低軌衛(wèi)星移動通信現(xiàn)狀與未來發(fā)展

0引言低軌衛(wèi)星（Lowearthorbit，LEO）通信是構建6G（Thesixthgenerationmobilecommunicationsystem）必不可少的部分，較地面通信而言，LEO的覆蓋更廣，更適合在荒漠戈壁、深林、海上等無人區(qū)進行全球通信；與高軌衛(wèi)星通信相比，LEO具有傳輸損耗小、時延小、成本低等優(yōu)點。因此，對低軌衛(wèi)星移動通信進行研究和設計為構建空天地海一體化通信具有深遠的意義。目前，全球LEO領域正在進行一場深刻的產業(yè)、系統(tǒng)與技術變革，引發(fā)衛(wèi)星制造、發(fā)射等核心技術發(fā)生顛覆式革命，衛(wèi)星應用領域與模式拓展創(chuàng)新，全球開啟了人人可“玩”衛(wèi)星時代，此外，LEO通信網與地面網絡競爭的同時，也不斷地借鑒地面網發(fā)展的先進技術，并走向與地面網的互補和融合，天空地海一體化的發(fā)展?jié)u成趨勢，國內外都已開啟“5G+衛(wèi)星通信”，以及6G的研究。本文主要通過介紹LEO通信系統(tǒng)的組成及其特點，然后，從Iridium、Orbcomm和Globalstar等傳統(tǒng)低軌LEO通信系統(tǒng)和OneWeb、LeoSat、Starlink系統(tǒng)、“鴻雁”系統(tǒng)和“虹云”等新興LEO通信系統(tǒng)兩方面介紹其特點，最后從星天空地海一體化通信、衛(wèi)星通信多種功能深度融合、超大規(guī)模異構星座組網及其智慧衛(wèi)星移動通信等講述未來發(fā)展趨勢。1LEO通信系統(tǒng)1.1LEO通信系統(tǒng)LEO通信是通過低軌衛(wèi)星作中繼，轉發(fā)移動用戶間或移動用戶與固定用戶間用于進行通信的無線電波，實現(xiàn)兩點或多點間的通信。其包括空間段、地面段和用戶段。LEO系統(tǒng)架構如圖1所示。圖1LEO系統(tǒng)架構空間段即星座，由多顆低軌衛(wèi)星組成，采用星間鏈路實現(xiàn)互聯(lián)互通，具備全球組網與數據交換路由的能力。地面段地面網絡是系統(tǒng)的控制中心、數據交換中心、運營中心，由信關站、測控站、移動通信網絡、運控系統(tǒng)、綜合網管系統(tǒng)和業(yè)務支撐系統(tǒng)組成。信關站和測控站根據覆蓋要求進行選址，在全球分布式部署，其余網絡設備采用集中式部署方式，同時滿足電信運營可靠性需求。用戶段由各類用戶終端組成，用戶段由各種用戶終端組成，包括手持終端、車載站、艦載站、機載終端等。1.2LEO通信特點LEO通信主要具有以下特點：（1）覆蓋范圍廣。LEO覆蓋半徑數千米以上，大量LEO組成的星座可以實現(xiàn)全球無縫覆蓋。（2）容量大、海量接入。LEO通信采用Ka/V頻段或更高頻段，頻率資源相當豐富，可實現(xiàn)500Mbps以上大容量通信，可支持海量終端接入需求。（3）傳輸性能穩(wěn)定。LEO通信鏈路為視距通信，鏈路損耗很穩(wěn)定，多徑效應可忽略不計。（4）靈活、抗毀性強。LEO通信不受地理條件的限制，無論是城市還是沙漠、山區(qū)、島嶼，以及自然災害如地震、洪澇、臺風發(fā)生時仍可提供穩(wěn)定的通信。（5）成本低。通信設備成本不隨通信距離增加而增加，因此適應于長距離及人煙稀少地區(qū)的通信。然而，LEO通信也存在一些缺點，如低軌衛(wèi)星發(fā)射和星上載荷的成本較高、鏈路傳輸衰減大、傳輸時延大等。LEO已逐步突破一些統(tǒng)衛(wèi)星通信技術，如SpaceX的一箭多星，火箭回收及重復利用技術等。2LEO通信發(fā)展現(xiàn)狀2.1傳統(tǒng)LEO通信系統(tǒng)國外提出的方案很多，但至今真正發(fā)射組網并進行運營的只有三個：Iridium、Orbcomm和Globalstar。