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隨著5G和衛星網絡新技術的不斷發展成熟以及國家衛星互聯網戰略布局，如何結合5G專網及多類型衛星系統特性在應急等場景應用是研究的重要議題。梳理了當前應急業務需求及痛點、近年衛星通信和5G專網技術發展背景和特點，提出一種5G專網協同多衛星系統在應急業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設備的技術點。最后對該融合協同網絡應用愿景、意義進行了描繪，并給出了運營商業務發展建議。
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?背 景
近些年來，重大自然災害、工業事故、恐怖襲擊等突發事件給政府及人民帶來了巨大的經濟損失和人員傷亡。應急通信網絡通過預防與預警、應急響應、后期處置等工作，在自然災害、事故災難、公共衛生、社會安全等突發事件情況下實現通信保障，確保重要通信安全暢通。但當前普遍采用的應急通信系統較為獨立封閉，并存在與地面移動通信系統不互通、應急場景下終端操作不便、受衛星資源限制無法覆蓋或不穩定、時延高等問題。
隨著我國5G基礎設施的逐步完善，5G基礎網絡能力快速提升，5G專網可根據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項以上關鍵網絡差異化能力。5G專網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量和用戶體驗。
同時，由于衛星通信技術的發展，特別是低軌衛星通信技術的發展，衛星通信在速率和時延上已經可以滿足大多數5G業務場景的需求。衛星通信網絡與5G地面通信網絡在技術上已具備融合的基本條件，逐步向不同軌道多衛星系統融合、通信遙感導航衛星融合、地面與衛星系統協同融合等趨勢發展。通過構建架構、功能、接口、流程一體化的天地一體5G網絡，能夠實現覆蓋融合、系統融合、網絡融合和業務融合，在提高網絡資源利用率的同時，為用戶提供全球全域無縫連接、業務連續性和通信服務保障，使通信業務和應用能豐富多樣，具有重要的經濟和社會效益。
本文首先結合應急場景當前的需求和痛點，對5G專網、衛星通信以及星地融合的發展趨勢進行了概述，其次介紹了應急業務領域應用的現狀和5G專網在該領域應用的方案及模式，并著重介紹了方案中實現5G專網與多衛星系統協同的關鍵技術點和功能實體，最后結合研究內容進行了總結和展望。
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5G專網在應急業務領域的應用
2.1? 現有應急通信方式分析
應急通信專業機構主要職責一般為：戰時為中央和各級黨政軍機構“指揮系統”提供應急通信保障；平時為搶險救災、各種突發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。應急指揮車到達現場后，通過通信系統將圖像和聲音傳送到數十公里或數百公里外的應急中心，可實現音視頻采集與傳輸、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到指揮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，實現重大事件和突發事件的現場疏導和決策處理。
傳統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，完成語音及數據信息的交互；微波通信由無線電對講機技術發展而來，采用短波或超短波的方式實現調度、組呼以及快速呼叫的功能；衛星通信是在空間技術和地面磁波通信的技術基礎上，利用人造地球衛星做中繼站用以轉發無線電波，以實現2個或2個以上個體或單位之間通信的通信手段。3種通信方式的優點和不足如表1所示。
表1? 3種通信方式的優點和不足
現有的車載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完成語音及數據信息的交互，存在一定局限性。例如，部分災區環境惡劣，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重點區域，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，因為移動網絡技術發展催生的各種多媒體業務形態以及應急場景本身的環境局限等原因，車載4G通信已經不能滿足當前應急通信的需求。
