星地融合網(wǎng)絡(luò):一體化模式、用頻與應(yīng)用展望

張世杰,趙祥天,趙亞飛,彭木根

(1.北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100876;2.銀河航天(北京)通信技術(shù)有限公司,北京 100192)

0 引言

隨著對(duì)通信連接需求的增長(zhǎng),地面通信網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展,其具有更高性能,但也存在覆蓋不均勻和抗毀性差等問(wèn)題。地面無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以蜂窩移動(dòng)通信為主,目前發(fā)展到最新的第五代通信網(wǎng)絡(luò),可以為大量用戶提供更高速率、更低延時(shí)、更強(qiáng)穩(wěn)定的通信服務(wù),相較于第四代通信網(wǎng)絡(luò),能承載更多終端連接,提高了地面通信網(wǎng)絡(luò)服能力,實(shí)現(xiàn)真正萬(wàn)物互聯(lián)[1]。但地面通信網(wǎng)絡(luò)也由于自然環(huán)境與建設(shè)成本的問(wèn)題,在通信的覆蓋方面存在著不全面、不均衡的問(wèn)題。另外地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備抗毀性較差,在遭遇自然災(zāi)害時(shí)會(huì)影響正常通信,無(wú)法用作應(yīng)急通信。

衛(wèi)星通信可以解決地面通信的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)全球覆蓋與應(yīng)急通信,但因成本高以及通信效果差等缺點(diǎn)長(zhǎng)期發(fā)展受限。衛(wèi)星通信是通過(guò)衛(wèi)星中繼進(jìn)行的通信,由于衛(wèi)星處于高空中,因此具有覆蓋范圍大、抗災(zāi)抗毀性強(qiáng)、部署靈活等特點(diǎn),十分適用于實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信與全球通信。但傳統(tǒng)通信衛(wèi)星存在發(fā)射與組裝成本高、通信容量小、傳輸時(shí)延大等問(wèn)題,因此適用對(duì)象有限,發(fā)展較為緩慢[2]。

地面通信與衛(wèi)星通信均存在自身適用范圍的局限性,但將二者優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ),進(jìn)行星地融合,可以提高通信的覆蓋范圍與強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)全時(shí)、全域的通信需求[3-4]。地面網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)城市與室內(nèi)環(huán)境的高效通信連接,但在偏遠(yuǎn)地區(qū)缺少服務(wù)能力,而引入低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合,則可以保障全球各個(gè)位置的正常通信,另外由于低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的魯棒抗毀性,因此能在地面網(wǎng)絡(luò)故障癱瘓時(shí)承接其通信任務(wù),實(shí)現(xiàn)無(wú)縫穩(wěn)定連接。

總的來(lái)說(shuō),利用衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的融合,可以提供全覆蓋、全天候的服務(wù)能力,讓通信擺脫地理環(huán)境束縛,在各種場(chǎng)景下按需接入,形成空天地一體化連接網(wǎng)絡(luò)[5]。

1 星地融合優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

1.1 星地融合優(yōu)勢(shì)

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和地面網(wǎng)絡(luò)的融合可以帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)。

1.1.1 更大的覆蓋范圍

第五代通信網(wǎng)絡(luò)為代表的地面網(wǎng)絡(luò)能提供低時(shí)延、高可靠、高速率的通信連接,但卻由于地理環(huán)境限制與成本問(wèn)題導(dǎo)致目前全球仍有超過(guò)80%的陸地區(qū)域和95%的海上區(qū)域缺少網(wǎng)絡(luò)連接[6-7]。而低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)由于軌道高,因此覆蓋范圍大,且部署較為靈活,因此可以實(shí)現(xiàn)更大更全面的覆蓋范圍以及更加均衡的覆蓋強(qiáng)度。

1.1.2 更低的通信時(shí)延

傳統(tǒng)地面通信面對(duì)遠(yuǎn)距離通信場(chǎng)景常常會(huì)因?yàn)楣饫|的復(fù)雜鋪設(shè)方式而導(dǎo)致信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際距離,從而產(chǎn)生較大時(shí)延。而加入低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),則可以借助低軌衛(wèi)星覆蓋范圍大且傳輸距離近的特性實(shí)現(xiàn)更快傳輸。另外,由于低軌衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)有相同時(shí)延差,因此相較于地面網(wǎng)絡(luò)也更加適用于遠(yuǎn)距離差分時(shí)延敏感業(yè)務(wù)。

1.1.3 更強(qiáng)的抗災(zāi)性

地面通信設(shè)備依賴于地面基站以及光纜等設(shè)備實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定有效通信服務(wù),但地面設(shè)備由于位置固定且易受地質(zhì)災(zāi)害影響而具有一定的不穩(wěn)定性。加入低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)形成星地融合網(wǎng)絡(luò)可以借助衛(wèi)星位于太空且魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn),在應(yīng)急時(shí)刻提供高質(zhì)量通信,保障救援工作進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)了通信系統(tǒng)的魯棒性[8]。

1.1.4 更有效的資源分配

地面通信網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立運(yùn)行可能會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的擁擠,通過(guò)衛(wèi)星地融合網(wǎng)絡(luò)的資源統(tǒng)一化分配,可以有效提高頻譜等通信資源的利用效率,最大化利用設(shè)備帶寬,為區(qū)域內(nèi)海量用戶提供更快速、更穩(wěn)定的通信連接。

1.2 星地融合挑戰(zhàn)

1.2.1 技術(shù)挑戰(zhàn)與標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題

在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的發(fā)展過(guò)程中,面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)和標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題,主要包括:

① 跨層協(xié)同優(yōu)化:衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)在物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層都存在著不同的特點(diǎn)和性能要求。如何實(shí)現(xiàn)跨層的協(xié)同優(yōu)化,使得網(wǎng)絡(luò)資源得到高效利用,并在不同網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換,是一個(gè)重要的技術(shù)挑戰(zhàn) 。

② 高延遲與大丟包率:衛(wèi)星通信的天然特點(diǎn)是高延遲和大丟包率,這對(duì)于某些實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用,如在線游戲、視頻通話等,會(huì)產(chǎn)生較大的影響。如何降低衛(wèi)星通信的延遲和丟包率,提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性,是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

③ 頻譜資源管理:衛(wèi)星通信頻譜資源有限,而不同地區(qū)、不同應(yīng)用對(duì)頻譜的需求也存在差異。如何在星地融合網(wǎng)絡(luò)中合理配置、管理和共享頻譜資源,以滿足不同用戶和應(yīng)用的需求,是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

④ 安全與隱私保護(hù):星地融合網(wǎng)絡(luò)涉及大量的用戶數(shù)據(jù)傳輸和信息交換,因此安全和隱私保護(hù)是至關(guān)重要的。網(wǎng)絡(luò)中的通信數(shù)據(jù)容易受到竊聽(tīng)、篡改和惡意攻擊,如何在星地融合網(wǎng)絡(luò)中建立高效的安全機(jī)制和隱私保護(hù)策略,確保用戶數(shù)據(jù)的安全性,是一個(gè)復(fù)雜而重要的問(wèn)題。

⑤ 互操作性與標(biāo)準(zhǔn)化:由于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面網(wǎng)絡(luò)是兩種不同的網(wǎng)絡(luò)體系,各自擁有一套獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。為了實(shí)現(xiàn)星地融合網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接與互操作,需要制定一套統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。因此,如何在國(guó)際范圍內(nèi)達(dá)成一致,推進(jìn)星地融合網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作,是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。

⑥ 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與移動(dòng)管理:星地融合網(wǎng)絡(luò)由于拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化,需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)組網(wǎng)。另外由于星地融合網(wǎng)絡(luò)包含地面網(wǎng)絡(luò)與低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),也因?yàn)闃I(yè)務(wù)種類繁多較為復(fù)雜,所以需要提出新的移動(dòng)管理方案,實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景下用戶的無(wú)縫連接。因此,如何進(jìn)行合理、智能的組網(wǎng)以及實(shí)現(xiàn)高效移動(dòng)管理是對(duì)提高通信質(zhì)量有重大作用的問(wèn)題[9]。