2.1.1IridiumIridium星座由66顆軌道高度為780km的低軌衛(wèi)星組成，如圖2所示。星上采用多點波束相控陣天線和再生轉發(fā)器。星間采用Ka頻段進行信號傳輸。IridiumNEXT的L頻段配置48波束的收發(fā)的相控陣天線、用戶鏈路增加Ka頻段、配置軟件定義可再生處理載荷等方式，其中，L頻段為移動用戶提供最大速率為128kbps，支持最大數據傳輸速率為1.5Mbps；Ka頻段車載式、便攜式終端速率分別可達30Mbps、10Mbps，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的高速率、大容量及多功能。圖2Iridium星座2.1.2OrbcommOrbcomm系統(tǒng)由36顆LEO星座組成，分布在6個軌道面上，其中，32顆衛(wèi)星均勻分布在825km的4個軌道面，每個軌道面有8顆衛(wèi)星；2顆衛(wèi)星分別分布在780km的2個軌道。信關站上行鏈路為148MHz，下行鏈路為137MHz，峰值速率為56kbps，用戶鏈路上行速率為2.4kbps，下行鏈路速率為4.8kbps。Orbcomm是一個全球無線數據和消息服務的商業(yè)系統(tǒng)，利用LEO星座為世界上任何地方提供廉價的跟蹤、監(jiān)視和消息服務。圖3Orbcomm星座2.1.3GlobalstarGlobalstar系統(tǒng)由美國勞拉空間通信公司和高通公司提出?？臻g段衛(wèi)星采用傾斜軌道網狀星座，包括48顆衛(wèi)星和6顆備用衛(wèi)星，均勻分布在8個傾角為52°的軌道平面上，軌道高度1414km，軌道周期113min，實現(xiàn)了全球南北緯70°之間的覆蓋。用戶同時可視衛(wèi)星有2～4顆，每顆衛(wèi)星與用戶能保持10～12min通信，然后經軟切換至另一顆星。星上采用透明轉發(fā)、多波束天線，用戶鏈路采用L/S頻段，饋電鏈路為C/X頻段，向用戶提供尋呼、傳真、短數據和定位等業(yè)務。用戶終端有手持、車載、機載和船載等移動終端，以及半固定和固定終端。圖4Globalstar星座2.2新興LEO通信系統(tǒng)隨著LEO制造和發(fā)射等技術突破，迎來了新興LEO通信系統(tǒng)研究熱潮，典型有OneWeb、LeoSat和Starlink等LEO通信系統(tǒng)。2.2.1OneWebOneWeb星座計劃部署2千多顆衛(wèi)星，采用Ku+Ka波段，在高度1200km的18個軌道平面上部署720顆衛(wèi)星。星上采用透明轉發(fā)器。其中，10.7-12.7GHz和12.75-14.5GHz頻帶將分別用于用戶下行鏈路和用戶上行鏈路，而17.8-20.2GHz和27.5-30.0GHz頻帶將分別用于饋線下行鏈路和饋線上行鏈路。在衛(wèi)星高速運動過程中不同衛(wèi)星交替出現(xiàn)在上空，保障某區(qū)域的信號覆蓋。預計2027年建立健全的、覆蓋全球的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為每個移動終端提供的速率為50Mbps。圖5Oneweb星座2.2.2LeoSatLeoSat星座由LeoSat提出，計劃部署108顆低軌衛(wèi)星組成星座，在1400km的軌道上，采用6個軌道面，每個軌道面上部署18顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星可以同時保持4條星間鏈路。LeoSat用戶波束和信關站波束采用Ka頻段，為用戶波束提供速率為1.6Gbps；兩個較大的信關站提供5.2Gbps的速率，其中星間鏈路采用激光通信，每顆星的4條鏈路最大速率為10Gpbs，從而提供全球高速數據傳輸服務。