星地融合网络:一体化模式、用频与应用展望

张世杰,赵祥天,赵亚飞,彭木根

(1.北京邮电大学 信息与通信工程学院 网络与交换技术国家重点实验室,北京 100876;2.银河航天(北京)通信技术有限公司,北京 100192)

0 引言

随着对通信连接需求的增长,地面通信网络不断发展,其具有更高性能,但也存在覆盖不均匀和抗毁性差等问题。地面无线通信网络以蜂窝移动通信为主,目前发展到最新的第五代通信网络,可以为大量用户提供更高速率、更低延时、更强稳定的通信服务,相较于第四代通信网络,能承载更多终端连接,提高了地面通信网络服能力,实现真正万物互联[1]。但地面通信网络也由于自然环境与建设成本的问题,在通信的覆盖方面存在着不全面、不均衡的问题。另外地面网络设备抗毁性较差,在遭遇自然灾害时会影响正常通信,无法用作应急通信。

卫星通信可以解决地面通信的问题,实现全球覆盖与应急通信,但因成本高以及通信效果差等缺点长期发展受限。卫星通信是通过卫星中继进行的通信,由于卫星处于高空中,因此具有覆盖范围大、抗灾抗毁性强、部署灵活等特点,十分适用于实现应急通信与全球通信。但传统通信卫星存在发射与组装成本高、通信容量小、传输时延大等问题,因此适用对象有限,发展较为缓慢[2]。

地面通信与卫星通信均存在自身适用范围的局限性,但将二者优缺点互补,进行星地融合,可以提高通信的覆盖范围与强度,实现全时、全域的通信需求[3-4]。地面网络能够实现城市与室内环境的高效通信连接,但在偏远地区缺少服务能力,而引入低轨卫星网络进行融合,则可以保障全球各个位置的正常通信,另外由于低轨卫星网络的鲁棒抗毁性,因此能在地面网络故障瘫痪时承接其通信任务,实现无缝稳定连接。

总的来说,利用卫星通信网络与地面网络的融合,可以提供全覆盖、全天候的服务能力,让通信摆脱地理环境束缚,在各种场景下按需接入,形成空天地一体化连接网络[5]。

1 星地融合优势与挑战

1.1 星地融合优势

低轨卫星互联网和地面网络的融合可以带来以下优势。

1.1.1 更大的覆盖范围

第五代通信网络为代表的地面网络能提供低时延、高可靠、高速率的通信连接,但却由于地理环境限制与成本问题导致目前全球仍有超过80%的陆地区域和95%的海上区域缺少网络连接[6-7]。而低轨卫星互联网由于轨道高,因此覆盖范围大,且部署较为灵活,因此可以实现更大更全面的覆盖范围以及更加均衡的覆盖强度。

1.1.2 更低的通信时延

传统地面通信面对远距离通信场景常常会因为光缆的复杂铺设方式而导致信号传输距离远远大于实际距离,从而产生较大时延。而加入低轨卫星互联网,则可以借助低轨卫星覆盖范围大且传输距离近的特性实现更快传输。另外,由于低轨卫星的覆盖范围内有相同时延差,因此相较于地面网络也更加适用于远距离差分时延敏感业务。

1.1.3 更强的抗灾性

地面通信设备依赖于地面基站以及光缆等设备实现稳定有效通信服务,但地面设备由于位置固定且易受地质灾害影响而具有一定的不稳定性。加入低轨卫星互联网形成星地融合网络可以借助卫星位于太空且鲁棒性强的特点,在应急时刻提供高质量通信,保障救援工作进行,实现了通信系统的鲁棒性[8]。

1.1.4 更有效的资源分配

地面通信网络与卫星网络的独立运行可能会导致部分区域网络的拥挤,通过卫星地融合网络的资源统一化分配,可以有效提高频谱等通信资源的利用效率,最大化利用设备带宽,为区域内海量用户提供更快速、更稳定的通信连接。

1.2 星地融合挑战

1.2.1 技术挑战与标准化问题

在卫星互联网与地面网络融合的发展过程中,面临着一系列技术挑战和标准化问题,主要包括:

① 跨层协同优化:卫星网络与地面网络在物理层、链路层、网络层以及应用层都存在着不同的特点和性能要求。如何实现跨层的协同优化,使得网络资源得到高效利用,并在不同网络之间实现无缝切换,是一个重要的技术挑战 。

② 高延迟与大丢包率:卫星通信的天然特点是高延迟和大丢包率,这对于某些实时性要求较高的应用,如在线游戏、视频通话等,会产生较大的影响。如何降低卫星通信的延迟和丢包率,提高网络的可靠性和稳定性,是一个亟待解决的问题。

③ 频谱资源管理:卫星通信频谱资源有限,而不同地区、不同应用对频谱的需求也存在差异。如何在星地融合网络中合理配置、管理和共享频谱资源,以满足不同用户和应用的需求,是一个具有挑战性的任务。

④ 安全与隐私保护:星地融合网络涉及大量的用户数据传输和信息交换,因此安全和隐私保护是至关重要的。网络中的通信数据容易受到窃听、篡改和恶意攻击,如何在星地融合网络中建立高效的安全机制和隐私保护策略,确保用户数据的安全性,是一个复杂而重要的问题。

⑤ 互操作性与标准化:由于卫星互联网与地面网络是两种不同的网络体系,各自拥有一套独立的标准和协议。为了实现星地融合网络的无缝连接与互操作,需要制定一套统一的标准和协议。因此,如何在国际范围内达成一致,推进星地融合网络的标准化工作,是一个关键的问题。

