低軌衛(wèi)星星座通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)會是未來通信業(yè)的中堅力量嗎？
《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》雜志
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衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將成為未來全球網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分?，F(xiàn)代衛(wèi)星制造技術(shù)、發(fā)射技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)促使大規(guī)模低軌星座通信網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實。探討了未來大規(guī)模低軌星座衛(wèi)星通信網(wǎng)的研究和發(fā)展，包括衛(wèi)星服務(wù)和應(yīng)用、衛(wèi)星通信的演進(jìn)與技術(shù)挑戰(zhàn)、用戶對服務(wù)質(zhì)量（QoS）的要求、5G標(biāo)準(zhǔn)用例、5G部署場景。最后展望了基于大規(guī)模低軌星座衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在未來6G發(fā)展中的作用。
自60 年前第 1顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射以來，人們一直都在探索衛(wèi)星和空間的應(yīng)用。衛(wèi)星通信和衛(wèi)星廣播是衛(wèi)星應(yīng)用的最好范例。在衛(wèi)星的幫助下，我們可以把更多的應(yīng)用和服務(wù)送到世界的各個角落。
衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以提供全球覆蓋，已成為地面網(wǎng)絡(luò)的補充和全球網(wǎng)絡(luò)不可或缺的重要組成部分。最早的衛(wèi)星通信都是基于地球靜止軌道（GEO）的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是衛(wèi)星制造、移動通信、電子工程、衛(wèi)星發(fā)射、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，中地球軌道（MEO）和低地球軌道（LEO）衛(wèi)星系統(tǒng)開始迅猛發(fā)展。大規(guī)模低軌星座衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用迎來了新契機[1-2]。
衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以提供廣泛的服務(wù)和應(yīng)用（見圖1）。這些應(yīng)用包括如下主要方面：
● 邊遠(yuǎn)地區(qū)鄉(xiāng)村的遠(yuǎn)程商業(yè)和住宅服務(wù)；
● 偏遠(yuǎn)山區(qū)、沙漠和島嶼網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；
● 智能交通系統(tǒng)和車輛通信連接服務(wù)；
● 航海和船運通信服務(wù)；
● 航空航天飛行器和民航服務(wù)；
● 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)自動化、海上風(fēng)電、海上鉆井平臺等應(yīng)用；
● 緊急服務(wù)（救護(hù)車、海岸救援、山區(qū)救援等）；
● 政府及國防應(yīng)用。
TV：電視
Inter-satellitelink (ISL)：星間鏈路
Fixedearth station：固定地面站
Terrestrialnetwork：地面網(wǎng)絡(luò)
Transportableearth stations：移動式地面站
Portableterminal：便攜終端
Handheldterminal：手持終端
Userterminals：用戶終端
圖1 衛(wèi)星服務(wù)和應(yīng)用[1-2]
衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展主要包括3 個階段。
（1）基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。在這一階段，單極化6/4GHz 波束提供全球波束覆蓋，雙極化波束整形基于16/14 GHz 可提供多點波束和轉(zhuǎn)發(fā)器波束跳躍以及星上交換服務(wù)星間鏈路、光通信技術(shù)和30/20 GHz的應(yīng)用使得高通量全球衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實。
（2）星上技術(shù)的發(fā)展。這一階段經(jīng)歷了分頻交換、分時交換、星上信號處理、星上數(shù)據(jù)包交換以及星上路由和星間鏈路的發(fā)展。其中，星間鏈路的發(fā)展也推動了低軌/中軌星座衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。
（3）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用的發(fā)展。這一階段從國際長途電話和衛(wèi)星廣播開始，然后經(jīng)歷國內(nèi)長途電話和衛(wèi)星服務(wù)、專用網(wǎng)絡(luò)、航空地面移動服務(wù)、直接數(shù)字衛(wèi)星廣播、多媒體互聯(lián)網(wǎng)寬帶服務(wù)的發(fā)展，最終到現(xiàn)在的4G/5G 和未來的6G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。
衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在以下幾個方面仍面臨巨大技術(shù)挑戰(zhàn)：
（1）傳播時延大。雖然無線電波和光波在真空中均能以3x108 m/s 的速度傳播，但是較大的衛(wèi)星通信距離使得傳播時延遠(yuǎn)大于地面網(wǎng)絡(luò)。
