禹華鋼，方子希

(1.中國人民解放軍91001部隊(duì)，北京 100841；2.中國電科網(wǎng)絡(luò)通信研究院，河北 石家莊 050081)

0 引言

衛(wèi)星通信的設(shè)想最早于1945年由英國青年軍官克拉克在WirelessWorld上發(fā)表的“Extre-Terreastrial Relays”(地球外的中繼)論文中提出。他提出,只要在地球上空特定的軌道等間隔布置3顆靜止衛(wèi)星,并利用無線電定向天線連接這些衛(wèi)星,就可實(shí)現(xiàn)全球信息的互達(dá)。這里,克拉克提出的衛(wèi)星衍生出了最早的衛(wèi)星形態(tài),即地球同步靜止軌道(GEO)衛(wèi)星。隨著1958年世界上第一顆實(shí)驗(yàn)通信衛(wèi)星“斯科爾”(SCORE)的發(fā)射,衛(wèi)星通信已歷經(jīng)近70年的發(fā)展,除了GEO衛(wèi)星,還先后出現(xiàn)了中高度軌道(MEO)衛(wèi)星、低高度軌道(LEO)衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星以及極軌衛(wèi)星(POS)。得益于衛(wèi)星通信全球覆蓋、不受距離限制、快速布設(shè)等優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了為跨洲際、海洋等用戶提供全球通信的能力。在時(shí)間、地點(diǎn)及強(qiáng)度不可預(yù)測的地區(qū)突發(fā)事件中,衛(wèi)星提供了有效的信息傳輸手段[1-3],衛(wèi)星通信已然成為當(dāng)今社會(huì)不可或缺的核心通信技術(shù)之一。近年來,為了避免靜止軌道衛(wèi)星引起的信號(hào)衰減和時(shí)延,研究人員越來越關(guān)注LEO衛(wèi)星的建設(shè)和使用。LEO衛(wèi)星指軌道高度在1 500 km以下的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。由于衛(wèi)星高度低,為了實(shí)現(xiàn)地球表面的全覆蓋,需要發(fā)射大量的衛(wèi)星。從單星角度來講,LEO衛(wèi)星質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,但從LEO星座來看,LEO是非靜止軌道衛(wèi)星,一顆衛(wèi)星在要求實(shí)時(shí)連接時(shí),地面用戶可能需要將波束和天線切換到其他衛(wèi)星指向上,星座拓?fù)?、星間路由等也會(huì)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度增加。

1974年,美國科學(xué)家Cerf等[4]開發(fā)了一個(gè)用于連接美國國防部合作研究機(jī)構(gòu)4臺(tái)計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議,并命名為“傳輸控制協(xié)議和網(wǎng)間協(xié)議”(TCP/IP),它被認(rèn)為是互聯(lián)網(wǎng)的雛形。隨著谷歌、微軟、百度在網(wǎng)站搜索、社交網(wǎng)絡(luò)以及地面移動(dòng)通信的發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)迅速成為人們?nèi)粘Ｉ钪凶钕⑾⑾嚓P(guān)的網(wǎng)絡(luò),各式各樣的電子信息產(chǎn)品和多樣化業(yè)務(wù)井噴式出現(xiàn)[5-7]。衛(wèi)星通信作為互聯(lián)網(wǎng)接入的一種重要方式,事實(shí)上,已然成為一種為全球用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的最佳方案。20世紀(jì)末,互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商為了和骨干網(wǎng)建立直接連接,采用通過國際衛(wèi)星通信組織的衛(wèi)星鏈路連接到美國服務(wù)器,正式開啟了采用衛(wèi)星接入互聯(lián)網(wǎng)的用戶應(yīng)用模式[8-10]。

與其他通信技術(shù)類似,衛(wèi)星通信也在從話音業(yè)務(wù)向數(shù)據(jù)通信轉(zhuǎn)變。一方面,基于C頻段和Ku頻段的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已無法滿足日益增長的大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)傳輸;另一方面,傳統(tǒng)依賴高軌道衛(wèi)星的海上、偏遠(yuǎn)地區(qū)等特殊用戶,也亟需通過新的手段來降低通信資費(fèi)[11-13]。低軌衛(wèi)星被越來越多的互聯(lián)網(wǎng)提供商、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容提供商和電信運(yùn)營商作為提供優(yōu)質(zhì)傳輸通道的全新手段[14-15]。由此,低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)理念應(yīng)運(yùn)而生。

