6G網絡構架下星載測控終端的初步構想

胡永勤,王 蓉,張 恒,王軍旗

(1.上海衛星工程研究所,上海 201109;2.上海利正衛星應用技術有限公司,上海 201109)

0 引言

2021年6月6日、9月16日和17日,我國工信部IMT-2030(6G)推進組分別發布了《6G總體愿景與潛在關鍵技術》白皮書、《6G網絡架構愿景與關鍵技術展望》白皮書和《6G 網絡安全愿景技術研究報告》等6份報告。2022年3月22日至24日,第二屆“全球6G技術大會”召開,發布了總體白皮書《ICDT融合下的6G網絡2.0》以及9本專題白皮書,內容涉及數字孿生、下一代協議棧4.0、太赫茲、多址接入、智能超表面、零功耗、量子信息、終端友好、智能軌道交通等多個方面。

6G浪潮洶涌而來,作為使能“萬物智聯,數字孿生”6G總體愿景的基礎支撐,6G網絡架構應具備“智慧內生、安全內生、多域融合、算網一體”四大特征[1]。

(1)智慧內生:利用智能檢測和估計技術、智能優化技術、智能組網及運維技術[2],實現人工智能技術驅動6G無線網絡,奠定萬物智聯的基礎。

(2)安全內生:利用身份認證技術、接入控制技術、通信安全技術和數據加密技術[3],實現6G 網絡的內生安全體系構建。

(3)多域融合:天基(高軌/中軌/低軌衛星)網絡、空基(臨空/高空/低空飛行器)網絡與地基(蜂窩/WiFi/有線)網絡、海洋網絡深度融合,構建空天地海一體化通信網絡,實現人聯與物聯、無線與有線、廣域和近域、空天和地面的智能全連接,達成“智慧連接、深度連接、全息連接、泛在連接” 的愿景[4-6]。

(4)算網一體:網絡和計算深度融合,實現云、邊、網、算的高效協同。網絡和計算相互感知,實現算力資源的合理分配,賦能一致化的用戶體驗,提高資源利用效率[1]。

作為6G網絡架構下的重要環節,衛星需要將不同功能的多種測量和通信傳輸手段有機結合,利用星載測控終端完成與地面、組網星座間的控制信息交互、融合。衛星從單一信息“孤島”向“智慧網云”轉變。由此,衛星測控通信覆蓋性、時效性、安全性方面的需求顯著提高。

本文基于6G網絡架構的特點,初步探討了6G網絡架構下星載測控終端的技術特征,并提出了一種星載測控終端初步設計構想。

1 6G網絡星載測控終端技術特征

6G網絡架構下衛星測控通信需具備極致的無線接入能力、立體全域的覆蓋能力、內生可信的安全能力,實現手段涉及激光通信、星座組網、隨遇訪問等多種技術綜合應用。

1.1 激光通信

激光有極高的定向性,光學增益高,具有較大的頻率帶寬,非常有利于遠距離信息交互。同時,激光通信具備以下特點:(1)通信速率高,在測控通信場景中有效傳輸時間極短,不易被發現和監聽。(2)激光發散角一般為微弧度量級,能量集中,不易被攔截,且受星座中鄰近衛星干擾小。(3)通信頻率較高,能夠避免太空中電磁微波對信息的干擾。因而,激光通信具有極高的安全性,符合6G網絡內生安全的要求。另一方面,激光通信可以與測距相結合,可以利用同一套物理設備實現高精度測距與高速通信雙重功能。且激光波長較微波短3~5個量級,通信終端可以具備體積小、重量輕的優勢,大大降低了對衛星平臺的要求,具有較高的應用價值。

工程經驗方面,我國的激光通信方案日漸成熟,如表1所示。

表1 我國激光通信技術部分在軌驗證情況

此外,2020年2月,我國還完成了LEO-LEO鏈路星間激光通信在軌驗證,最高通信數據率2.5 Gpbs;2020年4月,完成了GEO-地鏈路激光通信在軌驗證試驗,最高通信速率10 Gbps。

綜上所述,我國激光通信技術取得了長足的發展,可應用于高中低軌衛星各類鏈路星間通信和 GEO/LEO衛星對地通信領域,能夠滿足6G時代要求。

1.2 星座組網

星座組網通信是指多顆衛星之間利用星間鏈路實現信息傳輸和交互,從而構成以衛星作為交換節點的空間通信網絡。星座組網可以降低衛星通信系統對地面網絡的依賴,減少地面信關站的設置數量,同時擴大覆蓋區域、實現全球通信。此外,信號在星間鏈路傳輸時可有效避免大氣和降雨導致的衰減,構成閉環的星座通信和數據中繼系統。

在6G網絡架構下,一種基于軟件定義網絡(SDN)的移動性管理架構包含管理平面、控制平面、接入與轉發平面[7]。管理平面部署在地面網絡控制中心;接入與轉發平面由LEO衛星星座構成,負責用戶終端接入控制和數據轉發。控制平面則采用分級控制方案,包括主控制器和從控制器。主控制器(地球同步軌道GEO/中軌道MEO衛星)從SDN北向接口接收地面網絡控制中心的移動性管理策略,通過南向接口交互給低軌LEO衛星。從控制器(軌道較高的LEO衛星)一方面可補充GEO衛星難以覆蓋的兩極地區移動性管理,另一方面可在非均勻分布需求下靈活配置部署LEO衛星。

上述信息交互鏈路中,低軌衛星(LEO)和中高軌道衛星(GEO/MEO)之間、GEO/MEO衛星和地面站之間使用激光通信完成管理策略傳遞,低軌衛星之間使用微波或激光方式完成控制策略通信,共同控制LEO衛星星座完成與地表各用戶之間的任務,如圖1所示。