⑦ 需求與資源調(diào)度:星地融合場(chǎng)景不僅會(huì)包含地面網(wǎng)絡(luò)與低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)原本的服務(wù),還會(huì)產(chǎn)生一系列新的應(yīng)用需求,因此針對(duì)于可能有的服務(wù)需求,在不同場(chǎng)景下,如何合理調(diào)配地面與衛(wèi)星資源,實(shí)現(xiàn)最佳通信效果,是一個(gè)未知的問(wèn)題。

1.2.2 商業(yè)模式與經(jīng)濟(jì)可行性

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面網(wǎng)絡(luò)融合需要大規(guī)模的投資,包括衛(wèi)星的制造、發(fā)射、地面基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)以及運(yùn)營(yíng)成本等。由于投資回報(bào)周期較長(zhǎng),需要吸引投資者對(duì)這一領(lǐng)域產(chǎn)生興趣和信心。

由于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的復(fù)雜性,傳統(tǒng)的商業(yè)模式可能不適用于這一領(lǐng)域。需要探索新的商業(yè)模式,如聯(lián)合營(yíng)銷(xiāo)、資源共享等,以提高經(jīng)濟(jì)可行性和盈利能力。目前,在星地融合領(lǐng)域,已經(jīng)有多個(gè)運(yùn)營(yíng)商和公司投入競(jìng)爭(zhēng),其中SpaceX公司計(jì)劃投資200～300億美元建立低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)來(lái)為全球提供網(wǎng)絡(luò)連接,預(yù)期發(fā)射12 000顆低軌衛(wèi)星,目前已有數(shù)千顆衛(wèi)星發(fā)射成功[10];中國(guó)航天科技和中國(guó)航天科工兩大集團(tuán)也推出“鴻雁”和“虹云”星座系統(tǒng)來(lái)構(gòu)建全球低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)[11-12];另外,中國(guó)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司也在2020年9月在ITU申報(bào)了兩個(gè)LEO衛(wèi)星星座計(jì)劃,其中計(jì)劃發(fā)射低軌衛(wèi)星12 992顆;除了衛(wèi)星公司參與外,各行各業(yè)也積極參與到星地融合網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)當(dāng)中,傳統(tǒng)汽車(chē)行業(yè)中的吉利公司在2022年6月發(fā)射了9顆低軌衛(wèi)星來(lái)構(gòu)建衛(wèi)星星座。

因此,如何利用好星地融合網(wǎng)絡(luò),開(kāi)發(fā)其價(jià)值,在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中保持競(jìng)爭(zhēng)力,與其他行業(yè)進(jìn)行有效融合,獲得更高收益,爭(zhēng)取更大的市場(chǎng)份額,將是商業(yè)模式的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

2 典型星地融合策略

星地融合的發(fā)展路徑呈現(xiàn)出從業(yè)務(wù)融合到體制融合,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)融合的趨勢(shì)。目前,各國(guó)和相關(guān)企業(yè)提出并實(shí)踐的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面網(wǎng)絡(luò)融合策略主要有三種:星地融合策略、手機(jī)直連策略、星地組合策略。三種星地融合策略在終端、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)控制、使用頻率、空口、衛(wèi)星與地面網(wǎng)關(guān)系方面的對(duì)比如表1所示。

2.1 地面輔助策略

地面輔助策略指的是通過(guò)引入地面基站來(lái)輔助衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的地面覆蓋,終端可以在地面基站與衛(wèi)星間無(wú)縫切換,進(jìn)而提高衛(wèi)星通信信號(hào)在室內(nèi)以及樓宇間的通信質(zhì)量,解決衛(wèi)星在城市中覆蓋能力不足的痛點(diǎn)問(wèn)題。地面輔助策略由于終端可以與衛(wèi)星與地面基站進(jìn)行通信,因此就二者空中接口類型是否相同,可分為兩種情況:一種是二者使用相同空中接口,手機(jī)只需要單模式即可;另一種是兩者使用不完全一致的空口,手機(jī)采用雙模式,即衛(wèi)星模式和地面網(wǎng)絡(luò)模式。

采用地面輔助策略的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面基站輔助網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由衛(wèi)星和信關(guān)站構(gòu)成,衛(wèi)星具有非常強(qiáng)的多點(diǎn)波束能力。地面基站輔助網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)類似,由各種傳統(tǒng)地面基站組成,為城市中用戶提供更高質(zhì)量、更大容量、更低延遲通信,彌補(bǔ)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在城市中通信效果差的缺點(diǎn)。采用地面輔助策略的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋與用戶使用情況對(duì)兩種通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靈活調(diào)度與分配,讓終端時(shí)刻保持最佳通信狀態(tài),實(shí)現(xiàn)在衛(wèi)星與地面基站間無(wú)縫切換。

歐美等國(guó)較早地開(kāi)展了星地融合網(wǎng)絡(luò)方面的研究和系統(tǒng)建設(shè),基于地面輔助網(wǎng)絡(luò)策略的星地融合應(yīng)用有輔助地面組件(Ancillary Terrestrial Component,ATC)和互補(bǔ)地面組件(Complementary Ground Component,CGC)。2006年,沈榮駿院士首先提出了我國(guó)“天地一體化”的概念及總體構(gòu)想,隨著深入論證,確定了“天網(wǎng)地網(wǎng)”是適合我國(guó)星地融合網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？紤]到地面輔助策略的“透明”特性,用戶可以在地面基站和衛(wèi)星之間無(wú)縫切換,不會(huì)覺(jué)察是正在使用基站還是衛(wèi)星進(jìn)行通信,因此,借鑒地面輔助策略來(lái)實(shí)現(xiàn)星地融合的無(wú)線接入對(duì)于我國(guó)天地一體化建設(shè)具有重要的影響。

2.2 星地一體化策略

2.2.1 融合策略

星地一體化策略的發(fā)展與非地面網(wǎng)絡(luò)(Non-Terrestrial Network,NTN)的提出緊密相關(guān)。NTN是3GPP在R17階段制定的基于新空口技術(shù)的終端與衛(wèi)星直接通信技術(shù),是地面蜂窩通信技術(shù)的重要補(bǔ)充,是手機(jī)直連衛(wèi)星的技術(shù)方向之一。針對(duì)衛(wèi)星通信場(chǎng)景距離遠(yuǎn)、移動(dòng)快、覆蓋廣帶來(lái)的多普勒頻偏大、信號(hào)衰減大和傳播時(shí)延大等問(wèn)題,NTN進(jìn)行了空口增強(qiáng)協(xié)議設(shè)計(jì),引入了調(diào)度時(shí)序管理、HARQ功能編排、上行傳輸時(shí)延補(bǔ)償、空地快速切換等先進(jìn)技術(shù),已具備基本衛(wèi)星通信能力。

NTN包括基于非陸地網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)終端接入(NTN-IoT)和基于非陸地網(wǎng)絡(luò)的5G智能終端接入(NTN-NR)兩個(gè)工作組,NTN-IoT側(cè)重支持低復(fù)雜度eMTC和NB-IoT終端的衛(wèi)星物聯(lián)業(yè)務(wù),如全球資產(chǎn)追蹤(例如海上集裝箱或蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之外的其他終端),NTN-NR則側(cè)重于支持5G智能設(shè)備的通信應(yīng)用,如實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與手機(jī)的直接連接來(lái)提供語(yǔ)音電話以及通信服務(wù)。

NTN有透明傳輸與非透明傳輸兩種方式。衛(wèi)星透明傳輸過(guò)程中,只按需求對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸,而不進(jìn)行任何改變,衛(wèi)星透明傳輸產(chǎn)生的時(shí)延為從網(wǎng)關(guān)經(jīng)衛(wèi)星到用戶所用時(shí)間。非透明傳輸則賦予衛(wèi)星更多基站功能,此時(shí)衛(wèi)星不僅可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸,還可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼、調(diào)制等內(nèi)容。非透明傳輸產(chǎn)生的時(shí)延為從衛(wèi)星到用戶所用時(shí)間。

星地一體化策略與地面輔助策略非常相似,不同之處在于:

① 星地一體化策略下衛(wèi)星通信系統(tǒng)的空中接口與地面移動(dòng)通信網(wǎng)完全相同,如GSM、LTE等,終端就是地面網(wǎng)的手機(jī);而地面輔助策略的衛(wèi)星空口可以與地面網(wǎng)不一致,終端也可以是雙模的。

