天地一體化網絡中LEO天基互聯網的構建探討

● 文｜ 北京電子工程總體研究所　高利春　饒建兵　高銘陽　李心蕊　貝超北京無線電測量研究所　高文權北京遙感設備研究所　李海昊

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天地一體化網絡中LEO天基互聯網的構建探討

● 文｜ 北京電子工程總體研究所高利春饒建兵高銘陽李心蕊貝超
北京無線電測量研究所高文權
北京遙感設備研究所李海昊

一、引言

隨時隨地的互聯網接入是當前信息時代最重要的特征，互聯網蘊含的信息逐步擁有了消費品、生產工具、生產資源等多重屬性，信息在市場資源配置、國家宏觀調控、企業產品營銷等方面的重要性等級越來越高。從全球范圍來看，人口稠密、經濟發達地區的互聯網基礎設施發展迅速，尤其在移動互聯網市場培育成功后，巨大的利益驅使移動運營商、設備制造商聯合推動著地面網絡加速發展。隨著物聯網市場需求逐步釋放，以及5G標準制定工作的快速推動，人人移動互聯、萬物移動互聯將賦予互聯網更多內涵，更加龐大的信息資源、更高效的信息傳輸能力將改變人們的生產、生活方式。

在看到互聯網大發展前景的同時，我們還需要面對另一個嚴酷而誘惑的事實：世界上還有一半的人口沒有接入互聯網，信息的匱乏限制了當地經濟、文化的發展，當地人們沒有享受到人類文明發展的果實，世界發展格局極不平衡為世界平穩發展帶來隱患；巨大的人口存在巨大的潛在商業利益，為其提供互聯網接入服務，提供豐富的信息產品，既符合當地居民、政府的需求，又符合實施主體的現實利益。

面對廣闊的市場、復雜的政策環境、廣袤的地域、極低的城市化水平等難題，如何構建一種相對成本低廉、快速覆蓋全球、迅速解決有無的互聯網接入手段？由地面網絡、地球同步軌道（GEO）系統和低地球軌道（LEO）系統共同組成的天地一體化網絡是必然選擇，網絡的各個部分各自發揮優勢，為其提供貼合應用場景的針對性服務，將使得這些地區以更高的性價比進入信息時代。

針對天地一體化網絡中的LEO天基互聯網構建問題，本文延伸了天基互聯網的概念，分析了LEO天基互聯網構建的現實約束，給出了一種天基互聯網的頂層架構和建設思路，最后對產業發展進行了設想。

二、天基互聯網概念及延伸

1.傳統概念

20世紀末，美國實施了多個火星探索工程，并在21世紀初提出了登陸火星計劃，被譽為互聯網之父的文森特·塞爾夫正式提出太空互聯網的概念，目標是實現從地球到火星的空間通信。20世紀末，以摩托羅拉公司為代表的第一批太空互聯網先驅實施了“銥星計劃”，旨在通過低軌衛星星座實現全球范圍內隨時、隨地的話音和短消息通信。

傳統太空互聯網指連接空間各個通信節點的信息網絡，這些節點包含地球空間節點和深空節點。

目前太空互聯網仍處于起步階段，地球空間節點還沒有廣泛部署，已部署的節點能力不足，人們還沒有隨時隨地的寬帶網絡互聯體驗。第一次LEO星座熱潮部署的星座無法滿足寬帶互聯需求，近期建成的O3b中軌星座系統主要提供低緯度地區的網絡互聯，正在構建的OneWeb低軌星座系統和同步軌道高通量衛星（HTS）分別瞄準全球無縫覆蓋和提升低緯度地區容量，主要航天大國均在以完成地球空間節點部署和能力提升為目標開展活動。深空節點僅具備數據回傳和指令接收能力，基本不具備交互通信能力。

2.概念延伸

2014年8月，隨著谷歌（Google）提出180顆衛星的低軌星座計劃，在短短2年時間內，中國航天科工集團、一網公司（OneWeb）、美國太空探索技術公司（SpaceX）、三星公司（Samsung）等十幾家企業先后提出了自己的基于LEO星座的天基互聯網計劃，天基互聯網的內涵更加豐富，低軌通信衛星星座在天基互聯網中的地位越來越突出。新時代的LEO星座發展思路主要具備以下特點。

