低軌衛(wèi)星移動通信現(xiàn)狀與未來發(fā)展

0引言低軌衛(wèi)星（Lowearthorbit，LEO）通信是構(gòu)建6G（Thesixthgenerationmobilecommunicationsystem）必不可少的部分，較地面通信而言，LEO的覆蓋更廣，更適合在荒漠戈壁、深林、海上等無人區(qū)進行全球通信；與高軌衛(wèi)星通信相比，LEO具有傳輸損耗小、時延小、成本低等優(yōu)點。因此，對低軌衛(wèi)星移動通信進行研究和設(shè)計為構(gòu)建空天地海一體化通信具有深遠(yuǎn)的意義。目前，全球LEO領(lǐng)域正在進行一場深刻的產(chǎn)業(yè)、系統(tǒng)與技術(shù)變革，引發(fā)衛(wèi)星制造、發(fā)射等核心技術(shù)發(fā)生顛覆式革命，衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域與模式拓展創(chuàng)新，全球開啟了人人可“玩”衛(wèi)星時代，此外，LEO通信網(wǎng)與地面網(wǎng)絡(luò)競爭的同時，也不斷地借鑒地面網(wǎng)發(fā)展的先進技術(shù)，并走向與地面網(wǎng)的互補和融合，天空地海一體化的發(fā)展?jié)u成趨勢，國內(nèi)外都已開啟“5G+衛(wèi)星通信”，以及6G的研究。本文主要通過介紹LEO通信系統(tǒng)的組成及其特點，然后，從Iridium、Orbcomm和Globalstar等傳統(tǒng)低軌LEO通信系統(tǒng)和OneWeb、LeoSat、Starlink系統(tǒng)、“鴻雁”系統(tǒng)和“虹云”等新興LEO通信系統(tǒng)兩方面介紹其特點，最后從星天空地海一體化通信、衛(wèi)星通信多種功能深度融合、超大規(guī)模異構(gòu)星座組網(wǎng)及其智慧衛(wèi)星移動通信等講述未來發(fā)展趨勢。1LEO通信系統(tǒng)1.1LEO通信系統(tǒng)LEO通信是通過低軌衛(wèi)星作中繼，轉(zhuǎn)發(fā)移動用戶間或移動用戶與固定用戶間用于進行通信的無線電波，實現(xiàn)兩點或多點間的通信。其包括空間段、地面段和用戶段。LEO系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。圖1LEO系統(tǒng)架構(gòu)空間段即星座，由多顆低軌衛(wèi)星組成，采用星間鏈路實現(xiàn)互聯(lián)互通，具備全球組網(wǎng)與數(shù)據(jù)交換路由的能力。地面段地面網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)的控制中心、數(shù)據(jù)交換中心、運營中心，由信關(guān)站、測控站、移動通信網(wǎng)絡(luò)、運控系統(tǒng)、綜合網(wǎng)管系統(tǒng)和業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)組成。信關(guān)站和測控站根據(jù)覆蓋要求進行選址，在全球分布式部署，其余網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用集中式部署方式，同時滿足電信運營可靠性需求。用戶段由各類用戶終端組成，用戶段由各種用戶終端組成，包括手持終端、車載站、艦載站、機載終端等。1.2LEO通信特點LEO通信主要具有以下特點：（1）覆蓋范圍廣。LEO覆蓋半徑數(shù)千米以上，大量LEO組成的星座可以實現(xiàn)全球無縫覆蓋。（2）容量大、海量接入。LEO通信采用Ka/V頻段或更高頻段，頻率資源相當(dāng)豐富，可實現(xiàn)500Mbps以上大容量通信，可支持海量終端接入需求。（3）傳輸性能穩(wěn)定。LEO通信鏈路為視距通信，鏈路損耗很穩(wěn)定，多徑效應(yīng)可忽略不計。（4）靈活、抗毀性強。LEO通信不受地理條件的限制，無論是城市還是沙漠、山區(qū)、島嶼，以及自然災(zāi)害如地震、洪澇、臺風(fēng)發(fā)生時仍可提供穩(wěn)定的通信。（5）成本低。通信設(shè)備成本不隨通信距離增加而增加，因此適應(yīng)于長距離及人煙稀少地區(qū)的通信。然而，LEO通信也存在一些缺點，如低軌衛(wèi)星發(fā)射和星上載荷的成本較高、鏈路傳輸衰減大、傳輸時延大等。LEO已逐步突破一些統(tǒng)衛(wèi)星通信技術(shù)，如SpaceX的一箭多星，火箭回收及重復(fù)利用技術(shù)等。2LEO通信發(fā)展現(xiàn)狀2.1傳統(tǒng)LEO通信系統(tǒng)國外提出的方案很多，但至今真正發(fā)射組網(wǎng)并進行運營的只有三個：Iridium、Orbcomm和Globalstar。2.1.1IridiumIridium星座由66顆軌道高度為780km的低軌衛(wèi)星組成，如圖2所示。星上采用多點波束相控陣天線和再生轉(zhuǎn)發(fā)器。星間采用Ka頻段進行信號傳輸。