5G 時(shí)代衛(wèi)星通信新發(fā)展

宋成勇，劉 松，李敬能，趙 均

（78156 部隊(duì)，成都 610500）

1 衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信是天基信息傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋、構(gòu)建天地一體信息網(wǎng)絡(luò)的重要手段。雖然衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)在這幾年也有較大的發(fā)展，但與地面通信的進(jìn)步速度比起來(lái)還是相對(duì)遲緩。目前，5G 在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展，5G 商業(yè)化運(yùn)行將在這兩年內(nèi)逐步展開，將在不久的未來(lái)成為人類重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施。在5G 部署周期內(nèi)，如果衛(wèi)星通信不能取得大幅度突破，那么會(huì)在全球范圍內(nèi)進(jìn)一步邊緣化，淪落到“吃地面網(wǎng)的剩飯”。5G 時(shí)代的來(lái)臨，將給衛(wèi)星通信帶來(lái)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，衛(wèi)星通信要融入到5G 發(fā)展的大戰(zhàn)略，為其提供基礎(chǔ)性、決定性的支撐，開辟衛(wèi)星通信應(yīng)用的新時(shí)代。

近年來(lái)，高通量衛(wèi)星從理念逐步成為現(xiàn)實(shí)，大大改變著衛(wèi)星通信資源的瓶頸限制，低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)擺脫過去的頹勢(shì)重新崛起，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得重大突破性革新，這些都為衛(wèi)星通信融入5G 時(shí)代打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，隨著5G 通信與衛(wèi)星通信的融合發(fā)展，必將促進(jìn)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新活力。

2 5G 時(shí)代衛(wèi)星通信的發(fā)展方向

2.1 中繼寬帶傳輸業(yè)務(wù)

利用衛(wèi)星通信廣域覆蓋、高速機(jī)動(dòng)、靈活組網(wǎng)、業(yè)務(wù)綜合的先天優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建天基信息系統(tǒng)，與“地網(wǎng)”共同構(gòu)建柵格化信息網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮天基信息多元匯聚、態(tài)勢(shì)融合、按需分發(fā)地特點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻、物聯(lián)網(wǎng)和其他數(shù)據(jù)的高速中繼到中心站點(diǎn)的通信連接，為本地小區(qū)站點(diǎn)等提供服務(wù)，構(gòu)建更加健壯的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)。

新的低軌衛(wèi)星通信重新崛起，其傳輸時(shí)延和速率都已經(jīng)能達(dá)到與地面光纖網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)?shù)男阅?，初步具備與遠(yuǎn)程海底和地面光纜競(jìng)爭(zhēng)的能力，我國(guó)在這方面也在積極攻關(guān)探索，技術(shù)逐步成熟。近年來(lái)，航天科技集團(tuán)的鴻雁星座（低軌道衛(wèi)星）、中國(guó)衛(wèi)通的“中星16號(hào)”（GEO）以及航天五院西安分院研制“高分六號(hào)”衛(wèi)星數(shù)傳分系統(tǒng)都是采用最新技術(shù)的高通量衛(wèi)星，是我國(guó)在研及在軌傳輸速率最高的衛(wèi)星。

2.2 數(shù)據(jù)回傳及分發(fā)業(yè)務(wù)