1）天基互聯網不再直接與手持用戶端通信，而是采用熱點方式提供服務，同時實現更大的用戶接入數量、單用戶瞬時更高的通信速率、直接支持智能手機/個人電腦/IPAD等現有設備三項重大轉變和突破，從而將更加高效地利用帶寬資源，支持更多的業務類型，獲得更大的用戶滿意度。

2）天基互聯網不再僅僅是一個信息傳輸系統，而是一個信息應用系統，在構建信息傳輸手段的同時，其瞄準移動互聯網和工業物聯網的應用大方向已經明確，流量收入將是其次要收入，流量實現的應用將是主要收入。

3）硬件設備不再由單個用戶買單，而是依靠衛星運營商、電信運營商、集群客戶等進行部署，實際上提供了一種不受地面光纖約束的“基站”布設能力，大大提高在人口分散地區、地形復雜地區布設網絡接入點的效費比的同時，降低了個人使用費用，為大規模市場推廣提供了可能。

三、LEO天基互聯網的現實約束

互聯網接入是目的，天地一體化是手段和形式，從個人需求角度看，天地一體化網絡接入即支持用戶采用現有設備隨時隨地接入互聯網，可以任意使用基于現有設備的互聯網應用而不會因為接入點變化而有明顯的體驗變化。

在目前高軌衛星能力不斷提升，地面網絡覆蓋越來越廣的境況下，普遍服務的天地一體化接入需求仍然沒有解決：一方面用戶的需求越來越旺盛，另一方面網絡的容量、覆蓋性不足，應用體驗不一。構建LEO天基互聯網將大大改善覆蓋性，同時提升容量，改善平均接入體驗，將與GEO衛星通信系統和地面網絡共同形成完整的天地一體化接入能力。由于低軌星座定點覆蓋能力差、既有技術和市場規則等方面限制，LEO天基互聯網的構建需要重點考慮三方面的現實約束。

1. 頻率兼容的任務規劃

頻率資源是通信系統構建的先行條件，在寬帶互聯網時代，銥星、全球星所擁有的頻段資源已經無法滿足需求，需要由Ku、Ka等甚至更高頻段來滿足LEO天基互聯網對頻率資源的需求。然而依據國際電信聯盟（ITU）的無線電通信規則，低軌通信衛星需要規避對GEO衛星的干擾，包括已有衛星和未來將發射的衛星，在衛星寬帶通信快速發展的時期，GEO衛星已經向高頻段發展，LEO星座和GEO衛星共用頻段是必然。為保證不對GEO衛星造成干擾，開發一種考慮高軌和低軌頻率兼容的任務規劃方法，是低軌星座在規則約束下正常工作的必要條件之一。

采用高頻段通信，通信波束角窄，可引入波束禁區和仰角禁區的概念，基于此設計高低軌衛星兼容工作模式和保護要求。

（1）波束禁區

對于GEO衛星通信，地面通信仰角和緯度存在線性關系。對于LEO衛星通信，一個波束對應一個仰角范圍，該仰角范圍在GEO衛星系統中可對應一個緯度區間，該緯度區間即LEO通信衛星該波束的禁區，在禁區內，波束關閉，在禁區外，波束正常工作（見圖1）。

圖1　波束禁區示意圖

基于波束禁區的概念對LEO衛星波束有選擇地關閉，既能保證系統可用度較高，又可避免其下行信號對GEO衛星地面站的干擾。

（2）仰角禁區

處于一個緯度點的LEO衛星通信地面站正對著某GEO衛星時，其干擾達到最大，該地面站指向往一旁偏移直到其干擾信號降低到滿足GEO衛星通信保護要求，其所偏移的角度形成的圓錐為仰角禁區，如圖2所示。

圖2　仰角禁區示意圖

基于仰角禁區的概念控制地面站波束切換，可保障系統工作連續性的同時，解決LEO衛星通信地面站上行信號對GEO衛星的干擾。

2. 市場開拓各有側重

基于地區定點大范圍覆蓋需求，人們首先發展了同步軌道通信衛星，相應市場經過數十年的開發和培育，已經形成了較為穩定的客戶群體。地面網絡著重解決人口稠密地區的互聯網通信，已經成功培育移動互聯網市場，工業物聯網也已經具備雛形。LEO天基互聯網在5G時代加入天地一體化網絡，存在其發展的空間。

