隨著5G和衛(wèi)星網(wǎng)絡新技術的不斷發(fā)展成熟以及國家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略布局，如何結合5G專網(wǎng)及多類型衛(wèi)星系統(tǒng)特性在應急等場景應用是研究的重要議題。梳理了當前應急業(yè)務需求及痛點、近年衛(wèi)星通信和5G專網(wǎng)技術發(fā)展背景和特點，提出一種5G專網(wǎng)協(xié)同多衛(wèi)星系統(tǒng)在應急業(yè)務領域應用的方案模式，并詳細闡述了其架構、各部分功能以及關鍵實現(xiàn)設備的技術點。最后對該融合協(xié)同網(wǎng)絡應用愿景、意義進行了描繪，并給出了運營商業(yè)務發(fā)展建議。

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?背 景

近些年來，重大自然災害、工業(yè)事故、恐怖襲擊等突發(fā)事件給政府及人民帶來了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。應急通信網(wǎng)絡通過預防與預警、應急響應、后期處置等工作，在自然災害、事故災難、公共衛(wèi)生、社會安全等突發(fā)事件情況下實現(xiàn)通信保障，確保重要通信安全暢通。但當前普遍采用的應急通信系統(tǒng)較為獨立封閉，并存在與地面移動通信系統(tǒng)不互通、應急場景下終端操作不便、受衛(wèi)星資源限制無法覆蓋或不穩(wěn)定、時延高等問題。

隨著我國5G基礎設施的逐步完善，5G基礎網(wǎng)絡能力快速提升，5G專網(wǎng)可根據(jù)客戶需求提供大上行、超高可靠、超低時延、5G切片、5G高精度同步、5G高精度定位、廣域漫游、二次認證、能力開放等30項以上關鍵網(wǎng)絡差異化能力。5G專網(wǎng)賦能應急通信領域可使應急通信更加靈活，同時減少對周邊各環(huán)境因素的要求，為搶險救災提高了效率、爭取了寶貴的時間，并提高了應急服務保障的服務質(zhì)量和用戶體驗。

同時，由于衛(wèi)星通信技術的發(fā)展，特別是低軌衛(wèi)星通信技術的發(fā)展，衛(wèi)星通信在速率和時延上已經(jīng)可以滿足大多數(shù)5G業(yè)務場景的需求。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡與5G地面通信網(wǎng)絡在技術上已具備融合的基本條件，逐步向不同軌道多衛(wèi)星系統(tǒng)融合、通信遙感導航衛(wèi)星融合、地面與衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同融合等趨勢發(fā)展。通過構建架構、功能、接口、流程一體化的天地一體5G網(wǎng)絡，能夠實現(xiàn)覆蓋融合、系統(tǒng)融合、網(wǎng)絡融合和業(yè)務融合，在提高網(wǎng)絡資源利用率的同時，為用戶提供全球全域無縫連接、業(yè)務連續(xù)性和通信服務保障，使通信業(yè)務和應用能豐富多樣，具有重要的經(jīng)濟和社會效益。

本文首先結合應急場景當前的需求和痛點，對5G專網(wǎng)、衛(wèi)星通信以及星地融合的發(fā)展趨勢進行了概述，其次介紹了應急業(yè)務領域應用的現(xiàn)狀和5G專網(wǎng)在該領域應用的方案及模式，并著重介紹了方案中實現(xiàn)5G專網(wǎng)與多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同的關鍵技術點和功能實體，最后結合研究內(nèi)容進行了總結和展望。

