天地一體化信息網絡發展與展望

汪春霆，翟立君，徐曉帆

(中國電子科技集團公司電子科學研究院，北京 100041)

0 引言

天地一體化信息網絡是由位于不同軌道的多顆衛星、地面關口站、測控站構成的天基網絡基礎設施以及由地面移動基站、WiFi熱點、光纖網絡等構成的地基網絡基礎設施，通過一體化、融合設計所實現的多維立體信息網絡，可為天、空、地、海不同應用場景的用戶提供全球泛在通信服務。

天地一體化信息網絡貫穿海洋遠邊疆、太空高邊疆和網絡新邊疆。因其地位重要，世界各航天大國紛紛制定發展戰略和投入巨資，布局以高軌高通量衛星通信星座、低軌衛星互聯網星座為重點的衛星通信網絡建設，謀求在新技術、新產業和空間頻率軌位資源方面的領先優勢。面對新形勢，自主創新發展天地一體化信息網絡，發展自主可控的空間信息基礎設施是我國實現全球信息服務的必然選擇。

1 發展歷程

1.1 衛星通信網絡

1.1.1國外衛星通信網絡

衛星通信的發展歷程可大致分為6個階段。第一階段：概念提出和早期實驗；第二階段：模擬通信；第三階段：數字通信；第四階段：第一次低軌衛星通信熱潮——窄帶星座組網；第五階段：高通量衛星發展；第六階段：第二次低軌衛星通信熱潮——寬帶星座組網(衛星互聯網)。

第一階段：衛星通信的概念，最早可追溯到英國空軍雷達軍官阿瑟·C·克拉克于1945年10月在《無線世界》雜志上提出的基于3顆地球同步靜止軌道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)衛星實現全球通信的設想。1963年，美國發射了第一顆GEO通信衛星Syncom-3號，成功向美國提供了1964年東京奧運會電視轉播信號，標志著衛星通信的早期實驗工作基本完成，奠定了未來商業化發展的技術基礎。

第二階段：1965年，“國際衛星通信組織”將Intelsat-1衛星送入靜止軌道，開通了歐美大陸間國際商業通信業務，標志著采用模擬技術的第一代衛星通信進入大規模應用階段。

第三階段：20世紀80年代，數字傳輸技術開始大規模應用在衛星通信中。甚小口徑終端(Very Small Aperture Terminal,VSAT)的出現，為大量專業衛星網絡的發展提供了條件，開拓了衛星通信應用的新局面。1989年發射的Intelsat VI系列(編號601～605)衛星，具有38個C波段轉發器、10個Ku轉發器，采用數字調制技術、Ku頻段可控點波束設計，總容量達到了36 000個話路，并首次采用了星載交換時分多址(SS-TDMA)技術，強化了波束間的交鏈能力[1]。

第四階段：20世紀90年代，由多顆低軌道(Low Earth Orbit，LEO)衛星構成的通信星座迎來了第一個發展的高潮。針對當時第一代地面模擬移動通信系統標準林立、難以實現國際漫游、信號質量差的缺點，Motorola公司于1990年6月宣布了面向全球移動通信服務的銥星計劃[2]。銥星系統由運行在778 km的6個軌道面上的66顆衛星構成，軌道傾角86.4°[3]。每顆銥星采用48個L頻段波束實現對地覆蓋，技術體制上參考了GSM，采用了Ka頻段星間鏈路和星上處理技術實現天基組網。銥星系統全球設立12個關口站實現業務落地，系統網控中心位于華盛頓州(羅馬備用)。由于錯誤地估計了地面移動通信迅猛發展的態勢，以及初期話務服務質量難以令人滿意、用戶量無法滿足持續運營需要等因素影響，銥星公司于2000年3月正式宣布破產。然而，商業上的失敗不能掩蓋其技術上的成功，經過重組后，銥星依靠軍事、政府等大客戶采購扭轉了經營局面，并在近期順利完成了二代銥星Next系統升級改造。與此同時，美國勞拉和高通公司倡導并建設了全球星(GlobalStar)系統[4]。全球星系統由位于軌道高度為1 414 km、8個軌道面內的48顆衛星構成，采用傾角56°的傾斜圓軌道星座構型[5]。全球星每顆衛星采用透明轉發器方案，利用16個L(上行)/S(下行)頻段點波束形成對地覆蓋，體制上采用了擴頻技術、參考了IS-95標準。全球星系統同樣經歷了經營困境，于2004年4月破產重組后運營至今。

第五階段：進入2000年后，高通量衛星(High Throughput Satellite，HTS)[6]成為衛星通信發展的熱點。HTS是指使用相同帶寬的頻率資源，而數據吞吐量是傳統衛星固定通信數倍甚至數十倍的通信衛星。目前主流的GEO-HTS衛星通過采用Ku和Ka等高頻段傳輸、密集多點波束、大口徑星載天線等技術，通信容量可達數百Gbit/s乃至Tbit/s量級，每比特成本大幅降低，逐漸逼近地面網絡，顯著地提升了衛星通信的競爭力。2004年，世界首顆HTS衛星Thaicom 4 (IPSTAR 1)發射入軌道，提供87個Ku轉發器以及10個Ka轉發器，設計容量約45 Gbit/s。2011年10月發射的ViaSat-1是全球首顆總數據吞吐量超過100 Gbit/s的Ka波段寬帶通信衛星，采用72個Ka頻段點波束覆蓋美國和加拿大地區，總容量達到140 Gbit/s。2017年2月發射的ViaSat-2衛星，總容量提升至300 Gbit/s。下一代ViaSat-3[7]衛星預計在2022年完成部署，共計劃發射3顆GEO衛星，每顆衛星預計可提供1 Tbit/s容量。2015年7月，歐洲航天局與歐洲通信衛星(Eutelsat)公司簽署合同，共同研制“Eutelsat-Quantum”(“量子”)衛星[8]，擬形成3顆GEO衛星構成的通信網絡。“量子”衛星作為全球首顆采用軟件定義載荷的衛星，更強調服務的靈活性，可實現覆蓋區域、頻段、帶寬和功率的在軌重新配置，從而改變了傳統通信衛星在工作期內無法及時更新通信技術的劣勢。

