星地融合網絡:一體化模式、用頻與應用展望

張世杰,趙祥天,趙亞飛,彭木根

(1.北京郵電大學 信息與通信工程學院 網絡與交換技術國家重點實驗室,北京 100876;2.銀河航天(北京)通信技術有限公司,北京 100192)

0 引言

隨著對通信連接需求的增長,地面通信網絡不斷發展,其具有更高性能,但也存在覆蓋不均勻和抗毀性差等問題。地面無線通信網絡以蜂窩移動通信為主,目前發展到最新的第五代通信網絡,可以為大量用戶提供更高速率、更低延時、更強穩定的通信服務,相較于第四代通信網絡,能承載更多終端連接,提高了地面通信網絡服能力,實現真正萬物互聯[1]。但地面通信網絡也由于自然環境與建設成本的問題,在通信的覆蓋方面存在著不全面、不均衡的問題。另外地面網絡設備抗毀性較差,在遭遇自然災害時會影響正常通信,無法用作應急通信。

衛星通信可以解決地面通信的問題,實現全球覆蓋與應急通信,但因成本高以及通信效果差等缺點長期發展受限。衛星通信是通過衛星中繼進行的通信,由于衛星處于高空中,因此具有覆蓋范圍大、抗災抗毀性強、部署靈活等特點,十分適用于實現應急通信與全球通信。但傳統通信衛星存在發射與組裝成本高、通信容量小、傳輸時延大等問題,因此適用對象有限,發展較為緩慢[2]。

地面通信與衛星通信均存在自身適用范圍的局限性,但將二者優缺點互補,進行星地融合,可以提高通信的覆蓋范圍與強度,實現全時、全域的通信需求[3-4]。地面網絡能夠實現城市與室內環境的高效通信連接,但在偏遠地區缺少服務能力,而引入低軌衛星網絡進行融合,則可以保障全球各個位置的正常通信,另外由于低軌衛星網絡的魯棒抗毀性,因此能在地面網絡故障癱瘓時承接其通信任務,實現無縫穩定連接。

總的來說,利用衛星通信網絡與地面網絡的融合,可以提供全覆蓋、全天候的服務能力,讓通信擺脫地理環境束縛,在各種場景下按需接入,形成空天地一體化連接網絡[5]。

1 星地融合優勢與挑戰

1.1 星地融合優勢

低軌衛星互聯網和地面網絡的融合可以帶來以下優勢。

1.1.1 更大的覆蓋范圍

第五代通信網絡為代表的地面網絡能提供低時延、高可靠、高速率的通信連接,但卻由于地理環境限制與成本問題導致目前全球仍有超過80%的陸地區域和95%的海上區域缺少網絡連接[6-7]。而低軌衛星互聯網由于軌道高,因此覆蓋范圍大,且部署較為靈活,因此可以實現更大更全面的覆蓋范圍以及更加均衡的覆蓋強度。

1.1.2 更低的通信時延

傳統地面通信面對遠距離通信場景常常會因為光纜的復雜鋪設方式而導致信號傳輸距離遠遠大于實際距離,從而產生較大時延。而加入低軌衛星互聯網,則可以借助低軌衛星覆蓋范圍大且傳輸距離近的特性實現更快傳輸。另外,由于低軌衛星的覆蓋范圍內有相同時延差,因此相較于地面網絡也更加適用于遠距離差分時延敏感業務。

1.1.3 更強的抗災性

地面通信設備依賴于地面基站以及光纜等設備實現穩定有效通信服務,但地面設備由于位置固定且易受地質災害影響而具有一定的不穩定性。加入低軌衛星互聯網形成星地融合網絡可以借助衛星位于太空且魯棒性強的特點,在應急時刻提供高質量通信,保障救援工作進行,實現了通信系統的魯棒性[8]。

1.1.4 更有效的資源分配

地面通信網絡與衛星網絡的獨立運行可能會導致部分區域網絡的擁擠,通過衛星地融合網絡的資源統一化分配,可以有效提高頻譜等通信資源的利用效率,最大化利用設備帶寬,為區域內海量用戶提供更快速、更穩定的通信連接。

1.2 星地融合挑戰

1.2.1 技術挑戰與標準化問題

在衛星互聯網與地面網絡融合的發展過程中,面臨著一系列技術挑戰和標準化問題,主要包括:

① 跨層協同優化:衛星網絡與地面網絡在物理層、鏈路層、網絡層以及應用層都存在著不同的特點和性能要求。如何實現跨層的協同優化,使得網絡資源得到高效利用,并在不同網絡之間實現無縫切換,是一個重要的技術挑戰 。

② 高延遲與大丟包率:衛星通信的天然特點是高延遲和大丟包率,這對于某些實時性要求較高的應用,如在線游戲、視頻通話等,會產生較大的影響。如何降低衛星通信的延遲和丟包率,提高網絡的可靠性和穩定性,是一個亟待解決的問題。

③ 頻譜資源管理:衛星通信頻譜資源有限,而不同地區、不同應用對頻譜的需求也存在差異。如何在星地融合網絡中合理配置、管理和共享頻譜資源,以滿足不同用戶和應用的需求,是一個具有挑戰性的任務。

④ 安全與隱私保護:星地融合網絡涉及大量的用戶數據傳輸和信息交換,因此安全和隱私保護是至關重要的。網絡中的通信數據容易受到竊聽、篡改和惡意攻擊,如何在星地融合網絡中建立高效的安全機制和隱私保護策略,確保用戶數據的安全性,是一個復雜而重要的問題。

⑤ 互操作性與標準化:由于衛星互聯網與地面網絡是兩種不同的網絡體系,各自擁有一套獨立的標準和協議。為了實現星地融合網絡的無縫連接與互操作,需要制定一套統一的標準和協議。因此,如何在國際范圍內達成一致,推進星地融合網絡的標準化工作,是一個關鍵的問題。

