相比地面移動網(wǎng)絡，衛(wèi)星通信以其覆蓋范圍廣、應急保障能力強、不受地理條件限制等突出優(yōu)勢，成為當前彌補邊遠地區(qū)通信網(wǎng)絡覆蓋不足的重要手段。近年來，O3b、OneWeb以及Starlink等中低軌衛(wèi)星星座方案的提出，促進了衛(wèi)星通信服務與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務相融合，為衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)注入新的活力。

　　為更好地適應未來社會對全球隨遇接入和廣域萬物智聯(lián)的要求，以及保障用戶對服務的連續(xù)性和一致性體驗，相關(guān)行業(yè)積極推進地面移動通信網(wǎng)絡和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的融合。如何利用5G產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)取得的成果，融合衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡場景，為世界各地用戶隨時、隨地、無縫漫游提供泛在連接支持，成為當前行業(yè)關(guān)心的熱點話題。

　　網(wǎng)絡能力開放是電信網(wǎng)絡實現(xiàn)“網(wǎng)絡即服務”的關(guān)鍵，更是實現(xiàn)5G網(wǎng)絡與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡融合的重要路徑。本文針對5G網(wǎng)絡與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡融合架構(gòu)的一體化能力開放問題，論述了可行性架構(gòu)及典型信令流程。

　　基于5G與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡融合的能力開放方案研究能力開放是實現(xiàn)5G網(wǎng)絡內(nèi)外部信息共享、能力調(diào)用的重要方式，下面重點論述5G網(wǎng)絡與衛(wèi)星網(wǎng)絡融合下的應用場景和能力開放架構(gòu)。

　　能力開放分層架構(gòu)5G與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡融合的能力開放分層架構(gòu)，是指支持星地融合能力開放功能、服務和應用的系統(tǒng)架構(gòu)，需要充分考慮云原生、虛擬化和微服務等前沿理念，以實現(xiàn)網(wǎng)絡資源、功能服務和數(shù)據(jù)之間的有效組織和聯(lián)動，其總體框架如圖1所示，分為資源層、能力層與應用層。

　　資源層包括軟硬件資源和網(wǎng)絡資源，其中網(wǎng)絡資源包括衛(wèi)星網(wǎng)絡和5G網(wǎng)絡的通信設(shè)備資源、感知設(shè)備資源、一體化網(wǎng)絡設(shè)備資源；軟硬件資源包括計算存儲資源及相關(guān)軟件、硬件資源。能力開放平臺可調(diào)用資源層資源，封裝后形成不同的原子化能力。

　　能力層可提供數(shù)據(jù)處理功能、通信功能、感知功能，以及能力協(xié)同，具體包括通信數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)以及聯(lián)合數(shù)據(jù)處理功能，無線接入與通信質(zhì)量控制功能，目標定位（測距測速測角）、跟蹤、檢測和遙感成像功能。

　　應用層則基于能力層提供相應的服務與應用，包括位置服務、測位測距服務、檢測識別服務、遙感成像服務等。

　　能力開放網(wǎng)絡架構(gòu)當前，5G網(wǎng)絡為能力開放提供了網(wǎng)絡功能，已將其能力開放給第三方（如用戶或其他運營商）。在5G網(wǎng)絡架構(gòu)中，NEF（Network Exposure Function，網(wǎng)絡能力開放功能）網(wǎng)元是提供能力開放的功能性網(wǎng)元。星地融合網(wǎng)絡一致性能力開放網(wǎng)絡架構(gòu)如圖2所示，可以看到，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)橫向分為天基網(wǎng)絡、陸基網(wǎng)絡和用戶終端3個部分，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)縱向分為接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、第三方等3個部分。其中，接入網(wǎng)包括固定接入網(wǎng)、移動接入網(wǎng)、衛(wèi)星接入網(wǎng)，核心網(wǎng)包括陸基核心網(wǎng)、衛(wèi)星基核心網(wǎng)。接入網(wǎng)、核心網(wǎng)為同一運營商提供，第三方為業(yè)務調(diào)用方，可以是用戶或其他運營商。

　　基于陸基核心網(wǎng)的5G與衛(wèi)星通信融合方案是一致性能力開放的典型方案。在場景1的方案中，NEF網(wǎng)元位于陸基核心網(wǎng)絡中。NEF網(wǎng)元作為能力開放接口，通過衛(wèi)星基核心網(wǎng)向陸基核心網(wǎng)提供衛(wèi)星網(wǎng)絡的能力，陸基核心網(wǎng)向第三方提供陸基和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的能力。

