面向6G的星地融合無線傳輸技術

徐常志 靳 一 李 立 張學嬌 謝天嬌汪曉燕 李明玉 曹振新

①(東南大學毫米波國家重點實驗室 南京 210096)

②(中國空間技術研究院西安分院 西安 710100)

③(重慶大學微電子與通信工程學院 重慶 400044)

1 引言

5G移動通信網絡于2019年10月底開始商用，學術界和工業界圍繞新一代移動通信系統(6G)的發展愿景、能力需求和核心技術進行了探索性研究。文獻[1]構思了由“智慧連接”、“深度連接”、“全息連接”和“泛在連接”共同組成的“一念天地，萬物隨心”的6G總體愿景，重點分析了實現此愿景的挑戰與潛在候選技術，以期為6G技術發展提供方向性指引。文獻[2]探討了通過擴展移動通信系統的覆蓋范圍和實現萬物互聯來構建泛在的智能移動社會的6G愿景，分析了6G的技術發展趨勢、挑戰以及可能的關鍵技術。文獻[3]圍繞6G應用范疇的再擴展與技術性能的再提升問題，概括了星地融合與覆蓋擴展、毫米波與太赫茲通信、數據驅動的人工智能與內生安全、分布式協作MIMO等可能涉及的技術領域，展望了實現廣域物聯網所亟需突破的若干關鍵技術。

截止目前，國內外尚未就6G形成一致的共識。根據移動通信每10年更新1代的發展規律，6G可預期的商用時間約為2030年[4]。可以預計，未來6G將具備更廣闊的覆蓋范圍、更大的通信容量、更小的傳輸時延和更多的用戶連接能力，輔以人工智能、大數據、云計算和區塊鏈等技術，實現更加泛在、智能、安全、可信的公共移動信息基礎服務能力[5]。為實現這一目標，本文從網絡通信角度出發，概括總結了一些認可度較高的核心技術，具體為：

(1) 星地深度融合：5G移動通信系統的覆蓋范圍受限于陸地，無法經濟有效地解決航空、航海、沙漠等人口稀少地區，以及地震、火災和泥石流等應急場景下的通信難題。充分利用地面移動通信的大容量傳輸能力，結合天基網絡的廣域覆蓋優勢，構建星地深度融合的天地互聯網絡系統，從而實現6G無處不在的寬帶連接[6]；

(2) 新譜段通信：5G移動通信系統使用的6 GHz以下頻段，非常擁擠，且可用帶寬有限。基于此，B5G正在考慮使用大帶寬的毫米波頻段(24.25～27.5 GHz, 37～43.5 GHz, 66～71 GHz)，甚至有些學者認為太赫茲通信是未來6G的核心技術[7]，但均存在器件不成熟、信道測量與建模難和窄波束精密跟蹤等難題，距離工程應用尚有距離。目前，以近紅外作為業務波段的激光通信已應用于星間骨干鏈路，將會是6G應用的主要通信手段。此外，可見光、中紅外激光等可能應用于6G場景的新譜段通信，也值得去探索研究；

(3) 大規模分布式協作MIMO：面向未來6G大幅提升頻譜效率的發展需求，我國學者提出了基于網絡云化與虛擬化的大規模分布式協作MIMO技術，充分利用時間、頻率和空間3個維度資源，具備優異的傳輸性能和廣闊的發展前景[8,9]。進一步地，基于傳統Shannon信息論及其擴展形式的非構造性特點，探討了通過信道極化和特征模式傳輸來構造性逼近信道容量，從而為6G通信潛能的挖掘指明了方向[10]；

(4) 智能通信：將人工智能與通信系統有機融合，可顯著提升移動通信系統的效能。早期的人工智能與通信融合局限于網絡層和應用層，隨著以深度學習為代表的機器學習飛速發展，將機器學習用于通信的物理層成為了當前的研究熱點[11,12]。

本文重點圍繞基于星地深度融合的天地互聯網絡進行探討，針對6G可能存在的兩種網絡拓撲架構，深入分析了星間高速鏈路、星地饋電鏈路、星地用戶鏈路的特點和技術發展需求，綜述了以上3種不同類型鏈路的高速通信進展情況。然后，對6G亟需突破的光學相控陣多用戶接入、高效能星地激光通信和光電一體化組網等關鍵技術進行分析與展望。最后，進行了總結概述。