本文依托國內(nèi)外低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的最新發(fā)展動(dòng)向,從低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)概念入手,首先詳述了歐洲、北美等發(fā)達(dá)國家地區(qū)在低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的進(jìn)展情況和我國的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀。其次,結(jié)合5G應(yīng)用和6G愿景,分別從陸地、海上和空中3個(gè)場景全面梳理了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際及潛在應(yīng)用。最后,考慮到低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)還處于建設(shè)初期,技術(shù)積累還不夠全面,展望了4個(gè)潛在的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù),并進(jìn)行了詳細(xì)解析,試圖為下一代寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供部分技術(shù)借鑒。

1 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)概念

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是指基于大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座、以衛(wèi)星中繼通信為技術(shù)手段的互聯(lián)網(wǎng),其業(yè)務(wù)覆蓋全球[16-17]。低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分,是解決互聯(lián)網(wǎng)“最后一公里”以及延伸地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵天基網(wǎng)絡(luò)。低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)以構(gòu)建具備實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)男侨?向用戶終端提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入為主要任務(wù)[18-20]。

2 國內(nèi)外低軌衛(wèi)星研究現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

低軌移動(dòng)通信星座發(fā)展在歷經(jīng)了21世紀(jì)初的“沒落”之后,現(xiàn)已“強(qiáng)勢回歸”,美國銥星(Iridium)、全球星(Globalstar)、軌道通信衛(wèi)星(Orbcomm)目前正在開展向第二代星座的升級(jí)換代工作[21-23]。基于互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展,2010年后,發(fā)達(dá)國家掀起了低軌互聯(lián)網(wǎng)星座研究的高潮,典型的如一網(wǎng)(Oneweb)、低軌星(LeoSat)、星鏈(Starlink)[24]。

2.1.1 Iridium及Iridium NEXT

1998年5月,Iridium系統(tǒng)正式建成。至今,Iridium系統(tǒng)仍是目前世界上唯一一個(gè)支持全球無縫覆蓋服務(wù)能力的低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。2007年Iridium NEXT計(jì)劃作為銥星二代系統(tǒng)正式啟動(dòng),在保持原有星座架構(gòu)(全球覆蓋、近極軌66顆星)的基礎(chǔ)上提供更大容量和更高數(shù)據(jù)率的業(yè)務(wù),其軌道高度為781 km,軌道傾角86.4°。在業(yè)務(wù)傳輸速率上,L頻段業(yè)務(wù)支持最高1.5 Mb/s,Ka頻段業(yè)務(wù)支持最高8 Mb/s。Iridium NEXT采用泰雷茲-阿萊尼亞航天公司的衛(wèi)星平臺(tái),設(shè)計(jì)上提供50 kg的搭載余量。Iridium NEXT星座及載荷示意如圖1所示。

圖1 Iridium NEXT星座及載荷Fig.1 Iridium NEXT constellation and payload

2.1.2 第二代Globalstar系統(tǒng)

第二代Globalstar于2010年10月開始建設(shè),2013年完成24顆衛(wèi)星部署。星座軌道高度1 400 km,無星間鏈,采用彎管透明轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)計(jì)。因?yàn)樾枰劳嘘P(guān)口站實(shí)現(xiàn)服務(wù),所以服務(wù)區(qū)域受限于關(guān)口站部署位置。第二代Globalstar衛(wèi)星同樣采用泰雷茲-阿萊尼亞航天公司的衛(wèi)星平臺(tái),搭載了廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS-B)載荷。通過衛(wèi)星鏈路,ADS-B可以自動(dòng)地從相關(guān)機(jī)載設(shè)備獲取參數(shù)并向其他飛機(jī)或地面站播報(bào)飛機(jī)的高度、速度、位置、航向和識(shí)別號(hào)等信息,供管制員對飛機(jī)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。第二代Globalstar衛(wèi)星及服務(wù)區(qū)域如圖2所示。

