面向低軌衛星網絡的組網關鍵技術綜述

蔣瑞紅，馮一哲，孫耀華，鄭海娜

面向低軌衛星網絡的組網關鍵技術綜述

蔣瑞紅1，馮一哲1，孫耀華1，鄭海娜2

（1. 北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室，北京 100876；2. 華為技術有限公司，廣東 深圳 518129）

隨著信息通信技術的不斷發展，人類對于擴大網絡覆蓋范圍和降低通信時延的要求越來越高。低軌衛星網絡是一種利用軌道高度較低的衛星構建的網絡體系，具有覆蓋范圍廣、通信時延低等優勢?；诖耍紫雀攀隽说蛙壭l星網絡的國內外發展現狀及其組網所面臨的挑戰，進一步闡述了低軌衛星網絡組網關鍵技術難點及建議，最后結合分布式、博弈論和人工智能等方法，對潛在可行的低軌衛星組網方案進行了探討。

低軌衛星組網技術；人工智能；博弈論；6G空間互聯網

0 引言

衛星通信的概念最早可追溯到英國物理學家亞瑟·查爾斯·克拉克（Arthur Charles Clarke）1945年發表在《無線電世界》雜志上的文章“（地球外的中繼）”，設想將部署在地球同步軌道上的人造地球衛星作為中繼進行通信，并在20世紀60年代成為現實。時至今日，衛星通信的覆蓋范圍廣、傳輸距離遠、傳輸容量大、靈活性強、擴展性好、不受地面自然環境災害影響等優勢[1]，使衛星通信網絡成為學術界和產業界熱議的話題，且與6G技術相結合推動了衛星通信網絡的發展。

目前衛星網絡主要由3類軌道衛星組成，衛星軌道示意圖如圖1所示[2]。根據飛行高度，從高到低分別是地球靜止軌道（geostationary earth orbit，GEO）衛星、中地球軌道（medium earth orbit，MEO）衛星和低地球軌道（low earth oribit，LEO）衛星（以下簡稱低軌衛星），其中低軌衛星網絡通常由多顆低軌衛星協同工作進行組網，數量從數十顆到數萬顆不等，其軌道高度通常在500～2000km，可實現全球無死角覆蓋，能夠為荒漠、戈壁、森林、高山、海洋等網絡盲區提供通信服務。相對于高軌衛星，低軌衛星具有時延小、傳輸損耗小、速率高、成本低等特點，被認為是提升網絡覆蓋范圍及通信效率的重要手段。

圖1 衛星軌道示意圖[2]

在未來6G空間互聯網發展中，低軌衛星網絡展現出了廣闊的應用前景[3]。首先，低軌衛星網絡可為全球用戶提供連續通信服務。由于部分地區的地理位置偏遠、地理環境特殊，傳統的通信方式難以實現無縫覆蓋。低軌衛星組網技術可以通過低軌衛星全面覆蓋全球區域，為全球用戶提供連續的通信服務。其次，低軌衛星網絡可為海量物聯終端提供廣域泛在接入服務。低軌衛星組網技術可以將較多數量的采用高頻段的低軌衛星進行組網，大大提高網絡容量，更易于對海量物聯終端提供網絡連接支持與服務。另外，低軌衛星網絡還可為軍事通信提供服務，保障軍事通信信息的安全性需要加密技術和其他安全措施，低軌衛星組網技術可以滿足該要求，為軍事通信提供安全可靠的通信服務。

近年來，衛星通信技術迅猛發展，衛星組網融入地面網絡已經逐漸成為可能，在應急搜救、無人區廣域覆蓋、智能船舶、海洋牧場、智能航運和海事監測及國防等業務應用上發揮著重要作用。同時，6G技術也將以低軌衛星為發展契機，開拓新的研究領域，獲取更多的智能應用，實現全球互聯、智能網絡等功能。因此，對于低軌衛星網絡的探究已經成為國內外重點研究趨勢之一。

1 低軌衛星網絡的發展現狀

隨著航天和空間信息技術的蓬勃發展，低軌衛星網絡與5G/6G技術、物聯網、云計算、人工智能（artificial intelligence，AI）等技術相結合，可實現廣域范圍內的無縫覆蓋。在此愿景下，建設衛星互聯網逐漸上升為國家戰略，且呈現出越來越激烈的國際競爭態勢。

1.1 國際現狀

1991年美國摩托羅拉子公司銥星推出“銥星計劃”，計劃部署66顆低軌衛星為地面提供通信服務。1998年，“銥星計劃”正式運行，但因當時設備和通信價格比較昂貴，在與2G網絡的競爭中落敗。到2016年，銥星公司提出基于衛星授時與定位的導航服務技術，證明低軌衛星可作為全球定位系統（global positioning system，GPS）的替代方案，引發全球關注。2019年，美國發射部署了新一代銥星系統，除了通信業務外，該系統還可輔助GPS實現室內和峽谷地區的定位導航[4]。