圖6LeoSat星座2.2.3StarlinkStarlink星座由SpaceX提出，計劃部署4.2萬顆衛(wèi)星，由分布在1100~1300km高度的4425顆低軌星座和分布在高度不超過346km的7518顆甚低軌星座構成，如下圖6所示。低軌星座將結合Ku/Ka雙波段芯片組和其他支持技術，用戶鏈路采用Ku波段，饋線鏈路采用Ka波段，有利于更好地實現(xiàn)覆蓋；另外采用V頻段的甚低軌星座，能夠實現(xiàn)傳輸信號增強，從而為針對性用戶提供信息服務。預計2025年完成星座部署，為用戶提供最小數據速率為1Gbps和最大速率為23Gbps的超高速通信，能提供類似光纖的網絡速度，且覆蓋面積大大提升，到目前第9批衛(wèi)星送入太空，總計在軌運行538顆衛(wèi)星。圖7Starlink星座2.2.4“鴻雁”系統(tǒng)“鴻雁”星座由航天科技提出，為國內首套全球低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)寬窄帶融合通信系統(tǒng)，由300多顆低軌衛(wèi)星組成。整個星座計劃在2024年后完成，將實現(xiàn)移動通信、寬帶接入、物聯(lián)網、熱點信息廣播、導航增強、航空監(jiān)視等六大業(yè)務，可以在全球范圍內實現(xiàn)寬帶和窄帶相結合的移動通信，為用戶提供實時雙向通信。2019年首發(fā)星“重慶號”如下圖所示，完成了在軌飛行平臺各組軟件測試，饋電上下行鏈路和用戶上下行鏈路的驗證。圖8“鴻雁”首發(fā)星2.2.5“虹云”系統(tǒng)“虹云”星座是航天科工提出，由156顆低軌衛(wèi)星組成，在軌道高度1000km上組網運行，采用Ka波段通信，每顆衛(wèi)星最大支持速率為4Gbps。預計2022年完成星座部署后，以天基網為基礎，融合導航、遙感，從而實現(xiàn)通信、導航、遙感一體化，構建一個寬帶低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為環(huán)境檢測、移動通信等領域提供信息傳輸服務。其首發(fā)星如下圖所示，已完成在軌的各項技術驗證。圖9“虹云”首發(fā)星３未來發(fā)展趨勢LEO移動通信具有機動性強、覆蓋范圍大、可靠性好、傳輸效率高等特點，已廣泛應用于民用領域和軍事領域，成為通信領域不可或缺的一種手段。對于未來的發(fā)展，可從以下方面著手。3.1星天空地海一體化通信構建多域（星天空地海）一體化網絡構架包括深空/星際網、天基骨干網、天基接入網、空基網、陸基網、海基網，網絡安全組成如圖10所示，實現(xiàn)星際、深空、空間、地面、海洋網絡互聯(lián)互通、互為補充、高效協(xié)同，是未來通信的發(fā)展趨勢。（1）多域人機物靈活一體化網絡架構針對深空/星際網、天基骨干網、天基接入網、空基網、陸基網、海基網在覆蓋范圍、傳輸時延、帶寬成本、容量、頻率等方面各有優(yōu)缺點。協(xié)調利用各類設備優(yōu)勢特征組成復合協(xié)同網絡，充分運用人工智能、SDN等領域新技術，提升系統(tǒng)可控性、高效承載各類業(yè)務。（2）激光與量子通信融合高速信息傳輸技術星空天地海一體化信息網絡的構建對信息的高數據率和安全保密性提出了極高的要求。量子通信具有信息傳輸的安全保密性，但無法做到高速信息傳輸。然而，激光通信具通信速率高、抗電磁干擾圖10星天空地海一體化通信等技術優(yōu)勢。為了兼顧網絡傳輸的保密性和可靠性，采用空間激光通信與量子通信技術互補融合式高速率信息傳輸。（3）零信任架構的邊緣計算接入技術基于邊緣計算結合可信計算、零信任安全、態(tài)勢感知等先進理念和技術，對用戶和數據等在信任架構內進行隔離，以確保每一個訪問請求都被驗證并故意允許或不批準，以加強保護和控制，不僅能防御當前的種種攻擊，還能快速地適應不斷變化的服務環(huán)境，也沒有很大的管理負擔。（4）動態(tài)協(xié)作組網技術星空天地海一體化深度融合移動新型組網節(jié)點間的位置關系隨時間動態(tài)變化，造成網絡拓撲實時改變，使得路由組網難度較大。