圖2 第二代Globalstar衛(wèi)星及服務(wù)區(qū)域Fig.2 The second generation Globalstar satellite and its service area

2.1.3 第二代Orbcomm系統(tǒng)

Orbcomm是第一個(gè)專注于物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器通信應(yīng)用的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),工作在VHF頻段(137～138 MHz、148～149 MHz),采用了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的雙向通信機(jī)制,配置星上處理載荷。目前,第二代Orbcomm系統(tǒng)已完成18顆高度約800 km的衛(wèi)星星座部署,單星質(zhì)量約170 kg。在第一代的基礎(chǔ)上,第二代Orbcomm衛(wèi)星增加了船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS),可用于海上交通管理。在13個(gè)國家部署了16個(gè)地面站。Orbcomm衛(wèi)星示意如圖3所示。

2.1.4 Oneweb

Oneweb公司首先提出以近地軌道衛(wèi)星群來提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的設(shè)想,最初計(jì)劃發(fā)射720顆衛(wèi)星,軌道高度1 200 km,分布于18個(gè)軌道面,工作于Ku頻段。Oneweb可提供直接面向地面用戶的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù),后期可能會(huì)再發(fā)射1 972顆衛(wèi)星以完成最終的星座。Oneweb單星質(zhì)量不大于150 kg,單星容量可達(dá)5 Gb/s以上?？梢詾?.36 m口徑天線的終端提供50 Mb/s的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。Oneweb繼承了全世界唯一一個(gè)成功投入商業(yè)運(yùn)營的MEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)——O3b的發(fā)展脈絡(luò),同時(shí)吸取了Iridium的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),避免與地面移動(dòng)通信運(yùn)營商的競爭。Oneweb將服務(wù)重點(diǎn)集中在拓展現(xiàn)有的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò),試圖解決“最后一公里”的問題。此外,Oneweb還將衛(wèi)星終端設(shè)備發(fā)展成熱點(diǎn)服務(wù)器,幫助用戶在家中、工作區(qū)等室內(nèi)環(huán)境中訪問衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。Oneweb星座構(gòu)型及衛(wèi)星示意如圖4所示。

圖4 Oneweb星座構(gòu)型及衛(wèi)星示意Fig.4 Illustration of Oneweb constellation configuration and satellite

2.1.5 LeoSat

LeoSat互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃發(fā)射78顆衛(wèi)星完成初期構(gòu)建,軌道高度1 400 km,采用6個(gè)軌道面,每個(gè)軌道面上部署18顆衛(wèi)星。LeoSat互聯(lián)網(wǎng)使用Ka頻段來提供大容量業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)。衛(wèi)星之間具有星間激光鏈路,可實(shí)現(xiàn)星上處理和星上交換,為天基信息的按需全球速達(dá)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。LeoSat的發(fā)展理念是將自身視為地面固定運(yùn)營商的容量補(bǔ)充,通過天基網(wǎng)絡(luò)“填縫”大型企業(yè)和政府的大容量業(yè)務(wù)接入。按照LeoSat的估計(jì),其服務(wù)覆蓋將超過3 000家企業(yè)和機(jī)構(gòu)。單顆LeoSat衛(wèi)星配置有Ka可移動(dòng)點(diǎn)波束12個(gè)、用戶波束10個(gè)。星座配置有星間鏈路4個(gè),能夠?qū)崿F(xiàn)1.6 Gb/s的點(diǎn)對點(diǎn)信息傳輸。饋電波束星地傳輸速率最高可達(dá)10 Gb/s。LeoSat星座及衛(wèi)星示意如圖5所示。