IridiumNEXT的L頻段配置48波束的收發(fā)的相控陣天線、用戶鏈路增加Ka頻段、配置軟件定義可再生處理載荷等方式，其中，L頻段為移動用戶提供最大速率為128kbps，支持最大數(shù)據(jù)傳輸速率為1.5Mbps；Ka頻段車載式、便攜式終端速率分別可達(dá)30Mbps、10Mbps，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的高速率、大容量及多功能。圖2Iridium星座2.1.2OrbcommOrbcomm系統(tǒng)由36顆LEO星座組成，分布在6個軌道面上，其中，32顆衛(wèi)星均勻分布在825km的4個軌道面，每個軌道面有8顆衛(wèi)星；2顆衛(wèi)星分別分布在780km的2個軌道。信關(guān)站上行鏈路為148MHz，下行鏈路為137MHz，峰值速率為56kbps，用戶鏈路上行速率為2.4kbps，下行鏈路速率為4.8kbps。Orbcomm是一個全球無線數(shù)據(jù)和消息服務(wù)的商業(yè)系統(tǒng)，利用LEO星座為世界上任何地方提供廉價的跟蹤、監(jiān)視和消息服務(wù)。圖3Orbcomm星座2.1.3GlobalstarGlobalstar系統(tǒng)由美國勞拉空間通信公司和高通公司提出。空間段衛(wèi)星采用傾斜軌道網(wǎng)狀星座，包括48顆衛(wèi)星和6顆備用衛(wèi)星，均勻分布在8個傾角為52°的軌道平面上，軌道高度1414km，軌道周期113min，實現(xiàn)了全球南北緯70°之間的覆蓋。用戶同時可視衛(wèi)星有2～4顆，每顆衛(wèi)星與用戶能保持10～12min通信，然后經(jīng)軟切換至另一顆星。星上采用透明轉(zhuǎn)發(fā)、多波束天線，用戶鏈路采用L/S頻段，饋電鏈路為C/X頻段，向用戶提供尋呼、傳真、短數(shù)據(jù)和定位等業(yè)務(wù)。用戶終端有手持、車載、機載和船載等移動終端，以及半固定和固定終端。圖4Globalstar星座2.2新興LEO通信系統(tǒng)隨著LEO制造和發(fā)射等技術(shù)突破，迎來了新興LEO通信系統(tǒng)研究熱潮，典型有OneWeb、LeoSat和Starlink等LEO通信系統(tǒng)。2.2.1OneWebOneWeb星座計劃部署2千多顆衛(wèi)星，采用Ku+Ka波段，在高度1200km的18個軌道平面上部署720顆衛(wèi)星。星上采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器。其中，10.7-12.7GHz和12.75-14.5GHz頻帶將分別用于用戶下行鏈路和用戶上行鏈路，而17.8-20.2GHz和27.5-30.0GHz頻帶將分別用于饋線下行鏈路和饋線上行鏈路。在衛(wèi)星高速運動過程中不同衛(wèi)星交替出現(xiàn)在上空，保障某區(qū)域的信號覆蓋。預(yù)計2027年建立健全的、覆蓋全球的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為每個移動終端提供的速率為50Mbps。圖5Oneweb星座2.2.2LeoSatLeoSat星座由LeoSat提出，計劃部署108顆低軌衛(wèi)星組成星座，在1400km的軌道上，采用6個軌道面，每個軌道面上部署18顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星可以同時保持4條星間鏈路。LeoSat用戶波束和信關(guān)站波束采用Ka頻段，為用戶波束提供速率為1.6Gbps；兩個較大的信關(guān)站提供5.2Gbps的速率，其中星間鏈路采用激光通信，每顆星的4條鏈路最大速率為10Gpbs，從而提供全球高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。圖6LeoSat星座2.2.3StarlinkStarlink星座由SpaceX提出，計劃部署4.2萬顆衛(wèi)星，由分布在1100~1300km高度的4425顆低軌星座和分布在高度不超過346km的7518顆甚低軌星座構(gòu)成，如下圖6所示。低軌星座將結(jié)合Ku/Ka雙波段芯片組和其他支持技術(shù)，用戶鏈路采用Ku波段，饋線鏈路采用Ka波段，有利于更好地實現(xiàn)覆蓋；另外采用V頻段的甚低軌星座，能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸信號增強，從而為針對性用戶提供信息服務(wù)。預(yù)計2025年完成星座部署，為用戶提供最小數(shù)據(jù)速率為1Gbps和最大速率為23Gbps的超高速通信，能提供類似光纖的網(wǎng)絡(luò)速度，且覆蓋面積大大提升，到目前第9批衛(wèi)星送入太空，總計在軌運行538顆衛(wèi)星。圖7Starlink星座2.2.4“鴻雁”系統(tǒng)“鴻雁”星座由航天科技提出，為國內(nèi)首套全球低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)寬窄帶融合通信系統(tǒng)，由300多顆低軌衛(wèi)星組成。整個星座計劃在2024年后完成，將實現(xiàn)移動通信、寬帶接入、物聯(lián)網(wǎng)、熱點信息廣播、導(dǎo)航增強、航空監(jiān)視等六大業(yè)務(wù)，可以在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)寬帶和窄帶相結(jié)合的移動通信，為用戶提供實時雙向通信。