⑥ 网络组网与移动管理:星地融合网络由于拓扑动态变化,需要进行动态组网。另外由于星地融合网络包含地面网络与低轨卫星网络,也因为业务种类繁多较为复杂,所以需要提出新的移动管理方案,实现全场景下用户的无缝连接。因此,如何进行合理、智能的组网以及实现高效移动管理是对提高通信质量有重大作用的问题[9]。

⑦ 需求与资源调度:星地融合场景不仅会包含地面网络与低轨卫星互联网原本的服务,还会产生一系列新的应用需求,因此针对于可能有的服务需求,在不同场景下,如何合理调配地面与卫星资源,实现最佳通信效果,是一个未知的问题。

1.2.2 商业模式与经济可行性

卫星互联网与地面网络融合需要大规模的投资,包括卫星的制造、发射、地面基础设施的建设以及运营成本等。由于投资回报周期较长,需要吸引投资者对这一领域产生兴趣和信心。

由于卫星互联网与地面网络融合的复杂性,传统的商业模式可能不适用于这一领域。需要探索新的商业模式,如联合营销、资源共享等,以提高经济可行性和盈利能力。目前,在星地融合领域,已经有多个运营商和公司投入竞争,其中SpaceX公司计划投资200～300亿美元建立低轨卫星互联网来为全球提供网络连接,预期发射12 000颗低轨卫星,目前已有数千颗卫星发射成功[10];中国航天科技和中国航天科工两大集团也推出“鸿雁”和“虹云”星座系统来构建全球低轨卫星互联网[11-12];另外,中国卫星网络集团有限公司也在2020年9月在ITU申报了两个LEO卫星星座计划,其中计划发射低轨卫星12 992颗;除了卫星公司参与外,各行各业也积极参与到星地融合网络的建设当中,传统汽车行业中的吉利公司在2022年6月发射了9颗低轨卫星来构建卫星星座。

因此,如何利用好星地融合网络,开发其价值,在竞争激烈的市场中保持竞争力,与其他行业进行有效融合,获得更高收益,争取更大的市场份额,将是商业模式的一个关键挑战。

2 典型星地融合策略

星地融合的发展路径呈现出从业务融合到体制融合,进而实现系统融合的趋势。目前,各国和相关企业提出并实践的卫星互联网与地面网络融合策略主要有三种:星地融合策略、手机直连策略、星地组合策略。三种星地融合策略在终端、接入网、核心网、网络控制、使用频率、空口、卫星与地面网关系方面的对比如表1所示。

2.1 地面辅助策略

地面辅助策略指的是通过引入地面基站来辅助卫星实现更优的地面覆盖,终端可以在地面基站与卫星间无缝切换,进而提高卫星通信信号在室内以及楼宇间的通信质量,解决卫星在城市中覆盖能力不足的痛点问题。地面辅助策略由于终端可以与卫星与地面基站进行通信,因此就二者空中接口类型是否相同,可分为两种情况:一种是二者使用相同空中接口,手机只需要单模式即可;另一种是两者使用不完全一致的空口,手机采用双模式,即卫星模式和地面网络模式。

采用地面辅助策略的卫星通信网络根据通信网络结构可以分为卫星网络和地面基站辅助网络。卫星网络由卫星和信关站构成,卫星具有非常强的多点波束能力。地面基站辅助网络与传统蜂窝移动网络架构类似,由各种传统地面基站组成,为城市中用户提供更高质量、更大容量、更低延迟通信,弥补卫星网络在城市中通信效果差的缺点。采用地面辅助策略的卫星通信网络需要实时根据网络覆盖与用户使用情况对两种通信网络进行灵活调度与分配,让终端时刻保持最佳通信状态,实现在卫星与地面基站间无缝切换。

欧美等国较早地开展了星地融合网络方面的研究和系统建设,基于地面辅助网络策略的星地融合应用有辅助地面组件(Ancillary Terrestrial Component,ATC)和互补地面组件(Complementary Ground Component,CGC)。2006年,沈荣骏院士首先提出了我国“天地一体化”的概念及总体构想,随着深入论证,确定了“天网地网”是适合我国星地融合网络发展的网络结构。考虑到地面辅助策略的“透明”特性,用户可以在地面基站和卫星之间无缝切换,不会觉察是正在使用基站还是卫星进行通信,因此,借鉴地面辅助策略来实现星地融合的无线接入对于我国天地一体化建设具有重要的影响。

2.2 星地一体化策略

2.2.1 融合策略

星地一体化策略的发展与非地面网络(Non-Terrestrial Network,NTN)的提出紧密相关。NTN是3GPP在R17阶段制定的基于新空口技术的终端与卫星直接通信技术,是地面蜂窝通信技术的重要补充,是手机直连卫星的技术方向之一。针对卫星通信场景距离远、移动快、覆盖广带来的多普勒频偏大、信号衰减大和传播时延大等问题,NTN进行了空口增强协议设计,引入了调度时序管理、HARQ功能编排、上行传输时延补偿、空地快速切换等先进技术,已具备基本卫星通信能力。

NTN包括基于非陆地网络的物联终端接入(NTN-IoT)和基于非陆地网络的5G智能终端接入(NTN-NR)两个工作组,NTN-IoT侧重支持低复杂度eMTC和NB-IoT终端的卫星物联业务,如全球资产追踪(例如海上集装箱或蜂窝网络覆盖范围之外的其他终端),NTN-NR则侧重于支持5G智能设备的通信应用,如实现卫星与手机的直接连接来提供语音电话以及通信服务。

NTN有透明传输与非透明传输两种方式。卫星透明传输过程中,只按需求对信号进行传输,而不进行任何改变,卫星透明传输产生的时延为从网关经卫星到用户所用时间。非透明传输则赋予卫星更多基站功能,此时卫星不仅可以对信号进行传输,还可以对信号进行编码、调制等内容。非透明传输产生的时延为从卫星到用户所用时间。