2 典型的星地融合網絡架構

2020年4月20日，國家發展改革委員會首次將5G與衛星互聯網建設同時納入“新基建”范疇，使得未來兩者深度融合上升為國家戰略性工程，從而實現6G的寬帶互聯。6G將集成地面移動通信網絡和衛星互聯網絡，借助智能移動性管理技術，在陸、海、空、天、地等多種復雜場景中提供高速互聯服務，實現全球覆蓋、按需服務、隨遇接入、安全可信的網絡通信能力[2]。目前，一種典型的能夠實現6G功能的網絡架構主要采用“骨干網+接入網”的模式[13]，其總體框架如圖1所示。該架構由天基網絡和地面網絡組成，天基網絡包括天基骨干網和接入網絡，地面網絡包括Internet互聯網和移動通信網絡。其中，天基骨干網主要由同步地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit, GEO)衛星和地面站組成，為各類天基接入網提供全球范圍的互聯服務。天基接入網是由多顆中軌(Middle Earth Orbit, MEO)及低軌(Low Earth Orbit, LEO)衛星組成獨立的星座網絡，各星座網絡獨立管控和為用戶提供服務。天基接入網通過一顆或多顆衛星接入天基骨干網，以為用戶提供全球無處不在的互聯互通服務。

隨著航天技術的蓬勃發展，可實現全球無盲區覆蓋的中低軌星座網絡再次掀起了新的發展熱潮。其中，最具代表性的有“另外的30億(O3b)”、“一網(OneWeb)”和“星鏈(Starlink)”[14]，以及我國航天科技集團的“鴻雁”、航天科工集團的“虹云”和部分民營企業籌劃的衛星星座[15]，使人們看到一種新的6G網絡架構，其總體框架如圖2所示。6G系統通過衛星網絡與地面網絡相互融合，取長補短，可共同構成全球無縫覆蓋的空域、陸地、海洋一體化綜合通信網，滿足用戶無處不在的多種業務需求。在地面網絡無法覆蓋的偏遠地區、飛機或者遠洋艦艇上，衛星網絡可提供可靠的網絡服務，將6G網絡延伸到地面網絡無法到達的地方。

低軌星座不僅可以單獨運行，也可以作為一個“接入網”與GEO衛星組成“主干網+接入網”的網絡架構。“主干網+接入網”網絡協議更復雜，但境外測控更簡單，延遲更低。

綜上所述，6G無論是采用“主干網+接入網”架構，還是低軌星座網絡的網絡架構，要實現寬帶可靠的服務能力，均需要強大的物理層通信鏈路作為支撐。這里，6G網絡系統主要包括星間鏈路、星地饋電鏈路和星地用戶鏈路3種類型，不同類型鏈路的信道特性導致其潛在的候選技術存在差異，具體為：

(1)星間高速鏈路：屬于自由空間傳輸信道，鏈路距離遠，激光通信是其主要的發展方向；

(2)星地饋電鏈路：在衛星與地面進行大容量通信的過程中，作為信息載體的毫米波或激光經過地球表面大氣層時，容易受到云、霧、降雨和大氣湍流等天氣因素的嚴重影響，導致可用度不高，實際應用效能受限。高效能的新型激光通信和激光/微波混合傳輸是其未來的主要選擇；

(3)星地用戶鏈路：隨著饋電鏈路選用高頻段的毫米波或激光進行通信時，可完全將Ka頻段分配給用戶鏈路使用，實現系統容量的大幅提升。

圖1 “主干網+接入網”的網絡架構

3 星地融合場景下的高速通信進展

本小節將分別從星間高速鏈路、星地饋電鏈路和星地用戶鏈路出發，綜述國內外高速通信的最新進展，分析其未來的發展趨勢。

3.1 星間高速鏈路

激光通信具有信道容量大、保密性好、抗電磁干擾能力強和無需頻率使用許可等優點，成為星間高速通信的主要發展方向。歐洲、美國和日本已陸續開展了多次星間激光通信試驗，取得了一系列國際領先的研究成果。表1給出了2020年在軌和在研的典型激光通信鏈路。

隨著國內外各類天基信息系統的建設提速，選用GEO衛星作為星間高速數據中繼節點的需求與日劇增，GEO激光中繼鏈路將成為構建天基信息網絡的基石。2001年，歐空局(ESA)在SILEX計劃中首次實現了高軌對低軌的雙向激光鏈路，速率為50 Mbps。目前，在軌運行的高軌衛星激光鏈路主要有ESA的歐洲數據中繼系統(EDRS)[16]、美國的激光通信中繼演示驗證(LCRD)[30]和日本的高速通信先進激光儀器(HICALI)[31,32]。2016年，EDRS首顆正樣星發射升空，正式提供商用激光數據中繼服務，標志著星間激光鏈路已進入業務運營階段。

