低軌衛星通信的探討及建議

陳龍

（中國移動通信集團設計院有限公司重慶分公司，重慶 400000）

0 引言

低軌衛星（LEO）通信作為構建6G 重要的技術之一，其覆蓋范圍更廣，同時在傳輸損耗、時延以及成本等方面有著明顯的優勢。鑒于此，當前應加強對低軌衛星通信技術的研究與應用，積極構建起空、天、地、海一體化的通信系統。此外，低軌衛星通信現已成為地面通信領域中的關鍵組成部分，特別在海洋、沙漠等無線網絡很難覆蓋的區域有著廣泛的應用。低軌衛星通信系統如圖1 所示。

圖1 低軌衛星通信系統

1 低軌衛星通信網絡架構與特點分析

借助不同類型的低軌衛星與星座，可以構建起低軌衛星通信網絡的骨干通信網。其中，物理傳輸介質主要以星間鏈路（ISL）與星地鏈路（SGL）為主，進而可以和中、高軌衛星網絡進行互聯互通，實現信息的實時接收、傳輸與處理[1]。

1.1 基本架構

對于低軌衛星通信網絡而言，主要分為3 個不同的部分：空間段、地面段以及用戶段。①空間段是由很多低軌衛星所構成，其功能主要進行信息的接收與轉發，一些衛星有著星上處理（OBP）的能力。②地面段是由各種類型的關口（Gate way）、測控單元以及網絡控制中心（NCC）等部分組成。③各種類型的用戶終端組成了用戶段，終端類型主要以手持終端、IOT 終端為主。就低軌衛星通信網絡來說，最主要的功能是為各類型的用戶終端提供相應的接入能力，進而可以和地面網絡互聯，圖2 為網絡架構示意圖。網絡架構又可按照有無星間鏈路的情況，劃分為天星天網以及天星地網不同的類型。其中，天星天網主要以Iridium 與Starlink 作為代表，有著一定的星上處理功能，用戶能夠接入衛星互聯網，這一過程中無須進行大量關口站的建設。天星地網的代表是Globalstar 與OneWeb，衛星間無須組網，因而在技術方面相對簡單，維護管理工作較簡便。

圖2 低軌衛星通信網絡架構

1.2 網絡特點

相比于傳統衛星通信而言，低軌衛星通信能夠打破地理條件的限制，在維度方面有著明顯的優勢。同時，其覆蓋范圍更加廣泛、運行與維護成本較低，且部署周期比較短。但是，因為受到暴露性特點以及無線傳輸方式等因素的影響，安全性、穩定性存在一定的弊端?？傮w而言，低軌衛星通信有著以下4 個方面的優勢：首先，衛星的數量較多、業務廣泛，有著較強的可靠性[2]。整個體系容量極大，由幾百甚至幾萬個容量有限的單顆衛星進行疊加。低軌衛星通信不僅包含了寬帶、窄帶通信、物聯網等業務，同時還具有對地監測等方面的功能。同時，低軌衛星通信網絡在冗余性與抗毀能力方面有著突出的優勢。其次，傳輸路徑短，損耗較小。假設其軌道高度是900km，在信號空間傳輸損耗比方面，可以比傳統GEO 通信衛星損耗少32dB 左右，還能有效減少地面設施的成本。因為路徑的縮短，使得端到端的信息傳輸時延有了很大的改進，基本和地面光纖相近。再次，覆蓋范圍廣是一個重要的優勢與特點。低軌衛星通信網絡能夠適應全天候、復雜的地形環境，如山區、叢林以及峽谷地形，其實時通信能力更強大。最后，運動速度快、信道多也是其明顯的優勢。

2 低軌衛星通信的發展歷程與趨勢

按照軌道高度的不同，可以將衛星分為3 種不同的類型：①低地球軌道（LEO）衛星。②中地球軌道（MEO）衛星。③地靜止軌道（GEO）衛星（圖3）。在覆蓋范圍方面，中高軌道衛星有著明顯的優勢，例如，單顆GEO 衛星能夠覆蓋地球表面1/3 左右的面積。但是，在成本、傳輸時延以及損耗等方面卻沒有低軌衛星所具有的優勢。早在20 世紀90 年代，摩托羅拉就已經成功建設了世界上第一個低軌衛星星座，即“銥星”。對于“銥星”系統而言，有著6 個軌道面，每一個軌道共有11顆不同的衛星，進而組建形成完整的星座，可以覆蓋全球范圍內的各個區域，也包含了南極與北極。但是，在數據業務能力方面受到一定的限制，并于1999 年8 月申請了破產保護。在2017 年，進一步部署了“銥星”二代。隨著科學技術的不斷發展，現階段在衛星制造與火箭發射等方面的技術越來越成熟，并且隨著集成電路技術以及通信技術的不斷發展，在成本方面有著極大的進步。一方面，對于火箭發射技術而言，馬斯克“星鏈”的創新，實現了火箭的回收，同時還能實現一箭多星，數量能夠達到60 個。因而，將上萬顆衛星送到軌道平面的成本大大降低[3]。另一方面，隨著集成電路技術的快速發展，衛星逐步朝著小型化、模塊化的方向發展，使得衛星質量大幅降低，并且極大地節省了發射成本。除此之外，衛星制造技術的發展，尤其是材料技術、加工制造技術的發展，使得研制周期、成本進一步降低。最后，通信技術的進步，調制和編碼技術、頻率復用技術的應用，極大地改善了衛星通信系統的性能。近年來，通過太赫茲、可見光通信星際鏈路等技術的應用，不僅能夠實現衛星之間的大帶寬直接組網，同時也有效解決了通信時延等問題。

