6G网络中的卫星通信

吕智勇

（南京熊猫汉达科技有限公司，南京 210014）

0 引言

随着5G移动通信系统的全面布局，6G移动通信系统的研究也已正式提上日程[1]。特别是随着中美之间5G竞争的加剧，美国加快了6G技术研究，美国联邦通信委员会已决定开放95千兆赫到3太赫兹频段，供6G实验使用。甚至有报告指出[2、3]，“6G的特点是以卫星为基础组建互联网，美国实际上可能跳过5G，直接过渡到6G”。卫星通信在6G移动通信网络中到底发挥怎样的作用？美国真有可能跳过5G，直接建立6G通信网络么？我们将带着这些问题，分析6G移动通信网络中的卫星通信系统。

1 6G移动通信网络

目前，5G正处于规模商用的起步阶段，预计将有10年的使用寿命，而6G技术的研发刚刚开始，尚无统一的标准，各主要开发商均按照自己对6G预期愿景（6G愿景应该是现有5G不能满足而需要进一步提升的需求，具体说就是全球范围内陆、海、空、天的无缝连接，人-机-物-灵之间的深度连接，以及人工智能的深度应用开发）开展技术攻关。但有几个大的发展趋势，大家已达成初步共识[4、5、6]：一是更高的通信频段，以支持更高的传输速率；二是天地一体化的网络，实现全球陆、海、空、天无缝通信；三是智能连接，网络与用户融为一体，智能应用与网络深度融合。可以看出：6G移动通信网络的能力将在5G移动通信网络能力（保障范围、通信速率、频谱效率、传输与处理时延、连接密度、网络能效、移动能力、智能化能力）的基础上得到进一步提升，6G系统将构建一张无所不在（覆盖陆、海、空、天）、无所不连（人-机-物-灵）、无所不能（深度连接、智能处理）的网络。

结合6G移动通信网络技术特点，对比美国正在建设的低轨卫星通信系统（OneWeb，Starlink，LeoSat等），可以得到如下结论：美国不太可能跳过5G网络，直接建立基于卫星通信的6G网络，原因如下：

（1）6G移动通信网络是天地一体的通信网络。地面移动网络为用户密集地区提供宽带、低时延、高效通信，卫星网络实现全球无缝覆盖。单一卫星网络难以满足高速率、低时延、高连接密度的使用要求，不能满足6G的预期愿景。

（2）6G标准正在研究中，尚未形成统一的规范。以往地面移动通信网络建设一般都是标准先行，待标准完善后再进行系统建设。这样操作，一是可以避免巨大的投资风险，二是便于在全世界推广应用。因此，在6G标准真正形成以前，很难提前开展系统建设。

（3）6G移动网络的关键技术尚未突破，目前难以应用到实际的系统中。

2 6G网络中的卫星通信

卫星通信不能单独构建6G移动通信网络，但它是6G移动通信网络的重要组成部分，是实现陆、海、空、天全球无缝覆盖关键一环。为满足未来6G网络通信要求，卫星通信将具有以下特点。

2.1 轨道高度

6G移动通信网络中卫星系统以低轨星座系统为主，卫星轨道高度约为300千米左右。轨道高度越低，传输时延越小，对实时业务保障越好；轨道高度越低，传输损耗越小，同等功率下可支持更高速通信业务；轨道高度越低，覆盖全球所需卫星数量越多，频率复用次数越多，系统容量越大；轨道高度过低，则大气阻力将严重影响卫星寿命，极大增加系统建设成本；300千米轨道高度，大气阻力可基本忽略，轨道高度再往下降则大气影响逐步加大。

2.2 工作频段

6G移动通信网络中卫星系统工作频段可选择太赫兹和激光。

（1）目前适合卫星通信的UHF，L，S，C，X，Ku，Ka频段已开发殆尽，oneweb、starlink等低轨卫星通信系统已在第二阶段布局了Q，V，W等频段，留给6G网络中卫星系统可选频段已经不多。

