6G對發(fā)展我國民商衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的思考

文 | 禹航 衣龍騰 張程 周業(yè)軍

中國空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部

一、引言

6G就是第六代移動通信系統(tǒng)的簡稱，它是5G系統(tǒng)的延伸和發(fā)展，6G網(wǎng)絡(luò)將能夠使用比5G網(wǎng)絡(luò)更高的頻率，并提供更高的容量和更低的延遲。6G等于“5G+衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)”，即在5G基礎(chǔ)上集成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)空天地海的“無縫連接”。當(dāng)前，世界主要國家都把5G作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新的重點，將6G作為謀求競爭新優(yōu)勢的戰(zhàn)略方向，是實現(xiàn)萬物互聯(lián)的關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施、經(jīng)濟(jì)社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力量。很多機構(gòu)和組織發(fā)布了與6G技術(shù)相關(guān)的白皮書，為未來6G技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)應(yīng)用指明了方向。多個機構(gòu)和組織都提到了6G的特點是“星地一體融合網(wǎng)絡(luò)”“空天地一體化無縫覆蓋”，6G預(yù)計可實現(xiàn)從“萬物互聯(lián)”到“萬物智聯(lián)”的躍遷。加快6G發(fā)展，深化6G與經(jīng)濟(jì)社會各領(lǐng)域的融合應(yīng)用，將對政治、經(jīng)濟(jì)、文化、社會等各領(lǐng)域發(fā)展帶來全方位、深層次影響，將進(jìn)一步重構(gòu)全球創(chuàng)新版圖、重塑全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。

如今，衛(wèi)星通信系統(tǒng)隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展也取得了一定的進(jìn)步，逐步打破已有框架體系，從傳統(tǒng)固定通信、廣播、直播到高通量、高靈活、高效益通信發(fā)展，從管道服務(wù)向衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)，從行業(yè)應(yīng)用向普遍服務(wù)轉(zhuǎn)變，以寬帶互聯(lián)為主要特征的下一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)逐漸發(fā)展起來并有加速趨勢。面向未來，衛(wèi)星通信與6G取長補短，共同構(gòu)成全球無縫覆蓋的“天空地海一體化”的綜合物聯(lián)網(wǎng)，滿足用戶無處不在的多種業(yè)務(wù)需求，進(jìn)一步夯實我國航天信息技術(shù)，為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國家信息安全、科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、人民生活福祉等諸多方面帶來了飛速躍升。

但以今天的技術(shù)水準(zhǔn)來看，當(dāng)前衛(wèi)星領(lǐng)域研究還存在星地通信網(wǎng)絡(luò)融合不充分、傳輸速率和系統(tǒng)容量無法滿足日益增長的終端數(shù)據(jù)量及傳輸帶寬需求、衛(wèi)星通信協(xié)議和地面移動通信協(xié)議無法兼容、各類型終端無法互聯(lián)互通、資源分配效率低下等問題。展望未來，我們既需要夯實新興技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，又需要跨越式長遠(yuǎn)謀劃，不斷探索衛(wèi)星通信與6G融合的路徑，全力打造“天空地海一體化”的綜合物聯(lián)網(wǎng)。

二、基于6G的國際態(tài)勢分析

1.軌道革命加速進(jìn)入新周期，高低軌市場競爭愈發(fā)激烈

低地球軌道（LEO）通信衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量較21世紀(jì)初實現(xiàn)60倍激增；地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星近年來部署與新簽訂單均不理想，2017年和2018年訂單數(shù)量僅為個位數(shù)，2020年因美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的C頻段清理計劃有所回升，后續(xù)訂單數(shù)繼續(xù)回落（新訂單主要為補網(wǎng)星及新興小GEO衛(wèi)星）。LEO與GEO的市場需求是，LEO在時延敏感性高的應(yīng)用領(lǐng)域具備優(yōu)勢，預(yù)測其市場份額快速增長，呈“趕超”GEO衛(wèi)星的態(tài)勢。通信運營商加快兼并重組，多軌融合發(fā)展成未來新趨勢，比如衛(wèi)迅公司（Viasat）收購國際移動衛(wèi)星公司（Inmarsat），歐洲衛(wèi)星通信公司（Eutelsat）收購一網(wǎng)公司（OneWeb），國際通信衛(wèi)星公司（Intelsat）和太空探索技術(shù)公司（SpaceX）合作。

