汪春霆，翟立君，徐曉帆

(中國電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引言

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是由位于不同軌道的多顆衛(wèi)星、地面關(guān)口站、測控站構(gòu)成的天基網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及由地面移動(dòng)基站、WiFi熱點(diǎn)、光纖網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成的地基網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，通過一體化、融合設(shè)計(jì)所實(shí)現(xiàn)的多維立體信息網(wǎng)絡(luò)，可為天、空、地、海不同應(yīng)用場景的用戶提供全球泛在通信服務(wù)。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)貫穿海洋遠(yuǎn)邊疆、太空高邊疆和網(wǎng)絡(luò)新邊疆。因其地位重要，世界各航天大國紛紛制定發(fā)展戰(zhàn)略和投入巨資，布局以高軌高通量衛(wèi)星通信星座、低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座為重點(diǎn)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，謀求在新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)和空間頻率軌位資源方面的領(lǐng)先優(yōu)勢。面對(duì)新形勢，自主創(chuàng)新發(fā)展天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展自主可控的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施是我國實(shí)現(xiàn)全球信息服務(wù)的必然選擇。

1 發(fā)展歷程

1.1 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)

1.1.1國外衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)

衛(wèi)星通信的發(fā)展歷程可大致分為6個(gè)階段。第一階段：概念提出和早期實(shí)驗(yàn)；第二階段：模擬通信；第三階段：數(shù)字通信；第四階段：第一次低軌衛(wèi)星通信熱潮——窄帶星座組網(wǎng)；第五階段：高通量衛(wèi)星發(fā)展；第六階段：第二次低軌衛(wèi)星通信熱潮——寬帶星座組網(wǎng)(衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng))。

第一階段：衛(wèi)星通信的概念，最早可追溯到英國空軍雷達(dá)軍官阿瑟·C·克拉克于1945年10月在《無線世界》雜志上提出的基于3顆地球同步靜止軌道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球通信的設(shè)想。1963年，美國發(fā)射了第一顆GEO通信衛(wèi)星Syncom-3號(hào)，成功向美國提供了1964年東京奧運(yùn)會(huì)電視轉(zhuǎn)播信號(hào)，標(biāo)志著衛(wèi)星通信的早期實(shí)驗(yàn)工作基本完成，奠定了未來商業(yè)化發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。

第二階段：1965年，“國際衛(wèi)星通信組織”將Intelsat-1衛(wèi)星送入靜止軌道，開通了歐美大陸間國際商業(yè)通信業(yè)務(wù)，標(biāo)志著采用模擬技術(shù)的第一代衛(wèi)星通信進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段。

第三階段：20世紀(jì)80年代，數(shù)字傳輸技術(shù)開始大規(guī)模應(yīng)用在衛(wèi)星通信中。甚小口徑終端(Very Small Aperture Terminal,VSAT)的出現(xiàn)，為大量專業(yè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了條件，開拓了衛(wèi)星通信應(yīng)用的新局面。1989年發(fā)射的Intelsat VI系列(編號(hào)601～605)衛(wèi)星，具有38個(gè)C波段轉(zhuǎn)發(fā)器、10個(gè)Ku轉(zhuǎn)發(fā)器，采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)、Ku頻段可控點(diǎn)波束設(shè)計(jì)，總?cè)萘窟_(dá)到了36 000個(gè)話路，并首次采用了星載交換時(shí)分多址(SS-TDMA)技術(shù)，強(qiáng)化了波束間的交鏈能力[1]。

第四階段：20世紀(jì)90年代，由多顆低軌道(Low Earth Orbit，LEO)衛(wèi)星構(gòu)成的通信星座迎來了第一個(gè)發(fā)展的高潮。針對(duì)當(dāng)時(shí)第一代地面模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)林立、難以實(shí)現(xiàn)國際漫游、信號(hào)質(zhì)量差的缺點(diǎn)，Motorola公司于1990年6月宣布了面向全球移動(dòng)通信服務(wù)的銥星計(jì)劃[2]。銥星系統(tǒng)由運(yùn)行在778 km的6個(gè)軌道面上的66顆衛(wèi)星構(gòu)成，軌道傾角86.4°[3]。每顆銥星采用48個(gè)L頻段波束實(shí)現(xiàn)對(duì)地覆蓋，技術(shù)體制上參考了GSM，采用了Ka頻段星間鏈路和星上處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)天基組網(wǎng)。銥星系統(tǒng)全球設(shè)立12個(gè)關(guān)口站實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)落地，系統(tǒng)網(wǎng)控中心位于華盛頓州(羅馬備用)。由于錯(cuò)誤地估計(jì)了地面移動(dòng)通信迅猛發(fā)展的態(tài)勢，以及初期話務(wù)服務(wù)質(zhì)量難以令人滿意、用戶量無法滿足持續(xù)運(yùn)營需要等因素影響，銥星公司于2000年3月正式宣布破產(chǎn)。然而，商業(yè)上的失敗不能掩蓋其技術(shù)上的成功，經(jīng)過重組后，銥星依靠軍事、政府等大客戶采購扭轉(zhuǎn)了經(jīng)營局面，并在近期順利完成了二代銥星Next系統(tǒng)升級(jí)改造。與此同時(shí)，美國勞拉和高通公司倡導(dǎo)并建設(shè)了全球星(GlobalStar)系統(tǒng)[4]。全球星系統(tǒng)由位于軌道高度為1 414 km、8個(gè)軌道面內(nèi)的48顆衛(wèi)星構(gòu)成，采用傾角56°的傾斜圓軌道星座構(gòu)型[5]。全球星每顆衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器方案，利用16個(gè)L(上行)/S(下行)頻段點(diǎn)波束形成對(duì)地覆蓋，體制上采用了擴(kuò)頻技術(shù)、參考了IS-95標(biāo)準(zhǔn)。全球星系統(tǒng)同樣經(jīng)歷了經(jīng)營困境，于2004年4月破產(chǎn)重組后運(yùn)營至今。

第五階段：進(jìn)入2000年后，高通量衛(wèi)星(High Throughput Satellite，HTS)[6]成為衛(wèi)星通信發(fā)展的熱點(diǎn)。HTS是指使用相同帶寬的頻率資源，而數(shù)據(jù)吞吐量是傳統(tǒng)衛(wèi)星固定通信數(shù)倍甚至數(shù)十倍的通信衛(wèi)星。目前主流的GEO-HTS衛(wèi)星通過采用Ku和Ka等高頻段傳輸、密集多點(diǎn)波束、大口徑星載天線等技術(shù)，通信容量可達(dá)數(shù)百Gbit/s乃至Tbit/s量級(jí)，每比特成本大幅降低，逐漸逼近地面網(wǎng)絡(luò)，顯著地提升了衛(wèi)星通信的競爭力。2004年，世界首顆HTS衛(wèi)星Thaicom 4 (IPSTAR 1)發(fā)射入軌道，提供87個(gè)Ku轉(zhuǎn)發(fā)器以及10個(gè)Ka轉(zhuǎn)發(fā)器，設(shè)計(jì)容量約45 Gbit/s。2011年10月發(fā)射的ViaSat-1是全球首顆總數(shù)據(jù)吞吐量超過100 Gbit/s的Ka波段寬帶通信衛(wèi)星，采用72個(gè)Ka頻段點(diǎn)波束覆蓋美國和加拿大地區(qū)，總?cè)萘窟_(dá)到140 Gbit/s。2017年2月發(fā)射的ViaSat-2衛(wèi)星，總?cè)萘刻嵘?00 Gbit/s。下一代ViaSat-3[7]衛(wèi)星預(yù)計(jì)在2022年完成部署，共計(jì)劃發(fā)射3顆GEO衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星預(yù)計(jì)可提供1 Tbit/s容量。2015年7月，歐洲航天局與歐洲通信衛(wèi)星(Eutelsat)公司簽署合同，共同研制“Eutelsat-Quantum”(“量子”)衛(wèi)星[8]，擬形成3顆GEO衛(wèi)星構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)?！傲孔印毙l(wèi)星作為全球首顆采用軟件定義載荷的衛(wèi)星，更強(qiáng)調(diào)服務(wù)的靈活性，可實(shí)現(xiàn)覆蓋區(qū)域、頻段、帶寬和功率的在軌重新配置，從而改變了傳統(tǒng)通信衛(wèi)星在工作期內(nèi)無法及時(shí)更新通信技術(shù)的劣勢。

