基于專利分析的國外星間鏈路技術發(fā)展研究

高和 張巍瑋 王永芳

（1 中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院 2 北京遙測技術研究所）

為減少衛(wèi)星星座對地面基礎設施的依賴，讓星座具有更短的傳輸時延和更高的通信容量，建設星間鏈路成為星座系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢。專利承載著全球最新技術情報，本文采用專利分析方法全面洞察國外星間鏈路技術發(fā)展情況。通過在德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫（DWPI）內(nèi)檢索，獲取星間鏈路技術公開專利，從專利申請趨勢、技術構成、國外主要創(chuàng)新主體等角度分析星間鏈路技術發(fā)展態(tài)勢。

1 引言

隨著航天事業(yè)和通信業(yè)務的日益發(fā)展，單星工作模式不能滿足現(xiàn)代衛(wèi)星任務的需求，星間鏈路（ISL）技術可增強衛(wèi)星網(wǎng)絡的覆蓋能力和可拓展性，降低端到端延遲，同時減少對地面基礎設施的依賴，提高系統(tǒng)容量。20世紀90年代初，摩托羅拉公司（MOTOROLA）設計出一款具有星間鏈路和星上處理能力的低軌（LEO）通信衛(wèi)星星座——“銥星”（Iridium）系統(tǒng)，面向全球提供移動話音服務，該系統(tǒng)最早建立星間鏈路，但因市場運營失敗而終止。近年來，衛(wèi)星星座建設如火如荼，為滿足高速的星間通信，大批商業(yè)公司研制衛(wèi)星并采用星間鏈路來為用戶提供服務，如太空探索技術公司（SpaceX）正在建設的低軌衛(wèi)星星座，從2021年發(fā)射的星鏈－v1.5（StarLink－v1.5）型號開始，以及升級的StarLink－v2均搭載有激光通信載荷。專為政府及企業(yè)提供數(shù)據(jù)傳輸服務的“低軌衛(wèi)星”（LeoSat）星座，計劃在1400km的低軌道面上部署108顆衛(wèi)星，通過激光鏈路提供5.2 Gbit/s的全雙工連接。

巨型星座網(wǎng)絡的蓬勃建設，引發(fā)星間鏈路技術專利申請激增，通過挖掘和分析專利信息，可幫助創(chuàng)新主體解決科研實際問題，提高技術創(chuàng)新起點，掌握技術發(fā)展動態(tài)，為企業(yè)、科研機構制定發(fā)展路線和規(guī)劃提供有力信息支撐。

2 專利檢索情況

本文采用德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫開展專利檢索。圍繞星間鏈路領域，主要通過5個方面的關鍵技術制定檢索策略：①星間組網(wǎng)架構設計；②星間鏈路狀態(tài)感知技術；③網(wǎng)絡路由與協(xié)同控制技術；④流量均衡技術；⑤網(wǎng)絡安全防護技術。檢索日起止日期為1980年1月1日至2023年3月15日，共獲得852項全球專利。

專利檢索結果

3 發(fā)展趨勢分析

通過統(tǒng)計星間鏈路技術專利申請數(shù)量，可將其趨勢劃分為：探索階段（2010年之前），起步階段（2011－2019年），快速發(fā)展階段（2020年至今）。

探索階段

2010年之前，歐美運營商主要探索基于衛(wèi)星中繼的全球移動通信體制。美國摩托羅拉公司建設運營的“銥星”系統(tǒng)是第一代全球衛(wèi)星通信星座，也是最早的星間鏈路系統(tǒng)，因為運營虧損，“銥星”計劃于1999年宣告破產(chǎn)，導致星間鏈路技術發(fā)展遇挫。從專利申請趨勢來看，從1988年摩托羅拉公司提出首項星間鏈路專利方案以來，至2010年，每年全球申請量低于20項，申請主體不到10位，主要是歐美衛(wèi)星網(wǎng)絡運營商、衛(wèi)星平臺制造商在探索以衛(wèi)星為中繼的全球移動通信體制。例如：摩托羅拉公司1988年提出衛(wèi)星蜂窩電話和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（CA1340967C），該系統(tǒng)是由48顆低軌道衛(wèi)星通過環(huán)形組網(wǎng)結構，向移動用戶提供鏈接；洛馬公司（LM）在1996年申請專利衛(wèi)星星座（US5911389A），用27顆具有交叉鏈路的衛(wèi)星可實現(xiàn)地球全覆蓋；德國OHB公司1994年提出星間鏈路的星間通信方法（DE4434826A1），讓衛(wèi)星在彼此可見時直接相互交換信息，以存儲和轉發(fā)地球終端之間的通信信息 。