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5G專網(wǎng)在應急業(yè)務領域的應用

2.1? 現(xiàn)有應急通信方式分析

應急通信專業(yè)機構主要職責一般為：戰(zhàn)時為中央和各級黨政軍機構“指揮系統(tǒng)”提供應急通信保障；平時為搶險救災、各種突發(fā)事件和重大國務活動、軍事活動提供應急通信保障。在面對一系列突發(fā)性事件時，借助應急指揮通信車移動的靈活性以及快捷的部署能力，為相應指揮處理工作的高效開展提供保障。應急指揮車到達現(xiàn)場后，通過通信系統(tǒng)將圖像和聲音傳送到數(shù)十公里或數(shù)百公里外的應急中心，可實現(xiàn)音視頻采集與傳輸、對外宣傳、會議決策、自備電及外接電源、照明等基本功能。采集到的音頻和視頻信號傳輸?shù)街笓]車再到后方指揮中心，基于指揮平臺的信息采集和集成功能，實現(xiàn)重大事件和突發(fā)事件的現(xiàn)場疏導和決策處理。

傳統(tǒng)的應急通信車通信方式主要分為車載4G無線通信、微波通信和衛(wèi)星通信，其中：車載4G無線通信通過車載路由器、移動通信模塊接入運營商4G基站，或通過光纖接入的方式接入運營商核心網(wǎng)，完成語音及數(shù)據(jù)信息的交互；微波通信由無線電對講機技術發(fā)展而來，采用短波或超短波的方式實現(xiàn)調(diào)度、組呼以及快速呼叫的功能；衛(wèi)星通信是在空間技術和地面磁波通信的技術基礎上，利用人造地球衛(wèi)星做中繼站用以轉發(fā)無線電波，以實現(xiàn)2個或2個以上個體或單位之間通信的通信手段。3種通信方式的優(yōu)點和不足如表1所示。

表1? 3種通信方式的優(yōu)點和不足

現(xiàn)有的車載4G通信需要通過車載路由器、移動通信模塊接入運營商4G基站或光纖接入的方式接入運營商核心網(wǎng)完成語音及數(shù)據(jù)信息的交互，存在一定局限性。例如，部分災區(qū)環(huán)境惡劣，通信設施（基站/回傳光纖/供電線路等）損毀嚴重，救援人員手機終端無法正常接入運營商基站進行通信；通過光纖接入運營商的通信方式不能深入災區(qū)重點區(qū)域，且應急通信車失去了靈活機動特性，功能性有所缺失；無法對注冊終端接入控制，加大了通信資源有限的利用成本，降低了通信效率。

通過上述綜合分析，3種應急通信方式各有利弊，通常組合起來共同完成在搶險救災或重大事件保障工作中的通信工作。然而，因為移動網(wǎng)絡技術發(fā)展催生的各種多媒體業(yè)務形態(tài)以及應急場景本身的環(huán)境局限等原因，車載4G通信已經(jīng)不能滿足當前應急通信的需求。

2.2? ?5G專網(wǎng)與多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同應急業(yè)務方案

結合當前5G網(wǎng)絡及衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢，本文提出5G專網(wǎng)與多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同的應急業(yè)務方案，充分發(fā)揮高通量衛(wèi)星及低軌衛(wèi)星的傳輸優(yōu)勢，將運營商語音及數(shù)據(jù)訪問等5G業(yè)務無差異化地延伸至遠洋海域、地面災害等應急場景，保障在災害地區(qū)應急時穩(wěn)定便捷的通信。在保障業(yè)務穩(wěn)定性和功能性的前提下，充分利用不同軌道衛(wèi)星特性，與5G專網(wǎng)資源整合，利用“5G泛在接入+衛(wèi)星通道”達到1+1>2的業(yè)務體驗。

方案以5G專網(wǎng)基礎能力為底座，結合多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同接入的解決方案，解決帶寬受限問題，將多鏈路帶寬捆綁，增加優(yōu)化帶寬及服務時長。同時結合應急機動場景下的業(yè)務需求，提供包括但不限于如下的基礎及增強功能。

