6G網絡中的衛星通信

呂智勇

（南京熊貓漢達科技有限公司，南京 210014）

0 引言

隨著5G移動通信系統的全面布局，6G移動通信系統的研究也已正式提上日程[1]。特別是隨著中美之間5G競爭的加劇，美國加快了6G技術研究，美國聯邦通信委員會已決定開放95千兆赫到3太赫茲頻段，供6G實驗使用。甚至有報告指出[2、3]，“6G的特點是以衛星為基礎組建互聯網，美國實際上可能跳過5G，直接過渡到6G”。衛星通信在6G移動通信網絡中到底發揮怎樣的作用？美國真有可能跳過5G，直接建立6G通信網絡么？我們將帶著這些問題，分析6G移動通信網絡中的衛星通信系統。

1 6G移動通信網絡

目前，5G正處于規模商用的起步階段，預計將有10年的使用壽命，而6G技術的研發剛剛開始，尚無統一的標準，各主要開發商均按照自己對6G預期愿景（6G愿景應該是現有5G不能滿足而需要進一步提升的需求，具體說就是全球范圍內陸、海、空、天的無縫連接，人-機-物-靈之間的深度連接，以及人工智能的深度應用開發）開展技術攻關。但有幾個大的發展趨勢，大家已達成初步共識[4、5、6]：一是更高的通信頻段，以支持更高的傳輸速率；二是天地一體化的網絡，實現全球陸、海、空、天無縫通信；三是智能連接，網絡與用戶融為一體，智能應用與網絡深度融合?？梢钥闯觯?G移動通信網絡的能力將在5G移動通信網絡能力（保障范圍、通信速率、頻譜效率、傳輸與處理時延、連接密度、網絡能效、移動能力、智能化能力）的基礎上得到進一步提升，6G系統將構建一張無所不在（覆蓋陸、海、空、天）、無所不連（人-機-物-靈）、無所不能（深度連接、智能處理）的網絡。

結合6G移動通信網絡技術特點，對比美國正在建設的低軌衛星通信系統（OneWeb，Starlink，LeoSat等），可以得到如下結論：美國不太可能跳過5G網絡，直接建立基于衛星通信的6G網絡，原因如下：

（1）6G移動通信網絡是天地一體的通信網絡。地面移動網絡為用戶密集地區提供寬帶、低時延、高效通信，衛星網絡實現全球無縫覆蓋。單一衛星網絡難以滿足高速率、低時延、高連接密度的使用要求，不能滿足6G的預期愿景。

（2）6G標準正在研究中，尚未形成統一的規范。以往地面移動通信網絡建設一般都是標準先行，待標準完善后再進行系統建設。這樣操作，一是可以避免巨大的投資風險，二是便于在全世界推廣應用。因此，在6G標準真正形成以前，很難提前開展系統建設。

（3）6G移動網絡的關鍵技術尚未突破，目前難以應用到實際的系統中。

2 6G網絡中的衛星通信

衛星通信不能單獨構建6G移動通信網絡，但它是6G移動通信網絡的重要組成部分，是實現陸、海、空、天全球無縫覆蓋關鍵一環。為滿足未來6G網絡通信要求，衛星通信將具有以下特點。

2.1 軌道高度

6G移動通信網絡中衛星系統以低軌星座系統為主，衛星軌道高度約為300千米左右。軌道高度越低，傳輸時延越小，對實時業務保障越好；軌道高度越低，傳輸損耗越小，同等功率下可支持更高速通信業務；軌道高度越低，覆蓋全球所需衛星數量越多，頻率復用次數越多，系統容量越大；軌道高度過低，則大氣阻力將嚴重影響衛星壽命，極大增加系統建設成本；300千米軌道高度，大氣阻力可基本忽略，軌道高度再往下降則大氣影響逐步加大。

2.2 工作頻段

6G移動通信網絡中衛星系統工作頻段可選擇太赫茲和激光。

（1）目前適合衛星通信的UHF，L，S，C，X，Ku，Ka頻段已開發殆盡，oneweb、starlink等低軌衛星通信系統已在第二階段布局了Q，V，W等頻段，留給6G網絡中衛星系統可選頻段已經不多。

