胡永勤,王 蓉,張 恒,王軍旗

(1.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109;2.上海利正衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)有限公司,上海 201109)

0 引言

2021年6月6日、9月16日和17日,我國工信部IMT-2030(6G)推進(jìn)組分別發(fā)布了《6G總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)》白皮書、《6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)愿景與關(guān)鍵技術(shù)展望》白皮書和《6G 網(wǎng)絡(luò)安全愿景技術(shù)研究報告》等6份報告。2022年3月22日至24日,第二屆“全球6G技術(shù)大會”召開,發(fā)布了總體白皮書《ICDT融合下的6G網(wǎng)絡(luò)2.0》以及9本專題白皮書,內(nèi)容涉及數(shù)字孿生、下一代協(xié)議棧4.0、太赫茲、多址接入、智能超表面、零功耗、量子信息、終端友好、智能軌道交通等多個方面。

6G浪潮洶涌而來,作為使能“萬物智聯(lián),數(shù)字孿生”6G總體愿景的基礎(chǔ)支撐,6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)具備“智慧內(nèi)生、安全內(nèi)生、多域融合、算網(wǎng)一體”四大特征[1]。

(1)智慧內(nèi)生:利用智能檢測和估計技術(shù)、智能優(yōu)化技術(shù)、智能組網(wǎng)及運(yùn)維技術(shù)[2],實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)驅(qū)動6G無線網(wǎng)絡(luò),奠定萬物智聯(lián)的基礎(chǔ)。

(2)安全內(nèi)生:利用身份認(rèn)證技術(shù)、接入控制技術(shù)、通信安全技術(shù)和數(shù)據(jù)加密技術(shù)[3],實(shí)現(xiàn)6G 網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)生安全體系構(gòu)建。

(3)多域融合:天基(高軌/中軌/低軌衛(wèi)星)網(wǎng)絡(luò)、空基(臨空/高空/低空飛行器)網(wǎng)絡(luò)與地基(蜂窩/WiFi/有線)網(wǎng)絡(luò)、海洋網(wǎng)絡(luò)深度融合,構(gòu)建空天地海一體化通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)人聯(lián)與物聯(lián)、無線與有線、廣域和近域、空天和地面的智能全連接,達(dá)成“智慧連接、深度連接、全息連接、泛在連接” 的愿景[4-6]。

(4)算網(wǎng)一體:網(wǎng)絡(luò)和計算深度融合,實(shí)現(xiàn)云、邊、網(wǎng)、算的高效協(xié)同。網(wǎng)絡(luò)和計算相互感知,實(shí)現(xiàn)算力資源的合理分配,賦能一致化的用戶體驗(yàn),提高資源利用效率[1]。

作為6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的重要環(huán)節(jié),衛(wèi)星需要將不同功能的多種測量和通信傳輸手段有機(jī)結(jié)合,利用星載測控終端完成與地面、組網(wǎng)星座間的控制信息交互、融合。衛(wèi)星從單一信息“孤島”向“智慧網(wǎng)云”轉(zhuǎn)變。由此,衛(wèi)星測控通信覆蓋性、時效性、安全性方面的需求顯著提高。

本文基于6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點(diǎn),初步探討了6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下星載測控終端的技術(shù)特征,并提出了一種星載測控終端初步設(shè)計構(gòu)想。

1 6G網(wǎng)絡(luò)星載測控終端技術(shù)特征

6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下衛(wèi)星測控通信需具備極致的無線接入能力、立體全域的覆蓋能力、內(nèi)生可信的安全能力,實(shí)現(xiàn)手段涉及激光通信、星座組網(wǎng)、隨遇訪問等多種技術(shù)綜合應(yīng)用。

1.1 激光通信

激光有極高的定向性,光學(xué)增益高,具有較大的頻率帶寬,非常有利于遠(yuǎn)距離信息交互。同時,激光通信具備以下特點(diǎn):(1)通信速率高,在測控通信場景中有效傳輸時間極短,不易被發(fā)現(xiàn)和監(jiān)聽。(2)激光發(fā)散角一般為微弧度量級,能量集中,不易被攔截,且受星座中鄰近衛(wèi)星干擾小。(3)通信頻率較高,能夠避免太空中電磁微波對信息的干擾。因而,激光通信具有極高的安全性,符合6G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生安全的要求。另一方面,激光通信可以與測距相結(jié)合,可以利用同一套物理設(shè)備實(shí)現(xiàn)高精度測距與高速通信雙重功能。且激光波長較微波短3~5個量級,通信終端可以具備體積小、重量輕的優(yōu)勢,大大降低了對衛(wèi)星平臺的要求,具有較高的應(yīng)用價值。

工程經(jīng)驗(yàn)方面,我國的激光通信方案日漸成熟,如表1所示。

表1 我國激光通信技術(shù)部分在軌驗(yàn)證情況

此外,2020年2月,我國還完成了LEO-LEO鏈路星間激光通信在軌驗(yàn)證,最高通信數(shù)據(jù)率2.5 Gpbs;2020年4月,完成了GEO-地鏈路激光通信在軌驗(yàn)證試驗(yàn),最高通信速率10 Gbps。