2.高軌高通量升級換代跨越發(fā)展，應(yīng)用服務(wù)多樣化

全球衛(wèi)星寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長迅速，并逐步向全球覆蓋、更大容量、高靈活性發(fā)展。高軌高通量衛(wèi)星（HTS）是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，逐步提升衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)能力。從現(xiàn)有高通量逐步演進(jìn)至甚高通量 （VHTS），并向星座組網(wǎng)、高低軌結(jié)合、多種業(yè)務(wù)融合等方向發(fā)展，“衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)”“衛(wèi)星大數(shù)據(jù)”“衛(wèi)星虛擬現(xiàn)實服務(wù)”等新興應(yīng)用涌現(xiàn)。此外，歐洲量子衛(wèi)星（Eutelsat Quantum）實現(xiàn)了真正意義上覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)、帶寬、功率等動態(tài)可調(diào)，載荷靈活性大幅提升。

3.低軌星座加速構(gòu)建，開始布局產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

星鏈（Starlink）一代 、一網(wǎng)已經(jīng)完成了星座部署，初步實現(xiàn)了全球覆蓋，并在軍事、航空、海洋、能源、電信等多個垂直行業(yè)實踐應(yīng)用。

星鏈星座已完成一期建設(shè)目標(biāo)。截至2023年12月底，星鏈已發(fā)射超過5500顆衛(wèi)星（最終接近1.2萬顆），全球用戶超150萬。一網(wǎng)完成第一代星座計劃600多顆衛(wèi)星部署，正式運營。亞馬遜公司（Amazon）計劃投資100億美元建設(shè)包含3236顆衛(wèi)星的柯伊伯（Kuiper）低軌寬帶星座，目前已發(fā)射2顆試驗衛(wèi)星。歐盟正計劃發(fā)展一個公私合營的彈性、互聯(lián)和安全衛(wèi)星基礎(chǔ)設(shè)施計劃（IRIS2）。

4.星地融合技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)一步推進(jìn)

隨著“手機直連衛(wèi)星”熱度的持續(xù)攀升，衛(wèi)星運營商、電信運營商和設(shè)備制造商合作開展了大量探索。面向消費級手機終端，全球已有4家衛(wèi)星運營商能夠提供短消息、話音等“手機直連衛(wèi)星”服務(wù)。

SpaceX公司計劃通過星鏈二代衛(wèi)星為美國電信運營商T-Mobile的用戶提供手機連接服務(wù)。AST空間移動公司（AST SpaceMobile）發(fā)射藍(lán)行者-3衛(wèi)星（BlueWalker-3），在軌成功展開面積64m2的大型平面天線，是目前部署到LEO軌道的最大商業(yè)通信陣列，測試下載速度達(dá)到14Mbit/s。領(lǐng)克全球公司（Lynk Global）獲得FCC的“手機直連衛(wèi)星”服務(wù)運營許可。

5.管控與服務(wù)技術(shù)從研究走向應(yīng)用

隨著低軌航天器的大規(guī)模發(fā)展和全球化應(yīng)用，通過地面站和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星測運控模式已經(jīng)無法滿足海量低軌航天器的使用需求，需要開發(fā)新的通信系統(tǒng)解決海量航天器的天基管控與高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)問題。

近三年來，國外基于現(xiàn)有全球覆蓋多波束GEO通信衛(wèi)星也在開展天基管控和服務(wù)的應(yīng)用研究，并取得一定成果，典型的是Inmarsat的星間數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)（IDRS），利用其全球覆蓋的Inmarsat-4衛(wèi)星系統(tǒng)為低軌航天器提供天基按需接入服務(wù)。方案能夠提供7×24h的按需數(shù)據(jù)連接服務(wù)和中等規(guī)模的數(shù)據(jù)傳輸，并能夠在所有軌道1000km以下的LEO衛(wèi)星上支持超過200kbit/s的數(shù)據(jù)速率。