⑥ 網絡組網與移動管理:星地融合網絡由于拓撲動態變化,需要進行動態組網。另外由于星地融合網絡包含地面網絡與低軌衛星網絡,也因為業務種類繁多較為復雜,所以需要提出新的移動管理方案,實現全場景下用戶的無縫連接。因此,如何進行合理、智能的組網以及實現高效移動管理是對提高通信質量有重大作用的問題[9]。

⑦ 需求與資源調度:星地融合場景不僅會包含地面網絡與低軌衛星互聯網原本的服務,還會產生一系列新的應用需求,因此針對于可能有的服務需求,在不同場景下,如何合理調配地面與衛星資源,實現最佳通信效果,是一個未知的問題。

1.2.2 商業模式與經濟可行性

衛星互聯網與地面網絡融合需要大規模的投資,包括衛星的制造、發射、地面基礎設施的建設以及運營成本等。由于投資回報周期較長,需要吸引投資者對這一領域產生興趣和信心。

由于衛星互聯網與地面網絡融合的復雜性,傳統的商業模式可能不適用于這一領域。需要探索新的商業模式,如聯合營銷、資源共享等,以提高經濟可行性和盈利能力。目前,在星地融合領域,已經有多個運營商和公司投入競爭,其中SpaceX公司計劃投資200～300億美元建立低軌衛星互聯網來為全球提供網絡連接,預期發射12 000顆低軌衛星,目前已有數千顆衛星發射成功[10];中國航天科技和中國航天科工兩大集團也推出“鴻雁”和“虹云”星座系統來構建全球低軌衛星互聯網[11-12];另外,中國衛星網絡集團有限公司也在2020年9月在ITU申報了兩個LEO衛星星座計劃,其中計劃發射低軌衛星12 992顆;除了衛星公司參與外,各行各業也積極參與到星地融合網絡的建設當中,傳統汽車行業中的吉利公司在2022年6月發射了9顆低軌衛星來構建衛星星座。

因此,如何利用好星地融合網絡,開發其價值,在競爭激烈的市場中保持競爭力,與其他行業進行有效融合,獲得更高收益,爭取更大的市場份額,將是商業模式的一個關鍵挑戰。

2 典型星地融合策略

星地融合的發展路徑呈現出從業務融合到體制融合,進而實現系統融合的趨勢。目前,各國和相關企業提出并實踐的衛星互聯網與地面網絡融合策略主要有三種:星地融合策略、手機直連策略、星地組合策略。三種星地融合策略在終端、接入網、核心網、網絡控制、使用頻率、空口、衛星與地面網關系方面的對比如表1所示。

2.1 地面輔助策略

地面輔助策略指的是通過引入地面基站來輔助衛星實現更優的地面覆蓋,終端可以在地面基站與衛星間無縫切換,進而提高衛星通信信號在室內以及樓宇間的通信質量,解決衛星在城市中覆蓋能力不足的痛點問題。地面輔助策略由于終端可以與衛星與地面基站進行通信,因此就二者空中接口類型是否相同,可分為兩種情況:一種是二者使用相同空中接口,手機只需要單模式即可;另一種是兩者使用不完全一致的空口,手機采用雙模式,即衛星模式和地面網絡模式。

采用地面輔助策略的衛星通信網絡根據通信網絡結構可以分為衛星網絡和地面基站輔助網絡。衛星網絡由衛星和信關站構成,衛星具有非常強的多點波束能力。地面基站輔助網絡與傳統蜂窩移動網絡架構類似,由各種傳統地面基站組成,為城市中用戶提供更高質量、更大容量、更低延遲通信,彌補衛星網絡在城市中通信效果差的缺點。采用地面輔助策略的衛星通信網絡需要實時根據網絡覆蓋與用戶使用情況對兩種通信網絡進行靈活調度與分配,讓終端時刻保持最佳通信狀態,實現在衛星與地面基站間無縫切換。

歐美等國較早地開展了星地融合網絡方面的研究和系統建設,基于地面輔助網絡策略的星地融合應用有輔助地面組件(Ancillary Terrestrial Component,ATC)和互補地面組件(Complementary Ground Component,CGC)。2006年,沈榮駿院士首先提出了我國“天地一體化”的概念及總體構想,隨著深入論證,確定了“天網地網”是適合我國星地融合網絡發展的網絡結構。考慮到地面輔助策略的“透明”特性,用戶可以在地面基站和衛星之間無縫切換,不會覺察是正在使用基站還是衛星進行通信,因此,借鑒地面輔助策略來實現星地融合的無線接入對于我國天地一體化建設具有重要的影響。

2.2 星地一體化策略

2.2.1 融合策略

星地一體化策略的發展與非地面網絡(Non-Terrestrial Network,NTN)的提出緊密相關。NTN是3GPP在R17階段制定的基于新空口技術的終端與衛星直接通信技術,是地面蜂窩通信技術的重要補充,是手機直連衛星的技術方向之一。針對衛星通信場景距離遠、移動快、覆蓋廣帶來的多普勒頻偏大、信號衰減大和傳播時延大等問題,NTN進行了空口增強協議設計,引入了調度時序管理、HARQ功能編排、上行傳輸時延補償、空地快速切換等先進技術,已具備基本衛星通信能力。

NTN包括基于非陸地網絡的物聯終端接入(NTN-IoT)和基于非陸地網絡的5G智能終端接入(NTN-NR)兩個工作組,NTN-IoT側重支持低復雜度eMTC和NB-IoT終端的衛星物聯業務,如全球資產追蹤(例如海上集裝箱或蜂窩網絡覆蓋范圍之外的其他終端),NTN-NR則側重于支持5G智能設備的通信應用,如實現衛星與手機的直接連接來提供語音電話以及通信服務。

NTN有透明傳輸與非透明傳輸兩種方式。衛星透明傳輸過程中,只按需求對信號進行傳輸,而不進行任何改變,衛星透明傳輸產生的時延為從網關經衛星到用戶所用時間。非透明傳輸則賦予衛星更多基站功能,此時衛星不僅可以對信號進行傳輸,還可以對信號進行編碼、調制等內容。非透明傳輸產生的時延為從衛星到用戶所用時間。

