6G衛星通信接入及移動性管理技術

吳曉文，凌翔，朱立東，焦偵豐，程劍，楊博

（1.電子科技大學，四川 成都 611731；2.電子科技大學（深圳）高等研究院，廣東 深圳 518110； 3.深圳市星網榮耀科技有限公司，廣東 深圳 518052； 4.中國人民解放軍陸軍工程大學，江蘇 南京 210007；5.航天恒星科技有限公司，北京 100086）

1 引言

2019年被稱為5G元年，而2020年是5G加速商用的一年，中國5G跑出了“中國速度”，全年新建5G基站超過60萬個，實現所有地級以上城市5G網絡全覆蓋；5G終端連接數突破2億個。2021年計劃新建5G基站60萬個，加速向有條件的縣鎮延伸[1]。但5G網絡覆蓋仍以基站為中心，在基站未覆蓋的沙漠、無人區、海洋等區域內依然存在大量通信盲區，預計5G時代仍將有80%以上的陸地區域和95%以上的海洋區域無移動網絡信號[2]。同時，5G的通信對象集中在陸地地表10 km以內高度的有限空間范圍，無法實現“空天海地”無縫覆蓋的通信愿景[2]，5G并不能真正實現“全球全域”和“萬物互聯”。

因此，人們的目光開始聚焦在6G的研究，以彌補5G網絡的不足并實現真正意義上的全球全域隨遇接入和萬物互聯。6G核心技術已被列入多個國家的創新戰略中，將成為大國科技博弈的高精尖領域。中國、美國、日本、韓國、歐洲（如芬蘭、德國）等多個國家和地區都已經啟動了關于6G的研究，尚處于“場景挖掘”和“技術尋找”階段。其中，國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）已將衛星通信列為6G融合多類網絡（ManyNets）的重要組成部分[3]。6G的總體愿景是基于5G網絡的進一步擴展和升級[2]，進一步融合衛星移動通信、人工智能（artificial intelligence，AI）與大數據[3]，打造“空-天-地-海”一體化網絡，構成面向2030年之后的泛在移動通信信息基礎設施。6G網絡速率、空口時延以及網絡接入容量等指標，均比5G網絡有了數倍甚至千倍的性能提升，并將涌現更多的全新業務和全新應用場景。6G網絡將由5G的增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、超可靠低時延通信（ultra reliable and low latency communication，uRLLC）和大連接物聯網（massive machine type communication，mMTC）三大應用場景升級和擴展到未來增強型移動寬帶（further-enhanced mobile broadband，FeMBB）、極高可靠低時延通信（extremely reliable and low-latency communication，eRLLC）、遠距離高移動性通信（long-distance and high-mobility communication，LDHMC）、超大連接物聯網（ultra-massive machine type communication， umMTC）和極低功耗通信（extremely low-power communication，ELPC）五大應用場景[4]。為滿足6G網絡下的上述多層多維應用要求，建立終端及業務與網絡連接的首先任務是實現高效、快速、智能的接入，研究和探索6G網絡中衛星通信接入技術具有重要的意義。

本文首先通過對目前衛星移動通信系統接入技術體制，以及國際標準化機構對5G新空口（new radio，NR）衛星接入技術的研究現狀進行介紹和分析，然后分別研究和提出了關于極簡接入、極智接入和移動性管理等方面針對6G網絡中的衛星通信相關解決方案和建議。

2 目前衛星移動通信的接入技術現狀

2.1 衛星移動通信系統接入技術

衛星移動通信系統是提供衛星移動業務（mobile satellite service，MSS）的通信系統，可以提供語音、數據、傳真、視頻等業務，既適用于國內通信，也可用于國際通信，既適用于民用通信，也適用于軍事通信[5]。投入運營的代表性衛星移動通信系統主要有國際海事衛星通信系統（Inmarsat）、銥星（Iridium）、全球星（Globalstar）以及我國的“天通一號”衛星通信系統等。