星地一体化策略与地面辅助策略非常相似,不同之处在于:

① 星地一体化策略下卫星通信系统的空中接口与地面移动通信网完全相同,如GSM、LTE等,终端就是地面网的手机;而地面辅助策略的卫星空口可以与地面网不一致,终端也可以是双模的。

② 地面辅助策略使用的频谱为卫星频率,授权在整个北美和欧盟国家,网络控制中心是由卫星运营商建立的,对空间网络和辅助地面网络进行实时协调控制相对容易;而星地一体化策略的使用频率是地面网频率,在各个国家均不一致,网络控制中心协调控制难度比地面辅助策略大得多。

2.2.2 融合模式

随着地面电信厂商的推动,星地一体化化策略逐步得到验证,并探索出多种融合模式。通过卫星通信产业的一体化、运营模式的协同融合化,可以实现卫星通信的大众消费化,极大地推动了6G网络的发展,充盈了民众的通信需求并优化了用网体验。目前,各电信厂商应用的星地一体化策略主要分为以下三种融合模式:MSS系统+多模终端、3G/4G/5G基站卫星+手机、3GPP NTN卫星+终端。

(1) MSS系统+多模终端

MSS系统+多模终端的融合模式中为手机设置卫星通信模块与移动通信模块,其中移动通信模块与普通手机一致,负责与基站进行基础通信,而卫星通信模块负责与卫星保持通信,如图1所示。MSS系统+多模终端的融合模式通过硬件结合的方式实现卫星互联网与地面网络融合,使得手机同时具有与卫星与地面基站的通信能力。该种融合模式可以直接使用现有卫星通信硬件,因此无需改变卫星互联网即可实现星地融合,成本更低,更易实现,因此现如今在手机上广泛运用,例如iPhone与Global Star合作、北斗与Mate50和Axon 50合作。

图1 MSS系统+多模终端融合模式Fig.1 MSS system + multimode terminal convergence model

(2) 3G/4G/5G基站卫星+手机

3G/4G/5G基站卫星+手机的融合模式是在低轨卫星中布设3G/4G/5G基站,使得低轨卫星具有与地面手机终端直接通信的能力,如图2所示。其中核心网通过地面信关站与低轨卫星互联网连接,低轨卫星从核心网获取终端所需数据,并直接传输给地面用户终端。相比起MSS系统+多模终端的融合模式,该模式需要重新建设卫星与相关硬件,成本更高,但也能简化通信复杂度,仅需卫星即可实现全部通信。3G/4G/5G基站卫星+手机的融合模式被广泛看好,现如今被Starlink、Lynk和AST广泛采用。

图2 3G/4G/5G基站卫星+手机融合模式Fig.2 3G/4G/5G base station satellite + cellular phone convergence model

(3) 3GPP NTN卫星+终端

3GPP NTN卫星+终端的融合模式基于3GPP标准,与3G/4G/5G基站卫星+手机的融合模式类似,均采用低轨卫星与地面信关站连接来获取核心网中目标数据。与3G/4G/5G基站卫星+手机的融合模式不同,3GPP NTN卫星+终端的融合模式严格采用3GPP的非地面网络规范设计星座运行模式,可以向各类用户终端提供服务,并不局限于手机终端,如图3所示。该模式支持手机语音与数据业务直连,且可以在现存网络终端基础上改造实现网络接入,成本更低,也具有巨大的应用潜力,现如今被Omnispace、MTK和展讯等企业广泛布局。

图3 3GPP NTN卫星+终端融合模式Fig.3 3GPP NTN satellite + terminal convergence model

星地一体化策略可以为包括手机在内的终端产品提供更加便捷、可靠的移动通信手段,弥补地面网络覆盖率低的劣势,是未来6G星地融合重要的发展趋势。国外在星地一体化策略方面的尝试也为我国星地融合网络的发展提供了重要的参考。在MSS系统+多模终端模式下,我国的华为公司走在前列,通过与北斗合作为旗下的手机提供窄带应急服务,vivo、OPPO等手机厂家也已开始在该领域深入布局。手机直连方面,中国移动于2023年5月率先完成国内首款5G IoT NTN手机直连卫星实验室验证,可支持双向语音对讲和文字消息。在MWC上海展上,中国电信、中兴通讯、中国信科、紫光展锐、移远通信也发布了手机直连卫星通信产品。

2.3 星地组合策略

随着低轨巨型通信星座的建设和投入使用,卫星互联网成为了网络服务的另一种选择。低轨卫星互联网的出现不是为了替代地面5G网络,虽然目前两个系统独立运行,但各卫星互联网企业的目标是与地面网络相互补充。

卫星5G主要有以下4种应用场景:

① 基于卫星的5G内容分发:借助卫星的广播服务,将多媒体内容高效地分发与卸载到网络边缘。

② 基于卫星的5G固定回程:为地面5G网络无法覆盖的区域(海上、岛屿、边远山区、农村等)提供网络服务,以经济高效的方式,提升地面网络的性能。

③ 基于卫星的5G到户业务:补充地面网络的连通性,例如与地面无线或有线相结合,为地面网络不足的家庭或办公场所提供宽带连接。

④ 基于卫星的5G移动平台回传业务:宽带连接到移动平台,如飞机、船舶等,提供服务的连续性。

在这4个应用场景中,卫星通信系统解决的是5G中传和后传问题,主要起到承载网的作用。目前,采用星地组合策略的主要是低轨卫星互联网公司,如SpaceX的Starlink和OneWeb。

