司鵬 陳寧宇 王立中 呂韞哲 黃濤 秦曉

(1.中國衛(wèi)通集團股份有限公司，北京 100190；2.武警部隊參謀部作戰(zhàn)勤務保障大隊，北京 100097)

0 引言

用戶應用需求的持續(xù)發(fā)展對未來網(wǎng)絡提出了更高要求，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為信息基礎設施的重要組成部分，正在成為全球互聯(lián)網(wǎng)競爭的新高地之一。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以分為靜止地球軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)高通量衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和低軌(Low Earth Orbit，LEO)星座互聯(lián)網(wǎng)。在GEO方面，歐美發(fā)達國家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)投入使用并規(guī)劃了若干如ViaSat-2、Jupiter-2、KA-Sat、SES-12/14/15、Intelsat Epic NG、Inmarsat GX等的GEO衛(wèi)星系統(tǒng)，應用服務能力和商業(yè)模式已經(jīng)得到充分證明，目前正在加緊ViaSat-3、SES-17、Inmarsat GX Flex、Konnect VHTS等新一代衛(wèi)星系統(tǒng)的建設[1]。在LEO方面，為滿足互聯(lián)網(wǎng)全球覆蓋需要，低軌星座建設熱潮重啟，涌現(xiàn)出廣受業(yè)界關注并獲得大量商業(yè)資本支持的StarLink、OneWeb、Kuiper等新型寬帶星座。新興低軌星座主要定位于寬帶、視頻，以及數(shù)據(jù)服務，計劃占據(jù)互聯(lián)網(wǎng)新入口、開拓新的商業(yè)領域。

在國家層面，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)承擔著“航天強國”“網(wǎng)絡強國”的重要使命，是國家空間基礎設施和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，其戰(zhàn)略地位越來越突出。2017年，我國首顆自主研發(fā)的高軌高通量通信衛(wèi)星中星16號發(fā)射成功并交付中國衛(wèi)通集團股份有限公司運營，正式開始國內(nèi)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的探索。2020年，國家發(fā)展和改革委員會首次將“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”納入新基建范疇，明確要求以信息網(wǎng)絡為基礎，面向高質(zhì)量發(fā)展需要，提供數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新等服務的基礎設施體系。至此，發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)上升為國家戰(zhàn)略性工程，全國各地相繼出臺相關政策支持衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。2021年4月，中國衛(wèi)星網(wǎng)絡通信集團有限公司于雄安新區(qū)掛牌成立，標志著我國低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)建設進入加速落地時期。在此環(huán)境下，GEO與LEO衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將面臨復雜的競合關系，會產(chǎn)生直接的相互影響，因此研究高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡如何進行融合具備重要的現(xiàn)實意義。本文重點闡述和比較高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡的特點與差異，并針對我國高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡建設提出融合路徑和協(xié)調(diào)發(fā)展的建議。

1 高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡典型特點對比

1.1 高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡架構(gòu)組成

如圖1所示，GEO高通量衛(wèi)星[2]和低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的網(wǎng)絡架構(gòu)基本相同，都由衛(wèi)星、地面系統(tǒng)與用戶終端構(gòu)成，其中地面系統(tǒng)由信關站、數(shù)據(jù)中心、運營中心組成，用戶終端則包括各類固定和移動終端。

圖1 高低軌網(wǎng)絡組成架構(gòu)

(1)信關站：為所在饋電波束對應的用戶波束提供接入服務，包含天線射頻分系統(tǒng)、基帶分系統(tǒng)和路由交換分系統(tǒng)，完成饋電鏈路信號收發(fā)、基帶處理等功能，并負責與數(shù)據(jù)交換節(jié)點、運營中心進行數(shù)據(jù)交換。

(2)數(shù)據(jù)中心：是通信衛(wèi)星地面系統(tǒng)的路由交換核心，通過專線完成若干信關站數(shù)據(jù)的匯聚和分發(fā)，并通過光纖實現(xiàn)與運營中心、Internet、蜂窩移動通信網(wǎng)等地面網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。

(3)運營中心：是地面系統(tǒng)管理、控制的核心，包括業(yè)務支撐分系統(tǒng)、運營支撐分系統(tǒng)、網(wǎng)絡和信息安全分系統(tǒng)，以及基帶分系統(tǒng)網(wǎng)絡管理部分，用于實現(xiàn)用戶管理、計費賬務、流量計費等業(yè)務運營支撐功能。