2019年首發(fā)星“重慶號”如下圖所示，完成了在軌飛行平臺各組軟件測試，饋電上下行鏈路和用戶上下行鏈路的驗證。圖8“鴻雁”首發(fā)星2.2.5“虹云”系統(tǒng)“虹云”星座是航天科工提出，由156顆低軌衛(wèi)星組成，在軌道高度1000km上組網(wǎng)運行，采用Ka波段通信，每顆衛(wèi)星最大支持速率為4Gbps。預(yù)計2022年完成星座部署后，以天基網(wǎng)為基礎(chǔ)，融合導(dǎo)航、遙感，從而實現(xiàn)通信、導(dǎo)航、遙感一體化，構(gòu)建一個寬帶低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，為環(huán)境檢測、移動通信等領(lǐng)域提供信息傳輸服務(wù)。其首發(fā)星如下圖所示，已完成在軌的各項技術(shù)驗證。圖9“虹云”首發(fā)星３未來發(fā)展趨勢LEO移動通信具有機動性強、覆蓋范圍大、可靠性好、傳輸效率高等特點，已廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域，成為通信領(lǐng)域不可或缺的一種手段。對于未來的發(fā)展，可從以下方面著手。3.1星天空地海一體化通信構(gòu)建多域（星天空地海）一體化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架包括深空/星際網(wǎng)、天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、空基網(wǎng)、陸基網(wǎng)、?；W(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)安全組成如圖10所示，實現(xiàn)星際、深空、空間、地面、海洋網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通、互為補充、高效協(xié)同，是未來通信的發(fā)展趨勢。（1）多域人機物靈活一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)針對深空/星際網(wǎng)、天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、空基網(wǎng)、陸基網(wǎng)、?；W(wǎng)在覆蓋范圍、傳輸時延、帶寬成本、容量、頻率等方面各有優(yōu)缺點。協(xié)調(diào)利用各類設(shè)備優(yōu)勢特征組成復(fù)合協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，充分運用人工智能、SDN等領(lǐng)域新技術(shù)，提升系統(tǒng)可控性、高效承載各類業(yè)務(wù)。（2）激光與量子通信融合高速信息傳輸技術(shù)星空天地海一體化信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建對信息的高數(shù)據(jù)率和安全保密性提出了極高的要求。量子通信具有信息傳輸?shù)陌踩Ｃ苄?，但無法做到高速信息傳輸。然而，激光通信具通信速率高、抗電磁干擾圖10星天空地海一體化通信等技術(shù)優(yōu)勢。為了兼顧網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)谋Ｃ苄院涂煽啃?，采用空間激光通信與量子通信技術(shù)互補融合式高速率信息傳輸。（3）零信任架構(gòu)的邊緣計算接入技術(shù)基于邊緣計算結(jié)合可信計算、零信任安全、態(tài)勢感知等先進理念和技術(shù)，對用戶和數(shù)據(jù)等在信任架構(gòu)內(nèi)進行隔離，以確保每一個訪問請求都被驗證并故意允許或不批準(zhǔn)，以加強保護和控制，不僅能防御當(dāng)前的種種攻擊，還能快速地適應(yīng)不斷變化的服務(wù)環(huán)境，也沒有很大的管理負(fù)擔(dān)。（4）動態(tài)協(xié)作組網(wǎng)技術(shù)星空天地海一體化深度融合移動新型組網(wǎng)節(jié)點間的位置關(guān)系隨時間動態(tài)變化，造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵崟r改變，使得路由組網(wǎng)難度較大。為保證信息能夠經(jīng)過星際鏈路正確到達(dá)目的地址，并且實現(xiàn)深空/星際網(wǎng)、天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、空基網(wǎng)、陸基網(wǎng)、海基網(wǎng)間的快速可靠接入和自主控制，則要求網(wǎng)絡(luò)具有多點互通及智能捕獲、對準(zhǔn)、跟蹤、能力。3.2衛(wèi)星通信多種功能深度融合衛(wèi)星通信實現(xiàn)多種功能（定位、導(dǎo)航、授時、遙感、物聯(lián)網(wǎng)、通信）的深度融合發(fā)展，是未來低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。