星地一體化策略與地面輔助策略非常相似,不同之處在于:

① 星地一體化策略下衛星通信系統的空中接口與地面移動通信網完全相同,如GSM、LTE等,終端就是地面網的手機;而地面輔助策略的衛星空口可以與地面網不一致,終端也可以是雙模的。

② 地面輔助策略使用的頻譜為衛星頻率,授權在整個北美和歐盟國家,網絡控制中心是由衛星運營商建立的,對空間網絡和輔助地面網絡進行實時協調控制相對容易;而星地一體化策略的使用頻率是地面網頻率,在各個國家均不一致,網絡控制中心協調控制難度比地面輔助策略大得多。

2.2.2 融合模式

隨著地面電信廠商的推動,星地一體化化策略逐步得到驗證,并探索出多種融合模式。通過衛星通信產業的一體化、運營模式的協同融合化,可以實現衛星通信的大眾消費化,極大地推動了6G網絡的發展,充盈了民眾的通信需求并優化了用網體驗。目前,各電信廠商應用的星地一體化策略主要分為以下三種融合模式:MSS系統+多模終端、3G/4G/5G基站衛星+手機、3GPP NTN衛星+終端。

(1) MSS系統+多模終端

MSS系統+多模終端的融合模式中為手機設置衛星通信模塊與移動通信模塊,其中移動通信模塊與普通手機一致,負責與基站進行基礎通信,而衛星通信模塊負責與衛星保持通信,如圖1所示。MSS系統+多模終端的融合模式通過硬件結合的方式實現衛星互聯網與地面網絡融合,使得手機同時具有與衛星與地面基站的通信能力。該種融合模式可以直接使用現有衛星通信硬件,因此無需改變衛星互聯網即可實現星地融合,成本更低,更易實現,因此現如今在手機上廣泛運用,例如iPhone與Global Star合作、北斗與Mate50和Axon 50合作。

圖1 MSS系統+多模終端融合模式Fig.1 MSS system + multimode terminal convergence model

(2) 3G/4G/5G基站衛星+手機

3G/4G/5G基站衛星+手機的融合模式是在低軌衛星中布設3G/4G/5G基站,使得低軌衛星具有與地面手機終端直接通信的能力,如圖2所示。其中核心網通過地面信關站與低軌衛星互聯網連接,低軌衛星從核心網獲取終端所需數據,并直接傳輸給地面用戶終端。相比起MSS系統+多模終端的融合模式,該模式需要重新建設衛星與相關硬件,成本更高,但也能簡化通信復雜度,僅需衛星即可實現全部通信。3G/4G/5G基站衛星+手機的融合模式被廣泛看好,現如今被Starlink、Lynk和AST廣泛采用。

圖2 3G/4G/5G基站衛星+手機融合模式Fig.2 3G/4G/5G base station satellite + cellular phone convergence model

(3) 3GPP NTN衛星+終端

3GPP NTN衛星+終端的融合模式基于3GPP標準,與3G/4G/5G基站衛星+手機的融合模式類似,均采用低軌衛星與地面信關站連接來獲取核心網中目標數據。與3G/4G/5G基站衛星+手機的融合模式不同,3GPP NTN衛星+終端的融合模式嚴格采用3GPP的非地面網絡規范設計星座運行模式,可以向各類用戶終端提供服務,并不局限于手機終端,如圖3所示。該模式支持手機語音與數據業務直連,且可以在現存網絡終端基礎上改造實現網絡接入,成本更低,也具有巨大的應用潛力,現如今被Omnispace、MTK和展訊等企業廣泛布局。

圖3 3GPP NTN衛星+終端融合模式Fig.3 3GPP NTN satellite + terminal convergence model

星地一體化策略可以為包括手機在內的終端產品提供更加便捷、可靠的移動通信手段,彌補地面網絡覆蓋率低的劣勢,是未來6G星地融合重要的發展趨勢。國外在星地一體化策略方面的嘗試也為我國星地融合網絡的發展提供了重要的參考。在MSS系統+多模終端模式下,我國的華為公司走在前列,通過與北斗合作為旗下的手機提供窄帶應急服務,vivo、OPPO等手機廠家也已開始在該領域深入布局。手機直連方面,中國移動于2023年5月率先完成國內首款5G IoT NTN手機直連衛星實驗室驗證,可支持雙向語音對講和文字消息。在MWC上海展上,中國電信、中興通訊、中國信科、紫光展銳、移遠通信也發布了手機直連衛星通信產品。

2.3 星地組合策略

隨著低軌巨型通信星座的建設和投入使用,衛星互聯網成為了網絡服務的另一種選擇。低軌衛星互聯網的出現不是為了替代地面5G網絡,雖然目前兩個系統獨立運行,但各衛星互聯網企業的目標是與地面網絡相互補充。

衛星5G主要有以下4種應用場景:

① 基于衛星的5G內容分發:借助衛星的廣播服務,將多媒體內容高效地分發與卸載到網絡邊緣。

② 基于衛星的5G固定回程:為地面5G網絡無法覆蓋的區域(海上、島嶼、邊遠山區、農村等)提供網絡服務,以經濟高效的方式,提升地面網絡的性能。

③ 基于衛星的5G到戶業務:補充地面網絡的連通性,例如與地面無線或有線相結合,為地面網絡不足的家庭或辦公場所提供寬帶連接。

④ 基于衛星的5G移動平臺回傳業務:寬帶連接到移動平臺,如飛機、船舶等,提供服務的連續性。

在這4個應用場景中,衛星通信系統解決的是5G中傳和后傳問題,主要起到承載網的作用。目前,采用星地組合策略的主要是低軌衛星互聯網公司,如SpaceX的Starlink和OneWeb。

在星地組合策略中,采用Ku/Ka等高頻段實現信關站、用戶終端和低軌衛星三者間的互聯互通,通過低軌衛星星間鏈路或地面網絡中信息傳輸實現不同用戶終端設備中的通信,實現“移動無線光纖”的效果,如圖4所示。