a） 應急專網(wǎng)內(nèi)部人員間的3G/4G/5G語音通話、短信及數(shù)據(jù)訪問功能。

b） 應急專網(wǎng)與外部移動通信網(wǎng)絡間的3G/4G/5G語音通話、短信及數(shù)據(jù)訪問功能。

c） 應急網(wǎng)絡資源編排和分配優(yōu)化，實現(xiàn)業(yè)務路由的智能選擇。

d） 互聯(lián)網(wǎng)應用在應急場景的操作優(yōu)化，解決大網(wǎng)損壞時APP應用及短信等不能使用的問題。

e） 集群認證功能，針對特定應急用戶群體增加認證能力。

f） 快速部署方案，對5G應急專網(wǎng)實現(xiàn)解耦和簡化，滿足快速與大網(wǎng)互通和隨機隨時接入需求。

g） 5G消息、短信與應急通信系統(tǒng)的緊密聯(lián)動及高效精準投送方案。

h） 其它運營商增值業(yè)務，如話音增強（實時翻譯）、NEF能力開放、QoS控制等的融合應用方案。

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5G專網(wǎng)與多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同組網(wǎng)方案與實現(xiàn)

3.1? 系統(tǒng)架構

5G專網(wǎng)與多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同應急業(yè)務方案的系統(tǒng)基礎架構如圖1所示，按照所屬網(wǎng)絡及功能可大致分為5G應急專網(wǎng)、多衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡、融合接入及控制3個部分。其中5G應急專網(wǎng)、多衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡為對應體系下的標準網(wǎng)元及設備組成，不需要定制；融合接入及控制為匹配該專網(wǎng)業(yè)務方案的定制化功能設備簇。

圖1? 5G專網(wǎng)與多衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同應急業(yè)務方案系統(tǒng)架構

3.2? 系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

對系統(tǒng)架構的5G應急專網(wǎng)、多衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡、融合接入及控制3個部分進行功能介紹。

3.2.1? 5G應急專網(wǎng)

作為本系統(tǒng)方案業(yè)務功能的主要實現(xiàn)部分，5G應急專網(wǎng)可部署在應急機動車、大型無人機、移動飛艇等業(yè)務接入側，根據(jù)部署環(huán)境和業(yè)務需求，靈活調(diào)整專網(wǎng)部署模式和對應網(wǎng)元實體及功能。

在虛擬專網(wǎng)模式下，基于運營商5G核心網(wǎng)提供的DNN、QoS優(yōu)先級配置和切片等特性滿足用戶對應急專網(wǎng)隔離性和性能方面的需求；在混合專網(wǎng)模式下，負責數(shù)據(jù)轉發(fā)的UPF網(wǎng)元下沉，滿足數(shù)據(jù)不出場和業(yè)務隔離等需求；在獨立專網(wǎng)模式下，部分5GC網(wǎng)元下沉（如AMF、SMF等），UDM不下沉，基礎語音業(yè)務仍使用大網(wǎng)的IMS實現(xiàn)業(yè)務功能。

3.2.2? 多衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡

衛(wèi)星通信在星地融合的網(wǎng)絡架構中，既可作為基站傳輸通道，也可直接為用戶終端（手機或者其他形態(tài)）提供接入。本應用方案為基站傳輸通道的衛(wèi)星系統(tǒng)融合架構，采用“衛(wèi)星+基站”的方式，用戶通過符合蜂窩移動通信網(wǎng)絡標準的終端直接接入基站，基站再通過衛(wèi)星傳輸至核心網(wǎng)，衛(wèi)星通信作為傳輸網(wǎng)絡的一部分拓展基站的覆蓋。

一套完整的衛(wèi)星傳輸網(wǎng)絡系統(tǒng)包含衛(wèi)星用戶站、星上衛(wèi)星系統(tǒng)、衛(wèi)星信關站3個部分。本方案可同時將多個不同的衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡作為業(yè)務傳輸鏈路，連接5G應急專網(wǎng)和運營商5G核心大網(wǎng)。單一的業(yè)務數(shù)據(jù)源可通過反向復用多個衛(wèi)星系統(tǒng)信道用于傳輸，然后在接收端重新聚合，實現(xiàn)多種接入?yún)f(xié)議的融合及轉換，使傳輸數(shù)據(jù)具備不同維度策略的分流/并流傳輸能力，提高應急專網(wǎng)的可用性和傳輸效率。