Inmarsat是世界上第一個全球性的移動業務衛星通信系統，用戶鏈路利用L波段，覆蓋全球南北緯75°以內的范圍，提供低速數字語音、數據通信、傳真、電報（僅限于海事終端單元之間）。其中，Inmarsat三代星（Inmarsat-P/ICO）采用類似地面全球移動通信（global system for mobile communication，GSM）系統的GMR-2體制[6]。GMR（GEO-mobile radio）意為地球靜止軌道衛星（GEO）移動無線電接口，用于地球同步衛星的移動衛星業務。GMR源于地面GSM標準，支持接入GSM核心網[7]，采用TDMA多址接入方式，終端用戶可在地面GSM和衛星之間自動切換。不同于前面三代星采用的傳統電路交換技術[8]，Inmarsat四代星全球寬帶局域網（broadband global area network，BGAN）創建了世界第一個全球性的3G移動通信網絡[9]，將3G系統WCDMA空口替換為專用空口（即Inmarsat air interface-2，IAI2）[10]，可采用不同的調制方式，兼容地面3G網絡（3GPP Release 4）[10]。Inmarsat一到四代星用戶鏈路均采用L頻段，而Inmarsat五代星采用Ka頻段，基于DVB-S2技術，支持上行5 Mbit/s、下行50 Mbit/s的寬帶業務[11]。Inmarsat的全球服務商競爭對手為Iridium和Globalstar。

Iridium采用了星上處理、星上交換和星際鏈路技術。其中，星際鏈路是一個巨大的突破和優勢，類似于地面蜂窩網絡。Iridium采用源于地面GSM的GMR-1技術體制[12]。GMR-1空口被稱為GMR-1 3G，以歐洲電信標準化協會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）EDGE標準空口為基礎，并針對衛星環境進行了優化[13]，采用TDMA多址接入方式實現手持終端與衛星直接通信，為用戶提供了語音、數據、尋呼以及傳真等業務。Iridium公司2017年開始部署的“Iridium NEXT”星座，支持移動用戶（手持終端）的最高數據速率可達128 kbit/s，數據用戶（船載動中通Iridium OpenPort?equipment及其升級換代產品Iridium Pilot?[14-15]）可達1.5 Mbit/s，Ka頻段固定站不低于8 Mbit/s[16]。“Iridium NEXT”主要瞄準IP寬帶網絡化和載荷能力的可擴展、可升級等能力，這些能力使得它能夠適應未來空間信息應用的復雜需求。

Globalstar在全球范圍向用戶提供無縫隙覆蓋的低價衛星移動通信業務（包括語音、傳真數據、短信息、定位等），采用CDMA技術，能確保語音質量良好，增加通話的保密性和安全性。全球星系統沒有星間鏈路，無須星上處理，從而大大降低了系統投資費用，而且避免了許多技術風險。Globalstar用戶既能在地面移動蜂窩網中工作，也可以在蜂窩網絡覆蓋不到的地區轉為衛星通信模式，真正實現全球無盲區（除南北極）個人通信[17]。

“天通一號”是我國衛星移動通信系統。天通-01星主要覆蓋我國領土和領海，天通-02星、天通-03星分別在天通-01星東西兩側設置，形成對太平洋中東部、印度洋海域及“一帶一路”區域的常態化覆蓋。“天通一號”衛星的技術指標與能力水平達到國際第三代移動通信衛星水平[18]。用戶鏈路為S頻段，饋電鏈路為C頻段，用戶鏈路和饋電鏈路的上下行傳輸均為FDD/TDMA-FDMA方式[19]，支持的數據速率為1.2 kbit/s～384 kbit/s。

除了上述衛星移動通信系統外，目前還有Thuraya和ACeS等區域性的衛星移動通信系統。其中，Thuraya采用源于地面GSM的技術體制GMR-1，多址方式為TDMA多址接入方式，支持FDD雙工；而ACeS則采用源自GSM的技術體制GMR-2），同樣為TDMA多址方式，且支持FDD雙工。