LEO天基互聯網提升天地一體化信息系統的容量。5G系統正在開展標準制定工作，其主要瞄準的市場為移動互聯網和工業物聯網，市場容量需求巨大，衛星通信在廣覆蓋方面的巨大優勢將成為5G接入系統不可或缺的一部分。在此背景下，短期內高軌寬帶衛星不能滿足需求（即使在未來，頻率、軌位也將形成強約束），LEO天基互聯網能提升天地一體化信息系統的容量，為散布的用戶流量提供接入點。

LEO天基互聯網拓展天地一體化信息系統的業務范圍。GEO衛星通信的延時很大，業務范圍受到一定限制，例如遠程遙控、武器與信息直接鉸鏈、網絡游戲等應用，而這些都是移動互聯網和未來工業物聯網的主流應用，LEO天基互聯網不僅能夠直接支持這些應用，還能實現終端在地面網絡和衛星網絡間的無體驗差別的切換。

LEO天基互聯網提升天地一體化信息系統的應用體驗。低延時的特性將提升采用衛星進行即時語音通話的應用體驗，達到與地面網絡語音通信相同的話音質量等級。良好的覆蓋性能夠大幅提升用戶在山區的通信概率，更好地滿足救災、反恐維穩、野外數據采集等需求。

3. 高低軌兼容的地面站

直面用戶的地面站具備高低軌兼容能力更加貼近用戶應用需求，也是國際通信衛星公司（Intelsat）與OneWeb合作的動力，是未來發展的趨勢。Intelsat將發射7顆高容量衛星（Intelsat 29e），作為Intelsat將來GEO+OneWeb聯合體（兩者均使用Ku頻段）的前奏，未來，Intelsat將利用LEO衛星給城市—鄉村車輛、極地船只提供衛星寬帶服務，因為LEO衛星更適合這些應用場景。另外，歐洲衛星公司（SES）聯合GEO衛星和O3b衛星（MEO衛星）推出SES Plus，也提供類似的服務，并且已經在非洲地區開展相關業務。

以天地一體化為發展目標，GEO寬帶衛星地面站與LEO寬帶衛星地面站應該進行融合設計，用戶采用雙模用戶站，能夠根據自身所處的實際環境自由選擇接入的衛星系統，從而獲得更好的接入體驗。并且，從前文頻率兼容策略可知，LEO衛星通信系統為了不對GEO衛星通信系統造成干擾，采用了波束禁區和仰角禁區的方法，如果仍然要滿足連續覆蓋的要求，則需要降低LEO天基互聯網可用度，增加低軌衛星的數量，而事實上進入波束禁區的概率較低，為其增加衛星的數量將很不劃算。采用雙模用戶站既可滿足用戶的接入需求，也可滿足系統構建時成本控制的要求。

四、LEO天基互聯網架構

LEO天基互聯網完善天地一體化的信息接入系統，為海上、空中、陸上偏遠地區提供互聯網接入手段。充分考慮系統容量需求、星座覆蓋性、高低軌頻率兼容等設計約束，本文提出一種“天星地網”LEO天基互聯網構建思路，為天地一體化網絡構建提供參考。

1. 空間段

空間段是由承載透明轉發的多波束相控陣通信載荷的小衛星組成的星座（見圖3）。采用多波束相控陣天線技術，可以在小衛星上實現較多的波束數量，從而大幅提高LEO衛星通信星座的頻譜利用率。為達到寬帶通信的基本要求，系統采用Ku、Ka甚至更高的頻段。只有滿足移動互聯網對帶寬的需求，系統才能夠很好地與地面寬帶網絡融合，從而獲得屬于衛星通信的收益，實現系統的良性、自主發展。

圖3　LEO天基互聯網星座及衛星示意圖

2. 地面段

地面段由綜合運控中心和信關站組成，綜合運控中心是天基互聯網的核心，負責天基互聯網的星座運控和網絡管理。信關站是天基互聯網與地面網絡的接口，實現地面網絡IP協議數據與衛星空口協議之間的轉換，實現天基互聯網數據盡快落地，并對其覆蓋區域形成的子網進行管控。低軌天基互聯網最大的特點之一是提供全球服務，互聯網的主要特點是開放，因而天基互聯網采用“天星地網”的架構，既符合低軌星座的能力，也符合互聯網的要求，有利于系統在全球范圍內進行部署（見圖4）。

