低軌衛(wèi)星通信的探討及建議

陳龍

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司重慶分公司，重慶 400000）

0 引言

低軌衛(wèi)星（LEO）通信作為構(gòu)建6G 重要的技術(shù)之一，其覆蓋范圍更廣，同時在傳輸損耗、時延以及成本等方面有著明顯的優(yōu)勢。鑒于此，當(dāng)前應(yīng)加強對低軌衛(wèi)星通信技術(shù)的研究與應(yīng)用，積極構(gòu)建起空、天、地、海一體化的通信系統(tǒng)。此外，低軌衛(wèi)星通信現(xiàn)已成為地面通信領(lǐng)域中的關(guān)鍵組成部分，特別在海洋、沙漠等無線網(wǎng)絡(luò)很難覆蓋的區(qū)域有著廣泛的應(yīng)用。低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)

1 低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與特點分析

借助不同類型的低軌衛(wèi)星與星座，可以構(gòu)建起低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的骨干通信網(wǎng)。其中，物理傳輸介質(zhì)主要以星間鏈路（ISL）與星地鏈路（SGL）為主，進(jìn)而可以和中、高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)互通，實現(xiàn)信息的實時接收、傳輸與處理[1]。

1.1 基本架構(gòu)

對于低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)而言，主要分為3 個不同的部分：空間段、地面段以及用戶段。①空間段是由很多低軌衛(wèi)星所構(gòu)成，其功能主要進(jìn)行信息的接收與轉(zhuǎn)發(fā)，一些衛(wèi)星有著星上處理（OBP）的能力。②地面段是由各種類型的關(guān)口（Gate way）、測控單元以及網(wǎng)絡(luò)控制中心（NCC）等部分組成。③各種類型的用戶終端組成了用戶段，終端類型主要以手持終端、IOT 終端為主。就低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)來說，最主要的功能是為各類型的用戶終端提供相應(yīng)的接入能力，進(jìn)而可以和地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，圖2 為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)又可按照有無星間鏈路的情況，劃分為天星天網(wǎng)以及天星地網(wǎng)不同的類型。其中，天星天網(wǎng)主要以Iridium 與Starlink 作為代表，有著一定的星上處理功能，用戶能夠接入衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，這一過程中無須進(jìn)行大量關(guān)口站的建設(shè)。天星地網(wǎng)的代表是Globalstar 與OneWeb，衛(wèi)星間無須組網(wǎng)，因而在技術(shù)方面相對簡單，維護(hù)管理工作較簡便。

圖2 低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2 網(wǎng)絡(luò)特點

相比于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信而言，低軌衛(wèi)星通信能夠打破地理條件的限制，在維度方面有著明顯的優(yōu)勢。同時，其覆蓋范圍更加廣泛、運行與維護(hù)成本較低，且部署周期比較短。但是，因為受到暴露性特點以及無線傳輸方式等因素的影響，安全性、穩(wěn)定性存在一定的弊端?？傮w而言，低軌衛(wèi)星通信有著以下4 個方面的優(yōu)勢：首先，衛(wèi)星的數(shù)量較多、業(yè)務(wù)廣泛，有著較強的可靠性[2]。整個體系容量極大，由幾百甚至幾萬個容量有限的單顆衛(wèi)星進(jìn)行疊加。低軌衛(wèi)星通信不僅包含了寬帶、窄帶通信、物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)，同時還具有對地監(jiān)測等方面的功能。同時，低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在冗余性與抗毀能力方面有著突出的優(yōu)勢。其次，傳輸路徑短，損耗較小。假設(shè)其軌道高度是900km，在信號空間傳輸損耗比方面，可以比傳統(tǒng)GEO 通信衛(wèi)星損耗少32dB 左右，還能有效減少地面設(shè)施的成本。因為路徑的縮短，使得端到端的信息傳輸時延有了很大的改進(jìn)，基本和地面光纖相近。再次，覆蓋范圍廣是一個重要的優(yōu)勢與特點。低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)全天候、復(fù)雜的地形環(huán)境，如山區(qū)、叢林以及峽谷地形，其實時通信能力更強大。最后，運動速度快、信道多也是其明顯的優(yōu)勢。