目前美國已形成由太空探索公司、Astra、亞馬遜、波音公司等為主要核心成員的強大的低軌衛星網絡發展團隊。2015年，特斯拉旗下太空公司SpaceX的首席執行官伊隆·馬斯克推出“星鏈（Starlink）”計劃，預計總發射低軌衛星數量達4.2萬顆，以提供覆蓋全球的高速互聯網接入服務。2021年，火箭制造商Astra計劃部署1.3萬顆低軌衛星組成星座，支持通信、環境和自然資源應用，以及國家安全業務。同時，美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，FCC）宣布批準波音公司發射和運營147顆低軌衛星，為用戶提供高速寬帶互聯網服務。2022年，亞馬遜（Amazon）公司推出的“柯伊伯項目（Project Kuiper）”計劃，將部署3236顆低軌衛星組成太空衛星網絡，為全球提供高速寬帶互聯網接入服務[5]。

英國/印度太空互聯網公司OneWeb，目前擁有世界第二大規模的衛星星座，在軌衛星數量已達540顆，僅次于SpaceX的Starlink。另外，OneWeb還預計發射32.7萬顆小型衛星，數量達到之最。加拿大通信公司Telesat在2016年宣布推出Lightspeed計劃，預計發射1671顆低軌衛星，提供全球網絡服務[6]。歐洲航天局（European Space Agency）計劃進一步開展對低軌導航衛星進行在軌演示，補充伽利略（Galileo）系統。位于盧森堡的LeoSat公司推出LeoSat星座，利用激光通信的方式部署108顆低軌衛星，以實現高質量的數據服務通信網絡，鏈路速率最大能達10Gbit/s。俄羅斯SPUTNIX公司計劃在2025年完成部署約200顆低軌衛星。俄羅斯航天國家集團的“球體（Sfera/Sphere）”的多功能衛星星座項目，計劃在17個軌道上發射640顆多用途衛星，其中包含一個由288顆衛星構成的低軌通信星座。澳大利亞Fleet（全稱Fleet Space Technologies）公司計劃發射100顆納米衛星，主要服務于物聯網。2021年6月韓國政府表示在10年內建設100顆微小衛星組成的衛星星座，早期三星公司還制定了由4600顆微小衛星組成的互聯網星座藍圖。

1.2 國內現狀

我國“十四五”規劃和“2035年遠景目標”綱要明確提出要建設高速泛在、天地一體、集成互聯、安全高效的衛星互聯網產業。為此，中國航天科技集團有限公司和中國航天科工集團有限公司分別制定了面向低軌衛星組網的“鴻雁星座”和“虹云工程”計劃，其中“鴻雁星座”由300顆低軌道衛星及全球數據業務處理中心組成，“虹云工程”由156顆低軌衛星構成[7]。

北京國電高科科技有限公司打造和運營我國首個低軌衛星物聯網星座，即“天啟星座”，計劃部署38顆低軌衛星。航天行云科技有限公司推出“行云系統”，預計發射80顆低軌道小衛星，建設一個覆蓋全球的天基物聯網。電子科技大學參與研制的“TFSTAR號”衛星搭載了AI處理載荷，助力了星載能力的提升。中國科學院軟件研究所啟動的基于軟件定義衛星技術的“天智工程”，可用于低軌互聯網建設。我國還有民營企業推動的“銀河Galaxy”計劃，預計共發射2 800顆低軌互聯網衛星，如銀河航天集團（1000顆）、北京九天微星科技發展有限公司（800顆）、北京星網宇達科技股份有限公司（30顆）、上海歐科微航天科技有限公司（40顆）等。

另外，2021年4月28日，中國衛星網絡集團有限公司（簡稱中國星網或星網）正式揭牌，成為中國第5家電信運營商，專注于衛星通信，開啟了我國衛星互聯網發展新征程。

2 低軌衛星組網面臨的挑戰

與其他衛星相比，低軌衛星具有體積小、發射成本低、技術更新快、可全球覆蓋等特性，能夠提高與地面終端直接通信的能力，在衛星通信網絡高速發展的時代，擁有廣闊的發展前景。與此同時，低軌衛星在實現星間組網或星地組網等方面也面臨諸多問題和挑戰。

2.1 低軌衛星組網概念

低軌衛星組網是一種利用運行軌道高度較低的衛星建立的網絡體系?；诮M網體制，低軌衛星既可通過星間鏈路進行組網，也可同高軌衛星混合組網，均可形成多層空間網絡。

根據通信組網方式，衛星網絡可劃分為3類，即無星間鏈路衛星網絡、有星間鏈路衛星網絡和動態星間鏈路的衛星網絡[8]。其中，無星間鏈路的衛星網絡的衛星之間不存在星間鏈路，通過彎管的方式連接，基于地面設施進行組網，如全球星（Globalstar）系統。有星間鏈路的衛星網絡的衛星之間通過星間鏈路進行連接且連接方式固定，不進行動態調整，可依托自身鏈路進行組網，如銥星系統。動態星間鏈路衛星網絡的衛星之間的連接方式不固定，會隨著網絡拓撲和業務的變化而不斷變化，如美國F6計劃衛星系統；其類似于地面的移動自組織網絡，故也稱空間移動自組網。