第六階段：第二次低軌衛星熱潮——寬帶星座組網(衛星互聯網)。GEO-HTS衛星雖然在帶寬成本上有了顯著改善，但傳輸延時大，不能服務高緯度地區和極地。2019年，全球互聯網滲透率超過了50%，但增長已經乏力，進入了平臺期[9]。為了爭奪剩下一半人口的互聯網介入，自2007年開始，隨著O3b[10]等計劃的提出，衛星互聯網星座迎來了新一輪發展高潮。

O3b系統目標是讓全球缺乏上網條件的“另外30億人”能夠通過衛星接入互聯網。O3b的初始星座包括12顆衛星(其中3顆作為備份)，運行在軌道高度8 062 km的赤道面中軌道(Middle Earth orbit，MEO)上，傳輸端到端延時約150 ms。衛星采用Ka頻段，提供10個用戶波束和2個饋電波束，波束指向隨著衛星運動可調整，用戶在多個衛星/波束總切換。單個用戶波束傳輸速率可達1.6 Gbit/s、系統總設計容量達到84 Gbit/s。O3b的衛星采用透明轉發器，無星間鏈路，業務交換在地面關口站進行。O3b的初始星座已于2014年12月底發射完畢。2017年11月，O3b公司向FCC提出申請新增了30顆MEO衛星，將運行于2種軌道。其中，20顆運行于赤道軌道被稱為O3bN，采用Ka和V波段。O3bN星座中8顆已獲批，并已有4顆于2018年3月發射。這4顆衛星運行頻率與初始星座的12顆衛星相同。O3bI的10顆衛星運行于傾斜軌道，即高度8 062 km、傾斜角度為70°的2個圓形軌道面上，用于支持緯度更高地區的用戶。除8顆已獲批的衛星O3bN以外，剩余12顆O3bN和10顆O3bI衛星屬于第二代O3b衛星星座，采用了更先進的衛星平臺技術，采用全電推進，搭載數字信道化器，有靈活的波束形成能力，單星容量相較一代提升10倍。

2017年6月，美國FCC批準了衛星互聯網創業公司“一網”(OneWeb)提出的星座計劃[11]。OneWeb規劃了三代星座，共計1 980顆衛星，包括LEO和MEO星座。第一代星座計劃于2018年啟動部署，采用近極軌道構型，共發射882顆(648顆在軌，234顆備份)LEO衛星，軌道高度1 200 km。OneWeb采用簡單的透明轉發器和固定波束天線，每顆衛星提供16個Ku頻段用戶波束，單星容量約8 Gbit/s，無星間鏈路和星上處理，業務就近落地到關口站進行處理。由于融資受挫、競爭加劇等一些原因，2020年3月，OneWeb公司在發射第三批“1箭34星”后宣布了破產保護。

“星鏈計劃”(Starlink)[12]是由SpaceX公司2015年提出的下一代衛星互聯網，是一個多個軌道高度混合、近極軌道和傾斜軌道混合的星座系統。Stalink建設大致分三步走：首先發射1 600顆衛星完成初步的全球覆蓋，其中前800顆衛星滿足美國及北美洲的天基高速互聯網需求；接著用2 825顆衛星完成全球組網，Starlink計劃的前兩步的衛星采用Ku和Ka頻段；最后用7 518顆采用Q/V頻段衛星組成甚低軌(Very Low Earth Orbit，VLEO)星座。Starlink衛星采用有源相控陣天線、數字處理轉發、“氪”工質全電推進等關鍵技術，后期將進一步支持星間鏈和空間組網。1.0版本的Starlink衛星上、下行均可提供8個用戶點波束，單星設計容量超過20 Gbit/s。截至2020年3月底，SpaceX公司利用“獵鷹”火箭完成了6次“一箭60星”發射。

加拿大“Telesat”公司提出的星座[13]計劃包含117顆衛星分布在2組軌道面上：第一組軌道面為近極軌道，由6個軌道面組成，軌道傾角99.5°，高度1 000 km，每個平面12顆衛星；第二組軌道面為傾斜軌道，由不少于5個軌道面組成，軌道傾角37.4°，高度1 200 km，每個平面10顆衛星。Telesat衛星搭載數字直接輻射陣列(Direct Radiating Array,DRA)和數字通信處理載荷，具有調制、解調和路由功能。DRA在上、下行均能實現16個波束，具有波束成形(Beam-forming)和波束調形(Beam-shaping)功能，其波束功率、帶寬、大小和指向可動態調整，具有很強的靈活性。Telesat衛星搭載激光星間鏈，傾斜軌道和近極軌道星座內和星座間均可組網。2018年1月，Telesat完成了第二顆試驗星的發射。

1.1.2 國內衛星通信網絡

1958年5月17日，在黨的八屆二次會議上，毛澤東主席提出“我們也要搞人造衛星”。1957年10月中國科學院制訂了一個分三步走的發展規劃：第一步，實現衛星上天；第二步，研制回收型衛星；第三步，發射靜止軌道通信衛星。

1970年4月24日，我國成功發射“東方紅1號”衛星，衛星質量約173 kg，外形為1 m直徑的類球形多面體，運行在近地點439 km，遠地點2 384 km的軌道上，進行了《東方紅》樂曲廣播等實驗，為我國后繼衛星設計和研制奠定了堅實的基礎。

1975年3月31日，毛澤東主席批準了國家計委、國防科工委、航天工業部、電子工業部、總參通信部等8個部委聯合，起草了《關于發展我國通信衛星的報告》，我國衛星通信工程由此啟動，工程代號 331。該工程包含五大系統：通信衛星、地球站、火箭、測控系統及發射場。

