大規(guī)模低軌星座衛(wèi)星通信網(wǎng)發(fā)展展望

孫智立/SUN Zhili，李天儒/LI Tianru

（薩里大學(xué)，英國(guó) 薩里郡 吉爾福德 GU2 7XH）

(University of Surrey, Guildford Surrey GU2 7XH, UK)

1 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及優(yōu)勢(shì)

自1957年第1顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，人們一直都在探索衛(wèi)星和空間的應(yīng)用。衛(wèi)星通信和衛(wèi)星廣播是衛(wèi)星應(yīng)用的最好范例。在衛(wèi)星的幫助下，人們可以把更多的應(yīng)用和服務(wù)送到世界的各個(gè)角落。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以提供全球覆蓋，已成為地面網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充和全球網(wǎng)絡(luò)不可或缺的重要組成部分。最早的衛(wèi)星通信都是基于地球靜止軌道（GEO）的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是衛(wèi)星制造、移動(dòng)通信、電子工程、衛(wèi)星發(fā)射、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，中軌（MEO）和低軌（LEO）衛(wèi)星系統(tǒng)開(kāi)始迅猛發(fā)展。大規(guī)模LEO星座衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用迎來(lái)了新契機(jī)[1-2]。

2 衛(wèi)星服務(wù)和應(yīng)用

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以提供廣泛的服務(wù)和應(yīng)用（見(jiàn)圖1）。這些應(yīng)用包括如下幾個(gè)方面：

▲圖1 衛(wèi)星服務(wù)和應(yīng)用[1-2]

· 邊遠(yuǎn)地區(qū)鄉(xiāng)村的遠(yuǎn)程商業(yè)和住宅服務(wù)；

· 偏遠(yuǎn)山區(qū)、沙漠和島嶼網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；

· 智能交通系統(tǒng)和車(chē)輛通信連接服務(wù)；

· 航海和船運(yùn)通信服務(wù)；

· 航空航天飛行器和民航服務(wù)；

· 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、海上風(fēng)電、海上鉆井平臺(tái)等應(yīng)用；

· 緊急服務(wù)（救護(hù)車(chē)、海岸救援、山區(qū)救援等）；

· 政府及國(guó)防應(yīng)用。

3 衛(wèi)星通信技術(shù)的演進(jìn)

衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展主要包括3個(gè)階段。（1）基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。在這一階段，單極化6/4 GHz波束提供全球波束覆蓋，雙極化波束整形基于16/14 GHz可提供多點(diǎn)波束和轉(zhuǎn)發(fā)器波束跳躍以及星上交換服務(wù)。星間鏈路、光通信技術(shù)和30/20 GHz的應(yīng)用使得高通量全球衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。（2）星上技術(shù)的發(fā)展。這一階段經(jīng)歷了分頻交換、分時(shí)交換、星上信號(hào)處理、星上數(shù)據(jù)包交換以及星上路由和星間鏈路的發(fā)展。其中，星間鏈路的發(fā)展也推動(dòng)了LEO/MEO星座衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。（3）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用的發(fā)展。這一階段從國(guó)際長(zhǎng)途電話和衛(wèi)星廣播開(kāi)始，然后經(jīng)歷國(guó)內(nèi)長(zhǎng)途電話和衛(wèi)星服務(wù)、專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)、航空地面移動(dòng)服務(wù)、直接數(shù)字衛(wèi)星廣播、多媒體互聯(lián)網(wǎng)寬帶服務(wù)的發(fā)展，最終到現(xiàn)在的4G/5G和未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

4 衛(wèi)星組網(wǎng)的技術(shù)挑戰(zhàn)

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在以下幾個(gè)方面仍面臨巨大技術(shù)挑戰(zhàn)：

（1）傳播時(shí)延大。雖然無(wú)線電波和光波在真空中均能以3×108m/s的速度傳播，但是較大的衛(wèi)星通信距離使得傳播時(shí)延遠(yuǎn)大于地面網(wǎng)絡(luò)。

（2）帶寬有限。能夠用于衛(wèi)星通信的頻譜資源比較有限。同時(shí)衛(wèi)星產(chǎn)生的波束遠(yuǎn)大于地面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，使得頻譜的利用率遠(yuǎn)不如地面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。這將直接影響通信的容量。