在星地组合策略中,采用Ku/Ka等高频段实现信关站、用户终端和低轨卫星三者间的互联互通,通过低轨卫星星间链路或地面网络中信息传输实现不同用户终端设备中的通信,实现“移动无线光纤”的效果,如图4所示。

随着各国低轨卫星星座的建设,星地组合策略的应用也备受瞩目,相对独立的网络体系和灵活的融合方式使得星地组合策略具有更高的技术成熟度。我国低轨卫星星座的建设由中国星网引领,各科研院所与商业航天公司提供技术支撑,共同发展我国的卫星互联网事业。2022年3月,银河航天成功发射6颗低轨卫星,与银河航天首发星组成我国首个低轨宽带通信试验星座,并构建星地融合5G试验网络“小蜘蛛网”,具备单次30 min左右的不间断、低时延宽带通信服务能力,可用于我国低轨卫星互联网、星地融合网络等技术验证。

3 星地融合系统与应用

3.1 ATC规则

在电信监管领域,美国FCC于2003年发布了全球首个天地一体化的监管规则——ATC。以ATC技术为主的星地融合系统在地面部分与卫星网络部分采用完全相同的技术手段、管理策略和频谱以实现无缝衔接[13]。

3.1.1 ATC规则概述

星地融合网络中的ATC能够有效提高卫星网络的频谱利用效率与城市区域通信质量。MSV(Mobile Satellite Venture)公司在移动卫星网络基础上引入ATC提出星地融合系统架构:MSS-ATC。MSS-ATC主要包括卫星网络和地面辅助网络两部分,用户终端可以选择直接连接ATC地面辅助基站,也可以直接连接卫星互联网,同时也可以在二者之间无缝自由切换。传统的卫星互联网会因为城市中密集的建筑群而导致在市区与室内网络覆盖与通信体验较差,因此引入ATC可以借助地面网络在市区范围内覆盖效果较好的特性,实现全场景、全时间的无缝切换与高质量通信覆盖。另外,MSS-ATC可以在地面网络中对卫星网络频段进行复用来传输信息,因此引入ATC来进行地面网络传输能够提高卫星频谱利用效率。FCC指出,在拥有海量用户的城市中使用ATC可以提高并扩大MSS服务的可靠性,同时有效利用卫星频谱,因此授予MSV第一个ATC许可证,允许MSV在农村、市区和建筑物内提供高效、高质量、高可靠的通信服务。FCC将ATC规则设想为一种手段,目的是让MSS运营商使用已授权的卫星频谱资源,建设地面移动通信设施,为卫星难以提供服务的区域(如城市地区和建筑物内部)提供更好的覆盖,增强其移动服务能力。

考虑到卫星业务的重要作用,FCC采取措施以确保ATC保持对MSS的辅助,MSS-ATC网络架构如图5所示。为此,FCC要求ATC申请人实施ATC必须满足的5个“标准”,包括:① 确保MSS覆盖范围;② 在开始ATC操作后一年内有一颗备用卫星;③ MSS服务的商业可用性(综合服务能力);④ ATC必须与MSS工作频段相同;⑤ 运营商提供的所有手机均为双模手机(MSS和ATC)。

随着ATC技术的进步,MSS频带为宽带业务的扩展提供了肥沃的土壤。MSS频段为关键的移动通信需求保留了全球访问,具有足够的连续频谱适合宽带业务。FCC的决定允许MSS运营商部署辅助地面网络,并通过ATC的技术将MSS频谱用于宽带服务。

3.1.2 运营情况

自2003年ATC规则通过以来,FCC向4家MSS运营商授权ATC业务。

(1) LIGHTSQUARED/Ligado

在ATC规则通过10个月后,Ligado成为第一个获得ATC授权的MSS运营商。但Ligado从未提供满足FCC规则的ATC服务。其中Ligado地面网络一直存在干扰邻频段GPS的问题,为了解决这种干扰,建立了多个利益相关方组成的工作组,研究消除对GPS干扰的可能性。不过经过多轮探讨,Ligado最终没有给出切实可行的方法来减轻潜在的干扰。

(2) Globalstar

2006年,Globalstar成为第二个获得ATC授权的MSS运营商。两年后,由于其未能推出ATC服务,Globalstar要求修改其ATC许可证。在2008年10月,FCC认为Globalstar提出的修改不符合ATC标准中的三个,不过FCC仍暂时同意修改请求。在2009年,FCC否决了Globalstar希望延长标准的豁免时间的申请,并于2010年9月暂停了Globalstar的ATC授权。

(3) DBSD和TERRESTAR

2009年,2 GHz MSS频段的运营商DBSD卫星服务有限公司成为获得ATC授权的第三家MSS运营商。2010年,也是2 GHz MSS频段的运营商Terre Star LicenseInc.成为第四个获得ATC授权的MSS运营商。但两家公司均未提供ATC服务,并相继破产。

4家ATC授权运营商均未按照规则的设想建立一个集成的ATC网络,也还没有一个客户获得过ATC服务。除Globalstar外,其他三家MSS运营商基本上放弃了卫星业务。

形成这一局面的主要原因是:在地面网络和MSS网络使用同样频率需要进行极其复杂的协调,运营商在技术上和经济上都没有完全做到将ATC纳入MSS系统。为了解决地面部分和卫星部分的干扰问题,MSS运营商被迫限制卫星客户的可用频率来发展地面服务,这是因为地面服务的提高必然会以牺牲卫星服务为代价。

目前,美国卫星界已经意识到ATC规则的复杂性及其与现实之间的矛盾,ATC不但没有增强MSS业务,甚至它有可能会削弱卫星业务的地位,因此呼吁FCC取消ATC规则的声音渐起,人们开始重新审视ATC规则的可行性。