第六階段：第二次低軌衛(wèi)星熱潮——寬帶星座組網(wǎng)(衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng))。GEO-HTS衛(wèi)星雖然在帶寬成本上有了顯著改善，但傳輸延時(shí)大，不能服務(wù)高緯度地區(qū)和極地。2019年，全球互聯(lián)網(wǎng)滲透率超過了50%，但增長已經(jīng)乏力，進(jìn)入了平臺(tái)期[9]。為了爭奪剩下一半人口的互聯(lián)網(wǎng)介入，自2007年開始，隨著O3b[10]等計(jì)劃的提出，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座迎來了新一輪發(fā)展高潮。

O3b系統(tǒng)目標(biāo)是讓全球缺乏上網(wǎng)條件的“另外30億人”能夠通過衛(wèi)星接入互聯(lián)網(wǎng)。O3b的初始星座包括12顆衛(wèi)星(其中3顆作為備份)，運(yùn)行在軌道高度8 062 km的赤道面中軌道(Middle Earth orbit，MEO)上，傳輸端到端延時(shí)約150 ms。衛(wèi)星采用Ka頻段，提供10個(gè)用戶波束和2個(gè)饋電波束，波束指向隨著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)可調(diào)整，用戶在多個(gè)衛(wèi)星/波束總切換。單個(gè)用戶波束傳輸速率可達(dá)1.6 Gbit/s、系統(tǒng)總設(shè)計(jì)容量達(dá)到84 Gbit/s。O3b的衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器，無星間鏈路，業(yè)務(wù)交換在地面關(guān)口站進(jìn)行。O3b的初始星座已于2014年12月底發(fā)射完畢。2017年11月，O3b公司向FCC提出申請新增了30顆MEO衛(wèi)星，將運(yùn)行于2種軌道。其中，20顆運(yùn)行于赤道軌道被稱為O3bN，采用Ka和V波段。O3bN星座中8顆已獲批，并已有4顆于2018年3月發(fā)射。這4顆衛(wèi)星運(yùn)行頻率與初始星座的12顆衛(wèi)星相同。O3bI的10顆衛(wèi)星運(yùn)行于傾斜軌道，即高度8 062 km、傾斜角度為70°的2個(gè)圓形軌道面上，用于支持緯度更高地區(qū)的用戶。除8顆已獲批的衛(wèi)星O3bN以外，剩余12顆O3bN和10顆O3bI衛(wèi)星屬于第二代O3b衛(wèi)星星座，采用了更先進(jìn)的衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)，采用全電推進(jìn)，搭載數(shù)字信道化器，有靈活的波束形成能力，單星容量相較一代提升10倍。

2017年6月，美國FCC批準(zhǔn)了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)公司“一網(wǎng)”(OneWeb)提出的星座計(jì)劃[11]。OneWeb規(guī)劃了三代星座，共計(jì)1 980顆衛(wèi)星，包括LEO和MEO星座。第一代星座計(jì)劃于2018年啟動(dòng)部署，采用近極軌道構(gòu)型，共發(fā)射882顆(648顆在軌，234顆備份)LEO衛(wèi)星，軌道高度1 200 km。OneWeb采用簡單的透明轉(zhuǎn)發(fā)器和固定波束天線，每顆衛(wèi)星提供16個(gè)Ku頻段用戶波束，單星容量約8 Gbit/s，無星間鏈路和星上處理，業(yè)務(wù)就近落地到關(guān)口站進(jìn)行處理。由于融資受挫、競爭加劇等一些原因，2020年3月，OneWeb公司在發(fā)射第三批“1箭34星”后宣布了破產(chǎn)保護(hù)。

“星鏈計(jì)劃”(Starlink)[12]是由SpaceX公司2015年提出的下一代衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，是一個(gè)多個(gè)軌道高度混合、近極軌道和傾斜軌道混合的星座系統(tǒng)。Stalink建設(shè)大致分三步走：首先發(fā)射1 600顆衛(wèi)星完成初步的全球覆蓋，其中前800顆衛(wèi)星滿足美國及北美洲的天基高速互聯(lián)網(wǎng)需求；接著用2 825顆衛(wèi)星完成全球組網(wǎng)，Starlink計(jì)劃的前兩步的衛(wèi)星采用Ku和Ka頻段；最后用7 518顆采用Q/V頻段衛(wèi)星組成甚低軌(Very Low Earth Orbit，VLEO)星座。Starlink衛(wèi)星采用有源相控陣天線、數(shù)字處理轉(zhuǎn)發(fā)、“氪”工質(zhì)全電推進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)，后期將進(jìn)一步支持星間鏈和空間組網(wǎng)。1.0版本的Starlink衛(wèi)星上、下行均可提供8個(gè)用戶點(diǎn)波束，單星設(shè)計(jì)容量超過20 Gbit/s。截至2020年3月底，SpaceX公司利用“獵鷹”火箭完成了6次“一箭60星”發(fā)射。

加拿大“Telesat”公司提出的星座[13]計(jì)劃包含117顆衛(wèi)星分布在2組軌道面上：第一組軌道面為近極軌道，由6個(gè)軌道面組成，軌道傾角99.5°，高度1 000 km，每個(gè)平面12顆衛(wèi)星；第二組軌道面為傾斜軌道，由不少于5個(gè)軌道面組成，軌道傾角37.4°，高度1 200 km，每個(gè)平面10顆衛(wèi)星。Telesat衛(wèi)星搭載數(shù)字直接輻射陣列(Direct Radiating Array,DRA)和數(shù)字通信處理載荷，具有調(diào)制、解調(diào)和路由功能。DRA在上、下行均能實(shí)現(xiàn)16個(gè)波束，具有波束成形(Beam-forming)和波束調(diào)形(Beam-shaping)功能，其波束功率、帶寬、大小和指向可動(dòng)態(tài)調(diào)整，具有很強(qiáng)的靈活性。Telesat衛(wèi)星搭載激光星間鏈，傾斜軌道和近極軌道星座內(nèi)和星座間均可組網(wǎng)。2018年1月，Telesat完成了第二顆試驗(yàn)星的發(fā)射。

1.1.2 國內(nèi)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)

1958年5月17日，在黨的八屆二次會(huì)議上，毛澤東主席提出“我們也要搞人造衛(wèi)星”。1957年10月中國科學(xué)院制訂了一個(gè)分三步走的發(fā)展規(guī)劃：第一步，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星上天；第二步，研制回收型衛(wèi)星；第三步，發(fā)射靜止軌道通信衛(wèi)星。

1970年4月24日，我國成功發(fā)射“東方紅1號(hào)”衛(wèi)星，衛(wèi)星質(zhì)量約173 kg，外形為1 m直徑的類球形多面體，運(yùn)行在近地點(diǎn)439 km，遠(yuǎn)地點(diǎn)2 384 km的軌道上，進(jìn)行了《東方紅》樂曲廣播等實(shí)驗(yàn)，為我國后繼衛(wèi)星設(shè)計(jì)和研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1975年3月31日，毛澤東主席批準(zhǔn)了國家計(jì)委、國防科工委、航天工業(yè)部、電子工業(yè)部、總參通信部等8個(gè)部委聯(lián)合，起草了《關(guān)于發(fā)展我國通信衛(wèi)星的報(bào)告》，我國衛(wèi)星通信工程由此啟動(dòng)，工程代號(hào) 331。該工程包含五大系統(tǒng)：通信衛(wèi)星、地球站、火箭、測控系統(tǒng)及發(fā)射場。