與GEO系統相比，LEO通信系統具有傳輸時延低、終端體積小、發射成本低和便于快速部署等優點。將激光通信應用于中低軌星間鏈路，可在較短的建鏈時間內實現大容量數據傳輸。LEO-LEO鏈路方面，美國和德國在2008年聯合進行了NFIRE和TerraSAR-X之間的高速激光通信試驗，數據速率高達5.65 Gbps[33]。面向未來商業航天的發展需要，國外相繼開展了大量的立方衛星激光鏈路驗證，如TESAT的CUBELCT和CUBESOTA等計劃。

3.2 星地饋電鏈路

圖2 低軌星座網絡的網絡架構

表1 國內外星間激光鏈路代表性研究成果

隨著衛星載荷的數量越來越多，時、空、頻分辨率越來越高，對星地饋電鏈路海量數據實時傳輸的需求與日劇增。目前，星地饋電鏈路主要采用C,Ku和Ka等微波頻段，可用帶寬非常受限，難以滿足不斷增長的高速傳輸需求。因此，星地饋電傳輸正朝著高頻段、大帶寬和小型化的毫米波和激光通信方向發展。這里，將分別從微波高速傳輸、星地激光通信、微波/激光混合傳輸等方面進行綜述。

3.2.1 微波高速傳輸

國外IPSTAR, Spaceway和ViaSat等多顆通信衛星饋電鏈路主要使用Ka頻段。為應對降雨對Ka信號帶來的衰減，提升星地鏈路傳輸效能，這些衛星通過上行鏈路的功率控制和下行鏈路的自適應編碼調制自動對鏈路衰減做出響應，從而實現高于99.6%的鏈路可用率[34,35]。

隨著Ka頻段頻譜資源的使用趨于飽和，Q/V頻段的大帶寬、窄波束和小型化等優勢日益明顯。一方面，可提升單信關站傳輸能力和增加管理的用戶波束數量，減少所需的信關站，從而降低系統建設總成本；另一方面，可完全將Ka頻段分配給用戶鏈路使用，實現系統容量的大幅提升[36]。然而，Q/V頻段用作對地通信時，大氣衰減明顯高于Ka頻段，且在雨、雪、霧等復雜天氣環境下，空間鏈路損耗急劇增加。現有技術很難建立Q/V頻段的降雨衰減模型，無法估算星地鏈路的通斷，只能通過空間試驗測試獲得星地信道有效數據。意大利航空局在AlphaSat平臺開展了Q/V頻段信標測量試驗，通過自適應編碼調制技術，對Q/V頻段在未來商業應用中的性能進行了評估[37]。2019年12月，航天五院西安分院在實踐二十號衛星上測試了Q/V頻段的大氣傳輸和雨衰特性，進行了抗雨衰試驗，成功驗證了采用Q/V關口站的載荷系統方案，為未來超大容量通信衛星的研制奠定了技術基礎。

3.2.2 星地激光通信

星地激光通信先后經歷了理論研究、試驗驗證和工程應用3個階段，具有代表性的已發射星地激光通信試驗有：2010年，德國在地面站和NFIRE衛星(LEO)之間實現了5.625 Gbps的星地光通信鏈路，通信時長約為8 min[38-40]。2014年，美國光學有效載荷項目實現了第1個國際空間站(ISS)對地約400 km的激光通信[41]。美國的LCRD計劃和日本的HICALLI均開展了高軌對地的激光鏈路實驗，驗證10～100 Gbps的高速激光對地鏈路[42,43]。2019年，ESA與日本計劃共同開發高軌對地的激光數據傳輸業務，將于2025年實現全球空間激光通信網路業務。國內方面，哈工大的“海洋二號”和“實踐十三衛星”、中科院的“墨子號”先后開展了星地激光通信試驗。航天五院西安分院通過實踐二十號衛星，實現了國際首個QPSK相干體制的星地激光通信鏈路，衛星激光終端如圖3所示，其速率高達10 Gbps，為世界在軌的激光鏈路最高速率。