3.1.3 频率使用情况

实施ATC规则的共有三个频段:L频段中下行链路使用1 525～1 544 MHz、1 545～1 559 MHz,上行链路使用1 626.5～1 645.5 MHz、1 646.5～1 660.5 MHz和1 610～1 626.5 MHz;S频段中上行链路使用2 000～2 020 MHz,下行链路使用2 180～2 200 MHz、2 483.5～2 500 MHz。

3.2 CGC规则

为了扩展卫星通信网络,欧盟也在美国FCC的ATC规则之后发布了同样引入地面辅助设备的CGC规则来建立EAN网络。

与ATC类似,CGC设备属于卫星系统,共享卫星网络频谱,由系统统一调度进行频率复用,可以提高用户在市区与室内的信号接受效果,实现用户的稳定无缝访问[14]。

3.2.1 CGC规则概述

继美国通过ATC政策后,2009年盟欧盟委员会出台一项决定,即2009/449/EC号决定,选择Inmarsat和Solaris(现在的EchoStar)作为2 GHz MSS运营商,并要求欧盟成员国授权这两家运营商在其管辖范围内提供MSS和CGC业务。

CGC与美国FCC的ATC含义基本一致,也是为补充MSS业务而设计的、由地面设施向用户提供服务。但由于当时有关CGC可能支持的服务类型还没有具体计划,欧洲的CGC业务也一直没有开展起来。

Inmarsat的EAN是“天地一体”的S-band欧洲航空网络。“天”部分是移动通信卫星(MSS),“地”部分是地面4G/LTE网络。卫星、地面网络采用同样的S-band频率,共同为欧洲空域的民航客机服务,机舱系统自动执行卫星通信、地面基站通信之间的切换。

美国ATC规则在实施时遇到的一个重要问题就是卫星和地面系统间的干扰控制问题,主要存在四种干扰场景:① 地面终端对MSS卫星;② MSS终端对地面基站;③ MSS卫星对地面终端;④ 地面基站对MSS终端。其中,②和④干扰最难控制。

图6展示了集成MSS系统架构。该系统由卫星和CGC组成,以MSS频率运行,CGC可以重用卫星频率。卫星管理系统应在满足两部分业务需求的前提下,通过最大限度地提高系统整体吞吐量,对CGC进行频率、子载波、功率等资源的有效分配,实现系统的优化部署。卫星(SAT)/CGC门路可以根据卫星和CGC网络的情况来决定哪个组件适合进行分组传输。

3.2.2 运营情况

EAN由Inmarsat和德国电信以及Thales、Nokia、Airbus、Cobham、EADAerospace合作开发。其中Inmarsat的S频段载荷搭载在希腊Hellas卫星公司的HellasSat-3上,三个波束覆盖欧盟28个国家外加瑞士、挪威及欧洲周边海域,LTE由德国电信建设300个基站。整个EAN网的通信容量达90 Gbit/s。

卫星接入站是Inmarsat的S波段卫星与互联网之间网关,位于希腊Nemea,天线口径13 m。无线接入网络由Cobham SATCOM提供。EAN终端高度紧凑,仅重几千克,每架飞机安装时间不到9 h,这意味着航空公司的停机时间大大减少。

2017年2月,完成EAN卫星接入站测试和验证,2018年1月,Inmarsat、德国电信和IAG(International Consolidated Airlines Group)联合宣布EAN正式投入商业运营。目前,EAN已为British Airways、Aer Lingus、Iberia、Vueling、Lufthansa等航空公司提供服务,每架飞机下行数据速率为75 Mbit/s,上行数据速率为20 Mbit/s。

3.2.3 频率使用情况

CGC系统中卫星、地面网络采用S频段,其中使用的两个30 MHz被划分为带宽相等的连续子频段,用于地对空通信(上行链路)和空对地通信(下行链路),以便最有效地利用。上行链路使用1 980～1 995 MHz和1 995～2 010 MHz频段,下行链路使用2 170～2 185 MHz和2 185～2 200 MHz频段。

3.3 苹果/华为直连卫星服务

苹果/华为率先在手机中推出直连卫星服务,使手机在连接地面蜂窝网络基础上具有与全球卫星系统通信的能力,能够与卫星进行短报文通信。

3.3.1 系统概述

苹果/华为直连卫星服务中使用MSS系统+多模终端的融合模式,其中苹果/华为分别利用现有的Globalstar/北斗全球卫星系统实现直连卫星服务。Globalstar/北斗全球卫星系统均具有通信功能,可以在无需地面网络情况下为地面终端提供通信服务。苹果和华为作为手机厂商率先将卫星系统通信终端设备与手机通信终端进行融合,使得手机同时具有与卫星以及地面通信的能力。

苹果/华为手机可以选择通信方式,在选择与卫星通信过程中,由全球卫星系统接收信号并转发至地面信关站,地面信关站根据信号内容与形式选择具体的服务类型,为终端设备提供短信或紧急救援等服务。

苹果/华为手机的直连卫星利用现有成熟卫星通信设备,在不改造卫星系统的基础上,通过终端融合与软件开发实现简单的星地融合,使得手机具有同时与地面网络和卫星系统通信能力。

3.3.2 运营情况

华为直连卫星服务主要提供短信收发业务,用户终端可以通过北斗卫星转发短信,之后经由地面运营商基站进行发送。这种卫星短信发送服务不限制接收方手机类型,即使对方不具有直连卫星能力也可以收到信息。华为直连卫星服务让手机具备与卫星通信能力,即使无法与地面蜂窝网络连接,也可以维持通信服务。