1984年4月，我國成功發射了第一顆靜止軌道試驗通信衛星“東方紅2號”，配置2套C波段轉發器，可轉發電視、廣播、數傳、傳真等模擬和數字通信信號，揭開了我國自主衛星通信的序幕。在需求的驅動下，1986年我國正式啟動了第二代自主通信衛星“東方紅3號”研制工作。1997年，我國成功發射了采用東方紅3B平臺的“中星6號”衛星，其具有24部C波段轉發器，采用了當時許多前沿技術。該衛星的成功投入使用，使我國衛星通信實現了跨越式發展，并帶動了“天鏈”中繼衛星的發展。

進入21世紀，我國通信衛星發展進入了快車道。2008年6月，我國發射了第一顆直播衛星——“中星9號”衛星，作為一顆大功率、高可靠、長壽命的廣播電視直播衛星，服務于“村村通”工程，可為西部邊遠地區免費傳輸47套免費的標清數字電視節目。2016年8月，我國發射了第一顆自主移動通信衛星“天通1號”[14]，采用S頻段、109波束覆蓋我國大陸及沿海區域，支持話音、短信和中低速數據業務。2017年4月，我國發射了首顆高通量通信衛星“中星16號”[15]，通信總容量達到20 Gbit/s，超過了之前我國研制的所有通信衛星容量的總和。其通過26個用戶Ka頻段點波束和3個饋電波束，能夠覆蓋我國除西北、東北的大部分陸地和近海約300 km海域。

隨著國際上通信星座發展的熱潮，我國也相繼提出了一系列星座發展計劃。航天科技集團有限公司設計的“鴻雁星座”[16]由54顆移動星+270顆寬帶星(不含備份衛星)構成，2018年12月完成首顆實驗星發射。航天科工集團有限公司提出的“虹云工程”[17]計劃發射156顆衛星，軌道高度1 000 km，旨在構建我國第一個全球覆蓋的低軌Ka寬帶通信星座系統，于2018年2月完成首顆實驗星發射。銀河航天公司計劃在2023年前完成軌道高度1 156 km的144顆衛星星座建設，系統通信容量超過20 Tbit/s。其首顆低試驗衛星于2020年1月搭載發射。除了寬帶星座之外，航天科工、九天微星、國電高科和時空道宇等公司還提出了各自的物聯網星座系統發展計劃。

1.2 地面互聯網

互聯網的發展可大致分為三個階段。第一階段：早期研究和小規模試驗；第二階段：互聯網的形成和規模化部署；第三階段：IPv6的發展及其與IPv4的雙棧共存。

第一階段：互聯網的歷史可追溯到20世紀60年代，美國國防部高等研究計劃署創建了ARPANET，實現了多個計算機節點之間的連接[18]。到1971年底，ARPANET的規模達到了15個節點。1974年，TCP/IP協議被提出[19]，提供了點對點鏈接的機制，將封裝、定址、傳輸、路由和接收加以標準化，是互聯網的基礎協議。基于TCP/IP協議，試驗人員于1975年實現了斯坦福和倫敦大學2個網絡間的通信，1977年完成了美國、英國、挪威三個網絡間的測試。最為大眾熟知的IPv4于1981年9月發布IETF的RFC 791文件。IPv4是一種無連接的協議，使用32位地址進行路由尋址。1986年，美國國家科學基金會(NSF)基于TCP/IP技術，創建了骨干網絡NSFNET。

第二階段：自NSFNET建立后，越來越多的局域網接入NSFNET，1986年至1991年間，并入的子網從100個增加到3 000余個。1990年3月，NSF在康奈爾大學和歐洲核子研究中心(CERN)之間架設了T1高速連接，并接入了NSFNET。然而，彼時的互聯網還僅局限于研究機構間。1995年4月，美國政府機構停止對NSFNET的管理，轉由私營企業經營，NSFNET骨干網逐步由若干商用骨干網替代，因特網服務提供商(Internet Service Provider，ISP)逐漸涌現。1998年6月，美國政府發布白皮書，并于10月成立非盈利性組織“互聯網名稱與數字地址分配機構(The Internet Corporation for Assigned Names and Numbers，ICANN)”負責互聯網的技術管理，全球性質的互聯網正式形成并迅速規模化部署。

第三階段：隨著互聯網規模的迅速擴大，IPv4有限的網絡地址資源問題日益凸顯，新一代互聯網協議的部署迫在眉睫。1995年12月，IETF發布了RFC 1883，定義了IPv6協議，后于1998年12月發布RFC 2460對其進行了更新。IPv6采用了新的分組格式，最小化路由器需要處理的包頭信息，并支持128位的地址，編碼地址空間較IPv4有了很大的提升。但由于早期路由器、防火墻等系統均采用IPv4，IPv6的替換過程相對緩慢，技術上長時間存在雙棧形態。2003年1月，IETF發布了IPv6測試性網絡“6bone”，用于測試IPv4網絡向IPv6網絡遷移的可行性，起初采用IPv6-over-IPv4隧道過渡技術，并逐步擴展純IPv6鏈接。2012年6月6日，全球IPv6網絡正式啟動，Google，Yahoo等網站支持IPv6訪問。截止到2020年4月，我國IPv6用戶已達2.3億。

隨著IPv6的規模化部署，下一代網絡技術的研究也在不斷推進。2008年，斯坦福大學的科學家提出了軟件定義網絡(SDN)的概念，通過將控制平面和轉發平面分離，網絡設備可集中式軟件管理及可編程，進而降低了網絡運營費用，加快了新業務引入的速度，同時簡化了網絡的部署。2018年7月，ITU成立網絡2030焦點組(Focus Group on Network 2030，FG-NET-2030)，旨在探索面向2030年及以后的網絡技術發展。2020年初，華為等向ITU提出“New IP”提案，能夠更好地支持AR/VR、全息通信、IoT 網絡、衛星網絡及新興網絡應用，從根本上支持網絡層長度可變、多語義地址以及用戶定制網絡。