隨著各國低軌衛星星座的建設,星地組合策略的應用也備受矚目,相對獨立的網絡體系和靈活的融合方式使得星地組合策略具有更高的技術成熟度。我國低軌衛星星座的建設由中國星網引領,各科研院所與商業航天公司提供技術支撐,共同發展我國的衛星互聯網事業。2022年3月,銀河航天成功發射6顆低軌衛星,與銀河航天首發星組成我國首個低軌寬帶通信試驗星座,并構建星地融合5G試驗網絡“小蜘蛛網”,具備單次30 min左右的不間斷、低時延寬帶通信服務能力,可用于我國低軌衛星互聯網、星地融合網絡等技術驗證。

3 星地融合系統與應用

3.1 ATC規則

在電信監管領域,美國FCC于2003年發布了全球首個天地一體化的監管規則——ATC。以ATC技術為主的星地融合系統在地面部分與衛星網絡部分采用完全相同的技術手段、管理策略和頻譜以實現無縫銜接[13]。

3.1.1 ATC規則概述

星地融合網絡中的ATC能夠有效提高衛星網絡的頻譜利用效率與城市區域通信質量。MSV(Mobile Satellite Venture)公司在移動衛星網絡基礎上引入ATC提出星地融合系統架構:MSS-ATC。MSS-ATC主要包括衛星網絡和地面輔助網絡兩部分,用戶終端可以選擇直接連接ATC地面輔助基站,也可以直接連接衛星互聯網,同時也可以在二者之間無縫自由切換。傳統的衛星互聯網會因為城市中密集的建筑群而導致在市區與室內網絡覆蓋與通信體驗較差,因此引入ATC可以借助地面網絡在市區范圍內覆蓋效果較好的特性,實現全場景、全時間的無縫切換與高質量通信覆蓋。另外,MSS-ATC可以在地面網絡中對衛星網絡頻段進行復用來傳輸信息,因此引入ATC來進行地面網絡傳輸能夠提高衛星頻譜利用效率。FCC指出,在擁有海量用戶的城市中使用ATC可以提高并擴大MSS服務的可靠性,同時有效利用衛星頻譜,因此授予MSV第一個ATC許可證,允許MSV在農村、市區和建筑物內提供高效、高質量、高可靠的通信服務。FCC將ATC規則設想為一種手段,目的是讓MSS運營商使用已授權的衛星頻譜資源,建設地面移動通信設施,為衛星難以提供服務的區域(如城市地區和建筑物內部)提供更好的覆蓋,增強其移動服務能力。

考慮到衛星業務的重要作用,FCC采取措施以確保ATC保持對MSS的輔助,MSS-ATC網絡架構如圖5所示。為此,FCC要求ATC申請人實施ATC必須滿足的5個“標準”,包括:① 確保MSS覆蓋范圍;② 在開始ATC操作后一年內有一顆備用衛星;③ MSS服務的商業可用性(綜合服務能力);④ ATC必須與MSS工作頻段相同;⑤ 運營商提供的所有手機均為雙模手機(MSS和ATC)。

隨著ATC技術的進步,MSS頻帶為寬帶業務的擴展提供了肥沃的土壤。MSS頻段為關鍵的移動通信需求保留了全球訪問,具有足夠的連續頻譜適合寬帶業務。FCC的決定允許MSS運營商部署輔助地面網絡,并通過ATC的技術將MSS頻譜用于寬帶服務。

3.1.2 運營情況

自2003年ATC規則通過以來,FCC向4家MSS運營商授權ATC業務。

(1) LIGHTSQUARED/Ligado

在ATC規則通過10個月后,Ligado成為第一個獲得ATC授權的MSS運營商。但Ligado從未提供滿足FCC規則的ATC服務。其中Ligado地面網絡一直存在干擾鄰頻段GPS的問題,為了解決這種干擾,建立了多個利益相關方組成的工作組,研究消除對GPS干擾的可能性。不過經過多輪探討,Ligado最終沒有給出切實可行的方法來減輕潛在的干擾。

(2) Globalstar

2006年,Globalstar成為第二個獲得ATC授權的MSS運營商。兩年后,由于其未能推出ATC服務,Globalstar要求修改其ATC許可證。在2008年10月,FCC認為Globalstar提出的修改不符合ATC標準中的三個,不過FCC仍暫時同意修改請求。在2009年,FCC否決了Globalstar希望延長標準的豁免時間的申請,并于2010年9月暫停了Globalstar的ATC授權。

(3) DBSD和TERRESTAR

2009年,2 GHz MSS頻段的運營商DBSD衛星服務有限公司成為獲得ATC授權的第三家MSS運營商。2010年,也是2 GHz MSS頻段的運營商Terre Star LicenseInc.成為第四個獲得ATC授權的MSS運營商。但兩家公司均未提供ATC服務,并相繼破產。

4家ATC授權運營商均未按照規則的設想建立一個集成的ATC網絡,也還沒有一個客戶獲得過ATC服務。除Globalstar外,其他三家MSS運營商基本上放棄了衛星業務。

形成這一局面的主要原因是:在地面網絡和MSS網絡使用同樣頻率需要進行極其復雜的協調,運營商在技術上和經濟上都沒有完全做到將ATC納入MSS系統。為了解決地面部分和衛星部分的干擾問題,MSS運營商被迫限制衛星客戶的可用頻率來發展地面服務,這是因為地面服務的提高必然會以犧牲衛星服務為代價。

目前,美國衛星界已經意識到ATC規則的復雜性及其與現實之間的矛盾,ATC不但沒有增強MSS業務,甚至它有可能會削弱衛星業務的地位,因此呼吁FCC取消ATC規則的聲音漸起,人們開始重新審視ATC規則的可行性。

3.1.3 頻率使用情況

實施ATC規則的共有三個頻段:L頻段中下行鏈路使用1 525～1 544 MHz、1 545～1 559 MHz,上行鏈路使用1 626.5～1 645.5 MHz、1 646.5～1 660.5 MHz和1 610～1 626.5 MHz;S頻段中上行鏈路使用2 000～2 020 MHz,下行鏈路使用2 180～2 200 MHz、2 483.5～2 500 MHz。

