大規模低軌星座衛星通信網發展展望

孫智立/SUN Zhili，李天儒/LI Tianru

（薩里大學，英國 薩里郡 吉爾福德 GU2 7XH）

(University of Surrey, Guildford Surrey GU2 7XH, UK)

1 衛星通信網絡的發展及優勢

自1957年第1顆人造地球衛星發射以來，人們一直都在探索衛星和空間的應用。衛星通信和衛星廣播是衛星應用的最好范例。在衛星的幫助下，人們可以把更多的應用和服務送到世界的各個角落。衛星網絡可以提供全球覆蓋，已成為地面網絡的補充和全球網絡不可或缺的重要組成部分。最早的衛星通信都是基于地球靜止軌道（GEO）的。隨著科學技術的發展，特別是衛星制造、移動通信、電子工程、衛星發射、互聯網技術的發展，中軌（MEO）和低軌（LEO）衛星系統開始迅猛發展。大規模LEO星座衛星通信網絡的發展和應用迎來了新契機[1-2]。

2 衛星服務和應用

衛星網絡可以提供廣泛的服務和應用（見圖1）。這些應用包括如下幾個方面：

▲圖1 衛星服務和應用[1-2]

· 邊遠地區鄉村的遠程商業和住宅服務；

· 偏遠山區、沙漠和島嶼網絡服務；

· 智能交通系統和車輛通信連接服務；

· 航海和船運通信服務；

· 航空航天飛行器和民航服務；

· 工業物聯網、農業自動化、海上風電、海上鉆井平臺等應用；

· 緊急服務（救護車、海岸救援、山區救援等）；

· 政府及國防應用。

3 衛星通信技術的演進

衛星通信技術的發展主要包括3個階段。（1）基礎技術的發展。在這一階段，單極化6/4 GHz波束提供全球波束覆蓋，雙極化波束整形基于16/14 GHz可提供多點波束和轉發器波束跳躍以及星上交換服務。星間鏈路、光通信技術和30/20 GHz的應用使得高通量全球衛星網絡成為現實。（2）星上技術的發展。這一階段經歷了分頻交換、分時交換、星上信號處理、星上數據包交換以及星上路由和星間鏈路的發展。其中，星間鏈路的發展也推動了LEO/MEO星座衛星網絡的發展。（3）網絡服務和應用的發展。這一階段從國際長途電話和衛星廣播開始，然后經歷國內長途電話和衛星服務、專用網絡、航空地面移動服務、直接數字衛星廣播、多媒體互聯網寬帶服務的發展，最終到現在的4G/5G和未來6G網絡的發展。

4 衛星組網的技術挑戰

衛星通信網絡在以下幾個方面仍面臨巨大技術挑戰：

（1）傳播時延大。雖然無線電波和光波在真空中均能以3×108m/s的速度傳播，但是較大的衛星通信距離使得傳播時延遠大于地面網絡。

（2）帶寬有限。能夠用于衛星通信的頻譜資源比較有限。同時衛星產生的波束遠大于地面無線網絡，使得頻譜的利用率遠不如地面無線網絡。這將直接影響通信的容量。

（3）傳輸錯誤多。由于傳輸距離和鏈路信道會受到各種干擾，傳輸數據的誤碼率也大于地面網絡。

（4）傳輸功率受限。衛星主要靠太陽能來供電，同時要和其他衛星及地面無線網絡進行協調以避免產生干擾。因此，傳輸功率就會受到很大限制，數據的傳輸速率也會受到影響。

需要注意的是，在引入LEO衛星網絡時，要做好衛星數量和覆蓋范圍的權衡，如圖2所示。對衛星網絡進行動態管理可降低衛星網絡傳輸成本，有利于滿足網絡服務質量（QoS）的要求。

▲圖2 衛星網絡系統覆蓋范圍示意圖[1-2]

5 衛星網絡QoS

網絡QoS以用戶為中心。目前，QoS的類別模型已經由國際電聯明確提出[3]，如圖3所示。可以看出，QoS的類別模型共有8個。其中，有的服務可以容忍傳輸錯誤，如語言視頻交互、語言視頻信息、語言視頻流媒體和傳真；有的服務則不能容忍傳輸錯誤，如指令和控制（遠程交互和游戲操作）、電子交易和電子郵件、信息文件下載、后臺處理。

▲圖3 以用戶為中心的服務質量類別模型[3]

在5G標準的制定過程中，第3代合作伙伴計劃（3GPP）為基于GEO、MEO或LEO集成基礎設施的衛星接入網絡制定了具體的QoS參數。這些參數都是與傳播時延有關的，如表1所示[4]。

▼表1 用戶設備到衛星的傳播時延[4]