1984年4月，我國成功發(fā)射了第一顆靜止軌道試驗(yàn)通信衛(wèi)星“東方紅2號(hào)”，配置2套C波段轉(zhuǎn)發(fā)器，可轉(zhuǎn)發(fā)電視、廣播、數(shù)傳、傳真等模擬和數(shù)字通信信號(hào)，揭開了我國自主衛(wèi)星通信的序幕。在需求的驅(qū)動(dòng)下，1986年我國正式啟動(dòng)了第二代自主通信衛(wèi)星“東方紅3號(hào)”研制工作。1997年，我國成功發(fā)射了采用東方紅3B平臺(tái)的“中星6號(hào)”衛(wèi)星，其具有24部C波段轉(zhuǎn)發(fā)器，采用了當(dāng)時(shí)許多前沿技術(shù)。該衛(wèi)星的成功投入使用，使我國衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，并帶動(dòng)了“天鏈”中繼衛(wèi)星的發(fā)展。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國通信衛(wèi)星發(fā)展進(jìn)入了快車道。2008年6月，我國發(fā)射了第一顆直播衛(wèi)星——“中星9號(hào)”衛(wèi)星，作為一顆大功率、高可靠、長壽命的廣播電視直播衛(wèi)星，服務(wù)于“村村通”工程，可為西部邊遠(yuǎn)地區(qū)免費(fèi)傳輸47套免費(fèi)的標(biāo)清數(shù)字電視節(jié)目。2016年8月，我國發(fā)射了第一顆自主移動(dòng)通信衛(wèi)星“天通1號(hào)”[14]，采用S頻段、109波束覆蓋我國大陸及沿海區(qū)域，支持話音、短信和中低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。2017年4月，我國發(fā)射了首顆高通量通信衛(wèi)星“中星16號(hào)”[15]，通信總?cè)萘窟_(dá)到20 Gbit/s，超過了之前我國研制的所有通信衛(wèi)星容量的總和。其通過26個(gè)用戶Ka頻段點(diǎn)波束和3個(gè)饋電波束，能夠覆蓋我國除西北、東北的大部分陸地和近海約300 km海域。

隨著國際上通信星座發(fā)展的熱潮，我國也相繼提出了一系列星座發(fā)展計(jì)劃。航天科技集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)的“鴻雁星座”[16]由54顆移動(dòng)星+270顆寬帶星(不含備份衛(wèi)星)構(gòu)成，2018年12月完成首顆實(shí)驗(yàn)星發(fā)射。航天科工集團(tuán)有限公司提出的“虹云工程”[17]計(jì)劃發(fā)射156顆衛(wèi)星，軌道高度1 000 km，旨在構(gòu)建我國第一個(gè)全球覆蓋的低軌Ka寬帶通信星座系統(tǒng)，于2018年2月完成首顆實(shí)驗(yàn)星發(fā)射。銀河航天公司計(jì)劃在2023年前完成軌道高度1 156 km的144顆衛(wèi)星星座建設(shè)，系統(tǒng)通信容量超過20 Tbit/s。其首顆低試驗(yàn)衛(wèi)星于2020年1月搭載發(fā)射。除了寬帶星座之外，航天科工、九天微星、國電高科和時(shí)空道宇等公司還提出了各自的物聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃。

1.2 地面互聯(lián)網(wǎng)

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展可大致分為三個(gè)階段。第一階段：早期研究和小規(guī)模試驗(yàn)；第二階段：互聯(lián)網(wǎng)的形成和規(guī)模化部署；第三階段：IPv6的發(fā)展及其與IPv4的雙棧共存。

第一階段：互聯(lián)網(wǎng)的歷史可追溯到20世紀(jì)60年代，美國國防部高等研究計(jì)劃署創(chuàng)建了ARPANET，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的連接[18]。到1971年底，ARPANET的規(guī)模達(dá)到了15個(gè)節(jié)點(diǎn)。1974年，TCP/IP協(xié)議被提出[19]，提供了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈接的機(jī)制，將封裝、定址、傳輸、路由和接收加以標(biāo)準(zhǔn)化，是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)協(xié)議。基于TCP/IP協(xié)議，試驗(yàn)人員于1975年實(shí)現(xiàn)了斯坦福和倫敦大學(xué)2個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的通信，1977年完成了美國、英國、挪威三個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的測試。最為大眾熟知的IPv4于1981年9月發(fā)布IETF的RFC 791文件。IPv4是一種無連接的協(xié)議，使用32位地址進(jìn)行路由尋址。1986年，美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)基于TCP/IP技術(shù)，創(chuàng)建了骨干網(wǎng)絡(luò)NSFNET。

第二階段：自NSFNET建立后，越來越多的局域網(wǎng)接入NSFNET，1986年至1991年間，并入的子網(wǎng)從100個(gè)增加到3 000余個(gè)。1990年3月，NSF在康奈爾大學(xué)和歐洲核子研究中心(CERN)之間架設(shè)了T1高速連接，并接入了NSFNET。然而，彼時(shí)的互聯(lián)網(wǎng)還僅局限于研究機(jī)構(gòu)間。1995年4月，美國政府機(jī)構(gòu)停止對(duì)NSFNET的管理，轉(zhuǎn)由私營企業(yè)經(jīng)營，NSFNET骨干網(wǎng)逐步由若干商用骨干網(wǎng)替代，因特網(wǎng)服務(wù)提供商(Internet Service Provider，ISP)逐漸涌現(xiàn)。1998年6月，美國政府發(fā)布白皮書，并于10月成立非盈利性組織“互聯(lián)網(wǎng)名稱與數(shù)字地址分配機(jī)構(gòu)(The Internet Corporation for Assigned Names and Numbers，ICANN)”負(fù)責(zé)互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)管理，全球性質(zhì)的互聯(lián)網(wǎng)正式形成并迅速規(guī)?；渴?。

第三階段：隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的迅速擴(kuò)大，IPv4有限的網(wǎng)絡(luò)地址資源問題日益凸顯，新一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的部署迫在眉睫。1995年12月，IETF發(fā)布了RFC 1883，定義了IPv6協(xié)議，后于1998年12月發(fā)布RFC 2460對(duì)其進(jìn)行了更新。IPv6采用了新的分組格式，最小化路由器需要處理的包頭信息，并支持128位的地址，編碼地址空間較IPv4有了很大的提升。但由于早期路由器、防火墻等系統(tǒng)均采用IPv4，IPv6的替換過程相對(duì)緩慢，技術(shù)上長時(shí)間存在雙棧形態(tài)。2003年1月，IETF發(fā)布了IPv6測試性網(wǎng)絡(luò)“6bone”，用于測試IPv4網(wǎng)絡(luò)向IPv6網(wǎng)絡(luò)遷移的可行性，起初采用IPv6-over-IPv4隧道過渡技術(shù)，并逐步擴(kuò)展純IPv6鏈接。2012年6月6日，全球IPv6網(wǎng)絡(luò)正式啟動(dòng)，Google，Yahoo等網(wǎng)站支持IPv6訪問。截止到2020年4月，我國IPv6用戶已達(dá)2.3億。

隨著IPv6的規(guī)?；渴?，下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究也在不斷推進(jìn)。2008年，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家提出了軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)的概念，通過將控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可集中式軟件管理及可編程，進(jìn)而降低了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營費(fèi)用，加快了新業(yè)務(wù)引入的速度，同時(shí)簡化了網(wǎng)絡(luò)的部署。2018年7月，ITU成立網(wǎng)絡(luò)2030焦點(diǎn)組(Focus Group on Network 2030，F(xiàn)G-NET-2030)，旨在探索面向2030年及以后的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展。2020年初，華為等向ITU提出“New IP”提案，能夠更好地支持AR/VR、全息通信、IoT 網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及新興網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，從根本上支持網(wǎng)絡(luò)層長度可變、多語義地址以及用戶定制網(wǎng)絡(luò)。

1.3 地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)

自20世紀(jì)70年代，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了蜂窩概念、提出采用頻率復(fù)用和小區(qū)分裂技術(shù)以來，地面移動(dòng)通信從第一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(1G)演進(jìn)到了第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)，服務(wù)能力有了質(zhì)的飛躍。

1G采用模擬信號(hào)頻率調(diào)制、頻分雙工(FDD)和多址方式頻分多址(FDMA)，基于電路交換技術(shù)，主要提供低速話音業(yè)務(wù)服務(wù)。1G典型系統(tǒng)，例如1983年美國推出的先進(jìn)移動(dòng)電話系統(tǒng)(Advanced Mobile Phone System，AMPS)；1985年英國開發(fā)的全面接入通信系統(tǒng)(Total Access Communications System,TACS)。由于各國在開發(fā)1G時(shí)只考慮了本國當(dāng)時(shí)可用的頻率資源，彼此的頻率并不協(xié)調(diào)，標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一。