(4)用戶終端：通過收發(fā)天線實現(xiàn)用戶對通信狀態(tài)的設置、獲取，并通過衛(wèi)星用戶波束接入到所屬信關站，完成通信功能。

1.2 高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡特點對比

GEO衛(wèi)星運行于高度為35 786 km的軌道上，與地球保持相對靜止，覆蓋區(qū)域固定，單星即可提供穩(wěn)定的區(qū)域通信服務且通信容量較大，最少3顆衛(wèi)星即可實現(xiàn)全球覆蓋(南北極區(qū)域除外)。而LEO衛(wèi)星運行的軌道高度一般為500～2000 km，需多顆衛(wèi)星組成星座，系統(tǒng)整體通信容量較大，能夠提供全球覆蓋(含南北極地區(qū))的通信服務。高軌和低軌衛(wèi)星都采用多點波束和頻率復用等高通量技術(shù)來提升系統(tǒng)容量，單星容量相較傳統(tǒng)大波束衛(wèi)星可提升幾十甚至數(shù)百倍，并且有持續(xù)提升的趨勢。例如，美國衛(wèi)訊公司計劃發(fā)射的ViaSat-3衛(wèi)星單顆通信容量將達到1 Tbit/s。而低軌星座通常采用輕量級衛(wèi)星，由于波束數(shù)目和功率的限制，單星容量比高軌衛(wèi)星要低，低軌典型代表StarLink的單星容量約21.6 Gbit/s。但受益于其龐大的星座數(shù)量，低軌星座整體的系統(tǒng)容量可以達到很高的量級，例如StarLink的系統(tǒng)總?cè)萘靠蛇_94 Tbit/s[3]。

GEO傳輸單向時延的理論最低值為120 ms，往返時延約240 ms。而LEO由于衛(wèi)星軌道高度較低，其往返時延有望控制在30 ms以內(nèi)，接近地面光纖網(wǎng)絡的水平。在終端方面，GEO衛(wèi)星相對地面靜止，地面終端實現(xiàn)相對簡單，可以使用靜態(tài)拋物面天線或機械調(diào)向拋物面天線，已經(jīng)發(fā)展較為成熟且達到消費級價格。而低軌衛(wèi)星相對于地球表面高速運動，對用戶終端的波束跟蹤性能要求更高，其地面終端一般要采用相控陣平板天線，目前生產(chǎn)成本還比較高。

在空口體制協(xié)議方面，目前GEO衛(wèi)星主要采用DVB-S2X/DVB-RCS2協(xié)議標準，LEO衛(wèi)星對動態(tài)性、移動性管理要求較高，可采用DVB協(xié)議或借鑒地面移動通信的3GPP協(xié)議。

由上述對比可以看到，雖然高低軌衛(wèi)星系統(tǒng)在覆蓋范圍、系統(tǒng)容量、時延、終端等方面存在差異，并且可能各自遵循不同的協(xié)議標準，但GEO高通量衛(wèi)星和低軌互聯(lián)網(wǎng)星座的網(wǎng)絡架構(gòu)基本相同，具備融合的基礎。因此，高低軌系統(tǒng)在網(wǎng)絡管控等方面存在著多種結(jié)合的可能和前景。

2 高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡融合路徑分析

結(jié)合當前行業(yè)發(fā)展情況和衛(wèi)星/地面應用系統(tǒng)、應用終端等方面的技術(shù)發(fā)展趨勢，按照終端應用融合、網(wǎng)絡管控融合、體制協(xié)議融合的思路對高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡融合的技術(shù)路徑進行綜合對比分析。

2.1 終端應用融合

終端應用融合主要通過多模終端的方式進行，通過在用戶終端進行集成或一體化設計，兼容GEO和LEO多體制、多協(xié)議的方式，實現(xiàn)多模終端與GEO網(wǎng)絡或LEO網(wǎng)絡的互聯(lián)互通(見圖2)。在此種模式下，高、低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡可以進行獨立的建設與運營。

圖2 融合終端功能組成示意圖

LEO終端天線本身具有良好的衛(wèi)星跟蹤性能和多星多波束收發(fā)能力，Ka頻段射頻部分適用于高軌和低軌衛(wèi)星，根據(jù)路徑選擇調(diào)整終端接收和發(fā)射參數(shù)，實現(xiàn)高、低軌鏈路兼容。終端天線可根據(jù)用戶選擇或應用需求分別與GEO衛(wèi)星或LEO衛(wèi)星建鏈。在調(diào)制解調(diào)器內(nèi)通過集成多個模塊或一體化設計，實現(xiàn)對高、低軌的體制與協(xié)議(DVB協(xié)議、3GPP協(xié)議及其他協(xié)議)的兼容，用戶可根據(jù)需要手動或自動選擇要接入的網(wǎng)絡類型。GEO和LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡的接入網(wǎng)、核心網(wǎng)及業(yè)務系統(tǒng)可完全獨立，用戶可在兩個網(wǎng)絡中進行漫游。GEO和LEO終端的工作模式如下所述。