星間鏈路全球專利申請量發(fā)展趨勢

起步階段

2011－2019年，衛(wèi)星鏈路安全和軟件定義網(wǎng)絡（SDN）成為研究重點。這期間，專利申請量開始逐步形成穩(wěn)定的增長趨勢，象征著星間鏈路技術的發(fā)展重新起步，衛(wèi)星鏈路安全被重視，軟件定義衛(wèi)星和網(wǎng)絡功能虛擬化技術（NFV）開始興起。

衛(wèi)星網(wǎng)絡的鏈路安全問題是限制星間鏈路應用的關鍵因素之一，尤其受到美國軍方及防務企業(yè)的重視，例如：美國波音公司（Boeing）2013年申請的專利——低軌道和中軌道（MEO）信號的天基認證（DE602013076752T2）、基于信任度的安全路由（EP2810419B1）；美國空軍（USAF）2017年發(fā)明專利定時認證流程（US10546130B1）；歐洲泰雷茲公司（TAS）2018年提出了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中非法流量的檢測和過濾方法（FR3086481B1）。

軟件定義網(wǎng)絡方面，針對星間網(wǎng)絡差異化服務弱、資源利用率低等問題，基于SDN/NFV技術的軟件定義網(wǎng)絡架構，提供面向業(yè)務需求的資源配置和服務保障成為重要研究方向。代表性方案有：休斯網(wǎng)絡公司（Hughes Network）2015年提出專利軟件定義衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的集中式路徑確定和流量工程（EP3175647B1）；洛馬公司關注網(wǎng)絡功能虛擬化技術，2016年提出支持虛擬化的衛(wèi)星平臺（EP3529916A4）、跨衛(wèi)星節(jié)點的資源融合方案（US10498595B1）。

快速發(fā)展階段

2020年至今，高中低軌協(xié)同工作，激光/微波/毫米波鏈路組合使用，是星間鏈路研究的重要方向。2020年，星間鏈路領域專利申請量迅猛增長，已突破百項，2021－2022年，盡管部分專利由于公開延遲的原因尚未統(tǒng)計在內(nèi)，但從近兩年已經(jīng)公開的數(shù)量來看，整個技術領域的創(chuàng)新熱度高漲。究其原因，全球星座建設熱潮為星間鏈路的發(fā)展提供了強勁動力。

這一時期，面向大容量、高速率、低時延的通信需求，國外研究機構提出了高中低軌衛(wèi)星協(xié)同，激光/微波/毫米波鏈路融合的網(wǎng)絡架構，代表性方案包括：美國國家航空航天局（NASA）提出為LEO衛(wèi)星提供連續(xù)的雙向高速數(shù)據(jù)傳輸（US20180309508A1），休斯網(wǎng)絡公司提出的綜合中低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)（US20230059412A1）。此外，針對低軌衛(wèi)星部署密集，網(wǎng)絡拓撲變化快，鏈路通斷頻繁的特性，國外研究機構在鏈路狀態(tài)檢測、網(wǎng)絡路由協(xié)議方面涌現(xiàn)出大批專利，如波音公司提出了NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)的路由（JP2021114764A），洛馬公司研究了NGSO衛(wèi)星網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)包轉發(fā)機制（EP3921738A4）。

4 國外創(chuàng)新主體分析

美國重點申請人

波音公司是全球最大的衛(wèi)星制造商之一。2021年，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）批準了波音公司研制和運營147顆NGSO寬帶衛(wèi)星的申請，允許波音公司在特定V頻段頻譜上使用星間鏈路。此外，波音公司參與了美國多個星間鏈路系統(tǒng)的研制。在星間鏈路領域，共29項同族專利，以通信組網(wǎng)架構、星上路由技術、鏈路安全技術為主，分別有12項、7項和5項專利。2011－2013年，波音公司重視衛(wèi)星鏈路安全，提出了低/中軌道信號的天基認證機制、基于信任級別的安全路由機制。2014－2019年，波音公司一方面關注自由空間光通信技術，提出動態(tài)自由空間光通信網(wǎng)絡中的帶寬優(yōu)化和無中斷傳輸（US8200093B2）、高通量空間光通信（CN111865364A）；另一方面，對星際鏈路通信系統(tǒng)展開了探索，提出火星同步軌道星座設計（US20200162151A1）。2020年至今，伴隨NGSO星座發(fā)展計劃，波音公司基于SDN架構設計了多款NGSO星座路由方案，例如：NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)的路由（JP2021114764A）、NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)的差分路由（US20220263567A1）、具有閉環(huán)反饋的自適應自優(yōu)化網(wǎng)絡（JP2021129232A）。

