衛星網絡跨層技術與6G通信探究

張 堯

（濱州醫學院 山東煙臺 264003）

隨著移動通信技術的發展，數字化和信息化水平不斷影響著人們的生活方式，2019年我國啟動了5G網絡的商用，5G網絡逐步融入人們的生活方式，高性能、低時延、大容量是5G的突出特點，5G融入了人工智能、大數據等多項技術推動醫療、交通、傳統制造業等向智能化、網絡化方向變革，進一步推動了物聯網時代的發展。根據移動通信“使用一代、建設一代、研發一代”的發展理念，業界普遍認為6G將會在2030年開始商用。雖然各個國家對6G網絡的研發才剛剛開始，很多的關鍵技術和組網方式未達成一致，但是未來要滿足超高的網絡性能要求，及無人不聯、無處不聯、無事不聯、無時不聯的特點[1]，衛星網絡在萬物互聯及地面基站無法覆蓋的范圍都會扮演至關重要的角色，衛星網絡必然是中6G網絡中重要的組網方式之一。然而衛星網絡中存在高時延、高誤碼率、吞吐量低等問題會，如何在現有資源的基礎上提升衛星網絡的性能是各方研究的方向。

一、6G組網方式中的衛星網絡

（一）移動通信組網發展歷程

1974年貝爾實驗室提出了蜂窩移動網概念，蜂窩移動通信的出現可以說是移動通信的革命，第一代移動通信信號為模擬調制，弊端非常明顯。隨著數字蜂窩語音通信系統的出現，TDMA及CDMA技術的應用，在抗干擾和多徑衰落等方面較第一代有了顯著提高。雖然2G通信技術有著很多優點，但是隨著移動用戶數量的快速增長及對帶寬需求的不斷增加，3G和4G網絡在地面基站大量部署的同時，也通過微基站的靈活應用緩解網絡覆蓋能力不足的問題。2019年我國啟動5G網絡商用以來，各大運營商加快了5G基站的大規模部署。從目前的布網方式不難看出，為了滿足不斷提高的網絡帶寬、更低的傳出時延及更高的通信可靠性要求，都是通過地面基建及微基站“補盲補強”的方式。

（二）6G組網方式探究

隨著網絡用戶的不斷增加和業務要求的提高，必然會帶來基站規模的擴大和部署站點成本的增加。僅靠基站的方式難以滿足6G網絡中無所不在、無所不連、無所不能的天地一體化的網絡性能，立體組網方式成為必然，而衛星通信可以實現陸、海、空、天的全面覆蓋是實現6G的重要一環[2]，在2020中國衛星隨著我國第一顆6G試驗衛星（星時代-12）的發射及SpaceX公司星鏈計劃的實施，衛星網絡將會是6G的重要組網方式。隨著低軌衛星通信技術的發展和推廣以及衛星互聯網產業的逐步應用，衛星網絡模式下的6G通信將會加速實現。由于在5G時代仍然有80%以上的陸地和95%以上的海洋區域無法被網絡信號覆蓋，而這些區域在6G時代將實現全覆蓋，因此具有廣覆蓋、大容量和不受地理條件限制等優點的衛星網絡有望成為6G通信的重要補充[3]。其網絡組網架構如圖所示。

圖1 6G組網架構設想

二、衛星網絡跨層協議技術在6G網絡中的應用

（一）未來6G網絡性能要求

在5G網絡時代，地面基站基本可以滿足我們對物物相連的性能要求，5G網絡的峰值速率能達到10-20Gbit/s,時延<1ms。6G網絡與5G網絡相比將會在大帶寬、大連接和低時延三個引用場景的指標要求有更大的提升，例如6G峰值速率會達到100-200Gbit/s,時延達到0.1ms量級[4]。6G未來的應用場景會達到全球覆蓋的要求。然而傳統的衛星網絡協議是基于地面的協議優化，無法滿足6G的高性能要求。

（二）衛星網絡跨層協議在6G中的探索

為了滿足衛星網絡高效運行，克服由于高動態、長時延、帶寬非對稱和高誤碼等特點帶來的問題，滿足快速業務QoS需求，人們提出了跨層協議設計的思想[5-6]。跨層設計的思想是利用各層之間的參數進行直接的信息交互，這樣可以全局的方式對無線資源作出更合理的分配來適應網絡通信的動態變化和更高的服務質量。傳統的基于IP地址的衛星協議棧結構如下圖2所示，跨層協議棧結構如下圖3所示。

圖2 傳統衛星協議結構

圖3 跨層交互結構

隨著LEO衛星蜂窩網的飛速發展，通信容量及可靠性方面也有了顯著提高；但是在6G無人不聯、無處不聯、無事不聯、無時不聯的要求下，衛星網絡的綜合業務會持續增多，傳統衛星網絡協議難以支撐6G的高性能要求。跨層協議技術主要通過不同層之間參數的互相傳遞、優化，達到全局最優。應用層的跨層設計可以將業務QoS要求傳輸到物理層、網絡層，物理層根據不同需求選擇合適調制方式，網絡層可根據需求進行優先級的劃分；傳輸層跨層設計可以結合MAC層的帶寬等參數控制數據流的發送速率以防止網絡發生擁塞；網絡層跨層設計可以與物理層和應用層的參數相關聯，提高路由轉發效率；數據鏈路層可以通過物理層的信道狀態和應用層業務QoS的需求進行聯合優化，完成數據包的調度選擇；物理層跨層設計可根據應用層的要求，自適應調整編碼策略和相應的調制方。衛星網絡跨層協議技術以全局方式甚至結合6G意境概念實現網絡資源的有效分配，通過各層之間的信息交互，更快滿足6G的時延要求；跨層技術可根據物理層信道環境的反饋，選擇更優的編碼及路由路徑，進一步提高6G網絡的可靠性；跨層技術在衛星網絡中的應用對6G網絡的各項指標參數提供了有效的支撐。

三、結束語

6G技術研究已經開啟，空天地海一體化的網絡覆蓋將在6G時代實現。傳統的地面基站已經無法滿足6G網絡萬物互聯的要求，衛星網絡的組網方式將是實現6G的重要補充。如果所有衛星重新發射布局6G網絡的話勢必會造成頻譜資源、空間資源等的緊缺，在有限資源節約成本的情況下，衛星網絡跨層協議技術打破分層協議的明顯界限，全局優化；為實現6G的各項高性能指標提供了重要的技術支撐。