2.2 低軌衛星組網特點

低軌衛星網絡是通過發射一定規模的衛星進行組網構建具備實時信號處理的空間通信系統，是一種能夠向地面及空中終端提供接入等通信服務的新型網絡，主要包括以下幾個特點[9]。

?網絡可靠性高且靈活：低軌衛星網絡中衛星數量相對較多，組網方式相對靈活，單顆衛星發生故障后易進行網絡切換，且不受自然災害的影響，大部分時間內低軌衛星網絡可提供穩定且可靠的通信服務。

?時延低：低軌衛星通信鏈路均為視距通信，傳輸時延和路徑損耗相對較小且穩定，能夠支持視頻通話、網絡直播、在線游戲等實時性要求較高的應用。

?容量大：低軌衛星網絡中衛星數量相對較多且通常采用Ka/V頻段或更高頻段，可實現超過500Mbit/s大容量通信，且支持海量終端接入的需求。

?地面網絡依賴性弱：低軌衛星網絡星上處理技術的實現，可通過星間鏈路提供全球通信服務，而不需要全球部署地面信關站，擺脫對地面基礎設施的依賴。

?多種技術協同發展：多種相關技術協同應用，如點波束、多址接入、頻率復用等技術，可緩解低軌衛星網絡中存在的頻率資源緊張等問題。

?可實現全球覆蓋：多顆衛星協同組網，可實現全球無縫覆蓋，不受地域限制，能夠將網絡擴展到遠洋、沙漠等信息盲區。

?網絡拓撲動態變化：低軌衛星周期性運轉，具有高動態性，易導致網絡拓撲結構的變化，同時網絡路由也隨之不斷變化。此外，低軌衛星網絡的高動態性易引起星間通信鏈路的中斷，致使業務數據傳輸中斷，無法保障終端用戶的服務質量。

?流量分布不均勻：終端用戶分布不均勻，導致衛星網絡的流量也具有不均勻性。例如，人口密集的城市區域，需要傳輸的流量較大；人口稀疏的偏遠地區，需要傳輸的流量較少；海洋和沙漠地區幾乎不產生流量。當某區域對衛星的任務請求量較大時，某些流量增加將會引起服務阻塞。

?衛星切換頻繁：當衛星遠離時，終端用戶需要與當前衛星斷開連接，切換到另一顆靠近的衛星進行連接通信。若不能及時進行切換操作，則無法滿足一些對及時性要求比較高的業務需求。

?多徑傳輸效應：在低軌衛星網絡中，星地之間和星星之間通常存在多條通信路徑，需要根據自身的需求（如服務質量需求）進行選擇，以保障網絡傳輸質量。

?通信鏈路穩定性差：在低軌衛星網絡中，低軌衛星的星地和星間鏈路都是頻繁切換的，鏈路本身是不穩定的，需要利用合適的移動性管理技術才能保證通信服務的穩定性。

?多普勒頻移明顯：低軌衛星動態性強，通信信號在傳送過程中的多普勒頻移較大，需要對頻偏進行估計并補償才能實現通信信號的可靠接收。

2.3 低軌衛星組網挑戰

衛星網絡作為地面網絡的補充，可提供全球的泛在接入服務，是實現未來6G的全域無縫覆蓋愿景的必經之路，也是實現空天地海一體化戰略的重要手段。然而目前衛星網絡的發展還未成熟，與地面網絡在成本、容量和利用率等方面存在較大差距，面臨諸多問題，這也是衛星組網亟待解決和建設的重要部分[11]。

目前，低軌衛星組網面臨的主要挑戰包括以下幾個方面。

目前，我國所開發利用的鉬資源一般來自單一鉬礦石類型、銅鉬礦石類型和鎢鉬礦石類型等。從以鐵為主的鐵鉬型礦石中回收鉬的生產實踐尚不多見。本技術為從鐵鉬型礦石中回收鉬提供了一條切實可行的技術路線，對處理同類型性質礦石具有很大的借鑒價值，具有較好的推廣前景。

（1）衛星高動態性

低軌衛星高速移動，導致衛星與地面終端的鏈路切換相對頻繁，信號時延與網絡不穩定，將對衛星和地面終端位置管理及切換策略的設計帶來巨大挑戰?？刹捎眯l星定位技術、空間分集技術等減少時延與網絡的不穩定性。