2 低軌衛(wèi)星通信的發(fā)展歷程與趨勢

按照軌道高度的不同，可以將衛(wèi)星分為3 種不同的類型：①低地球軌道（LEO）衛(wèi)星。②中地球軌道（MEO）衛(wèi)星。③地靜止軌道（GEO）衛(wèi)星（圖3）。在覆蓋范圍方面，中高軌道衛(wèi)星有著明顯的優(yōu)勢，例如，單顆GEO 衛(wèi)星能夠覆蓋地球表面1/3 左右的面積。但是，在成本、傳輸時延以及損耗等方面卻沒有低軌衛(wèi)星所具有的優(yōu)勢。早在20 世紀(jì)90 年代，摩托羅拉就已經(jīng)成功建設(shè)了世界上第一個低軌衛(wèi)星星座，即“銥星”。對于“銥星”系統(tǒng)而言，有著6 個軌道面，每一個軌道共有11顆不同的衛(wèi)星，進(jìn)而組建形成完整的星座，可以覆蓋全球范圍內(nèi)的各個區(qū)域，也包含了南極與北極。但是，在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力方面受到一定的限制，并于1999 年8 月申請了破產(chǎn)保護(hù)。在2017 年，進(jìn)一步部署了“銥星”二代。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)階段在衛(wèi)星制造與火箭發(fā)射等方面的技術(shù)越來越成熟，并且隨著集成電路技術(shù)以及通信技術(shù)的不斷發(fā)展，在成本方面有著極大的進(jìn)步。一方面，對于火箭發(fā)射技術(shù)而言，馬斯克“星鏈”的創(chuàng)新，實現(xiàn)了火箭的回收，同時還能實現(xiàn)一箭多星，數(shù)量能夠達(dá)到60 個。因而，將上萬顆衛(wèi)星送到軌道平面的成本大大降低[3]。另一方面，隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星逐步朝著小型化、模塊化的方向發(fā)展，使得衛(wèi)星質(zhì)量大幅降低，并且極大地節(jié)省了發(fā)射成本。除此之外，衛(wèi)星制造技術(shù)的發(fā)展，尤其是材料技術(shù)、加工制造技術(shù)的發(fā)展，使得研制周期、成本進(jìn)一步降低。最后，通信技術(shù)的進(jìn)步，調(diào)制和編碼技術(shù)、頻率復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用，極大地改善了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能。近年來，通過太赫茲、可見光通信星際鏈路等技術(shù)的應(yīng)用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星之間的大帶寬直接組網(wǎng)，同時也有效解決了通信時延等問題。

圖3 低中高軌道衛(wèi)星

上述分析可以看出，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在成本、時延等方面的問題得到了有效的解決，并且低軌衛(wèi)星通信逐漸受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。由于低軌衛(wèi)星通信有著良好的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入功能，通常也將其稱為“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”。近幾年來，LEO 星座建設(shè)工作有序開展，如Starlink（星鏈）以及OneWeb、TeleSat 等計劃，我國也進(jìn)行了“虹云”與“鴻雁”等LEO 星座的建設(shè)（表1）。

表1 我國LEO 星座建設(shè)

近幾年來，隨著支持性政策文件的實施，我國工信部、國防科工局等單位進(jìn)行了大量的嘗試，有效促進(jìn)了衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。同時，越來越多民間資本的進(jìn)入，使得衛(wèi)星通信領(lǐng)域的發(fā)展逐步加快。在2020年4 月份，隨著新基建范圍的首次官宣劃定，進(jìn)而將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入新基建領(lǐng)域，5G、物聯(lián)網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)工作得到了極大的發(fā)展。僅在2020 年一年時間里，我國衛(wèi)星發(fā)射次數(shù)達(dá)到了39 次。但是，主要以導(dǎo)航、遙感領(lǐng)域為主，通信衛(wèi)星的數(shù)量比較少。預(yù)計到2022 年底，低軌衛(wèi)星數(shù)量可以超過800 顆。

3 低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展對策研究

3.1 加強中低軌道頻段資源布局

一方面，我國應(yīng)當(dāng)加強對ITU 規(guī)則的研究，并開展頻率協(xié)調(diào)與雙邊合作。如此一來，便可在低軌星座部署工作中占盡先機[4]。另一方面，要對目標(biāo)軌道、施效潛力以及長遠(yuǎn)需求做出全面的分析，對中低剩余軌道資源進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，加速混合異構(gòu)軌道的創(chuàng)新，不斷提高中低軌星座組網(wǎng)的效能。除此之外，還要加強對EHF（Q/V/W）以及太赫茲、激光等領(lǐng)域的研究，做好更高頻段的頻率資源的利用。

