卫星+5G突破网络通信“黑障”
文库划重点：“与4G网络相比，基于云小站的灵巧5G专网在容量、时延等方面性能显著提升了至少一个数量级。”“未来，灵巧5G专网与低轨宽带卫星深度融合，可以有更广阔的应用场景，有望服务我国极地科考、海洋开发以及地震、森林火灾等应急机动场景。”
不久前，河南多地遭遇特大暴雨，洪水冲毁了多处电力和通信基础设施，也让传统地面网络的短板凸显出来。
近日，北京邮电大学信息与通信工程学院与银河航天在北京、济南两地开展国内首次低轨宽带通信卫星与灵巧5G专网的融合测试。本次测试解决了异地专网通信对地面光纤基础设施的依赖问题，实现了低轨卫星网络与地面5G专网的融合，迈出了极地、远海、偏远地区及应急等场景通信服务的重要一步。
迈出第一步
当前，全球网络覆盖仍面临诸多难题。赛迪顾问发布的《“新基建”之中国卫星互联网产业发展研究白皮书》中提到，传统地面通信骨干网在海洋、沙漠及山区等苛刻环境下铺设难度大且运营成本高，通过部署传统通信骨干网络在互联网渗透率低的区域进行延伸普及已存在现实障碍。
目前，地球上超过70%的地理空间，涉及30亿人口未能实现互联网覆盖。据国际电信联盟公布的数据，全球未实现互联网连接的人口中，超过12%居住在边远农村或山区，很多地区地势地貌复杂，难以铺设地面通信网络。而在地震、洪水、泥石流、冰雪等自然灾害发生时，光缆中断、大面积基站停电等故障会形成“通信中断区”，传统地面网络难以满足应急救援的用网需求。
因此，建设卫星互联网是解决地球“无互联网”人口数字鸿沟的重要手段，是实现网络信息连续覆盖普惠共享的有效补充。
北京邮电大学信息与通信工程学院执行院长彭木根在接受《中国科学报》采访时介绍说，通信卫星和灵巧5G专网结合，能有效解决传统蜂窝网络对站址资源需求高、网络规划优化复杂、设备昂贵等问题，通过内嵌基站功能自适应迁移和网络自组织模块，高效抑制基站间干扰和应对无线回程受限挑战等，网络可以即部署即用。
“低轨宽带卫星与5G专网融合试验，代替了需要预先铺设的地面光纤。”西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室教授田斌告诉《中国科学报》，“通信卫星完成的是骨干网的任务，用户接入还是由5G专网原先的设备完成，因为卫星和地面光纤的信道特性不同，所以要进行这种融合测试。”
“与4G网络相比，基于云小站的灵巧5G专网在容量、时延等方面性能显著提升了至少一个数量级。”彭木根说，“未来，灵巧5G专网与低轨宽带卫星深度融合，可以有更广阔的应用场景，有望服务我国极地科考、海洋开发以及地震、森林火灾等应急机动场景。”
7分钟“丝滑”体验
此次测试依托我国自主研制的低轨宽带通信卫星（银河航天首发星），以及高机动、轻量化的5G专网。
在低轨宽带通信卫星与灵巧5G专网的融合测试中，过境的低轨卫星连同地面卫星终端和信关站，构建起北京、济南两地5G专网间的骨干网络。测试模拟了济南一个厂房内发生危险品泄漏时，在北京的工作人员佩戴虚拟现实眼镜，利用卫星互联网实现5G专网连接，并实时观察现场情况，操控济南的无人车接近危险品目标，控制机械臂最终完成危险品处理的场景。
“银河航天首发星是目前中国通信能力较强的低轨宽带通信卫星，其通信容量高、时延低。”银河航天通信技术专家李建成对《中国科学报》说，“我们整个测试的时延大概在20~30毫秒，这种时延人们根本察觉不出，从济南场地传来的全景视频画面清晰、无卡顿，无人平台操作也顺滑、流畅，可完成全向运动控制和操控机械臂进行物体夹取等功能。”
专家介绍说，因为低轨卫星飞行速度极快，平均速度超过7公里/秒，对同一终端单次的连续覆盖时间约为5~8分钟，所以当天的测试进行了约7分钟时间。
“低轨宽带通信卫星还具备广覆盖的特点。目前我们的信关站覆盖范围最大可达1000公里，假如地面网络中断，只要周边1000公里范围内任何一个信关站能继续工作，就能维持通信，所以对于中小范围的灾害应急是完全没问题的。”李建成说，“在这次测试的应用场景里，覆盖范围没有达到那么远，只有400公里，所以可以把卫星互联网理解为‘一根400公里的光纤’，因为卫星传输是‘一跳直达’，所以能够实现较低的传输时延，满足特定应用场景需求。”
年底将发射一批卫星
目前，太空互联网建设已成为国际航天领域的热门，世界各国纷纷开始低轨互联网星座卫星的发射组网。美国太空探索公司的“星链”网络和欧美合作推出的“一网”星座计划，都制定了雄心勃勃的组网目标。据国际电信联盟预计，到2030年，实现人人都能连接互联网的目标，需要近4280亿美元的投入。可见，这是一个存在多种可能性的巨大市场。
去年，卫星互联网作为通信网络基础设施的代表之一，首次被我国纳入新基建信息基础设施的范畴，标志着卫星互联网建设已上升为国家战略性工程。
田斌认为，要实现低轨卫星网络覆盖全国，乃至全球的目标。需要发射多颗卫星、组成卫星星座。而需要发射多少颗低轨卫星组网和卫星大小、卫星的波束宽度、轨道高度等都有关系。当然需要的投入非常大，但市场也很大。“这涉及到商业和应用模式的问题，如果使用方便，推广得好，那就会创造很大的经济效益。”
“我国对于卫星互联网的组网有统筹的规划。”李建成说，“银河航天正在构建卫星低成本批量化生产能力，未来在南通建设的卫星超级工厂可以达到年产几百颗的规模。我们正在致力于通信载荷、核心单机、卫星平台的自主研发与低成本量产，全力支持我国卫星互联网建设。”
李建成认为，未来卫星互联网的应用具有广阔前景，主要应用方向包括海洋、航空、偏远地区、极地通信、应急救灾通信、企业专网通信等。
“而且，从技术原理来说，卫星互联网未来可以用于火星与地球的通信。”李建成说，“除通信外，增加相应的卫星载荷后，还可以实现对地遥感探测和导航增强等功能。”
银河航天星座系统架构师林广荣表示，下一步，银河航天将继续与北京邮电大学开展灵巧5G云小站、雾小站和轻量化核心网功能上星等试验验证工作。灵巧5G专网以及低轨宽带通信卫星的融合及进一步协同，将有效支撑我国天地一体化网络建设，为我国应急通信、抗震救灾、极地科考、远洋探测等领域的高效宽带无线通信需求提供强有力的保障与支撑。
“我们在不断创新技术并且优化网络设计，年底将发射一批低轨宽带通信卫星，形成连续30分钟以上的通信，构建一天之内多次重访的网络服务能力，为卫星通信关键技术验证提供重要支撑。”李建成说，“后续，我们将发射更多低轨宽带通信卫星，全力支持我国卫星互联网建设。”
《中国科学报》 (2021-08-12 第3版 信息技术)
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