卫星互联网发展亮点分析及启示.pdf
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1、专德标达views卫星互联网发展亮点分析及启示文孙晨华卢山赵海峰中国电科网络通信研究院一、引言近年来“卫星互联网”成为国内卫星通信领域频度最高的词汇,很多场合成为了传统“卫星通信”的代名词,从某种程度上也大大拓展了传统“卫星通信”概念的内涵和外延。卫星互联网是基于卫星通信的互联网,通过发射一定数量的卫星形成规模组网从而辐射全球,构建具备实时信息处理的大卫星系统,是一种能够完成向地面和空中终端提供宽带互联网接人等通信服务的新型网络。近几年全球快速发展的低轨宽带星座系统,使卫星互联网呈现出从未有过的发展速度和发展势头,随着以星链(St a r lin k)和一网(OneWeb)为代表的低轨宽带星座
2、逐步建成,地球表面将被罩在由多层卫星构成的“网兜”里,使得通常通过地面网访问互联网服务的用户,也可以通过星间网络获得高速率互联网服务,这种在全球任何时间、任何地点无感自由使用天地融合网络的梦想,是推动卫星互联网发展的重要因素。卫星互联网的建设不仅加速推进传统卫星通信领域创新发展,也对我们高度依赖的地面固定互联网和移动互联网技术、市场和产业带来变革,而且天地融合发展对6 G能力形成也是重要的支撑。本文首先对卫星互联网相关概念进行拓展分析,其次提出卫星互联网的发展亮点并结合目前全球建设的典型系统展开对标分析,最后引出对卫星互联网发展的思考并提出后续建设发展建议。二、卫星互联网相关概念分析1.典型概
3、念随着电子信息技术、网络技术和航天技术的发展,卫星通信网相关的技术、系统、应用也得到极2023年第8 期卫星应用1 1 9专题综述TReviews大促进,随之出现了以“卫星互联网”为代表的诸多新概念。可以说,每一个传统概念到新概念的拓展,都基于新技术或新应用的推动。图1 为卫星互联网相关典型概念拓展示意图。卫星通信卫星通信与卫星互联网宽带星座与窄带星座卫星到连卫星手机直通信的网络,新兴的卫星互联网是利用卫星通信网络为用户提供互联网信息服务的网络,是卫星通信网与互联网融合的信息服务系统。卫星通信网可分为高轨卫星通信网、中轨卫星通信网、低轨卫星通信网,对应的有高轨卫星互联网、中轨卫星互联网、低轨卫
4、星互联网。卫星互联网可实现全球、全域、全天候互联网服务,地面固定互联网依托有线网实现固定办公、家庭娱乐以及工商业应用服务;移动互联网依托移动通信网实现个人移动通信和互联网访问服务。卫星互联网与地面互联网关系如图2 所示。到天涯海角高(中)轨卫星互联网高(中)轨卫星通信网络低轨卫星通信网络(低轨星座系统)卫星互联网低轨卫星互联网高轨卫星通信高轨卫星互联网低轨卫星通信低轨卫星互联网(低轨通信星座)手机直连卫星星座低轨窄带星座低轨移动互联网星座低轨低密度通信星座低轨宽带星座低轨中密度通信星座低轨高密度通信星座卫星手机直连卫星基站卫星基站手机(地面移动)(卫星直连)手机图1 卫星互联网相关典型概念拓展
5、示意图2.卫星互联网演进相关概念(1)卫星通信到卫星互联网传统的卫星通信网是基于卫星转发实现地表用户到个人2G/3G/4G/5G地面移动通信网地面移动互联网互联网应用服务信息系统卫星互联网图2 卫星互联网与地面互联网示意图(2)低轨宽带通信星座低轨宽带通信星座是指Ku或者Ka等频段低轨星座。一方面频段高(1 0 GHz以上)、波束窄(几度以内)、无缝覆盖难度大,需要足够多卫星提升覆盖能力和用户容量;另一方面,高频段天线波束窄(每波束5 0 1 0 0 km),多颗卫星覆盖同一终端时,可利用窄波束特点规避干扰,从而可通过增加卫星数量增强覆盖和容量。目前,巨型高密度星座指轨道1 0 层以上,规模万
