6G空天地一體化多維立體網絡容量分析方法

王妮煒，全子傲，翟立君*，韓 湘，潘沭銘，徐曉帆

(1.中國星網網絡創新研究院有限公司，北京 100029；2.中國電子科學研究院，北京 100041)

0 引言

世界主要國家自2019年陸續開始5G商用，目前各組織機構、學者已將研究目標轉向未來的6G網絡，但現有地面移動網絡僅能覆蓋地球表面的10%，絕大部分海洋和陸地偏遠地區還無法享受服務[1]。因此，未來萬物智聯、全息影像及數字孿生等新應用需要支持更高頻段、更加智能的空天地一體化網絡來實現，將成為6G網絡的重要發展方向之一。本文介紹了自20世紀90年代開始，ITU、3GPP、IEEE等組織及商業公司在空天地一體化網絡領域開展的工作，以及我國空天地一體化網絡領域的規劃及研究現狀，并提出一種基于時間切片的系統容量分析方法，通過搭建仿真環境來分析星間鏈路和饋電鏈路容量、星上G/T、調制方式、星上調制解調器數目、高低軌協同組網等因素對系統容量的影響。

1 空天地一體化網絡發展情況

1.1 國外空天地一體化網絡發展現狀

從20世紀90年代開始，國際上便開始研究衛星網絡與地面網絡融合的空天地一體化網絡。早期的衛星網絡集中在L、S等較低頻段，隨著互聯網的興起人們對網絡帶寬有了更高需求，衛星網絡逐步轉向C、Ku和Ka等頻段[2]，未來會繼續向Q/V、太赫茲、激光等更高頻段發展。

國際組織方面，ITU于2020年2月正式啟動6G的研究工作，并在Network 2030 Architecture Framework中指出衛星網絡(或空間網絡)將是2030未來網絡的重要組成部分[3]；3GPP在R14階段開始空間網絡與地面網絡的融合研究，R16階段開展了衛星5G系統架構和NR支持非地面網絡(Non-Terrestrial Networks，NTN)等方面的研究，并計劃在R17階段通過對衛星網絡的移動性管理、QoS保障、延遲及多徑傳輸等方面標準化，進一步促進空天地一體化網絡發展；IEEE于2020年9月公布了國際網絡世代路線圖(INGR)[4]，明確了衛星、毫米波等9大關鍵技術趨勢作為未來網絡的發展方向，為各類機構及學者的研究指出了方向；SaT5G和SATis5等組織也進行了大量衛星5G的研究和試驗，其成果對衛星網絡的標準化起到了積極作用。

近年來，衛星互聯網星座成為熱潮。SpaceX通過對產業鏈垂直整合，其Starlink計劃已經快速部署2 000顆衛星，初步形成了對北美等地區的服務能力；OneWeb雖然經歷了低谷，但破產重組后快速煥發新機，已有182顆在軌衛星；Telesat和Kuiper等項目也加快了步伐。

1.2 我國相關規劃計劃

2019年11月，國家科技部召開了6G技術研發工作啟動會，成立國家6G技術研發推進工作組和總體專家組，標志著我國6G技術研究工作正式啟動[5-6]。在空天地一體化網絡方面，我國先后布局了天地一體化信息網絡、鴻雁星座、虹云工程以及行云工程等項目，通過空間網絡與地面網絡融合向天地異構網絡互聯互通、天地一體的方向發展。此外，新興商業公司也積極競爭，星座計劃層出不窮，銀河航天公司設計的“銀河Galaxy”星座，計劃在2023年前建成144顆衛星的寬帶星座，系統容量超過20 Tbit/s，其首顆低軌試驗衛星已于2020年1月發射，單星通信帶寬為10 Gbit/s，可提供衛星5G以及衛星互聯網服務。北京國電高科公司提出的天啟衛星物聯網星座由部署在6個軌道面的38顆低軌道、低傾角小衛星組成，軌道高度900 km，軌道傾角45°，截至2020年1月已成功發射6顆衛星并組網運行。九天微星公司計劃于2022年完成72顆小衛星的物聯網星座部署。

2 空天地一體化網絡架構

空天地一體化網絡由位于不同軌道的衛星星座、信關站、測控站、地面通信基礎設施、一體化核心網、網絡管理系統、運營支撐系統以及各類用戶組成，如圖1所示[7]。

圖1 空天地一體化多維立體網絡的網絡架構Fig.1 Multidimensional air-space-ground integrated network structure

衛星星座由位于高中低軌道的多顆衛星以及鄰近空間飛行器等組成，采用多頻段多點波束天線形成對地覆蓋，配置微波或激光鏈路實現空間組網，通過搭載星上處理載荷實現信號處理和業務、信令的空間路由轉發。

