衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用特征與服務(wù)場景探討*

［解寧宇 陳任翔 馬廣輝］

1 概述

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)和航天技術(shù)交叉的新興領(lǐng)域，通過與地面移動網(wǎng)絡(luò)的深度融合，可將互聯(lián)網(wǎng)從地面擴(kuò)展至全時(shí)空覆蓋，蘊(yùn)藏著巨大的民用和軍事價(jià)值[1]。與HTS衛(wèi)星概念類似，從目前的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向來看，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以分為高軌寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和中/低軌寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)[2]，高軌寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有單星覆蓋面積大、技術(shù)成熟、端成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]，而中/低軌寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有時(shí)延低、全球覆蓋、全球漫游等優(yōu)點(diǎn)[4]。

2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)特征

目前，地球上超過70%的地理空間，涉及30 億人口未能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)覆蓋[5]。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有全球無縫覆蓋、高速大帶寬、低時(shí)延、高移動性、快速部署等特點(diǎn)[6]，是解決地球“無互聯(lián)網(wǎng)”人口數(shù)字鴻溝的重要手段之一[7]，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息地域連續(xù)覆蓋普惠共享的有效補(bǔ)充[8]。

（1）高速大帶寬

巨型星座，衛(wèi)星數(shù)量多，星座整體總?cè)萘吭趲譚bit/s到幾十Tbit/s[9]，單個(gè)用戶速率遠(yuǎn)高于高軌衛(wèi)星，可以與地面固定寬帶和4G 相媲美，未來將進(jìn)一步和5G 進(jìn)行深度融合[10]。以Starlink 為例，在美國正在快速接近100 Mbit/s的下載速度，遠(yuǎn)好于高軌衛(wèi)星，只比固網(wǎng)寬帶落后約13%[11]。

（2）低時(shí)延

衛(wèi)星寬帶典型的高軌衛(wèi)星傳輸往返時(shí)延的理論值為500 ms 左右，加上數(shù)據(jù)處理時(shí)延等因素之后，實(shí)際往返時(shí)延約600 ms[12]。而OneWeb、Starlink 等低軌衛(wèi)星軌道高度約為高軌衛(wèi)星的1/30，其往返時(shí)延有望控制在30 ms 以內(nèi)，接近地面光纖網(wǎng)絡(luò)的水平。對于網(wǎng)絡(luò)游戲、金融交易、虛擬現(xiàn)實(shí)等時(shí)延敏感業(yè)務(wù)，低軌星座明顯優(yōu)于高軌衛(wèi)星[13]。

（3）泛在覆蓋

傳統(tǒng)地面通信骨干網(wǎng)在海洋、沙漠及山區(qū)偏遠(yuǎn)地區(qū)等苛刻環(huán)境下鋪設(shè)難度大且運(yùn)營成本高，通過部署傳統(tǒng)通信骨干網(wǎng)絡(luò)在互聯(lián)網(wǎng)滲透率低的區(qū)域進(jìn)行延伸普及已存在現(xiàn)實(shí)障礙。相對而言低軌星座具有“居高臨下”優(yōu)勢，可面向全球全域提供信息通信服務(wù)，因此具備全球全域互聯(lián)網(wǎng)接入能力。建設(shè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是解決地球“無互聯(lián)網(wǎng)”人口數(shù)字鴻溝的重要手段，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息地域連續(xù)覆蓋普惠共享的有效補(bǔ)充[14]。

（4）高移動性

在飛機(jī)、高鐵等高速交通工具上的上網(wǎng)體驗(yàn)不好，飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)不能上網(wǎng)，高鐵列車上手機(jī)信號時(shí)斷時(shí)續(xù)，其主要原因是由于地面移動網(wǎng)絡(luò)無法實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，即使能覆蓋、但跨越不同區(qū)域?qū)е虑袚Q過于頻繁，難以為高速交通工具提供服務(wù)。低軌星座可以為高鐵、飛機(jī)等移動載體在高速運(yùn)動過程中提供衛(wèi)星通信保障，通過多波束無縫切換配合機(jī)載、高鐵終端的自動跟蹤捕獲功能，可以為航空、鐵路等各類高速交通工具上的乘客聯(lián)通世界，徹底改善上網(wǎng)體驗(yàn)[15]。

（5）快速部署

當(dāng)出現(xiàn)各種類型的重大災(zāi)害或突發(fā)時(shí)間對地面通信構(gòu)成致命打擊時(shí)，低軌星座的作用和地位就能得到充分的顯現(xiàn)。作為一種有著獨(dú)特優(yōu)勢的通信方式，低軌星座在應(yīng)急管理的實(shí)際應(yīng)用中可以起到極為有力的支撐作用。低軌星座的基礎(chǔ)設(shè)施受地面的環(huán)境影響與地面通信相比要小很多，即使在地面通信的光纜和基站等通信基礎(chǔ)設(shè)施受到全面損毀的情況下，低軌星座在短時(shí)間內(nèi)得到快速部署，成為保障應(yīng)急通信的主角[16]。