1.3 地面移動通信網絡

自20世紀70年代，貝爾實驗室發明了蜂窩概念、提出采用頻率復用和小區分裂技術以來，地面移動通信從第一代蜂窩移動通信系統(1G)演進到了第五代移動通信系統(5G)，服務能力有了質的飛躍。

1G采用模擬信號頻率調制、頻分雙工(FDD)和多址方式頻分多址(FDMA)，基于電路交換技術，主要提供低速話音業務服務。1G典型系統，例如1983年美國推出的先進移動電話系統(Advanced Mobile Phone System，AMPS)；1985年英國開發的全面接入通信系統(Total Access Communications System,TACS)。由于各國在開發1G時只考慮了本國當時可用的頻率資源，彼此的頻率并不協調，標準也不統一。

為了提升頻譜效率以及實現用戶漫游，20世紀90年代歐美相繼推出了基于數字傳輸技術的第二代蜂窩移動通信系統(2G)，可提供話音、短信和低速數據傳輸服務。1982年，歐洲郵電行政大會成立了“移動專家組”，并于1990年完成了采用時分多址(TDMA)第一版全球移動通信系統(Global System for Mobile Communications ，GSM)標準制定。同一時期，美國借鑒軍事通信技術，由高通公司于1993年提出了基于碼分多址(CDMA)的IS-95標準。此后，為了進一步提升數據業務能力，又發展了2.5代的移動通信系統，如GPRS,EDGE,IS-95B，最高速率超過384 kbit/s。

第三代蜂窩移動通信系統(3G)較2G具有更高的傳輸速率，并開始支持圖片、視頻、音樂等多媒體業務，體制上均采用擴頻傳輸技術。1998年，歐洲、日本等采用GSM標準的國家聯合成立3GPP組織，制定了WCDMA標準。1999年，美國聯合韓國成立了3GPP2組織，制定CDMA-2000標準。同期，我國獨立發展了TD-SCDMA標準。3G在網絡結構上開始引入承載和控制分離的理念，將用戶的實際業務數據和用于管理的信令等數據分開，網元設備功能開始細化，最高下行傳輸速率可達14.4 Mbit/s(HSDPA)。

2005年10月的ITU-R WP8F第17次會議上給出了第四代蜂窩移動通信系統(4G)技術第一個正式名稱IMT-Advanced。2012年，正式確定了4G兩大標準LTE-Advanced和IEEE 802.16m，我國提出的TD-LTE-Advanced成為國際標準。4G采用正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)、多天線(Multiple Input Multiple Output，MIMO)、基于分組交換的無線接口以及載波聚合等關鍵技術，Release 10版本的最高下行速率可達1 Gbit/s。

5G是目前最新一代的移動通信系統，以更高的數據速率、更低的延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和支持大規模設備連接為主要發展目標。5G三大場景包括增強型移動寬帶(enhanced Mobile Broadband,eMBB)、海量物聯網通信(massive Machine Type of Communication,mMTC)、低時延高可靠通信(ultra-Reliable and Low Latency Communications,uRLLC)。3GPP于2017年12月完成了5G非獨立組網(Non-Stand Alone,NSA)標準，以支持在現有4G核心網的基礎上開展5G業務。2018年6月，3GPP全會(TSG#80)批準了5G Release15 SA(Stand Alone)獨立組網標準，標志著5G完成了第一階段全功能標準化的工作。5G在網絡架構上通過SDN(Software Defined Network)實現數據面和控制面的分離；利用NFV(Network Functions Virtualization)實現軟件和硬件的解耦。在無線傳輸技術上，5G采用大規模MIMO(Massive MIMO)、Polar編碼、非正交多址(Non-Orthogonal Multiple-Access,NOMA)、毫米波通信等關鍵技術，使傳輸速率進一步提升至數十Gbit/s。在5G標準化過程中，3GPP在非地面網絡(Non-terrestrial Networks,NTN)的部署場景中提出了星地融合的4種網絡架構初步模型[20]，包括使用透明轉發器以及星上部署基站的方案，將5G延伸到了衛星通信領域。

2019年3月，在IEEE的發起下，全球第一屆6G無線峰會在芬蘭召開，標志下一代移動通信的競爭已經啟動。預計于2030年商用的6G網絡的流量密度和連接密度較5G將提升10～1 000倍，支持用戶移動速率將大于1 000 km/h，峰值速率可達Tbit/s量級。為了實現上述指標，讓衛星通信承擔更重要角色、實現天空地一體化立體覆蓋已成為普遍的共識。2018年7月ITU成立了Network 2030焦點組，將衛星接入作為未來網絡一個重要特征。我國科技部于2019年底啟動的6G專項研究也將衛星作為未來網絡的重要組成部分，天地融合已成為大勢所趨。

1.4 天地融合網絡

衛星通信業界對天地一體融合的探索已接近20年。早在本世紀初，為了適應“網絡中心戰”的要求，美軍提出了轉型通信體系(Transformational Communications Architecture，TCA)[21]，擬提供一套受保護的、類似互聯網的安全通信系統，將天、空、地、海網絡整合在一起。TCA的空間段稱為轉型通信衛星TSAT[21]，由5顆靜止軌道衛星構成。TSAT計劃用激光通信、IP、星載路由、大口徑星載天線等一系列先進技術，形成空間高速數據骨干網，從空基和天基情報、偵察和監視信息源頭獲取數據，實現高容量的信息共享，從而將美軍全球信息柵格(Global Information Grid,GIG)延伸到缺乏地面基礎設施的區域。出于技術、經費等一系列因素的考慮，TSAT計劃于2009年擱置。2005年，歐洲成立了ISI(Integral Satcom Initiative)的技術聯盟組，提出了ISICOM(Integrated Space Infrastructure for Global Communication)構想[22]。ISICOM在設計方面不僅瞄準與未來全球通信網絡尤其是未來互聯網的融合，而且也將通過對Galileo導航系統和GMES全球環境安全監測系統提供補充來實現增值服務。ISICOM的空間段部分以3顆地球靜止軌道衛星或地球同步軌道衛星(GEO/GSO)為核心，結合MEO/LEO、高空平臺(HAP)、無人機(UAVs)等多種節點構成。通過采用多重及可重配置軌道系統設計、空間激光通信技術、多頻段射頻接入、對地虛擬波束成形等一系列關鍵技術，促進天地一體網絡的構建。于此同時，美國SkyTerra衛星引入地面輔助基站(Ancillary Terrestrial Component,ATC)概念來解決衛星在城市及室內覆蓋不佳的問題，通過共用頻率資源和相似的空中接口波形設計，實現天地對用戶的協同服務。