（2）更高頻段可支持更高速通信業務，目前美國已開放95千兆赫到3太赫茲頻段供6G實驗使用，相關技術攻關和器件開發也已全面展開，是未來移動通信可選頻段，衛星選用太赫茲頻段可實現與地面系統的一體化設計。

（3）激光通信技術已日漸成熟，目前已在多顆衛星搭載試驗，是衛星實現寬帶高速通信的有效手段。

2.3 衛星載荷

6G移動通信網絡中衛星載荷將是一個綜合任務載荷，具備通信、導航、遙感等多種功能。

（1）隨著科學技術的發展，衛星平臺能力將得到極大的提升，能同時支持多個任務載荷。

（2）衛星軌道高度降為300千米后，需要上萬顆衛星才能實現全球無縫覆蓋（參考Starlink星座設計）；在其上配置導航和遙感載荷后（相當于現有導航、遙感衛星數量增加了幾百倍），可以將導航精度和遙感時效性提高到一個新的水平。

（3）通信、導航、遙感三種載荷相互配合可極大提高系統整體效能。導航為通信提供精準的用戶位置信息，方便用戶隨遇接入；遙感為通信提供頻率使用和干擾信息，方便系統頻率使用調度；通信為導航、遙感提供數據傳輸通道，方便系統管理和信息傳輸，極大提高系統效能。

2.4 星載天線

6G移動通信網絡中衛星天線將是多點波束相控陣天線，每顆衛星可形成上百個點波束，每個點波束覆蓋范圍較小，可根據任務需求在衛星對地視場內自由移動。

（1）6G中的衛星采用太赫茲后，通信波束寬度可以大幅縮小，這將極大提高通信天線增益。

（2）通信波束覆蓋縮小后，大幅增加了波束間的空間隔離度。系統可根據用戶位置，單獨調整衛星天線指向，為每個用戶建立通信連接，這將極大增加頻率復用次數，提高系統容量和通信速率。

（3）每個波束都可在衛星對地視場內自由移動，同一地區的用戶可分別由數十顆不同衛星提供通信服務，極大的增強了系統的靈活性和健壯性。

2.5 星上處理

6G移動通信網絡中衛星星上處理能力大大增強，每一顆衛星都具有星上信號再生處理、路由交換、用戶管理、應用服務等功能。

（1）軟件化和開源化是未來發展趨勢。在6G時代，軟件無線電（SDR）、軟件定義網絡（SDN）、云化、開放硬件等技術將進入成熟階段，星上處理功能將得到極大增強。

（2）移動邊緣計算將得到廣泛應用，系統需在滿足異構服務、時延要求、傳輸帶寬限制的前提下，實現跨網元、跨區域地的計算和數據分析的分發。每顆衛星都是一個處理節點，衛星不再單純的完成信號的透明轉發，而是在星上完成信息的解析、路由交換、用戶管理等功能，這將全面提高系統性能。

2.6 星間鏈路

6G移動通信網絡中各衛星間將建立廣泛的、全面的連接，不同軌道面之間、同一軌道面之間相鄰衛星將建立高速的激光鏈路，實現衛星之間數據的傳輸。

（1）任意一顆低軌衛星將通過激光鏈路與相鄰的衛星建立星間連接，衛星系統將在天上建立一張與地面系統相當規模，即可獨立存在，又可相互融合的互聯網絡，真正實現天地一體化發展，這將使6G網絡性能得到充分發揮。