為了提升頻譜效率以及實(shí)現(xiàn)用戶漫游，20世紀(jì)90年代歐美相繼推出了基于數(shù)字傳輸技術(shù)的第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(2G)，可提供話音、短信和低速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。1982年，歐洲郵電行政大會(huì)成立了“移動(dòng)專家組”，并于1990年完成了采用時(shí)分多址(TDMA)第一版全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communications ，GSM)標(biāo)準(zhǔn)制定。同一時(shí)期，美國借鑒軍事通信技術(shù)，由高通公司于1993年提出了基于碼分多址(CDMA)的IS-95標(biāo)準(zhǔn)。此后，為了進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力，又發(fā)展了2.5代的移動(dòng)通信系統(tǒng)，如GPRS,EDGE,IS-95B，最高速率超過384 kbit/s。

第三代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)較2G具有更高的傳輸速率，并開始支持圖片、視頻、音樂等多媒體業(yè)務(wù)，體制上均采用擴(kuò)頻傳輸技術(shù)。1998年，歐洲、日本等采用GSM標(biāo)準(zhǔn)的國家聯(lián)合成立3GPP組織，制定了WCDMA標(biāo)準(zhǔn)。1999年，美國聯(lián)合韓國成立了3GPP2組織，制定CDMA-2000標(biāo)準(zhǔn)。同期，我國獨(dú)立發(fā)展了TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)。3G在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上開始引入承載和控制分離的理念，將用戶的實(shí)際業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和用于管理的信令等數(shù)據(jù)分開，網(wǎng)元設(shè)備功能開始細(xì)化，最高下行傳輸速率可達(dá)14.4 Mbit/s(HSDPA)。

2005年10月的ITU-R WP8F第17次會(huì)議上給出了第四代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)技術(shù)第一個(gè)正式名稱IMT-Advanced。2012年，正式確定了4G兩大標(biāo)準(zhǔn)LTE-Advanced和IEEE 802.16m，我國提出的TD-LTE-Advanced成為國際標(biāo)準(zhǔn)。4G采用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)、多天線(Multiple Input Multiple Output，MIMO)、基于分組交換的無線接口以及載波聚合等關(guān)鍵技術(shù)，Release 10版本的最高下行速率可達(dá)1 Gbit/s。

5G是目前最新一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)，以更高的數(shù)據(jù)速率、更低的延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和支持大規(guī)模設(shè)備連接為主要發(fā)展目標(biāo)。5G三大場景包括增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(enhanced Mobile Broadband,eMBB)、海量物聯(lián)網(wǎng)通信(massive Machine Type of Communication,mMTC)、低時(shí)延高可靠通信(ultra-Reliable and Low Latency Communications,uRLLC)。3GPP于2017年12月完成了5G非獨(dú)立組網(wǎng)(Non-Stand Alone,NSA)標(biāo)準(zhǔn)，以支持在現(xiàn)有4G核心網(wǎng)的基礎(chǔ)上開展5G業(yè)務(wù)。2018年6月，3GPP全會(huì)(TSG#80)批準(zhǔn)了5G Release15 SA(Stand Alone)獨(dú)立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著5G完成了第一階段全功能標(biāo)準(zhǔn)化的工作。5G在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上通過SDN(Software Defined Network)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)面和控制面的分離；利用NFV(Network Functions Virtualization)實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的解耦。在無線傳輸技術(shù)上，5G采用大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)、Polar編碼、非正交多址(Non-Orthogonal Multiple-Access,NOMA)、毫米波通信等關(guān)鍵技術(shù)，使傳輸速率進(jìn)一步提升至數(shù)十Gbit/s。在5G標(biāo)準(zhǔn)化過程中，3GPP在非地面網(wǎng)絡(luò)(Non-terrestrial Networks,NTN)的部署場景中提出了星地融合的4種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)初步模型[20]，包括使用透明轉(zhuǎn)發(fā)器以及星上部署基站的方案，將5G延伸到了衛(wèi)星通信領(lǐng)域。

2019年3月，在IEEE的發(fā)起下，全球第一屆6G無線峰會(huì)在芬蘭召開，標(biāo)志下一代移動(dòng)通信的競爭已經(jīng)啟動(dòng)。預(yù)計(jì)于2030年商用的6G網(wǎng)絡(luò)的流量密度和連接密度較5G將提升10～1 000倍，支持用戶移動(dòng)速率將大于1 000 km/h，峰值速率可達(dá)Tbit/s量級(jí)。為了實(shí)現(xiàn)上述指標(biāo)，讓衛(wèi)星通信承擔(dān)更重要角色、實(shí)現(xiàn)天空地一體化立體覆蓋已成為普遍的共識(shí)。2018年7月ITU成立了Network 2030焦點(diǎn)組，將衛(wèi)星接入作為未來網(wǎng)絡(luò)一個(gè)重要特征。我國科技部于2019年底啟動(dòng)的6G專項(xiàng)研究也將衛(wèi)星作為未來網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，天地融合已成為大勢所趨。

1.4 天地融合網(wǎng)絡(luò)

衛(wèi)星通信業(yè)界對(duì)天地一體融合的探索已接近20年。早在本世紀(jì)初，為了適應(yīng)“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”的要求，美軍提出了轉(zhuǎn)型通信體系(Transformational Communications Architecture，TCA)[21]，擬提供一套受保護(hù)的、類似互聯(lián)網(wǎng)的安全通信系統(tǒng)，將天、空、地、海網(wǎng)絡(luò)整合在一起。TCA的空間段稱為轉(zhuǎn)型通信衛(wèi)星TSAT[21]，由5顆靜止軌道衛(wèi)星構(gòu)成。TSAT計(jì)劃用激光通信、IP、星載路由、大口徑星載天線等一系列先進(jìn)技術(shù)，形成空間高速數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)，從空基和天基情報(bào)、偵察和監(jiān)視信息源頭獲取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高容量的信息共享，從而將美軍全球信息柵格(Global Information Grid,GIG)延伸到缺乏地面基礎(chǔ)設(shè)施的區(qū)域。出于技術(shù)、經(jīng)費(fèi)等一系列因素的考慮，TSAT計(jì)劃于2009年擱置。2005年，歐洲成立了ISI(Integral Satcom Initiative)的技術(shù)聯(lián)盟組，提出了ISICOM(Integrated Space Infrastructure for Global Communication)構(gòu)想[22]。ISICOM在設(shè)計(jì)方面不僅瞄準(zhǔn)與未來全球通信網(wǎng)絡(luò)尤其是未來互聯(lián)網(wǎng)的融合，而且也將通過對(duì)Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)和GMES全球環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)提供補(bǔ)充來實(shí)現(xiàn)增值服務(wù)。ISICOM的空間段部分以3顆地球靜止軌道衛(wèi)星或地球同步軌道衛(wèi)星(GEO/GSO)為核心，結(jié)合MEO/LEO、高空平臺(tái)(HAP)、無人機(jī)(UAVs)等多種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。通過采用多重及可重配置軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、空間激光通信技術(shù)、多頻段射頻接入、對(duì)地虛擬波束成形等一系列關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)天地一體網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。于此同時(shí)，美國SkyTerra衛(wèi)星引入地面輔助基站(Ancillary Terrestrial Component,ATC)概念來解決衛(wèi)星在城市及室內(nèi)覆蓋不佳的問題，通過共用頻率資源和相似的空中接口波形設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)天地對(duì)用戶的協(xié)同服務(wù)。