地面移動通信網絡從5G階段開始，也開始探索衛星和地面融合的技術途徑。2017年6月，歐洲16家企業及研究機構聯合成立了SaT5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)組織[23]，研究衛星與地面5G融合技術，并推進相關內容的國際標準化工作。SaT5G組織的研究包括在衛星5G網絡中實施NFV和SDN技術、衛星/5G多鏈路和異構傳輸技術、融合衛星/5G網絡的控制面與數據面、衛星/5G網絡一體化的管理和運維以及5G安全技術在衛星通信中的擴展。EuCNC-2019大會上，SaT5G組織演示了標準5G用戶設備如何通過衛星鏈路單獨或與地面鏈路并行提供到核心網的回程連接。

3GPP組織從R14階段開始研究衛星與5G融合的問題，并在后繼R15,R16研究中進一步深化。TS22.261規范[24]給出了衛星5G基礎功能和性能需求，然后在TR38.811[25]研究了非地面網絡(Non-Terrestrial Networks，NTN)信道模型以及對NR(New Radio)設計的影響，提出了NTN部署場景及相關的系統參數，研究了多個可能傳輸頻段上信道模型以及移動性管理問題。TR38.821[26]重點分析了NTN對5G物理層設計的影響，提出了MAC,RLC,RRC層的可選改進方案。

雖然TSAT，ISICOM，Sat5G，3GPP等對天地融合進行了一些早期探索，當前天地一體化信息網絡整體上仍然處于起步階段。為了促進該領域的發展，科技部于2016年啟動了天地一體化信息網絡重大項目研制，并列入國家“十三五”規劃綱要以及《“十三五”國家科技創新規劃》。天地一體化信息網絡重大項目擬建設高、低軌協同組網的天地融合網絡。其中，高軌節點主要提供寬帶接入服務，并與低軌節點互聯，優化提升網絡能力；低軌節點提供全球覆蓋的移動通信、寬帶通信、物聯網、導航增強、航海/航空監視(AIS/ADS-B)等綜合服務。重大項目完成網絡“編織”后，將形成“全球覆蓋、隨遇接入、按需服務、安全可信”的新一代國家公共信息基礎設施。

2 系統組成及特征

2.1 系統組成

如圖1所示，天地一體化信息網絡將由多顆位于不同軌道的衛星星座、地面移動基站或者WiFi等地面通信設施、關口站、測控站、一體化核心網、網管系統、運營支撐系統組成，可以提供寬帶接入、數據中繼、移動通信、物聯網、星基監視及導航增強等服務。

圖1 天地一體化信息網絡組成Fig.1 Composition of ISTIN

① 通信衛星星座：由位于GEO,MEO,LEO的多顆通信衛星組成；衛星采用L,Ku,Ka乃至于Q/V頻段頻譜，通過多點波束天線對地進行覆蓋，為用戶提供移動或者寬帶服務；同軌和異軌衛星之間通過微波、太赫茲或者激光鏈路相連構成天基網絡，衛星搭載星上數字處理載荷實現信號處理和業務、信令的空間路由轉發。

② 臨近空間平臺：由位于地球上空20～100 km內的浮空平臺或飛艇組成，主要用于衛星到地面的激光通信中繼和熱點區域的覆蓋和容量增強。

③ 地面通信基礎設施：地面移動通信基站、WiFi熱點等無線接入設施；與衛星形成協同的覆蓋，地面主要解決地面基礎設施條件較好、人口較為稠密區域的覆蓋，衛星主要覆蓋海洋、天空、太空以及地面覆蓋邊緣區域。

④ 信關站：通過饋電鏈路實現與衛星星座中衛星互聯，解決天基網絡承載的用戶信號、業務數據、網絡信令、星上設備網管信息的落地問題。

⑤ 測控站：依據航天器的工作狀態和任務，控制衛星的姿態和運行軌道，配置衛星載荷工作參數。

⑥ 一體化核心網：與衛星、關口站和地面通信基礎設施互聯，一體化處理借助天基或者地基不同途徑接入用戶的入網申請、認證和鑒權、業務尋呼、呼叫建立、無線承載建立、呼叫拆除等流程信令；實現話音編碼轉換等網內業務處理功能；實現與其他網絡的互聯，處理網絡邊界上的信令交互、業務路由、業務承載建立和管理、必要的業務格式轉換；保存用戶的簽約信息；在用戶呼叫層面實現天地資源的統籌調度；進行用戶業務信息統計，用于評估QoS和計費；進行網絡性能統計。

⑦ 網絡管理系統：統籌分配網絡資源；管理、監控全網的拓撲和路由；監控網絡所有設備的運行狀態，包括星載和地面設備；收集全網運行指標，向網絡操作者反饋；根據網絡操作者的指令，配置網內設備運行參數；處理異常和告警事件。

⑧ 運營支撐系統：包括受理用戶業務申請、管理用戶和訂單、進行業務計費和賬務結算、處理投訴和咨詢、提供網上營業廳等。

⑨ 用戶終端：包括天基、空基、海基、陸基等多種類型用戶終端，在系統的管理下，在不同衛星之間、星地之間的覆蓋區間切換；系統采用星地融合的傳輸體制設計，終端根據業務需求和接入途徑，配置多個頻段的天線和射頻，共用基帶單元。

