王妮煒，全子傲，翟立君*，韓 湘，潘沭銘，徐曉帆

(1.中國星網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院有限公司，北京 100029；2.中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引言

世界主要國家自2019年陸續(xù)開始5G商用，目前各組織機(jī)構(gòu)、學(xué)者已將研究目標(biāo)轉(zhuǎn)向未來的6G網(wǎng)絡(luò)，但現(xiàn)有地面移動網(wǎng)絡(luò)僅能覆蓋地球表面的10%，絕大部分海洋和陸地偏遠(yuǎn)地區(qū)還無法享受服務(wù)[1]。因此，未來萬物智聯(lián)、全息影像及數(shù)字孿生等新應(yīng)用需要支持更高頻段、更加智能的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，將成為6G網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展方向之一。本文介紹了自20世紀(jì)90年代開始，ITU、3GPP、IEEE等組織及商業(yè)公司在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域開展的工作，以及我國空天地一體化網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的規(guī)劃及研究現(xiàn)狀，并提出一種基于時間切片的系統(tǒng)容量分析方法，通過搭建仿真環(huán)境來分析星間鏈路和饋電鏈路容量、星上G/T、調(diào)制方式、星上調(diào)制解調(diào)器數(shù)目、高低軌協(xié)同組網(wǎng)等因素對系統(tǒng)容量的影響。

1 空天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展情況

1.1 國外空天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀(jì)90年代開始，國際上便開始研究衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)。早期的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集中在L、S等較低頻段，隨著互聯(lián)網(wǎng)的興起人們對網(wǎng)絡(luò)帶寬有了更高需求，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)逐步轉(zhuǎn)向C、Ku和Ka等頻段[2]，未來會繼續(xù)向Q/V、太赫茲、激光等更高頻段發(fā)展。

國際組織方面，ITU于2020年2月正式啟動6G的研究工作，并在Network 2030 Architecture Framework中指出衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(或空間網(wǎng)絡(luò))將是2030未來網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[3]；3GPP在R14階段開始空間網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的融合研究，R16階段開展了衛(wèi)星5G系統(tǒng)架構(gòu)和NR支持非地面網(wǎng)絡(luò)(Non-Terrestrial Networks，NTN)等方面的研究，并計劃在R17階段通過對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的移動性管理、QoS保障、延遲及多徑傳輸?shù)确矫鏄?biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)一步促進(jìn)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展；IEEE于2020年9月公布了國際網(wǎng)絡(luò)世代路線圖(INGR)[4]，明確了衛(wèi)星、毫米波等9大關(guān)鍵技術(shù)趨勢作為未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，為各類機(jī)構(gòu)及學(xué)者的研究指出了方向；SaT5G和SATis5等組織也進(jìn)行了大量衛(wèi)星5G的研究和試驗，其成果對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化起到了積極作用。

近年來，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座成為熱潮。SpaceX通過對產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合，其Starlink計劃已經(jīng)快速部署2 000顆衛(wèi)星，初步形成了對北美等地區(qū)的服務(wù)能力；OneWeb雖然經(jīng)歷了低谷，但破產(chǎn)重組后快速煥發(fā)新機(jī)，已有182顆在軌衛(wèi)星；Telesat和Kuiper等項目也加快了步伐。

1.2 我國相關(guān)規(guī)劃計劃

2019年11月，國家科技部召開了6G技術(shù)研發(fā)工作啟動會，成立國家6G技術(shù)研發(fā)推進(jìn)工作組和總體專家組，標(biāo)志著我國6G技術(shù)研究工作正式啟動[5-6]。在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)方面，我國先后布局了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)、鴻雁星座、虹云工程以及行云工程等項目，通過空間網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合向天地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、天地一體的方向發(fā)展。此外，新興商業(yè)公司也積極競爭，星座計劃層出不窮，銀河航天公司設(shè)計的“銀河Galaxy”星座，計劃在2023年前建成144顆衛(wèi)星的寬帶星座，系統(tǒng)容量超過20 Tbit/s，其首顆低軌試驗衛(wèi)星已于2020年1月發(fā)射，單星通信帶寬為10 Gbit/s，可提供衛(wèi)星5G以及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。北京國電高科公司提出的天啟衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)星座由部署在6個軌道面的38顆低軌道、低傾角小衛(wèi)星組成，軌道高度900 km，軌道傾角45°，截至2020年1月已成功發(fā)射6顆衛(wèi)星并組網(wǎng)運(yùn)行。九天微星公司計劃于2022年完成72顆小衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)星座部署。

2 空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)由位于不同軌道的衛(wèi)星星座、信關(guān)站、測控站、地面通信基礎(chǔ)設(shè)施、一體化核心網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、運(yùn)營支撐系統(tǒng)以及各類用戶組成，如圖1所示[7]。