地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)從5G階段開始，也開始探索衛(wèi)星和地面融合的技術(shù)途徑。2017年6月，歐洲16家企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合成立了SaT5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)組織[23]，研究衛(wèi)星與地面5G融合技術(shù)，并推進(jìn)相關(guān)內(nèi)容的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作。SaT5G組織的研究包括在衛(wèi)星5G網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施NFV和SDN技術(shù)、衛(wèi)星/5G多鏈路和異構(gòu)傳輸技術(shù)、融合衛(wèi)星/5G網(wǎng)絡(luò)的控制面與數(shù)據(jù)面、衛(wèi)星/5G網(wǎng)絡(luò)一體化的管理和運(yùn)維以及5G安全技術(shù)在衛(wèi)星通信中的擴(kuò)展。EuCNC-2019大會(huì)上，SaT5G組織演示了標(biāo)準(zhǔn)5G用戶設(shè)備如何通過衛(wèi)星鏈路單獨(dú)或與地面鏈路并行提供到核心網(wǎng)的回程連接。

3GPP組織從R14階段開始研究衛(wèi)星與5G融合的問題，并在后繼R15,R16研究中進(jìn)一步深化。TS22.261規(guī)范[24]給出了衛(wèi)星5G基礎(chǔ)功能和性能需求，然后在TR38.811[25]研究了非地面網(wǎng)絡(luò)(Non-Terrestrial Networks，NTN)信道模型以及對(duì)NR(New Radio)設(shè)計(jì)的影響，提出了NTN部署場景及相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)，研究了多個(gè)可能傳輸頻段上信道模型以及移動(dòng)性管理問題。TR38.821[26]重點(diǎn)分析了NTN對(duì)5G物理層設(shè)計(jì)的影響，提出了MAC,RLC,RRC層的可選改進(jìn)方案。

雖然TSAT，ISICOM，Sat5G，3GPP等對(duì)天地融合進(jìn)行了一些早期探索，當(dāng)前天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)整體上仍然處于起步階段。為了促進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展，科技部于2016年啟動(dòng)了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大項(xiàng)目研制，并列入國家“十三五”規(guī)劃綱要以及《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大項(xiàng)目擬建設(shè)高、低軌協(xié)同組網(wǎng)的天地融合網(wǎng)絡(luò)。其中，高軌節(jié)點(diǎn)主要提供寬帶接入服務(wù)，并與低軌節(jié)點(diǎn)互聯(lián)，優(yōu)化提升網(wǎng)絡(luò)能力；低軌節(jié)點(diǎn)提供全球覆蓋的移動(dòng)通信、寬帶通信、物聯(lián)網(wǎng)、導(dǎo)航增強(qiáng)、航海/航空監(jiān)視(AIS/ADS-B)等綜合服務(wù)。重大項(xiàng)目完成網(wǎng)絡(luò)“編織”后，將形成“全球覆蓋、隨遇接入、按需服務(wù)、安全可信”的新一代國家公共信息基礎(chǔ)設(shè)施。

2 系統(tǒng)組成及特征

2.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)將由多顆位于不同軌道的衛(wèi)星星座、地面移動(dòng)基站或者WiFi等地面通信設(shè)施、關(guān)口站、測控站、一體化核心網(wǎng)、網(wǎng)管系統(tǒng)、運(yùn)營支撐系統(tǒng)組成，可以提供寬帶接入、數(shù)據(jù)中繼、移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、星基監(jiān)視及導(dǎo)航增強(qiáng)等服務(wù)。

圖1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)組成Fig.1 Composition of ISTIN

① 通信衛(wèi)星星座：由位于GEO,MEO,LEO的多顆通信衛(wèi)星組成；衛(wèi)星采用L,Ku,Ka乃至于Q/V頻段頻譜，通過多點(diǎn)波束天線對(duì)地進(jìn)行覆蓋，為用戶提供移動(dòng)或者寬帶服務(wù)；同軌和異軌衛(wèi)星之間通過微波、太赫茲或者激光鏈路相連構(gòu)成天基網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星搭載星上數(shù)字處理載荷實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和業(yè)務(wù)、信令的空間路由轉(zhuǎn)發(fā)。

② 臨近空間平臺(tái)：由位于地球上空20～100 km內(nèi)的浮空平臺(tái)或飛艇組成，主要用于衛(wèi)星到地面的激光通信中繼和熱點(diǎn)區(qū)域的覆蓋和容量增強(qiáng)。

③ 地面通信基礎(chǔ)設(shè)施：地面移動(dòng)通信基站、WiFi熱點(diǎn)等無線接入設(shè)施；與衛(wèi)星形成協(xié)同的覆蓋，地面主要解決地面基礎(chǔ)設(shè)施條件較好、人口較為稠密區(qū)域的覆蓋，衛(wèi)星主要覆蓋海洋、天空、太空以及地面覆蓋邊緣區(qū)域。

④ 信關(guān)站：通過饋電鏈路實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星星座中衛(wèi)星互聯(lián)，解決天基網(wǎng)絡(luò)承載的用戶信號(hào)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)信令、星上設(shè)備網(wǎng)管信息的落地問題。

⑤ 測控站：依據(jù)航天器的工作狀態(tài)和任務(wù)，控制衛(wèi)星的姿態(tài)和運(yùn)行軌道，配置衛(wèi)星載荷工作參數(shù)。

⑥ 一體化核心網(wǎng)：與衛(wèi)星、關(guān)口站和地面通信基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)，一體化處理借助天基或者地基不同途徑接入用戶的入網(wǎng)申請、認(rèn)證和鑒權(quán)、業(yè)務(wù)尋呼、呼叫建立、無線承載建立、呼叫拆除等流程信令；實(shí)現(xiàn)話音編碼轉(zhuǎn)換等網(wǎng)內(nèi)業(yè)務(wù)處理功能；實(shí)現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，處理網(wǎng)絡(luò)邊界上的信令交互、業(yè)務(wù)路由、業(yè)務(wù)承載建立和管理、必要的業(yè)務(wù)格式轉(zhuǎn)換；保存用戶的簽約信息；在用戶呼叫層面實(shí)現(xiàn)天地資源的統(tǒng)籌調(diào)度；進(jìn)行用戶業(yè)務(wù)信息統(tǒng)計(jì)，用于評(píng)估QoS和計(jì)費(fèi)；進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能統(tǒng)計(jì)。

⑦ 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)：統(tǒng)籌分配網(wǎng)絡(luò)資源；管理、監(jiān)控全網(wǎng)的拓?fù)浜吐酚?；監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括星載和地面設(shè)備；收集全網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)，向網(wǎng)絡(luò)操作者反饋；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)操作者的指令，配置網(wǎng)內(nèi)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)；處理異常和告警事件。

⑧ 運(yùn)營支撐系統(tǒng)：包括受理用戶業(yè)務(wù)申請、管理用戶和訂單、進(jìn)行業(yè)務(wù)計(jì)費(fèi)和賬務(wù)結(jié)算、處理投訴和咨詢、提供網(wǎng)上營業(yè)廳等。

⑨ 用戶終端：包括天基、空基、海基、陸基等多種類型用戶終端，在系統(tǒng)的管理下，在不同衛(wèi)星之間、星地之間的覆蓋區(qū)間切換；系統(tǒng)采用星地融合的傳輸體制設(shè)計(jì)，終端根據(jù)業(yè)務(wù)需求和接入途徑，配置多個(gè)頻段的天線和射頻，共用基帶單元。

2.2 系統(tǒng)特征分析

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

以3GPP標(biāo)準(zhǔn)為代表的地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行天、地網(wǎng)絡(luò)融合是當(dāng)前一個(gè)主流思路。天網(wǎng)和地網(wǎng)短期內(nèi)可視為兩張不同接入網(wǎng)，采用相似的空中接口，由統(tǒng)一的核心網(wǎng)進(jìn)行管控，用戶在不同的接入網(wǎng)間切換。遠(yuǎn)期，天、地網(wǎng)絡(luò)還將在射頻信號(hào)傳輸層面實(shí)現(xiàn)更為廣泛、更具深度協(xié)同，從而進(jìn)一步融合成為一張接入網(wǎng)。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)前面臨的首要問題是如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)基站和核心網(wǎng)功能在星、地之間進(jìn)行合理的分割。在此必須綜合考慮業(yè)務(wù)需求、星上處理業(yè)務(wù)流量占比、信關(guān)站部署情況以及星上載荷的處理能力約束。