6.面向6G時代天空地海一體化愿景，衛(wèi)星通信成為全球信息基礎(chǔ)設(shè)施競爭新高地

各國積極戰(zhàn)略布局6G的前瞻性研究，各方也提出了一些關(guān)于6G的暢想，并發(fā)布相關(guān)白皮書，6G愿景將實現(xiàn)天地互聯(lián)，空間通信與地面通信的一體化發(fā)展，從業(yè)務(wù)、體制、頻譜、系統(tǒng)等不同層次進(jìn)行融合，構(gòu)建空天地海一體化通信系統(tǒng)，實現(xiàn)全球無縫立體覆蓋，用戶隨時隨地接入。

歐洲航天局（ESA）已發(fā)布6G白皮書，將通過其電信系統(tǒng)高級研究計劃（ARTES 4.0）與“5G和6G空間戰(zhàn)略計劃”，指導(dǎo)并支持其行業(yè)合作伙伴開發(fā)新的6G衛(wèi)星技術(shù)，以及利用6G連接的應(yīng)用和解決方案。ESA力求統(tǒng)一地面和非地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以提供無所不在、無縫、多功能、彈性和可持續(xù)的連接。

三、基于6G的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景

衛(wèi)星通信在6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扮演著重要角色，兩者缺一不可。衛(wèi)星與6G的融合將充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，為用戶提供更全面優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。主要體現(xiàn)在：在地面6G網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)、飛機上或者遠(yuǎn)洋艦艇上，衛(wèi)星可以提供經(jīng)濟(jì)可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，將網(wǎng)絡(luò)延伸到地面網(wǎng)絡(luò)無法到達(dá)的地方。衛(wèi)星也可以為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及飛機、輪船、火車、汽車等移動載體用戶提供連續(xù)不間斷的網(wǎng)絡(luò)連接，從而大大增強6G系統(tǒng)的服務(wù)能力。

基于6G的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)全球全域立體覆蓋和隨時隨地的超廣域?qū)拵Ы尤肽芰?，在廣覆蓋、公共安全等方面有廣闊的應(yīng)用場景。

（1）海洋、天空等特殊場景應(yīng)用

在大力推進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、加大航運的背景下，衛(wèi)星通信作為海上唯一通信手段，是潛在的新興通信市場。若采用低軌衛(wèi)星方案，將可提供時延更短、速率更高、性價比更高、全球覆蓋的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，有助于船載、機載通信從低速到高速、從國內(nèi)至全球的發(fā)展。

（2）地廣人稀、海外地區(qū)提供低成本通信服務(wù)

隨著電信普及服務(wù)工作不斷深入，針對擴(kuò)展到地面通信最難覆蓋的邊疆、深山、海島等區(qū)域，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將具有一定的部署和維護(hù)成本優(yōu)勢。

（3）作為傳輸備用鏈路，增強地面網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性

通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)承載基站傳輸備份保障和應(yīng)急等任務(wù)，可以有效提高基站抵御各種自然災(zāi)害的能力，增強地面網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。未來還可考慮無線網(wǎng)、核心網(wǎng)部分設(shè)備上星作為容災(zāi)備份節(jié)點的可行性。

四、基于6G的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

面向未來6G系統(tǒng)與衛(wèi)星融合，按照技術(shù)演進(jìn)方向，未來需要突破諸多關(guān)鍵技術(shù)。

星地融合。為建立全域覆蓋網(wǎng)絡(luò)，解決星地系統(tǒng)兼容、終端類型限制、星地小區(qū)干擾問題，需開展5G/6G與衛(wèi)星融合系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計、邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片、衛(wèi)星與5G/6G融合新波形、混合小區(qū)組網(wǎng)、頻譜共享/干擾消除、一體化終端、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)。

頻譜效率提升。為提升頻率復(fù)用率、波束調(diào)整能力，需進(jìn)一步研究空分復(fù)用、大規(guī)模智能波束、密集小區(qū)部署、智能調(diào)度、動態(tài)頻譜、認(rèn)知無線電等技術(shù)。

容量提升。為提升衛(wèi)星容量，需解決多波束賦形架構(gòu)、衛(wèi)星天線陣列、Q/V頻段通信技術(shù)、星載跳波束技術(shù)、衛(wèi)星關(guān)鍵器件及性能提升、衛(wèi)星生產(chǎn)線制造等技術(shù)。