圖1 空天地一體化多維立體網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Multidimensional air-space-ground integrated network structure

衛(wèi)星星座由位于高中低軌道的多顆衛(wèi)星以及鄰近空間飛行器等組成，采用多頻段多點波束天線形成對地覆蓋，配置微波或激光鏈路實現(xiàn)空間組網(wǎng)，通過搭載星上處理載荷實現(xiàn)信號處理和業(yè)務(wù)、信令的空間路由轉(zhuǎn)發(fā)。

信關(guān)站用于饋電，解決用戶信號、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。

測控站依據(jù)工作任務(wù)要求控制衛(wèi)星姿態(tài)和運(yùn)行軌道，配置衛(wèi)星載荷工作狀態(tài)。

地面通信基礎(chǔ)設(shè)施包含地面移動通信基站、WiFi熱點等無線接入設(shè)施，與衛(wèi)星協(xié)同形成覆蓋。

一體化核心網(wǎng)與衛(wèi)星、信關(guān)站和地面通信基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)，實現(xiàn)信令、網(wǎng)內(nèi)業(yè)務(wù)處理、與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、天地資源統(tǒng)籌調(diào)度,以及網(wǎng)絡(luò)性能統(tǒng)計及評估等功能。

網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)全網(wǎng)管理與監(jiān)控、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)配置、異常和告警事件處理等功能。

運(yùn)營支撐系統(tǒng)主要實現(xiàn)業(yè)務(wù)申請、用戶管理、業(yè)務(wù)計費及處理投訴等。

用戶包括天基、空基、?；?、陸基等多種類型，可基于星地融合傳輸體制共用基帶單元，并根據(jù)業(yè)務(wù)需求和接入途徑來配置多個頻段的天線和射頻。

3 空天地一體化網(wǎng)絡(luò)容量分析方法

系統(tǒng)容量是評價網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載能力的重要性能指標(biāo)，是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和規(guī)劃的重要依據(jù)。與地面通信網(wǎng)絡(luò)、單顆衛(wèi)星系統(tǒng)的容量不同，空天地一體化網(wǎng)絡(luò)具有用戶區(qū)域全球覆蓋、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲芷谧兓㈡溌穮?shù)時間變化等特點。因此，給系統(tǒng)容量分析帶來一定難度。

目前，國外低軌星座如Starlink的單星容量約17～23 Gbit/s，但系統(tǒng)容量的影響因素很多，不是簡單的單星容量與衛(wèi)星數(shù)目的乘積。以星上處理的返向鏈路為例，如圖2所示，用戶上行鏈路速率取決于衛(wèi)星G/T和用戶終端EIRP，但衛(wèi)星在多數(shù)時間位于海洋上空，單星的大容量優(yōu)勢無法發(fā)揮真正作用；星間鏈路速率取決于微波/激光載荷參數(shù)，但星間鏈路實際容量與路由算法、鏈路速率、業(yè)務(wù)承載及擁塞等因素密切相關(guān)；饋電下行鏈路速率取決于衛(wèi)星EIRP，地面站的G/T，而饋電總?cè)萘砍伺c單條饋電鏈路速率有關(guān)外，還與地面站部署有關(guān)。因此，網(wǎng)絡(luò)的實際容量不僅要考慮網(wǎng)絡(luò)能提供的容量，還必須考慮用戶側(cè)的需要、承載業(yè)務(wù)的路由策略、地面站分布等因素，是各項參數(shù)優(yōu)化配置的結(jié)果，是上行鏈路容量、星間鏈路容量、饋電鏈路容量的平衡與折中。

圖2 空天地一體化網(wǎng)絡(luò)容量受限示意圖Fig.2 Capacity limitation of multidimensional air-space-ground integrated network

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)容量分析包括用戶業(yè)務(wù)流量分布建模、星地鏈路計算以及天地一體路由算法等主要部分。其中，用戶業(yè)務(wù)流量分布建模采用人口密度分布與業(yè)務(wù)模型權(quán)重相結(jié)合的方法[8]，人口密度分布可根據(jù)全球人口分布數(shù)據(jù)獲得，假設(shè)每個用戶請求的平均數(shù)據(jù)率為300 kbit/s。衛(wèi)星配置星上處理載荷和星間激光載荷，假設(shè)不考慮星間激光鏈路傳輸損耗，在帶寬受限和功率受限條件下的信息速率最小值為該編碼調(diào)制方式下的傳輸速率。

考慮到低軌衛(wèi)星的運(yùn)動特性，系統(tǒng)容量采用基于時間切片的方式計算。

① 業(yè)務(wù)計算模型：根據(jù)全球人口分布，按照1°×1°得到人口數(shù)量，并根據(jù)用戶業(yè)務(wù)模型權(quán)重，本文假設(shè)權(quán)重為1，量化成360×180個網(wǎng)格的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；