為保證信息能夠經過星際鏈路正確到達目的地址，并且實現(xiàn)深空/星際網、天基骨干網、天基接入網、空基網、陸基網、?；W間的快速可靠接入和自主控制，則要求網絡具有多點互通及智能捕獲、對準、跟蹤、能力。3.2衛(wèi)星通信多種功能深度融合衛(wèi)星通信實現(xiàn)多種功能（定位、導航、授時、遙感、物聯(lián)網、通信）的深度融合發(fā)展，是未來低軌衛(wèi)星通信網絡的發(fā)展趨勢。（1）異構靈活終端一體化智能切換管理技術基于強化學習的異構靈活終端管理架構，既可以充分考慮到不同層面的需求,又可以及時開始并完成切換過程，最大限度地減少切換中斷時間，從而實現(xiàn)無縫切換。（2）輕量級靈活終端安全傳輸技術靈活終端設備由于資源有限和網絡防護措施不足，通常更容易遭受攻擊，而輕量級算法可以在設備安全和能耗之間找到平衡，用于授權、加密、訪問控制和密鑰交換。（3）異構靈活終端業(yè)務流分發(fā)技術根據當前各接入網絡的鏈路狀況、不同類型業(yè)務流的服務質量需求、傳輸功耗、通信成本等多個屬性，智能為異構靈活終端上運行的各條業(yè)務流選擇合理的接入網絡，從而提高吞吐量、會話完成率等性能。（4）衛(wèi)星通信微型化SOC芯片研制采用軟件自定義架構，研制滿足寬帶、移動通信、物聯(lián)網、GNSS導航等多波形融合的集成化系統(tǒng)的合理設計，實現(xiàn)高性能低功耗SoC芯片，以滿足不同應用場景下多體制波形的靈活加載與應用。3.3超大規(guī)模異構星座組網針對未來空間互聯(lián)網數千顆至數萬顆規(guī)模的巨型星座，研究超大規(guī)模星座通信網絡的異構型、協(xié)同性、環(huán)境感知性，實現(xiàn)對多域、多維、多粒度移動性的支持，實現(xiàn)不同星座之間的互聯(lián)互通，提升超大規(guī)模星座網絡架構的收斂性和可擴展性。（1）超超大規(guī)模星座組網技術針對多軌道大規(guī)模星座一體化異構網絡的復雜性，通過對星座設計、組網、抗毀性、網絡安全等核心技術進行研究，優(yōu)化超大規(guī)模星座的自適應組網架構，實現(xiàn)不同星座之間的互聯(lián)互通，提升星座網絡架構的收斂性和可擴展性。（2）超大規(guī)模星座資源自進化調度技術超大規(guī)模星座的任務需求多樣化、相互影響約束較多、星座任務規(guī)劃時效性要求高等特點，需要研究超大規(guī)模星座資源自進化調度技術，實現(xiàn)在各個階段滿足對在軌衛(wèi)星的實時監(jiān)控，任務規(guī)劃，保持星座構型，提升大規(guī)模星座的抗毀性能。（3）超大規(guī)模星座協(xié)調用頻及干擾管理針對不同低軌星座之間的同頻干擾問題，分別從信號層面和網絡層面進行研究，以及采用智能動態(tài)頻譜共享、干擾規(guī)避策略等技術，解決相互干擾，提高超大規(guī)模星座的可靠性。（4）超大規(guī)模星座健康管理技術超大規(guī)模星座中存在星地設備管理難度高，發(fā)生故障難以排除等問題，因此研究星地一體化健康管理技術，實現(xiàn)在星座運行過程中實時對衛(wèi)星和地面站設備進行健康管理，及時排除潛在的安全隱患和故障，確保星座平穩(wěn)運行。3.4智慧衛(wèi)星移動通信未來衛(wèi)星網絡結構將會越來越龐大異構，業(yè)務類型和應用場景也越來越繁雜多變，充分利用AI技術為基礎的6G（“人工智能+地面通信+衛(wèi)星網絡”）來解決這種復雜需求幾乎是必然選擇。（1）認知增強與決策推演的智慧網絡架構采用人工智能技術對信息的識別、認知和融合，對網絡資源分布情況與變化規(guī)律進行動態(tài)建模分析，并結合集中管控的思想，實現(xiàn)網絡中路由、緩存等策略的自適應推演。獲取正向的資源調度柔性進化方案，以最大化網絡的效能和可靠性。（2）智