（2）激光技術的快速發展，使衛星之間Tb/s量級的空間激光傳輸成為可能。

2.7 用戶/饋電鏈路

6G移動通信網絡中衛星將不再區分用戶鏈路和饋電電路，兩者合二為一。

（1）星間鏈路的建立使得數據的路由變得多樣化，不再僅通過本地饋電鏈路與地面系統連接，可以通過星間鏈路實現就近接入。

（2）用戶通信速率的不斷提升，使得單一饋電鏈路的帶寬難以承受寬帶業務的高速發展，必須建立多條對地鏈路實現高通量數據的接入。

（3）用戶、饋電鏈路的一體化設計大大簡化了衛星的設計，且能實現數據的分布式傳輸，增強系統的健壯性。

（4）用戶、饋電鏈路的一體化設計降低了饋電鏈路的傳輸要求，進而降低了對地面接入站的設計要求?？筛鶕到y需要分布式布局，優化了系統設計，方便了系統使用。

2.8 人工智能

人工智能在6G移動通信網絡的衛星系統中將得到廣泛應用。

（1）6G中的衛星系統是一個分布式的網絡構架，業務類型和應用場景眾多，充分利用AI技術幾乎是必然的選擇。

（2）隨著人工智能的發展，自動化網絡在6G時代將成為現實，可以動態選擇不同類型的無線接入技術，可以根據需求自動配置網絡資源，可以自動提出網絡規劃建議等。

（3）只有采用基于人工智能的自動化網絡才能滿足對QoS要求越來越嚴苛的應用，單純依靠人力無法滿足網絡敏捷性、實時性需求。

（4）通過人工智能可實現分布式動態連接、路由選擇、負載平衡和數據緩存等，從而保障通信穩健性。

（5）未來的移動網絡是一個自治系統，能夠自主學習、預測和處理。網絡是有意識的，網絡規劃和優化本身屬于網絡的一部分。

2.9 系統建設

地面移動通信系統是由大家共同制定統一的標準規范，然后由各個國家和地區根據自己的發展需要各自開展建設，獨自負責運營。而6G移動通信網絡中的衛星系統將有可能打破這一局面，它將會是一個共享的系統，將由多個國家共同建設，可供全世界人民使用。

（1）通信頻率是所有通信系統建設的基礎，地面移動通信系統由于所處區域的不同，不同國家和地區可以共享同一頻率，用以建設各自的地面系統；而低軌衛星通信系統頻率使用是互斥的，一個系統占用了某一頻段，則其他系統很難共用?？晒?G網絡中衛星系統使用的頻率和軌位資源有限，不足以支持多個系統建設。

（2）低軌衛星通信系統建設投資金額大，系統建成后可覆蓋全球。小的國家和地區很難或者沒有必要建設一個如此巨大的覆蓋全球的通信系統。

（3）衛星通信系統將是6G移動通信網絡的重要組成部分，不可或缺，各大國不可能放棄在該領域的競爭。最有可能的結果是組建2-3個聯盟，構建各自的衛星系統，為全球提供6G衛星移動通信服務。

3 關鍵技術

星載太赫茲相控陣天線技術：相控陣天線技術目前已經比較成熟，在工程應用中已大規模應用，但星載太赫茲相控陣天線有諸多技術難點需要進行攻關。一是太赫茲星載元器件；目前尚無成熟產品，需要提前布局，展開研制。二是大規模（上百個）極窄波束形成與控制技術；要求星上同時產生上百個極窄波束，各自準確指向相應通信用戶，在低軌衛星高速運動中始終自動跟蹤用戶，并保持指向精度，這對天線設計提出了很高的要求。三是星載天線的小型化和可靠性設計技術；低軌衛星平臺安裝面積有限，對星載天線的尺寸、重量有嚴格的限定，這將極大增加天線設計難度。

基于人工智能的通、導、遙一體化設計技術：一是人工智能、邊緣計算與衛星網絡融合技術，將使衛星計算和信號處理能力變得異常強大。二是基于深度學習的信號檢測與信道估計技術；將由衛星自主分析估計各種條件下的信道模型，并進行精準匹配均衡。三是通信、導航、遙感的一體化應用技術；衛星網絡基于人工智能自動調度、分配整個網絡中通信、導航、遙感任務，使系統利用率達到最佳。

低軌衛星自組網技術：一是動態組網技術；低軌星座系統根據用戶、饋電、星間鏈路的實時變化，自動更新維護網絡拓撲。二是系統自主管理技術；星座系統基于人工智能，自主保持各低軌衛星間相對位置，自主維護衛星軌道姿態。三是基于深度學習的網絡管理技術；衛星網絡將自動根據資源使用和干擾情況進行相互間協商調度，實現系統性能最優。

4 結束語

衛星通信是6G移動通信網絡的重要組成部分，是實現天、空、地、海一體化無縫覆蓋的關鍵。隨著用戶需求的不斷增加，先進技術的快速發展，衛星通信系統將與地面移動通信系統進行深度融合，朝著更低軌道、更高頻率、更大帶寬、更多衛星、更加智能、更多功能以及天地一體方向發展，將在未來通信網絡中發揮越來越重要作用。