2.1.6 Starlink

SpaceX公司的“星鏈”V1.0星座是一個(gè)包含4 425顆衛(wèi)星的星座,分布在多組軌道面上。率先部署的核心星座包含1 600顆衛(wèi)星,分布在30個(gè)高度為1 150 km的軌道面上,軌道傾角53°?！靶擎湣盫1.0用戶上行頻率為12.75～13.25 GHz和14～14.5 GHz,下行頻率為10.7～12.7GHz。饋電上行頻率為27.5～29.1 GHz,下行頻率為17.8～18.6 GHz。“星鏈”V2.0將配置光學(xué)星間鏈路,以確保持續(xù)通信能力,為海上提供服務(wù)覆蓋和抵消干擾效應(yīng)。地面段包含測控站、網(wǎng)關(guān)天線和用戶終端。測控站采用直徑5 m的天線;網(wǎng)關(guān)和用戶終端則采用相控陣技術(shù)。SpaceX在全球布設(shè)了大約155個(gè)信關(guān)站,主要布設(shè)在靠近互聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)的地方。Starlink系統(tǒng)衛(wèi)星載荷和地面終端如圖6所示。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)起步較晚,發(fā)展并非一帆風(fēng)順[25],先后出現(xiàn)了“虹云工程”、“鴻雁”星座和銀河航天低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等項(xiàng)目計(jì)劃[26-28]。

2.2.1 “虹云工程”低軌衛(wèi)星星座

2016年提出了“虹云工程”低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃,預(yù)期發(fā)射156顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋?！昂缭乒こ獭毙亲云涞屯ㄐ叛訒r(shí)、高頻率復(fù)用率,可滿足全球互聯(lián)網(wǎng)欠發(fā)達(dá)地區(qū)、規(guī)?；脩魡卧瑫r(shí)共享寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)的需求,并且具備通信、導(dǎo)航和遙感一體化的特點(diǎn)。2018年12月,“虹云工程”技術(shù)驗(yàn)證星發(fā)射入軌,先后完成了多種工況下的功能與性能測試。值得注意的是,“虹云工程”的第一顆衛(wèi)星是我國第一顆真正意義上的寬帶低軌小衛(wèi)星,具有標(biāo)志性意義。

2.2.2 “鴻雁”星座全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)

2016年宣布,將在2020年建成“鴻雁”星座全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)。“鴻雁”星座包含一個(gè)寬帶通信星座和一個(gè)移動(dòng)通信星座,總計(jì)300顆低軌道小衛(wèi)星,可以為200萬移動(dòng)用戶、20萬寬帶用戶及近1 000萬的物聯(lián)網(wǎng)用戶提供服務(wù),并在導(dǎo)航、航空和航海等領(lǐng)域提供綜合服務(wù)。2018年12月,首顆“鴻雁”星座試驗(yàn)星發(fā)射成功,標(biāo)志著全球低軌衛(wèi)星移動(dòng)通信與空間互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)全面啟動(dòng)。但是,受到地面移動(dòng)通信發(fā)展的制約,“鴻雁”星座的建設(shè)目前處于停滯狀態(tài)。

2.2.3 銀河航天

銀河航天計(jì)劃建造由上千顆5G通信衛(wèi)星,在1 200 km的近地軌道組成星座網(wǎng)絡(luò),使用戶可以高速、靈活地接入5G網(wǎng)絡(luò)。2020年2月首發(fā)星成功開展通信能力試驗(yàn),在國際上第一次驗(yàn)證了低軌Q/V/Ka等頻段通信。使用手機(jī)連接銀河衛(wèi)星終端提供的WiFi熱點(diǎn),通過這顆5G衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了3 min視頻通話。2022年3月,首次批量研制的6顆低軌寬帶通信衛(wèi)星——銀河航天02批衛(wèi)星成功發(fā)射,驗(yàn)證了我國具備建設(shè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)巨型星座所必須的衛(wèi)星低成本、批量研制及組網(wǎng)運(yùn)營能力。

2.2.4 “天啟”低軌星座

“天啟”星座計(jì)劃由38顆低軌道衛(wèi)星組成,可以為AIS、ADS-B、浮標(biāo)和全球短數(shù)據(jù)集提供通信服務(wù)。截止2021年,已發(fā)射15顆衛(wèi)星?！疤靻ⅰ毙亲墓δ苁菍⒎稚⒃谌蚋鞯氐慕K端上傳信息進(jìn)行采集、傳輸、匯集和處理。通過衛(wèi)星回傳給地面數(shù)據(jù)中心,經(jīng)過分包處理后再發(fā)送給有需要的客戶,是一種可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)短數(shù)據(jù)收發(fā)的天基系統(tǒng),能夠?yàn)楹娇铡⒑Ｊ?、水利和氣象等部門提供點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)。