近年來，以Starlink和OneWeb為代表的低軌衛星互聯網星座也得到蓬勃發展。Starlink采用比IPv6技術更加輕量化并且原生支持P2P的全新連接協議[20]，是一種類似區塊鏈的去中心化網絡，衛星能夠精確了解每個用戶物理位置經緯度合理的分布其數據鏈路，且采用端對端的硬件加密技術，具有高度安全性。Starlink從硬件芯片到協議的全新Internet系統是對目前地面上使用的互聯網技術的一次全新全面升級[20]。Starlink第二代系統將采用星間激光鏈路，以提供無縫的網絡管理和服務連續性。Starlink用戶通過Wi-Fi路由器將衛星信號進一步轉化為Wi-Fi信號后接入互聯網。目前可采用的路由器包括TP-Link、ASUS等多個品牌，而且支持Wi-Fi6技術體制[21]。

OneWeb星座衛星之間沒有星間鏈路，采用“天星地網”組網方式[22]，衛星之間不組網，通過全球分布的地面站實現整個系統的全球服務能力，衛星只是透明轉發通道，大部分的處理在地面完成。星上設備比較簡單，系統建設的技術復雜度低，升級維護也比較方便。按照目前的建設方案，OneWeb系統在全球設置了50多個信關站。每個信關站計劃配置10幅以上的天線，每幅天線口徑為2.4 m或更大[22]。OneWeb用戶鏈路采用Ku頻段，用戶終端可以作為一個本地互聯網接入點，用戶能通過Wi-Fi或蜂窩信號接入互聯網，目前設計支持通過3G、LTE、Wi-Fi或衛星鏈路接入互聯網。

我國已于2021年4月成立了中國衛星網絡集團有限公司，將對我國低軌衛星互聯網產業進行頂層設計和資源整合。此外，我國也向ITU申報了由12 922顆衛星組成的“GW-A59”和“GW-2”星座，將著力提高全產業鏈的創新能力和整體效能，確保系統安全穩定、自主可控。

綜上，Inmarsat、Iridium和Globalstar以及我國“天通一號”等移動衛星通信系統采用類似陸地移動通信系統的2G或3G技術體制，采用FDMA/TDMA及CDMA多址接入方式，支持低速數據、語音服務，只有近年規劃和部署的衛星（如Inmarsat五代星）才開始支持寬帶互聯網業務。Starlink和OneWeb等新興的低軌衛星寬帶互聯網星座需要配置專用路由器將衛星信號轉化為Wi-Fi、微波等無線網絡實現用戶終端的互聯網接入。將來的衛星移動通信發展趨勢主要包括4個方面：衛星天線口徑不斷增大，衛星功率不斷提高；多波束天線廣泛使用、波束個數不斷增加；業務寬帶化、IP化，數據傳輸速率不斷提高；與地面移動通信網絡的融合趨勢不斷加大[23]。而這些趨勢和變化，將為未來融合衛星通信的多類網絡（ManyNet）的6G通信網絡提供一定的技術積累和技術參考。

另一方面，由第一代衛星廣播電視標準DVB-S/DVB-RCS逐步發展和演變的DVB-S2、DVB-RCS2和DVB-S2X技術也得到了大量應用。但DVB系列標準更適用于廣播衛星業務（broadcasting satellite service，BSS）和固定衛星業務（fixed-satellite service，FSS）方面[24]，為支持疊加網狀網和星上處理等技術預留了擴展的可能[25]，對未來6G衛星通信也具有一定的參考意義。

2.2 國際標準化機構3GPP關于5G NR的衛星接入技術研究

國際標準化機構3GPP關于5G非陸地網絡（non-terrestrial network，NTN）的研究主要聚焦在R16 TR 38.811、TR 38.821和TR 22.822 3個報告。關于接入技術的研究主要在TR 38.821中進行。TR 38.821以TR 38.811提出的4種架構為基礎，對每種架構做了更加細致的刻畫，同時給出了每種架構下的協議棧，并分析了該場景下對5G NR的接入網（NG-RAN）的影響層面，提出了在5G NR采用該架構時的NR更新建議。