圖3 實踐二十號衛星激光終端

3.2.3 微波/激光混合傳輸

星地激光鏈路會受到惡劣天氣和大氣湍流等影響，導致其鏈路可用率較低，限制了其在星地饋電傳輸的應用。為解決此瓶頸難題，微波/激光混合傳輸思路應運而生：在星地之間分別建立微波和激光兩條鏈路，當天氣極好時，采用激光進行高速通信；當天氣惡劣時，采用微波鏈路進行輔助傳輸，以保障鏈路的高可用度。美國賓州大學、弗吉尼亞大學等開展了微波/激光混合傳輸試驗，顯著提升通信容量的同時，實現了99.999%的鏈路可靠性[44-46]。此外，實施了“自由空間光試驗網計劃”，搭建了一個綜合自由空間光學和射頻技術的高寬帶通信系統，通過FSO和射頻無縫切換，實現100%數據送達，且性能仍有提升空間[47]。

3.3 用戶鏈路

星地用戶鏈路主要以低頻段為主，國外正在嘗試應用高頻段(Ka)來實現衛星對地面用戶通信。美國Spaceway3衛星系統采用了Ka頻段、多波束及星上快速包交換技術，使終端之間能夠實現網狀通信，大大縮短了傳輸時延。歐洲新一代通信衛星KA-SAT設計了82個Ka波段點波束，通信總容量超過70 Gbps。

4 有待突破的關鍵技術

未來6G天地互聯網絡將是衛星互聯網、地面互聯網和移動通信網等多個異構網絡的一體化融合，現有的各通信鏈路能力仍難以滿足其跨越式發展需求，需重點從以下關鍵技術進行突破。

4.1 基于光學相控陣的多用戶接入技術

通過星際鏈路實現多顆衛星互聯互通，形成空間高速光通信網絡，是星間激光通信的主要發展趨勢。因此，研究激光組網技術迫在眉睫。空間激光組網的首要環節是同時實現對空間大范圍內多個目標的快速捕獲對準跟蹤(APT)和切換，光束操控裝置是APT系統的執行機構，其性能直接影響建鏈時間和鏈路穩定性。目前，工程上主要使用機械式、壓電陶瓷或音圈電機驅動反射鏡來改變光束偏轉方向，存在響應帶寬低、體積大和功耗高等缺點，無法適應星載設備小型化、低功耗發展需求。此外，單片反射鏡無法同時獨立控制多個光束。為使激光終端具備多目標接入能力，需要配備多個望遠鏡或探測器，使得終端重量和功耗成倍增加。

光學相控陣作為一種新型的任意方向光束指向控制技術，可獨立控制多個光束的掃描偏轉、偏轉范圍大、分辨率高，且不受機械轉動影響，是未來多用戶接入技術的發展方向。當前，最為成熟是液晶光學相控陣，仍然存在著響應速度慢、掃描角度小等缺點，難以克服。發展高性能光學相控陣有以下難點有待突破：

(1) 大規模2維陣列結構：陣列規模越大，光束的發散角越小，掃描控制精度越高，容易與高增益的望遠鏡相匹配，更符合空間應用的需求，但隨之而來會產生大量的功耗，是需要突破的一個難點；

(2) 高速、高效和高精準的相位調制：高速高效的相位調制是實現光束快速靈活掃描的前提，如何采用一種技術途徑實現兼具高速度、高效率和高精準的相位控制是需要突破的另外一個難點；

(3) 大角度范圍的波束控制：光學相控陣的掃描視場主要受柵瓣影響，需要突破新的器件結構，在亞波長陣列單元間距的前提下實現大掃描視場的波束控制。

上述難點均對光學相控陣的加工工藝提出了更高的要求，通過集成光電子技術來實現光學相控陣成為了新的發展趨勢。DARPA在2013年通過集成光電子技術，驗證了64×64單元陣列的硅基光學相控陣[48]，芯片尺寸為576×576 μm2。其中，8×8陣列為基本單元，利用熱光移相器調整波前，得到完美MIT圖樣，通過對整個相控陣周期的操控使MIT圖樣在橫向偏轉6°，實現了任意方向光束指向的雛形。首先，集成光電子技術能夠實現光波導、光柵、調相器等光學器件的片上集成，進而實現大規模的2維結構；其次，利用電光、熱光等效應實現快速、高效的相位調制，對光束進行快速靈活控制；最后，依托現有成熟的CMOS工藝，實現更小的器件單元尺寸。