3 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用蓬勃發(fā)展,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求激增,低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在陸地、海上、空中的應(yīng)用前景巨大,示意如圖7所示。

圖7 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)示意Fig.7 Illustration of low-orbit satellite internet

3.1 與地面移動(dòng)通信網(wǎng)的融合應(yīng)用

隨著5G商用牌照的發(fā)放,地面移動(dòng)通信網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入5G時(shí)代。6G的研究也在穩(wěn)步向前推進(jìn),并將繼續(xù)擴(kuò)展增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(eMBB)、大規(guī)模機(jī)器通信(mMTC)和高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)三類典型場景的應(yīng)用范圍。泛在、高速、低時(shí)延等特點(diǎn)的實(shí)現(xiàn),離不開低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的助力,6G將更加依賴互聯(lián)網(wǎng)化的衛(wèi)星通信。以低時(shí)延為例,SpaceX“星鏈”建成后,其通達(dá)全球的天基信息傳輸時(shí)延只有地面光纖的一半[29-30]。事實(shí)上,衛(wèi)星通信和地面移動(dòng)通信網(wǎng)在信號(hào)覆蓋上是互補(bǔ)的。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全球移動(dòng)通信信號(hào)覆蓋區(qū)域約為7%～8%,仍有至少92%的區(qū)域沒有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù),而這些諸如海洋、山區(qū)和沙漠等地區(qū)正是低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的用武之地。近年來,國際電信聯(lián)盟(ITU)、第三代合作伙伴計(jì)劃(3GPP)、基于5G的衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟(SaT5G)等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織紛紛開始研究衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的融合問題,并相繼頒布了一系列標(biāo)準(zhǔn)滿足用戶無處不在的多樣化業(yè)務(wù)需求[31-33]。3GPP在R16標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)對5G衛(wèi)星接入進(jìn)行了規(guī)范化,主張?zhí)峁?fù)雜地形地貌條件下的全域覆蓋,為基于寬帶接入和萬物互聯(lián)的各種業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)設(shè)施保障,填補(bǔ)地面網(wǎng)絡(luò)的“數(shù)字鴻溝”。

地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)目標(biāo)是面向人的,服務(wù)于千行百業(yè),而人的活動(dòng)空間相對集中,行業(yè)應(yīng)用中需要通信與監(jiān)控的物體在地理與空間上是相對分散的[34-36]。某些行業(yè)應(yīng)用是地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)很難實(shí)現(xiàn)的,例如森林防火、天然氣管道監(jiān)測、電力線路和鐵路線監(jiān)控、邊境線防控等場景。低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)憑借全球覆蓋,且成本敏感性與行業(yè)應(yīng)用的地理位置和通信接入點(diǎn)區(qū)域密度沒有直接相關(guān)性的特點(diǎn),在低密度用戶接入場景下的寬帶互聯(lián)更具優(yōu)勢。典型的行業(yè)應(yīng)用業(yè)務(wù)包括:固定網(wǎng)絡(luò)回傳業(yè)務(wù)、機(jī)動(dòng)式分布業(yè)務(wù)和專網(wǎng)業(yè)務(wù)等,具體如圖8所示。

圖8 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)地面應(yīng)用業(yè)務(wù)Fig.8 Ground application business of low-orbit satellite internet