苹果直连卫星服务主要面向应急救援,在遭遇突发危险状况时可以向卫星发射求救信息,由苹果地面站与救援应答中心接收,根据用户位置与身体信息,尽快提供医疗服务。相比于华为直连卫星服务,苹果短信服务内容较为有限,仅支持向普通用户在紧急情况下发送定位信息,主要面向应急情况下的紧急救援。

华为与苹果通过硬件集成与软件开发实现了卫星直连,将原本用户规模小、适用范围窄的卫星通信大众消费化,使其变为市场更大的公网,让普通消费者享受星地融合的便利性。

3.3.3 频率使用情况

苹果/华为直连卫星服务采用L/S频段进行通信。其中华为手机直连北斗卫星中上行链路工作频率为1 610.0～1 626.5 MHz,下行链路工作频率为2 483.5～2 495.0 MHz;而苹果手机直连Globalstar中上行链路工作频率为1 610.0～1 626.5 MHz,下行链路工作频率为2 483.5～2 495.0 MHz。

3.4 AST计划

受空中接口、卫星能力的限制,无论是采用ATC或者是CGC规则,均需要专门的卫星终端,与地面系统融合的主要方式是采用双模终端。AST &Science公司提出了一项AST SpaceMobile计划,与目前可用的解决方案不同,它们不需要专用的卫星电话或任何地面移动电话的附件(在手机外套加卫星射频部分),直接使用地面网的手机,也不需要对软件进行任何更改。通过建造一个由数百颗大型卫星组成的星座,可以直接向地球上的手机提供4G甚至5G宽带连接,其本质上是将“基站”送入太空,通过在太空中部署巨型基站,就像地球轨道上放置提供准无线3GPP频谱的巨大平台,概念图如图7所示。相比于主要提供家庭宽带服务的Starlink或Kuiper等卫星互联网项目,AST的服务可直接为全球任意位置的手机用户提供高速的蜂窝宽带网络。

AST解决方案面临的主要障碍是:卫星能力以及与地面共用频率。由于卫星信道传输环境与地面系统不同,卫星用户链路需要对地面空中接口进行适当的改进,而AST完全采用地面网的空中接口,需要卫星有强大的适配能力。此外,AST将使用地面电信运营商拥有的频谱,这将需要对已授予地面使用的当前频谱许可证进行更改,这是一个复杂的过程。另一方面,根据AST &Science公司提供的方案,为了提高卫星系统的通信能力,需要采用高增益相控阵天线,因此卫星的体积将会非常大。

3.4.1 AST计划概述

AST计划于2022年开始部署星座,预计到2028年发射240多颗蓝鸟(BlueBird)卫星。每颗BlueBird重约3 t,由一个中央“总线”和20 m×20 m相控阵天线组成,使其成为有史以来体积最大的卫星。每颗卫星的成本预计约为1 000万美元。该星座将在地球周围700 km的高度运行,卫星的预期寿命为10年。AST SpaceMobile的一切设计都是为了模仿地面蜂窝网络,有了SpaceMobile,只需要一部智能手机就可实现地球上任意角落的卫星通信。

为了实现这一目标,SpaceMobile生产的BlueBird卫星必须很大,在太空中,BlueBird将比一个篮球场更大,同时保持一个薄而扁平的形状。每颗BlueBird卫星将携带许多相控阵面板,使卫星能够连接数百万台移动设备,卫星的相控阵天线如图8所示。每颗BlueBird卫星都会通过与地面重要电信和互联网基础设施相连的网关将这些设备连接到网络上。AST公司将利用模块化方法实现卫星的部署,就如同搭积木一样,每个模块单元被称为Micron,Micron是SpaceMobile在德克萨斯州米德兰以低成本批量生产的高科技卫星组件。这些卫星的批量生产使用了与消费类电子产品相同的制造技术,并且考虑了特殊的空间适应性。因此这项技术是革命性的,这是一个全新的通信基础设施,一个基于太空的蜂窝宽带网络。这个网络将帮助当前正在使用的50多亿部手机保持连接,无论它们在地球上的何处;它还可以帮助5亿多没有移动互联网的人接入网络。

图8 BlueBird卫星相控阵天线Fig.8 Phased array antenna of BlueBird satellite

3.4.2 运营情况

AST公司的第一颗试验卫星蓝色漫步者1号(BlueWalker 1)于2019年4月1日搭乘一枚印度极地运载火箭发射成功,目前卫星轨道倾角为97.49°,轨道高度433～511 km,正在开展技术实验。该卫星为Nano Avionics公司研制的6U大小的卫星,在850～900 MHz两个频段上开展试验,其对应地面站采用了4.5 m的天线。

根据相关技术申报文档和卫星实际能力分析,其可能采用了反向试验的方式验证通信链路,即将技术状态相对确定的用户终端验证设备发射至轨道,在地面调试技术状态相对复杂的空间系统验证设备,仅对天地互联链路进行试验验证,大幅提高了空间系统迭代升级设计的效率。

2022年9月,AST &Science公司搭载猎鹰9号火箭成功发射了BlueWalker 3蜂窝宽带网络卫星。BlueWalker 3配备一个65 m2的可折叠的巨型相控阵天线,使得卫星发射信号具有很高的指向性和增益能力,可以在为地面上的移动设备直接提供5G宽带连接。2023年4月,AST SpaceMobile成功地使用BlueWalker 3卫星与智能手机进行了双向语音通话,验证了使用现有4G/5G通信频段与标准实现低轨卫星全球蜂窝宽带服务的可能性。