（2）星上資源有限

衛星星載設備不同于地面網絡設備，在功率、質量、尺寸方面存在嚴格的限制，導致其運算及存儲能力均有一定的局限性。因此，星間路由及存儲能力等的設計面臨極簡且能滿足需求的嚴苛要求的挑戰?？赏ㄟ^增加系統容量如多波束技術和高通量有效載荷、有效的資源管理（如高效的算法和編碼技術）、優化地面基礎設施等改善星上資源的有限性。

（3）空間頻譜資源有限

現存頻譜資源逐漸無法滿足日益增高的網絡服務需求，低軌衛星網絡需要向更高頻段開發利用，合理分配頻譜。可采用頻譜分配技術、調制解調技術等合理利用頻譜資源。

（4）數據安全性

低軌衛星網絡將是一個異構混合的空間網絡，其安全性需要得到保障，包括網絡的魯棒性、可擴展性、信息安全等方面。同時，星間和星地鏈路的傳輸損耗、陰影衰落以及衛星高速移動引起的多普勒效應，也會對通信系統的可靠性帶來嚴峻挑戰?？刹捎脭祿用芗夹g、網絡安全技術等保護數據安全。

（5）信號衰落

在低軌衛星環境下，信號需要穿過多個不同的媒介，會造成多徑衰落。同時，低軌衛星的軌道高度相對較低，難以避免地球表面干擾。可采用多徑信道估計技術、多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）技術等減少多徑衰落的影響，采用干擾消除技術、信號加強技術等提高信號質量。

（6）應用場景可擴展性

擴展現有的應用場景也是低軌衛星網絡發展目標之一，包括災害預警、生態保護、應急通信、偵察探測等多方面?？砷_發新的衛星技術及應用、改進星地之間的通信技術、增加衛星數量等有效擴展低軌衛星網絡的應用場景。

3 低軌衛星組網關鍵技術

低軌衛星若不進行組網，僅依靠地面網絡中繼信息，則需要大規模地建設地面網絡，實現起來極其困難且成本較高，因此，研究低軌衛星組網技術尤其必要。

3.1 體系架構

典型的低軌衛星網絡體系架構如圖2所示，一般包括空間段、地面段和用戶段[12]。

圖2 低軌衛星網絡體系架構

?空間段，即衛星星座，由多顆低軌衛星和星間鏈路構成，當衛星采用透明轉發技術時，不存在星間鏈路。衛星在空間中一般均勻對稱分布或者多層混合分布，不同軌道多角度交錯實現低軌衛星的全球組網，以保障全球范圍內無論何時何地至少有一顆低軌衛星提供覆蓋接入服務。

?用戶段，由接入網及接入終端組成，包括綜合信息服務平臺、業務支撐平臺和各類終端設備（如車載、艦載、機載、手機等）等。通過星間鏈路與星上處理轉發，可實現全球組網和數據交換。

?地面段，通常由信關站、測控站、綜合網管中心、衛星控制中心、移動通信網及地面業務支撐網組成，主要實現對空間段的監測與管理、連接衛星網絡到地面核心網，以及用戶管理等功能。

從圖2可以看到，由空間段、用戶段和地面段3個部分的協同工作才構成完整的空間低軌衛星網絡，這也是低軌衛星網絡體系結構的特點。其中，空間段利用衛星之間的無線技術等互相作用實現組網，可以提高系統容量和覆蓋能力，并可通過不同的組網方案實現對頻譜資源的最優利用；用戶段是按照用戶需求和服務需求進行組網，可根據不同的應用領域進行優化和調整，更加靈活地適應用戶需求，以提供快速、高效的服務；地面段通過地面的設置網絡的組件進行組網，實現對衛星通信系統的支持和管理，有效地完成衛星通信系統的數據存儲、處理和傳輸。在未來6G空間互聯網中，將多顆低軌衛星組網為數據通信提供服務以及星地融合組網已成為未來發展趨勢，合理的低軌衛星組網可實現連續覆蓋全球各個角落。然而低軌衛星組網技術涉及諸多方面，如星地網絡拓撲設計、星間路由協議、星地鏈路切換、地面網關路由設計等，下面將對相關組網技術進行闡述。

3.2 移動切換技術

在低軌衛星網絡中，衛星是終端用戶接入的端口。低軌衛星網絡的服務區域通常由配置的特定天線波束所決定，但低軌衛星的高速運轉將導致網絡拓撲高動態變化，星地之間和衛星之間鏈路產生頻繁的切換。例如，由于低軌衛星周期性的飛行移動，終端用戶需要隨著衛星移動頻繁地切換到新的鏈路上，即發生星內切換；當衛星逐漸遠離終端用戶時，終端用戶需要切換到另一個新的衛星網絡，即發生星間切換；當衛星網絡拓撲結構發生變化時，在同一衛星波束間或不同衛星波束間，需要重新分配無線信道進行切換以避免干擾，即波束間切換。若網絡中所有終端用戶頻繁切換（如組切換），將會給整個衛星系統帶來大量的信令開銷并顯著增加切換過程沖突的概率，信號延遲和切換成本也會大大增加，嚴重影響網絡的連續性及用戶的服務體驗[13]。因此，綜合考慮低軌衛星移動速度快、網絡拓撲動態變化等因素，尋找一種新穎的移動切換方法以簡化切換操作、提高切換可靠性是低軌衛星組網的重要研究方向之一。