3.2 海上應(yīng)用

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)為海上交通提供了很大便利,使得海上交通更高效,安全性更有保障。隨著我國海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,海上寬帶IP業(yè)務(wù)不斷出現(xiàn),以往通過海事衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的電話、傳真等已無法滿足船舶、海員對高質(zhì)量流媒體IP服務(wù)的需求,且海事衛(wèi)星通信資費(fèi)昂貴,穩(wěn)定性大打折扣。對于遠(yuǎn)洋船舶來講,海上互聯(lián)網(wǎng)在遠(yuǎn)洋船舶平臺(tái)的重要應(yīng)用場景包括:① 電子海圖更新與天氣預(yù)報(bào)。利用低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),可以將事先整理好的一些電子海圖通過海上寬帶衛(wèi)星通道進(jìn)行更新,船舶在航行過程中可以接收到第一手資料,避免危險(xiǎn)情況。 ② 船舶間信息共享。一旦船舶管理系統(tǒng)接入了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng),不同的船舶之間就可以相互之間或與岸上系統(tǒng)進(jìn)行對接,彼此可快速交互同步信息,這不僅提升了船舶調(diào)度部門的管理質(zhì)量,也進(jìn)一步提升了船舶的安全性。③ 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。諸如運(yùn)油船、儲(chǔ)氣船等具有高安全性要求的船舶,視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以通過低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將船身上各處云臺(tái)攝像機(jī)收集的視頻圖像無損地回傳給岸上管理人員。 ④ 船員通信需求。由寬帶衛(wèi)星鏈路與岸上互聯(lián)網(wǎng)連接,低軌衛(wèi)星為船員使用IP業(yè)務(wù)提供了信息傳輸通道。船員可以做到在不影響船舶其他通信工作的同時(shí),與家人、朋友進(jìn)行信息交流,最大限度地滿足船員的上網(wǎng)需求。除此之外低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)還可以為船只跟蹤和衛(wèi)星AIS領(lǐng)域提供服務(wù),為海上能源平臺(tái)提供大帶寬應(yīng)用等。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在海上應(yīng)用的典型業(yè)務(wù)如圖9所示。

圖9 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)海上應(yīng)用業(yè)務(wù)Fig.9 Maritime application business of low-orbit satellite internet

3.3 航空應(yīng)用

歐美國家在機(jī)載衛(wèi)星通信領(lǐng)域的發(fā)展較早,2010年美國西南航空公司率先在客機(jī)上安裝了基于VSAT技術(shù)的Ku頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng),向機(jī)上用戶提供網(wǎng)絡(luò)接入及基于寬帶互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)品。全球民航客機(jī)聯(lián)網(wǎng)比例達(dá)39%,僅北美地區(qū)就已有83%的飛機(jī)實(shí)現(xiàn)了機(jī)上互聯(lián)網(wǎng)接入。然而,現(xiàn)有的機(jī)上WiFi等大多通過同步軌道的高通量衛(wèi)星提供,服務(wù)收費(fèi)相對較高且通信速率較低,存在鏈路不穩(wěn)定、時(shí)延抖動(dòng)等問題。低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在民航客機(jī)上的普及,將大大優(yōu)化現(xiàn)有的航空互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)生態(tài)。對于前艙駕駛員來說,通過低軌衛(wèi)星手段,能夠全面系統(tǒng)地掌握飛機(jī)運(yùn)行狀況、航路天氣狀況等數(shù)據(jù),進(jìn)一步提升飛機(jī)的飛行操作質(zhì)量和安全航行水平。對于后艙乘客而言,能夠以較低的資費(fèi)接入互聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)直播、視頻、實(shí)時(shí)信息甚至在線游戲等娛樂,會(huì)大大提升乘機(jī)體驗(yàn)。對于地面維護(hù)人員來說,通過低軌衛(wèi)星的實(shí)時(shí)回傳對飛機(jī)的健康狀況了如指掌,維護(hù)服務(wù)質(zhì)量和飛機(jī)運(yùn)行壽命得到大幅提升。地面調(diào)度人員還可以基于低軌衛(wèi)星回傳的飛行大數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)先調(diào)度安排,優(yōu)化航行空域,進(jìn)一步提升ADS-B的使用效率。低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)航空應(yīng)用的典型業(yè)務(wù)如圖10所示。

圖10 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)航空應(yīng)用業(yè)務(wù)Fig.10 Aviation application business of low-orbit satellite internet

4 低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)

4.1 抗干擾技術(shù)

一方面,隨著低軌衛(wèi)星數(shù)量的增加,鄰星干擾以及地面終端受到的非惡意同頻干擾將隨之而來。另一方面,衛(wèi)星長期暴露在開放的空間軌道上,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高度動(dòng)態(tài)變化,極易遭受惡意電磁信號(hào)或惡意用戶的竊聽和截獲,因此抗干擾技術(shù)成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)。