② 鏈路計算模型：根據(jù)衛(wèi)星經(jīng)緯高數(shù)據(jù)計算衛(wèi)星到地面各網(wǎng)格的距離，并結(jié)合用戶鏈路模型參數(shù)，計算出每條用戶->衛(wèi)星上行鏈路容量；

③ 計算鏈路容量[9]：計算出帶寬受限和功率受限條件下，每條用戶->衛(wèi)星上行鏈路實際容量上限；

④ 計算每條用戶->衛(wèi)星上行鏈路數(shù)據(jù)量：根據(jù)每個網(wǎng)格的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量，以及當(dāng)前時間片下衛(wèi)星波束覆蓋情況，將多重衛(wèi)星波束覆蓋的業(yè)務(wù)量平均分配到不同衛(wèi)星的用戶上行鏈路，并結(jié)合鏈路帶寬上限，得到各衛(wèi)星用戶上行鏈路的實際上注業(yè)務(wù)量，累計求和得到用戶業(yè)務(wù)上行總業(yè)務(wù)量；

⑤ 計算衛(wèi)星與地面站的連接關(guān)系：根據(jù)衛(wèi)星與地面站建鏈規(guī)則及參數(shù)(如仰角、距離等)，得出當(dāng)前時刻衛(wèi)星與地面站的連接關(guān)系；

⑥ 計算各衛(wèi)星到地面站的最短路徑(暫不考慮星間鏈路容量受限情況)：基于路由快照序列的思路[10]，結(jié)合衛(wèi)星星座拓?fù)?、衛(wèi)星與地面站間連接關(guān)系，利用Dijkstra算法得出最短路徑；

⑦ 計算各衛(wèi)星業(yè)務(wù)落地時，每條星間鏈路負(fù)載情況以及衛(wèi)星->地面站的饋電鏈路負(fù)載情況：根據(jù)各衛(wèi)星用戶上行鏈路的業(yè)務(wù)量以及衛(wèi)星->地面站最短路徑，計算出該條路徑中各鏈路的業(yè)務(wù)量(包括星間鏈路和星地饋電鏈路)；

⑧ 饋電鏈路業(yè)務(wù)容量計算：根據(jù)星地饋電鏈路容量上限以及需要該饋電鏈路落地的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量，計算該饋電鏈路上的業(yè)務(wù)量(即丟棄超出容量上限的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù))，并將各饋電鏈路的帶寬占用情況累加，得出該時間片下的系統(tǒng)總?cè)萘俊?/p>

⑨ 星座回歸周期的結(jié)果統(tǒng)計：在整個回歸周期內(nèi)重復(fù)以上計算過程，并將所有時間片的情況進(jìn)行統(tǒng)計輸出。

4 仿真分析

基于Matlab和STK構(gòu)建仿真環(huán)境，STK作為衛(wèi)星星座構(gòu)建和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龉ぞ?，Matlab作為鏈路模型、業(yè)務(wù)模型等模型庫構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)分析計算平臺。本仿真假設(shè)衛(wèi)星采用星上處理方式，以返向鏈路為例，基于實際業(yè)務(wù)需求和用戶終端能力計算用戶上行容量，采用最短路徑原則規(guī)劃星間路由，選取下行容量最大的地面站作為饋電，通過仿真分析星間鏈路和饋電鏈路容量、星上G/T、調(diào)制方式、星上調(diào)制解調(diào)器數(shù)目以及高低軌協(xié)同組網(wǎng)等因素對系統(tǒng)容量的影響，有效指導(dǎo)星座優(yōu)化設(shè)計。

4.1 參數(shù)設(shè)置

為實現(xiàn)全球覆蓋的通信要求，綜合考慮現(xiàn)有頻率資源使用的可行性，選取優(yōu)勢高軌衛(wèi)星軌位，設(shè)計符合ITU規(guī)則的高軌和低軌衛(wèi)星使用頻率。此外，考慮到境外不建站，選取我國的10個關(guān)口站，同時借鑒國內(nèi)外較為先進(jìn)的技術(shù)水平，設(shè)置仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

4.2 仿真結(jié)果分析

假設(shè)每個低軌衛(wèi)星配置2個饋電波束，每個高軌衛(wèi)星配置2個饋電波束，每個地面站配備2個低軌饋電波束(北京站配備2個高軌饋電波束，烏魯木齊站、西安站和喀什站均配備1個高軌饋電波束)?？傮w來說，增加高軌衛(wèi)星，對關(guān)口站可見星情況并未改善，但由于饋電鏈路數(shù)目明顯增加，在一定程度上提升了系統(tǒng)容量。此外，低緯度地區(qū)最多同時可見衛(wèi)星數(shù)目小于高緯度地區(qū)，且部分地面站(如麗江、三亞)之間距離太近，會同時接入同一個低軌衛(wèi)星，導(dǎo)致地面站天線難以充分利用。因此，地面站的選址應(yīng)優(yōu)先選擇高緯度地區(qū)，且站間保持一定的距離。