充分利用衛(wèi)星多播功能優(yōu)勢(shì)，將衛(wèi)星鏈路直接連接到5G 蜂窩基站進(jìn)行補(bǔ)充，下一步可能直接將基站系統(tǒng)功能放在通信衛(wèi)星上，從而能夠相同的內(nèi)容（如視頻、HD/UHD 電視以及非視頻數(shù)據(jù)）進(jìn)行按用戶需求分發(fā)，以及實(shí)現(xiàn)來(lái)自多個(gè)站點(diǎn)的聚合流量的高效回傳。通過在各站點(diǎn)部署若干緩存服務(wù)器，將服務(wù)內(nèi)容發(fā)布到最接近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行緩存，然后通過衛(wèi)星直接分發(fā)，得以實(shí)現(xiàn)超低延遲應(yīng)用（如使用低軌道衛(wèi)星）。這樣用戶可方便地就近獲得所需信息內(nèi)容，減小信息擁塞，提高信息流動(dòng)的效率，有效解決用戶分布不均、訪問流量不均等問題，從而提高用戶服務(wù)的響應(yīng)速度。通過研究衛(wèi)星分發(fā)平臺(tái)構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，可最大限度發(fā)揮衛(wèi)星通信自身優(yōu)勢(shì)，同時(shí)通過與地面網(wǎng)絡(luò)的組合，我們還需要不斷創(chuàng)新內(nèi)容提供和服務(wù)管理等方面的新技術(shù)，可提供更多的面向用戶的新服務(wù)。

2.3 寬帶移動(dòng)通信業(yè)務(wù)

寬帶移動(dòng)衛(wèi)星鏈路主要提供與高速機(jī)動(dòng)載體上的用戶通信系統(tǒng)的連接，并能夠根據(jù)用戶需要的內(nèi)容在大地域覆蓋范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)與用戶設(shè)備或傳感器的高效直接連接，以補(bǔ)充現(xiàn)有的地面連接，進(jìn)行全天候、全地域、全時(shí)段的通信業(yè)務(wù)。

同步軌道衛(wèi)星的波束覆蓋寬，覆蓋區(qū)域固定，星座設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。2016年8月，我國(guó)自主研制的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)首星“天通一號(hào)”01星成功發(fā)射升空，將成為我國(guó)社會(huì)信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是我國(guó)自主研發(fā)軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)個(gè)人衛(wèi)星移動(dòng)通信。但是，同步軌道衛(wèi)星的寬波束會(huì)導(dǎo)致波束邊緣的地區(qū)覆蓋性不佳，特別是極地區(qū)域無(wú)法覆蓋到。新興低軌通信星座大都能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)越來(lái)越小，與地面光纖網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)，隨著星座技術(shù)的成熟，未來(lái)用戶將大多在使用低軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)寬帶移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。

2.4 混合多媒體業(yè)務(wù)

衛(wèi)星可以向家庭和辦公室提供地面寬帶以外的補(bǔ)充內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)混合多媒體業(yè)務(wù)，能過網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)化，解決地面網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重的問題。中國(guó)衛(wèi)通與泰國(guó)信衛(wèi)星大眾有限公司開發(fā)的衛(wèi)星寬帶系統(tǒng)IPSTAR，將衛(wèi)星通信與基于IP 的寬帶業(yè)務(wù)相結(jié)合，能夠與地面寬帶網(wǎng)絡(luò)相互融合，互為備份和補(bǔ)充，從而向用戶提供包括互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入、話音、IP 數(shù)據(jù)、視頻和多媒體在內(nèi)的綜合信息服務(wù)。隨著衛(wèi)星通信加入5G 物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等的快速發(fā)展，混合多媒體通信將迎來(lái)更加廣泛的新的個(gè)性化服務(wù)。如定于20202年發(fā)射的“簡(jiǎn)陽(yáng)星一號(hào)”將著眼寬帶互連網(wǎng)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)電信運(yùn)營(yíng)商5G 通信回傳業(yè)務(wù)。

3 5G 時(shí)代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

3GPP 和ITU 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織的衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入細(xì)致研究。例如，ITU-RM.[NGAT_SAT]標(biāo)準(zhǔn)的研究，標(biāo)準(zhǔn)成果最新文件在2018年3月完成，其中對(duì)5G 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容進(jìn)行了定義和分析。3GPP 最早在R14中開展了衛(wèi)星通信對(duì)5G 地面移動(dòng)通信帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行研究。隨著5G 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，目前3GPP 在SA 以及RAN 工作組中先后都將衛(wèi)星接入列為5G 的多種接入技術(shù)之一，并對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的部署方案和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了具體研究和分析。

3.1 衛(wèi)星星座組網(wǎng)技術(shù)