4.2 高效能的星地激光通信技術

大氣湍流是制約星地高速激光通信的主要瓶頸難題，嚴重時可直接導致鏈路中斷。為對抗大氣湍流的惡劣影響，世界各國都在從事高效能的星地激光通信研發，主要的研究方向有：

(1) 自適應光學(AO)預失真：在地面站的上行鏈路中，采用自適應光學系統進行預校正，以減小衛星接收機的光信號波動。歐洲DLR在真實的湍流場景中，進行了自適應光學預失真試驗，以評估AO對發射和接收信道的影響。試驗結果表明：光纖耦合效率和觀察到的閃爍均有明顯改善。在地面實驗中，星載激光接收機收集到的功率統計數據顯示：應用AO預校正時，上行傳輸光束性能獲得大幅提升[49]。

(2) 中長波紅外激光通信：目前，星地激光通信主要采用800 nm, 1064 nm和1550 nm等近紅外波段，但是這些波段受到大氣湍流的影響較為嚴重，導致鏈路可用率不高。采用中長波紅外波段作為載波波長，在克服大氣湍流影響等方面有明顯優勢，可顯著提升星地激光鏈路對大氣信道的適應能力[50]。

(3) 鋒芒激光通信：星地大氣信道的傳輸介質具有隨機性、多變性等特點，大氣湍流會對所傳輸的激光光束引入隨機橫向波矢，從而導致光束性能急劇惡化。基于此，中國科學院在發射端構建了一種特殊的光場分布，使激光在傳輸過程中逐步消除橫向波矢，從而產生能夠抑制大氣湍流影響的穩態光場。與傳統大氣湍流抑制方法相比，該方法應用難度和成本明顯降低。2019年，中國光電院在傳輸距離為1 km、存在大氣湍流時，實驗驗證了鋒芒光束的接收性能。如圖4所示[51]，與常規高斯光束相比，鋒芒光束可保持較為完好的光斑，傳輸性能提升3個數量級。

(4) 網絡級效能提升：采用自適應光學預失真、中長波紅外激光和鋒芒激光可以顯著改善單鏈路的星地激光效能，但單鏈路效能的最大化并不意味著全網效能的最優。未來，星間將采用激光進行高速通信，星地采用激光微波混合傳輸，6G網絡本質上是一種激光與微波構成的光電混合網絡。因此，通過光電混合網絡的資源調度和分配，實現星地傳輸效能的顯著提升，是一個新的研究方向。

4.3 光電混合組網

6G天基骨干傳輸要求滿足激光鏈路承載的大吞吐量業務，以及不同用戶接入時微波鏈路承載多類型、小吞吐量業務，因此需要研究具有激光和微波兩種鏈路類型的星載光電混合交換技術[52-54]。星載光電混合交換需要完成激光鏈路承載的光業務和微波鏈路承載的電分組業務的交換功能，其總體結構如圖5所示。該交換結構具有激光數據輸入接口、電信號分組數據輸入接口以及控制信號接口，通過光/分組交換控制中心實現對光交換單元和電信號分組交換單元的集中控制，光/電轉化及電/光轉化模塊可實現光電信號混合傳輸功能。

圖4 穿過大氣湍流的常規高斯光束和鋒芒光束的光強模式比較

圖5 星載光電混合交換結構

軟件定義網絡(SDN)作為一種控制與數據轉發分離的新型網絡架構，具有靈活性、開放性及可編程性等優點，從而成為未來6G網絡架構的發展方向。衛星網絡資源受限、成本高且不易維護，非常適合采用SDN的網絡架構。目前，軟件定義網絡技術已經具備一定的研制基礎[55-58]，結合“骨干網+接入網”以及星載光電混合交換的SDN網絡架構如圖6所示。該網絡通過控制平面下發規則對數據平面的各個模塊進行編程調用。其中，控制器通過收集的拓撲信息和各個數據平面網絡節點反饋的網絡狀態，根據網絡場景變化，自適應地對所設計的數據平面模塊，包括光電混合交換器進行調控。這里，數據平面的管理模塊主要負責對衛星軌道高度、編隊規則及下傳節點的選取等進行配置。

圖6 6G軟件定義網絡的架構

5 結束語

面向現階段可預計到的6G發展愿景，本文重點探討了天地互聯網絡場景下的典型拓撲架構，綜述了星間高速鏈路、星地饋電鏈路、星地用戶鏈路的高速通信的國內外新進展，對未來6G亟需突破的光學相控陣多用戶接入、高效能星地激光通信和光電一體化組網等關鍵技術進行了分析與展望。對于6G發展可能涉及的其他關鍵技術，如新型編碼調制、軌道角動量、無蜂窩移動通信以及通信、感知和計算的多功能融合等，并未進行全面闡述。限于作者水平有限，本文僅起到拋磚引玉作用，以期為6G相關技術發展起到牽引作用。