3GPP更多關于5G衛星接入的研究，將在5G NR R17及后續版本中公布。其中，R17中與5G衛星接入相關的研究內容主要包括：5G NR的輕量化（NR-light）、小數據傳輸優化（small data transfer optimization）、覆蓋增強（coverage enhancement）、非陸地網絡的 NR（NR for non-terrestrial network）、移動接入集成回傳增強（mobile integrated access back-haul（IAB） enhancement）、RAN數據采集增強（RAN data collection enhancement）、5G核心網邊緣計算的支持增強（enhancement of support for edge computing in 5GC）、集成接入和回傳支持的增強（enhancement for the support of integrated access and back-haul）[26]等。

3 6G衛星通信潛在接入技術

業界已經開始討論6G網絡的愿景與概念化指標，衛星通信在6G網絡中的關鍵作用也已成為共識。6G網絡中的衛星通信將包括GEO、MEO、LEO衛星，比5G及以往任何一代移動通信系統都更加復雜。而且，基于衛星與地面移動用戶的距離較遠，大時延是衛星通信的一個固有特點。6G的連接密度將比5G網絡高出100倍，能支撐1億個連接/km2。如何實現6G衛星通信的極簡極智接入，通過技術手段進一步減小接入時延，保障海量連接的無碰撞可靠接入和提高有限頻譜資源的利用率，支撐6G網絡的各項技術指標，都是6G衛星通信網絡面臨的重大問題，也是值得深入研究和探討的重要方向。

3.1 6G衛星通信極簡接入技術

對于6G衛星通信umMTC業務，終端具有短突發數據、連接數大、功耗低、成本低的特點，這對存在信號損耗大、接入時延長、存在大頻偏等固有特性的星載基站來說具有很大的挑戰性。因此，需要簡化6G衛星通信接入流程、減小接入時延、減少碰撞概率等技術手段提高接入成功率和接入效率。

3.1.1 面向非連接業務的免授權接入機制

6G衛星通信umMTC場景下海量的UE在完成小區搜索過程之后，將根據星載基站廣播信息與星載基站小區取得下行同步，此時，UE已經具備了接收下行數據的條件。但是，UE只有與小區取得上行同步才能進行上行傳輸。對于傳統的地面網絡中基于授權的隨機接入方案，需經過4次握手達成許可后設備才能向基站傳輸數據，在大規模連接場景中該連接建立過程會導致信息處理時延過高[27-28]。由于星地信道長時延影響，接入時間過長，嚴重影響通信效率和服務質量，因此，地面網絡傳統的基于授權的接入機制不能夠直接移植到6G衛星通信網絡。基于上述原因并考慮超大規模用戶的使用場景，這里提出基于非正交多址的免授權接入方案。

在本文的研究討論中，將6G衛星通信網絡的業務分為非面向連接的業務和面向連接的業務兩大類型。圖1給出了免授權隨機接入流程。對于非面向連接的業務，UE根據收到的星載基站廣播信息預測可用資源，并根據到達數據的類型選擇合適的可用資源，在信號時延和頻偏的預補償機制保障下發起非正交多址接入和業務數據傳輸；星載基站則根據UE的簽名序列等信息通過多用戶檢測和聯合譯碼算法譯碼解析UE及其發送的數據傳輸信息，然后向UE發送ACK信息。在此過程中，UE根據衛星廣播信息選定資源，而不需要像動態分配上行資源一樣，每次都需要下行信道控制信息（downlink control information，DCI）的指示，節省UE發送調度請求（scheduling request，SR）、緩沖狀態報告（buffer status report，BSR）以及星載基站通過DCI進行資源指示的空口傳輸時間，從而通過極簡的接入流程，減小了UE接入時與基站的交互次數，有效降低接入信令開銷和時延。