3.2.3? 融合接入及控制

該部分包含2個獨立的功能設備，分別為協(xié)同接入配置模塊和5G應急業(yè)務控制系統(tǒng)。

協(xié)同接入配置模塊部署在衛(wèi)星傳輸網(wǎng)絡的兩側，分別同5G應急專網(wǎng)及運營商5G核心網(wǎng)互通，單一的數(shù)據(jù)源通過反向復用多個信道用于傳輸，然后在接收端重新聚合，實現(xiàn)多種接入?yún)f(xié)議融合及轉換，使傳輸數(shù)據(jù)具備不同維度策略的分流/并流傳輸能力。

5G應急業(yè)務控制系統(tǒng)部署在靠近運營商核心網(wǎng)大網(wǎng)一側，并與其對接，實現(xiàn)5G應急專網(wǎng)業(yè)務的精準控制編排、權限管理、第三方能力接入及開放等。

3.3? 協(xié)同組網(wǎng)關鍵技術

作為多個系統(tǒng)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡與5G地面通信網(wǎng)絡在技術及業(yè)務方面融合的可行性落地應用方案，協(xié)同組網(wǎng)的關鍵功能實體——協(xié)同接入配置模塊是關鍵技術的實現(xiàn)網(wǎng)元。協(xié)同接入配置模塊能夠實現(xiàn)低軌衛(wèi)星和中高軌衛(wèi)星資源的按需合理分配的目標，具體功能設計及技術點如下。

3.3.1? 網(wǎng)絡部署位置

協(xié)同接入配置模塊在網(wǎng)絡中的部署位置包含以下2個位置。

a） 接入側：位于5G基站和各種不同衛(wèi)星網(wǎng)絡用戶站之間。上行方向，將5G基站來的流量通過不同的策略路由到不同的衛(wèi)星鏈路進行傳輸，下行方向，接收不同的衛(wèi)星鏈路流量并匯聚傳輸?shù)?G基站。

b） 網(wǎng)絡側：位于各種不同衛(wèi)星網(wǎng)絡信關站和5G核心網(wǎng)之間。上行方向，將不同衛(wèi)星的信關站數(shù)據(jù)匯聚并傳輸?shù)酵獠亢诵木W(wǎng)，下行方向，將核心網(wǎng)下發(fā)的流量根據(jù)不同的策略路由到不同的信關站進行傳輸。

協(xié)同接入配置模塊處理的流量包括5G N1、N2、N3、N9以及SNMP的網(wǎng)絡管理流量。

3.3.2? 自適應分流/聚合功能

協(xié)同接入配置模塊可按配置的時間間隔動態(tài)監(jiān)控每個連接鏈路的帶寬，并根據(jù)每個連接的可利用率來分配傳輸對應數(shù)量的數(shù)據(jù)包，然后數(shù)據(jù)包將在接收終端經(jīng)過糾錯后重新合并還原到原始數(shù)據(jù)。

3.3.3? 應用層流量檢測和識別功能

當TCP或UDP數(shù)據(jù)流通過協(xié)同接入配置模塊時，系統(tǒng)會讀取IP數(shù)據(jù)包內(nèi)承載的ISO應用層數(shù)據(jù)并進行重組，從而得到整個應用層數(shù)據(jù)流的內(nèi)容，然后按照系統(tǒng)定義的管理策略對流量進行管理、監(jiān)控操作。

3.3.4? 可配置策略的分流功能

模塊可以根據(jù)不同的策略模板，手動或遠程配置不同的分流策略，便于根據(jù)不同成本的鏈路流量消耗或者不同的衛(wèi)星傳輸特性，有針對性地設置和調(diào)節(jié)。例如，有些用戶希望優(yōu)先使用4G網(wǎng)絡，其次選擇使用衛(wèi)星提供的網(wǎng)線鏈路（成本因素）；或者優(yōu)先采用高軌衛(wèi)星傳輸信令面數(shù)據(jù)（穩(wěn)定）及低軌衛(wèi)星傳輸用戶面數(shù)據(jù)（高效），其次選擇使用高軌衛(wèi)星傳輸用戶面數(shù)據(jù)，策略場景舉例如下。