（6）信息安全可靠

通過星間鏈路實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星之間的信息傳輸和交換，多顆衛(wèi)星可以互聯(lián)在一起，成為一個(gè)以衛(wèi)星作為交換節(jié)點(diǎn)的空間通信網(wǎng)絡(luò)，降低了低軌星座系統(tǒng)對地面網(wǎng)絡(luò)的依賴，減少信息被竊取的環(huán)節(jié)，信息安全可控。另外，憑借星間鏈路的優(yōu)勢，通信系統(tǒng)可以減少地面信關(guān)站的設(shè)置數(shù)量、擴(kuò)大覆蓋區(qū)域、實(shí)現(xiàn)全球測控等，而且信號在星間鏈路傳輸時(shí)可有效避免大氣和降雨導(dǎo)致的衰減，形成相對獨(dú)立的通信星座系統(tǒng)或數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)[17]。

3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)場景

（1）公共服務(wù)場景

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)公共服務(wù)采用“公網(wǎng)公用模式”，主要面向C 端用戶，包括固定寬帶接入用戶、車載動中通用戶、漁船和海上中小型船只、每個(gè)用戶一般配置一套衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)終端，通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口，用戶可以用以太網(wǎng)口或WIFI 的形式在手持終端或PC 上，進(jìn)行圖片、語音、視頻等數(shù)據(jù)信息的傳輸和互聯(lián)網(wǎng)訪問，在部分地區(qū)由于低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)30～80 ms低時(shí)延的特性，可以進(jìn)行在線游戲，使得用戶在偏遠(yuǎn)地區(qū)、海上以及飛機(jī)內(nèi)體驗(yàn)與陸地城市一樣的通信服務(wù)，用戶通過購買終端和服務(wù)套餐的形式享受衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)上網(wǎng)服務(wù)。服務(wù)模式架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)公共服務(wù)模式架構(gòu)

（2）政企服務(wù)場景

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的政企服務(wù)采用“公網(wǎng)專用模式”，主要面向B 端和G 端用戶，政企的總部、外地辦事機(jī)構(gòu)或分公司可分別通過大口徑固定終端接入衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，終端與政企內(nèi)部的有線或Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)相連接；信關(guān)站后端的核心網(wǎng)通過虛擬化技術(shù)為各政企部門建立獨(dú)立的切片，實(shí)現(xiàn)邏輯隔離；各地的政企雇員可以用以太網(wǎng)口或WIFI 的形式接入政企專網(wǎng)，通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)異地的互聯(lián)互通，在PC 或手機(jī)上進(jìn)行辦公、數(shù)據(jù)信息的傳輸或在線視頻會議等。低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的高傳輸速率，使得政企專網(wǎng)能夠快速同步異地?cái)?shù)據(jù)；30～80 ms 的低時(shí)延，可支持異地雇員進(jìn)行高效的在線會議；邏輯隔離的核心網(wǎng)使得政企專網(wǎng)在數(shù)據(jù)和訪問方面具備安全性。服務(wù)模式架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)政企服務(wù)模式架構(gòu)

（3）行業(yè)專網(wǎng)服務(wù)場景

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)專網(wǎng)服務(wù)采用“專網(wǎng)專用模式”，主要面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的工業(yè)控制和自動駕駛等業(yè)務(wù)場景，包括大型打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床、包裝設(shè)備和工業(yè)園區(qū)的室外擺渡車等。行業(yè)專網(wǎng)的室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和室外小范圍網(wǎng)絡(luò)通過固定終端接入衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，終端與室內(nèi)有線、Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)或5G 專網(wǎng)基站相連接，工業(yè)設(shè)備和無人車輛通過以太網(wǎng)口、WIFI 或5G 專網(wǎng)CPE 接入網(wǎng)絡(luò)；大型的室外工業(yè)設(shè)備和車輛也可直接通過小口徑低軌衛(wèi)星終端直接接入，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的工業(yè)過程控制和運(yùn)動控制。為保障工業(yè)控制的超低時(shí)延和高可靠性，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)會為行業(yè)專網(wǎng)提供端到端的網(wǎng)絡(luò)切片方案，包括頻率資源的切分，衛(wèi)星、信關(guān)站和核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)切片，針對低時(shí)延的單跳落地等，以滿足不同行業(yè)專網(wǎng)對帶寬、低時(shí)延、高可靠、大連接的需求差異。服務(wù)模式架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)專網(wǎng)服務(wù)模式架構(gòu)

4 結(jié)束語

以低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座為代表的的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具備了6G 時(shí)代大帶寬、低時(shí)延、高可靠性、超大連接的能力，未來將會在空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要的角色，與地面網(wǎng)絡(luò)一起加速人機(jī)物智慧互聯(lián)、虛擬與現(xiàn)實(shí)深度融合的全新6G 時(shí)代，最終實(shí)現(xiàn)“萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生”的美好愿景。