圖1 免授權隨機接入流程

在上述免授權接入過程中，為了解決6G衛星通信網絡低軌衛星高動態條件下免授權接入的適應性問題，本文提出了非面向連接的業務接入信號時延和頻偏的預補償機制。6G衛星通信網絡中，尤其是低軌衛星與UE的相對運動速度很大且呈現高動態特征，因此，UE與星載基站需要通過定時提前（TA）來消除這種干擾。圖2給出了接入過程的超前定時補償。UE向星載基站發送前導信號，星載基站對收到的UE前導進行測量，計算與UE的距離。由于衛星星歷是已知的，星載基站可根據UE前導的測量數據以及星歷計算 與UE的距離變化趨勢，并將同步信息通過下行信道發送給UE，UE據其完成與星載基站的同步，以此來消除UE間的碼間干擾。同時，UE和星載基站之間也可根據星歷計算兩者之間的頻偏，并予以消除。

圖2 接入過程的超前定時補償

免授權接入時的非正交多址擬采用SCMA技術，根據6G衛星通信網絡特性對其進行優化設計，即在現有SCMA技術基礎上進一步深入研究多址接入碼本設計和多用戶檢測算法。由于無線傳輸鏈路的基本數學模型是線性模型，根據信號估計的基本方法，可利用最大似然估計器（maximum likelihood estimator，MLE）進行估算發送信號的最大后驗概率。但是，ML檢測算法的檢測復雜度隨著大規模MIMO系統發送和接收天線數的增加，呈指數級增加，難以硬件實現，應在復雜度和性能之間折中。針對該問題，可通過3個方面對SCMA多用戶檢測進行優化[29]：

（1）優化收斂條件，降低迭代次數，即通過節省時間成本的方式降低一定復雜度；

（2）從檢測點數入手，降低多用戶檢測器需要遍歷的點，從而降低檢測復雜度；

（3）從發送端碼本設計中的多維星座的設計入手，良好的星座設計可以直接增加用戶分辨率，從而直接降低檢測端的復雜度。

圖3給出了衛星通信上行SCMA模型[30]。在高軌靜止衛星覆蓋場景下，J個終端同時向衛星發送數據，因此假定一個SCMA系統有J個數據層，即J個用戶，這些用戶同時共享K個正交資源（J＞K，過載因子定義為λ=J/K，SCMA是將 lb|M|bit的二進制數據直接映射為一個大小為|M|的K維復數域碼字。定義第j個數據層的關聯映射函數為：fj:Blb｜M｜→x，其中x∈CK，|x|∈M，K維復數碼字是含有N（N＜ K）個非零元素的稀疏向量。

圖3 衛星通信上行SCMA模型

采用并行Max-log MPA算法，通過取對數運算，把乘法轉化為加法，在實際計算時，乘法器將減少，加法器增加，降低了算法復雜度[30]，硬件的實現更加容易，因而可使星上設備簡單，更適合運用于衛星通信系統。但是，該算法是以犧牲誤碼率為代價的，且是高軌衛星的通信仿真結果。在6G衛星通信網絡中，還需要進一步探討適用于GEO和NGEO（non-geostationary earth orbit，非同步地球軌道衛星，包括中軌和低軌衛星等）衛星的低復雜度MPA算法，使之應用于6G衛星通信的普適性更強。

3.1.2 面向連接業務的預共享密鑰和輕量化鑒權協議

為了降低星地協議處理及加解密等過程導致的星載CPU計算開銷，本文提出預共享密鑰方法。預共享密鑰支持兩方認證鑒權且具有較低復雜度和協議開銷，能夠有效降低認證鑒權過程中信息交互次數，減小認證鑒權過程中的信息處理時延。