圖1 6G網絡架構下一種衛星星座通信方案

在上述高動態通信中,需要通信雙方實現精確指向。

采用激光傳輸方案的星載測控終端需要通過瞄準、捕獲和跟蹤 (Pointing,Acquisition and Tracking,PAT) 系統完成鏈路建立,其工作流程如下。

(1)開環瞄準:根據衛星相對位置和各自姿態進行計算并完成光束的初步對準。

(2)捕獲:開環瞄準完成后,通過衛星間相互交換信息以進行閉環方式的精細對準。

(3)跟蹤:精細對準下克服各種因素干擾以保持對準狀態,維持正常通信。

(4)天線驅動:實現光學天線指向變化,確保光束始終對準目標衛星。

對于采用微波傳輸方案的星載測控終端,建議利用相控陣技術、數字信號處理技術和電控有源器件實現波束指向控制。

考慮地球同步軌道軌位資源有限,也可以使用多顆MEO衛星代替GEO衛星完成星座構建。例如:采用軌道高度1 248 km,軌道傾角42°的8/2/1Walker Delta星座和軌道高度10 354 km,軌道傾角39.4°的24/8/1Walker Delta星座混合組網。STK仿真結果表明,混合星座可以完成對地表的全域覆蓋[8]。

在6G網絡構架下,LEO星座的衛星軌道高度為300 km左右[9]。軌道高度越低,傳輸時延和傳輸損耗越小,可以更好地滿足實時業務傳輸和高速通信業務。但相應的無縫覆蓋全球所需衛星數量越多(一般需要數千顆或更多,如“星鏈”星座)。同時,軌道高度低于300 km后,大氣阻力影響顯著,衛星需頻繁姿態控制操作以維持軌道。因此,需要進行折中考慮。

1.3 隨遇訪問

在6G網絡構架下,以陸地移動通信網絡為核心的空天地海一體化“泛在覆蓋”通信網絡,需要接入海量異構終端。網絡內部與外界之間有了大量不安全的攻擊入口,對網絡接入認證協議、接入控制協議提出了更高的要求[3]。

因此,星載測控終端可設置隨遇訪問模塊,依據6G網絡的協議進行身份識別和接入控制。為星座中每個成員進行相應的授權,并通過數字加密技術生成相應的訪問密鑰。星座內部通信步驟建議如下。

(1)兩顆衛星可見弧段開始時,由通信發起方衛星A傳輸自身密鑰和自身請求信息(是否需要通信、傳輸起始時間等)給接收方衛星B。

(2)衛星B對密鑰完成認證后,傳送自身密鑰和自身狀態(忙/閑/健康/故障等)給衛星A。

(3)衛星A對衛星B的密鑰完成驗證后,若需要通信,且確認衛星B可以滿足傳輸要求,則返回衛星建鏈成功標志,并開始數據傳輸;若無需通信或衛星B無法滿足通信要求,則處于等待狀態,返回無通信標志,直至可見弧段結束。

1.4 其他特征

除了上述激光通信、星座組網、隨遇訪問特征外,蓬勃發展的頻譜感知技術與6G網絡架構下的星載測控終端也完美契合。6G網絡中,衛星星座網絡密度極高,動態頻譜共享成為提高頻譜效率、優化網絡部署的重要手段[10]。而頻譜感知是實現認知無線電(Cognitive Radio,CR)中動態頻譜共享的前提。通過深度強化學習,結合衛星定位信息,星載測控終端處理軟件可實時了解和主動預測無線環境,并根據環境和業務需求靈活擴展遷移頻譜。

2 6G網絡星載測控終端設計

結合上文的技術特征,圖2給出了6G網絡架構下星載測控終端一種可能的設計組成框圖。星載測控終端由導航接收、微波通信信號收發、光學信號收發與PAT系統、信息處理模塊、電源模塊等組成。

圖2 6G網絡架構下的星載測控終端組成

導航接收模塊可以接收四大GNSS導航星座(GPS、北斗、Geolileo、Glonass)的信號,用于衛星時間和空間信息解算,完成精確軌道遞推,以輔助激光收發系統判斷通信建鏈時機和PAT系統精準捕獲。同時,放大后的GNSS信號分路給衛星的導航增強載荷,用于四大GNSS信號完整性監測及信號播發。地面用戶終端可以同時接收四大GNSS導航星座信號和6G網絡下LEO星座播發的導航增強信號,實現聯合定位,提高精度。

射頻收發模塊采用了射頻SIP集成化設計技術,將對地射頻收發模塊和星間射頻收發模塊統一設計,提升了模塊化、集成化設計效果。

信息處理模塊包含定位定軌解算、隨遇訪問和密鑰鑒權、遙測遙控控制等功能,由大規模(數千萬門)FPGA、PROM、A/D轉換電路、D/A轉換電路、接口電路等組成。該模塊可以支持智能AI定義和在軌重構,以滿足幾乎所有場景的星地、星星通信需求。

3 結語

衛星通信網絡是實現“萬物互聯”的6G網絡的重要組成部分,是實現空天地海一體化無縫覆蓋的關鍵。本文給出了一種6G網絡下星載測控終端的初步設計構想方案。方案中激光星間鏈路的實現需要關注PAT關鍵器件、鏈路快速捕獲和穩定跟蹤技術。星座組網實現需要關注星座建設成本和衛星數量、衛星效能的折中考慮。星載測控終端信息處理模塊的實現則需要關注6G網絡通信協議和SDN、AI等技術的發展和應用情況。隨著未來新技術的發展和認知的提升,星載測控終端的設計將更加優化,足以滿足未來6G網絡的應用要求。