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摘要：我国经济近几年发展迅速，使得我国各行业有了更大的发展空间和发展机遇。地面第五代移动通信（5G）逐步投入商用，卫星通信与地面5G的融合成为业界讨论的新热点。
关键词：卫星通信与5G融合；关键技术与应用
引言
我国基础建设自改革开放发展至今已经取得了非常不错的成就，其成果得到了世界领域的认可。从上世纪90年代开始，随着移动卫星通信的发展，关于卫星与地面移动通信相互融合的讨论与尝试从未停止。地面移动通信系统为用户提供了便捷的服务，然而在山地、荒漠及海上等地区，由于基站架设困难，卫星成为地面的补充和延伸。如今，地面移动通信系统已经进入5G时代，卫星通信呈现高中低轨多层立体化发展、由单星系统向网络化发展及宽带高通量发展的特征，星地融合迎来新的时代。
1卫星通信
卫星通信是天基信息传输系统的重要组成部分，是实现全球无缝覆盖、构建天地一体信息网络的重要手段。虽然卫星通信产业在这几年也有较大的发展，但相对地面通信还是有些迟缓。目前，5G在全球范围内迅速发展，5G商业化运行已逐步展开，在不久的未来将成为人类重要的信息基础设施。在5G部署周期内，如果卫星通信不能取得大幅度突破，那么会在全球范围内进一步边缘化，沦落到“吃地面网的剩饭”。5G时代的来临，将给卫星通信带来新的机遇和挑战，卫星通信要融入到5G发展的大战略，为其提供基础性、决定性的支撑，开辟卫星通信应用的新时代。近年来，高通量卫星从理念逐步成为现实，大大改变着卫星通信资源的瓶颈限制，低轨道卫星网络摆脱过去的颓势重新崛起，卫星互联网技术取得重大突破性革新，这些都为卫星通信融入5G时代打下了坚实基础，随着5G通信与卫星通信的融合发展，必将促进卫星通信产业的创新活力。
2互联网卫星星座与地面的融合
近年来，互联网卫星星座的发展突飞猛进，典型的代表系统包括“另外三十亿人”（O3b）系统、“一网”（OneWeb）系统和美国太空探索技术公司（SpaceX）计划打造的“星链”（Starlink）互联网星座。其主要特征包括：多采用中、低轨道，相比同步轨道卫星可以大幅度降低往返传输延时，使卫星传输的体验可以与地面光纤相媲美；采用几十甚至几百颗小卫星星座组网实现大范围覆盖，通过模块化设计大幅度降低卫星生产成本，从而降低通信资费，为用户提供平价的通信服务；多采用Ka或Ku频段，系统容量大幅度提高，例如，“另外三十亿人”系统的单波束可以提供1.6Gbit/s的传输速率，每颗星70个波束，“一网”系统单星传输能力大于6Gbit/s，下行速率可达50Mbit/s，系统总容量约5Tbit/s，可以为传统互联网架设成本过于昂贵的地区提供高速宽带互联网接入服务。在与地面移动通信系统的融合方面，互联网星座大多采用IP交换技术，实现与地面互联网的融合互通。在市场策略上，互联网卫星星座摒弃了卫星星座的鼻祖——“铱”卫星系统独立建网、与地面移动通信相竞争的策略，转而与电信运营商开展合作。用卫星为地面蜂窝提供回程服务，拓展现有地面电信运营商的网络覆盖范围；或是用卫星接收设备为周围一定范围内的用户提供高速无线接入服务，满足车辆、偏远地区家庭等用户的上网需要。不出售类似铱星电话似的专用卫星终端设备，用户可以继续使用现有的智能手机和平板电脑访问卫星网络。
3大规模MIMO
MIMO系统主张在发射机和接收机端使用多个天线，这项技术有利于提高频谱的效率，大规模MIMO主张多用户使用，可以有效地提高天线的数目。当多个天线为百倍的用户提供服务的时候，频谱的效率达到五倍以上，即使对于范围边缘的用户，也能提供很高的吞吐量。
除此之外，用户的预编码也在极大程度上减少了，对于发射机获取信息的渠道也存在不同，使用上下行一致的频段，下行和上行基本相似，然后用户只需要在上行发出正交导频，之后可以进行上行信道估计，也能得出下行的结论。但是，很多情况下是不存在正交的，这也会形成人们口中的“导频污染”，从而形成估计误差，要想减少“导频污染”的发生，就可以通过导频复用这种方式，在周围的小区信道是互易的，但是对于发送路径和接受路径而言，并非如此。上下行实质差别的时候就需要进行天线的校准，我们应该明确的是，大规模MIMO对于个别用户的控制速率来说，并没有太大的影响，这主要是因为，只有服务于多个用户，才可以达到高频谱效率。
4星载天线技术
低轨道卫星利用多波束天线在地面形成蜂窝状的覆盖。考虑到应用效果，建议卫星采用“同步切换（地面固定覆盖区切换）”卫星利用波束成型使地面覆盖区域固定不变，可根据话务量、地形等因素动态调整波束的赋形。此外，在采用高低频混合组网时，针对某些特定用户，可采用高频段跟踪波束持续提供服务。以上需求，都必须借助相控阵技术。星载多波束相控阵是由一定数目的天线单元排阵所构成的阵列天线，通过控制各个辐射单元的幅度相位关系实现波束扫描、波束覆盖。它将无源阵列天线、射频、数字信号处理等技术进行有效结合，可将信号通道开放到用户级，对用户波束和信道进行三维处理，同时可在同一时频资源上覆盖多个区域或服务多个目标，利用天线阵列带来的巨大阵列增益和干扰抑制增益，可使系统性能得到极大的提升。由于频度的带宽较大，考虑到目前星载硬件的处理能力还是有限的，整个收发链路采用数模混合波束赋形联合收发处理方式为优。
5星地融合趋势
1.技术方面。星地融合架构既有透明弯管转发，也有星上接入，松耦合与紧耦合的星地融合网络架构将在很长时间内并存；目前，制约星地融合的主要瓶颈是频率资源，随着低轨星座的大面积部署，频率冲突的问题将愈发严重，探索星地频率规划及频率复用新技术是实现星地融合需要解决的首要问题；为了实现地面终端一体化、小型化，卫星与地面的空中接口逐步趋向融合，大规模多输入多输出（MassiveMIMO）、非正交多址及新型多载波传输等5G新的空中接口技术在卫星通信中的应用将成为未来一段时期内的研究热点，目前有部分技术已经逐步在浮空平台等非地面网络中开展试验；星地网络全IP化是大势所趋，NFV/SDN等技术在星地融合中发挥突出作用。2.市场方面。星地网络由竞争走向合作，卫星网络以提供回程服务、基站拉远等方式成为地面网络的补充。在国外，合作共赢的星地融合新商业模式正在兴起；在国内，产业割裂的壁垒短期内仍然存在，需要依托政府力量，通过企业间的合作实现产业融合。
结语
卫星通信与5G系统的融合将为用户带来更广泛以及更连续的覆盖，将话音、互联网、物联网等应用拓展到更广阔的范围，实现空天地的综合通信服务保障。本文对星地融合的网络架构、频率规划、功能部署等核心问题进行了探讨，并对星地融合的关键技术进行了分析，为5G与卫星系统的融合，以及天地一体化信息网络的建设提供了切实可行的思路。
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