選取基于隨機數的輕量化認證鑒權架構，能夠避免基于時間戳/序列號的認證鑒權架構引入的同步開銷。通過星上緩存預共享密鑰、基于隨機數方式等，采用同等強度但具有較低計算復雜度的對稱加密算法，降低協議的握手次數。圖4給出了輕量化鑒權流程。地面鑒權中心承擔完整的鑒權功能，而星載鑒權中心則承擔輕量化鑒權功能。當終端處于地面網絡覆蓋范圍內時，所有鑒權流程全部在地面鑒權中心完成。當終端只處于衛星網絡覆蓋內時，大部分鑒權流程在星載鑒權中心地面鑒權中心完成，而星載鑒權中心與終端的交互只需要兩個步驟。

圖4 輕量化鑒權流程

3.2 6G衛星通信極智接入技術

如上文所述，6G衛星通信網絡可以包含GEO、MEO、LEO多種軌道衛星，并支持FeMBB、eRLLC、umMTC、LDHMC等應用場景下的多種 類業務類型，針對上述網絡特征下的不同業務需求共存、不同軌道鏈路相互干擾、不同節點資源存在差異的復雜狀況，需要在接入與切換過程中采用人工智能方法對空間節點進行高效智能的資源分配和管理，根據不同的業務類型，選擇合適的資源。

為達到上述目標，本文提出基于AI的頻譜動態分配和衛星共線干擾協調技術，提升頻率利用率和通信質量；同時，以針對業務類型和業務量在時域和空域的不均衡分布特性而提出的基于業務熱力圖的資源智能分配技術為基礎，進一步提出高低軌融合的衛星跳波束解決方案，將有限資源高效覆蓋重點業務，從而使衛星資源得到高效利用。

3.2.1 基于AI的頻譜動態分配技術

6G衛星通信網絡向速率更高、接入更多、覆蓋更廣的方向發展，對頻譜資源的高效合理利用提出更多的挑戰。頻譜動態分配是提高接入成功率和頻譜利用率的有效手段之一，本文提出的頻譜動態共享技術將頻譜資源從靜態獨占向動態共享轉變，通過基于AI技術在復雜電磁環境中實現頻譜分配的智能化的動態自主決策。

從網絡架構層面來看，頻譜資源的分配是在基站側完成的。參考文獻[31]提出了AI使能的未來6G衛星通信開放式接入網架構，圖5是基于AI智慧面的無線接入架構。利用AI針對不同業務QoS（服務質量）的要求，通過訓練學習，進行智能化處理。其中，人工智能控制器非實時模塊用于服務和策略管理、高層進程優化與模型訓練；人工智能控制器近實時模塊負責無線資源管理、無縫切換控制、服務質量管理和智能接入管理。

圖5 基于AI智慧面的無線接入架構

3.2.2 基于AI的6G衛星通信共線干擾協調技術

GEO衛星在地球赤道上空的特定軌道來保持與地球表面相對位置不變，而NGEO衛星的位置隨著時間快速地變化。相對GEO衛星，NGEO衛星的主要優勢是較小的自由空間衰減、較小的傳播時延和較低的發射成本。目前，無線網絡普遍采用固定頻譜分配方式，幾乎所有的無線終端都工作在一些頻譜管理機構（如國際電信聯盟、各國頻譜管理機構）分配好的頻譜之下。在該方式下，大部分已經分配好的頻譜很多時候在很多地區沒有被充分使用，其利用率為15%～85%[32]。頻譜資源對任何一種無線通信技術來講都是非常珍貴的，對6G通信網絡也不例外。在GEO和NGEO網絡頻譜共存的背景下，特別是當NGEO衛星處于地面站和GEO衛星連線上時，共線干擾可能是6G衛星通信網絡中的一個嚴重的問題。因此，針對6G衛星通信網絡中頻譜共存的GEO和非GEO衛星網絡，本文提出基于AI的動態頻譜接入（dynamic spectrum access，DSA）方案。深度強化學習將深度學習的感知能力和強化學習的決策能力相結合，不斷以試錯的方式與環境進行交互，通過最大化累積獎賞的方式來獲得最優策略[33]。本方案將GEO和NGEO分別定義為主用戶（primary user，PU）和次用戶（secondary user，SU），通過深度強化學習，使SU在缺乏底層系統統計信息的情況下，以分布式方式學習“適當”的頻譜訪問策略，僅依靠自己當前和過去的頻譜感知結果來進行分布式頻譜接入決策，幫助SU顯著降低與PU和其他SU的沖突概率。