圖4　地面信關站站址選擇及覆蓋示意圖

3. 用戶段

用戶段為各類用戶站，自身產生熱點供用戶端接入，而后實現用戶的IP協議數據與衛星空口協議的轉換。為適應移動互聯網和工業物聯網的應用需求，應針對常駐偏遠地區人群（村落、工地、礦場等）打造固定式用戶站，針對移動載體（飛機、高鐵、輪船、旅游大巴等）打造移動式用戶站，針對個人用戶（單兵、旅友）打造便攜式用戶站。針對不同的應用場景，其產生的熱點可選擇2G、3G、4G、WiFi和LAN等多種形式，滿足不同的覆蓋范圍要求和速率要求（見圖5）。

圖5　三種類型用戶站示意圖

五、LEO天基互聯網構建步驟

天基互聯網是一個開放的網絡，具備實力的實體均可參與系統的構建，其構建思路應參考地面移動網絡的構建思路，即通過開放的關鍵技術整合與攻關、標準研究與發布兩個步驟為系統研制和部署提供開放的競爭環境，為系統高度集成狀態下的關鍵技術提供方提供利益保障。

LEO天基互聯網構建面臨的4個關鍵技術如下。

（1）星載Ka頻段大功率智能多波束相控陣通信載荷技術

衛星采用Ka頻段固態有源相控陣天線進行通信，功放器件的線性度和效率是一對矛盾，需要針對性地進行設計。并且由于效率較低而天線T/R模塊相距較近，整體尺寸和質量較小，帶來大功率的導熱和散熱問題。

（2）低成本移動式多模相控陣用戶站技術

LEO天基互聯網成為近年熱點的關鍵技術基礎之一即相控陣天線技術的逐漸成熟，然而相應的器件成本是限制系統大規模使用的要因，芯片化、批量化是實現低成本的重要手段，但是需要大量的芯片化前期的技術攻關。并且用戶站要具備GEO和LEO雙模工作能力，而兩者的工作模式存在一定差異，融合設計存在一定困難。

（3）低軌寬帶高速率大連接通信協議技術

LEO天基互聯網系統一方面要實現寬帶通信高速率要求，一方面要實現較大的同時接入用戶數。在有限的頻譜資源約束下，要同時達成這兩個目標具有較大難度，對多級子載波資源調度策略、系統時間同步、網絡資源管理等提出更高要求：一方面需要對底層空口協議進行充分的設計和驗證，一方面需要借鑒地面網絡的網絡管理思想對網絡層及以上協議進行適當的改進。

（4）高低軌兼容的衛星和網絡綜合運控技術

在嚴重的干旱面前，要把確保城鄉居民的用水安全放在首位。對可能出現供水短缺的地區，進行全面摸底排查，提早籌劃解決方案，分類制定切實可行的供水計劃，及時組織抗旱服務隊發揮抗旱設施設備作用，通過打井找水、應急送水等方式，確保每個人都有水喝，避免因干旱或不安全飲水引發威脅群眾生命安全的事故，同時還要下大力氣通過各種方式強化公眾節水意識，多措并舉戰勝旱魃。

由頻率規避策略可知，GEO衛星通信和LEO衛星通信和諧工作的重要手段即是開發一套考慮兩者實際業務情況的任務規劃方法，對兩類衛星的業務進行合理的分配和管控。高低軌兼容的任務規劃方法考慮兩者的用戶分布、實際保護要求、實時業務發生情況等因素，設計一種合理的、考慮因素全面的任務規劃策略。

2. 標準研究與發布

未來5G技術不再是單一的接入技術，而是多種手段的融合，衛星通信將是5G系統的一部分。在5G系統方案和標準開發期間，衛星通信領域應當按照與5G技術標準相同的時間規劃一同開展相應的關鍵技術整合和攻關，完成技術驗證系統研制和業務試驗系統研制，形成經過充分檢驗的技術標準。

3. 系統研制與部署

LEO天基互聯網研制主要考慮產品研制與試驗、衛星批產、用戶站批產等生產能力組織問題，系統部署考慮運載火箭發射和信關站國際部署問題。基于我國現有能力進行擴充，考慮全球范圍內的合作與競爭，是實現系統成本控制和效益控制的重要手段。LEO天基互聯網將由優勢單位進行研發，多家單位聯合生產，國際協作部署，實現多方共贏。

六、天基互聯網產業鏈整合

銥星系統的經驗和教訓告訴我們，天基互聯網產業發展不能由產業鏈的一個環節進行推動，應當整合衛星通信產業鏈各個環節共同開展系統研制和部署，將專業的事交給專業的人。天基互聯網構建主體需要比拼的不再是技術、資本等單一的實力，而是全產業鏈的整合能力。