洛馬公司的航天業(yè)務主要包括衛(wèi)星和航天器的研發(fā)制造，其衛(wèi)星系統(tǒng)幾乎包攬了美國所有軍用衛(wèi)星的生產(chǎn)和發(fā)射業(yè)務，并提供全球通信服務。在星間鏈路領域，洛馬公司擁有29項同族專利，涉及通信網(wǎng)絡架構設計18項，星間網(wǎng)絡協(xié)同管控技術9項，在美國、日本、加拿大、歐洲等國家和地區(qū)展開布局。洛馬公司在星間鏈路領域的專利技術發(fā)展情況可以分為兩個階段：2010年以前，該公司致力于MEO通信衛(wèi)星系統(tǒng)的研究，MEO通信衛(wèi)星系統(tǒng)（US5890679A）和具有簡單衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲結構的MEO星座（US8800932B2）兩項專利中，都提出了交叉互聯(lián)的MEO衛(wèi)星星座方案，可實現(xiàn)比GEO系統(tǒng)更優(yōu)異的時延性能、比LEO衛(wèi)星星座更有效的分集覆蓋。2016年至今，該公司步入以SDN/NFV為核心的第二發(fā)展階段，開發(fā)出一系列星載軟件，基于星間互通實現(xiàn)跨衛(wèi)星節(jié)點的融合資源調(diào)度，增強衛(wèi)星應用功能，這方面的專利包括：支持虛擬化的衛(wèi)星平臺（EP3529916A4）、跨衛(wèi)星節(jié)點的資源融合（US10498595B1）、集群衛(wèi)星平臺之間的狀態(tài)化（EP3529915A4）、對等衛(wèi)星通信的服務質(zhì)量等級選擇（US10505623B2），以及衛(wèi)星間帶寬優(yōu)化范圍調(diào)整（US10630378B2）。

此外，美國思科公司（Cisco）發(fā)展重點是鏈路感知雙向轉發(fā)檢測技術；休斯網(wǎng)絡公司較為重視多軌道衛(wèi)星通信的融合架構以及網(wǎng)絡認證與訪問控制技術；摩托羅拉公司則是于20世紀初在衛(wèi)星蜂窩網(wǎng)絡系統(tǒng)方面積累了大量專利成果。

歐洲重點申請人

泰雷茲公司在星間鏈路領域共計申請10項專利，其中5項聚焦在鏈路安全方面，包括：2018年提出一種用于檢測和過濾衛(wèi)星網(wǎng)絡中的非法通信流的方法（FR3086481B1），尤其是克服分布式拒絕服務攻擊（DDoS）引起漏斗現(xiàn)象；2020年在量子加密方向布局了2篇專利：通過衛(wèi)星消息系統(tǒng)安全交換數(shù)據(jù)的方法（FR3115955A1）、衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸安全程序和相關傳輸系統(tǒng)（FR3115954A1）。專利申請內(nèi)容反映出近年泰雷茲公司十分關注量子加密通信，主張在自由空間光鏈路中使用量子密鑰交換技術，以保證衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

5 關鍵技術發(fā)展啟示

1）高中低軌道衛(wèi)星協(xié)同工作，激光鏈路與微波/毫米波鏈路組合使用，是衛(wèi)星通信體制的演進方向。低軌衛(wèi)星星座建設浪潮火熱，但低軌衛(wèi)星具有網(wǎng)絡拓撲動態(tài)變化、與地面接觸時間短暫、星上載荷資源受限等特性，限制了其傳輸容量和傳輸速率。NASA提出在LEO軌道上方設置路由器衛(wèi)星（SkyRouter），保障高速數(shù)據(jù)傳輸并提供數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理附加服務（US20180309508A1）；洛馬公司提出讓GEO衛(wèi)星在地面網(wǎng)關和LEO衛(wèi)星之間利用光學鏈路中繼通信流量；休斯網(wǎng)絡公司提出的綜合中低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，融合了星間、軌間光學鏈路，以及星地Ka、Q/V、E多頻段、多波束組合鏈路，可提供高速寬帶服務和熱點覆蓋（US20230059412A1）。

NASA、洛馬公司、休斯網(wǎng)絡公司均已提出高中低軌道衛(wèi)星協(xié)同工作、激光鏈路與微波/毫米波鏈路融合通信體質(zhì)。一方面提升星座服務性能，滿足今后大容量、高速率、低時延的通信需求；另一方面，利用高低軌之間的光學鏈路中繼通信流量，能解決頻譜和網(wǎng)關著陸權問題。

2）利用地面集中式路由緩解星上計算負擔，用戶路由與星間主干路由解耦，為美國研究重點。分布式網(wǎng)絡存在計算復雜度高、收斂慢且管控困難等缺點，目前難以直接應用于節(jié)點處理能力較弱的衛(wèi)星網(wǎng)絡。集中式路由將控制功能從網(wǎng)絡節(jié)點中分離出來，進而減少節(jié)點的處理負擔并大幅加強網(wǎng)絡的管控能力。