（2）更高频段可支持更高速通信业务，目前美国已开放95千兆赫到3太赫兹频段供6G实验使用，相关技术攻关和器件开发也已全面展开，是未来移动通信可选频段，卫星选用太赫兹频段可实现与地面系统的一体化设计。

（3）激光通信技术已日渐成熟，目前已在多颗卫星搭载试验，是卫星实现宽带高速通信的有效手段。

2.3 卫星载荷

6G移动通信网络中卫星载荷将是一个综合任务载荷，具备通信、导航、遥感等多种功能。

（1）随着科学技术的发展，卫星平台能力将得到极大的提升，能同时支持多个任务载荷。

（2）卫星轨道高度降为300千米后，需要上万颗卫星才能实现全球无缝覆盖（参考Starlink星座设计）；在其上配置导航和遥感载荷后（相当于现有导航、遥感卫星数量增加了几百倍），可以将导航精度和遥感时效性提高到一个新的水平。

（3）通信、导航、遥感三种载荷相互配合可极大提高系统整体效能。导航为通信提供精准的用户位置信息，方便用户随遇接入；遥感为通信提供频率使用和干扰信息，方便系统频率使用调度；通信为导航、遥感提供数据传输通道，方便系统管理和信息传输，极大提高系统效能。

2.4 星载天线

6G移动通信网络中卫星天线将是多点波束相控阵天线，每颗卫星可形成上百个点波束，每个点波束覆盖范围较小，可根据任务需求在卫星对地视场内自由移动。

（1）6G中的卫星采用太赫兹后，通信波束宽度可以大幅缩小，这将极大提高通信天线增益。

（2）通信波束覆盖缩小后，大幅增加了波束间的空间隔离度。系统可根据用户位置，单独调整卫星天线指向，为每个用户建立通信连接，这将极大增加频率复用次数，提高系统容量和通信速率。

（3）每个波束都可在卫星对地视场内自由移动，同一地区的用户可分别由数十颗不同卫星提供通信服务，极大的增强了系统的灵活性和健壮性。

2.5 星上处理

6G移动通信网络中卫星星上处理能力大大增强，每一颗卫星都具有星上信号再生处理、路由交换、用户管理、应用服务等功能。

（1）软件化和开源化是未来发展趋势。在6G时代，软件无线电（SDR）、软件定义网络（SDN）、云化、开放硬件等技术将进入成熟阶段，星上处理功能将得到极大增强。

（2）移动边缘计算将得到广泛应用，系统需在满足异构服务、时延要求、传输带宽限制的前提下，实现跨网元、跨区域地的计算和数据分析的分发。每颗卫星都是一个处理节点，卫星不再单纯的完成信号的透明转发，而是在星上完成信息的解析、路由交换、用户管理等功能，这将全面提高系统性能。

2.6 星间链路

6G移动通信网络中各卫星间将建立广泛的、全面的连接，不同轨道面之间、同一轨道面之间相邻卫星将建立高速的激光链路，实现卫星之间数据的传输。

（1）任意一颗低轨卫星将通过激光链路与相邻的卫星建立星间连接，卫星系统将在天上建立一张与地面系统相当规模，即可独立存在，又可相互融合的互联网络，真正实现天地一体化发展，这将使6G网络性能得到充分发挥。