3.2.3 基于業務熱力圖的資源智能分配技術

為了使多維資源調度能夠最優匹配業務需求，本文將首先分析業務需求在6G異構網絡中的分布特征和影響這些特征的關鍵因素。圖6給出了基于熱力圖的智能資源分配技術。考慮業務需求在時間、空間、業務類型等多維度上的不均衡特征，擬運用多元統計分析方法和網絡科學理論，探索業務需求在時間特征、空間特征、業務到達規律和網絡分布特征之間的內在聯系，實現對業務需求規律的多維認知。

圖6 基于熱力圖的智能資源分配技術

基于上述業務需求分析，將進一步針對不同衛星節點在通信資源、計算資源等方面的差異性，通過分析系統性能增益與計算成本、通信成本之間的制約關系，設計協作式任務分配和分布式資源管理算法；并通過分析傳輸時延與存儲容量、通信能力之間的關系，設計分布式數據存儲算法，從而提高系統的資源利用效率和能量效率，降低傳輸和計算時延。

3.2.4 基于高動態需求的高低軌融合跳波束智能調度方法

將實現全球全域覆蓋的6G網絡具有業務類型的多樣性、業務分布的空間不均勻性和時變性，對6G網絡資源的需求呈現出時域和空域的不均衡性，對網絡時、空、頻域資源的需求呈現高動態性特征，而“跳波束”技術正是一種能夠從時域角度對星上功率、帶寬資源靈活的再分配[34-35]、進一步提高衛星容量、提高衛星系統的工作效率與競爭力的技術手段。因此，可將基于業務熱力圖研究得到的業務需求規律多維認知結果輸入6G衛星網絡跳波束方案，實現將有限資源高效覆蓋重點業務。由于6G衛星通信網絡中，既有同步軌道的GEO，也存在中低軌道的NGEO，因此，基于高低軌融合的“跳波束”方案對于6G衛星通信網絡中的資源高效利用具有重要意義。圖7是高低軌衛星融合的通信跳波束方案。

圖7 高低軌衛星融合的通信跳波束方案

在高低軌融合的“跳波束”方案中，針對高軌衛星的星上功率和時隙資源聯合優化，將問題分解成波束簇間功率分配和波束簇內時隙分配兩個子問題，利用啟發式算法分別進行求解，能夠在避免系統資源浪費問題的同時提升用戶波束的實際通信容量和業務需求滿足率。而對于相對地面高速移動的低軌衛星，業務動態變化大，需要實時地計算衛星波束的跳變圖案，可從空間、時間、頻率和功率等維度進行“跳波束”資源分配，以最大化系統容量、最小化同信道干擾和傳輸時延為目標。

4 6G衛星通信網絡潛在移動性管理技術

在6G衛星通信網絡中衛星及地面終端的相對快速移動，終端相對衛星的位置信息管理、業務連續性管理尤為重要，而在此過程中將涉及波束切換、星間切換、信關站切換，以及由于移動性帶來的時延擴展、測量時效性、頻繁切換、批量切換等問題。因此，移動性管理成為6G衛星通信網絡的一個重要課題，本文通過跨星跨波束批量柔性切換等技術手段加強移動性管理。

6G衛星通信網絡中，LEO扮演著重要角色，LEO衛星與用戶相對運動速度快，對于多波束衛星的快速移動，在用戶靜止的情況下單個波束掃過用戶的時間長度僅為數十秒至數分鐘，當用戶終所處網絡覆蓋的衛星發生變化或所處衛星波束發生變化的時候，必須要進行切換操作才可實現業務的連續性。因此，用戶在多個波束間的頻繁切換問題是6G衛星通信網絡的一個顯著特征。另一方面，LEO波束遠大于地面基站服務小區，可能存在一顆衛星甚至一個波束下具有海量用戶的情況，解決由于衛星高速移動帶來特有的批量用戶跨星跨波束并發切換的問題異常重要。