信關站用于饋電，解決用戶信號、業務數據、網絡信令、星上設備網管信息的落地問題。

測控站依據工作任務要求控制衛星姿態和運行軌道，配置衛星載荷工作狀態。

地面通信基礎設施包含地面移動通信基站、WiFi熱點等無線接入設施，與衛星協同形成覆蓋。

一體化核心網與衛星、信關站和地面通信基礎設施互聯，實現信令、網內業務處理、與其他網絡互聯、天地資源統籌調度,以及網絡性能統計及評估等功能。

網絡管理系統主要實現全網管理與監控、運行狀態監控、設備運行參數配置、異常和告警事件處理等功能。

運營支撐系統主要實現業務申請、用戶管理、業務計費及處理投訴等。

用戶包括天基、空基、海基、陸基等多種類型，可基于星地融合傳輸體制共用基帶單元，并根據業務需求和接入途徑來配置多個頻段的天線和射頻。

3 空天地一體化網絡容量分析方法

系統容量是評價網絡業務承載能力的重要性能指標，是網絡設計和規劃的重要依據。與地面通信網絡、單顆衛星系統的容量不同，空天地一體化網絡具有用戶區域全球覆蓋、網絡拓撲周期變化、鏈路參數時間變化等特點。因此，給系統容量分析帶來一定難度。

目前，國外低軌星座如Starlink的單星容量約17～23 Gbit/s，但系統容量的影響因素很多，不是簡單的單星容量與衛星數目的乘積。以星上處理的返向鏈路為例，如圖2所示，用戶上行鏈路速率取決于衛星G/T和用戶終端EIRP，但衛星在多數時間位于海洋上空，單星的大容量優勢無法發揮真正作用；星間鏈路速率取決于微波/激光載荷參數，但星間鏈路實際容量與路由算法、鏈路速率、業務承載及擁塞等因素密切相關；饋電下行鏈路速率取決于衛星EIRP，地面站的G/T，而饋電總容量除了與單條饋電鏈路速率有關外，還與地面站部署有關。因此，網絡的實際容量不僅要考慮網絡能提供的容量，還必須考慮用戶側的需要、承載業務的路由策略、地面站分布等因素，是各項參數優化配置的結果，是上行鏈路容量、星間鏈路容量、饋電鏈路容量的平衡與折中。

圖2 空天地一體化網絡容量受限示意圖Fig.2 Capacity limitation of multidimensional air-space-ground integrated network

空天地一體化網絡容量分析包括用戶業務流量分布建模、星地鏈路計算以及天地一體路由算法等主要部分。其中，用戶業務流量分布建模采用人口密度分布與業務模型權重相結合的方法[8]，人口密度分布可根據全球人口分布數據獲得，假設每個用戶請求的平均數據率為300 kbit/s。衛星配置星上處理載荷和星間激光載荷，假設不考慮星間激光鏈路傳輸損耗，在帶寬受限和功率受限條件下的信息速率最小值為該編碼調制方式下的傳輸速率。

考慮到低軌衛星的運動特性，系統容量采用基于時間切片的方式計算。

① 業務計算模型：根據全球人口分布，按照1°×1°得到人口數量，并根據用戶業務模型權重，本文假設權重為1，量化成360×180個網格的業務數據；

② 鏈路計算模型：根據衛星經緯高數據計算衛星到地面各網格的距離，并結合用戶鏈路模型參數，計算出每條用戶->衛星上行鏈路容量；

③ 計算鏈路容量[9]：計算出帶寬受限和功率受限條件下，每條用戶->衛星上行鏈路實際容量上限；

④ 計算每條用戶->衛星上行鏈路數據量：根據每個網格的業務數據量，以及當前時間片下衛星波束覆蓋情況，將多重衛星波束覆蓋的業務量平均分配到不同衛星的用戶上行鏈路，并結合鏈路帶寬上限，得到各衛星用戶上行鏈路的實際上注業務量，累計求和得到用戶業務上行總業務量；

⑤ 計算衛星與地面站的連接關系：根據衛星與地面站建鏈規則及參數(如仰角、距離等)，得出當前時刻衛星與地面站的連接關系；

⑥ 計算各衛星到地面站的最短路徑(暫不考慮星間鏈路容量受限情況)：基于路由快照序列的思路[10]，結合衛星星座拓撲、衛星與地面站間連接關系，利用Dijkstra算法得出最短路徑；

⑦ 計算各衛星業務落地時，每條星間鏈路負載情況以及衛星->地面站的饋電鏈路負載情況：根據各衛星用戶上行鏈路的業務量以及衛星->地面站最短路徑，計算出該條路徑中各鏈路的業務量(包括星間鏈路和星地饋電鏈路)；

⑧ 饋電鏈路業務容量計算：根據星地饋電鏈路容量上限以及需要該饋電鏈路落地的業務數據量，計算該饋電鏈路上的業務量(即丟棄超出容量上限的業務數據)，并將各饋電鏈路的帶寬占用情況累加，得出該時間片下的系統總容量。