3.4.3 频率使用情况

AST与地面信关站通信中下行链路使用37.5～42.5 GHz频段,上行链路使用45.5～47.0 GHz、47.2～50.2 GHz和50.4～51.4 GHz频段;AST与地面固定和移动用户终端中下行链路使用617～960 MHz、1 930～1 990 MHz、2 110～2 180 MHz和2 350～2 360 MHz,上行链路使用663～915 MHz、1 710～1 780 MHz、1 850～1 910 MHz和2 305～2 320 MHz。

3.5 Starlink/OneWeb高速互联网接入服务

3.5.1 系统概述

Starlink星座由SpaceX公司在2014年宣布建设,规划部署12 000颗小卫星,来为全球所有位置的用户提供高可靠、低延时的互联网与通信服务。Starlink星座的空间段由三部分组成,分别是1 584颗轨道高度为550 km的低轨卫星、2 825颗轨道高度在1 100～1 325 km的低轨卫星和7 518颗轨道高度为340 km的极低轨卫星。三类卫星工作频段不同,功能也不同,低轨卫星工作频段为Ku/Ka频段,其中轨道高度为550 km的低轨卫星主要负责覆盖两极以外地区通信,而轨道高度在1 100～1 325 km的低轨卫星负责实现全球通信覆盖;极低轨卫星工作频段为V频段,其功能在于进一步提升星座容量与通信时延。Starlink星座的用户终端采用Ku频段与卫星通信[15]。

OneWeb系统由英国一网公司提出,是全球第一个低轨道巨型星座系统。OneWeb系统与Starlink系统均希望能提供低延迟、强稳定、高质量的全球通信服务。其分为空间段、地面段和用户段三部分。空间段规划中主要将卫星分为两类:一类是轨道高度为1 200 km的低轨卫星,其中就87.9°、55°和40°这三个倾角又分为三类,这三类卫星分别计划部署有1 764颗、2 304颗和2 304颗;另一类是轨道高度为8 500 km的中轨卫星,该类计划部署1 280颗。地面端规划中由于OneWeb系统没有星间链路,因此设计部署有40多个信关站,来通过足够多的信关站实现全球覆盖。OneWeb系统用户段的用户终端采用Ku频段作为工作频段,其通过常规地面无线通信技术连接附近用户[16]。

卫星互联网发展方面,截止2023年7月,Starlink已发射4 859颗卫星,已建设160余个地面站,能为用户提供高质量通信服务,在几十个国家均拓展实现了业务,另外在商业、行车出行和海事等方面均推出相应终端与服务。截止2023年7月,OneWeb项目已发射648颗卫星,在北纬50°以上地区开通宽带服务,并与40余家公司实现合作。

在星地融合应用方面,Starlink系统与OneWeb系统均可以为偏远地区用户提供稳定、高效的网络连接,为汽车与飞机上乘客提供无缝的通信服务,为遭受自然灾害地区提供紧急通信辅助救援,为海上船舶提供可靠稳定的数据连接。除此之外,Starlink系统也被验证具有军事应用潜力,其可以与武器平台连接进行数据传输,在俄乌冲突中凭借其通信能力优异与小巧便携特性被广泛应用[17]。

3.5.2 运营情况

在系统带宽测试方面,Starlink系统在试验中可以为飞机提供610 Mbit/s带宽的通信服务,远远超过了普通海事卫星的服务水平,可以为海上与空中用户提供高质量通信保障。而OneWeb系统在测试中通信速率可达100 Mbit/s,证明其同样可以提供良好的通信服务。

在系统网络延迟测试方面,Starlink系统对普通地面用户的传输时延可以达到20 ms以下,OneWeb系统在阿拉斯加等地区的测试时延低于50 ms,二者测试效果均小于传统卫星通信的200 ms延迟,证明星地融合系统较低的通信延迟。

可以看到,Starlink系统与OneWeb系统经过实验测试均有较高的通信带宽与较低的通信时延,相较于传统卫星通信有更好的通信服务提供能力。

3.5.3 频率使用情况

Starlink系统中卫星馈电链路(卫星和信关站之间的链路)中下行链路使用17.8～18.6 GHz、18.8～19.3 GHz、71～76 GHz和37.5～42.5 GHz频段进行通信,上行链路使用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进行通信;用户链路(卫星和用户终端之间的链路)中下行链路使用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频段进行通信,上行链路使用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频段进行通信。

OneWeb系统卫星馈电链路是用Ka频段,其中下行链路采用17.8～20.2 GHz,而上行链路采用27.5～30.0 GHz;用户链路使用Ku频段,其中用户终端到卫星采用12.75～14.5 GHz,卫星到用户终端采用10.7～12.7 GHz。

4 未来展望与技术挑战

卫星互联网与地面网络融合策略是6G的关键支柱和技术,此项技术的基础理论和实践应用初步验证了星地融合带来的性能提升以及未来广阔的应用前景,如个人移动通信、交通运输、航空航海、电信、航天、应急救灾等。此外,随着卫星通信网络的发展速度加快,其在未来6G通信网络中将扮演重要的角色,星地融合通信网络的形成将是未来全球网络覆盖的发展趋势[11]。为了进一步提升星地网络融合性能,未来需要开展星地融合网络架构、星地一体化空口传输、频谱资源管理与政策保障和大规模高增益相控阵天线等研究。

4.1 星地融合网络架构

星地融合网络架构是一个多维复杂的“巨系统”,由多个异构接入网融合,具有多层立体、动态时变的特点。星地融合中采用灵活多维度的网络架构可以在网络的不同节点中针对需求实现各种功能,提高系统运行效率。