3.2 CGC規則

為了擴展衛星通信網絡,歐盟也在美國FCC的ATC規則之后發布了同樣引入地面輔助設備的CGC規則來建立EAN網絡。

與ATC類似,CGC設備屬于衛星系統,共享衛星網絡頻譜,由系統統一調度進行頻率復用,可以提高用戶在市區與室內的信號接受效果,實現用戶的穩定無縫訪問[14]。

3.2.1 CGC規則概述

繼美國通過ATC政策后,2009年盟歐盟委員會出臺一項決定,即2009/449/EC號決定,選擇Inmarsat和Solaris(現在的EchoStar)作為2 GHz MSS運營商,并要求歐盟成員國授權這兩家運營商在其管轄范圍內提供MSS和CGC業務。

CGC與美國FCC的ATC含義基本一致,也是為補充MSS業務而設計的、由地面設施向用戶提供服務。但由于當時有關CGC可能支持的服務類型還沒有具體計劃,歐洲的CGC業務也一直沒有開展起來。

Inmarsat的EAN是“天地一體”的S-band歐洲航空網絡。“天”部分是移動通信衛星(MSS),“地”部分是地面4G/LTE網絡。衛星、地面網絡采用同樣的S-band頻率,共同為歐洲空域的民航客機服務,機艙系統自動執行衛星通信、地面基站通信之間的切換。

美國ATC規則在實施時遇到的一個重要問題就是衛星和地面系統間的干擾控制問題,主要存在四種干擾場景:① 地面終端對MSS衛星;② MSS終端對地面基站;③ MSS衛星對地面終端;④ 地面基站對MSS終端。其中,②和④干擾最難控制。

圖6展示了集成MSS系統架構。該系統由衛星和CGC組成,以MSS頻率運行,CGC可以重用衛星頻率。衛星管理系統應在滿足兩部分業務需求的前提下,通過最大限度地提高系統整體吞吐量,對CGC進行頻率、子載波、功率等資源的有效分配,實現系統的優化部署。衛星(SAT)/CGC門路可以根據衛星和CGC網絡的情況來決定哪個組件適合進行分組傳輸。

3.2.2 運營情況

EAN由Inmarsat和德國電信以及Thales、Nokia、Airbus、Cobham、EADAerospace合作開發。其中Inmarsat的S頻段載荷搭載在希臘Hellas衛星公司的HellasSat-3上,三個波束覆蓋歐盟28個國家外加瑞士、挪威及歐洲周邊海域,LTE由德國電信建設300個基站。整個EAN網的通信容量達90 Gbit/s。

衛星接入站是Inmarsat的S波段衛星與互聯網之間網關,位于希臘Nemea,天線口徑13 m。無線接入網絡由Cobham SATCOM提供。EAN終端高度緊湊,僅重幾千克,每架飛機安裝時間不到9 h,這意味著航空公司的停機時間大大減少。

2017年2月,完成EAN衛星接入站測試和驗證,2018年1月,Inmarsat、德國電信和IAG(International Consolidated Airlines Group)聯合宣布EAN正式投入商業運營。目前,EAN已為British Airways、Aer Lingus、Iberia、Vueling、Lufthansa等航空公司提供服務,每架飛機下行數據速率為75 Mbit/s,上行數據速率為20 Mbit/s。

3.2.3 頻率使用情況

CGC系統中衛星、地面網絡采用S頻段,其中使用的兩個30 MHz被劃分為帶寬相等的連續子頻段,用于地對空通信(上行鏈路)和空對地通信(下行鏈路),以便最有效地利用。上行鏈路使用1 980～1 995 MHz和1 995～2 010 MHz頻段,下行鏈路使用2 170～2 185 MHz和2 185～2 200 MHz頻段。

3.3 蘋果/華為直連衛星服務

蘋果/華為率先在手機中推出直連衛星服務,使手機在連接地面蜂窩網絡基礎上具有與全球衛星系統通信的能力,能夠與衛星進行短報文通信。

3.3.1 系統概述

蘋果/華為直連衛星服務中使用MSS系統+多模終端的融合模式,其中蘋果/華為分別利用現有的Globalstar/北斗全球衛星系統實現直連衛星服務。Globalstar/北斗全球衛星系統均具有通信功能,可以在無需地面網絡情況下為地面終端提供通信服務。蘋果和華為作為手機廠商率先將衛星系統通信終端設備與手機通信終端進行融合,使得手機同時具有與衛星以及地面通信的能力。

蘋果/華為手機可以選擇通信方式,在選擇與衛星通信過程中,由全球衛星系統接收信號并轉發至地面信關站,地面信關站根據信號內容與形式選擇具體的服務類型,為終端設備提供短信或緊急救援等服務。

蘋果/華為手機的直連衛星利用現有成熟衛星通信設備,在不改造衛星系統的基礎上,通過終端融合與軟件開發實現簡單的星地融合,使得手機具有同時與地面網絡和衛星系統通信能力。

3.3.2 運營情況

華為直連衛星服務主要提供短信收發業務,用戶終端可以通過北斗衛星轉發短信,之后經由地面運營商基站進行發送。這種衛星短信發送服務不限制接收方手機類型,即使對方不具有直連衛星能力也可以收到信息。華為直連衛星服務讓手機具備與衛星通信能力,即使無法與地面蜂窩網絡連接,也可以維持通信服務。

蘋果直連衛星服務主要面向應急救援,在遭遇突發危險狀況時可以向衛星發射求救信息,由蘋果地面站與救援應答中心接收,根據用戶位置與身體信息,盡快提供醫療服務。相比于華為直連衛星服務,蘋果短信服務內容較為有限,僅支持向普通用戶在緊急情況下發送定位信息,主要面向應急情況下的緊急救援。