針對非惡意干擾,可以通過干擾消除、提升解調(diào)門限等手段,加裝限幅器或窄帶濾波器來限制干擾信號(hào)。另外,利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)、認(rèn)知無線電等技術(shù),提取無線信道、收發(fā)硬件和信號(hào)特征等,智能化提升衛(wèi)星終端的主動(dòng)抗干擾決策能力,也是抗干擾技術(shù)的重要途徑。針對惡意干擾,可以采用安全編碼技術(shù),通過加入隨機(jī)冗余來減少信息間的耦合性,使竊聽者無法從接收到部分信息恢復(fù)完整的私密信息。在物理層,可以采用新型調(diào)制加密技術(shù),例如正交時(shí)頻空(Orthogonal Time and Frequency Space,OTFS)調(diào)制加密技術(shù)。OTFS通過兩級(jí)傅里葉變換,使傳輸符號(hào)都經(jīng)歷稀疏信道,獲得時(shí)間和頻率上的全部信道分級(jí)。眾所周知,從稀疏信道中提取信道響應(yīng)信息將變得更加容易,將每條子信道的信道響應(yīng)強(qiáng)度作為混沌生成器的初始值,進(jìn)而產(chǎn)生密鑰。利用該密鑰,對OTFS信號(hào)的星座圖進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)加密,從而增大竊聽者的解密難度[37]。在網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,可以采用用戶身份認(rèn)證技術(shù)。具體包括:基于無線信道的身份認(rèn)證、基于指紋信息的設(shè)備認(rèn)證以及基于物理層信號(hào)水印的驗(yàn)證[38-40]。惡意干擾與非惡意干擾場景下的抗干擾技術(shù)如圖11所示。

圖11 抗干擾技術(shù)Fig.11 Anti-interference technology

4.2 通-感-算一體化技術(shù)

在傳統(tǒng)感知定位衛(wèi)星中融合通信能力,比如北斗導(dǎo)航采用短報(bào)文實(shí)現(xiàn)通信,但只能提供少量信息的傳輸和定位功能,不具備差異化和定制化感知。

未來6G網(wǎng)絡(luò)將融合高中低軌道衛(wèi)星、無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)、地面蜂窩網(wǎng)等。通-感-算一體化網(wǎng)絡(luò)將為未來構(gòu)建無縫連接的三維立體網(wǎng)絡(luò)提供泛在感知、精確定位等能力。在感知范圍方面,低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的大尺度感知與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的小尺度感知將互為補(bǔ)充,實(shí)現(xiàn)對不同應(yīng)用場景感知范圍的動(dòng)態(tài)適配;在感知時(shí)延方面,蜂窩網(wǎng)絡(luò)和低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將融合承載不同時(shí)延需求的感知業(yè)務(wù),提升異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的用戶使用體驗(yàn);在移動(dòng)性方面,低軌衛(wèi)星廣域覆蓋能力能替代蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的定位,但中低速場景下可將定位任務(wù)卸載到地面蜂窩網(wǎng)絡(luò),從而降低低軌衛(wèi)星載荷的轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和功耗,避免網(wǎng)路擁塞。通-感-算一體化技術(shù)在低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中的定位如圖12所示。

圖12 通-感-算一體化技術(shù)Fig.12 Joint sensing, communication and computing technology

4.3 多星多波束聯(lián)合傳輸技術(shù)

多星多波束技術(shù)是低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的一項(xiàng)重要傳輸技術(shù)。多星指低軌衛(wèi)星之間通過星間鏈路,一般為激光實(shí)現(xiàn)星間建鏈。多波束指衛(wèi)星天線采用大量高能量、可移動(dòng)的窄波束實(shí)現(xiàn)對一定面積通信區(qū)域的動(dòng)態(tài)覆蓋。多星多波束聯(lián)合傳輸技術(shù)示意如圖13所示。

圖13 多星多波束聯(lián)合傳輸技術(shù)Fig.13 Multi-satellite and multi-beam joint transmission technology