（2）激光技术的快速发展，使卫星之间Tb/s量级的空间激光传输成为可能。

2.7 用户/馈电链路

6G移动通信网络中卫星将不再区分用户链路和馈电电路，两者合二为一。

（1）星间链路的建立使得数据的路由变得多样化，不再仅通过本地馈电链路与地面系统连接，可以通过星间链路实现就近接入。

（2）用户通信速率的不断提升，使得单一馈电链路的带宽难以承受宽带业务的高速发展，必须建立多条对地链路实现高通量数据的接入。

（3）用户、馈电链路的一体化设计大大简化了卫星的设计，且能实现数据的分布式传输，增强系统的健壮性。

（4）用户、馈电链路的一体化设计降低了馈电链路的传输要求，进而降低了对地面接入站的设计要求。可根据系统需要分布式布局，优化了系统设计，方便了系统使用。

2.8 人工智能

人工智能在6G移动通信网络的卫星系统中将得到广泛应用。

（1）6G中的卫星系统是一个分布式的网络构架，业务类型和应用场景众多，充分利用AI技术几乎是必然的选择。

（2）随着人工智能的发展，自动化网络在6G时代将成为现实，可以动态选择不同类型的无线接入技术，可以根据需求自动配置网络资源，可以自动提出网络规划建议等。

（3）只有采用基于人工智能的自动化网络才能满足对QoS要求越来越严苛的应用，单纯依靠人力无法满足网络敏捷性、实时性需求。

（4）通过人工智能可实现分布式动态连接、路由选择、负载平衡和数据缓存等，从而保障通信稳健性。

（5）未来的移动网络是一个自治系统，能够自主学习、预测和处理。网络是有意识的，网络规划和优化本身属于网络的一部分。

2.9 系统建设

地面移动通信系统是由大家共同制定统一的标准规范，然后由各个国家和地区根据自己的发展需要各自开展建设，独自负责运营。而6G移动通信网络中的卫星系统将有可能打破这一局面，它将会是一个共享的系统，将由多个国家共同建设，可供全世界人民使用。

（1）通信频率是所有通信系统建设的基础，地面移动通信系统由于所处区域的不同，不同国家和地区可以共享同一频率，用以建设各自的地面系统；而低轨卫星通信系统频率使用是互斥的，一个系统占用了某一频段，则其他系统很难共用。可供6G网络中卫星系统使用的频率和轨位资源有限，不足以支持多个系统建设。

（2）低轨卫星通信系统建设投资金额大，系统建成后可覆盖全球。小的国家和地区很难或者没有必要建设一个如此巨大的覆盖全球的通信系统。

（3）卫星通信系统将是6G移动通信网络的重要组成部分，不可或缺，各大国不可能放弃在该领域的竞争。最有可能的结果是组建2-3个联盟，构建各自的卫星系统，为全球提供6G卫星移动通信服务。

3 关键技术

星载太赫兹相控阵天线技术：相控阵天线技术目前已经比较成熟，在工程应用中已大规模应用，但星载太赫兹相控阵天线有诸多技术难点需要进行攻关。一是太赫兹星载元器件；目前尚无成熟产品，需要提前布局，展开研制。二是大规模（上百个）极窄波束形成与控制技术；要求星上同时产生上百个极窄波束，各自准确指向相应通信用户，在低轨卫星高速运动中始终自动跟踪用户，并保持指向精度，这对天线设计提出了很高的要求。三是星载天线的小型化和可靠性设计技术；低轨卫星平台安装面积有限，对星载天线的尺寸、重量有严格的限定，这将极大增加天线设计难度。

基于人工智能的通、导、遥一体化设计技术：一是人工智能、边缘计算与卫星网络融合技术，将使卫星计算和信号处理能力变得异常强大。二是基于深度学习的信号检测与信道估计技术；将由卫星自主分析估计各种条件下的信道模型，并进行精准匹配均衡。三是通信、导航、遥感的一体化应用技术；卫星网络基于人工智能自动调度、分配整个网络中通信、导航、遥感任务，使系统利用率达到最佳。

低轨卫星自组网技术：一是动态组网技术；低轨星座系统根据用户、馈电、星间链路的实时变化，自动更新维护网络拓扑。二是系统自主管理技术；星座系统基于人工智能，自主保持各低轨卫星间相对位置，自主维护卫星轨道姿态。三是基于深度学习的网络管理技术；卫星网络将自动根据资源使用和干扰情况进行相互间协商调度，实现系统性能最优。

4 结束语

卫星通信是6G移动通信网络的重要组成部分，是实现天、空、地、海一体化无缝覆盖的关键。随着用户需求的不断增加，先进技术的快速发展，卫星通信系统将与地面移动通信系统进行深度融合，朝着更低轨道、更高频率、更大带宽、更多卫星、更加智能、更多功能以及天地一体方向发展，将在未来通信网络中发挥越来越重要作用。