2.2 系統特征分析

2.2.1 網絡架構

以3GPP標準為代表的地面移動通信網絡架構為基礎進行天、地網絡融合是當前一個主流思路。天網和地網短期內可視為兩張不同接入網，采用相似的空中接口，由統一的核心網進行管控，用戶在不同的接入網間切換。遠期，天、地網絡還將在射頻信號傳輸層面實現更為廣泛、更具深度協同，從而進一步融合成為一張接入網。

網絡架構設計當前面臨的首要問題是如何實現移動基站和核心網功能在星、地之間進行合理的分割。在此必須綜合考慮業務需求、星上處理業務流量占比、信關站部署情況以及星上載荷的處理能力約束。

對于大眾消費類業務，如互聯網接入業務，可考慮采用簡單的透明轉發器模式，基站和核心網功能均在地面實現。對于衛星用戶之業務直通(Terminal to Terminal,TtoT)、基于星間鏈的境外高安全需求業務的不落地向國內回傳，則應該在星上部署完整的基站。

5G核心網采用了SBA(Service Based Architecture)架構[27]，網元功能轉化AMF(Core Access and Mobility Management Function)、SMF(Session Management Function)等“微服務”，在云計算設施上被調度執行。在天地融合網絡中，星上可編程計算單元資源也可以有選擇和根據業務需求被調度來臨時執行核心網功能，例如在傳輸延時較大的GEO星座中支持緊急呼救、武器數據鏈這種響應時間嚴格的業務。

2.2.2 空中接口傳輸

采用L，S頻段的衛星移動通信在空中接口設計上已經與地面移動實現了部分融合設計，“天通一號”、Thuraya(GMR-3G標準)、Inmarsat-4(IAI-2標準)均采用3GPP-R4/R6空中接口分層方案，保留了上層協議(NAS層協議)絕大部分設計，主要針對星地傳輸鏈路特點設計物理層波形、特殊編碼話音承載、MAC層幀結構以及RRC層資源分配算法。在采用Ku和Ka等頻段衛星固定通信方面，空中接口目前最為先進的則是DVB-S2X[28]以及DVB-RCS2[29]標準，其波形和協議結構與3GPP標準框架存在較大差異。

由于DVB系列標準缺乏跨區切換機制，不支持移動性管理等問題，未來融合網絡的空中接口在天、地2個接入場景中均采用3GPP標準框架的協議分層結構和NAS層協議設計是合適的，但在物理層是否能夠采用一種波形方案目前還存在爭議。3GPP組織的目前研究傾向采用OFDM/SC-FDMA多載波傳輸方案[25]，還有一些系統采用下行類DVB單載波、上行SC-FDMA的混合方案。

衛星接入場景下物理層波形的選擇需要綜合考慮信道模型和星上轉發器特性。如采用地面5G的多載波技術方案，則必須解決LEO星地鏈路的大多普勒頻移、星載放大器功率回退導致的低峰均比要求、低頻段極其有限的頻譜資源限制、星地長延時導致的HARQ效率下降、MIMO適用性存疑等一系列技術問題。

2.2.3 路由和交換

通信衛星拓撲的變化是可預知的，因此在路由機制設計中，可采用基于SDN技術[30]的集中控制方案。由地面SDN控制器計算路由，然后通過測控站上注到衛星實現路由控制。

為了簡化設計以及還需支持CCSDS協議中繼等特色業務的需要，星上交換機并不直接使用IPv4，IPv6分組進行交換。結合星間鏈路和星地用戶、饋電鏈路的傳輸幀結構，可設計一種私有的MPLS協議來承載和交換多種網絡層協議分組。地面SDN控制器將負責處理OSPF等路由協議，配置衛星和終端上的標簽與網絡地址映射表、標簽轉發表，承擔建立、維護以及拆除MPLS LDP交換路徑的任務。

3 關鍵技術

3.1 多波束天線技術

利用星載多波束天線可實現有限頻率資源的高效空間復用和極化復用，從而極大提升了系統容量。目前，星載衛星多波束天線分為星載反射面多波束天線、星載相控陣天線、星載透鏡天線[31]。

反射面多波束天線具有重量輕、結構簡單、設計技術成熟、性能優良等優點，常用于滿足實現較大電口徑、數百個點波束的衛星需求。相控陣多波束天線可以通過對相位和幅度的調整來實現波束調形、波束掃描以及波束間功率頻率的分配，還可通過使用自適應調零實現抗干擾技術，能靈活地適應用戶需求的變化以及覆蓋區內業務的不平衡分布特點。由于目前Ka頻段星載器件功耗及效率約束，相控陣多波束天線在高頻段產生的波束相對較少，如歐洲量子衛星僅提供8個收發波束。透鏡天線是幾何光學原理在無線電頻率范圍的一種應用，優點在于有更大的設計自由度，具有很好的旋轉對稱性，保留了良好的光學特性，無口徑遮擋。但這類天線在低頻段也具有質量大、損耗大等缺點，目前尚未見到在軌應用。

除了星上波束成形，地基波束成形(Ground Based Beam Forming，GBBF)[32]技術將波束形成的大部分功能模塊移至地面完成，星上只保留天線、射頻轉發網絡以及進行少量的數字信號處理功能，在滿足通信靈活性的同時，極大地減少了載荷的質量和功耗。

為了使有限的功率資源、處理資源與實際需求相匹配，以適應業務量分布不均衡的場景，還常使用跳波束(Beam Hopping，BH)技術[33]。BH技術對時間進行分片，在同一時刻的多個可用波位上只有一部分點波束同時覆蓋，減少了同時形成點波束的數目，簡化了載荷設計。

3.2 星上數字化信道轉發技術

星上數字化信道轉發技術[34]利用數字帶通濾波器組對傳輸頻段內信號進行濾波，提取單個或多個子帶采樣信號，然后通過采樣數據在轉發器之間的高速交換，實現任意帶寬、載頻子帶信號的靈活“透明轉發”。與傳統的透明彎管轉發相比，數字化信道轉發器的信號交換在數字域中實現，交換帶寬可利用軟件在軌靈活調整，從而能適應需求的變化。目前，泰雷茲阿萊尼亞公司研制的Spacebus NEO全電動平臺所搭載數字轉發載荷，基于專用ASIC專用器件，已可實現160個3 000 Hz通道的數字信道化轉發，單通道可再細分成1 000個子帶。