（2）帶寬有限。能夠用于衛(wèi)星通信的頻譜資源比較有限。同時衛(wèi)星產(chǎn)生的波束遠(yuǎn)大于地面無線網(wǎng)絡(luò)，使得頻譜的利用率遠(yuǎn)不如地面無線網(wǎng)絡(luò)。這將直接影響通信的容量。
（3）傳輸錯誤多。由于傳輸距離和鏈路信道會受到各種干擾，傳輸數(shù)據(jù)的誤碼率也大于地面網(wǎng)絡(luò)。
（4）傳輸功率受限。衛(wèi)星主要靠太陽能來供電，同時要和其他衛(wèi)星及地面無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行協(xié)調(diào)以避免產(chǎn)生干擾。因此，傳輸功率就會受到很大限制，數(shù)據(jù)的傳輸速率也會受到影響。
GEO：地球靜止軌道
LEO：低地球軌道
MEO：中地球軌道
Terrestrial：地面
圖2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)覆蓋范圍示意圖[1-2]
需要注意的是，在引入低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時，要做好衛(wèi)星數(shù)量和覆蓋范圍方的權(quán)衡，如圖2 所示。對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動態(tài)管理可降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸成本，有利于滿足網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）的要求。
網(wǎng)絡(luò) QoS 以用戶為中心。目前，QoS的類別模型已經(jīng)由國際電聯(lián)明確提出[3]，如圖3 所示。可以看出，QoS的類別模型共有 8個。其中，有的服務(wù)可以容忍傳輸錯誤，如語言視頻交互、語言視頻信息、語言視頻流媒體和傳真；有的服務(wù)則不能容忍傳輸錯誤，如指令和控制（遠(yuǎn)程交互和游戲操作）、電子交易在線和電郵、信息文件下載、后臺處理。
圖3 以用戶為中心的服務(wù)質(zhì)量類別模型[3]
在5G 標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中，第3 代合作伙伴計劃（3GPP）為基于GEO、MEO或 LEO集成基礎(chǔ)設(shè)施的衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)制定了具體的QoS 參數(shù)。這些參數(shù)都是與傳播時延有關(guān)的，如表1 所示[4]。
表1 用戶設(shè)備到衛(wèi)星的傳播時延[4]
GEO：地球靜止軌道
LEO：低地球軌道
MEO：中地球軌道
NTN泛指除了地面網(wǎng)絡(luò)的所有網(wǎng)絡(luò)，包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和高空平臺（HAP）。3GPP為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)定義了 12個用例，并在相關(guān)的技術(shù)報告中給出了詳細(xì)說明[4]。這 12個用例具體為：
地面和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的漫游、帶有衛(wèi)星覆蓋的廣播和組播、具有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、臨時使用衛(wèi)星組件、最佳路由或衛(wèi)星轉(zhuǎn)向、衛(wèi)星跨境業(yè)務(wù)連續(xù)性、全球衛(wèi)星覆蓋、通過5G衛(wèi)星接入網(wǎng)間接連接、新無線接入網(wǎng)和5G 核心網(wǎng)之間的5G 固定回傳、5G移動平臺回傳、5G與場地設(shè)備的連接、遠(yuǎn)程服務(wù)中心到海上風(fēng)電場的衛(wèi)星連接。
3GPP和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）對NTN 部署場景進(jìn)行了深入研究，并提出了具體的部署場景[5-6]。
（1）平臺軌道和高度。這一場景包括平臺軌道類型（如GEO、非GEO）及其高度。其中，平臺可以是衛(wèi)星，也可以是其他高空平臺。
（2）平臺和用戶設(shè)備之間的載波頻率。該場景涉及0.5～100GHz 的頻率。
（3）波束模式。這里的波束模式是指波束覆蓋模式。它是頻譜復(fù)用和容量計算的重要參數(shù)。
（4）接入方式。接入方式可以是頻分雙工（FDD），也可以是時分雙工（TDD）。
（5）信道帶寬（下行鏈路和上行鏈路）。該場景涉及信道下行鏈路和上行鏈路的可用帶寬。使用何種帶寬這取決于所使用的載波頻率。出于評估目的，我們主要考慮以下兩個因素：
● 對于在6 GHz 以上頻段運行的衛(wèi)星和空中網(wǎng)絡(luò)，下行鏈路和上行鏈路的平均帶寬高達(dá)800 MHz；
● 對于在6 GHz 以下頻段運行的衛(wèi)星和空中網(wǎng)絡(luò)，下行鏈路和上行鏈路的平均帶寬高達(dá)80 MHz。
（6）非地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選項，具體包括：
● 衛(wèi)星可以作為無線接入網(wǎng)在用戶設(shè)備和5G 基站（gNB）之間以透明的方式連接；
● 衛(wèi)星可以具備5G 基站的一些功能，并與用戶設(shè)備相連接；
● 用戶設(shè)備連接中繼站時，衛(wèi)星僅在中繼站和5G 基站之間以透明的方式連接；
● 用戶設(shè)備連接中繼站時，衛(wèi)星可以具備5G 基站的一些功能并與中繼站相連接。
（7）終端類型。用于評估目的時，可以考慮的終端類型包括：
● 發(fā)射功率設(shè)置為33 dBm（2W），等效孔徑直徑為60 cm（圓極化）；
● 對于每個3GPP FDD 功率等級（PC），PC1的全向天線最大輸出功率為33 dBm（2W），PC2 的為27 dBm（0.5W），PC3 的為23 dBm（0.2W）。
（8）終端屬性分布。終端屬性分布可以設(shè)置為3 類：
● 100%戶外用戶設(shè)備
● 100%室內(nèi)用戶設(shè)備；
● 室內(nèi)外混合用戶設(shè)備分布。
（9）終端速度。該屬性通常是指相對于衛(wèi)星或空中平臺上的發(fā)射器/接收器的速度，具體包括：