中信科移动发布的星地融合通信白皮书中指出,星地融合网络架构主要包括图9所示的终端、无线接入网、承载网和核心网四部分,此外,还有应用系统和运营支撑系统。考虑到星地融合网络架构承载的服务呈现出多类型并发、业务需求差异化等鲜明特征[18],此架构需支持基于TN和NTN的多种通信接入方式,手机或者VSAT终端可直接接入。对于NTN来说,星上处理(OBP)模式和星间链路的使用可以使信关站布站的数量和难度大幅度降低。受技术条件、发射能力和成本的约束,以及通信监管的需要,星地融合通信系统未来也可能采用透明转发(TP)的模式。由于星地融合通信系统需要在全球运营,各个国家监管机构可能要求在其国家内建立独立的信关站和核心网。综合以上考虑,未来的星地融合网络架构应支持基于多运营商核心网的接入网共享方式,多个核心网共享接入网,支持TN、NTN-OBP和NTN-TP混合组网的方式。

图9 星地融合网络通信架构Fig.9 Satellite-ground fusion network communication architecture

星地融合网络架构具有多层立体、动态时变的特点,导致系统复杂不易设计,另外网络的高动态场景也会造成信号传输与网络拓扑管理困难,影响星地融合网络的通信服务能力。未来构建星地融合网络架构还需对现有架构进行进一步的调整,针对性解决高动态问题,提升信号传输质量与网络拓扑管理能力,优化网络系统设计方法,实现更高通信质量。

4.2 星地一体化空口传输

星地一体化的空口传输技术是星地融合从业务融合、通信体制融合向系统全面融合发展、实现泛在互联的重要途径,是实现“万物互联”“随遇接入”“全球无缝覆盖”的重要方式。包括统一的波形与调制方式选择、时频同步、接入和移动性管理等。

星地一体化空口设计思路如图10所示,设计由具体的业务需求出发,利用网络的智能感知发现可用资源,通过对网络资源的配置与选择满足业务需求[19]。其中实现星地一体化传输的重点是规范统一的传输波形并构建可配置的空口参数集合,典型的无线空口参数集包括传输波形、子载波间隔、调制方式、传输信道带宽、同步信道带宽、天线端口配置、随机接入格式等参数[20]。

图10 星地统一空口设计思路Fig.10 Unified air interface design concept for satellite-ground

统一空口设计的核心是基于可变参数的空口配置技术,其可以根据具体的传输需求与应用场景选择合适的空口配置方案与网络接入。终端在空口设计中不需要关注网络类型,只需要分析判断网络资源能否满足传输需求,在此基础上根据需求配置合适的参数,通过灵活的空口参数配置来适应不同的应用场景。

4.3 频谱资源管理与政策保障

通信中的频谱资源异常稀缺珍贵,因此如何利用有限的频谱资源为尽可能多的用户提供高质量服务成为所有通信系统都需要解决的难题。另外,星地融合场景下存在地面网络与卫星网络这两种不同的通信方式,因此解决不同网络间的频谱干扰与竞争也变得尤为重要。星地融合通信网络需要突破传统的频率硬性分割模式,利用空间隔离、时间隔离、空分复用和精细化频谱管理实现星地频谱共享与频率复用。

基于时分的星地频谱共享方式一般可分为4种:① 频段规划,当不同业务希望采用同一频段时,可以通过频段规划来合理共享频谱;② 空间规划,空间规划主要指的是将终端以足够的距离分隔,以允许不同终端共享频谱;③ 时隙分配,利用时分动态复用方式设计卫星与地面系统的共享机制;④ 信号设计,基于非正交复用机制保证卫星与地面系统能够使用同一频段同时传输信息,其中卫星系统使用扩频/扩维调制,地面系统使用传统OFDM,可通过适当调整信号功率保证系统间干扰对传输性能的影响足够小。此外,文献[21]提出融合了非正交多址技术和认知无线电技术的频谱共享技术,通过这种方式,用户可以同时接入多种频谱,高效地实现频谱资源利用。

通过对星地融合通信的干扰机理进行分析,未来可以利用先进算法和机制协作地实现星地频谱共享,利用人工智能和机器学习实现星地通信的软频率复用,指定动态的星地频率共享策略。

4.4 大规模高增益相控阵天线

在星地融合高频段通信中,为了较好地实现空间隔离、时间隔离和空分复用,卫星和终端均采用高增益定向天线;针对手机与卫星直连这类低频段业务场景,通常采用多频复用、卫星天线模式、旁瓣抑制技术和终端功率控制技术等多方案结合的方式,来应对集总干扰的问题。华为工程师施学良在全国6G发展大会中提到,建立高能效大规模星载相控天线系统是实现星地融合网络的关键技术,未来可从以下几个方面对超大规模星载天线阵列开展研究:① 收发共口径设计降低阵面尺寸,研究先进收发交叉隔离技术,降低共面集成干扰;② 超宽角扫描天线技术,提高单星广覆盖能力;③ 研究超级稀疏算法,有效降低大规模阵列天线单元数,节省功耗及成本;④ 星上处理能力增强,引入功放非线性数字预失真技术,支持更高阶调制传输,提高频谱效率;⑤ 集成高效收发组件设计,引入三维异构堆叠工艺、高效率散热材料等,提高组件集成度和改善散热。

5 结论

卫星通信系统与地面网络系统的融合将突破地理环境限制,为更多用户带来更稳定、更广泛的通信覆盖,将物联网、视频通话以及互联网服务扩展到更多场景与更大范围,有助于构建空天地一体化通信系统。星地融合网络的发展代表着未来通信网络发展的趋势,本文对卫星互联网与地面网络的融合策略进行了介绍,详细分析了星地融合系统的构建及应用实践,在此基础上,列举了一些星地融合网络适用的应用场景,介绍了星地融合网络的关键技术,并分析其面临的挑战,为今后星地融合网络的发展提供参考。