華為與蘋果通過硬件集成與軟件開發實現了衛星直連,將原本用戶規模小、適用范圍窄的衛星通信大眾消費化,使其變為市場更大的公網,讓普通消費者享受星地融合的便利性。

3.3.3 頻率使用情況

蘋果/華為直連衛星服務采用L/S頻段進行通信。其中華為手機直連北斗衛星中上行鏈路工作頻率為1 610.0～1 626.5 MHz,下行鏈路工作頻率為2 483.5～2 495.0 MHz;而蘋果手機直連Globalstar中上行鏈路工作頻率為1 610.0～1 626.5 MHz,下行鏈路工作頻率為2 483.5～2 495.0 MHz。

3.4 AST計劃

受空中接口、衛星能力的限制,無論是采用ATC或者是CGC規則,均需要專門的衛星終端,與地面系統融合的主要方式是采用雙模終端。AST &Science公司提出了一項AST SpaceMobile計劃,與目前可用的解決方案不同,它們不需要專用的衛星電話或任何地面移動電話的附件(在手機外套加衛星射頻部分),直接使用地面網的手機,也不需要對軟件進行任何更改。通過建造一個由數百顆大型衛星組成的星座,可以直接向地球上的手機提供4G甚至5G寬帶連接,其本質上是將“基站”送入太空,通過在太空中部署巨型基站,就像地球軌道上放置提供準無線3GPP頻譜的巨大平臺,概念圖如圖7所示。相比于主要提供家庭寬帶服務的Starlink或Kuiper等衛星互聯網項目,AST的服務可直接為全球任意位置的手機用戶提供高速的蜂窩寬帶網絡。

AST解決方案面臨的主要障礙是:衛星能力以及與地面共用頻率。由于衛星信道傳輸環境與地面系統不同,衛星用戶鏈路需要對地面空中接口進行適當的改進,而AST完全采用地面網的空中接口,需要衛星有強大的適配能力。此外,AST將使用地面電信運營商擁有的頻譜,這將需要對已授予地面使用的當前頻譜許可證進行更改,這是一個復雜的過程。另一方面,根據AST &Science公司提供的方案,為了提高衛星系統的通信能力,需要采用高增益相控陣天線,因此衛星的體積將會非常大。

3.4.1 AST計劃概述

AST計劃于2022年開始部署星座,預計到2028年發射240多顆藍鳥(BlueBird)衛星。每顆BlueBird重約3 t,由一個中央“總線”和20 m×20 m相控陣天線組成,使其成為有史以來體積最大的衛星。每顆衛星的成本預計約為1 000萬美元。該星座將在地球周圍700 km的高度運行,衛星的預期壽命為10年。AST SpaceMobile的一切設計都是為了模仿地面蜂窩網絡,有了SpaceMobile,只需要一部智能手機就可實現地球上任意角落的衛星通信。

為了實現這一目標,SpaceMobile生產的BlueBird衛星必須很大,在太空中,BlueBird將比一個籃球場更大,同時保持一個薄而扁平的形狀。每顆BlueBird衛星將攜帶許多相控陣面板,使衛星能夠連接數百萬臺移動設備,衛星的相控陣天線如圖8所示。每顆BlueBird衛星都會通過與地面重要電信和互聯網基礎設施相連的網關將這些設備連接到網絡上。AST公司將利用模塊化方法實現衛星的部署,就如同搭積木一樣,每個模塊單元被稱為Micron,Micron是SpaceMobile在德克薩斯州米德蘭以低成本批量生產的高科技衛星組件。這些衛星的批量生產使用了與消費類電子產品相同的制造技術,并且考慮了特殊的空間適應性。因此這項技術是革命性的,這是一個全新的通信基礎設施,一個基于太空的蜂窩寬帶網絡。這個網絡將幫助當前正在使用的50多億部手機保持連接,無論它們在地球上的何處;它還可以幫助5億多沒有移動互聯網的人接入網絡。

圖8 BlueBird衛星相控陣天線Fig.8 Phased array antenna of BlueBird satellite

3.4.2 運營情況

AST公司的第一顆試驗衛星藍色漫步者1號(BlueWalker 1)于2019年4月1日搭乘一枚印度極地運載火箭發射成功,目前衛星軌道傾角為97.49°,軌道高度433～511 km,正在開展技術實驗。該衛星為Nano Avionics公司研制的6U大小的衛星,在850～900 MHz兩個頻段上開展試驗,其對應地面站采用了4.5 m的天線。

根據相關技術申報文檔和衛星實際能力分析,其可能采用了反向試驗的方式驗證通信鏈路,即將技術狀態相對確定的用戶終端驗證設備發射至軌道,在地面調試技術狀態相對復雜的空間系統驗證設備,僅對天地互聯鏈路進行試驗驗證,大幅提高了空間系統迭代升級設計的效率。

2022年9月,AST &Science公司搭載獵鷹9號火箭成功發射了BlueWalker 3蜂窩寬帶網絡衛星。BlueWalker 3配備一個65 m2的可折疊的巨型相控陣天線,使得衛星發射信號具有很高的指向性和增益能力,可以在為地面上的移動設備直接提供5G寬帶連接。2023年4月,AST SpaceMobile成功地使用BlueWalker 3衛星與智能手機進行了雙向語音通話,驗證了使用現有4G/5G通信頻段與標準實現低軌衛星全球蜂窩寬帶服務的可能性。

3.4.3 頻率使用情況

AST與地面信關站通信中下行鏈路使用37.5～42.5 GHz頻段,上行鏈路使用45.5～47.0 GHz、47.2～50.2 GHz和50.4～51.4 GHz頻段;AST與地面固定和移動用戶終端中下行鏈路使用617～960 MHz、1 930～1 990 MHz、2 110～2 180 MHz和2 350～2 360 MHz,上行鏈路使用663～915 MHz、1 710～1 780 MHz、1 850～1 910 MHz和2 305～2 320 MHz。