對(duì)于大眾消費(fèi)類業(yè)務(wù)，如互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)，可考慮采用簡單的透明轉(zhuǎn)發(fā)器模式，基站和核心網(wǎng)功能均在地面實(shí)現(xiàn)。對(duì)于衛(wèi)星用戶之業(yè)務(wù)直通(Terminal to Terminal,TtoT)、基于星間鏈的境外高安全需求業(yè)務(wù)的不落地向國內(nèi)回傳，則應(yīng)該在星上部署完整的基站。

5G核心網(wǎng)采用了SBA(Service Based Architecture)架構(gòu)[27]，網(wǎng)元功能轉(zhuǎn)化AMF(Core Access and Mobility Management Function)、SMF(Session Management Function)等“微服務(wù)”，在云計(jì)算設(shè)施上被調(diào)度執(zhí)行。在天地融合網(wǎng)絡(luò)中，星上可編程計(jì)算單元資源也可以有選擇和根據(jù)業(yè)務(wù)需求被調(diào)度來臨時(shí)執(zhí)行核心網(wǎng)功能，例如在傳輸延時(shí)較大的GEO星座中支持緊急呼救、武器數(shù)據(jù)鏈這種響應(yīng)時(shí)間嚴(yán)格的業(yè)務(wù)。

2.2.2 空中接口傳輸

采用L，S頻段的衛(wèi)星移動(dòng)通信在空中接口設(shè)計(jì)上已經(jīng)與地面移動(dòng)實(shí)現(xiàn)了部分融合設(shè)計(jì)，“天通一號(hào)”、Thuraya(GMR-3G標(biāo)準(zhǔn))、Inmarsat-4(IAI-2標(biāo)準(zhǔn))均采用3GPP-R4/R6空中接口分層方案，保留了上層協(xié)議(NAS層協(xié)議)絕大部分設(shè)計(jì)，主要針對(duì)星地傳輸鏈路特點(diǎn)設(shè)計(jì)物理層波形、特殊編碼話音承載、MAC層幀結(jié)構(gòu)以及RRC層資源分配算法。在采用Ku和Ka等頻段衛(wèi)星固定通信方面，空中接口目前最為先進(jìn)的則是DVB-S2X[28]以及DVB-RCS2[29]標(biāo)準(zhǔn)，其波形和協(xié)議結(jié)構(gòu)與3GPP標(biāo)準(zhǔn)框架存在較大差異。

由于DVB系列標(biāo)準(zhǔn)缺乏跨區(qū)切換機(jī)制，不支持移動(dòng)性管理等問題，未來融合網(wǎng)絡(luò)的空中接口在天、地2個(gè)接入場景中均采用3GPP標(biāo)準(zhǔn)框架的協(xié)議分層結(jié)構(gòu)和NAS層協(xié)議設(shè)計(jì)是合適的，但在物理層是否能夠采用一種波形方案目前還存在爭議。3GPP組織的目前研究傾向采用OFDM/SC-FDMA多載波傳輸方案[25]，還有一些系統(tǒng)采用下行類DVB單載波、上行SC-FDMA的混合方案。

衛(wèi)星接入場景下物理層波形的選擇需要綜合考慮信道模型和星上轉(zhuǎn)發(fā)器特性。如采用地面5G的多載波技術(shù)方案，則必須解決LEO星地鏈路的大多普勒頻移、星載放大器功率回退導(dǎo)致的低峰均比要求、低頻段極其有限的頻譜資源限制、星地長延時(shí)導(dǎo)致的HARQ效率下降、MIMO適用性存疑等一系列技術(shù)問題。

2.2.3 路由和交換

通信衛(wèi)星拓?fù)涞淖兓强深A(yù)知的，因此在路由機(jī)制設(shè)計(jì)中，可采用基于SDN技術(shù)[30]的集中控制方案。由地面SDN控制器計(jì)算路由，然后通過測控站上注到衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)路由控制。

為了簡化設(shè)計(jì)以及還需支持CCSDS協(xié)議中繼等特色業(yè)務(wù)的需要，星上交換機(jī)并不直接使用IPv4，IPv6分組進(jìn)行交換。結(jié)合星間鏈路和星地用戶、饋電鏈路的傳輸幀結(jié)構(gòu)，可設(shè)計(jì)一種私有的MPLS協(xié)議來承載和交換多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議分組。地面SDN控制器將負(fù)責(zé)處理OSPF等路由協(xié)議，配置衛(wèi)星和終端上的標(biāo)簽與網(wǎng)絡(luò)地址映射表、標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表，承擔(dān)建立、維護(hù)以及拆除MPLS LDP交換路徑的任務(wù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多波束天線技術(shù)

利用星載多波束天線可實(shí)現(xiàn)有限頻率資源的高效空間復(fù)用和極化復(fù)用，從而極大提升了系統(tǒng)容量。目前，星載衛(wèi)星多波束天線分為星載反射面多波束天線、星載相控陣天線、星載透鏡天線[31]。

反射面多波束天線具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)技術(shù)成熟、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，常用于滿足實(shí)現(xiàn)較大電口徑、數(shù)百個(gè)點(diǎn)波束的衛(wèi)星需求。相控陣多波束天線可以通過對(duì)相位和幅度的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)波束調(diào)形、波束掃描以及波束間功率頻率的分配，還可通過使用自適應(yīng)調(diào)零實(shí)現(xiàn)抗干擾技術(shù)，能靈活地適應(yīng)用戶需求的變化以及覆蓋區(qū)內(nèi)業(yè)務(wù)的不平衡分布特點(diǎn)。由于目前Ka頻段星載器件功耗及效率約束，相控陣多波束天線在高頻段產(chǎn)生的波束相對(duì)較少，如歐洲量子衛(wèi)星僅提供8個(gè)收發(fā)波束。透鏡天線是幾何光學(xué)原理在無線電頻率范圍的一種應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)在于有更大的設(shè)計(jì)自由度，具有很好的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，保留了良好的光學(xué)特性，無口徑遮擋。但這類天線在低頻段也具有質(zhì)量大、損耗大等缺點(diǎn)，目前尚未見到在軌應(yīng)用。

除了星上波束成形，地基波束成形(Ground Based Beam Forming，GBBF)[32]技術(shù)將波束形成的大部分功能模塊移至地面完成，星上只保留天線、射頻轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)以及進(jìn)行少量的數(shù)字信號(hào)處理功能，在滿足通信靈活性的同時(shí)，極大地減少了載荷的質(zhì)量和功耗。

為了使有限的功率資源、處理資源與實(shí)際需求相匹配，以適應(yīng)業(yè)務(wù)量分布不均衡的場景，還常使用跳波束(Beam Hopping，BH)技術(shù)[33]。BH技術(shù)對(duì)時(shí)間進(jìn)行分片，在同一時(shí)刻的多個(gè)可用波位上只有一部分點(diǎn)波束同時(shí)覆蓋，減少了同時(shí)形成點(diǎn)波束的數(shù)目，簡化了載荷設(shè)計(jì)。

3.2 星上數(shù)字化信道轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

星上數(shù)字化信道轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)[34]利用數(shù)字帶通濾波器組對(duì)傳輸頻段內(nèi)信號(hào)進(jìn)行濾波，提取單個(gè)或多個(gè)子帶采樣信號(hào)，然后通過采樣數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)器之間的高速交換，實(shí)現(xiàn)任意帶寬、載頻子帶信號(hào)的靈活“透明轉(zhuǎn)發(fā)”。與傳統(tǒng)的透明彎管轉(zhuǎn)發(fā)相比，數(shù)字化信道轉(zhuǎn)發(fā)器的信號(hào)交換在數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)，交換帶寬可利用軟件在軌靈活調(diào)整，從而能適應(yīng)需求的變化。目前，泰雷茲阿萊尼亞公司研制的Spacebus NEO全電動(dòng)平臺(tái)所搭載數(shù)字轉(zhuǎn)發(fā)載荷，基于專用ASIC專用器件，已可實(shí)現(xiàn)160個(gè)3 000 Hz通道的數(shù)字信道化轉(zhuǎn)發(fā)，單通道可再細(xì)分成1 000個(gè)子帶。

