低轨卫星移动通信现状与未来发展

0引言低轨卫星（Lowearthorbit，LEO）通信是构建6G（Thesixthgenerationmobilecommunicationsystem）必不可少的部分，较地面通信而言，LEO的覆盖更广，更适合在荒漠戈壁、深林、海上等无人区进行全球通信；与高轨卫星通信相比，LEO具有传输损耗小、时延小、成本低等优点。因此，对低轨卫星移动通信进行研究和设计为构建空天地海一体化通信具有深远的意义。目前，全球LEO领域正在进行一场深刻的产业、系统与技术变革，引发卫星制造、发射等核心技术发生颠覆式革命，卫星应用领域与模式拓展创新，全球开启了人人可“玩”卫星时代，此外，LEO通信网与地面网络竞争的同时，也不断地借鉴地面网发展的先进技术，并走向与地面网的互补和融合，天空地海一体化的发展渐成趋势，国内外都已开启“5G+卫星通信”，以及6G的研究。本文主要通过介绍LEO通信系统的组成及其特点，然后，从Iridium、Orbcomm和Globalstar等传统低轨LEO通信系统和OneWeb、LeoSat、Starlink系统、“鸿雁”系统和“虹云”等新兴LEO通信系统两方面介绍其特点，最后从星天空地海一体化通信、卫星通信多种功能深度融合、超大规模异构星座组网及其智慧卫星移动通信等讲述未来发展趋势。1LEO通信系统1.1LEO通信系统LEO通信是通过低轨卫星作中继，转发移动用户间或移动用户与固定用户间用于进行通信的无线电波，实现两点或多点间的通信。其包括空间段、地面段和用户段。LEO系统架构如图1所示。图1LEO系统架构空间段即星座，由多颗低轨卫星组成，采用星间链路实现互联互通，具备全球组网与数据交换路由的能力。地面段地面网络是系统的控制中心、数据交换中心、运营中心，由信关站、测控站、移动通信网络、运控系统、综合网管系统和业务支撑系统组成。信关站和测控站根据覆盖要求进行选址，在全球分布式部署，其余网络设备采用集中式部署方式，同时满足电信运营可靠性需求。用户段由各类用户终端组成，用户段由各种用户终端组成，包括手持终端、车载站、舰载站、机载终端等。1.2LEO通信特点LEO通信主要具有以下特点：（1）覆盖范围广。LEO覆盖半径数千米以上，大量LEO组成的星座可以实现全球无缝覆盖。（2）容量大、海量接入。LEO通信采用Ka/V频段或更高频段，频率资源相当丰富，可实现500Mbps以上大容量通信，可支持海量终端接入需求。（3）传输性能稳定。LEO通信链路为视距通信，链路损耗很稳定，多径效应可忽略不计。（4）灵活、抗毁性强。LEO通信不受地理条件的限制，无论是城市还是沙漠、山区、岛屿，以及自然灾害如地震、洪涝、台风发生时仍可提供稳定的通信。（5）成本低。通信设备成本不随通信距离增加而增加，因此适应于长距离及人烟稀少地区的通信。然而，LEO通信也存在一些缺点，如低轨卫星发射和星上载荷的成本较高、链路传输衰减大、传输时延大等。LEO已逐步突破一些统卫星通信技术，如SpaceX的一箭多星，火箭回收及重复利用技术等。2LEO通信发展现状2.1传统LEO通信系统国外提出的方案很多，但至今真正发射组网并进行运营的只有三个：Iridium、Orbcomm和Globalstar。2.1.1IridiumIridium星座由66颗轨道高度为780km的低轨卫星组成，如图2所示。星上采用多点波束相控阵天线和再生转发器。星间采用Ka频段进行信号传输。IridiumNEXT的L频段配置48波束的收发的相控阵天线、用户链路增加Ka频段、配置软件定义可再生处理载荷等方式，其中，L频段为移动用户提供最大速率为128kbps，支持最大数据传输速率为1.5Mbps；Ka频段车载式、便携式终端速率分别可达30Mbps、10Mbps，从而实现系统的高速率、大容量及多功能。图2Iridium星座2.1.2OrbcommOrbcomm系统由36颗LEO星座组成，分布在6个轨道面上，其中，32颗卫星均匀分布在825km的4个轨道面，每个轨道面有8颗卫星；2颗卫星分别分布在780km的2个轨道。信关站上行链路为148MHz，下行链路为137MHz，峰值速率为56kbps，用户链路上行速率为2.4kbps，下行链路速率为4.8kbps。Orbcomm是一个全球无线数据和消息服务的商业系统，利用LEO星座为世界上任何地方提供廉价的跟踪、监视和消息服务。