為了實現衛星技術與全球電信和信息技術生態系統無縫集成，地面網絡技術必須從專門構建的專有硬件架構向軟件定義、靈活和可擴展的虛擬平臺轉變[36]。當前正在建設的復雜衛星網絡將要求朝著“完全虛擬化地面網絡”方向加快努力。這種完全虛擬化地面網絡將需要由通用服務定義管理和編排多個抽象層，滿足容量、靈活性、成本、服務創建和韌性方面的新需求。當前正在建設的復雜衛星網絡將要求加快朝著“完全虛擬化地面網絡”的方向努力。這種完全虛擬化地面網絡將需要由通用服務定義管理和編排多個抽象層，滿足容量、靈活性、成本、服務創建和韌性方面的新需求[36]。這為面向2030年的星地網絡的完全虛擬化融合的6G時代、構建以云原生為底層框架的AI賦能的6G空天地海一體化網絡提供了技術條件。

6G網絡技術的發展和建設不是一蹴而就，將根據衛星載荷的技術進展進行分階段演進和分步驟實施。6G衛星的透明轉發、星上處理和星上交換3種技術方案將長期共存。

針對衛星透明轉發階段的需求，擬通過建立以衛星地面設備虛擬化為基礎的云通道技術，對信關站的天線、射頻、基帶、協議處理資源進行云化，統一調度，實現跨星跨波束柔性切換。圖8給出了基于云通道的批量用戶跨星跨波束切換方案。信關站通過云通道支持多星、多波束接入網處理，其跨星跨波束切換分為星上透明轉發、處理轉發兩種模式。透明轉發模式中，對于同站址內星內波束切換和星間波束切換，可通過天線池、射頻池和基帶池的云化操作，實時預補償波束位置、接入頻率、時間偏移等物理層影響，通過協議池數據共享實現云接入網內波束柔性切換。

圖8 基于云通道的批量用戶跨星跨波束切換方案

針對星上處理模式，星內波束切換可采用多波束通道對射頻基帶進行物理層預補償，波束間協議數據共享，而星間波束切換可采用雙星雙活設計，實現星間實時切換。

5 結束語

人們將支撐空天地海全球全域、人和物的多樣化業務的重任寄托于6G網絡，這要求6G網絡相對于當前的5G網絡性能指標實現10倍至1 000倍的提升，而充分融合包括衛星通信在內的多類網絡的6G移動通信接入技術，是實現智能化服務的先決條件。如何通過AI及其他技術手段克服6G網絡中衛星通信接入的長時延、高動態等固有特性，實現大容量、高可靠接入，是未來一段時期內亟待解決的重要問題。本文通過輕量化鑒權和免授權接入等技術手段，分別實現了6G衛星通信面向連接和非面向連接系統的極簡接入；通過AI在6G衛星通信網絡接入架構、衛星共線干擾協調、基于熱力圖的智能資源調度以及高效的高低軌融合的跳波束技術，實現了6G衛星通信的極智接入；通過基于云通道技術實現批量用戶的柔性切換，為6G衛星通信移動性管理提供了參考解決方案。6G業務的多樣化和應用場景的高動態化決定了網絡技術的復雜性，從而也對網絡的智能化和網元算力提出了較高的要求，6G衛星通信接入和移動性管理需要根據業務場景的不同采用不同的技術或方案，同時面臨著高動態的網絡拓撲對可靠接入、輕量化的星地通信協議研發、智能化的星地頻譜動態分配和共享、相控陣天線小型化、同波束下的海量終端批量切換以及高效天基計算技術等一系列挑戰，本文的分析和建議對未來6G衛星通信系統的進一步研究起到拋磚引玉的作用，具有積極的意義。