3.5 Starlink/OneWeb高速互聯網接入服務

3.5.1 系統概述

Starlink星座由SpaceX公司在2014年宣布建設,規劃部署12 000顆小衛星,來為全球所有位置的用戶提供高可靠、低延時的互聯網與通信服務。Starlink星座的空間段由三部分組成,分別是1 584顆軌道高度為550 km的低軌衛星、2 825顆軌道高度在1 100～1 325 km的低軌衛星和7 518顆軌道高度為340 km的極低軌衛星。三類衛星工作頻段不同,功能也不同,低軌衛星工作頻段為Ku/Ka頻段,其中軌道高度為550 km的低軌衛星主要負責覆蓋兩極以外地區通信,而軌道高度在1 100～1 325 km的低軌衛星負責實現全球通信覆蓋;極低軌衛星工作頻段為V頻段,其功能在于進一步提升星座容量與通信時延。Starlink星座的用戶終端采用Ku頻段與衛星通信[15]。

OneWeb系統由英國一網公司提出,是全球第一個低軌道巨型星座系統。OneWeb系統與Starlink系統均希望能提供低延遲、強穩定、高質量的全球通信服務。其分為空間段、地面段和用戶段三部分。空間段規劃中主要將衛星分為兩類:一類是軌道高度為1 200 km的低軌衛星,其中就87.9°、55°和40°這三個傾角又分為三類,這三類衛星分別計劃部署有1 764顆、2 304顆和2 304顆;另一類是軌道高度為8 500 km的中軌衛星,該類計劃部署1 280顆。地面端規劃中由于OneWeb系統沒有星間鏈路,因此設計部署有40多個信關站,來通過足夠多的信關站實現全球覆蓋。OneWeb系統用戶段的用戶終端采用Ku頻段作為工作頻段,其通過常規地面無線通信技術連接附近用戶[16]。

衛星互聯網發展方面,截止2023年7月,Starlink已發射4 859顆衛星,已建設160余個地面站,能為用戶提供高質量通信服務,在幾十個國家均拓展實現了業務,另外在商業、行車出行和海事等方面均推出相應終端與服務。截止2023年7月,OneWeb項目已發射648顆衛星,在北緯50°以上地區開通寬帶服務,并與40余家公司實現合作。

在星地融合應用方面,Starlink系統與OneWeb系統均可以為偏遠地區用戶提供穩定、高效的網絡連接,為汽車與飛機上乘客提供無縫的通信服務,為遭受自然災害地區提供緊急通信輔助救援,為海上船舶提供可靠穩定的數據連接。除此之外,Starlink系統也被驗證具有軍事應用潛力,其可以與武器平臺連接進行數據傳輸,在俄烏沖突中憑借其通信能力優異與小巧便攜特性被廣泛應用[17]。

3.5.2 運營情況

在系統帶寬測試方面,Starlink系統在試驗中可以為飛機提供610 Mbit/s帶寬的通信服務,遠遠超過了普通海事衛星的服務水平,可以為海上與空中用戶提供高質量通信保障。而OneWeb系統在測試中通信速率可達100 Mbit/s,證明其同樣可以提供良好的通信服務。

在系統網絡延遲測試方面,Starlink系統對普通地面用戶的傳輸時延可以達到20 ms以下,OneWeb系統在阿拉斯加等地區的測試時延低于50 ms,二者測試效果均小于傳統衛星通信的200 ms延遲,證明星地融合系統較低的通信延遲。

可以看到,Starlink系統與OneWeb系統經過實驗測試均有較高的通信帶寬與較低的通信時延,相較于傳統衛星通信有更好的通信服務提供能力。

3.5.3 頻率使用情況

Starlink系統中衛星饋電鏈路(衛星和信關站之間的鏈路)中下行鏈路使用17.8～18.6 GHz、18.8～19.3 GHz、71～76 GHz和37.5～42.5 GHz頻段進行通信,上行鏈路使用27.5～29.1 GHz、29.5～30.0 GHz、81.0～86.0 GHz、47.2～50.2 GHz和50.4～52.4 GHz進行通信;用戶鏈路(衛星和用戶終端之間的鏈路)中下行鏈路使用10.7～12.75 GHz、17.8～18.6 GHz、18.8～19.3 GHz、19.7～20.2 GHz和37.5～42.5 GHz頻段進行通信,上行鏈路使用12.75～13.25 GHz、14.0～14.5 GHz、28.35～29.1 GHz、29.5～30.0 GHz、47.2～50.2 GHz和50.4～52.4GHz頻段進行通信。

OneWeb系統衛星饋電鏈路是用Ka頻段,其中下行鏈路采用17.8～20.2 GHz,而上行鏈路采用27.5～30.0 GHz;用戶鏈路使用Ku頻段,其中用戶終端到衛星采用12.75～14.5 GHz,衛星到用戶終端采用10.7～12.7 GHz。

4 未來展望與技術挑戰

衛星互聯網與地面網絡融合策略是6G的關鍵支柱和技術,此項技術的基礎理論和實踐應用初步驗證了星地融合帶來的性能提升以及未來廣闊的應用前景,如個人移動通信、交通運輸、航空航海、電信、航天、應急救災等。此外,隨著衛星通信網絡的發展速度加快,其在未來6G通信網絡中將扮演重要的角色,星地融合通信網絡的形成將是未來全球網絡覆蓋的發展趨勢[11]。為了進一步提升星地網絡融合性能,未來需要開展星地融合網絡架構、星地一體化空口傳輸、頻譜資源管理與政策保障和大規模高增益相控陣天線等研究。

4.1 星地融合網絡架構

星地融合網絡架構是一個多維復雜的“巨系統”,由多個異構接入網融合,具有多層立體、動態時變的特點。星地融合中采用靈活多維度的網絡架構可以在網絡的不同節點中針對需求實現各種功能,提高系統運行效率。