● 高速/低速用戶設(shè)備；
● 高速/低速平臺；
● 出于評估目的，終端速度最大值可以選定為1 000 km/h（例如飛機），或者500 km/h（例如高速列車）。
在進(jìn)行系統(tǒng)容量建模時，我們應(yīng)用流量工程原理從3 個方面來考慮。
（1）用戶流量。這里的用戶流量主要指用戶設(shè)備的數(shù)量和每個終端產(chǎn)生的峰值流量（如500 Mbit/s）；
（2）網(wǎng)關(guān)站數(shù)量與容量，以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（包括衛(wèi)星數(shù)量、每顆衛(wèi)星的點波束數(shù)量、每個點波束的容量）；
（3）流量控制和網(wǎng)絡(luò)資源管理（用以滿足QoS 要求，并有效利用網(wǎng)絡(luò)資源）。
總的來說，這些考慮應(yīng)包括：
● 需要明確系統(tǒng)容量定義和流量衡量標(biāo)準(zhǔn)；
● 明確說明網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；
● 精心設(shè)計流量控制和網(wǎng)絡(luò)資源管理的算法和方法
● 開發(fā)相關(guān)系統(tǒng)的規(guī)劃、性能評估、操作和維護(hù)問題的解決方案。
2020年，5G移動網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的制定已經(jīng)完成，5G網(wǎng)絡(luò)的部署在全球范圍內(nèi)已經(jīng)展開。未來研究的方向已經(jīng)集中到面向2030 年的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。相對于5G，這個新的網(wǎng)絡(luò)研究方向通常被稱為6G。很多大學(xué)、研究機構(gòu)、公司以及標(biāo)準(zhǔn)化組織都開始了面向6G 的研究和探索。
其中，國際電信聯(lián)盟（ITU）和電氣與電子工程師學(xué)會（EEE）都已經(jīng)取得一些顯著的進(jìn)展[7-9]。表2 給出了 5G和 6G的關(guān)鍵績效指標(biāo)的對比。
表2 5G 和 6G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵績效指標(biāo)對比
IP：互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議
衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將成為未來全球網(wǎng)絡(luò)以及 5G 和 6G的重要組成部分?，F(xiàn)代衛(wèi)星制造技術(shù)、發(fā)射技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得大規(guī)模低軌星座通信網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實。大規(guī)模低軌星座通信網(wǎng)絡(luò)既能與地面網(wǎng)絡(luò)形成互補，也能與地球靜止軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)互補。在不遠(yuǎn)的將來，大規(guī)模低軌星座通信網(wǎng)絡(luò)和未來的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都將獲得巨大發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)信號全球無死角覆蓋也將成為現(xiàn)實。
[1] MARAL G, BOUSQUET M, SUN Z. Satellite communications systems: systems, techniques and technology [M]. 6th ed. New Jersey: John Wiley & Son Ltd, 2020
[2] SUN Z. Satellite networking [M]. 2nd ed. New Jersey: John Wiley & Son Ltd, 2014.
[3] ITU. Transmission systems and media, digital systems and networks, end-user multimedia QoS categories: ITU-T G.1010 [S]. 2001
[4] 3GPP. Study on using satellite access in 5G: 3GPP TR 22.822 V16.0.0 [S].2018.
[5] 3GPP. Study on New Radio (NR) to support non-terrestrial networks: 3GPP TR 38.811 V15.4.0 [S]. 2020
[6] 3GPP. Study on scenarios and requirements for next generation access technologies: 3GPP TR 38.913 V16.0.0 [S]. 2020
[7] 3GPP. Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN): 3GPP TR 38.821 V16.0.0 [S]. 2019
[8] FG-NET-2030. Network 2030: a blueprint of technology, applications and market drivers towards the year 2030 and beyond [R]. 2019
[9] IEEE. IEEE international network generations roadmap: 2021 Edition [EB/OL].[2021-08-09]. https://futurenetworks.ieee.org/roadmap/
本文轉(zhuǎn)載自“《中興通訊技術(shù)》”，原標(biāo)題《大規(guī)模低軌（LEO）星座衛(wèi)星通信網(wǎng)發(fā)展展望》，文 |?孫智立，李天儒（薩里大學(xué))
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