綜上所述,我國激光通信技術(shù)取得了長足的發(fā)展,可應(yīng)用于高中低軌衛(wèi)星各類鏈路星間通信和 GEO/LEO衛(wèi)星對地通信領(lǐng)域,能夠滿足6G時代要求。

1.2 星座組網(wǎng)

星座組網(wǎng)通信是指多顆衛(wèi)星之間利用星間鏈路實(shí)現(xiàn)信息傳輸和交互,從而構(gòu)成以衛(wèi)星作為交換節(jié)點(diǎn)的空間通信網(wǎng)絡(luò)。星座組網(wǎng)可以降低衛(wèi)星通信系統(tǒng)對地面網(wǎng)絡(luò)的依賴,減少地面信關(guān)站的設(shè)置數(shù)量,同時擴(kuò)大覆蓋區(qū)域、實(shí)現(xiàn)全球通信。此外,信號在星間鏈路傳輸時可有效避免大氣和降雨導(dǎo)致的衰減,構(gòu)成閉環(huán)的星座通信和數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)。

在6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下,一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)的移動性管理架構(gòu)包含管理平面、控制平面、接入與轉(zhuǎn)發(fā)平面[7]。管理平面部署在地面網(wǎng)絡(luò)控制中心;接入與轉(zhuǎn)發(fā)平面由LEO衛(wèi)星星座構(gòu)成,負(fù)責(zé)用戶終端接入控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)?？刂破矫鎰t采用分級控制方案,包括主控制器和從控制器。主控制器(地球同步軌道GEO/中軌道MEO衛(wèi)星)從SDN北向接口接收地面網(wǎng)絡(luò)控制中心的移動性管理策略,通過南向接口交互給低軌LEO衛(wèi)星。從控制器(軌道較高的LEO衛(wèi)星)一方面可補(bǔ)充GEO衛(wèi)星難以覆蓋的兩極地區(qū)移動性管理,另一方面可在非均勻分布需求下靈活配置部署LEO衛(wèi)星。

上述信息交互鏈路中,低軌衛(wèi)星(LEO)和中高軌道衛(wèi)星(GEO/MEO)之間、GEO/MEO衛(wèi)星和地面站之間使用激光通信完成管理策略傳遞,低軌衛(wèi)星之間使用微波或激光方式完成控制策略通信,共同控制LEO衛(wèi)星星座完成與地表各用戶之間的任務(wù),如圖1所示。

圖1 6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下一種衛(wèi)星星座通信方案

在上述高動態(tài)通信中,需要通信雙方實(shí)現(xiàn)精確指向。

采用激光傳輸方案的星載測控終端需要通過瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤 (Pointing,Acquisition and Tracking,PAT) 系統(tǒng)完成鏈路建立,其工作流程如下。

(1)開環(huán)瞄準(zhǔn):根據(jù)衛(wèi)星相對位置和各自姿態(tài)進(jìn)行計算并完成光束的初步對準(zhǔn)。

(2)捕獲:開環(huán)瞄準(zhǔn)完成后,通過衛(wèi)星間相互交換信息以進(jìn)行閉環(huán)方式的精細(xì)對準(zhǔn)。

(3)跟蹤:精細(xì)對準(zhǔn)下克服各種因素干擾以保持對準(zhǔn)狀態(tài),維持正常通信。

(4)天線驅(qū)動:實(shí)現(xiàn)光學(xué)天線指向變化,確保光束始終對準(zhǔn)目標(biāo)衛(wèi)星。

對于采用微波傳輸方案的星載測控終端,建議利用相控陣技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)和電控有源器件實(shí)現(xiàn)波束指向控制。

考慮地球同步軌道軌位資源有限,也可以使用多顆MEO衛(wèi)星代替GEO衛(wèi)星完成星座構(gòu)建。例如:采用軌道高度1 248 km,軌道傾角42°的8/2/1Walker Delta星座和軌道高度10 354 km,軌道傾角39.4°的24/8/1Walker Delta星座混合組網(wǎng)。STK仿真結(jié)果表明,混合星座可以完成對地表的全域覆蓋[8]。

在6G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下,LEO星座的衛(wèi)星軌道高度為300 km左右[9]。軌道高度越低,傳輸時延和傳輸損耗越小,可以更好地滿足實(shí)時業(yè)務(wù)傳輸和高速通信業(yè)務(wù)。但相應(yīng)的無縫覆蓋全球所需衛(wèi)星數(shù)量越多(一般需要數(shù)千顆或更多,如“星鏈”星座)。同時,軌道高度低于300 km后,大氣阻力影響顯著,衛(wèi)星需頻繁姿態(tài)控制操作以維持軌道。因此,需要進(jìn)行折中考慮。