目前“調(diào)制濾波器組法”[35]常用來實(shí)現(xiàn)大量、不同帶寬子帶信號(hào)的高效并行分離和重構(gòu)。該方法通過調(diào)制1個(gè)或2個(gè)低通濾波器得到各個(gè)通道濾波器，其中心頻率和帶寬可以隨著需求的改變而動(dòng)態(tài)變化，極大地降低了濾波器組的設(shè)計(jì)難度。然而，由于實(shí)際設(shè)計(jì)濾波器性能的不理想會(huì)導(dǎo)致每個(gè)濾波器邊緣處產(chǎn)生信號(hào)失真，如何在合理采樣精度、濾波器階數(shù)約束下針對(duì)大帶寬處理需求設(shè)計(jì)兼顧過渡帶和阻帶特性原型濾波器是關(guān)鍵問題。

3.3 星間高速傳輸技術(shù)

星間激光通信技術(shù)[36]因其不需要頻率協(xié)調(diào)、傳輸速率高、終端體積重量小等一系列突出優(yōu)勢，成為當(dāng)前星間鏈路構(gòu)建的主要選擇。空間激光通信可以采用頻率調(diào)制、幅度調(diào)制、相位調(diào)制、極化調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制等方式將微波信號(hào)調(diào)制到光載波上。對(duì)應(yīng)的接收方式主要有2種：一是直接強(qiáng)度探測，即非相干探測；二是相干探測。強(qiáng)度調(diào)制、直接探測(IM/DD)的技術(shù)方案具有簡單、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，但容易引入噪聲，且調(diào)制頻率低、接收靈敏度相對(duì)較差。相位調(diào)制、相干探測的方案具有接收靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，靈敏度比直接探測高出10～20 dB。進(jìn)行相干探測時(shí)，信號(hào)光與本振光要具有良好的相干性，系統(tǒng)較直接探測復(fù)雜，對(duì)器件的性能要求也較高。

太赫茲通信[37]具有可用頻譜寬、波束跟蹤較激光通信相對(duì)簡單等優(yōu)勢。目前我國已經(jīng)完成了0.34 THz載頻、10 Gbit/s速率地面短距離太赫茲傳輸實(shí)驗(yàn)，采用了基肖特基二極管的次諧波混頻、正交調(diào)制傳輸和卡塞格倫天線技術(shù)方案。未來太赫茲技術(shù)將成為解決空間高速傳輸與組網(wǎng)問題的重要技術(shù)手段之一。

3.4 星上路由技術(shù)

中、低軌道星座中衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟恢碧幱诓粩嘧兓?dāng)中，星間需要頻繁地進(jìn)行鏈路切換，這對(duì)空間路由協(xié)議的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)[38]。

目前，較為成熟的衛(wèi)星星座路由算法主要是基于快照序列[39]的路由算法。這種算法將一個(gè)周期內(nèi)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭澐譃樵S多單獨(dú)的拓?fù)淇煺?，快照?nèi)星座拓?fù)湟暈榉€(wěn)定、可預(yù)測的，可預(yù)先計(jì)算出每個(gè)快照內(nèi)的路由表，然后不停地切換。

當(dāng)前，僅銥星星座較為成功地運(yùn)用了星座路由技術(shù)，其他在軌系統(tǒng)如全球星等均采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器、全球部署信關(guān)站、業(yè)務(wù)就近直接落地方案。未來美國Starlink星座以及加拿大Telesat星座都將通過星間鏈路實(shí)現(xiàn)空間組網(wǎng)和路由，支持業(yè)務(wù)不落地的空間多跳轉(zhuǎn)發(fā)，從而極大地緩解了全球部署信關(guān)站帶來的協(xié)調(diào)壓力。

3.5 全電推進(jìn)衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)

相比化學(xué)推進(jìn)技術(shù)，電推技術(shù)[40]具有比沖高、控制精度高、質(zhì)量輕和可重復(fù)啟動(dòng)的突出優(yōu)勢，從而有效提升衛(wèi)星的載荷比，降低發(fā)射的質(zhì)量。2000年以后，電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)入深化應(yīng)用階段，在各類航天器中得到廣泛應(yīng)用。波音公司開發(fā)的BSS-702SP是世界上首個(gè)全電推衛(wèi)星平臺(tái)。其采用4臺(tái)XIPS-25 離子推力器，單臺(tái)推力器推力最大可達(dá)到165 mN，比沖達(dá)3 500 s 。

電推進(jìn)主要有靜電式、電加熱式和電磁式[41]?；魻柾七M(jìn)器[42](又稱穩(wěn)態(tài)等離子推進(jìn)器)是一種電磁式推力器，具有高比沖、高推功比等突出優(yōu)勢，是目前應(yīng)用較為廣泛、最為成熟的電推進(jìn)系統(tǒng)。

衛(wèi)星平臺(tái)上的電推進(jìn)器目前主要用于：① 衛(wèi)星軌道位置保持和姿態(tài)控制，例如GEO衛(wèi)星的南北位保、LEO星座衛(wèi)星的軌道相位保持；② 軌道轉(zhuǎn)移，例如Starlink衛(wèi)星搭載的氪離子推進(jìn)系統(tǒng)在280 km高度星箭分離后，開機(jī)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整與軌道爬升，進(jìn)入550 km預(yù)定軌道，在壽命末期還承擔(dān)降低軌道、完成離軌操作任務(wù)；③ 動(dòng)量輪卸載，解決空間外干擾力矩造成三軸穩(wěn)定衛(wèi)星動(dòng)量輪轉(zhuǎn)速的周期性變化問題；④ 空間碎片的規(guī)避等。

目前，全電推進(jìn)開展研究主要包括：發(fā)展多模態(tài)電推進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)工作點(diǎn)，滿足不同任務(wù)對(duì)大推力、高比沖的不同需求；繼續(xù)突破大推力、超高比沖電推進(jìn)技術(shù)，例如研制100 kW以上功率、8 000 s以上的單臺(tái)霍爾推進(jìn)器；實(shí)現(xiàn)多個(gè)推進(jìn)器的組合應(yīng)用。

我國目前已經(jīng)完成了10 kW霍爾推進(jìn)器的研制，正進(jìn)一步開展50 kW霍爾推力器的攻關(guān)。

3.6 天基信息港技術(shù)

“天基信息港是由一簇在同步軌道上共位的模塊化衛(wèi)星組成，衛(wèi)星通過星間微波/激光鏈路相互連接形成一個(gè)‘虛擬大衛(wèi)星’”[43]。天基信息港的設(shè)計(jì)目標(biāo)是針對(duì)航天任務(wù)多樣化、體系化的需求，通過多顆衛(wèi)星的彈性組網(wǎng)和智能資源調(diào)度，實(shí)現(xiàn)態(tài)勢的綜合感知、多源信息的匯聚和處理、高速數(shù)據(jù)分發(fā)，從而加快網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)、在軌直接支持應(yīng)用的開展。天基信息港的典型應(yīng)用模式包括利用多個(gè)衛(wèi)星的天線實(shí)現(xiàn)更大的綜合孔徑、多星多譜段對(duì)地觀測信息融合、空間云計(jì)算等。

天基信息港涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括多星共位和編隊(duì)保持技術(shù)、星間高速傳輸和多址技術(shù)、多星分布式組網(wǎng)和計(jì)算技術(shù)等。

3.7 頻率軌位干擾分析和規(guī)避技術(shù)

目前衛(wèi)星通信的頻率和軌位資源的爭奪已進(jìn)入白熱化階段，尤其是LEO星座的用頻。目前寬帶LEO星座主要使用C，Ku，Ka，Q頻段。其中C頻段因?yàn)榈孛?G使用sub 6G頻段，基本上不可能用于LEO星座構(gòu)建；Ku頻段收發(fā)1 GHz帶寬資源都已用在了目前主流星座上；Ka頻段目前申請資料達(dá)到了近百份，競爭異常激烈；Q頻段具有可用頻譜寬、使用規(guī)則平等(WRC-19大會(huì)Q頻段使用模式修改為“協(xié)調(diào)資料投入使用”程序，使全球擬采用該頻段的星座具有了平等協(xié)調(diào)地位)、實(shí)際在用系統(tǒng)少等特點(diǎn)，爭奪這部分頻譜資源對(duì)未來LEO星座構(gòu)建具有重要的意義。