② 地面輔助策略使用的頻譜為衛(wèi)星頻率,授權(quán)在整個(gè)北美和歐盟國(guó)家,網(wǎng)絡(luò)控制中心是由衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商建立的,對(duì)空間網(wǎng)絡(luò)和輔助地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制相對(duì)容易;而星地一體化策略的使用頻率是地面網(wǎng)頻率,在各個(gè)國(guó)家均不一致,網(wǎng)絡(luò)控制中心協(xié)調(diào)控制難度比地面輔助策略大得多。

2.2.2 融合模式

隨著地面電信廠商的推動(dòng),星地一體化化策略逐步得到驗(yàn)證,并探索出多種融合模式。通過(guò)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的一體化、運(yùn)營(yíng)模式的協(xié)同融合化,可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信的大眾消費(fèi)化,極大地推動(dòng)了6G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,充盈了民眾的通信需求并優(yōu)化了用網(wǎng)體驗(yàn)。目前,各電信廠商應(yīng)用的星地一體化策略主要分為以下三種融合模式:MSS系統(tǒng)+多模終端、3G/4G/5G基站衛(wèi)星+手機(jī)、3GPP NTN衛(wèi)星+終端。

(1) MSS系統(tǒng)+多模終端

MSS系統(tǒng)+多模終端的融合模式中為手機(jī)設(shè)置衛(wèi)星通信模塊與移動(dòng)通信模塊,其中移動(dòng)通信模塊與普通手機(jī)一致,負(fù)責(zé)與基站進(jìn)行基礎(chǔ)通信,而衛(wèi)星通信模塊負(fù)責(zé)與衛(wèi)星保持通信,如圖1所示。MSS系統(tǒng)+多模終端的融合模式通過(guò)硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面網(wǎng)絡(luò)融合,使得手機(jī)同時(shí)具有與衛(wèi)星與地面基站的通信能力。該種融合模式可以直接使用現(xiàn)有衛(wèi)星通信硬件,因此無(wú)需改變衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)星地融合,成本更低,更易實(shí)現(xiàn),因此現(xiàn)如今在手機(jī)上廣泛運(yùn)用,例如iPhone與Global Star合作、北斗與Mate50和Axon 50合作。

圖1 MSS系統(tǒng)+多模終端融合模式Fig.1 MSS system + multimode terminal convergence model

(2) 3G/4G/5G基站衛(wèi)星+手機(jī)

3G/4G/5G基站衛(wèi)星+手機(jī)的融合模式是在低軌衛(wèi)星中布設(shè)3G/4G/5G基站,使得低軌衛(wèi)星具有與地面手機(jī)終端直接通信的能力,如圖2所示。其中核心網(wǎng)通過(guò)地面信關(guān)站與低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)連接,低軌衛(wèi)星從核心網(wǎng)獲取終端所需數(shù)據(jù),并直接傳輸給地面用戶終端。相比起MSS系統(tǒng)+多模終端的融合模式,該模式需要重新建設(shè)衛(wèi)星與相關(guān)硬件,成本更高,但也能簡(jiǎn)化通信復(fù)雜度,僅需衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)全部通信。3G/4G/5G基站衛(wèi)星+手機(jī)的融合模式被廣泛看好,現(xiàn)如今被Starlink、Lynk和AST廣泛采用。

圖2 3G/4G/5G基站衛(wèi)星+手機(jī)融合模式Fig.2 3G/4G/5G base station satellite + cellular phone convergence model

(3) 3GPP NTN衛(wèi)星+終端

3GPP NTN衛(wèi)星+終端的融合模式基于3GPP標(biāo)準(zhǔn),與3G/4G/5G基站衛(wèi)星+手機(jī)的融合模式類似,均采用低軌衛(wèi)星與地面信關(guān)站連接來(lái)獲取核心網(wǎng)中目標(biāo)數(shù)據(jù)。與3G/4G/5G基站衛(wèi)星+手機(jī)的融合模式不同,3GPP NTN衛(wèi)星+終端的融合模式嚴(yán)格采用3GPP的非地面網(wǎng)絡(luò)規(guī)范設(shè)計(jì)星座運(yùn)行模式,可以向各類用戶終端提供服務(wù),并不局限于手機(jī)終端,如圖3所示。該模式支持手機(jī)語(yǔ)音與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)直連,且可以在現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)終端基礎(chǔ)上改造實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入,成本更低,也具有巨大的應(yīng)用潛力,現(xiàn)如今被Omnispace、MTK和展訊等企業(yè)廣泛布局。

圖3 3GPP NTN衛(wèi)星+終端融合模式Fig.3 3GPP NTN satellite + terminal convergence model

星地一體化策略可以為包括手機(jī)在內(nèi)的終端產(chǎn)品提供更加便捷、可靠的移動(dòng)通信手段,彌補(bǔ)地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋率低的劣勢(shì),是未來(lái)6G星地融合重要的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)外在星地一體化策略方面的嘗試也為我國(guó)星地融合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了重要的參考。在MSS系統(tǒng)+多模終端模式下,我國(guó)的華為公司走在前列,通過(guò)與北斗合作為旗下的手機(jī)提供窄帶應(yīng)急服務(wù),vivo、OPPO等手機(jī)廠家也已開(kāi)始在該領(lǐng)域深入布局。手機(jī)直連方面,中國(guó)移動(dòng)于2023年5月率先完成國(guó)內(nèi)首款5G IoT NTN手機(jī)直連衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證,可支持雙向語(yǔ)音對(duì)講和文字消息。在MWC上海展上,中國(guó)電信、中興通訊、中國(guó)信科、紫光展銳、移遠(yuǎn)通信也發(fā)布了手機(jī)直連衛(wèi)星通信產(chǎn)品。

2.3 星地組合策略

隨著低軌巨型通信星座的建設(shè)和投入使用,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的另一種選擇。低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)不是為了替代地面5G網(wǎng)絡(luò),雖然目前兩個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,但各衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的目標(biāo)是與地面網(wǎng)絡(luò)相互補(bǔ)充。

衛(wèi)星5G主要有以下4種應(yīng)用場(chǎng)景:

① 基于衛(wèi)星的5G內(nèi)容分發(fā):借助衛(wèi)星的廣播服務(wù),將多媒體內(nèi)容高效地分發(fā)與卸載到網(wǎng)絡(luò)邊緣。

② 基于衛(wèi)星的5G固定回程:為地面5G網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋的區(qū)域(海上、島嶼、邊遠(yuǎn)山區(qū)、農(nóng)村等)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù),以經(jīng)濟(jì)高效的方式,提升地面網(wǎng)絡(luò)的性能。

③ 基于衛(wèi)星的5G到戶業(yè)務(wù):補(bǔ)充地面網(wǎng)絡(luò)的連通性,例如與地面無(wú)線或有線相結(jié)合,為地面網(wǎng)絡(luò)不足的家庭或辦公場(chǎng)所提供寬帶連接。

④ 基于衛(wèi)星的5G移動(dòng)平臺(tái)回傳業(yè)務(wù):寬帶連接到移動(dòng)平臺(tái),如飛機(jī)、船舶等,提供服務(wù)的連續(xù)性。

在這4個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中,衛(wèi)星通信系統(tǒng)解決的是5G中傳和后傳問(wèn)題,主要起到承載網(wǎng)的作用。目前,采用星地組合策略的主要是低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)公司,如SpaceX的Starlink和OneWeb。

在星地組合策略中,采用Ku/Ka等高頻段實(shí)現(xiàn)信關(guān)站、用戶終端和低軌衛(wèi)星三者間的互聯(lián)互通,通過(guò)低軌衛(wèi)星星間鏈路或地面網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸實(shí)現(xiàn)不同用戶終端設(shè)備中的通信,實(shí)現(xiàn)“移動(dòng)無(wú)線光纖”的效果,如圖4所示。