⑨ 星座回歸周期的結果統計：在整個回歸周期內重復以上計算過程，并將所有時間片的情況進行統計輸出。

4 仿真分析

基于Matlab和STK構建仿真環境，STK作為衛星星座構建和衛星網絡拓撲分析工具，Matlab作為鏈路模型、業務模型等模型庫構建和網絡分析計算平臺。本仿真假設衛星采用星上處理方式，以返向鏈路為例，基于實際業務需求和用戶終端能力計算用戶上行容量，采用最短路徑原則規劃星間路由，選取下行容量最大的地面站作為饋電，通過仿真分析星間鏈路和饋電鏈路容量、星上G/T、調制方式、星上調制解調器數目以及高低軌協同組網等因素對系統容量的影響，有效指導星座優化設計。

4.1 參數設置

為實現全球覆蓋的通信要求，綜合考慮現有頻率資源使用的可行性，選取優勢高軌衛星軌位，設計符合ITU規則的高軌和低軌衛星使用頻率。此外，考慮到境外不建站，選取我國的10個關口站，同時借鑒國內外較為先進的技術水平，設置仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數設置

4.2 仿真結果分析

假設每個低軌衛星配置2個饋電波束，每個高軌衛星配置2個饋電波束，每個地面站配備2個低軌饋電波束(北京站配備2個高軌饋電波束，烏魯木齊站、西安站和喀什站均配備1個高軌饋電波束)。總體來說，增加高軌衛星，對關口站可見星情況并未改善，但由于饋電鏈路數目明顯增加，在一定程度上提升了系統容量。此外，低緯度地區最多同時可見衛星數目小于高緯度地區，且部分地面站(如麗江、三亞)之間距離太近，會同時接入同一個低軌衛星，導致地面站天線難以充分利用。因此，地面站的選址應優先選擇高緯度地區，且站間保持一定的距離。

(1) 星間速率、饋電鏈路容量對系統容量的影響

在低軌星座中，星上G/T= -2 dB/K，通過對比分析星間速率、系統容量、饋電鏈路容量的CDF曲線，可以得出：當星間最大速率小于0.95 Gbit/s時，網絡容量受限于星間最大速率；反之，受限于饋電鏈路總容量，如圖3所示。

當星間速率為1.25/2.5/5/10 Gbit/s四檔可調時，網絡容量一致，其最小值為11.25 Gbit/s，最高可達16.875 Gbit/s，如圖4所示。按照目前技術水平，星間鏈路速率遠大于1 Gbit/s，因此，饋電鏈路容量將成為影響系統容量的瓶頸。

圖3 星間速率限制下系統容量與饋電容量CDF曲線Fig.3 CDF curves of system capacity and feed capacity with ISL rate limitation

圖4 系統容量、用戶數據量與饋電容量CDF曲線Fig.4 CDF curves of system capacity,feed capacity and user capacity

(2) 調制方式、星上G/T、星上調制解調器數目對系統容量的影響

如圖5所示，增加星上調制解調器數目或G/T，可提升單星用戶上行速率，可選擇較高調制編碼，系統容量可實現一定提升，且由上行鏈路受限變成饋電鏈路受限。此外，當G/T很小時，增加星上調制解調器數目對單星用戶上行速率和調制編碼方式并無影響，且系統容量受限于上行鏈路速率。因此，星上調制解調器數目與星上G/T聯合優化設計可提升上行用戶業務容量，在一定程度提升系統容量，但應同時考慮到饋電鏈路容量的限制。

(a) 調制方式

(b) 用戶上行速率

(c) 鏈路容量受限圖5 調制方式、單星用戶上行速率、鏈路受限情況與 星上子載波數量、星上G/T的關系Fig.5 Relationship of modulation mode,user uplink rate, link capacity limitation and subcarrier number, payload G/T

(3) 高低軌協同組網對系統容量的影響

分別仿真低軌星座以及高低軌混合星座的系統容量，如圖6所示。低軌星座的系統容量最小為11.25 Gbit/s，最大為16.88 Gbit/s，其中，系統容量為12～15 Gbit/s 的概率約89%；高低軌混合星座的系統容量最小為26.56 Gbit/s，最大為32.19 Gbit/s，其中，系統容量為27～31 Gbit/s 的概率約91.5%。因此，高低軌協同組網可有效提升系統容量，有利于增強系統服務能力。

圖6 兩種星座的系統容量對比Fig.6 Comparison of system capacity with two constellations

5 結束語

本文綜述了ITU、3GPP、IEEE等國際組織和世界各國在該領域的規劃和已開展工作情況，并對我國空天地一體化網絡領域的規劃及研究現狀進行了介紹。其次，針對空天地一體化網絡的網絡架構，提出了一種基于時間切片的系統容量分析方法，通過搭建仿真環境來分析星間鏈路和饋電鏈路容量、星上G/T、調制方式、星上調制解調器數目、高低軌協同組網等因素對系統容量的影響，對網絡優化設計提供有效支撐。目前，面向未來6G的空天地一體化網絡目前還處于探索階段，隨著國外衛星互聯網星座的井噴式發展，未來幾年將逐漸在網絡設計和技術路線上達成共識，通過構建全球覆蓋、安全可信、多維立體、異構融合的空天地一體化網絡，共同實現萬物智聯、數字孿生等新應用、新體驗、新模式的創新探索[11-12]。