未來，隨著更多的低軌衛星的高速移動，終端用戶的切換請求和擁塞將變得更加嚴峻。為此，終端用戶可考慮應用長期效益的深度強化學習方法，無須提前了解動態的衛星網絡環境變化，并可做出合理的切換決策，從而使衛星可以較早地配置信令信息以實現快速切換，也就是說，結合組切換和機器學習方法的優勢，能夠使切換策略更適應高動態的衛星網絡環境并具有更強的魯棒性[14]。另外，從網絡架構出發，進行合理有效的組網，可簡化切換過程。

3.3 組網交換技術

空間衛星高效組網是未來低軌衛星網絡發展的必然。為了保障星間連通性，實現數據的接收及解析，并快速完成數據的尋址與分發，動態組網交換技術的研究顯得尤其重要[15]，主要有以下幾種技術。

?低時延組網路由與抗毀重構技術：目前低軌衛星規模不斷擴大，已無法僅依靠地面站對衛星網絡進行管理。需要充分利用星上資源構建一個低時延且靈活分布的網絡體系結構，以實現衛星網絡的自管理。當某顆衛星或者鏈路受損時，衛星網絡應具備動態組網及重構能力，以保障網絡的正常運行。

?激光星間鏈路技術：與射頻方式相比，激光星間鏈路具有低成本、低功耗、大容量、高可靠、抗干擾等優勢，已成為未來低軌衛星網絡的標配。其能夠促進星間信息的交互，可為實現星座智能協同、分布式計算奠定一定的基礎。

?星間組網協議及互操作技術：為實現未來空間網絡的快速響應及協同，貫通各類衛星的大規?；ヂ摶ネ?，互操作技術十分必要，網絡協議的設計及部署是實現大規模組網的關鍵問題。

3.4 路由組網技術

衛星網絡路由技術主要是基于衛星網絡自身特性，結合實際應用需求，研究設計穩定且高效的路由算法及協議，以提供可靠的數據傳輸路徑。目前低軌衛星網絡一般由多顆衛星構成，每顆衛星均具備星上處理數據的能力，如星上存儲、路由、計算等[16]。為了提高低軌衛星網絡資源的利用率及路由效率，需要設計能夠從多條傳輸路徑中選擇較優路徑的路由算法。常見的衛星網絡路由算法有地面網絡動態路由改進算法、基于虛擬拓撲策略路由算法和基于虛擬節點策略路由算法等。

隨著低軌衛星網絡的快速發展，衛星路由技術日趨成熟。然而日常通信業務的需求愈加繁雜且增多，對低軌衛星網絡的要求也大幅提高，這將給衛星路由組網技術帶來諸多問題與挑戰。因此，低軌衛星組網路由關鍵技術還需要解決以下難題。

?抗毀且魯棒的衛星路由設計：在低軌衛星復雜的空間網絡環境中，除了衛星自身硬件受損或自然現象造成的網絡節點故障外，還存在軍事物理打擊等威脅。如何保證在節點受損或出現故障衛星路由的有效性，是未來衛星路由技術研究的關鍵內容。

?承載繁雜業務類型的衛星路由設計：現階段衛星網絡提供的業務服務大多以語音、數據和導航為主，然而隨著用戶需求的持續提升，未來衛星網絡將會承載更加繁多的業務。如何有效地利用衛星網絡資源為不同業務提供相應的服務，將是未來衛星路由技術的重要挑戰之一。

?動靜結合的衛星路由設計：如今衛星網絡路由技術主要是靜態模式，研究動態路由尚少。在未來低軌衛星網絡中，衛星數量將日漸增多、網絡資源將愈發豐富、網絡拓撲也將更為復雜，導致應用靜態路由技術的代價也越大。設計一套適用于未來空間動態環境的衛星自適應動態路由或者動靜結合的衛星路由組網方案尤為重要。

3.5 混合組網技術

隨著信息通信技術標準化的進步，衛星通信網絡逐漸向多星一網的方向發展。混合衛星組網可以結合不同軌道衛星優勢，通過協同自主組網，構建空間動態自組織低軌衛星網絡。另外結合衛星網絡和地面網絡的優勢，可構建星地協同一體化網絡，以提升網絡覆蓋率，保障服務質量[17]。因此，針對低軌衛星的混合組網技術的研究主要涉及兩大方面，具體如下。