2.1.1 GEO和LEO模塊集成

終端內(nèi)集成GEO和LEO的獨立處理模塊。此種功能僅為兩種終端的簡單結(jié)合，可采用相同的天線支持高低軌兩套系統(tǒng)，處理模塊區(qū)分高低軌衛(wèi)星。

在此種模式下，天線對準GEO衛(wèi)星時接收GEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)時使用GEO模塊。根據(jù)技術(shù)狀態(tài)，可選擇僅接收一顆高軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)，或同時支持兩顆高軌星數(shù)據(jù)接收。

當接收低軌數(shù)據(jù)時，可支持同時連接兩顆LEO衛(wèi)星(需天線支持)，實現(xiàn)連接軟切換功能，數(shù)據(jù)處理采用LEO模塊。

2.1.2 GEO和LEO功能一體化設計

終端的一體化處理模塊具備GEO協(xié)議和LEO協(xié)議轉(zhuǎn)換能力。此模式分兩個階段，第一階段為處理模塊同時僅能處理一種終端的協(xié)議，即連接高軌衛(wèi)星時，僅能處理高軌協(xié)議的轉(zhuǎn)換。連接低軌衛(wèi)星時，僅能處理低軌協(xié)議的轉(zhuǎn)換。第二階段為處理模塊具備同時處理高低軌協(xié)議的能力，其中天線射頻系統(tǒng)可根據(jù)使用情況進行多模塊設計或者復用同一模塊。

2.2 網(wǎng)絡管控融合

網(wǎng)絡管控融合是在終端應用融合的基礎上，GEO和LEO網(wǎng)絡通過運營中心進行互聯(lián)互通或統(tǒng)一實現(xiàn)管控結(jié)合。

(1)GEO和LEO網(wǎng)絡的通信協(xié)議標準不同，高、低軌衛(wèi)星系統(tǒng)接入網(wǎng)可獨立建設運行，在運營中心的業(yè)務支撐系統(tǒng)互聯(lián)互通，部分網(wǎng)絡資源可互操作，實現(xiàn)管控融合。例如，高軌/低軌衛(wèi)星運營商購買部分低軌/高軌網(wǎng)絡資源，通過業(yè)務支撐系統(tǒng)互聯(lián)互通方式，實現(xiàn)對高、低軌網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一管控。平臺融合網(wǎng)絡架構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 平臺融合網(wǎng)絡架構(gòu)示意圖

(2)GEO和LEO網(wǎng)絡的通信協(xié)議標準不同，高、低軌衛(wèi)星系統(tǒng)接入網(wǎng)可獨立建設運行，核心網(wǎng)接入統(tǒng)一的運營平臺，由一個運營中心為用戶提供流量管理、計費管理和QoS保障等服務，實現(xiàn)管控深度融合，高低軌網(wǎng)絡可統(tǒng)一運營或獨立運營。

2.3 體制協(xié)議融合

B5G、6G技術(shù)研究的逐步深化，對衛(wèi)星通信能力和天地網(wǎng)絡融合提出了新的要求，新一代衛(wèi)星通信協(xié)議標準研究已經(jīng)提上日程。未來，GEO和LEO的通信協(xié)議很可能會趨同，可以通過設備虛擬化技術(shù)實現(xiàn)信關站基帶池化(基帶設備高度通用)。GEO和LEO按照新的協(xié)議標準開展網(wǎng)絡架構(gòu)設計，接入網(wǎng)、核心網(wǎng)進行深度融合，實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡資源的高效管控。

體制協(xié)議體系融合可確保網(wǎng)絡的靈活拓展性，在站網(wǎng)、設施層面實現(xiàn)資源共用與統(tǒng)籌，運行管理能力銜接。通過統(tǒng)一的運營管理、網(wǎng)絡架構(gòu)和技術(shù)體制，可實現(xiàn)天地融合一張網(wǎng)絡、星地資源一體化統(tǒng)籌管理、用戶動態(tài)優(yōu)化接入。此種融合方式的可實施性取決于空間段、地面段和用戶段的整體路線選擇，融合難度最大，需要較長實施時間。但此技術(shù)路線的用戶體驗和后期的運營商管理體驗最好，是高低軌融合的根本目標。

