2020年，北斗三号系统完成全球组网，向用户提供定位导航、授时、国际搜救和短报文通信服务。北斗全球定位精度优于9 m，垂直定位精度优于10 m，授时精度优于20 ns，通过北斗定位地基增强系统，实时定位精度可达厘米级。北斗与5G技术深度融合，催生了“北斗+5G”时空信息新业态，为我国的数字化转型及智慧城市建设提供了精准的时空底座。北斗在电信领域的应用主要体现在三方面：一是北斗+5G构建泛在高精度定位；二是北斗授时保障通信网时间同步；三是北斗短报文为应急通信服务提供重要保障。
1 北斗在电信领域中的应用场景研究1.1 北斗+5G构建泛在高精度定位服务电信运营商在2G时期就提供手机定位服务，但是基于通信基站的定位精度较低，精度只有数十米到数百米。随着通信技术的演进，移动通信的定位精度也逐步提升，3GPP在R17中将5G定位的目标精度设置为优于1 m，但目前5G定位还未能大范围商用。随着自动驾驶、工业互联网等业务场景对高精度定位需求越来越多，传统的移动通信定位技术难以满足用户需求。北斗定位是普适的高精度定位技术，通过后差分定位精度可达毫米级，但在卫星信号遮挡区北斗定位存在短板，5G亚米级的高精度定位可以弥补北斗定位的不足。北斗+5G融合定位可以构建室内外一体化高精度服务，可满足用户在不同场景下对高精度定位的需求，如图3所示，在室外开阔区域，终端1以北斗定位为主，5G定位为辅；在室外卫星信号被遮挡区域，终端2采用北斗+5G融合定位的策略，也可使用5G独立定位；在室内，终端3采用5G定位或5G与伪卫星、超宽带等技术融合定位。北斗+5G构建室内外高精度定位服务，提升了电信运营商的定位服务能力，便于运营商开展基于高精度定位服务的各项业务。1.2 北斗授时提升同步网安全同步网是电信网的重要基础支撑网之一，为电信网内所有电信设备提供同步控制信号，使电信设备工作在共同的时间基准上。5G高精度时间同步需求主要体现在基本业务、协同增强及部分新业务上，基本业务时间同步要求为3μs，协同业务时间同步要求为100ns量级，5G支撑的新业务提出了更高要求的时间同步精度，例如5G高精度定位业务要求基站间的时间同步精度达到10 ns量级，甚至更高。全球定位系统(Global Positioning System, GPS)授时是通信网重要的时间源，但GPS授时存在一定的安全隐患，影响国家通信网安全和网络通信能力。北斗授时精度满足通信网的时间同步要求，且安全可控，目前已广泛应用到我国通信同步网中。当前在通信同步网中引入北斗授时有2种方式：一是基站通过天面北斗卫星获取北斗授时；二是基于IEEE 1588v2协议，通过地面传输网传递北斗地面时间源。如图4所示，图中3个站点都可以通过IEEE 1588v2协议传递北斗时间，站点3还可以直接获取北斗授时。仅依靠天基北斗卫星授时存在一定风险，北斗+IEEE 1588v2时间同步方案可以构建天地互备的授时方式，提升时间同步网的安全性和稳定性。1.3 北斗短报文保障应急通信服务我国地面通信网络虽然很成熟，但在沙漠、草原及海洋等地区没有覆盖地面通信服务。北斗短报文是北斗系统的特色服务，可为中国及周边地区用户提供数据传输服务，该服务具备传输文字、图片、语音等多种能力，最大单次报文可达14000 bit。北斗短报文通信作为一种天基通信方式，在一些地面通信服务无法保证的区域，北斗短报文可以做到稳定持续地传输数据。将北斗短报文与移动通信融合，可有效补充地面通信网络覆盖范围的短板，构建5G+北斗星地一体化综合通信体系，以满足在无地面网络覆盖地区应急通信和数据传输等需求。目前北斗三号短报文服务已与地面移动通信网络打通，可用于大众短信息通信服务。其通信服务链路如图5所示,使用配有北斗短报文功能的终端，直接向北斗地球静止轨道卫星(Geostationary Earth Orbits，GEO)发送信息，北斗GEO卫星收到消息后，将信息发给地面短报文通信平台，然后再接入地面通信网络完成通信服务。2 北斗在电信领域应用的挑战和问题随着北斗技术的不断发展，北斗定位、授时及短报文服务广泛地应用于电信领域，保障了我国通信服务的安全稳定，同时也促进了电信行业的产品创新，但北斗在电信领域应用还面临一些挑战和问题。