?星間協同混合組網技術：低軌衛星的周期性運轉引起星間鄰接關系不斷變化，同時衛星規模也在不斷擴張，這將給不同類型衛星進行高效自主組網帶來一定的難度。結合多軌道衛星網絡設計、組網、安全性、抗毀性等技術，構建衛星間自適應組網架構，可實現不同衛星間的互聯互通，提升衛星網絡的靈活性及可擴展性，降低對地面網絡的依賴性。

?星地協同混合組網技術：星、地網絡屬于異構網絡，在時延、傳輸速率等方面存在極大差異，如何取長補短實現星地協同高效組網面臨著巨大挑戰。目前星地協同組網可通過覆蓋增強方式、距離拓展方式、業務融合方式和精準通信方式實現。采用覆蓋增強方式，低軌衛星和地面基站可協同覆蓋各自特定區域，消除網絡盲區。采用距離拓展方式，低軌衛星可為空中/地面基站提供遠程回傳鏈路，增大網絡覆蓋范圍。采用業務融合方式，低軌衛星網絡可提供廣播服務以實現信息分發，地面網絡提供通信服務以實現信息交互。采用精準通信方式，低軌衛星可提供廣域覆蓋的信令鏈路，而地面基站可通過定向波束可實現特定區域的精準覆蓋，實現高速數據傳輸。盡管如此，如何將這些協同方式進行有效的組合還待進一步研究。

4 低軌衛星組網潛在方案

基于上述低軌衛星組網關鍵技術，結合不同的數學理論有望設計一些潛在可行的組網方案。

4.1 分布式組網方案

分布式的低軌衛星網絡通常由互不相連、共同協作完成某個任務的多顆低軌衛星構成，需要對星間組網技術進行研究。常見的分布式組網方式有編隊飛行、星座和星群，其主要區別在于是否對星間鏈路及飛行軌道進行控制操作[18]。

?編隊飛行：編隊飛行包括線性模式和繞飛模式。線性模式中衛星在一條軌道上等間隔地線性分布部署；繞飛模式以某顆衛星或虛擬衛星為中心，其他衛星在各自軌道上周期性運轉。網絡規模及拓撲結構相對較小且單一，不具備層次性，覆蓋范圍較小。

?星座：衛星在預設軌道上穩定且周期性飛行，衛星間采用相同控制機制，對地面特定區域可保障所需通信服務，具有一定抗毀能力。典型的星座如北斗衛星導航系統、GPS系統和銥星系統等。

?星群：通常由數顆同軌或異軌衛星組成，主要負責監控空間環境、地面觀測等任務。在衛星周期性運行過程中，網絡拓撲的變化不會對任務的執行帶來影響，較為成熟的分布式星群如“吉林一號”。

分布式低軌衛星網絡需要衛星之間的協作以共同完成某一任務，如何進行高效的協作組網，則需要綜合考慮低軌衛星網絡的拓撲結構、路由選擇等特性，設計滿足時延、帶寬以及網絡穩定性等多方面需求的分布式衛星網絡動態組網方案。

4.2 基于博弈的組網方案

近年來，博弈論已經廣泛應用于無線通信網絡，解決網絡的功率、帶寬、信道等資源的分配問題。在衛星網絡中，大多數節點具有自私性和趨利性，不愿消耗自身的資源協助其他節點轉發數據。因此，在低軌衛星網絡中，設計的相應路由算法或協議應能夠激勵網絡節點相互協作自主形成一個網絡，且能夠有效地管理及控制自身網絡資源。博弈論是解決個體之間合作與競爭關系的一種成熟數學理論與工具，可借助博弈論對低軌衛星網絡協作組網等問題進行研究[19-20]。

?基于報酬的博弈組網策略：通過引入報酬，可激勵衛星網絡自私節點為其他節點提供中繼等服務，促進節點間的合作。該機制中節點需要主動參與合作為其他節點提供正常的路由轉發等服務，才有可能獲得足夠的報酬用于支付自身所需服務。

?基于信任度的博弈組網策略：量化并排序低軌衛星網絡的節點對其他節點的信任程度，以作為路由選擇優先級的依據。通常網絡節點比較容易與信任度高的節點合作，同時信任度高的節點也易于獲得其他節點的服務。反之，信任度低的節點則易被孤立，以至于無法獲得其所需服務。該機制通過設置獎罰制度以激勵網絡自私節點主動地參與協作。

?多移動動態聯盟博弈組網策略：衛星在一定時間內執行多目標協同任務，是一個多目標的多移動動態聯盟問題，且聯盟之間存在資源競爭?？筛鶕煌繕伺c衛星網絡拓撲定位關系，將網絡劃分成多個與目標對應的集合，解決聯盟之間可能出現的競爭沖突問題。進一步利用合作博弈算法組成聯盟，促使衛星理性地自發構成穩定的聯盟。