1.3 隨遇訪問

在6G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下,以陸地移動通信網(wǎng)絡(luò)為核心的空天地海一體化“泛在覆蓋”通信網(wǎng)絡(luò),需要接入海量異構(gòu)終端。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部與外界之間有了大量不安全的攻擊入口,對網(wǎng)絡(luò)接入認(rèn)證協(xié)議、接入控制協(xié)議提出了更高的要求[3]。

因此,星載測控終端可設(shè)置隨遇訪問模塊,依據(jù)6G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議進(jìn)行身份識別和接入控制。為星座中每個成員進(jìn)行相應(yīng)的授權(quán),并通過數(shù)字加密技術(shù)生成相應(yīng)的訪問密鑰。星座內(nèi)部通信步驟建議如下。

(1)兩顆衛(wèi)星可見弧段開始時,由通信發(fā)起方衛(wèi)星A傳輸自身密鑰和自身請求信息(是否需要通信、傳輸起始時間等)給接收方衛(wèi)星B。

(2)衛(wèi)星B對密鑰完成認(rèn)證后,傳送自身密鑰和自身狀態(tài)(忙/閑/健康/故障等)給衛(wèi)星A。

(3)衛(wèi)星A對衛(wèi)星B的密鑰完成驗(yàn)證后,若需要通信,且確認(rèn)衛(wèi)星B可以滿足傳輸要求,則返回衛(wèi)星建鏈成功標(biāo)志,并開始數(shù)據(jù)傳輸;若無需通信或衛(wèi)星B無法滿足通信要求,則處于等待狀態(tài),返回?zé)o通信標(biāo)志,直至可見弧段結(jié)束。

1.4 其他特征

除了上述激光通信、星座組網(wǎng)、隨遇訪問特征外,蓬勃發(fā)展的頻譜感知技術(shù)與6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的星載測控終端也完美契合。6G網(wǎng)絡(luò)中,衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)密度極高,動態(tài)頻譜共享成為提高頻譜效率、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)部署的重要手段[10]。而頻譜感知是實(shí)現(xiàn)認(rèn)知無線電(Cognitive Radio,CR)中動態(tài)頻譜共享的前提。通過深度強(qiáng)化學(xué)習(xí),結(jié)合衛(wèi)星定位信息,星載測控終端處理軟件可實(shí)時了解和主動預(yù)測無線環(huán)境,并根據(jù)環(huán)境和業(yè)務(wù)需求靈活擴(kuò)展遷移頻譜。

2 6G網(wǎng)絡(luò)星載測控終端設(shè)計

結(jié)合上文的技術(shù)特征,圖2給出了6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下星載測控終端一種可能的設(shè)計組成框圖。星載測控終端由導(dǎo)航接收、微波通信信號收發(fā)、光學(xué)信號收發(fā)與PAT系統(tǒng)、信息處理模塊、電源模塊等組成。

圖2 6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的星載測控終端組成

導(dǎo)航接收模塊可以接收四大GNSS導(dǎo)航星座(GPS、北斗、Geolileo、Glonass)的信號,用于衛(wèi)星時間和空間信息解算,完成精確軌道遞推,以輔助激光收發(fā)系統(tǒng)判斷通信建鏈時機(jī)和PAT系統(tǒng)精準(zhǔn)捕獲。同時,放大后的GNSS信號分路給衛(wèi)星的導(dǎo)航增強(qiáng)載荷,用于四大GNSS信號完整性監(jiān)測及信號播發(fā)。地面用戶終端可以同時接收四大GNSS導(dǎo)航星座信號和6G網(wǎng)絡(luò)下LEO星座播發(fā)的導(dǎo)航增強(qiáng)信號,實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位,提高精度。

射頻收發(fā)模塊采用了射頻SIP集成化設(shè)計技術(shù),將對地射頻收發(fā)模塊和星間射頻收發(fā)模塊統(tǒng)一設(shè)計,提升了模塊化、集成化設(shè)計效果。

信息處理模塊包含定位定軌解算、隨遇訪問和密鑰鑒權(quán)、遙測遙控控制等功能,由大規(guī)模(數(shù)千萬門)FPGA、PROM、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、接口電路等組成。該模塊可以支持智能AI定義和在軌重構(gòu),以滿足幾乎所有場景的星地、星星通信需求。

3 結(jié)語

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)“萬物互聯(lián)”的6G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,是實(shí)現(xiàn)空天地海一體化無縫覆蓋的關(guān)鍵。本文給出了一種6G網(wǎng)絡(luò)下星載測控終端的初步設(shè)計構(gòu)想方案。方案中激光星間鏈路的實(shí)現(xiàn)需要關(guān)注PAT關(guān)鍵器件、鏈路快速捕獲和穩(wěn)定跟蹤技術(shù)。星座組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)需要關(guān)注星座建設(shè)成本和衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星效能的折中考慮。星載測控終端信息處理模塊的實(shí)現(xiàn)則需要關(guān)注6G網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和SDN、AI等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況。隨著未來新技術(shù)的發(fā)展和認(rèn)知的提升,星載測控終端的設(shè)計將更加優(yōu)化,足以滿足未來6G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求。