隨著各國(guó)低軌衛(wèi)星星座的建設(shè),星地組合策略的應(yīng)用也備受矚目,相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)體系和靈活的融合方式使得星地組合策略具有更高的技術(shù)成熟度。我國(guó)低軌衛(wèi)星星座的建設(shè)由中國(guó)星網(wǎng)引領(lǐng),各科研院所與商業(yè)航天公司提供技術(shù)支撐,共同發(fā)展我國(guó)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)事業(yè)。2022年3月,銀河航天成功發(fā)射6顆低軌衛(wèi)星,與銀河航天首發(fā)星組成我國(guó)首個(gè)低軌寬帶通信試驗(yàn)星座,并構(gòu)建星地融合5G試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)“小蜘蛛網(wǎng)”,具備單次30 min左右的不間斷、低時(shí)延寬帶通信服務(wù)能力,可用于我國(guó)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、星地融合網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)驗(yàn)證。

3 星地融合系統(tǒng)與應(yīng)用

3.1 ATC規(guī)則

在電信監(jiān)管領(lǐng)域,美國(guó)FCC于2003年發(fā)布了全球首個(gè)天地一體化的監(jiān)管規(guī)則——ATC。以ATC技術(shù)為主的星地融合系統(tǒng)在地面部分與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部分采用完全相同的技術(shù)手段、管理策略和頻譜以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接[13]。

3.1.1 ATC規(guī)則概述

星地融合網(wǎng)絡(luò)中的ATC能夠有效提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用效率與城市區(qū)域通信質(zhì)量。MSV(Mobile Satellite Venture)公司在移動(dòng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上引入ATC提出星地融合系統(tǒng)架構(gòu):MSS-ATC。MSS-ATC主要包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面輔助網(wǎng)絡(luò)兩部分,用戶終端可以選擇直接連接ATC地面輔助基站,也可以直接連接衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),同時(shí)也可以在二者之間無(wú)縫自由切換。傳統(tǒng)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)會(huì)因?yàn)槌鞘兄忻芗慕ㄖ憾鴮?dǎo)致在市區(qū)與室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)覆蓋與通信體驗(yàn)較差,因此引入ATC可以借助地面網(wǎng)絡(luò)在市區(qū)范圍內(nèi)覆蓋效果較好的特性,實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)景、全時(shí)間的無(wú)縫切換與高質(zhì)量通信覆蓋。另外,MSS-ATC可以在地面網(wǎng)絡(luò)中對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)頻段進(jìn)行復(fù)用來(lái)傳輸信息,因此引入ATC來(lái)進(jìn)行地面網(wǎng)絡(luò)傳輸能夠提高衛(wèi)星頻譜利用效率。FCC指出,在擁有海量用戶的城市中使用ATC可以提高并擴(kuò)大MSS服務(wù)的可靠性,同時(shí)有效利用衛(wèi)星頻譜,因此授予MSV第一個(gè)ATC許可證,允許MSV在農(nóng)村、市區(qū)和建筑物內(nèi)提供高效、高質(zhì)量、高可靠的通信服務(wù)。FCC將ATC規(guī)則設(shè)想為一種手段,目的是讓MSS運(yùn)營(yíng)商使用已授權(quán)的衛(wèi)星頻譜資源,建設(shè)地面移動(dòng)通信設(shè)施,為衛(wèi)星難以提供服務(wù)的區(qū)域(如城市地區(qū)和建筑物內(nèi)部)提供更好的覆蓋,增強(qiáng)其移動(dòng)服務(wù)能力。

考慮到衛(wèi)星業(yè)務(wù)的重要作用,FCC采取措施以確保ATC保持對(duì)MSS的輔助,MSS-ATC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。為此,FCC要求ATC申請(qǐng)人實(shí)施ATC必須滿足的5個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)”,包括:① 確保MSS覆蓋范圍;② 在開(kāi)始ATC操作后一年內(nèi)有一顆備用衛(wèi)星;③ MSS服務(wù)的商業(yè)可用性(綜合服務(wù)能力);④ ATC必須與MSS工作頻段相同;⑤ 運(yùn)營(yíng)商提供的所有手機(jī)均為雙模手機(jī)(MSS和ATC)。

隨著ATC技術(shù)的進(jìn)步,MSS頻帶為寬帶業(yè)務(wù)的擴(kuò)展提供了肥沃的土壤。MSS頻段為關(guān)鍵的移動(dòng)通信需求保留了全球訪問(wèn),具有足夠的連續(xù)頻譜適合寬帶業(yè)務(wù)。FCC的決定允許MSS運(yùn)營(yíng)商部署輔助地面網(wǎng)絡(luò),并通過(guò)ATC的技術(shù)將MSS頻譜用于寬帶服務(wù)。

3.1.2 運(yùn)營(yíng)情況

自2003年ATC規(guī)則通過(guò)以來(lái),FCC向4家MSS運(yùn)營(yíng)商授權(quán)ATC業(yè)務(wù)。

(1) LIGHTSQUARED/Ligado

在ATC規(guī)則通過(guò)10個(gè)月后,Ligado成為第一個(gè)獲得ATC授權(quán)的MSS運(yùn)營(yíng)商。但Ligado從未提供滿足FCC規(guī)則的ATC服務(wù)。其中Ligado地面網(wǎng)絡(luò)一直存在干擾鄰頻段GPS的問(wèn)題,為了解決這種干擾,建立了多個(gè)利益相關(guān)方組成的工作組,研究消除對(duì)GPS干擾的可能性。不過(guò)經(jīng)過(guò)多輪探討,Ligado最終沒(méi)有給出切實(shí)可行的方法來(lái)減輕潛在的干擾。

(2) Globalstar

2006年,Globalstar成為第二個(gè)獲得ATC授權(quán)的MSS運(yùn)營(yíng)商。兩年后,由于其未能推出ATC服務(wù),Globalstar要求修改其ATC許可證。在2008年10月,FCC認(rèn)為Globalstar提出的修改不符合ATC標(biāo)準(zhǔn)中的三個(gè),不過(guò)FCC仍暫時(shí)同意修改請(qǐng)求。在2009年,FCC否決了Globalstar希望延長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)的豁免時(shí)間的申請(qǐng),并于2010年9月暫停了Globalstar的ATC授權(quán)。

(3) DBSD和TERRESTAR

2009年,2 GHz MSS頻段的運(yùn)營(yíng)商DBSD衛(wèi)星服務(wù)有限公司成為獲得ATC授權(quán)的第三家MSS運(yùn)營(yíng)商。2010年,也是2 GHz MSS頻段的運(yùn)營(yíng)商Terre Star LicenseInc.成為第四個(gè)獲得ATC授權(quán)的MSS運(yùn)營(yíng)商。但兩家公司均未提供ATC服務(wù),并相繼破產(chǎn)。

4家ATC授權(quán)運(yùn)營(yíng)商均未按照規(guī)則的設(shè)想建立一個(gè)集成的ATC網(wǎng)絡(luò),也還沒(méi)有一個(gè)客戶獲得過(guò)ATC服務(wù)。除Globalstar外,其他三家MSS運(yùn)營(yíng)商基本上放棄了衛(wèi)星業(yè)務(wù)。

形成這一局面的主要原因是:在地面網(wǎng)絡(luò)和MSS網(wǎng)絡(luò)使用同樣頻率需要進(jìn)行極其復(fù)雜的協(xié)調(diào),運(yùn)營(yíng)商在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都沒(méi)有完全做到將ATC納入MSS系統(tǒng)。為了解決地面部分和衛(wèi)星部分的干擾問(wèn)題,MSS運(yùn)營(yíng)商被迫限制衛(wèi)星客戶的可用頻率來(lái)發(fā)展地面服務(wù),這是因?yàn)榈孛娣?wù)的提高必然會(huì)以犧牲衛(wèi)星服務(wù)為代價(jià)。

目前,美國(guó)衛(wèi)星界已經(jīng)意識(shí)到ATC規(guī)則的復(fù)雜性及其與現(xiàn)實(shí)之間的矛盾,ATC不但沒(méi)有增強(qiáng)MSS業(yè)務(wù),甚至它有可能會(huì)削弱衛(wèi)星業(yè)務(wù)的地位,因此呼吁FCC取消ATC規(guī)則的聲音漸起,人們開(kāi)始重新審視ATC規(guī)則的可行性。