4.3 AI賦能的組網方案

AI技術具有從動態環境交互或海量數據中學習的能力，適用于不斷高動態變化的空間低軌衛星網絡。未來衛星網絡結構將會越來越龐大異構，業務類型和應用場景也將越來越繁雜多變，網絡要求也將越來越智能化，充分利用AI技術以實現未來6G空間互聯網是必然選擇[21-22]。

?異構智能切換技術：隨著未來空間低軌衛星網絡智能化需求的出現，結合AI學習方法的優勢，如強化學習的無模型性及自學習性，能夠及時完成切換處理，縮短切換中斷時間，從而實現無縫切換。

?自適應智能組網技術：利用AI技術對衛星網絡資源及變化規律進行動態建模分析，結合集中或者分布管控的方式，自適應推演衛星網絡路由、緩存等策略，以獲得高效且可靠的低軌衛星網絡。

?智能組網協議體系：為高效融合空天地海等多域網絡，需要建立完整且強大的智能協議體系。利用深度學習方法分析研究衛星網絡的特性，創建相應的神經網絡模型，進而提高網絡適應性及協同性。

5 結束語

低軌衛星組網技術在未來將得到進一步發展和改進。首先，隨著衛星技術的不斷發展，衛星的載荷能力將得到提升，使得低軌衛星網絡能夠承載更多的信息，提高網絡的傳輸效率；其次，隨著AI技術的發展，低軌衛星網絡也可利用AI技術進行自動化管理和調度，使得低軌衛星組網更加高效且靈活；最后，低軌衛星組網技術在6G空間互聯網建設中也發揮著重要作用，具有廣闊的應用前景，可為偏遠地區、海上航行、軍事通信等領域提供服務，為人類提供更好的通信便利。

[1] JIA Z Y, SHENG M, LI J D, et al. LEO-satellite-assisted UAV: joint trajectory and data collection for Internet of remote things in 6G aerial access networks[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2021, 8(12): 9814-9826.

[2] DARWISH T, KURT G K, YANIKOMEROGLU H, et al. LEO satellites in 5G and beyond networks: a review from a standardization perspective[J]. IEEE Access, 2022(10): 35040-35060.

[3] XIAO Z Y, YANG J Y, MAO T Q, et al. LEO satellite access network (LEO-SAN) towards 6G: challenges and approaches[J]. IEEE Wireless Communications, 2022(99): 1-8.

[4] 方芳, 吳明閣. 全球低軌衛星星座發展研究[J]. 飛航導彈, 2020(5): 88-92, 95.

FANG F, WU M G. Research on the development of global LEO satellite constellation[J]. Aerodynamic Missile Journal, 2020(5): 88-92, 95.

[5] LIN X Q, CIONI S, CHARBIT G, et al. On the path to 6G: embracing the next wave of low earth orbit satellite access[J]. IEEE Communications Magazine, 2021, 59(12): 36-42.

[6] PROL F S, FERRE R M, SALEEM Z, et al. Position, navigation, and timing (PNT) through low earth orbit (LEO) satellites: a survey on current status, challenges, and opportunities[J]. IEEE Access, 2022, (10): 83971-84002.

[7] 陳山枝. 關于低軌衛星通信的分析及我國的發展建議[J]. 電信科學, 2020, 36(6): 1-13.

CHEN S Z. Analysis of LEO satellite communication and suggestions for its development strategy in China[J]. Telecommunications Science, 2020, 36(6): 1-13.

[8] 王璇. 低軌衛星網絡高效安全組網研究[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2019.

WANG X. Research on efficient and secure networking in LEO satellite networks[D]. Xi’an: Xidian University, 2019.

[9] 吳煬, 胡谷雨, 金鳳林, 等. 衛星網絡組網關鍵技術[J]. 指揮控制與仿真, 2022, 44(2): 88-100.

WU Y, HU G Y, JIN F L, et al. Key technologies of satellite networks[J]. Command Control & Simulation, 2022, 44(2): 88-100.

[9] 郭一然. 低軌道衛星網絡移動性支持問題研究[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2021.

GUO Y R. Research on mobility support of LEO satellite network[D]. Xi’an: Xidian University, 2021.

[11] 仉陳. 大規模低軌衛星組網方法與性能評估[D]. 南京: 南京大學, 2021.

ZHANG C. The networking method and performance evaluation for large-scale LEO satellite[D]. Nanjing: Nanjing University, 2021.

[12] 王艷峰, 谷林海, 劉鴻鵬. 低軌衛星移動通信現狀與未來發展[J]. 通信技術, 2020, 53(10): 2447-2453.

WANG Y F, GU L H, LIU H P. Status quo and future development of LEO satellite mobile communication[J]. Communications Technology, 2020, 53(10): 2447-2453.