6、颗量级;中型中密度星座指轨道1 层以上,规模千颗量级;小型低密度星座指轨道1 层以上,规模百颗量级。(3)传统高轨卫星互联网和新兴低轨宽带卫星互联网20世纪传统高轨卫星通信系统只支持互联网应用,其互联网模式通常采用星状网或星状网状混合架构(DVB-RCS或者MF-TDMA系统),支持远端用户群经过用户站、中心站到互联网的访问,如图3 所示。新兴的低轨宽带卫星互联网基于低轨宽带通信星座开展建设,系统建设成本高,需要多地面关口站互联或者星间互联,工作模式如图4所示,但因卫星轨道低,信号空间衰减小,同等条件下可提供更高的用户站接入速率和单用户站支持的上网用户数,同时对高纬度地区具有更好的覆盖能力,因
7、此成为近几年全球发展热点。固定互联网到家庭201卫星应用1 2 0 2 3 年第8 期专题综述Reviews低轨卫星高轨卫星(透明转发)(透明转发)低轨卫星(透明转发)用户站用户站用户站中心站上网Internet上网上网用户用户用户图3 传统高轨卫星互联网模式示意低轨卫星(透明转发)低轨卫星(透明转发)关口站用户站关口站Internet接入点信息服务系统关口站上网上网上网用户用户用户Internet接入点图4新兴低轨卫星互联网模式示意Internet信息服务系统(4)手机直连卫星传统的通信卫星因为距离地面远,到达地面功率弱,均不支持与通常使用的地面移动通信手机直连。近年来,随着地面天线技术和芯
8、片技术的发展,在地面移动通信手机中可以嵌人相关卫星通信模块,支持直接与卫星通信。为了达到手机直连卫星与手机地面移动相同的能力,卫星需要超大型天线,通过更大的辐射功率和接收增益提供相比地面移动速率不降低、用户体验不下降的手机直连卫星服务。目前市场上的苹果和华为Mate50具有直接使用卫星的模式,但能力非常弱,只能提供短信等服务,而后续随着卫星向大天线发展,使得地面移动手机同时支持直连卫星,用户可获得更高质量的卫星互联网服务体验。三、卫星互联网发展亮点概要及分析近期卫星互联网的发展可总结为如下6 个亮点。一是全球首个中密度星间无链路Ku频段低轨宽带互联网建成,并规划了后续中轨互联网建设。2023年
9、3 月2 6 日,OneWeb部署完成其低轨空间段6 1 8 颗卫星的星座。OneWeb是世界上第一个全球连续覆盖、卫星超低成本、地面全球布站的Ku频段宽带互联网星座。OneWeb还谋划了中、高轨扩展思路,规划的中轨星座获得美国联邦通信委员会(FCC)批准,为未来实现高、中、低一体化运营奠定基础。二是全球首个高密度互联网实现百万级以上用户服务,且不断派生子星座。星链是全球唯一快速建设中的高密度互联网星座,截至2 0 2 3 年5 月已成功发射446 9颗卫星,全球布站超1 5 0 个,用户数超1 5 0 万个,星座已形成全球服务能力。目前星链发展的四个子星座分别为:星链小卫星星座(低安全等级,
10、高频段用户);大卫星子星座(星上承载高性能处理);L频段子星座(手机直连星座);星盾子星座(高安全等级,高频段用户)。三是全球首个直连跟踪层和感知层的传输星座试验取得进展,形成中继和通信融合星座。美国太空发展局(SDA)提出的太空体系架构包含了全球首个直连跟踪层星座、感知层星座的中继传输低轨星座。2 0 2 3 年4月,SpaceX公司为美国太空发展局发射了2 颗跟踪层卫星和8 颗传输层中继传输层卫星,轨道高度为1 0 0 0 km,主要用于军事目的。功能示意如图5 所示。2023年第8 期卫星应用1 2 1专题综述Reviews预警卫星(跟踪层)一激光一跟踪、定位预警卫星(跟踪层)激光侦察卫
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