此外，低軌星座的高空間密度和高功能度需要集中管控，而高軌衛(wèi)星可視范圍大，3顆衛(wèi)星即可實現(xiàn)所有低軌衛(wèi)星的覆蓋。在體制協(xié)議融合的基礎上，可采用基于SDN的星載管控架構(gòu)[4]，通過攻關系統(tǒng)架構(gòu)設計、多目標高精度捕獲跟蹤等技術(shù)，采用不少于3個高軌衛(wèi)星實現(xiàn)對所有低軌衛(wèi)星的資源管控服務，為低軌衛(wèi)星或地面終端進行系統(tǒng)狀態(tài)、控制信息或星歷的分發(fā)，支持網(wǎng)絡多維資源感知與控制和多波束資源智能高效調(diào)度等功能。

3 高低軌通信衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)發(fā)展建議

低軌星座所有衛(wèi)星都圍繞地球旋轉(zhuǎn)，天然具備全球覆蓋的特性，這是其優(yōu)勢之一，但也存在著潛在的問題。地球表面70%以上為海洋和荒野，這些區(qū)域?qū)π畔⑷萘康男枨笫钟邢蕖Ｈ舻蛙壭亲凑諢狳c區(qū)域的峰值容量需求來規(guī)劃和建設，則會造成整體系統(tǒng)容量的利用效率較低，產(chǎn)生極大的資源浪費。若降低星座的容量設計，又將無法滿足熱點區(qū)域的用戶需求[5]。而GEO衛(wèi)星相對于地球表面呈現(xiàn)近似靜止的狀態(tài)，可以較為方便地通過波束賦形將容量投送到地面指定的區(qū)域，因此衛(wèi)星容量的利用效率較高，據(jù)調(diào)查GEO的容量利用率可達60%[1]。因此，在全球?qū)拵o縫覆蓋需求并不迫切的情況下，單純追求星座規(guī)模獲得的效益十分有限。所以，“以規(guī)模換能力”的空間網(wǎng)絡發(fā)展路線對我國并不適用，應避免在國際競爭中落入比拼規(guī)模的“陷阱”。

我國應盡快研究高軌衛(wèi)星與低軌星座協(xié)調(diào)發(fā)展問題，采用按需建設的方式，發(fā)揮高軌系統(tǒng)和低軌系統(tǒng)在覆蓋、容量等方面的互補優(yōu)勢。應利用高軌來覆蓋深耕國內(nèi)及周邊等重點區(qū)域，用低軌來實現(xiàn)全球均勻覆蓋，重點聚焦國際市場。高軌衛(wèi)星相對靜止，廣播優(yōu)勢突出，廣播電視、內(nèi)容分發(fā)等應用仍然應當堅持選擇高軌衛(wèi)星。在機載、船載、單點互聯(lián)網(wǎng)接入等高低軌業(yè)務重疊市場，低軌可作為“覆蓋接入層”提供廣泛的接入服務，高軌可作為“容量層”提供熱點區(qū)域的增強覆蓋，用戶可以在高低軌衛(wèi)星之間按需切換，實現(xiàn)機載、船載市場的“全球范圍”服務能力。在建設運營方面，高、低軌衛(wèi)星可獨立建設運行，在運營中心的業(yè)務支撐系統(tǒng)互聯(lián)互通，實現(xiàn)對高、低軌網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一管控，形成“廣域?qū)拵Ц采w+全球均勻覆蓋”的優(yōu)勢互補網(wǎng)絡格局，優(yōu)化整體網(wǎng)絡的資源配置。在業(yè)務運營方面，可以通過地面系統(tǒng)的平臺化來集成各類網(wǎng)絡運營系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)綜合信息應用服務，用戶當前可以選擇高軌衛(wèi)星進行應用，為將來的低軌星座培育市場，以推進高低軌業(yè)務系統(tǒng)未來的協(xié)調(diào)發(fā)展。

4 結(jié)束語

隨著衛(wèi)星模塊化設計制造、高通量技術(shù)、火箭重復利用等技術(shù)的巨大進步，低軌衛(wèi)星星座迎來了新的發(fā)展熱潮。在有限的衛(wèi)星通信市場內(nèi)，低軌星座將與已有的高軌高通量衛(wèi)星面臨如何協(xié)調(diào)共存的問題。二者在覆蓋范圍、吞吐量、傳輸時延、終端等方面各有特點，且具備類似的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和相互融合基礎。應從國家層面統(tǒng)籌考慮高低軌衛(wèi)星資源，分時分步驟地推進高低軌系統(tǒng)融合，優(yōu)化整體網(wǎng)絡的資源配置，構(gòu)建一個時間及空間連續(xù)覆蓋、可靠實用的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絡。