　　在場景2的方案中，NEF網(wǎng)元位于衛(wèi)星基核心網(wǎng)中。NEF網(wǎng)元作為能力開放接口，通過陸基核心網(wǎng)向衛(wèi)星基核心網(wǎng)提供陸基網(wǎng)絡的能力，衛(wèi)星基核心網(wǎng)向第三方提供陸基和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的能力。

　　在場景3的方案中，NEF網(wǎng)元位于陸基核心網(wǎng)和衛(wèi)星基核心網(wǎng)中。NEF網(wǎng)元作為能力開放接口，通過陸基核心網(wǎng)向第三方提供陸基通信網(wǎng)絡的能力，通過衛(wèi)星基核心網(wǎng)絡向第三方提供衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的能力。

　　星地融合能力開放應用方案研究本部門將重點論述5G與衛(wèi)星融合通信網(wǎng)絡下的能力場景、能力開放架構(gòu)及典型應用方案，星地融合網(wǎng)絡能力開放主要有四大類型應用場景，即廣域?qū)拵Ы尤搿�廣域大規(guī)模連接、廣域時敏連接和廣域高精度定位。

　　廣域?qū)拵Ы尤胧侵笧檫呥h地區(qū)用戶、飛機、無人機、汽車等提供寬帶接入，縮小“數(shù)字鴻溝”；廣域大規(guī)模連接是指為農(nóng)作物監(jiān)控、珍稀動物無人區(qū)監(jiān)控、海上浮標信息收集、遠洋集裝箱信息收集、無人區(qū)探險等場景提供網(wǎng)絡連接；廣域時敏連接是指為遠程智能機器（人）等時延敏感場景提供網(wǎng)絡連接；廣域高精度定位是指為遠程智能交通提供精確導航，以及為遠程作業(yè)提供高精度定位。

　　在上述應用場景中，衛(wèi)星與地面通信網(wǎng)絡融合的能力應用主要包括應急救援保障、航空網(wǎng)絡服務、海洋信息服務三大場景。

　　應急救援保障

　　我國幅員遼闊、人口眾多，自然災害、社會安全突發(fā)事件、重大公共衛(wèi)生事件多發(fā)。當災害和事件突發(fā)時，現(xiàn)有的公網(wǎng)或者專網(wǎng)往往無法滿足現(xiàn)場應急通信需求。通過星地融合網(wǎng)，災害現(xiàn)場的救援人員可利用衛(wèi)星、固定基站、應急便攜基站等多種途徑建立災害現(xiàn)場與救援指揮中心、救援部隊之間的高速數(shù)據(jù)通道，滿足應急救援任務中的各種功能需求。例如，可以提供無人機AI視頻圖像回傳及分析、視化功能、失聯(lián)人員數(shù)據(jù)回傳及分析、災區(qū)人員遷移數(shù)據(jù)回傳及分析、無人機直播與回放等功能，實現(xiàn)救援中心與災害現(xiàn)場信息及時交互和無縫連接，便于實時掌握災區(qū)的人、地、物全貌及災情發(fā)展趨勢，達到對災害應急救援實時指揮、精確管理和科學決策的目的。

　　無人機AI視頻圖像回傳及分析：根據(jù)無人機拍攝的視頻/圖像，實現(xiàn)在災情發(fā)生時（如地震、洪澇、泥石流等），實時提供受災人員位置分布、房屋坍塌檢測與統(tǒng)計、道路坍塌損毀點檢測等數(shù)據(jù)的回傳和智能分析，并呈現(xiàn)在三維模型/GIS 地圖上，便于救援專業(yè)人員實施救助。

　　失聯(lián)人員數(shù)據(jù)回傳及分析：救援人員通過運營商建立的專項通道接口，獲取相關(guān)用戶通信數(shù)據(jù)，經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對災害發(fā)生區(qū)域疑似失聯(lián)人員的名單確定及失聯(lián)之前最后活動區(qū)域的定位，輔助應急救援隊伍快速決策并大大縮小救援范圍。