1. 產業鏈構成

隨著科技進步，人們構建的巨型系統越來越復雜，涉及的領域不再局限于系統制造，還涉及資本運作、市場開拓、服務開發等方方面面，僅僅依靠制造商的系統集成能力不足以支持巨型系統構建，需要對相關產業鏈進行高效整合，形成合力共同開拓新領域。天基互聯網正是這樣一個巨型系統，其產業鏈各環節如圖6所示。

圖6　LEO天基互聯網產業鏈示意圖

2. 各環節功能與職責

（1）衛星制造

LEO天基互聯網的主要資產是在軌運行的衛星，在小衛星、微衛星、納衛星技術快速發展的今天，元器件質量的進步、星載設備的性能提升、整星的高度集成等技術突破為衛星實現低成本、高性能帶來了希望，將是天基互聯網成功構建的重要基礎。衛星制造商應當在小衛星的整星集成上做出重要突破。

（2）衛星發射

在衛星成本大幅下降的同時，要求運載發射費用同步大幅降低，一箭多星是低軌星座發射部署必選的方式。結合未來可能投入使用的可重復使用運載技術、空基發射技術等低成本運載發射能力，衛星發射的“車費”大幅降低，也將是系統構建的重要支撐。并且在小型固體運載火箭商業化的時代，系統運營維護階段的補星有了更好的選擇。衛星發射服務商需要提供更靈活、更低成本的發射服務。

（3）衛星運營

LEO天基互聯網的發展會對原有的衛星通信市場造成一定沖擊，衛星運營商需要清楚地認識到天地一體化網絡瞄準的是移動互聯網和未來工業物聯網應用，需要很好地處理LEO天基互聯網、GEO衛星通信和地面網絡的關系，努力開拓那些還沒有獲得互聯網接入能力的地區市場，實現GEO、LEO和地面網絡和諧發展、共存共贏。

（4）通信設備制造

通信設備制造與用戶體驗和系統能力直接相關，地面用戶站直面客戶，其產品的高度集成、芯片化、高性價比、美觀大方是贏得客戶喜愛的重要條件；信關站是地面與互聯網連接的關鍵節點，是系統性能的重要保障；通信設備制造商需要在芯片、低成本等方面做出重要突破。

（5）服務開發

天基互聯網與地面互聯網相融合，流量費收入和產品費收入只是系統收入的一部分，甚至成為系統運營的成本，通過互聯網傳播的內容才是系統價值回收的主要手段。由于LEO天基互聯網可以很好地兼容現有地面設備和應用，服務開發商將基于現有的技術和設備提供具有針對性的服務，實現系統的盈利，是系統推廣和盈利的主力。

（6）集團客戶

LEO天基互聯網的巨大投入需要快速獲得客戶使用和大范圍推廣，減輕資本運作的壓力。LEO天基互聯網的主要特點之一是容易實現全球覆蓋，能夠為跨國集團提供良好的信息傳輸手段，使其可以更好地拓展業務范圍，同時，跨國集團客戶在國際上的良好基礎能夠為系統推廣提供強有力的支持。因而，跨國集團客戶將是系統第一批用戶，也是系統推廣主力。

（7）資本運作

LEO天基互聯網耗資相對較大，采用傳統的航天產品研發模式（由國家撥款完成系統研制和部署，而后交付運營商運營）存在較大的風險，政府決策

難度大。況且系統與人們的生產、生活息息相關，由國家財政投資、運營商獲取收益，不符合誰投資、誰獲益、誰擔責的預期。因而，天基互聯網的構建更適合采用商業化的模式，基于傳統制造業的技術，引入民間資本，共同進行系統研制、部署和運營，一方面更有利于充分利用市場主體的逐利特性和積極性，嚴格控制系統成本，提升應用開發積極性，一方面有利于稀釋、分擔系統風險，有利于項目的良性運作。

七、結束語

LEO天基互聯網是未來5G時代的重要組成部分，彌補地面網絡的覆蓋性不足和傳統衛星網絡的容量不足，三者共同構成完整的天地一體化信息網絡，共同服務于移動互聯網和未來工業物聯網。由于LEO天基互聯網的特點，其構建需要精心整合全產業鏈，共同攻克政策、技術、市場、資本等多方面的壁壘，營造共同構建LEO天基互聯網的和諧局面并分享利益。

參考文獻

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