（3）傳輸錯(cuò)誤多。由于傳輸距離和鏈路信道會(huì)受到各種干擾，傳輸數(shù)據(jù)的誤碼率也大于地面網(wǎng)絡(luò)。

（4）傳輸功率受限。衛(wèi)星主要靠太陽(yáng)能來(lái)供電，同時(shí)要和其他衛(wèi)星及地面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)調(diào)以避免產(chǎn)生干擾。因此，傳輸功率就會(huì)受到很大限制，數(shù)據(jù)的傳輸速率也會(huì)受到影響。

需要注意的是，在引入LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)，要做好衛(wèi)星數(shù)量和覆蓋范圍的權(quán)衡，如圖2所示。對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理可降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸成本，有利于滿足網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）的要求。

▲圖2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)覆蓋范圍示意圖[1-2]

5 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)QoS

網(wǎng)絡(luò)QoS以用戶為中心。目前，QoS的類(lèi)別模型已經(jīng)由國(guó)際電聯(lián)明確提出[3]，如圖3所示。可以看出，QoS的類(lèi)別模型共有8個(gè)。其中，有的服務(wù)可以容忍傳輸錯(cuò)誤，如語(yǔ)言視頻交互、語(yǔ)言視頻信息、語(yǔ)言視頻流媒體和傳真；有的服務(wù)則不能容忍傳輸錯(cuò)誤，如指令和控制（遠(yuǎn)程交互和游戲操作）、電子交易和電子郵件、信息文件下載、后臺(tái)處理。

▲圖3 以用戶為中心的服務(wù)質(zhì)量類(lèi)別模型[3]

在5G標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程中，第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）為基于GEO、MEO或LEO集成基礎(chǔ)設(shè)施的衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)制定了具體的QoS參數(shù)。這些參數(shù)都是與傳播時(shí)延有關(guān)的，如表1所示[4]。

▼表1 用戶設(shè)備到衛(wèi)星的傳播時(shí)延[4]

6 非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）用例

NTN泛指除了地面網(wǎng)絡(luò)的所有網(wǎng)絡(luò)，包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和高空平臺(tái)（HAP）。3GPP為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)定義了12個(gè)用例，并在相關(guān)的技術(shù)報(bào)告中給出了詳細(xì)說(shuō)明[4]。這12個(gè)用例具體為：地面和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的漫游、帶有衛(wèi)星覆蓋的廣播和組播、具有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、臨時(shí)使用衛(wèi)星組件、最佳路由或衛(wèi)星轉(zhuǎn)向、衛(wèi)星跨境業(yè)務(wù)連續(xù)性、全球衛(wèi)星覆蓋、通過(guò)5G衛(wèi)星接入網(wǎng)間接連接、新無(wú)線接入網(wǎng)和5G核心網(wǎng)之間的5G固定回傳、5G移動(dòng)平臺(tái)回傳、5G與場(chǎng)地設(shè)備的連接、遠(yuǎn)程服務(wù)中心到海上風(fēng)電場(chǎng)的衛(wèi)星連接。

7 NTN部署場(chǎng)景

3GPP和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）對(duì)NTN部署場(chǎng)景進(jìn)行了深入研究，并提出了具體的部署場(chǎng)景[5-6]。

（1）平臺(tái)軌道和高度。這一場(chǎng)景包括平臺(tái)軌道類(lèi)型（如GEO、非GEO）及其高度。其中，平臺(tái)可以是衛(wèi)星，也可以是其他高空平臺(tái)。

（2）平臺(tái)和用戶設(shè)備之間的載波頻率。該場(chǎng)景涉及0.5～100 GHz的頻率。

（3）波束模式。這里的波束模式是指波束覆蓋模式。它是頻譜復(fù)用和容量計(jì)算的重要參數(shù)。

（4）接入方式。接入方式可以是頻分雙工（FDD），也可以是時(shí)分雙工（TDD）。

（5）信道帶寬（下行鏈路和上行鏈路）。該場(chǎng)景涉及信道下行鏈路和上行鏈路的可用帶寬。使用何種帶寬取決于所使用的載波頻率。出于評(píng)估目的，我們主要考慮以下兩個(gè)因素：