波音公司提出用戶路由表與衛(wèi)星主干路由表的解耦，減少了NGSO系統(tǒng)的計算負擔，主干路由表在地面控制器上預先計算，NGSO衛(wèi)星系統(tǒng)只需實時更新計算用戶路由（JP2021114764A）；休斯網(wǎng)絡公司提出設置路由管理服務器（RMF）收集鏈路狀態(tài)信息，確定路由表，并傳輸至相應衛(wèi)星，主干鏈路上的衛(wèi)星節(jié)點只需根據(jù)數(shù)據(jù)報頭中的衛(wèi)星ID來轉發(fā)數(shù)據(jù)（US20230059780A1）；洛馬公司提出由軟件定義網(wǎng)絡控制中心評估所有時變網(wǎng)絡路徑，及時丟棄超額信息速率數(shù)據(jù)包，確保NGSO衛(wèi)星網(wǎng)絡中端到端數(shù)據(jù)流的信息速率和服務質(zhì)量配置（US11601191B2）。

3）基于SDN架構實現(xiàn)網(wǎng)絡資源虛擬化，動態(tài)調(diào)整資源配置，是解決業(yè)務擁塞、保障服務性能的重點研究方向。全球區(qū)域用戶分布不均、業(yè)務突發(fā)性強，然而網(wǎng)絡帶寬資源受限，因此，衛(wèi)星網(wǎng)絡存在局部流量擁塞，但整體資源占用率低的矛盾問題，需采用高效的業(yè)務調(diào)度和資源管理方式來優(yōu)化網(wǎng)絡性能。軟件定義網(wǎng)絡具有較高的靈活性，通過網(wǎng)絡控制器收集、分析全網(wǎng)流量的分布情況，感知鏈路帶寬利用率，進而能夠協(xié)調(diào)網(wǎng)絡資源，實現(xiàn)流量均衡調(diào)度，提高服務質(zhì)量保障。

銥星公司提出地面控制中心收集衛(wèi)星節(jié)點的會話數(shù)量和可用帶寬信息，評估全網(wǎng)負載進而告知衛(wèi)星節(jié)點實施波束切換、鏈路切換等擁塞緩解策略（US20200196188A1）；波音公司提出軟件定義衛(wèi)星星座實現(xiàn)多種星上資源的虛擬化，統(tǒng)一由地面資源管理器進行資源動態(tài)配置以提供多種不同類型的服務（US11063818B2）。洛馬公司提出相鄰衛(wèi)星節(jié)點共享帶寬資源，可以根據(jù)服務質(zhì)量等級、業(yè)務需求、業(yè)務優(yōu)先級、衛(wèi)星節(jié)點之間的距離、天線類型等因素調(diào)整相鄰衛(wèi)星間的帶寬分配（US10630378B2）。

4）運用人工智能聚類算法主動檢測和防范攻擊是網(wǎng)絡安全防護的發(fā)展方向。衛(wèi)星網(wǎng)絡的安全防護一直是各國關注的重點問題，根據(jù)近3年歐美主體的專利申請情況發(fā)現(xiàn)，基于人工智能算法進行網(wǎng)絡攻擊檢測成為衛(wèi)星網(wǎng)絡安全的重點發(fā)展方向。

美國休斯網(wǎng)絡公司提出采用“K平均”（K-means）聚類算法，根據(jù)傳輸控制協(xié)議中源端口、目的地端口、標志、序列號、確認號/窗口大小、路由路徑等數(shù)據(jù)信息來識別諸如分布式拒絕服務攻擊，并對攻擊類型和攻擊頻率進行分類，然后通過分布式協(xié)調(diào)來主動防止攻擊的傳播（EP3837822A1）。泰雷茲公司通過監(jiān)測通信流的總持續(xù)時間、數(shù)據(jù)包的平均傳輸持續(xù)時間、數(shù)據(jù)包的平均大小、傳輸速率、傳輸間隔等特征，采用分類算法來檢測和過濾衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中的非法通信流（FR3086481B1）。

6 結語

針對全球星間鏈路技術發(fā)展態(tài)勢，可從如下方面實現(xiàn)核心技術突破：一是高中低軌道衛(wèi)星協(xié)同、激光鏈路與微波/毫米波鏈路融合，優(yōu)化通信體制，提高星間鏈路的通信容量、傳輸速率和時延等性能；二是集中式路由機制，將用戶路由與星間主干路由解耦，以緩解星上計算負擔，并大幅加強網(wǎng)絡的管控能力；三是基于SDN架構實現(xiàn)網(wǎng)絡資源虛擬化，動態(tài)調(diào)整資源配置，提升資源占用率，并解決流量不均、業(yè)務擁塞等問題，保障端到端服務性能；四是運用人工智能聚類算法主動檢測和防范網(wǎng)絡攻擊，增強衛(wèi)星網(wǎng)絡安全防護能力。