(1) 星間速率、饋電鏈路容量對系統(tǒng)容量的影響

在低軌星座中，星上G/T= -2 dB/K，通過對比分析星間速率、系統(tǒng)容量、饋電鏈路容量的CDF曲線，可以得出：當(dāng)星間最大速率小于0.95 Gbit/s時，網(wǎng)絡(luò)容量受限于星間最大速率；反之，受限于饋電鏈路總?cè)萘?，如圖3所示。

當(dāng)星間速率為1.25/2.5/5/10 Gbit/s四檔可調(diào)時，網(wǎng)絡(luò)容量一致，其最小值為11.25 Gbit/s，最高可達(dá)16.875 Gbit/s，如圖4所示。按照目前技術(shù)水平，星間鏈路速率遠(yuǎn)大于1 Gbit/s，因此，饋電鏈路容量將成為影響系統(tǒng)容量的瓶頸。

圖3 星間速率限制下系統(tǒng)容量與饋電容量CDF曲線Fig.3 CDF curves of system capacity and feed capacity with ISL rate limitation

圖4 系統(tǒng)容量、用戶數(shù)據(jù)量與饋電容量CDF曲線Fig.4 CDF curves of system capacity,feed capacity and user capacity

(2) 調(diào)制方式、星上G/T、星上調(diào)制解調(diào)器數(shù)目對系統(tǒng)容量的影響

如圖5所示，增加星上調(diào)制解調(diào)器數(shù)目或G/T，可提升單星用戶上行速率，可選擇較高調(diào)制編碼，系統(tǒng)容量可實現(xiàn)一定提升，且由上行鏈路受限變成饋電鏈路受限。此外，當(dāng)G/T很小時，增加星上調(diào)制解調(diào)器數(shù)目對單星用戶上行速率和調(diào)制編碼方式并無影響，且系統(tǒng)容量受限于上行鏈路速率。因此，星上調(diào)制解調(diào)器數(shù)目與星上G/T聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計可提升上行用戶業(yè)務(wù)容量，在一定程度提升系統(tǒng)容量，但應(yīng)同時考慮到饋電鏈路容量的限制。

(a) 調(diào)制方式

(b) 用戶上行速率

(c) 鏈路容量受限圖5 調(diào)制方式、單星用戶上行速率、鏈路受限情況與 星上子載波數(shù)量、星上G/T的關(guān)系Fig.5 Relationship of modulation mode,user uplink rate, link capacity limitation and subcarrier number, payload G/T

(3) 高低軌協(xié)同組網(wǎng)對系統(tǒng)容量的影響

分別仿真低軌星座以及高低軌混合星座的系統(tǒng)容量，如圖6所示。低軌星座的系統(tǒng)容量最小為11.25 Gbit/s，最大為16.88 Gbit/s，其中，系統(tǒng)容量為12～15 Gbit/s 的概率約89%；高低軌混合星座的系統(tǒng)容量最小為26.56 Gbit/s，最大為32.19 Gbit/s，其中，系統(tǒng)容量為27～31 Gbit/s 的概率約91.5%。因此，高低軌協(xié)同組網(wǎng)可有效提升系統(tǒng)容量，有利于增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)能力。

圖6 兩種星座的系統(tǒng)容量對比Fig.6 Comparison of system capacity with two constellations

5 結(jié)束語

本文綜述了ITU、3GPP、IEEE等國際組織和世界各國在該領(lǐng)域的規(guī)劃和已開展工作情況，并對我國空天地一體化網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的規(guī)劃及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。其次，針對空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出了一種基于時間切片的系統(tǒng)容量分析方法，通過搭建仿真環(huán)境來分析星間鏈路和饋電鏈路容量、星上G/T、調(diào)制方式、星上調(diào)制解調(diào)器數(shù)目、高低軌協(xié)同組網(wǎng)等因素對系統(tǒng)容量的影響，對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計提供有效支撐。目前，面向未來6G的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)目前還處于探索階段，隨著國外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的井噴式發(fā)展，未來幾年將逐漸在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和技術(shù)路線上達(dá)成共識，通過構(gòu)建全球覆蓋、安全可信、多維立體、異構(gòu)融合的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，共同實現(xiàn)萬物智聯(lián)、數(shù)字孿生等新應(yīng)用、新體驗、新模式的創(chuàng)新探索[11-12]。