6 非地面網絡（NTN）用例

NTN泛指除了地面網絡的所有網絡，包括衛星網絡和高空平臺（HAP）。3GPP為衛星網絡定義了12個用例，并在相關的技術報告中給出了詳細說明[4]。這12個用例具體為：地面和衛星網絡之間的漫游、帶有衛星覆蓋的廣播和組播、具有衛星網絡的物聯網（IoT）、臨時使用衛星組件、最佳路由或衛星轉向、衛星跨境業務連續性、全球衛星覆蓋、通過5G衛星接入網間接連接、新無線接入網和5G核心網之間的5G固定回傳、5G移動平臺回傳、5G與場地設備的連接、遠程服務中心到海上風電場的衛星連接。

7 NTN部署場景

3GPP和歐洲電信標準協會（ETSI）對NTN部署場景進行了深入研究，并提出了具體的部署場景[5-6]。

（1）平臺軌道和高度。這一場景包括平臺軌道類型（如GEO、非GEO）及其高度。其中，平臺可以是衛星，也可以是其他高空平臺。

（2）平臺和用戶設備之間的載波頻率。該場景涉及0.5～100 GHz的頻率。

（3）波束模式。這里的波束模式是指波束覆蓋模式。它是頻譜復用和容量計算的重要參數。

（4）接入方式。接入方式可以是頻分雙工（FDD），也可以是時分雙工（TDD）。

（5）信道帶寬（下行鏈路和上行鏈路）。該場景涉及信道下行鏈路和上行鏈路的可用帶寬。使用何種帶寬取決于所使用的載波頻率。出于評估目的，我們主要考慮以下兩個因素：

·對于在6 GHz以上頻段運行的衛星和空中網絡，下行鏈路和上行鏈路的平均帶寬高達800 MHz；

·對于在6 GHz以下頻段運行的衛星和空中網絡，下行鏈路和上行鏈路的平均帶寬高達80 MHz。

（6）非地面網絡架構選項，具體包括：

·衛星可以作為無線接入網在用戶設備和5G基站（gNB）之間以透明的方式連接；

·衛星可以具備5G基站的一些功能，并與用戶設備相連接；

·用戶設備連接中繼站時，衛星僅在中繼站和5G基站之間以透明的方式連接；

·用戶設備連接中繼站時，衛星可以具備5G基站的一些功能并與中繼站相連接。

（7）終端類型。用于評估目的時，可以考慮的終端類型包括：

·發射功率設置為33 dBm（2 W），等效孔徑直徑為60 cm（圓極化）；

·對于每個3GPP FDD 功率等級（PC），PC1的全向天線最大輸出功率為33 dBm（2 W），PC2的為27 dBm（0.5 W），PC3的為23 dBm（0.2 W）。

（8）終端屬性分布。終端屬性分布可以設置為3類：

·100% 戶外用戶設備；

·100% 室內用戶設備；

·室內外混合用戶設備分布。

（9）終端速度。該屬性通常是指相對于衛星或空中平臺上的發射器/接收器的速度，具體包括：

·高速/低速用戶設備；

·高速/低速平臺；

·出于評估目的，終端速度最大值可以為1 000 km/h（例如飛機），或者500 km/h（例如高速列車）。

8 系統容量建模的考慮

在進行系統容量建模時，我們應用流量工程原理從3個方面來考慮。（1）用戶流量。這里的用戶流量主要指用戶設備的數量和每個終端產生的峰值流量（如500 Mbit/s）。（2）網關站數量與容量，以及網絡架構（包括衛星數量、每顆衛星的點波束數量、每個點波束的容量）。（3）流量控制和網絡資源管理（用以滿足QoS要求，并有效利用網絡資源）。總的來說，這些考慮應包括：

·需要明確系統容量定義和流量衡量標準；

·明確說明網絡架構；

·精心設計流量控制和網絡資源管理的算法和方法；

·開發相關系統的規劃、性能評估、操作和維護問題的解決方案。

9 面向2030年的衛星網絡（6G）

2020年，5G移動網絡標準的制定已經完成，5G網絡的部署在全球范圍內已經展開。未來研究的方向已經集中到面向2030年的網絡技術。相對于5G，這個新的網絡研究方向通常被稱為6G。很多大學、研究機構、公司以及標準化組織都開始了面向6G的研究和探索。其中，國際電信聯盟（ITU）和電氣與電子工程師學會（IEEE）都已經取得一些顯著的進展[7-9]。表2給出了5G和6G的關鍵績效指標的對比。

▼表2 5G和6G網絡關鍵績效指標對比

10 結束語

衛星通信網絡系統將成為未來全球網絡以及5G和6G的重要組成部分。現代衛星制造技術、發射技術、電子技術、網絡技術的發展使得大規模LEO星座通信網絡成為現實。大規模LEO星座通信網絡既能與地面網絡形成互補，也能與GEO衛星通信網絡互補。在不遠的將來，大規模LEO星座通信網絡和未來的網絡技術都將獲得巨大發展，網絡信號全球無死角覆蓋也將成為現實。