3.1.3 頻率使用情況

實(shí)施ATC規(guī)則的共有三個(gè)頻段:L頻段中下行鏈路使用1 525～1 544 MHz、1 545～1 559 MHz,上行鏈路使用1 626.5～1 645.5 MHz、1 646.5～1 660.5 MHz和1 610～1 626.5 MHz;S頻段中上行鏈路使用2 000～2 020 MHz,下行鏈路使用2 180～2 200 MHz、2 483.5～2 500 MHz。

3.2 CGC規(guī)則

為了擴(kuò)展衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò),歐盟也在美國(guó)FCC的ATC規(guī)則之后發(fā)布了同樣引入地面輔助設(shè)備的CGC規(guī)則來(lái)建立EAN網(wǎng)絡(luò)。

與ATC類似,CGC設(shè)備屬于衛(wèi)星系統(tǒng),共享衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)頻譜,由系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度進(jìn)行頻率復(fù)用,可以提高用戶在市區(qū)與室內(nèi)的信號(hào)接受效果,實(shí)現(xiàn)用戶的穩(wěn)定無(wú)縫訪問(wèn)[14]。

3.2.1 CGC規(guī)則概述

繼美國(guó)通過(guò)ATC政策后,2009年盟歐盟委員會(huì)出臺(tái)一項(xiàng)決定,即2009/449/EC號(hào)決定,選擇Inmarsat和Solaris(現(xiàn)在的EchoStar)作為2 GHz MSS運(yùn)營(yíng)商,并要求歐盟成員國(guó)授權(quán)這兩家運(yùn)營(yíng)商在其管轄范圍內(nèi)提供MSS和CGC業(yè)務(wù)。

CGC與美國(guó)FCC的ATC含義基本一致,也是為補(bǔ)充MSS業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)的、由地面設(shè)施向用戶提供服務(wù)。但由于當(dāng)時(shí)有關(guān)CGC可能支持的服務(wù)類型還沒(méi)有具體計(jì)劃,歐洲的CGC業(yè)務(wù)也一直沒(méi)有開(kāi)展起來(lái)。

Inmarsat的EAN是“天地一體”的S-band歐洲航空網(wǎng)絡(luò)?！疤臁辈糠质且苿?dòng)通信衛(wèi)星(MSS),“地”部分是地面4G/LTE網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星、地面網(wǎng)絡(luò)采用同樣的S-band頻率,共同為歐洲空域的民航客機(jī)服務(wù),機(jī)艙系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行衛(wèi)星通信、地面基站通信之間的切換。

美國(guó)ATC規(guī)則在實(shí)施時(shí)遇到的一個(gè)重要問(wèn)題就是衛(wèi)星和地面系統(tǒng)間的干擾控制問(wèn)題,主要存在四種干擾場(chǎng)景:① 地面終端對(duì)MSS衛(wèi)星;② MSS終端對(duì)地面基站;③ MSS衛(wèi)星對(duì)地面終端;④ 地面基站對(duì)MSS終端。其中,②和④干擾最難控制。

圖6展示了集成MSS系統(tǒng)架構(gòu)。該系統(tǒng)由衛(wèi)星和CGC組成,以MSS頻率運(yùn)行,CGC可以重用衛(wèi)星頻率。衛(wèi)星管理系統(tǒng)應(yīng)在滿足兩部分業(yè)務(wù)需求的前提下,通過(guò)最大限度地提高系統(tǒng)整體吞吐量,對(duì)CGC進(jìn)行頻率、子載波、功率等資源的有效分配,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化部署。衛(wèi)星(SAT)/CGC門(mén)路可以根據(jù)衛(wèi)星和CGC網(wǎng)絡(luò)的情況來(lái)決定哪個(gè)組件適合進(jìn)行分組傳輸。

3.2.2 運(yùn)營(yíng)情況

EAN由Inmarsat和德國(guó)電信以及Thales、Nokia、Airbus、Cobham、EADAerospace合作開(kāi)發(fā)。其中Inmarsat的S頻段載荷搭載在希臘Hellas衛(wèi)星公司的HellasSat-3上,三個(gè)波束覆蓋歐盟28個(gè)國(guó)家外加瑞士、挪威及歐洲周邊海域,LTE由德國(guó)電信建設(shè)300個(gè)基站。整個(gè)EAN網(wǎng)的通信容量達(dá)90 Gbit/s。

衛(wèi)星接入站是Inmarsat的S波段衛(wèi)星與互聯(lián)網(wǎng)之間網(wǎng)關(guān),位于希臘Nemea,天線口徑13 m。無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)由Cobham SATCOM提供。EAN終端高度緊湊,僅重幾千克,每架飛機(jī)安裝時(shí)間不到9 h,這意味著航空公司的停機(jī)時(shí)間大大減少。

2017年2月,完成EAN衛(wèi)星接入站測(cè)試和驗(yàn)證,2018年1月,Inmarsat、德國(guó)電信和IAG(International Consolidated Airlines Group)聯(lián)合宣布EAN正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。目前,EAN已為British Airways、Aer Lingus、Iberia、Vueling、Lufthansa等航空公司提供服務(wù),每架飛機(jī)下行數(shù)據(jù)速率為75 Mbit/s,上行數(shù)據(jù)速率為20 Mbit/s。

3.2.3 頻率使用情況

CGC系統(tǒng)中衛(wèi)星、地面網(wǎng)絡(luò)采用S頻段,其中使用的兩個(gè)30 MHz被劃分為帶寬相等的連續(xù)子頻段,用于地對(duì)空通信(上行鏈路)和空對(duì)地通信(下行鏈路),以便最有效地利用。上行鏈路使用1 980～1 995 MHz和1 995～2 010 MHz頻段,下行鏈路使用2 170～2 185 MHz和2 185～2 200 MHz頻段。

3.3 蘋(píng)果/華為直連衛(wèi)星服務(wù)

蘋(píng)果/華為率先在手機(jī)中推出直連衛(wèi)星服務(wù),使手機(jī)在連接地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上具有與全球衛(wèi)星系統(tǒng)通信的能力,能夠與衛(wèi)星進(jìn)行短報(bào)文通信。

3.3.1 系統(tǒng)概述

蘋(píng)果/華為直連衛(wèi)星服務(wù)中使用MSS系統(tǒng)+多模終端的融合模式,其中蘋(píng)果/華為分別利用現(xiàn)有的Globalstar/北斗全球衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直連衛(wèi)星服務(wù)。Globalstar/北斗全球衛(wèi)星系統(tǒng)均具有通信功能,可以在無(wú)需地面網(wǎng)絡(luò)情況下為地面終端提供通信服務(wù)。蘋(píng)果和華為作為手機(jī)廠商率先將衛(wèi)星系統(tǒng)通信終端設(shè)備與手機(jī)通信終端進(jìn)行融合,使得手機(jī)同時(shí)具有與衛(wèi)星以及地面通信的能力。

蘋(píng)果/華為手機(jī)可以選擇通信方式,在選擇與衛(wèi)星通信過(guò)程中,由全球衛(wèi)星系統(tǒng)接收信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)至地面信關(guān)站,地面信關(guān)站根據(jù)信號(hào)內(nèi)容與形式選擇具體的服務(wù)類型,為終端設(shè)備提供短信或緊急救援等服務(wù)。

蘋(píng)果/華為手機(jī)的直連衛(wèi)星利用現(xiàn)有成熟衛(wèi)星通信設(shè)備,在不改造衛(wèi)星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過(guò)終端融合與軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的星地融合,使得手機(jī)具有同時(shí)與地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星系統(tǒng)通信能力。

3.3.2 運(yùn)營(yíng)情況

華為直連衛(wèi)星服務(wù)主要提供短信收發(fā)業(yè)務(wù),用戶終端可以通過(guò)北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)短信,之后經(jīng)由地面運(yùn)營(yíng)商基站進(jìn)行發(fā)送。這種衛(wèi)星短信發(fā)送服務(wù)不限制接收方手機(jī)類型,即使對(duì)方不具有直連衛(wèi)星能力也可以收到信息。華為直連衛(wèi)星服務(wù)讓手機(jī)具備與衛(wèi)星通信能力,即使無(wú)法與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接,也可以維持通信服務(wù)。

