低轨卫星星座通信网络系统会是未来通信业的中坚力量吗？

摘要

卫星通信网络系统将成为未来全球网络的重要组成部分。现代卫星制造技术、发射技术和网络技术促使大规模低轨星座通信网络成为现实。探讨了未来大规模低轨星座卫星通信网的研究和发展，包括卫星服务和应用、卫星通信的演进与技术挑战、用户对服务质量（QoS）的要求、5G标准用例、5G部署场景。最后展望了基于大规模低轨星座卫星通信网络在未来6G发展中的作用。

1、卫星通信网络的发展及优势

自60 年前第 1颗人造地球卫星发射以来，人们一直都在探索卫星和空间的应用。卫星通信和卫星广播是卫星应用的最好范例。在卫星的帮助下，我们可以把更多的应用和服务送到世界的各个角落。

卫星网络可以提供全球覆盖，已成为地面网络的补充和全球网络不可或缺的重要组成部分。最早的卫星通信都是基于地球静止轨道（GEO）的。随着科学技术的发展，特别是卫星制造、移动通信、电子工程、卫星发射、互联网技术的发展，中地球轨道（MEO）和低地球轨道（LEO）卫星系统开始迅猛发展。大规模低轨星座卫星通信网络的发展和应用迎来了新契机[1-2]。

2、卫星服务和应用

卫星网络可以提供广泛的服务和应用（见图1）。这些应用包括如下主要方面：

● 边远地区乡村的远程商业和住宅服务；

● 偏远山区、沙漠和岛屿网络服务；

● 智能交通系统和车辆通信连接服务；

● 航海和船运通信服务；

● 航空航天飞行器和民航服务；

● 工业物联网、农业自动化、海上风电、海上钻井平台等应用；

● 紧急服务（救护车、海岸救援、山区救援等）；

● 政府及国防应用。

TV：电视

Inter-satellitelink (ISL)：星间链路

Fixedearth station：固定地面站

Terrestrialnetwork：地面网络

Transportableearth stations：移动式地面站

Portableterminal：便携终端

Handheldterminal：手持终端

Userterminals：用户终端

图1 卫星服务和应用[1-2]

3、卫星通信技术的演进

卫星通信技术的发展主要包括3 个阶段。

（1）基础技术的发展。在这一阶段，单极化6/4GHz 波束提供全球波束覆盖，双极化波束整形基于16/14 GHz 可提供多点波束和转发器波束跳跃以及星上交换服务星间链路、光通信技术和30/20 GHz的应用使得高通量全球卫星网络成为现实。

（2）星上技术的发展。这一阶段经历了分频交换、分时交换、星上信号处理、星上数据包交换以及星上路由和星间链路的发展。其中，星间链路的发展也推动了低轨/中轨星座卫星网络的发展。

（3）网络服务和应用的发展。这一阶段从国际长途电话和卫星广播开始，然后经历国内长途电话和卫星服务、专用网络、航空地面移动服务、直接数字卫星广播、多媒体互联网宽带服务的发展，最终到现在的4G/5G 和未来的6G 网络的发展。

4、卫星组网的技术挑战

卫星通信网络在以下几个方面仍面临巨大技术挑战：

（1）传播时延大。虽然无线电波和光波在真空中均能以3x108 m/s 的速度传播，但是较大的卫星通信距离使得传播时延远大于地面网络。

（2）带宽有限。能够用于卫星通信的频谱资源比较有限。同时卫星产生的波束远大于地面无线网络，使得频谱的利用率远不如地面无线网络。这将直接影响通信的容量。

（3）传输错误多。由于传输距离和链路信道会受到各种干扰，传输数据的误码率也大于地面网络。

（4）传输功率受限。卫星主要靠太阳能来供电，同时要和其他卫星及地面无线网络进行协调以避免产生干扰。因此，传输功率就会受到很大限制，数据的传输速率也会受到影响。

GEO：地球静止轨道

LEO：低地球轨道

MEO：中地球轨道

Terrestrial：地面

图2 卫星网络系统覆盖范围示意图[1-2]

需要注意的是，在引入低轨卫星网络时，要做好卫星数量和覆盖范围方的权衡，如图2 所示。对卫星网络进行动态管理可降低卫星网络传输成本，有利于满足网络服务质量（QoS）的要求。

5、以用户为中心的QoS

网络 QoS 以用户为中心。目前，QoS的类别模型已经由国际电联明确提出[3]，如图3 所示。可以看出，QoS的类别模型共有 8个。其中，有的服务可以容忍传输错误，如语言视频交互、语言视频信息、语言视频流媒体和传真；有的服务则不能容忍传输错误，如指令和控制（远程交互和游戏操作）、电子交易在线和电邮、信息文件下载、后台处理。

图3 以用户为中心的服务质量类别模型[3]

6、卫星网络QoS

在5G 标准的制定过程中，第3 代合作伙伴计划（3GPP）为基于GEO、MEO或 LEO集成基础设施的卫星接入网络制定了具体的QoS 参数。这些参数都是与传播时延有关的，如表1 所示[4]。