目前“調制濾波器組法”[35]常用來實現大量、不同帶寬子帶信號的高效并行分離和重構。該方法通過調制1個或2個低通濾波器得到各個通道濾波器，其中心頻率和帶寬可以隨著需求的改變而動態變化，極大地降低了濾波器組的設計難度。然而，由于實際設計濾波器性能的不理想會導致每個濾波器邊緣處產生信號失真，如何在合理采樣精度、濾波器階數約束下針對大帶寬處理需求設計兼顧過渡帶和阻帶特性原型濾波器是關鍵問題。

3.3 星間高速傳輸技術

星間激光通信技術[36]因其不需要頻率協調、傳輸速率高、終端體積重量小等一系列突出優勢，成為當前星間鏈路構建的主要選擇。空間激光通信可以采用頻率調制、幅度調制、相位調制、極化調制和強度調制等方式將微波信號調制到光載波上。對應的接收方式主要有2種：一是直接強度探測，即非相干探測；二是相干探測。強度調制、直接探測(IM/DD)的技術方案具有簡單、經濟的特點，但容易引入噪聲，且調制頻率低、接收靈敏度相對較差。相位調制、相干探測的方案具有接收靈敏度高、抗干擾能力強等優點，靈敏度比直接探測高出10～20 dB。進行相干探測時，信號光與本振光要具有良好的相干性，系統較直接探測復雜，對器件的性能要求也較高。

太赫茲通信[37]具有可用頻譜寬、波束跟蹤較激光通信相對簡單等優勢。目前我國已經完成了0.34 THz載頻、10 Gbit/s速率地面短距離太赫茲傳輸實驗，采用了基肖特基二極管的次諧波混頻、正交調制傳輸和卡塞格倫天線技術方案。未來太赫茲技術將成為解決空間高速傳輸與組網問題的重要技術手段之一。

3.4 星上路由技術

中、低軌道星座中衛星的運動使得整個網絡拓撲一直處于不斷變化當中，星間需要頻繁地進行鏈路切換，這對空間路由協議的設計提出了挑戰[38]。

目前，較為成熟的衛星星座路由算法主要是基于快照序列[39]的路由算法。這種算法將一個周期內的衛星網絡拓撲劃分為許多單獨的拓撲快照，快照內星座拓撲視為穩定、可預測的，可預先計算出每個快照內的路由表，然后不停地切換。

當前，僅銥星星座較為成功地運用了星座路由技術，其他在軌系統如全球星等均采用透明轉發器、全球部署信關站、業務就近直接落地方案。未來美國Starlink星座以及加拿大Telesat星座都將通過星間鏈路實現空間組網和路由，支持業務不落地的空間多跳轉發，從而極大地緩解了全球部署信關站帶來的協調壓力。

3.5 全電推進衛星平臺技術

相比化學推進技術，電推技術[40]具有比沖高、控制精度高、質量輕和可重復啟動的突出優勢，從而有效提升衛星的載荷比，降低發射的質量。2000年以后，電推進技術進入深化應用階段，在各類航天器中得到廣泛應用。波音公司開發的BSS-702SP是世界上首個全電推衛星平臺。其采用4臺XIPS-25 離子推力器，單臺推力器推力最大可達到165 mN，比沖達3 500 s 。

電推進主要有靜電式、電加熱式和電磁式[41]。霍爾推進器[42](又稱穩態等離子推進器)是一種電磁式推力器，具有高比沖、高推功比等突出優勢，是目前應用較為廣泛、最為成熟的電推進系統。

衛星平臺上的電推進器目前主要用于：① 衛星軌道位置保持和姿態控制，例如GEO衛星的南北位保、LEO星座衛星的軌道相位保持；② 軌道轉移，例如Starlink衛星搭載的氪離子推進系統在280 km高度星箭分離后，開機進行姿態調整與軌道爬升，進入550 km預定軌道，在壽命末期還承擔降低軌道、完成離軌操作任務；③ 動量輪卸載，解決空間外干擾力矩造成三軸穩定衛星動量輪轉速的周期性變化問題；④ 空間碎片的規避等。

目前，全電推進開展研究主要包括：發展多模態電推進技術，實現多個工作點，滿足不同任務對大推力、高比沖的不同需求；繼續突破大推力、超高比沖電推進技術，例如研制100 kW以上功率、8 000 s以上的單臺霍爾推進器；實現多個推進器的組合應用。

我國目前已經完成了10 kW霍爾推進器的研制，正進一步開展50 kW霍爾推力器的攻關。

3.6 天基信息港技術

“天基信息港是由一簇在同步軌道上共位的模塊化衛星組成，衛星通過星間微波/激光鏈路相互連接形成一個‘虛擬大衛星’”[43]。天基信息港的設計目標是針對航天任務多樣化、體系化的需求，通過多顆衛星的彈性組網和智能資源調度，實現態勢的綜合感知、多源信息的匯聚和處理、高速數據分發，從而加快網絡的響應、在軌直接支持應用的開展。天基信息港的典型應用模式包括利用多個衛星的天線實現更大的綜合孔徑、多星多譜段對地觀測信息融合、空間云計算等。

天基信息港涉及的關鍵技術包括多星共位和編隊保持技術、星間高速傳輸和多址技術、多星分布式組網和計算技術等。

3.7 頻率軌位干擾分析和規避技術

目前衛星通信的頻率和軌位資源的爭奪已進入白熱化階段，尤其是LEO星座的用頻。目前寬帶LEO星座主要使用C，Ku，Ka，Q頻段。其中C頻段因為地面5G使用sub 6G頻段，基本上不可能用于LEO星座構建；Ku頻段收發1 GHz帶寬資源都已用在了目前主流星座上；Ka頻段目前申請資料達到了近百份，競爭異常激烈；Q頻段具有可用頻譜寬、使用規則平等(WRC-19大會Q頻段使用模式修改為“協調資料投入使用”程序，使全球擬采用該頻段的星座具有了平等協調地位)、實際在用系統少等特點，爭奪這部分頻譜資源對未來LEO星座構建具有重要的意義。