1）信号覆盖及稳定性：卫星信号经过长距离传到地面后信号较弱，且易受干扰，特别是在高山、隧道及城市峡谷等地形复杂或遮挡区域，北斗系统的信号会受到影响，导致服务不稳定或无法提供，这对高精度定位、通信网的时间同步及应急通信服务的应用带来了挑战。2）地基系统建设成本：北斗高精度定位和授时服务有赖于地基增强系统，建设北斗地基增强系统和相关的配套改造，需要大量资金投入。此外，当前我国北斗CORS站建设已趋于饱和，如何将CORS站与通信网进行深度融合，提升北斗CORS站的利用效率也是面临的问题。3）5G网络定位技术：虽然北斗+5G融合定位可以构建泛在高精度定位服务，但目前5G定位还处于测试验证和试点应用阶段，大规模商用还需要解决5G时间同步和网络改造成本等问题，例如5G上行到达时间差定位方法，需要通信基站间的时间同步精度小于3 ns，定位精度才能破亚米级。4）短报文通信承载能力：北斗短报文作为北斗系统的特色服务，对于高并发、高随机性的通信业务承载能力还有待完善，目前适用于小容量、低并发的应急通信场景，对数据密集型通信和低时延传输应用还难以满足。此外，目前支持北斗短报文服务的大众类手机终端较少，这也阻碍了北斗短报文公众服务的市场化应用。3 未来发展思考针对北斗系统存在的问题，杨元喜院士提出了弹性PNT战略，后来一些学者在PNT基础上增加了通信，构成了PNTC的理论。在国家综合PNT体系里地面通信基站是地基PNT基础设施的重要组成部分，地面通信基站可作为我国PNT服务的重要补充。北斗与地面通信网络深度融合，构建高精度泛在定位服务、天地互备的授时体系及星地一体化通信服务，推进国家PNTC能力建设。北斗定位与5G定位相辅相成，构建室内外无缝高精度定位服务。北斗定位可以提升运营商的定位服务能力，5G定位也可以弥补北斗在信号遮挡区域的定位短板。北斗要实现快速高精度定位需要通信网络的支持，基于通信网络的辅助北斗定位，实现了北斗快速定位；基于通信网络的实时动态载波相位差分定位技术，实现了厘米级高精度定位。此外，基于5G基站建设北斗CORS站，可以节约建设成本，并借助运营商的运维能力，将北斗CORS站的运维水平提升至电信级别。国家正在建设地基授时系统，并基于通信光纤网络传递时间信号，时间同步精度优于100 ps[24]，通信运营商借助国家地基授时系统在通信网络中引入北斗地基授时作为基准时间参考，不仅能提升5G网络时间同步精度，还可以实现天地互备的时间同步方式。建议运营商网络可以作为全国北斗地基授时网络的补充，将骨干地基授时网络延伸至本地网。北斗在电信领域的应用落地，不但延伸了信息技术产业链，还提升了电信运营商的产品创新能力和市场竞争力。随着数字经济的不断发展，北斗+5G将成为未来数字中国发展的重要基础设施，这也对北斗在电信行业的创新研究和应用提出了更高的要求，未来北斗与通信网络的深度融合，还需在以下领域进行更深入的研究。1)完善通导融合标准。需要继续推进制定北斗在国际电信领域的标准规范，为北斗的国际化推广应用奠定基础。加强制定北斗授时和短报文在电信行业的标准规范，促进北斗的规模化应用，引导北斗与电信产业协同发展。2)加数据安全研究。在北斗+5G的融合应用过程中，大量时空信息被传输和处理，部分数据涉及国家安全和个体隐私，如何保障数据安全成为需要解决的问题。3)北斗+5G融合定位研究。加强北斗+5G深度融合定位研究，研究在信号层面的融合定位，例如卫星信号遮挡时，5G定位信号作为补充，与北斗信号实现联合定位。此外，还需要解决5G定位技术的瓶颈，加速5G定位的大规模商用。4)北斗授时与时间同步研究。研究针对5G超低时延场景，利用光纤授时与波分系统混传技术,实现全国的北斗地基授时信号端到端高精度传送。此外，还需要研究在北斗授时主用时，北斗信号异常情况下，如何切换成其它卫星信号的策略。5)星天地一体化的PNTC通导融合研究。随着卫星互联网的发展，需要研究基于北斗、低轨通信卫星和地面通信网络，建设天地互备的定位授时能力及星地一体化通信服务能力。 本文节选自：金耀,张贺,等. 北斗在电信领域应用的发展思考[J].信息通信技术,2023,17(05).
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