表1 用户设备到卫星的传播时延[4]

GEO：地球静止轨道

LEO：低地球轨道

MEO：中地球轨道

7、非地面网络（NTN）用例

NTN泛指除了地面网络的所有网络，包括卫星网络和高空平台（HAP）。3GPP为卫星网络定义了 12个用例，并在相关的技术报告中给出了详细说明[4]。这 12个用例具体为：

地面和卫星网络之间的漫游、带有卫星覆盖的广播和组播、具有卫星网络的物联网（IoT）、临时使用卫星组件、最佳路由或卫星转向、卫星跨境业务连续性、全球卫星覆盖、通过5G卫星接入网间接连接、新无线接入网和5G 核心网之间的5G 固定回传、5G移动平台回传、5G与场地设备的连接、远程服务中心到海上风电场的卫星连接。

8、NTN部署场景

3GPP和欧洲电信标准协会（ETSI）对NTN 部署场景进行了深入研究，并提出了具体的部署场景[5-6]。

（1）平台轨道和高度。这一场景包括平台轨道类型（如GEO、非GEO）及其高度。其中，平台可以是卫星，也可以是其他高空平台。

（2）平台和用户设备之间的载波频率。该场景涉及0.5～100GHz 的频率。

（3）波束模式。这里的波束模式是指波束覆盖模式。它是频谱复用和容量计算的重要参数。

（4）接入方式。接入方式可以是频分双工（FDD），也可以是时分双工（TDD）。

（5）信道带宽（下行链路和上行链路）。该场景涉及信道下行链路和上行链路的可用带宽。使用何种带宽这取决于所使用的载波频率。出于评估目的，我们主要考虑以下两个因素：

● 对于在6 GHz 以上频段运行的卫星和空中网络，下行链路和上行链路的平均带宽高达800 MHz；

● 对于在6 GHz 以下频段运行的卫星和空中网络，下行链路和上行链路的平均带宽高达80 MHz。

（6）非地面网络架构选项，具体包括：

● 卫星可以作为无线接入网在用户设备和5G 基站（gNB）之间以透明的方式连接；

● 卫星可以具备5G 基站的一些功能，并与用户设备相连接；

● 用户设备连接中继站时，卫星仅在中继站和5G 基站之间以透明的方式连接；

● 用户设备连接中继站时，卫星可以具备5G 基站的一些功能并与中继站相连接。

（7）终端类型。用于评估目的时，可以考虑的终端类型包括：

● 发射功率设置为33 dBm（2W），等效孔径直径为60 cm（圆极化）；

● 对于每个3GPP FDD 功率等级（PC），PC1的全向天线最大输出功率为33 dBm（2W），PC2 的为27 dBm（0.5W），PC3 的为23 dBm（0.2W）。

（8）终端属性分布。终端属性分布可以设置为3 类：

● 100%户外用户设备

● 100%室内用户设备；

● 室内外混合用户设备分布。

（9）终端速度。该属性通常是指相对于卫星或空中平台上的发射器/接收器的速度，具体包括：

● 高速/低速用户设备；

● 高速/低速平台；

● 出于评估目的，终端速度最大值可以选定为1 000 km/h（例如飞机），或者500 km/h（例如高速列车）。

9、系统容量建模的考虑

在进行系统容量建模时，我们应用流量工程原理从3 个方面来考虑。

（1）用户流量。这里的用户流量主要指用户设备的数量和每个终端产生的峰值流量（如500 Mbit/s）；

（2）网关站数量与容量，以及网络架构（包括卫星数量、每颗卫星的点波束数量、每个点波束的容量）；

（3）流量控制和网络资源管理（用以满足QoS 要求，并有效利用网络资源）。

总的来说，这些考虑应包括：

● 需要明确系统容量定义和流量衡量标准；

● 明确说明网络架构；

● 精心设计流量控制和网络资源管理的算法和方法

● 开发相关系统的规划、性能评估、操作和维护问题的解决方案。

10、面向2030 年的卫星网络（6G）

2020年，5G移动网络标准的制定已经完成，5G网络的部署在全球范围内已经展开。未来研究的方向已经集中到面向2030 年的网络技术。相对于5G，这个新的网络研究方向通常被称为6G。很多大学、研究机构、公司以及标准化组织都开始了面向6G 的研究和探索。

其中，国际电信联盟（ITU）和电气与电子工程师学会（EEE）都已经取得一些显著的进展[7-9]。表2 给出了 5G和 6G的关键绩效指标的对比。

表2 5G 和 6G网络关键绩效指标对比

IP：互联网协议

11、结束语

卫星通信网络系统将成为未来全球网络以及 5G 和 6G的重要组成部分。现代卫星制造技术、发射技术、电子技术、网络技术的发展使得大规模低轨星座通信网络成为现实。大规模低轨星座通信网络既能与地面网络形成互补，也能与地球静止轨道卫星通信网络互补。在不远的将来，大规模低轨星座通信网络和未来的网络技术都将获得巨大发展，网络信号全球无死角覆盖也将成为现实。