與頻率協調方案及規則相對成熟的GSO衛星不同，作為NGSO的LEO星座系統衛星空間位置時變，與其他系統間干擾標準和干擾程度的衡量需要考慮到時間統計和功率水平兩個維度。目前與GSO的干擾協調有效方案是利用NGSO與GSO衛星軌道高度差產生的俯仰漸進隔離角避免干擾[44]。基于頻譜感知的NGSO和GSO干擾協調技術近年來也得到重視[45]。

4 未來展望

(1) 天基網絡作為未來信息網絡基石已成為廣泛共識，空間網絡規模呈現快速增長態勢

為了進一步彌合天、地網絡的容量和能力差距，擬建設的空間網絡規模持續擴大。SpaceX公司Starlink計劃包含高達42 000顆衛星、亞馬遜公司的Kuiper計劃也達3 236顆衛星。為了未來實現天地一體、立體覆蓋、協同服務，迫切需要研究解決多層軌道衛星、地面基站構成的超大規模、立體網絡的融合接入、協同覆蓋、協同組網、協調用頻、一體化傳輸和統一服務等問題。

(2) 透明轉發和星上處理等工作模式長期共存，在軌重構、軟件定義為按需服務賦能

透明轉發模式需要解決高性能天線、射頻和信號轉發載荷設計問題，星上處理模式需要解決在超寬帶信號處理需求下，由于資源嚴重受限帶來的高性能、低功耗計算處理問題。對低軌星座還需解決星地相對運動帶來的網元功能星地分割與動態重構、網元移動性、用戶移動性管理等問題。軟件定義載荷將是未來發展一個重點，它允許用戶在衛星入軌后根據業務需要和衛星健康狀態進行覆蓋區域、頻段、帶寬和功率再調配，從而顯著縮短研制周期、降低成本、最大程度地利用衛星能力。

(3) 高低頻、高低軌系統協同發展，持續提升容量和效益成為重要發展目標

除了常用的L/S,C,Ku頻段以外，新一代衛星通信系統已經大量采用Ka頻段、甚至Q/V頻段來提升容量，未來還有可能使用太赫茲頻段。不論是為目前5G基站拉遠提供大容量回程通道，還是為未來星地提供一致的服務質量，以及實現廣域海量物聯服務，都需要優化頻譜的利用，引入先進編碼調制、新型多址、多波束多鏈路協同、高速星間鏈等先進傳輸技術，有效提升空中接口容量，促進多頻段、高低軌衛星服務的有效協同。

(4) 確定性的服務質量保障成為未來天地融合網絡的重要特征

基于低軌道衛星星座的接入能夠有效提升容量和減小時延，但其本身面臨著鏈路延時抖動大、用戶和饋電鏈路切換頻繁、承載網絡不斷動態重構等一系列不利于服務質量保障的因素。而未來星地多維多鏈路協同覆蓋場景中，干擾協調的復雜性、傳播模型的不同、平臺處理能力的離差都將進一步加大服務質量保障的難度。

(5) 人工智能為網絡的有效管理和特色服務提供了新動力

未來天地一體融合多維網絡將包含海量的網絡節點、復雜的業務需求、多種異質的接入媒介，是一個復雜巨系統，其管理難度遠超常規的單星組網系統，必須引入人工智能、區塊鏈、大數據分析等先進技術手段，促進管理從自動化向智能化轉型，使網絡能夠感知、預測到服務需求，并能夠提前優化部署適配的服務能力。據報道，NASA目前已經開始了基于智能合約與機器學習的星座優化技術研究。

(6) 天基計算、信息服務將重構衛星通信價值鏈

Kuiper星座系統計劃基于亞馬遜領先的云計算AWS(Amazon Web Services)為用戶提供遙感、星基監視等信息處理的托管服務。我國提出了構建“天基信息港”在軌直接支持應用服務的概念。為強化在軌數據處理能力，歐洲航天局(ESA)設立了“先鋒計劃”，并于2019年發射的衛星上搭載了可擴展輕量并行超算載荷。近期，美軍提出了“空間作戰云”的架構和設想，擬實現一個全球泛在的數據分發和信息共享綜合網絡體系。俄羅斯航天系統公司則宣稱正在研發天基信息流量自動處理技術。軟件定義衛星、天基計算技術的發展為移動信息服務更貼近用戶提供了途徑。

(7) 行業和技術的垂直與橫向整合將帶來巨大的成本優勢及商業機遇

根據中金公司的研究報告，“Starlink單顆衛星的發射+制造成本只有153萬美元，是OneWeb的46%，未來隨著二級火箭再回收、衛星的輕量化生產，預計還能下降30%以上”[46]。SpaceX公司利用火箭、衛星制造到發射服務的垂直整合模式顯著改善了成本，提高了組網速度與靈活性，從而在商業市場上體現出很強的競爭力。未來，SpaceX、我國的時空道宇公司還要將新能源汽車制造、智慧出行和衛星通信行業進行橫向整合以創造新的流量入口和商業機遇。

5 結論

天地一體融合發展作為未來6G網絡的一個重要特征已經獲得了廣泛的共識，未來將從需求、愿景、用頻、研發、組網、服務到運維真正實現天、地統一規劃，統一設計，統一建設和統一管理，實現從創新、產品、工程到應用服務的全產業鏈協同發展。天地一體化信息網絡作為推動各行各業數字化、移動化、網絡化、智能化發展的普適性基礎設施，將以極強的滲透性和帶動性，極大地加快全球社會的轉型與創新發展。