　　災區(qū)人員遷移數(shù)據(jù)回傳及分析：救援人員通過運營商建立的專項通道接口，獲取相關(guān)用戶通信數(shù)據(jù)，經(jīng)過事故分析區(qū)域圈選、圈選區(qū)域涉及用戶查找、遷移人員查找和遷移人員去向統(tǒng)計4個步驟，可完成遷移人員的名單確定及遷移前最后活動區(qū)域定位，輔助應急救援隊伍的快速決策。

　　無人機直播與回放：無人機直播與回放可以滿足無人機現(xiàn)場拍攝的多路視頻接入需求，支持無人機視頻實時直播與歷史視頻回放，支持在GIS地圖上展示前端無人機的實時飛行位置，并通過5G網(wǎng)絡能力開放等記錄與統(tǒng)計無人機飛行高度、飛行速度等信息。

　　航空網(wǎng)絡服務

　　航空公司提供的機艙無線網(wǎng)絡基本只能實現(xiàn)飛機內(nèi)的網(wǎng)絡連接，乘客可以通過自己的智能設(shè)備播放飛機上的音樂、視頻等文件，或者實現(xiàn)與機上乘客的視頻通話等，但是并不能與外網(wǎng)相連，無法使用微信、微博等應用。

　　通過接入星地融合網(wǎng)，航空公司可為機艙內(nèi)旅客提供與外網(wǎng)的連接，同時提供高速數(shù)據(jù)服務，滿足旅客在航行過程中的各類上網(wǎng)需求，實現(xiàn)旅客“空—地”上網(wǎng)感受的無差異體驗，提升航空公司的服務質(zhì)量。基于衛(wèi)星通信的方式，通過安裝在飛機機身頂部的天線連接衛(wèi)星，并向地面站傳輸信號，完成數(shù)據(jù)互聯(lián)，航空通信網(wǎng)絡組網(wǎng)方案如圖3所示，其優(yōu)勢是覆蓋范圍廣、可實現(xiàn)國際漫游。

　　飛機與地面建立高速數(shù)據(jù)通道后，可通過艙內(nèi)數(shù)據(jù)建模，幫助地面運行控制部門加強對客艙安全的監(jiān)測，降低恐怖襲擊的風險。

　　海洋信息服務

　　我國海域遼闊，在沿海區(qū)域存在大量以傳統(tǒng)漁業(yè)及現(xiàn)代海洋勘探業(yè)為主的經(jīng)濟圈。由于地面移動信號的覆蓋困難，海上“信息孤島”造成的通信、監(jiān)管、運作困難始終是難以解決的問題。

　　近年來國內(nèi)運營商結(jié)合衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)資源開展了相關(guān)業(yè)務探索和布局，運營商結(jié)合低軌衛(wèi)星資源，通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)把5G、物聯(lián)網(wǎng)延伸至海洋，充分發(fā)揮“人與人、人與物、物與物”的連接能力，不僅可以有效地解決海上通信難題，還可以衍生出更多的應用場景，如實時遠程監(jiān)測船只航行情況、收集船員身體狀況等。

　　不僅如此，后續(xù)還可以把星地融合網(wǎng)應用到郵輪、遠洋貨輪、鉆井平臺上，其發(fā)揮更大的作用。在沒有5G信號覆蓋的遠海區(qū)域，可在高速移動的遠洋漁政船上部署輕量船載用戶站、5G輕量基站及核心網(wǎng)，船載用戶站能夠準確指向并全程跟蹤以第一宇宙速度相對于地面高速飛行的低軌衛(wèi)星，向信關(guān)站發(fā)送入網(wǎng)請求，通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的天基寬帶通信鏈路成功實現(xiàn)視頻瀏覽、語音通信等系列常規(guī)網(wǎng)絡測試。船上的5G手機通過衛(wèi)星可以接入運營商的業(yè)務網(wǎng)，實現(xiàn)與其他4G/5G手機用戶的正常語音通話。

　　通過本文提出的基于5G與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡融合的能力開放方案，一方面可以連通衛(wèi)星通信網(wǎng)絡與地面5G網(wǎng)絡能力調(diào)用路徑，串聯(lián)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡與5G網(wǎng)絡，將5G網(wǎng)絡能力擴展至衛(wèi)星通信領(lǐng)域應用。另一方面，串聯(lián)衛(wèi)星管理系統(tǒng)與5G能力平臺，為衛(wèi)星管理系統(tǒng)信息用于5G能力決策、5G網(wǎng)絡能力應用于衛(wèi)星鏈路選擇提供技術(shù)參考。