蘋(píng)果直連衛(wèi)星服務(wù)主要面向應(yīng)急救援,在遭遇突發(fā)危險(xiǎn)狀況時(shí)可以向衛(wèi)星發(fā)射求救信息,由蘋(píng)果地面站與救援應(yīng)答中心接收,根據(jù)用戶位置與身體信息,盡快提供醫(yī)療服務(wù)。相比于華為直連衛(wèi)星服務(wù),蘋(píng)果短信服務(wù)內(nèi)容較為有限,僅支持向普通用戶在緊急情況下發(fā)送定位信息,主要面向應(yīng)急情況下的緊急救援。

華為與蘋(píng)果通過(guò)硬件集成與軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星直連,將原本用戶規(guī)模小、適用范圍窄的衛(wèi)星通信大眾消費(fèi)化,使其變?yōu)槭袌?chǎng)更大的公網(wǎng),讓普通消費(fèi)者享受星地融合的便利性。

3.3.3 頻率使用情況

蘋(píng)果/華為直連衛(wèi)星服務(wù)采用L/S頻段進(jìn)行通信。其中華為手機(jī)直連北斗衛(wèi)星中上行鏈路工作頻率為1 610.0～1 626.5 MHz,下行鏈路工作頻率為2 483.5～2 495.0 MHz;而蘋(píng)果手機(jī)直連Globalstar中上行鏈路工作頻率為1 610.0～1 626.5 MHz,下行鏈路工作頻率為2 483.5～2 495.0 MHz。

3.4 AST計(jì)劃

受空中接口、衛(wèi)星能力的限制,無(wú)論是采用ATC或者是CGC規(guī)則,均需要專門(mén)的衛(wèi)星終端,與地面系統(tǒng)融合的主要方式是采用雙模終端。AST &Science公司提出了一項(xiàng)AST SpaceMobile計(jì)劃,與目前可用的解決方案不同,它們不需要專用的衛(wèi)星電話或任何地面移動(dòng)電話的附件(在手機(jī)外套加衛(wèi)星射頻部分),直接使用地面網(wǎng)的手機(jī),也不需要對(duì)軟件進(jìn)行任何更改。通過(guò)建造一個(gè)由數(shù)百顆大型衛(wèi)星組成的星座,可以直接向地球上的手機(jī)提供4G甚至5G寬帶連接,其本質(zhì)上是將“基站”送入太空,通過(guò)在太空中部署巨型基站,就像地球軌道上放置提供準(zhǔn)無(wú)線3GPP頻譜的巨大平臺(tái),概念圖如圖7所示。相比于主要提供家庭寬帶服務(wù)的Starlink或Kuiper等衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目,AST的服務(wù)可直接為全球任意位置的手機(jī)用戶提供高速的蜂窩寬帶網(wǎng)絡(luò)。

AST解決方案面臨的主要障礙是:衛(wèi)星能力以及與地面共用頻率。由于衛(wèi)星信道傳輸環(huán)境與地面系統(tǒng)不同,衛(wèi)星用戶鏈路需要對(duì)地面空中接口進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn),而AST完全采用地面網(wǎng)的空中接口,需要衛(wèi)星有強(qiáng)大的適配能力。此外,AST將使用地面電信運(yùn)營(yíng)商擁有的頻譜,這將需要對(duì)已授予地面使用的當(dāng)前頻譜許可證進(jìn)行更改,這是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。另一方面,根據(jù)AST &Science公司提供的方案,為了提高衛(wèi)星系統(tǒng)的通信能力,需要采用高增益相控陣天線,因此衛(wèi)星的體積將會(huì)非常大。

3.4.1 AST計(jì)劃概述

AST計(jì)劃于2022年開(kāi)始部署星座,預(yù)計(jì)到2028年發(fā)射240多顆藍(lán)鳥(niǎo)(BlueBird)衛(wèi)星。每顆BlueBird重約3 t,由一個(gè)中央“總線”和20 m×20 m相控陣天線組成,使其成為有史以來(lái)體積最大的衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星的成本預(yù)計(jì)約為1 000萬(wàn)美元。該星座將在地球周?chē)?00 km的高度運(yùn)行,衛(wèi)星的預(yù)期壽命為10年。AST SpaceMobile的一切設(shè)計(jì)都是為了模仿地面蜂窩網(wǎng)絡(luò),有了SpaceMobile,只需要一部智能手機(jī)就可實(shí)現(xiàn)地球上任意角落的衛(wèi)星通信。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),SpaceMobile生產(chǎn)的BlueBird衛(wèi)星必須很大,在太空中,BlueBird將比一個(gè)籃球場(chǎng)更大,同時(shí)保持一個(gè)薄而扁平的形狀。每顆BlueBird衛(wèi)星將攜帶許多相控陣面板,使衛(wèi)星能夠連接數(shù)百萬(wàn)臺(tái)移動(dòng)設(shè)備,衛(wèi)星的相控陣天線如圖8所示。每顆BlueBird衛(wèi)星都會(huì)通過(guò)與地面重要電信和互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施相連的網(wǎng)關(guān)將這些設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)上。AST公司將利用模塊化方法實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的部署,就如同搭積木一樣,每個(gè)模塊單元被稱為Micron,Micron是SpaceMobile在德克薩斯州米德蘭以低成本批量生產(chǎn)的高科技衛(wèi)星組件。這些衛(wèi)星的批量生產(chǎn)使用了與消費(fèi)類電子產(chǎn)品相同的制造技術(shù),并且考慮了特殊的空間適應(yīng)性。因此這項(xiàng)技術(shù)是革命性的,這是一個(gè)全新的通信基礎(chǔ)設(shè)施,一個(gè)基于太空的蜂窩寬帶網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)將幫助當(dāng)前正在使用的50多億部手機(jī)保持連接,無(wú)論它們?cè)诘厍蛏系暮翁?它還可以幫助5億多沒(méi)有移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的人接入網(wǎng)絡(luò)。

圖8 BlueBird衛(wèi)星相控陣天線Fig.8 Phased array antenna of BlueBird satellite

3.4.2 運(yùn)營(yíng)情況

AST公司的第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星藍(lán)色漫步者1號(hào)(BlueWalker 1)于2019年4月1日搭乘一枚印度極地運(yùn)載火箭發(fā)射成功,目前衛(wèi)星軌道傾角為97.49°,軌道高度433～511 km,正在開(kāi)展技術(shù)實(shí)驗(yàn)。該衛(wèi)星為Nano Avionics公司研制的6U大小的衛(wèi)星,在850～900 MHz兩個(gè)頻段上開(kāi)展試驗(yàn),其對(duì)應(yīng)地面站采用了4.5 m的天線。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)申報(bào)文檔和衛(wèi)星實(shí)際能力分析,其可能采用了反向試驗(yàn)的方式驗(yàn)證通信鏈路,即將技術(shù)狀態(tài)相對(duì)確定的用戶終端驗(yàn)證設(shè)備發(fā)射至軌道,在地面調(diào)試技術(shù)狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜的空間系統(tǒng)驗(yàn)證設(shè)備,僅對(duì)天地互聯(lián)鏈路進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,大幅提高了空間系統(tǒng)迭代升級(jí)設(shè)計(jì)的效率。

2022年9月,AST &Science公司搭載獵鷹9號(hào)火箭成功發(fā)射了BlueWalker 3蜂窩寬帶網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星。BlueWalker 3配備一個(gè)65 m2的可折疊的巨型相控陣天線,使得衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)具有很高的指向性和增益能力,可以在為地面上的移動(dòng)設(shè)備直接提供5G寬帶連接。2023年4月,AST SpaceMobile成功地使用BlueWalker 3衛(wèi)星與智能手機(jī)進(jìn)行了雙向語(yǔ)音通話,驗(yàn)證了使用現(xiàn)有4G/5G通信頻段與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)低軌衛(wèi)星全球蜂窩寬帶服務(wù)的可能性。

3.4.3 頻率使用情況

AST與地面信關(guān)站通信中下行鏈路使用37.5～42.5 GHz頻段,上行鏈路使用45.5～47.0 GHz、47.2～50.2 GHz和50.4～51.4 GHz頻段;AST與地面固定和移動(dòng)用戶終端中下行鏈路使用617～960 MHz、1 930～1 990 MHz、2 110～2 180 MHz和2 350～2 360 MHz,上行鏈路使用663～915 MHz、1 710～1 780 MHz、1 850～1 910 MHz和2 305～2 320 MHz。