·對(duì)于在6 GHz以上頻段運(yùn)行的衛(wèi)星和空中網(wǎng)絡(luò)，下行鏈路和上行鏈路的平均帶寬高達(dá)800 MHz；

·對(duì)于在6 GHz以下頻段運(yùn)行的衛(wèi)星和空中網(wǎng)絡(luò)，下行鏈路和上行鏈路的平均帶寬高達(dá)80 MHz。

（6）非地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選項(xiàng)，具體包括：

·衛(wèi)星可以作為無(wú)線接入網(wǎng)在用戶設(shè)備和5G基站（gNB）之間以透明的方式連接；

·衛(wèi)星可以具備5G基站的一些功能，并與用戶設(shè)備相連接；

·用戶設(shè)備連接中繼站時(shí)，衛(wèi)星僅在中繼站和5G基站之間以透明的方式連接；

·用戶設(shè)備連接中繼站時(shí)，衛(wèi)星可以具備5G基站的一些功能并與中繼站相連接。

（7）終端類(lèi)型。用于評(píng)估目的時(shí)，可以考慮的終端類(lèi)型包括：

·發(fā)射功率設(shè)置為33 dBm（2 W），等效孔徑直徑為60 cm（圓極化）；

·對(duì)于每個(gè)3GPP FDD 功率等級(jí)（PC），PC1的全向天線最大輸出功率為33 dBm（2 W），PC2的為27 dBm（0.5 W），PC3的為23 dBm（0.2 W）。

（8）終端屬性分布。終端屬性分布可以設(shè)置為3類(lèi)：

·100% 戶外用戶設(shè)備；

·100% 室內(nèi)用戶設(shè)備；

·室內(nèi)外混合用戶設(shè)備分布。

（9）終端速度。該屬性通常是指相對(duì)于衛(wèi)星或空中平臺(tái)上的發(fā)射器/接收器的速度，具體包括：

·高速/低速用戶設(shè)備；

·高速/低速平臺(tái)；

·出于評(píng)估目的，終端速度最大值可以為1 000 km/h（例如飛機(jī)），或者500 km/h（例如高速列車(chē)）。

8 系統(tǒng)容量建模的考慮

在進(jìn)行系統(tǒng)容量建模時(shí)，我們應(yīng)用流量工程原理從3個(gè)方面來(lái)考慮。（1）用戶流量。這里的用戶流量主要指用戶設(shè)備的數(shù)量和每個(gè)終端產(chǎn)生的峰值流量（如500 Mbit/s）。（2）網(wǎng)關(guān)站數(shù)量與容量，以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（包括衛(wèi)星數(shù)量、每顆衛(wèi)星的點(diǎn)波束數(shù)量、每個(gè)點(diǎn)波束的容量）。（3）流量控制和網(wǎng)絡(luò)資源管理（用以滿足QoS要求，并有效利用網(wǎng)絡(luò)資源）。總的來(lái)說(shuō)，這些考慮應(yīng)包括：

·需要明確系統(tǒng)容量定義和流量衡量標(biāo)準(zhǔn)；

·明確說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；

·精心設(shè)計(jì)流量控制和網(wǎng)絡(luò)資源管理的算法和方法；

·開(kāi)發(fā)相關(guān)系統(tǒng)的規(guī)劃、性能評(píng)估、操作和維護(hù)問(wèn)題的解決方案。

9 面向2030年的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（6G）

2020年，5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的制定已經(jīng)完成，5G網(wǎng)絡(luò)的部署在全球范圍內(nèi)已經(jīng)展開(kāi)。未來(lái)研究的方向已經(jīng)集中到面向2030年的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。相對(duì)于5G，這個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)研究方向通常被稱(chēng)為6G。很多大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、公司以及標(biāo)準(zhǔn)化組織都開(kāi)始了面向6G的研究和探索。其中，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）和電氣與電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）都已經(jīng)取得一些顯著的進(jìn)展[7-9]。表2給出了5G和6G的關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)的對(duì)比。

▼表2 5G和6G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)對(duì)比

10 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將成為未來(lái)全球網(wǎng)絡(luò)以及5G和6G的重要組成部分?，F(xiàn)代衛(wèi)星制造技術(shù)、發(fā)射技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得大規(guī)模LEO星座通信網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。大規(guī)模LEO星座通信網(wǎng)絡(luò)既能與地面網(wǎng)絡(luò)形成互補(bǔ)，也能與GEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)互補(bǔ)。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，大規(guī)模LEO星座通信網(wǎng)絡(luò)和未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都將獲得巨大發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)全球無(wú)死角覆蓋也將成為現(xiàn)實(shí)。