與頻率協(xié)調(diào)方案及規(guī)則相對(duì)成熟的GSO衛(wèi)星不同，作為NGSO的LEO星座系統(tǒng)衛(wèi)星空間位置時(shí)變，與其他系統(tǒng)間干擾標(biāo)準(zhǔn)和干擾程度的衡量需要考慮到時(shí)間統(tǒng)計(jì)和功率水平兩個(gè)維度。目前與GSO的干擾協(xié)調(diào)有效方案是利用NGSO與GSO衛(wèi)星軌道高度差產(chǎn)生的俯仰漸進(jìn)隔離角避免干擾[44]?；陬l譜感知的NGSO和GSO干擾協(xié)調(diào)技術(shù)近年來也得到重視[45]。

4 未來展望

(1) 天基網(wǎng)絡(luò)作為未來信息網(wǎng)絡(luò)基石已成為廣泛共識(shí)，空間網(wǎng)絡(luò)規(guī)模呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢

為了進(jìn)一步彌合天、地網(wǎng)絡(luò)的容量和能力差距，擬建設(shè)的空間網(wǎng)絡(luò)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。SpaceX公司Starlink計(jì)劃包含高達(dá)42 000顆衛(wèi)星、亞馬遜公司的Kuiper計(jì)劃也達(dá)3 236顆衛(wèi)星。為了未來實(shí)現(xiàn)天地一體、立體覆蓋、協(xié)同服務(wù)，迫切需要研究解決多層軌道衛(wèi)星、地面基站構(gòu)成的超大規(guī)模、立體網(wǎng)絡(luò)的融合接入、協(xié)同覆蓋、協(xié)同組網(wǎng)、協(xié)調(diào)用頻、一體化傳輸和統(tǒng)一服務(wù)等問題。

(2) 透明轉(zhuǎn)發(fā)和星上處理等工作模式長期共存，在軌重構(gòu)、軟件定義為按需服務(wù)賦能

透明轉(zhuǎn)發(fā)模式需要解決高性能天線、射頻和信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)載荷設(shè)計(jì)問題，星上處理模式需要解決在超寬帶信號(hào)處理需求下，由于資源嚴(yán)重受限帶來的高性能、低功耗計(jì)算處理問題。對(duì)低軌星座還需解決星地相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來的網(wǎng)元功能星地分割與動(dòng)態(tài)重構(gòu)、網(wǎng)元移動(dòng)性、用戶移動(dòng)性管理等問題。軟件定義載荷將是未來發(fā)展一個(gè)重點(diǎn)，它允許用戶在衛(wèi)星入軌后根據(jù)業(yè)務(wù)需要和衛(wèi)星健康狀態(tài)進(jìn)行覆蓋區(qū)域、頻段、帶寬和功率再調(diào)配，從而顯著縮短研制周期、降低成本、最大程度地利用衛(wèi)星能力。

(3) 高低頻、高低軌系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展，持續(xù)提升容量和效益成為重要發(fā)展目標(biāo)

除了常用的L/S,C,Ku頻段以外，新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)大量采用Ka頻段、甚至Q/V頻段來提升容量，未來還有可能使用太赫茲頻段。不論是為目前5G基站拉遠(yuǎn)提供大容量回程通道，還是為未來星地提供一致的服務(wù)質(zhì)量，以及實(shí)現(xiàn)廣域海量物聯(lián)服務(wù)，都需要優(yōu)化頻譜的利用，引入先進(jìn)編碼調(diào)制、新型多址、多波束多鏈路協(xié)同、高速星間鏈等先進(jìn)傳輸技術(shù)，有效提升空中接口容量，促進(jìn)多頻段、高低軌衛(wèi)星服務(wù)的有效協(xié)同。

(4) 確定性的服務(wù)質(zhì)量保障成為未來天地融合網(wǎng)絡(luò)的重要特征

基于低軌道衛(wèi)星星座的接入能夠有效提升容量和減小時(shí)延，但其本身面臨著鏈路延時(shí)抖動(dòng)大、用戶和饋電鏈路切換頻繁、承載網(wǎng)絡(luò)不斷動(dòng)態(tài)重構(gòu)等一系列不利于服務(wù)質(zhì)量保障的因素。而未來星地多維多鏈路協(xié)同覆蓋場景中，干擾協(xié)調(diào)的復(fù)雜性、傳播模型的不同、平臺(tái)處理能力的離差都將進(jìn)一步加大服務(wù)質(zhì)量保障的難度。

(5) 人工智能為網(wǎng)絡(luò)的有效管理和特色服務(wù)提供了新動(dòng)力

未來天地一體融合多維網(wǎng)絡(luò)將包含海量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求、多種異質(zhì)的接入媒介，是一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)，其管理難度遠(yuǎn)超常規(guī)的單星組網(wǎng)系統(tǒng)，必須引入人工智能、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)手段，促進(jìn)管理從自動(dòng)化向智能化轉(zhuǎn)型，使網(wǎng)絡(luò)能夠感知、預(yù)測到服務(wù)需求，并能夠提前優(yōu)化部署適配的服務(wù)能力。據(jù)報(bào)道，NASA目前已經(jīng)開始了基于智能合約與機(jī)器學(xué)習(xí)的星座優(yōu)化技術(shù)研究。

(6) 天基計(jì)算、信息服務(wù)將重構(gòu)衛(wèi)星通信價(jià)值鏈

Kuiper星座系統(tǒng)計(jì)劃基于亞馬遜領(lǐng)先的云計(jì)算AWS(Amazon Web Services)為用戶提供遙感、星基監(jiān)視等信息處理的托管服務(wù)。我國提出了構(gòu)建“天基信息港”在軌直接支持應(yīng)用服務(wù)的概念。為強(qiáng)化在軌數(shù)據(jù)處理能力，歐洲航天局(ESA)設(shè)立了“先鋒計(jì)劃”，并于2019年發(fā)射的衛(wèi)星上搭載了可擴(kuò)展輕量并行超算載荷。近期，美軍提出了“空間作戰(zhàn)云”的架構(gòu)和設(shè)想，擬實(shí)現(xiàn)一個(gè)全球泛在的數(shù)據(jù)分發(fā)和信息共享綜合網(wǎng)絡(luò)體系。俄羅斯航天系統(tǒng)公司則宣稱正在研發(fā)天基信息流量自動(dòng)處理技術(shù)。軟件定義衛(wèi)星、天基計(jì)算技術(shù)的發(fā)展為移動(dòng)信息服務(wù)更貼近用戶提供了途徑。

(7) 行業(yè)和技術(shù)的垂直與橫向整合將帶來巨大的成本優(yōu)勢及商業(yè)機(jī)遇

根據(jù)中金公司的研究報(bào)告，“Starlink單顆衛(wèi)星的發(fā)射+制造成本只有153萬美元，是OneWeb的46%，未來隨著二級(jí)火箭再回收、衛(wèi)星的輕量化生產(chǎn)，預(yù)計(jì)還能下降30%以上”[46]。SpaceX公司利用火箭、衛(wèi)星制造到發(fā)射服務(wù)的垂直整合模式顯著改善了成本，提高了組網(wǎng)速度與靈活性，從而在商業(yè)市場上體現(xiàn)出很強(qiáng)的競爭力。未來，SpaceX、我國的時(shí)空道宇公司還要將新能源汽車制造、智慧出行和衛(wèi)星通信行業(yè)進(jìn)行橫向整合以創(chuàng)造新的流量入口和商業(yè)機(jī)遇。

5 結(jié)論

天地一體融合發(fā)展作為未來6G網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特征已經(jīng)獲得了廣泛的共識(shí)，未來將從需求、愿景、用頻、研發(fā)、組網(wǎng)、服務(wù)到運(yùn)維真正實(shí)現(xiàn)天、地統(tǒng)一規(guī)劃，統(tǒng)一設(shè)計(jì)，統(tǒng)一建設(shè)和統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)從創(chuàng)新、產(chǎn)品、工程到應(yīng)用服務(wù)的全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)作為推動(dòng)各行各業(yè)數(shù)字化、移動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的普適性基礎(chǔ)設(shè)施，將以極強(qiáng)的滲透性和帶動(dòng)性，極大地加快全球社會(huì)的轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新發(fā)展。