3.5 Starlink/OneWeb高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)

3.5.1 系統(tǒng)概述

Starlink星座由SpaceX公司在2014年宣布建設(shè),規(guī)劃部署12 000顆小衛(wèi)星,來(lái)為全球所有位置的用戶提供高可靠、低延時(shí)的互聯(lián)網(wǎng)與通信服務(wù)。Starlink星座的空間段由三部分組成,分別是1 584顆軌道高度為550 km的低軌衛(wèi)星、2 825顆軌道高度在1 100～1 325 km的低軌衛(wèi)星和7 518顆軌道高度為340 km的極低軌衛(wèi)星。三類衛(wèi)星工作頻段不同,功能也不同,低軌衛(wèi)星工作頻段為Ku/Ka頻段,其中軌道高度為550 km的低軌衛(wèi)星主要負(fù)責(zé)覆蓋兩極以外地區(qū)通信,而軌道高度在1 100～1 325 km的低軌衛(wèi)星負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)全球通信覆蓋;極低軌衛(wèi)星工作頻段為V頻段,其功能在于進(jìn)一步提升星座容量與通信時(shí)延。Starlink星座的用戶終端采用Ku頻段與衛(wèi)星通信[15]。

OneWeb系統(tǒng)由英國(guó)一網(wǎng)公司提出,是全球第一個(gè)低軌道巨型星座系統(tǒng)。OneWeb系統(tǒng)與Starlink系統(tǒng)均希望能提供低延遲、強(qiáng)穩(wěn)定、高質(zhì)量的全球通信服務(wù)。其分為空間段、地面段和用戶段三部分。空間段規(guī)劃中主要將衛(wèi)星分為兩類:一類是軌道高度為1 200 km的低軌衛(wèi)星,其中就87.9°、55°和40°這三個(gè)傾角又分為三類,這三類衛(wèi)星分別計(jì)劃部署有1 764顆、2 304顆和2 304顆;另一類是軌道高度為8 500 km的中軌衛(wèi)星,該類計(jì)劃部署1 280顆。地面端規(guī)劃中由于OneWeb系統(tǒng)沒(méi)有星間鏈路,因此設(shè)計(jì)部署有40多個(gè)信關(guān)站,來(lái)通過(guò)足夠多的信關(guān)站實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。OneWeb系統(tǒng)用戶段的用戶終端采用Ku頻段作為工作頻段,其通過(guò)常規(guī)地面無(wú)線通信技術(shù)連接附近用戶[16]。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方面,截止2023年7月,Starlink已發(fā)射4 859顆衛(wèi)星,已建設(shè)160余個(gè)地面站,能為用戶提供高質(zhì)量通信服務(wù),在幾十個(gè)國(guó)家均拓展實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù),另外在商業(yè)、行車(chē)出行和海事等方面均推出相應(yīng)終端與服務(wù)。截止2023年7月,OneWeb項(xiàng)目已發(fā)射648顆衛(wèi)星,在北緯50°以上地區(qū)開(kāi)通寬帶服務(wù),并與40余家公司實(shí)現(xiàn)合作。

在星地融合應(yīng)用方面,Starlink系統(tǒng)與OneWeb系統(tǒng)均可以為偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶提供穩(wěn)定、高效的網(wǎng)絡(luò)連接,為汽車(chē)與飛機(jī)上乘客提供無(wú)縫的通信服務(wù),為遭受自然災(zāi)害地區(qū)提供緊急通信輔助救援,為海上船舶提供可靠穩(wěn)定的數(shù)據(jù)連接。除此之外,Starlink系統(tǒng)也被驗(yàn)證具有軍事應(yīng)用潛力,其可以與武器平臺(tái)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,在俄烏沖突中憑借其通信能力優(yōu)異與小巧便攜特性被廣泛應(yīng)用[17]。

3.5.2 運(yùn)營(yíng)情況

在系統(tǒng)帶寬測(cè)試方面,Starlink系統(tǒng)在試驗(yàn)中可以為飛機(jī)提供610 Mbit/s帶寬的通信服務(wù),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了普通海事衛(wèi)星的服務(wù)水平,可以為海上與空中用戶提供高質(zhì)量通信保障。而OneWeb系統(tǒng)在測(cè)試中通信速率可達(dá)100 Mbit/s,證明其同樣可以提供良好的通信服務(wù)。

在系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)試方面,Starlink系統(tǒng)對(duì)普通地面用戶的傳輸時(shí)延可以達(dá)到20 ms以下,OneWeb系統(tǒng)在阿拉斯加等地區(qū)的測(cè)試時(shí)延低于50 ms,二者測(cè)試效果均小于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的200 ms延遲,證明星地融合系統(tǒng)較低的通信延遲。

可以看到,Starlink系統(tǒng)與OneWeb系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試均有較高的通信帶寬與較低的通信時(shí)延,相較于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信有更好的通信服務(wù)提供能力。

3.5.3 頻率使用情況

Starlink系統(tǒng)中衛(wèi)星饋電鏈路(衛(wèi)星和信關(guān)站之間的鏈路)中下行鏈路使用17.8～18.6 GHz、18.8～19.3 GHz、71～76 GHz和37.5～42.5 GHz頻段進(jìn)行通信,上行鏈路使用27.5～29.1 GHz、29.5～30.0 GHz、81.0～86.0 GHz、47.2～50.2 GHz和50.4～52.4 GHz進(jìn)行通信;用戶鏈路(衛(wèi)星和用戶終端之間的鏈路)中下行鏈路使用10.7～12.75 GHz、17.8～18.6 GHz、18.8～19.3 GHz、19.7～20.2 GHz和37.5～42.5 GHz頻段進(jìn)行通信,上行鏈路使用12.75～13.25 GHz、14.0～14.5 GHz、28.35～29.1 GHz、29.5～30.0 GHz、47.2～50.2 GHz和50.4～52.4GHz頻段進(jìn)行通信。

OneWeb系統(tǒng)衛(wèi)星饋電鏈路是用Ka頻段,其中下行鏈路采用17.8～20.2 GHz,而上行鏈路采用27.5～30.0 GHz;用戶鏈路使用Ku頻段,其中用戶終端到衛(wèi)星采用12.75～14.5 GHz,衛(wèi)星到用戶終端采用10.7～12.7 GHz。

4 未來(lái)展望與技術(shù)挑戰(zhàn)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面網(wǎng)絡(luò)融合策略是6G的關(guān)鍵支柱和技術(shù),此項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)理論和實(shí)踐應(yīng)用初步驗(yàn)證了星地融合帶來(lái)的性能提升以及未來(lái)廣闊的應(yīng)用前景,如個(gè)人移動(dòng)通信、交通運(yùn)輸、航空航海、電信、航天、應(yīng)急救災(zāi)等。此外,隨著衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展速度加快,其在未來(lái)6G通信網(wǎng)絡(luò)中將扮演重要的角色,星地融合通信網(wǎng)絡(luò)的形成將是未來(lái)全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋的發(fā)展趨勢(shì)[11]。為了進(jìn)一步提升星地網(wǎng)絡(luò)融合性能,未來(lái)需要開(kāi)展星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、星地一體化空口傳輸、頻譜資源管理與政策保障和大規(guī)模高增益相控陣天線等研究。

4.1 星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)多維復(fù)雜的“巨系統(tǒng)”,由多個(gè)異構(gòu)接入網(wǎng)融合,具有多層立體、動(dòng)態(tài)時(shí)變的特點(diǎn)。星地融合中采用靈活多維度的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以在網(wǎng)絡(luò)的不同節(jié)點(diǎn)中針對(duì)需求實(shí)現(xiàn)各種功能,提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