中信科移動發布的星地融合通信白皮書中指出,星地融合網絡架構主要包括圖9所示的終端、無線接入網、承載網和核心網四部分,此外,還有應用系統和運營支撐系統。考慮到星地融合網絡架構承載的服務呈現出多類型并發、業務需求差異化等鮮明特征[18],此架構需支持基于TN和NTN的多種通信接入方式,手機或者VSAT終端可直接接入。對于NTN來說,星上處理(OBP)模式和星間鏈路的使用可以使信關站布站的數量和難度大幅度降低。受技術條件、發射能力和成本的約束,以及通信監管的需要,星地融合通信系統未來也可能采用透明轉發(TP)的模式。由于星地融合通信系統需要在全球運營,各個國家監管機構可能要求在其國家內建立獨立的信關站和核心網。綜合以上考慮,未來的星地融合網絡架構應支持基于多運營商核心網的接入網共享方式,多個核心網共享接入網,支持TN、NTN-OBP和NTN-TP混合組網的方式。

圖9 星地融合網絡通信架構Fig.9 Satellite-ground fusion network communication architecture

星地融合網絡架構具有多層立體、動態時變的特點,導致系統復雜不易設計,另外網絡的高動態場景也會造成信號傳輸與網絡拓撲管理困難,影響星地融合網絡的通信服務能力。未來構建星地融合網絡架構還需對現有架構進行進一步的調整,針對性解決高動態問題,提升信號傳輸質量與網絡拓撲管理能力,優化網絡系統設計方法,實現更高通信質量。

4.2 星地一體化空口傳輸

星地一體化的空口傳輸技術是星地融合從業務融合、通信體制融合向系統全面融合發展、實現泛在互聯的重要途徑,是實現“萬物互聯”“隨遇接入”“全球無縫覆蓋”的重要方式。包括統一的波形與調制方式選擇、時頻同步、接入和移動性管理等。

星地一體化空口設計思路如圖10所示,設計由具體的業務需求出發,利用網絡的智能感知發現可用資源,通過對網絡資源的配置與選擇滿足業務需求[19]。其中實現星地一體化傳輸的重點是規范統一的傳輸波形并構建可配置的空口參數集合,典型的無線空口參數集包括傳輸波形、子載波間隔、調制方式、傳輸信道帶寬、同步信道帶寬、天線端口配置、隨機接入格式等參數[20]。

圖10 星地統一空口設計思路Fig.10 Unified air interface design concept for satellite-ground

統一空口設計的核心是基于可變參數的空口配置技術,其可以根據具體的傳輸需求與應用場景選擇合適的空口配置方案與網絡接入。終端在空口設計中不需要關注網絡類型,只需要分析判斷網絡資源能否滿足傳輸需求,在此基礎上根據需求配置合適的參數,通過靈活的空口參數配置來適應不同的應用場景。

4.3 頻譜資源管理與政策保障

通信中的頻譜資源異常稀缺珍貴,因此如何利用有限的頻譜資源為盡可能多的用戶提供高質量服務成為所有通信系統都需要解決的難題。另外,星地融合場景下存在地面網絡與衛星網絡這兩種不同的通信方式,因此解決不同網絡間的頻譜干擾與競爭也變得尤為重要。星地融合通信網絡需要突破傳統的頻率硬性分割模式,利用空間隔離、時間隔離、空分復用和精細化頻譜管理實現星地頻譜共享與頻率復用。

基于時分的星地頻譜共享方式一般可分為4種:① 頻段規劃,當不同業務希望采用同一頻段時,可以通過頻段規劃來合理共享頻譜;② 空間規劃,空間規劃主要指的是將終端以足夠的距離分隔,以允許不同終端共享頻譜;③ 時隙分配,利用時分動態復用方式設計衛星與地面系統的共享機制;④ 信號設計,基于非正交復用機制保證衛星與地面系統能夠使用同一頻段同時傳輸信息,其中衛星系統使用擴頻/擴維調制,地面系統使用傳統OFDM,可通過適當調整信號功率保證系統間干擾對傳輸性能的影響足夠小。此外,文獻[21]提出融合了非正交多址技術和認知無線電技術的頻譜共享技術,通過這種方式,用戶可以同時接入多種頻譜,高效地實現頻譜資源利用。

通過對星地融合通信的干擾機理進行分析,未來可以利用先進算法和機制協作地實現星地頻譜共享,利用人工智能和機器學習實現星地通信的軟頻率復用,指定動態的星地頻率共享策略。

4.4 大規模高增益相控陣天線

在星地融合高頻段通信中,為了較好地實現空間隔離、時間隔離和空分復用,衛星和終端均采用高增益定向天線;針對手機與衛星直連這類低頻段業務場景,通常采用多頻復用、衛星天線模式、旁瓣抑制技術和終端功率控制技術等多方案結合的方式,來應對集總干擾的問題。華為工程師施學良在全國6G發展大會中提到,建立高能效大規模星載相控天線系統是實現星地融合網絡的關鍵技術,未來可從以下幾個方面對超大規模星載天線陣列開展研究:① 收發共口徑設計降低陣面尺寸,研究先進收發交叉隔離技術,降低共面集成干擾;② 超寬角掃描天線技術,提高單星廣覆蓋能力;③ 研究超級稀疏算法,有效降低大規模陣列天線單元數,節省功耗及成本;④ 星上處理能力增強,引入功放非線性數字預失真技術,支持更高階調制傳輸,提高頻譜效率;⑤ 集成高效收發組件設計,引入三維異構堆疊工藝、高效率散熱材料等,提高組件集成度和改善散熱。

5 結論

衛星通信系統與地面網絡系統的融合將突破地理環境限制,為更多用戶帶來更穩定、更廣泛的通信覆蓋,將物聯網、視頻通話以及互聯網服務擴展到更多場景與更大范圍,有助于構建空天地一體化通信系統。星地融合網絡的發展代表著未來通信網絡發展的趨勢,本文對衛星互聯網與地面網絡的融合策略進行了介紹,詳細分析了星地融合系統的構建及應用實踐,在此基礎上,列舉了一些星地融合網絡適用的應用場景,介紹了星地融合網絡的關鍵技術,并分析其面臨的挑戰,為今后星地融合網絡的發展提供參考。