在衛(wèi)星星座建設(shè)中，不同軌道高度的衛(wèi)星具有各自不同的優(yōu)勢(shì)。地球靜止軌道衛(wèi)星（GSO）能提供經(jīng)濟(jì)高效、即時(shí)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；中、低軌道衛(wèi)星（MEO、LEO）具有較低傳播延遲。衛(wèi)星通信星座建設(shè)要融入到5G 建設(shè)規(guī)化中去考慮，充分發(fā)揮高、中、低軌衛(wèi)星各自優(yōu)勢(shì)組建設(shè)混合型網(wǎng)絡(luò)。

在考慮制造成本方面，目前一些衛(wèi)星制造商引入三維打印和建設(shè)組裝生產(chǎn)線來(lái)生產(chǎn)小衛(wèi)星、微納衛(wèi)星等，這可使這些小衛(wèi)星的單顆制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)大衛(wèi)星。同時(shí)，相比同步軌道衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星所需的功率和天線尺寸都要小很多，低軌道衛(wèi)星一箭多星技術(shù)已相當(dāng)成熟，大大降低了衛(wèi)星建設(shè)成本。目前，全球新興低軌通信星座蓬勃發(fā)展多達(dá)幾十個(gè)，其中比較典型的是OneWeb公司、Telesat 公司和SpaceX 公司的低軌衛(wèi)星星座。目前國(guó)內(nèi)也在積極開展小衛(wèi)星及其應(yīng)用技術(shù)研究，已涌現(xiàn)出多個(gè)小衛(wèi)星星座計(jì)劃，如我國(guó)航天科技集團(tuán)和航天科工集團(tuán)分別提出了建設(shè)300余顆的“鴻雁星座”和156顆的“虹云工程”低軌道通信衛(wèi)星星座的計(jì)劃。我們要及早謀劃和爭(zhēng)取頻率和軌位資源的問題，重點(diǎn)研究干擾分析、智能避讓、時(shí)空統(tǒng)籌應(yīng)用等技術(shù)為未來(lái)潛在的發(fā)展應(yīng)用需求奠定基礎(chǔ)。

3.2 高通量衛(wèi)星通信技術(shù)

高通量衛(wèi)星（HTS）是近年來(lái)衛(wèi)星通信領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)，高通量衛(wèi)星系統(tǒng)利用多波束、點(diǎn)波束，星上波束交換、搭載寬帶有效載荷，高頻率復(fù)用和使用更高頻段來(lái)等技術(shù)，顯著提高大范圍區(qū)域的傳輸容量和傳輸速度。高通量衛(wèi)星能大幅降低每比特成本，是衛(wèi)星通信得以再次蓬勃發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

當(dāng)前在軌應(yīng)用的高通量衛(wèi)星主要以靜止軌道衛(wèi)星為主，但非靜止軌道星座技術(shù)近年也有了較大發(fā)展，將在5G 時(shí)代提供大容量、低延遲、全球覆蓋的服務(wù)發(fā)揮獨(dú)特的作用。目前披露的商業(yè)低軌通信星座計(jì)劃大多采用高頻段頻率，C 頻段和Ku 頻段資源日趨緊張，因此目前高通衛(wèi)星越來(lái)越多地向Ka 頻段發(fā)展，甚至更高的V 頻段（40 ～75GHz）、太赫茲以及激光等頻段發(fā)展。

3.3 衛(wèi)星系統(tǒng)地面段技術(shù)