圖3 低中高軌道衛星

上述分析可以看出，隨著科學技術的快速發展，在成本、時延等方面的問題得到了有效的解決，并且低軌衛星通信逐漸受到了業界的廣泛關注。由于低軌衛星通信有著良好的寬帶互聯網接入功能，通常也將其稱為“衛星互聯網”。近幾年來，LEO 星座建設工作有序開展，如Starlink（星鏈）以及OneWeb、TeleSat 等計劃，我國也進行了“虹云”與“鴻雁”等LEO 星座的建設（表1）。

表1 我國LEO 星座建設

近幾年來，隨著支持性政策文件的實施，我國工信部、國防科工局等單位進行了大量的嘗試，有效促進了衛星通信產業的進步與發展。同時，越來越多民間資本的進入，使得衛星通信領域的發展逐步加快。在2020年4 月份，隨著新基建范圍的首次官宣劃定，進而將衛星互聯網納入新基建領域，5G、物聯網等通信網絡基礎設施的建設工作得到了極大的發展。僅在2020 年一年時間里，我國衛星發射次數達到了39 次。但是，主要以導航、遙感領域為主，通信衛星的數量比較少。預計到2022 年底，低軌衛星數量可以超過800 顆。

3 低軌衛星通信網絡的發展對策研究

3.1 加強中低軌道頻段資源布局

一方面，我國應當加強對ITU 規則的研究，并開展頻率協調與雙邊合作。如此一來，便可在低軌星座部署工作中占盡先機[4]。另一方面，要對目標軌道、施效潛力以及長遠需求做出全面的分析，對中低剩余軌道資源進行統籌規劃，加速混合異構軌道的創新，不斷提高中低軌星座組網的效能。除此之外，還要加強對EHF（Q/V/W）以及太赫茲、激光等領域的研究，做好更高頻段的頻率資源的利用。

3.2 提升星、天、空、地海一體化通信能力

首先，我國應當逐步構建起多域一體化網絡構架，其中不僅囊括了深空/星際網以及天基骨干網，同時還包含了空基網、陸基網以及?；W等等，提高通信網絡的高效協同效果。需要注意的是，通過將激光和量子通信進行融合，可以有效發展高速信息傳輸技術，并且可以提高數據的保密性、安全性效果。除此之外，還應加強對動態協作組網技術的研究與應用，確保信息可以經過星際鏈路，進而正確達到目的地。

3.3 低成本航天技術的研究與應用

隨著全球范圍內低軌星座競爭不斷加劇，技術人員應當對傳統的衛星制造技術進行改進，并加快衛星發射技術的迭代升級，通過流水線量產的方式，或者是“一箭多星”等方式的應用，降低制造成本。例如，OneWeb 公司建立了“衛星工廠”生產線，每天至少可生產2 顆衛星。SpaceX 公司的衛星生產能力更高，日產能力可以達到6 顆甚至更多。為有效降低航天技術成本，應當加強對大數據控制技術、智能裝配技術以及3D 打印技術的應用。除此之外，還應加強對運載火箭的研究，提高其重復利用的次數。

3.4 做好與國際社會的合作

合作與競爭具有相互依存的辯證關系，為促進我國低軌衛星通信行業的發展，應該加強與國際社會的合作，避免陷入“軍備競賽”的尷尬境地[5]。鑒于此，應當秉持開放、協作、共享的態度，加強與國際社會的合作與溝通，提高空間通信網絡資源的利用效率，避免出現不必要的浪費問題。在此基礎上，應當積極參與相關規則的制定，通過各方共同協商等方式，防止太空霸權等問題的發生。

3.5 構建智慧衛星移動通信網絡

在可預見的將來，衛星網絡結構將會變得更加龐大、復雜，同時業務類型與應用場景也會變得更加繁雜。因此，要加強對AI 等技術的研究，應用6G 解決各類需求，這就需要將人工智能技術、地面通信技術以及衛星網絡等技術有機整合在一起（圖4）。通過對數據智能融合技術與深度處理技術的應用，結合星融網的狀況，加快對多系統、大容量、綜合性異構網絡構架的研究。除此之外，還應加強對邊緣計算、AI 技術和計算等先進技術的合理應用，實現空天資源的高度共享和科學利用。如此一來，便可合理進行通信、導航以及遙感、地理信息服務的科學部署，并且可以提高網絡信息服務水平。需要注意的是，應當妥善構建智慧標準協議體系，通過對深度學習的行為做出全面的分析，制定具有個性化的神經網絡模型，不斷優化通信體驗。

圖4 6G 全球泛在覆蓋

4 結語

相較于傳統的通信網絡而言，低軌衛星通信系統在覆蓋范圍、運行與維護成本、部署速度等方面有著明顯的優勢。另外，與傳統的高軌衛星通信相比，在整體布設、傳輸模式以及拓撲結構等方面，低軌衛星通信也有著獨特的特點。受到物聯網、航天產業的發展與帶動作用，當前應加速低軌衛星通信領域的研究與應用。同時，還應加強與國際社會的合作，加強中低軌道頻段資源布局，提升星、天、空、地海一體化通信能力，促進低軌空間的和平開發與利用。