3.2 提升星、天、空、地海一體化通信能力

首先，我國應(yīng)當(dāng)逐步構(gòu)建起多域一體化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，其中不僅囊括了深空/星際網(wǎng)以及天基骨干網(wǎng)，同時還包含了空基網(wǎng)、陸基網(wǎng)以及?；W(wǎng)等等，提高通信網(wǎng)絡(luò)的高效協(xié)同效果。需要注意的是，通過將激光和量子通信進(jìn)行融合，可以有效發(fā)展高速信息傳輸技術(shù)，并且可以提高數(shù)據(jù)的保密性、安全性效果。除此之外，還應(yīng)加強對動態(tài)協(xié)作組網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用，確保信息可以經(jīng)過星際鏈路，進(jìn)而正確達(dá)到目的地。

3.3 低成本航天技術(shù)的研究與應(yīng)用

隨著全球范圍內(nèi)低軌星座競爭不斷加劇，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對傳統(tǒng)的衛(wèi)星制造技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，并加快衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)的迭代升級，通過流水線量產(chǎn)的方式，或者是“一箭多星”等方式的應(yīng)用，降低制造成本。例如，OneWeb 公司建立了“衛(wèi)星工廠”生產(chǎn)線，每天至少可生產(chǎn)2 顆衛(wèi)星。SpaceX 公司的衛(wèi)星生產(chǎn)能力更高，日產(chǎn)能力可以達(dá)到6 顆甚至更多。為有效降低航天技術(shù)成本，應(yīng)當(dāng)加強對大數(shù)據(jù)控制技術(shù)、智能裝配技術(shù)以及3D 打印技術(shù)的應(yīng)用。除此之外，還應(yīng)加強對運載火箭的研究，提高其重復(fù)利用的次數(shù)。

3.4 做好與國際社會的合作

合作與競爭具有相互依存的辯證關(guān)系，為促進(jìn)我國低軌衛(wèi)星通信行業(yè)的發(fā)展，應(yīng)該加強與國際社會的合作，避免陷入“軍備競賽”的尷尬境地[5]。鑒于此，應(yīng)當(dāng)秉持開放、協(xié)作、共享的態(tài)度，加強與國際社會的合作與溝通，提高空間通信網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率，避免出現(xiàn)不必要的浪費問題。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)積極參與相關(guān)規(guī)則的制定，通過各方共同協(xié)商等方式，防止太空霸權(quán)等問題的發(fā)生。

3.5 構(gòu)建智慧衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡(luò)

在可預(yù)見的將來，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將會變得更加龐大、復(fù)雜，同時業(yè)務(wù)類型與應(yīng)用場景也會變得更加繁雜。因此，要加強對AI 等技術(shù)的研究，應(yīng)用6G 解決各類需求，這就需要將人工智能技術(shù)、地面通信技術(shù)以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)有機整合在一起（圖4）。通過對數(shù)據(jù)智能融合技術(shù)與深度處理技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合星融網(wǎng)的狀況，加快對多系統(tǒng)、大容量、綜合性異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的研究。除此之外，還應(yīng)加強對邊緣計算、AI 技術(shù)和計算等先進(jìn)技術(shù)的合理應(yīng)用，實現(xiàn)空天資源的高度共享和科學(xué)利用。如此一來，便可合理進(jìn)行通信、導(dǎo)航以及遙感、地理信息服務(wù)的科學(xué)部署，并且可以提高網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)水平。需要注意的是，應(yīng)當(dāng)妥善構(gòu)建智慧標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議體系，通過對深度學(xué)習(xí)的行為做出全面的分析，制定具有個性化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，不斷優(yōu)化通信體驗。

圖4 6G 全球泛在覆蓋

4 結(jié)語

相較于傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)而言，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)在覆蓋范圍、運行與維護(hù)成本、部署速度等方面有著明顯的優(yōu)勢。另外，與傳統(tǒng)的高軌衛(wèi)星通信相比，在整體布設(shè)、傳輸模式以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面，低軌衛(wèi)星通信也有著獨特的特點。受到物聯(lián)網(wǎng)、航天產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與帶動作用，當(dāng)前應(yīng)加速低軌衛(wèi)星通信領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。同時，還應(yīng)加強與國際社會的合作，加強中低軌道頻段資源布局，提升星、天、空、地海一體化通信能力，促進(jìn)低軌空間的和平開發(fā)與利用。