以3GPP 和GPP2所主導(dǎo)的下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)都將采用IP作為其核心網(wǎng)承載技術(shù)，并逐步實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的IP 化。衛(wèi)星通信系統(tǒng)要融入5G 通信，衛(wèi)星通信系統(tǒng)地面段的全I(xiàn)P 化必將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來(lái)說，將5G 地面先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，主要包括服務(wù)內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)切片、移動(dòng)邊緣計(jì)算、IP 化互操作和資源虛擬化等，以便衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)透明地支持端到端系統(tǒng)服務(wù)。隨著研究深入，衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)等將在地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、IP 化，從而實(shí)現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)IP 化互操作。同時(shí)，地面體系結(jié)構(gòu)的虛擬化技術(shù)以及硬件產(chǎn)品向固件和軟件應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，使得地面基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)有效，業(yè)務(wù)提供更加動(dòng)態(tài)。例如，Kratos 推出了一套名為SpectralNet 的數(shù)字中頻產(chǎn)品，它通過在IP 網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)字射頻信號(hào)，從而擺脫了射頻傳輸?shù)木嚯x限制。在這個(gè)過程中，頻率和定時(shí)信息得以保存，射頻信號(hào)在遠(yuǎn)端可以被完整恢復(fù)出來(lái)。通過SpectralNet 數(shù)字中頻這類功能，用戶就可以利用他們現(xiàn)有的信號(hào)處理設(shè)備（如中心站、調(diào)制器、加解密設(shè)備等），只要能夠連接到IP 網(wǎng)絡(luò)，它們就能就地提供這些新的服務(wù)。

衛(wèi)星通信地面段應(yīng)用只有主動(dòng)適應(yīng)地面通信系統(tǒng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范化，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信與5G 地面系統(tǒng)的充分融合，不斷取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分釋放自身優(yōu)勢(shì)潛能。隨著衛(wèi)星載荷的IP 化、靈活化和軟件化，也將不斷促進(jìn)地面系統(tǒng)更新升級(jí)，功能更加強(qiáng)大、更加智能，深度融合在一起。

3.4 相控陣天線技術(shù)

近年來(lái)，相控陣技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。采用有源相控陣技術(shù)可很好地滿足衛(wèi)星通信中提高星座系統(tǒng)的單星波束覆蓋范圍。同時(shí)對(duì)于星座系統(tǒng)來(lái)說，其通道數(shù)量一般較多，星載有源相控陣需要有比較大的增益滿足用戶終端發(fā)射功率小、業(yè)務(wù)帶寬大的要求。隨著新型相控陣天線技術(shù)的突破發(fā)展，將降低新型移動(dòng)衛(wèi)星通信終端成本，降低了尺寸、重量和功率要求，適合移動(dòng)平臺(tái)的衛(wèi)星通信應(yīng)用場(chǎng)景。

隨著5G 通信系統(tǒng)研究發(fā)展，特別是5G 無(wú)線通信領(lǐng)域Massive MIMO（大規(guī)模多入多出）天線的應(yīng)用，把相控陣技術(shù)推向了廣泛應(yīng)用的特別高度，成為各國(guó)爭(zhēng)相研發(fā)的重點(diǎn)，技術(shù)創(chuàng)新研究層出不窮。中國(guó)工程院院士李世東教授研究采用“空間優(yōu)化采樣法”設(shè)計(jì)制造新一代相控陣天線產(chǎn)品，如超薄S 波段相控陣（衛(wèi)星通信）動(dòng)中通天線、5G 無(wú)線通信Massive MIMO 基站天線和Ka 波段環(huán)形超稀疏相控陣天線，這些產(chǎn)品可使通信終端的天線制造成本降低50%，并且能有效解決困擾我們的散熱等難題。

總之，隨著5G 通信時(shí)代的到來(lái)，衛(wèi)星通信不斷發(fā)揮衛(wèi)星通信廣覆蓋、高容量、組網(wǎng)靈活、接入低成本、容災(zāi)抗毀能力強(qiáng)的特點(diǎn)，與地面信息網(wǎng)絡(luò)、全球信息柵格等優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、緊密融合，構(gòu)建出天地一體化信息通信網(wǎng)絡(luò)，更好地適應(yīng)滿足5G 通信廣覆蓋、高速率、超密度連接通信的需求，實(shí)現(xiàn)信息在全球范圍內(nèi)的傳輸和交互，必將促進(jìn)全球信息產(chǎn)業(yè)的更大更新發(fā)展。