（1）異構(gòu)靈活終端一體化智能切換管理技術(shù)基于強化學(xué)習(xí)的異構(gòu)靈活終端管理架構(gòu)，既可以充分考慮到不同層面的需求,又可以及時開始并完成切換過程，最大限度地減少切換中斷時間，從而實現(xiàn)無縫切換。（2）輕量級靈活終端安全傳輸技術(shù)靈活終端設(shè)備由于資源有限和網(wǎng)絡(luò)防護措施不足，通常更容易遭受攻擊，而輕量級算法可以在設(shè)備安全和能耗之間找到平衡，用于授權(quán)、加密、訪問控制和密鑰交換。（3）異構(gòu)靈活終端業(yè)務(wù)流分發(fā)技術(shù)根據(jù)當(dāng)前各接入網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀況、不同類型業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量需求、傳輸功耗、通信成本等多個屬性，智能為異構(gòu)靈活終端上運行的各條業(yè)務(wù)流選擇合理的接入網(wǎng)絡(luò)，從而提高吞吐量、會話完成率等性能。（4）衛(wèi)星通信微型化SOC芯片研制采用軟件自定義架構(gòu)，研制滿足寬帶、移動通信、物聯(lián)網(wǎng)、GNSS導(dǎo)航等多波形融合的集成化系統(tǒng)的合理設(shè)計，實現(xiàn)高性能低功耗SoC芯片，以滿足不同應(yīng)用場景下多體制波形的靈活加載與應(yīng)用。3.3超大規(guī)模異構(gòu)星座組網(wǎng)針對未來空間互聯(lián)網(wǎng)數(shù)千顆至數(shù)萬顆規(guī)模的巨型星座，研究超大規(guī)模星座通信網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)型、協(xié)同性、環(huán)境感知性，實現(xiàn)對多域、多維、多粒度移動性的支持，實現(xiàn)不同星座之間的互聯(lián)互通，提升超大規(guī)模星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的收斂性和可擴展性。（1）超超大規(guī)模星座組網(wǎng)技術(shù)針對多軌道大規(guī)模星座一體化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，通過對星座設(shè)計、組網(wǎng)、抗毀性、網(wǎng)絡(luò)安全等核心技術(shù)進行研究，優(yōu)化超大規(guī)模星座的自適應(yīng)組網(wǎng)架構(gòu)，實現(xiàn)不同星座之間的互聯(lián)互通，提升星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的收斂性和可擴展性。（2）超大規(guī)模星座資源自進化調(diào)度技術(shù)超大規(guī)模星座的任務(wù)需求多樣化、相互影響約束較多、星座任務(wù)規(guī)劃時效性要求高等特點，需要研究超大規(guī)模星座資源自進化調(diào)度技術(shù)，實現(xiàn)在各個階段滿足對在軌衛(wèi)星的實時監(jiān)控，任務(wù)規(guī)劃，保持星座構(gòu)型，提升大規(guī)模星座的抗毀性能。（3）超大規(guī)模星座協(xié)調(diào)用頻及干擾管理針對不同低軌星座之間的同頻干擾問題，分別從信號層面和網(wǎng)絡(luò)層面進行研究，以及采用智能動態(tài)頻譜共享、干擾規(guī)避策略等技術(shù)，解決相互干擾，提高超大規(guī)模星座的可靠性。（4）超大規(guī)模星座健康管理技術(shù)超大規(guī)模星座中存在星地設(shè)備管理難度高，發(fā)生故障難以排除等問題，因此研究星地一體化健康管理技術(shù)，實現(xiàn)在星座運行過程中實時對衛(wèi)星和地面站設(shè)備進行健康管理，及時排除潛在的安全隱患和故障，確保星座平穩(wěn)運行。3.4智慧衛(wèi)星移動通信未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將會越來越龐大異構(gòu)，業(yè)務(wù)類型和應(yīng)用場景也越來越繁雜多變，充分利用AI技術(shù)為基礎(chǔ)的6G（“人工智能+地面通信+衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)”）來解決這種復(fù)雜需求幾乎是必然選擇。（1）認(rèn)知增強與決策推演的智慧網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用人工智能技術(shù)對信息的識別、認(rèn)知和融合，對網(wǎng)絡(luò)資源分布情況與變化規(guī)律進行動態(tài)建模分析，并結(jié)合集中管控的思想，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中路由、緩存等策略的自適應(yīng)推演。獲取正向的資源調(diào)度柔性進化方案，以最大化網(wǎng)絡(luò)的效能和可靠性。（2）智