低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度快,拓?fù)渥兓黠@,激光波束的精確對準(zhǔn)與跟蹤是星間建鏈的前提。波束賦形是改變衛(wèi)星波束形狀的有效途徑,低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)用戶往往分散在不同的地域,傳統(tǒng)直徑寬的大波束雖然能夠提高接入率,但是受制于信息速率。將傳統(tǒng)點(diǎn)波束從既定式覆蓋布局調(diào)整為動(dòng)態(tài)覆蓋期望區(qū)域的相控陣點(diǎn)波束,是低軌衛(wèi)星星上天線的發(fā)展趨勢,可以更好地滿足不同區(qū)域內(nèi)用戶的通信需求,由此解決了地面用戶不均勻?qū)е滦l(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器功率和帶寬浪費(fèi)的問題。通常,一顆低軌衛(wèi)星的不同波束之間也是空間分集,既可以有效緩解同頻干擾,也優(yōu)化了星地信道狀態(tài)。

4.4 免授權(quán)接入技術(shù)

隨著頻譜資源的稀缺,如何有效利用頻譜成為衛(wèi)星通信系統(tǒng)亟待解決的問題。非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技術(shù)作為在移動(dòng)通信系統(tǒng)中率先提出的具有標(biāo)志性意義的新技術(shù),越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注和討論[41-43]。與正交多址技術(shù)相比,NOMA系統(tǒng)可以在相同的時(shí)間、頻率資源塊內(nèi)完成多個(gè)用戶終端與中繼節(jié)點(diǎn)之間的信息交互。因此,相比而言,在相同頻帶和時(shí)隙條件下,NOMA系統(tǒng)的系統(tǒng)容量更高,但代價(jià)是增加了接收端信號(hào)檢測的復(fù)雜度,通常采用串行干擾消除(Successive Interference Cancellation,SIC)來解決這一問題。免授權(quán)接入技術(shù)如圖14所示。

圖14 免授權(quán)接入技術(shù)Fig.14 Grant-free access technology

NOMA的核心思想在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的使用主要映射為2個(gè)方面:① 衛(wèi)星借助于疊加編碼或碼域映射機(jī)制將多個(gè)地面用戶終端的數(shù)據(jù)信息通過共享相同的時(shí)、頻、碼等物理資源方式進(jìn)行發(fā)送;② 接收端通過消息傳遞譯碼(Message Passing Algorithm,MPA)或者SIC機(jī)制對用戶終端接收的信息進(jìn)行檢測。根據(jù)資源映射特點(diǎn),可以將NOMA歸納為2種技術(shù)途徑:功率域(Power-domain)NOMA和碼域(Code-domain)NOMA。以圖14展示的功率域NOMA為例[44],衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙1中采用疊加編碼方式發(fā)送疊加信號(hào),強(qiáng)用戶首先提取并消除弱用戶信號(hào),之后解碼自己所需的有效信號(hào)。為了提高弱用戶的解碼性能,強(qiáng)用戶在時(shí)隙2將提取的弱用戶信號(hào)發(fā)給該用戶,弱用戶將2個(gè)時(shí)隙的有效信號(hào)疊加進(jìn)行解碼。

5 結(jié)束語

在今天,互聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值無可置疑,探索太空、建設(shè)低軌衛(wèi)星星座是人類科技文明進(jìn)步的體現(xiàn),沒有衛(wèi)星的參與,就沒有未來的互聯(lián)網(wǎng)。面向6G應(yīng)用,大力建設(shè)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是解決頻譜資源受限、全球覆蓋、低時(shí)延等萬物智聯(lián)需求的關(guān)鍵途徑。從互聯(lián)網(wǎng)的概念入手,分析了建設(shè)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的必要性,詳細(xì)介紹了國內(nèi)外在該領(lǐng)域的工程建設(shè)項(xiàng)目。概述了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系,展望了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在海上和空中的典型應(yīng)用。展望了低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中涉及的抗干擾技術(shù)、通-感-算一體化技術(shù)、多星多波束聯(lián)合傳輸技術(shù)和免授權(quán)技術(shù),希望為工程實(shí)踐提供部分參考。