場景1：協(xié)同接入配置模塊能夠根據(jù)配置的策略，選擇將信令面流量通過高軌衛(wèi)星用戶站傳輸，將用戶面流量通過低軌衛(wèi)星用戶站傳輸。

場景2：協(xié)同接入配置模塊能夠根據(jù)配置的策略，選擇將信令面和用戶面流量都通過低軌衛(wèi)星傳輸。

場景3：協(xié)同接入配置模塊能夠根據(jù)配置的策略，選擇將流量按照一定比例分別通過低軌衛(wèi)星+高軌衛(wèi)星進行傳輸。

3.3.5? 傳輸鏈路檢測功能

模塊能夠根據(jù)不同的策略快速檢測當前配置的衛(wèi)星鏈路狀態(tài)，并能實時維護各條鏈路狀態(tài)。當某條衛(wèi)星鏈路檢測故障時，模塊能自動將該鏈路置為故障狀態(tài)，后續(xù)當該鏈路恢復后，模塊能夠根據(jù)策略或者實時檢測，自動將鏈路從故障狀態(tài)切換到可用狀態(tài)。

3.3.6? 自動切換鏈路功能

當目前正在傳輸中的鏈路出現(xiàn)故障時，模塊能夠自動選擇其他可用的鏈路進行傳輸。如當前是通過高軌衛(wèi)星鏈路進行傳輸，當檢查到高軌衛(wèi)星鏈路出現(xiàn)故障時，模塊能夠按照策略自動選擇其他可用的高軌衛(wèi)星鏈路或者低軌衛(wèi)星鏈路進行傳輸。

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總結及展望

“5G專網(wǎng)+衛(wèi)星”星地融合網(wǎng)絡將衛(wèi)星通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)各自的優(yōu)勢相結合，使通信網(wǎng)絡邊界拓展到無人區(qū)、海洋、天空，可實現(xiàn)通信網(wǎng)絡在任意時間、任意空間的全覆蓋，真正實現(xiàn)全球用戶無縫通信連接的愿景目標，具有很強的社會意義和經(jīng)濟意義。本文探討的方案能夠充分利用已部署的部分低軌衛(wèi)星資源，同時協(xié)同中高軌衛(wèi)星資源，通過基于地面運營商5G通信網(wǎng)絡業(yè)務選路的優(yōu)化控制，實現(xiàn)高中低軌衛(wèi)星與5G網(wǎng)絡協(xié)同可靠的“星網(wǎng)云端”的融合應急通信業(yè)務。隨著5G網(wǎng)絡演進及低軌衛(wèi)星的全面覆蓋，該業(yè)務可隨著方案部署地區(qū)低軌星座的服務情況不斷優(yōu)化，充分發(fā)揮低軌衛(wèi)星低時延和高軌高通量衛(wèi)星廣覆蓋的資源優(yōu)勢，提供高質(zhì)量可靠的5G星地融合服務，為運營商優(yōu)化網(wǎng)絡和業(yè)務創(chuàng)新以及探索6G天地一體化提供參考。

作者簡介

胡 悅，畢業(yè)于西安電子科技大學，工程師，碩士，主要從事核心網(wǎng)技術及星地網(wǎng)絡融合、5G消息相關領域的研究工作。

高功應，畢業(yè)于華中科技大學，高級工程師，碩士，主要從事核心網(wǎng)規(guī)劃、方案、新技術、數(shù)字化運營等研究工作。

朱 斌，畢業(yè)于北京郵電大學，高級工程師，碩士，主要從事5G網(wǎng)絡及能力開放研究、天地一體化新技術跟蹤及創(chuàng)新業(yè)務產(chǎn)品研究工作。

時鵬，畢業(yè)于西安電子科技大學，工程師，碩士，主要從事無線通信、衛(wèi)星通信相關咨詢、設計工作。

編輯：黃飛

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