卫星互联网发展亮点分析及启示.pdf

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，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）激光侦察卫星（监管层）一激光一侦察卫星（监管层）敌导弹传输层卫星一激光一预警卫星（跟踪层）一激光一传输层卫星一激光一侦察（监管层）传输层卫星侦察（监管层）LINK16卫星链联合战术多功能战术信息分发系统信息分发系统图5 太空体系架构传输层功能示意四是面向6 G的天地深度融合技术发展，形首先需开展天地3 GPP的5 G-NTN研究分析，成手机直连卫星能力。研究支持手机直连卫使得基于地面移动波形的框架经过对卫星的适星相关技术，首先需突破巨型星载天线技术，应性再设计以支持天地模式融合；其次需对地这是手机直连卫星场景下保持地面移动水平的面5 G空口协议进行针对低轨星座的相关改进展核心关键；其次需考虑天地一体融合手机芯片开分析，由于地面5 G系统与低轨卫星系统波束研制和兼容系统开发；最后需规划天地共用频覆盖能力不同、终端与基站移动关系定位不同、率支持及频率资源统一管控，允许卫星运营商移动性管理方式不同、空口传输时延不同，因使用地面移动通信频谱。天地深度融合的空此在终端接人流程、寻呼流程、切换流程等方口设计技术是实现手机直连卫星的技术途径，IBS战术信息广播服务系统情报通信系统面具有显著区别，如图6 所示。发现敌导弹发现敌导弹位宿区业务波束信令波束业务波束(a)地面5 G与卫星5 G波束对比位置区2置区3位雷区3位置区(b)地面5 G与卫星5 G位置区管理方式对比卫星移动轨迹-位置区4星移动轨迹金UE移动轨迹UE移动轨迹星历计算结合测量（c）地面5 G与卫星5 G波束切换和重选处理对比图6 地面5 G空口场景与低轨星座差异性对比221卫星应用1 2 0 2 3 年第8 期专题综述Reviews五是进行卫星网络智能化技术研究，提高卫星星座在轨信息处理能力。在卫星网络智能化技术方面，国外多所高校和实验室已经取得一定的体系性研究进展，但未达到体系应用水平；哈里斯(Harris）卫迅（Viasat）、休斯（Hughes）等多家公司已开展跨卫星网系终端智能自动切换方面的研究；多种智能算法用于系统运维管控中，但整体智能管控水平较为低级；遥感类在轨智能处理技术应用最为成熟；在轨高性能处理软硬件平台已受到广泛关注。六是我国卫星互联网（全球首个多功能星间互联低轨卫星互联网）建设加速推进，形成中继、宽带通信、窄带通信融合星座。卫星互联网是重大战略性基础设施，是保障国家安全的战略性工程，我国实施多项举措推动卫星互联网发展和应用。2 0 2 0年4月，国家发改委首次明确将“5 G、物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的通信基础设施”纳人新基建。低轨卫星互联网是功能最复杂、难度最大的系统，为减少对全球布站的依赖，同时考虑初期用户量少，因此采用少量卫星，星间全互联是一种比较合适的解决思路。四、对我国低轨卫星互联网发展的启示和发展建议研究星链、一网等在建低轨卫星互联网的发展，结合在宽带卫星通信方面的工作，从构建我国低轨卫星互联网的角度出发，启示如下。1)低轨宽带星座资源全球高效利用十分关键。低轨宽带星座造价高，卫星全球分布，必须有全球范围的应用，才能获得系统建设成本和应用效益的匹配。2）宽带卫星系统的应用深度广度拓展十分必要。随着低轨宽带星座和高通量卫星的发展，全球进人宽带资源“过剩时期”，如果宽带卫星系统依然围绕原有市场，不仅造成资源浪费，而且对行业发展十分不利。3）低轨中继传输星座的军事意义需要高度关注。低轨中继传输星座直接在太空实现传感器与射手关联，其应用模式与面向人的通信有很大差别。面向人的通信网络系统需要海量用户随遇接入，而低轨传输星座面向战术级，十分强调安全性和时效性。4）良好行业文化和产业生态是持续发展的基础。产业链上下游是一个整体，如果上游一味挤压下游生存空间，短期效益显著，但发展不可持续。5）解决从“产品”到“精品”比解决有无更需要重视。我们可以解决低轨卫星互联网系统有无问题，产品有无问题，如何解决从产品到精品的问题，需要更多的关注和投人。基于以上发展启示，结合我国目前低轨卫星互联网的发展思路，建议如下。1）民、商卫星互联网发展路线研究。需要不断深人学习全球卫星互联网发展经验和新思路，结合国情，加强研讨和调研，吸收各种不同意见，选择适合的路线，并不断根据形势和需求进行调整。2）加强国内外系统和产业链成本价格体系研究。需做到对技术和产业基础、成本、服务与模式等体系性全面了解，需要系统性地进行国内外对比，需要根据国情，向有利于产业发展、规模应用的方向推动。3）需要加快卫星互联网体系性智能技术研究，推动6 G智能全面发展。网络的智能化往往由于缺乏数据，难以采用仅基于数据的算法实现，因此需研究数据和知识双驱动的方法，同时需要提前考虑卫星载荷、地面站、地面终端需要的智能算力平台。另外，卫星互联网涉及物理层、链路层、网络层等多层架构，需要开展体系模型设计和各层中不同应用场景的研究。4）需要加快天地融合云网一体技术研究，支持6 G通感一体发展。随着地面云网系统的构建，作为天地一体信息网络重要的天基平面，更需要平行开展天基云网构建方法和技术积累，以实现在轨智能、在轨服务。2023年第8 期卫星应用1 2 3专题综述IReviews5）需要围绕应用拓展，推动地面设备精品化。地面设备研制单位承担着地面应用拓展的重要职责，应该在应用的不断推广中逐步发现8电科小氙.美国太空发展局发布国防太空架构“传输层不足和新需求，不断创新完善，实现由产品到1期”建议征询书 EB/OLhttps:/ 颗低轨通信试验卫星 EB/OLJ.https:/ GNTN关键技术研究与演进展望 J.电信科学,2 0 2 2,3 8（3）：1 0-2 1.11陈山枝.关于低轨卫星通信的分析及我国的发展建议参考文献J.电信科学,2 0 2 0,3 6（6):1-1 3.12Sun W,Zhang w,Ma N.et al.A Mluti-BranchDQN-Based Transponder Resource Allocation1孙晨华，章劲松，赵伟松，等.高低轨宽带卫星通信Approach for Satellite CommunicationsJ.系统特点对比分析 J.无线电通信技术，2 0 2 0,46Electronics,2023.(5):505-510.13Carlos Placido.NSR White Paper:Capabilities2孙晨华，庞策.低轨卫星互联网体系和技术体制研究发and Limitations of NonGEO ConstellationsR/OL.展路线思考 J.无线电通信技术，2 0 2 1,47（5）：5 2 1-5 2 7.2022-01-06.https:/ M.uploads/2022/01/NSR-White-Paper-Capabilities-北京：人民邮电出版社，2 0 2 2.and-Limitations-of-Non-GEO-Constellations.14o Kodheli,A Guidotti,A Vanellicoralli.4肖永伟，孙晨华，赵伟松.低轨通信星座发展的思考 J.国际太空,2 0 1 8(1 1):2 4-3 2.5孙文宇，张伟嘉，王立民.基于深度不确定性估计网络的低轨卫星互联网故障预测算法模型 J.天地一体化信息网络，2 0 2 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