2.2? ?5G專網與多衛星系統協同應急業務方案
結合當前5G網絡及衛星通信的發展趨勢，本文提出5G專網與多衛星系統協同的應急業務方案，充分發揮高通量衛星及低軌衛星的傳輸優勢，將運營商語音及數據訪問等5G業務無差異化地延伸至遠洋海域、地面災害等應急場景，保障在災害地區應急時穩定便捷的通信。在保障業務穩定性和功能性的前提下，充分利用不同軌道衛星特性，與5G專網資源整合，利用“5G泛在接入+衛星通道”達到1+1>2的業務體驗。
方案以5G專網基礎能力為底座，結合多衛星系統協同接入的解決方案，解決帶寬受限問題，將多鏈路帶寬捆綁，增加優化帶寬及服務時長。同時結合應急機動場景下的業務需求，提供包括但不限于如下的基礎及增強功能。
a） 應急專網內部人員間的3G/4G/5G語音通話、短信及數據訪問功能。
b） 應急專網與外部移動通信網絡間的3G/4G/5G語音通話、短信及數據訪問功能。
c） 應急網絡資源編排和分配優化，實現業務路由的智能選擇。
d） 互聯網應用在應急場景的操作優化，解決大網損壞時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應急專網實現解耦和簡化，滿足快速與大網互通和隨機隨時接入需求。
g） 5G消息、短信與應急通信系統的緊密聯動及高效精準投送方案。
h） 其它運營商增值業務，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專網與多衛星系統協同組網方案與實現
3.1? 系統架構
5G專網與多衛星系統協同應急業務方案的系統基礎架構如圖1所示，按照所屬網絡及功能可大致分為5G應急專網、多衛星系統網絡、融合接入及控制3個部分。其中5G應急專網、多衛星系統網絡為對應體系下的標準網元及設備組成，不需要定制；融合接入及控制為匹配該專網業務方案的定制化功能設備簇。
圖1? 5G專網與多衛星系統協同應急業務方案系統架構
3.2? 系統功能與實現
對系統架構的5G應急專網、多衛星系統網絡、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
作為本系統方案業務功能的主要實現部分，5G應急專網可部署在應急機動車、大型無人機、移動飛艇等業務接入側，根據部署環境和業務需求，靈活調整專網部署模式和對應網元實體及功能。
在虛擬專網模式下，基于運營商5G核心網提供的DNN、QoS優先級配置和切片等特性滿足用戶對應急專網隔離性和性能方面的需求；在混合專網模式下，負責數據轉發的UPF網元下沉，滿足數據不出場和業務隔離等需求；在獨立專網模式下，部分5GC網元下沉（如AMF、SMF等），UDM不下沉，基礎語音業務仍使用大網的IMS實現業務功能。
3.2.2? 多衛星系統網絡
衛星通信在星地融合的網絡架構中，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）提供接入。本應用方案為基站傳輸通道的衛星系統融合架構，采用“衛星+基站”的方式，用戶通過符合蜂窩移動通信網絡標準的終端直接接入基站，基站再通過衛星傳輸至核心網，衛星通信作為傳輸網絡的一部分拓展基站的覆蓋。
一套完整的衛星傳輸網絡系統包含衛星用戶站、星上衛星系統、衛星信關站3個部分。本方案可同時將多個不同的衛星系統網絡作為業務傳輸鏈路，連接5G應急專網和運營商5G核心大網。單一的業務數據源可通過反向復用多個衛星系統信道用于傳輸，然后在接收端重新聚合，實現多種接入協議的融合及轉換，使傳輸數據具備不同維度策略的分流/并流傳輸能力，提高應急專網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，分別為協同接入配置模塊和5G應急業務控制系統。
協同接入配置模塊部署在衛星傳輸網絡的兩側，分別同5G應急專網及運營商5G核心網互通，單一的數據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，實現多種接入協議融合及轉換，使傳輸數據具備不同維度策略的分流/并流傳輸能力。
5G應急業務控制系統部署在靠近運營商核心網大網一側，并與其對接，實現5G應急專網業務的精準控制編排、權限管理、第三方能力接入及開放等。
3.3? 協同組網關鍵技術
作為多個系統的衛星通信網絡與5G地面通信網絡在技術及業務方面融合的可行性落地應用方案，協同組網的關鍵功能實體——協同接入配置模塊是關鍵技術的實現網元。協同接入配置模塊能夠實現低軌衛星和中高軌衛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? 網絡部署位置
