息。5G+卫星通信融合终端，具备地面网络、5G卫星网络接入能力，具备智能天地5G网络无缝切换，在海洋、沙漠、深山、极地具备可以接入5G卫星通信网的能力。融合终端的体积、重量、使用方式与现有5G终端没有大的差异，提供个人购买融合终端即可使用无须专业卫星通信知识，无须天线指向卫星等复杂的操作[2]。
2.25G卫5G与物联网卫星的地面
5G卫星便携地面在人口稀少的聚集区、抢险救灾、边境哨所等场景具备快速搭建、快速便捷寻星、快速天线指向、快速接入的能力，无须专业的卫星通信知识，普通人即可操作搭建便携。5G便携与地面网络的不同之处是直接可以接入5G卫星网络，而不是通多地面光纤接入5G网络。5G卫星移动可以布局在游轮等海洋交通工具、高铁等地面交通工具、飞机等空中交通工具，然后再把卫星移动通过有线网络接入到船舱、车厢、客舱等卫星网络覆盖不到的地方，人们即便在深海游轮、高速旅行、万米高空
亦可以接入5G通信网络，实现泛在通信、5W通信[3]。在大型赛事、节假日人口密集的车站码头可以立即投入5G移动通信车船，提高5G通信接入能力，避免通信拥堵。
2.35G卫星通信网建设
国外开展了5G+卫星通信融合验证与评估，2019年6月欧洲SaT5G项目团队演示了5G卫星链路实现的机载视频通信、混合5G回传。SANSA提出了卫星5G网络融合的动态频谱共享、地面自组网研究。2017年3月欧洲卫星与地面一体化的SATis5项目研究，2018年8月投入使用了卫5G与物联网卫星的面网络验证测试平台，用于演示、评估、验证5G+卫星融合通信网络。2019年5月，Telesat、沃达丰公司、Surrey高校联合第一次利用卫星为5G回传提供了解决方案。2020年印度Vestaspace公司发布实现5G网络和IoT功能的卫星星。2019年SpaceX公司的星链计划已发射一箭六十颗卫星，未来卫星通信互联网接入全球[4]。国内也在加快5G+卫星通信融合验证测试与评估工作，2021年2月通信技术试验卫星6号发射升空开展卫星通信、广电与数据验证工作。2020年银河航天发射了首颗5G卫星用于低轨5G网络验证测试。2020年上海成立＂5G+卫星＂通信融合创新实验室具备低轨卫星与地面5G网络融合验证方案与融合架构测评。2018年12月中国航天科技集团的鸿雁星座以移
动通信语音为主兼顾宽带互联网数据，航天科工集团的虹云星座以宽带互联网为主兼顾移动通信语音业务。国内国外开展了5G+卫星通信研究工作，航天国家队与商业航天开展了5G通信卫星研制与测试验证工作。
3.5G与物联网融合关键技术应用
3.1全频谱接入
全频谱接入技术充分组合使用现有的“高频频段（6～100GHz）、低频频段（6GHz以下）”“授权频谱、非授权频谱”“对称频谱、非对称频谱”“连续频谱、非连续频谱”等移动通信频谱资源，有效地使数据传输速率、系统容量得到提升。其中，5G毫米波技术是物联网领域应用的关键技术。若拓展物联网系统覆盖面，需要接入海量设备，同时5G网络容量也要增加。5G毫米波带宽资源丰富、天线增益高，可以支持超高传输速率，具有波束窄且灵活可控等优势，使可接入设备增加。未来将向高频、超高频发展，但频率越高，传输距离越短，穿透力越差，会给系统硬件提出更高要求[5]。
3.25G时间敏感网络技术
物联网领域10%的业务属于大带宽、低时延、高可信业务，典型应用是远程医疗、视频监控、自动驾驶等，其中涉及工厂自动化（即智能制造）、传输工业和电力输送分配的工业物联网场景，对时间特别敏感。5G新技术可以实现1μs同步精度、0.5～1ms空口实验，结合R16提出的工业级时间敏感网（TSN），在底层网络架构标准方面推动工业物联网应用快速落地；同时配合高精度定位、边缘计算等技术，可以促进工业控制器能力的提升。
3.35G网络切片技术
5G网络切片技术的关键是网络设备支持虚拟网络功能，通过动态组合部署，在一张网络中实现运营商网络的动态切分，实现端到端的定制专用网络能力。在物联网的重要领域即工业物联网领域，对控制面、管理面的时延和可靠性要求不同，需要在一张物理网络中，“切”出端到端的多个独立的、服务质量保障和服务水平保障不同的逻辑子网络，以满足如下要求：（1）通过资源隔离，实现工厂内外数据安全与隔离；工厂内不同业务环节的数据安全与隔离；（2）在成本可控的前提下，实现不同场景、不同环节的特殊需求；（3）满足工厂控制面超低时延、超高可靠性的服务质量要求。目前在配电网差动保护中，此技术已经被分析应用。
3.4密集网络技术
密集网络技术，即通过增加宏外天线数量，使外部有效接入空间拓展，从而使系统容量大幅度提升和系统的灵活性提高。室外网络各节点的融洽性相对于室内网络较强，利用密集网络技术，网络节点的性能得到有效提高；通过促进节点间自由连接的实现，可管理节点间信息交换效率、准确性。将密集网络技术应用于物联网，可应对大规模数据连接及数据传输带宽的问题，使物联网系统更加高效稳定，满足行业化应用的相关需求。
结语
总而言之，随着航天技术、人工智能、激光通信等新兴技术的不断发展，物联网卫星通信系统将不断完善其自身的星座组网及通信能力，像地面通信网络一样，其自身的带宽、时延和连接数量等能力将会不断提升，因此未来地面通信系统和物联网卫星系统的深度融合将带来更加丰富的应用场景，提供更加便捷高效的泛在通信服务。
参考文献：
[1]李侠宇,刘硕.5G星地融合标准的发展与展望[J].保密科学技术,2022,(10):4-11.
地面网
[2]解宁宇,汪进,王慧东,张磊.低轨卫星与5G融合应用及关键技术[J].邮电设计技术,2021,(04):10-14.
[3]翟立君,潘沭铭,汪春霆.卫星5G技术的发展和展望[J].天地一体化信息网络,2021,2(01):1-9.
[4]蒋杰，李永高.北斗卫星导航系统+NB-IoT技术在5G时代的应用前景[J].中国科技信息，2020,(16):64-65.
[5]魏肖,成俊峰,王静贤,崔司千,张景.基于5G技术的低轨卫星物联网技术[J].移动通信,2020,44(03):14-21.
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