[13] 朱洪濤, 郭慶. 基于用戶群組的低軌衛星網絡多星切換策略[J]. 電信科學, 2022, 38(4): 39-48.

ZHU H T, GUO Q. User group based multi-satellite handover strategy for LEO satellite networks[J]. Telecommunications Science, 2022, 38(4): 39-48.

[14] JUAN E, LAURIDSEN M, WIGARD J, et al. Handover solutions for 5G low-earth orbit satellite networks[J]. IEEE Access, 2022, 10: 93309-93325.

[15] 吉彬, 曹旭源, 陽凱. 基于鏈路探測機制的衛星組網技術研究及仿真[J]. 電子信息對抗技術, 2022, 37(1): 90-96.

JIB, CAOXY, YANG K. Research and simulation of satellite networking technology based on link detection mechanism[J]. Electronic Information Warfare Technology, 2022, 37(1): 90-96.

[16] 吳署光, 王宏艷, 王宇, 等. 低軌衛星網絡路由技術研究分析[J]. 衛星與網絡, 2021(9): 66-74.

WU S G, WANG H Y, WANG Y, et al. Research and analysis on routing technology of LEO satellite network[J]. Satellite & Network, 2021(9): 66-74.

[17] DU P P, LI J D, BAI W G, et al. Dual location area based distributed location management for hybrid LEO/MEO mega satellite networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2022, PP(99): 1-15.

[18] 高天旸, 胡笑旋, 夏維. 基于分布式協同進化的星座自主任務規劃算法[J]. 系統工程與電子技術, 2022, 44(5): 1600-1608.

GAO T Y, HU X X, XIA W. Constellation autonomous mission planning algorithm based on distributed co-evolution[J]. Systems Engineering and Electronics, 2022, 44(5): 1600-1608.

[19] 趙力冉, 黨朝輝, 張育林. 空間軌道博弈: 概念、原理與方法[J].指揮與控制學報, 2021, 7(3): 215-224.

ZHAO L R, DANG Z H, ZHANG Y L. Orbital game: concepts, principles and methods[J]. Journal of Command and Control, 2021, 7(3): 215-224.

[20] XU X S, DANG Z H, SONG B, et al. Method for cluster satellite orbit pursuit-evasion game based on multi-agent deep deterministic policy gradient algorithm[J]. Aerospace Shanghai (Chinese & English), 2022, 39(2): 24-31.

[21] HUANG J F, YANG Y, YIN L F, et al. Deep reinforcement learning-based power allocation for rate-splitting multiple access in 6G LEO satellite communication system[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2022, 11(10): 2185-2189.

[22] 劉洋, 王麗娜. 基于樹突神經網絡的低軌衛星智能感知路由算法[J]. 工程科學學報, 2023, 45(3): 465-474.

LIU Y, WANG L N. LEO satellite intelligent-sensing routing algorithm based on a dendrite network[J]. Chinese Journal of Engineering, 2023, 45(3): 465-474.

A survey on networking key technologies for LEO satellite network

JIANG Ruihong1, FENG Yizhe1, SUN Yaohua1, ZHENG Haina2

1. State Key Laboratory of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China 2. Huawei Technologies Co., Ltd., Shenzhen 518129, China

With the continuous development of information and communication technology, the requirements for expanding network coverage and reducing communication delay are becoming higher and higher. Low earth orbit (LEO) satellite networking, as a network system constructed by satellites with low orbital altitudes, has the advantages of wide coverage and small communication delay. Firstly, the development status of LEO satellite network around and the challenges faced by LEO satellite networking were summarized. Then, the key technical difficulties and suggestions of LEO satellite networking were described. Finally, some potentially feasible LEO satellite networking schemes were discussed, combined with the theory and methods of distribution, game and artificial intelligence.

LEO satellite networking technology, artificial intelligence, game theory, 6G space Internet

TP393

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2023032

蔣瑞紅（1989-），女，博士，北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室講師，主要研究方向為低軌衛星網絡的理論性能和關鍵技術。

馮一哲（2000-），男，北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室碩士生，主要研究方向為低軌衛星通信系統接入技術。

孫耀華（1992-），男，博士，北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室副教授，主要研究方向為低軌衛星通信和無線接入網絡智能化。

鄭海娜（1994-），女，博士，華為技術有限公司終端BG標準專利部研究工程師，主要研究方向為低軌衛星通信關鍵技術。

The National Key Research and Development Program of China (No.2022YFB2902600), The Beijing Municipal Science and Technology Project (No.Z211100004421017), The Young Elite Scientists Sponsorship Program by China Institute of Communications (No.2021QNRC001)

2023-01-15；

2023-02-13

孫耀華，sunyaohua@bupt.edu.cn

國家重點研發計劃項目（No.2022YFB2902600）；北京市新一代信息通信技術創新項目（No.Z211100004421017）；中國通信學會青年人才托舉項目（No.2021QNRC001）