图3Orbcomm星座2.1.3GlobalstarGlobalstar系统由美国劳拉空间通信公司和高通公司提出。空间段卫星采用倾斜轨道网状星座，包括48颗卫星和6颗备用卫星，均匀分布在8个倾角为52°的轨道平面上，轨道高度1414km，轨道周期113min，实现了全球南北纬70°之间的覆盖。用户同时可视卫星有2～4颗，每颗卫星与用户能保持10～12min通信，然后经软切换至另一颗星。星上采用透明转发、多波束天线，用户链路采用L/S频段，馈电链路为C/X频段，向用户提供寻呼、传真、短数据和定位等业务。用户终端有手持、车载、机载和船载等移动终端，以及半固定和固定终端。图4Globalstar星座2.2新兴LEO通信系统随着LEO制造和发射等技术突破，迎来了新兴LEO通信系统研究热潮，典型有OneWeb、LeoSat和Starlink等LEO通信系统。2.2.1OneWebOneWeb星座计划部署2千多颗卫星，采用Ku+Ka波段，在高度1200km的18个轨道平面上部署720颗卫星。星上采用透明转发器。其中，10.7-12.7GHz和12.75-14.5GHz频带将分别用于用户下行链路和用户上行链路，而17.8-20.2GHz和27.5-30.0GHz频带将分别用于馈线下行链路和馈线上行链路。在卫星高速运动过程中不同卫星交替出现在上空，保障某区域的信号覆盖。预计2027年建立健全的、覆盖全球的低轨卫星通信系统，为每个移动终端提供的速率为50Mbps。图5Oneweb星座2.2.2LeoSatLeoSat星座由LeoSat提出，计划部署108颗低轨卫星组成星座，在1400km的轨道上，采用6个轨道面，每个轨道面上部署18颗卫星，每颗卫星可以同时保持4条星间链路。LeoSat用户波束和信关站波束采用Ka频段，为用户波束提供速率为1.6Gbps；两个较大的信关站提供5.2Gbps的速率，其中星间链路采用激光通信，每颗星的4条链路最大速率为10Gpbs，从而提供全球高速数据传输服务。图6LeoSat星座2.2.3StarlinkStarlink星座由SpaceX提出，计划部署4.2万颗卫星，由分布在1100~1300km高度的4425颗低轨星座和分布在高度不超过346km的7518颗甚低轨星座构成，如下图6所示。低轨星座将结合Ku/Ka双波段芯片组和其他支持技术，用户链路采用Ku波段，馈线链路采用Ka波段，有利于更好地实现覆盖；另外采用V频段的甚低轨星座，能够实现传输信号增强，从而为针对性用户提供信息服务。预计2025年完成星座部署，为用户提供最小数据速率为1Gbps和最大速率为23Gbps的超高速通信，能提供类似光纤的网络速度，且覆盖面积大大提升，到目前第9批卫星送入太空，总计在轨运行538颗卫星。图7Starlink星座2.2.4“鸿雁”系统“鸿雁”星座由航天科技提出，为国内首套全球低轨卫星通信系统，该系统宽窄带融合通信系统，由300多颗低轨卫星组成。整个星座计划在2024年后完成，将实现移动通信、宽带接入、物联网、热点信息广播、导航增强、航空监视等六大业务，可以在全球范围内实现宽带和窄带相结合的移动通信，为用户提供实时双向通信。2019年首发星“重庆号”如下图所示，完成了在轨飞行平台各组软件测试，馈电上下行链路和用户上下行链路的验证。图8“鸿雁”首发星2.2.5“虹云”系统“虹云”星座是航天科工提出，由156颗低轨卫星组成，在轨道高度1000km上组网运行，采用Ka波段通信，每颗卫星最大支持速率为4Gbps。预计2022年完成星座部署后，以天基网为基础，融合导航、遥感，从而实现通信、导航、遥感一体化，构建一个宽带低轨卫星通信系统，为环境检测、移动通信等领域提供信息传输服务。其首发星如下图所示，已完成在轨的各项技术验证。图9“虹云”首发星３未来发展趋势LEO移动通信具有机动性强、覆盖范围大、可靠性好、传输效率高等特点，已广泛应用于民用领域和军事领域，成为通信领域不可或缺的一种手段。对于未来的发展，可从以下方面着手。3.1星天空地海一体化通信构建多域（星天空地海）一体化网络构架包括深空/星际网、天基骨干网、天基接入网、空基网、陆基网、海基网，网络安全组成如图10所示，实现星际、深空、空间、地面、海洋网络互联互通、互为补充、高效协同，是未来通信的发展趋势。