協同接入配置模塊在網絡中的部署位置包含以下2個位置。
a） 接入側：位于5G基站和各種不同衛星網絡用戶站之間。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星鏈路進行傳輸，下行方向，接收不同的衛星鏈路流量并匯聚傳輸到5G基站。
b） 網絡側：位于各種不同衛星網絡信關站和5G核心網之間。上行方向，將不同衛星的信關站數據匯聚并傳輸到外部核心網，下行方向，將核心網下發的流量根據不同的策略路由到不同的信關站進行傳輸。
協同接入配置模塊處理的流量包括5G N1、N2、N3、N9以及SNMP的網絡管理流量。
3.3.2? 自適應分流/聚合功能
協同接入配置模塊可按配置的時間間隔動態監控每個連接鏈路的帶寬，并根據每個連接的可利用率來分配傳輸對應數量的數據包，然后數據包將在接收終端經過糾錯后重新合并還原到原始數據。
3.3.3? 應用層流量檢測和識別功能
當TCP或UDP數據流通過協同接入配置模塊時，系統會讀取IP數據包內承載的ISO應用層數據并進行重組，從而得到整個應用層數據流的內容，然后按照系統定義的管理策略對流量進行管理、監控操作。
3.3.4? 可配置策略的分流功能
模塊可以根據不同的策略模板，手動或遠程配置不同的分流策略，便于根據不同成本的鏈路流量消耗或者不同的衛星傳輸特性，有針對性地設置和調節。例如，有些用戶希望優先使用4G網絡，其次選擇使用衛星提供的網線鏈路（成本因素）；或者優先采用高軌衛星傳輸信令面數據（穩定）及低軌衛星傳輸用戶面數據（高效），其次選擇使用高軌衛星傳輸用戶面數據，策略場景舉例如下。
場景1：協同接入配置模塊能夠根據配置的策略，選擇將信令面流量通過高軌衛星用戶站傳輸，將用戶面流量通過低軌衛星用戶站傳輸。
場景2：協同接入配置模塊能夠根據配置的策略，選擇將信令面和用戶面流量都通過低軌衛星傳輸。
場景3：協同接入配置模塊能夠根據配置的策略，選擇將流量按照一定比例分別通過低軌衛星+高軌衛星進行傳輸。
3.3.5? 傳輸鏈路檢測功能
模塊能夠根據不同的策略快速檢測當前配置的衛星鏈路狀態，并能實時維護各條鏈路狀態。當某條衛星鏈路檢測故障時，模塊能自動將該鏈路置為故障狀態，后續當該鏈路恢復后，模塊能夠根據策略或者實時檢測，自動將鏈路從故障狀態切換到可用狀態。
3.3.6? 自動切換鏈路功能
當目前正在傳輸中的鏈路出現故障時，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星鏈路進行傳輸，當檢查到高軌衛星鏈路出現故障時，模塊能夠按照策略自動選擇其他可用的高軌衛星鏈路或者低軌衛星鏈路進行傳輸。
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總結及展望
“5G專網+衛星”星地融合網絡將衛星通信網與地面通信網各自的優勢相結合，使通信網絡邊界拓展到無人區、海洋、天空，可實現通信網絡在任意時間、任意空間的全覆蓋，真正實現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星資源，同時協同中高軌衛星資源，通過基于地面運營商5G通信網絡業務選路的優化控制，實現高中低軌衛星與5G網絡協同可靠的“星網云端”的融合應急通信業務。隨著5G網絡演進及低軌衛星的全面覆蓋，該業務可隨著方案部署地區低軌星座的服務情況不斷優化，充分發揮低軌衛星低時延和高軌高通量衛星廣覆蓋的資源優勢，提供高質量可靠的5G星地融合服務，為運營商優化網絡和業務創新以及探索6G天地一體化提供參考。
作者簡介
胡 悅，畢業于西安電子科技大學，工程師，碩士，主要從事核心網技術及星地網絡融合、5G消息相關領域的研究工作。
高功應，畢業于華中科技大學，高級工程師，碩士，主要從事核心網規劃、方案、新技術、數字化運營等研究工作。
朱 斌，畢業于北京郵電大學，高級工程師，碩士，主要從事5G網絡及能力開放研究、天地一體化新技術跟蹤及創新業務產品研究工作。
時鵬，畢業于西安電子科技大學，工程師，碩士，主要從事無線通信、衛星通信相關咨詢、設計工作。
編輯：黃飛
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工商網監
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