中信科移動(dòng)發(fā)布的星地融合通信白皮書(shū)中指出,星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括圖9所示的終端、無(wú)線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)四部分,此外,還有應(yīng)用系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)?？紤]到星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)承載的服務(wù)呈現(xiàn)出多類型并發(fā)、業(yè)務(wù)需求差異化等鮮明特征[18],此架構(gòu)需支持基于TN和NTN的多種通信接入方式,手機(jī)或者VSAT終端可直接接入。對(duì)于NTN來(lái)說(shuō),星上處理(OBP)模式和星間鏈路的使用可以使信關(guān)站布站的數(shù)量和難度大幅度降低。受技術(shù)條件、發(fā)射能力和成本的約束,以及通信監(jiān)管的需要,星地融合通信系統(tǒng)未來(lái)也可能采用透明轉(zhuǎn)發(fā)(TP)的模式。由于星地融合通信系統(tǒng)需要在全球運(yùn)營(yíng),各個(gè)國(guó)家監(jiān)管機(jī)構(gòu)可能要求在其國(guó)家內(nèi)建立獨(dú)立的信關(guān)站和核心網(wǎng)。綜合以上考慮,未來(lái)的星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)支持基于多運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)的接入網(wǎng)共享方式,多個(gè)核心網(wǎng)共享接入網(wǎng),支持TN、NTN-OBP和NTN-TP混合組網(wǎng)的方式。

圖9 星地融合網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)Fig.9 Satellite-ground fusion network communication architecture

星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有多層立體、動(dòng)態(tài)時(shí)變的特點(diǎn),導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜不易設(shè)計(jì),另外網(wǎng)絡(luò)的高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景也會(huì)造成信號(hào)傳輸與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾砝щy,影響星地融合網(wǎng)絡(luò)的通信服務(wù)能力。未來(lái)構(gòu)建星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還需對(duì)現(xiàn)有架構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整,針對(duì)性解決高動(dòng)態(tài)問(wèn)題,提升信號(hào)傳輸質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾砟芰?優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)更高通信質(zhì)量。

4.2 星地一體化空口傳輸

星地一體化的空口傳輸技術(shù)是星地融合從業(yè)務(wù)融合、通信體制融合向系統(tǒng)全面融合發(fā)展、實(shí)現(xiàn)泛在互聯(lián)的重要途徑,是實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物互聯(lián)”“隨遇接入”“全球無(wú)縫覆蓋”的重要方式。包括統(tǒng)一的波形與調(diào)制方式選擇、時(shí)頻同步、接入和移動(dòng)性管理等。

星地一體化空口設(shè)計(jì)思路如圖10所示,設(shè)計(jì)由具體的業(yè)務(wù)需求出發(fā),利用網(wǎng)絡(luò)的智能感知發(fā)現(xiàn)可用資源,通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的配置與選擇滿足業(yè)務(wù)需求[19]。其中實(shí)現(xiàn)星地一體化傳輸?shù)闹攸c(diǎn)是規(guī)范統(tǒng)一的傳輸波形并構(gòu)建可配置的空口參數(shù)集合,典型的無(wú)線空口參數(shù)集包括傳輸波形、子載波間隔、調(diào)制方式、傳輸信道帶寬、同步信道帶寬、天線端口配置、隨機(jī)接入格式等參數(shù)[20]。

圖10 星地統(tǒng)一空口設(shè)計(jì)思路Fig.10 Unified air interface design concept for satellite-ground

統(tǒng)一空口設(shè)計(jì)的核心是基于可變參數(shù)的空口配置技術(shù),其可以根據(jù)具體的傳輸需求與應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的空口配置方案與網(wǎng)絡(luò)接入。終端在空口設(shè)計(jì)中不需要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)類型,只需要分析判斷網(wǎng)絡(luò)資源能否滿足傳輸需求,在此基礎(chǔ)上根據(jù)需求配置合適的參數(shù),通過(guò)靈活的空口參數(shù)配置來(lái)適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

4.3 頻譜資源管理與政策保障

通信中的頻譜資源異常稀缺珍貴,因此如何利用有限的頻譜資源為盡可能多的用戶提供高質(zhì)量服務(wù)成為所有通信系統(tǒng)都需要解決的難題。另外,星地融合場(chǎng)景下存在地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)這兩種不同的通信方式,因此解決不同網(wǎng)絡(luò)間的頻譜干擾與競(jìng)爭(zhēng)也變得尤為重要。星地融合通信網(wǎng)絡(luò)需要突破傳統(tǒng)的頻率硬性分割模式,利用空間隔離、時(shí)間隔離、空分復(fù)用和精細(xì)化頻譜管理實(shí)現(xiàn)星地頻譜共享與頻率復(fù)用。

基于時(shí)分的星地頻譜共享方式一般可分為4種:① 頻段規(guī)劃,當(dāng)不同業(yè)務(wù)希望采用同一頻段時(shí),可以通過(guò)頻段規(guī)劃來(lái)合理共享頻譜;② 空間規(guī)劃,空間規(guī)劃主要指的是將終端以足夠的距離分隔,以允許不同終端共享頻譜;③ 時(shí)隙分配,利用時(shí)分動(dòng)態(tài)復(fù)用方式設(shè)計(jì)衛(wèi)星與地面系統(tǒng)的共享機(jī)制;④ 信號(hào)設(shè)計(jì),基于非正交復(fù)用機(jī)制保證衛(wèi)星與地面系統(tǒng)能夠使用同一頻段同時(shí)傳輸信息,其中衛(wèi)星系統(tǒng)使用擴(kuò)頻/擴(kuò)維調(diào)制,地面系統(tǒng)使用傳統(tǒng)OFDM,可通過(guò)適當(dāng)調(diào)整信號(hào)功率保證系統(tǒng)間干擾對(duì)傳輸性能的影響足夠小。此外,文獻(xiàn)[21]提出融合了非正交多址技術(shù)和認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)的頻譜共享技術(shù),通過(guò)這種方式,用戶可以同時(shí)接入多種頻譜,高效地實(shí)現(xiàn)頻譜資源利用。

通過(guò)對(duì)星地融合通信的干擾機(jī)理進(jìn)行分析,未來(lái)可以利用先進(jìn)算法和機(jī)制協(xié)作地實(shí)現(xiàn)星地頻譜共享,利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)星地通信的軟頻率復(fù)用,指定動(dòng)態(tài)的星地頻率共享策略。

4.4 大規(guī)模高增益相控陣天線

在星地融合高頻段通信中,為了較好地實(shí)現(xiàn)空間隔離、時(shí)間隔離和空分復(fù)用,衛(wèi)星和終端均采用高增益定向天線;針對(duì)手機(jī)與衛(wèi)星直連這類低頻段業(yè)務(wù)場(chǎng)景,通常采用多頻復(fù)用、衛(wèi)星天線模式、旁瓣抑制技術(shù)和終端功率控制技術(shù)等多方案結(jié)合的方式,來(lái)應(yīng)對(duì)集總干擾的問(wèn)題。華為工程師施學(xué)良在全國(guó)6G發(fā)展大會(huì)中提到,建立高能效大規(guī)模星載相控天線系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)星地融合網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù),未來(lái)可從以下幾個(gè)方面對(duì)超大規(guī)模星載天線陣列開(kāi)展研究:① 收發(fā)共口徑設(shè)計(jì)降低陣面尺寸,研究先進(jìn)收發(fā)交叉隔離技術(shù),降低共面集成干擾;② 超寬角掃描天線技術(shù),提高單星廣覆蓋能力;③ 研究超級(jí)稀疏算法,有效降低大規(guī)模陣列天線單元數(shù),節(jié)省功耗及成本;④ 星上處理能力增強(qiáng),引入功放非線性數(shù)字預(yù)失真技術(shù),支持更高階調(diào)制傳輸,提高頻譜效率;⑤ 集成高效收發(fā)組件設(shè)計(jì),引入三維異構(gòu)堆疊工藝、高效率散熱材料等,提高組件集成度和改善散熱。

5 結(jié)論

衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的融合將突破地理環(huán)境限制,為更多用戶帶來(lái)更穩(wěn)定、更廣泛的通信覆蓋,將物聯(lián)網(wǎng)、視頻通話以及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)擴(kuò)展到更多場(chǎng)景與更大范圍,有助于構(gòu)建空天地一體化通信系統(tǒng)。星地融合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展代表著未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì),本文對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面網(wǎng)絡(luò)的融合策略進(jìn)行了介紹,詳細(xì)分析了星地融合系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用實(shí)踐,在此基礎(chǔ)上,列舉了一些星地融合網(wǎng)絡(luò)適用的應(yīng)用場(chǎng)景,介紹了星地融合網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù),并分析其面臨的挑戰(zhàn),為今后星地融合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供參考。