（1）多域人机物灵活一体化网络架构针对深空/星际网、天基骨干网、天基接入网、空基网、陆基网、海基网在覆盖范围、传输时延、带宽成本、容量、频率等方面各有优缺点。协调利用各类设备优势特征组成复合协同网络，充分运用人工智能、SDN等领域新技术，提升系统可控性、高效承载各类业务。（2）激光与量子通信融合高速信息传输技术星空天地海一体化信息网络的构建对信息的高数据率和安全保密性提出了极高的要求。量子通信具有信息传输的安全保密性，但无法做到高速信息传输。然而，激光通信具通信速率高、抗电磁干扰图10星天空地海一体化通信等技术优势。为了兼顾网络传输的保密性和可靠性，采用空间激光通信与量子通信技术互补融合式高速率信息传输。（3）零信任架构的边缘计算接入技术基于边缘计算结合可信计算、零信任安全、态势感知等先进理念和技术，对用户和数据等在信任架构内进行隔离，以确保每一个访问请求都被验证并故意允许或不批准，以加强保护和控制，不仅能防御当前的种种攻击，还能快速地适应不断变化的服务环境，也没有很大的管理负担。（4）动态协作组网技术星空天地海一体化深度融合移动新型组网节点间的位置关系随时间动态变化，造成网络拓扑实时改变，使得路由组网难度较大。为保证信息能够经过星际链路正确到达目的地址，并且实现深空/星际网、天基骨干网、天基接入网、空基网、陆基网、海基网间的快速可靠接入和自主控制，则要求网络具有多点互通及智能捕获、对准、跟踪、能力。3.2卫星通信多种功能深度融合卫星通信实现多种功能（定位、导航、授时、遥感、物联网、通信）的深度融合发展，是未来低轨卫星通信网络的发展趋势。（1）异构灵活终端一体化智能切换管理技术基于强化学习的异构灵活终端管理架构，既可以充分考虑到不同层面的需求,又可以及时开始并完成切换过程，最大限度地减少切换中断时间，从而实现无缝切换。（2）轻量级灵活终端安全传输技术灵活终端设备由于资源有限和网络防护措施不足，通常更容易遭受攻击，而轻量级算法可以在设备安全和能耗之间找到平衡，用于授权、加密、访问控制和密钥交换。（3）异构灵活终端业务流分发技术根据当前各接入网络的链路状况、不同类型业务流的服务质量需求、传输功耗、通信成本等多个属性，智能为异构灵活终端上运行的各条业务流选择合理的接入网络，从而提高吞吐量、会话完成率等性能。（4）卫星通信微型化SOC芯片研制采用软件自定义架构，研制满足宽带、移动通信、物联网、GNSS导航等多波形融合的集成化系统的合理设计，实现高性能低功耗SoC芯片，以满足不同应用场景下多体制波形的灵活加载与应用。3.3超大规模异构星座组网针对未来空间互联网数千颗至数万颗规模的巨型星座，研究超大规模星座通信网络的异构型、协同性、环境感知性，实现对多域、多维、多粒度移动性的支持，实现不同星座之间的互联互通，提升超大规模星座网络架构的收敛性和可扩展性。（1）超超大规模星座组网技术针对多轨道大规模星座一体化异构网络的复杂性，通过对星座设计、组网、抗毁性、网络安全等核心技术进行研究，优化超大规模星座的自适应组网架构，实现不同星座之间的互联互通，提升星座网络架构的收敛性和可扩展性。（2）超大规模星座资源自进化调度技术超大规模星座的任务需求多样化、相互影响约束较多、星座任务规划时效性要求高等特点，需要研究超大规模星座资源自进化调度技术，实现在各个阶段满足对在轨卫星的实时监控，任务规划，保持星座构型，提升大规模星座的抗毁性能。（3）超大规模星座协调用频及干扰管理针对不同低轨星座之间的同频干扰问题，分别从信号层面和网络层面进行研究，以及采用智能动态频谱共享、干扰规避策略等技术，解决相互干扰，提高超大规模星座的可靠性。（4）超大规模星座健康管理技术超大规模星座中存在星地设备管理难度高，发生故障难以排除等问题，因此研究星地一体化健康管理技术，实现在星座运行过程中实时对卫星和地面站设备进行健康管理，及时排除潜在的安全隐患和故障，确保星座平稳运行。3.4智慧卫星移动通信未来卫星网络结构将会越来越庞大异构，业务类型和应用场景也越来越繁杂多变，充分利用AI技术为基础的6G（“人工智能+地面通信+卫星网络”）来解决这种复杂需求几乎是必然选择。（1）认知增强与决策推演的智慧网络架构采用人工智能技术对信息的识别、认知和融合，对网络资源分布情况与变化规律进行动态建模分析，并结合集中管控的思想，实现网络中路由、缓存等策略的自适应推演。获取正向的资源调度柔性进化方案，以最大化网络的效能和可靠性。（2）智