可靠性和移動性提升。需解決衛(wèi)星大規(guī)模星座頻繁切換、星間交換能力、信關(guān)站布局、太空和大氣環(huán)境影響問題，研究星座拓?fù)湓O(shè)計優(yōu)化、星間寬帶化接口技術(shù)、信關(guān)站機構(gòu)研究、信道特性研究、波束切換/星間切換、移動性管理。未來還將把人工智能、太赫茲技術(shù)應(yīng)用于5G/6G的衛(wèi)星融合，以實現(xiàn)“空天地海一體化”的智能化網(wǎng)絡(luò)。

五、基于6G的我國民商衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展思考與策略

從1G到5G，移動通信技術(shù)歷經(jīng)約40年的發(fā)展，終于從服務(wù)于人走向服務(wù)于行業(yè)，賦能經(jīng)濟(jì)社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型。與此同時，衛(wèi)星通信再次成為關(guān)注的重點?？仗斓匾惑w化是未來網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全球無縫覆蓋的必由之路，而衛(wèi)星通信在其中扮演著重要角色。圖 1展示了基于6G的空天地一體化衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖1 基于6G的空天地一體化衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

瞄準(zhǔn)6G愿景，思考我國民商衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展勢在必行。按照無縫覆蓋、超高通信速率、智能融合、星地一體化、空間管控與服務(wù)等發(fā)展態(tài)勢，分別提出基于6G的我國民商衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展策略。

無縫覆蓋。作為未來6G系統(tǒng)的重要組成部分，需要提供在海、空、天域無縫覆蓋和陸地域增補覆蓋的基礎(chǔ)能力，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)這一能力的重要途徑。

超高通信速率。超高通信速率作為6G系統(tǒng)的一個重要特征，是我國新一代民商衛(wèi)星能力提升的重點，Tbit/s量級的通信衛(wèi)星是該能力實現(xiàn)的有效方案。

智能融合。通過通信、感知、計算實現(xiàn)萬物智聯(lián)是6G系統(tǒng)的重要愿景，這對星上數(shù)字處理提出了更高要求，全靈活多功能一體衛(wèi)星系統(tǒng)也要邁出關(guān)鍵一步，實現(xiàn)基于通感算的頻帶資源投放及鉸鏈，實現(xiàn)寬帶、廣播等多維業(yè)務(wù)的智能融合。

星地一體化。星地一體化是6G系統(tǒng)發(fā)展的必然歸宿，空口兼容、多模接入是星地融合的關(guān)鍵形態(tài)，對衛(wèi)星自身能力提出更高挑戰(zhàn)，“手機直連衛(wèi)星”系統(tǒng)從空間的角度，給出了星地融合空間段的發(fā)展方向。

空間管控與服務(wù)。6G系統(tǒng)全球覆蓋、全時接入、全場景服務(wù)的要求，意味著我國新一代空間規(guī)模更加龐大復(fù)雜，對其在軌運行狀態(tài)的信息感知和集中管控需求更加迫切。此外，中低軌航天器也是未來6G系統(tǒng)的新增重要服務(wù)對象，以滿足實時遙感、空間操作等為代表的空間時敏信息源的通信中繼需求。因此，我國需要在新一代民商通信領(lǐng)域中發(fā)展空間綜合管控與服務(wù)系統(tǒng)。

六、結(jié)束語

以未來6G時代衛(wèi)星通信發(fā)展的國家戰(zhàn)略要求為指引，結(jié)合衛(wèi)星數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、高低軌結(jié)合等發(fā)展需求，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容傳送和寬帶接入服務(wù)等數(shù)據(jù)傳遞業(yè)務(wù)將成為推動市場繁榮的新動力，使衛(wèi)星通信應(yīng)用向綜合化方向發(fā)展。衛(wèi)星與地面系統(tǒng)融合，特別是與6G融合成為必然發(fā)展趨勢。衛(wèi)星通信不斷與地面通信系統(tǒng)融合，在通信鏈路通道和廣播組播等方面發(fā)揮自身優(yōu)勢，并逐步從提供管道向成為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點轉(zhuǎn)變，最終和地面網(wǎng)絡(luò)一起組成天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，為未來我國民商通信衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供了根本的動力。