低轨卫星互联网：发展、应用及新技术展望

禹华钢，方子希

(1.中国人民解放军91001部队，北京 100841；2.中国电科网络通信研究院，河北 石家庄 050081)

0 引言

卫星通信的设想最早于1945年由英国青年军官克拉克在WirelessWorld上发表的“Extre-Terreastrial Relays”(地球外的中继)论文中提出。他提出,只要在地球上空特定的轨道等间隔布置3颗静止卫星,并利用无线电定向天线连接这些卫星,就可实现全球信息的互达。这里,克拉克提出的卫星衍生出了最早的卫星形态,即地球同步静止轨道(GEO)卫星。随着1958年世界上第一颗实验通信卫星“斯科尔”(SCORE)的发射,卫星通信已历经近70年的发展,除了GEO卫星,还先后出现了中高度轨道(MEO)卫星、低高度轨道(LEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星以及极轨卫星(POS)。得益于卫星通信全球覆盖、不受距离限制、快速布设等优点,实现了为跨洲际、海洋等用户提供全球通信的能力。在时间、地点及强度不可预测的地区突发事件中,卫星提供了有效的信息传输手段[1-3],卫星通信已然成为当今社会不可或缺的核心通信技术之一。近年来,为了避免静止轨道卫星引起的信号衰减和时延,研究人员越来越关注LEO卫星的建设和使用。LEO卫星指轨道高度在1 500 km以下的卫星通信系统。由于卫星高度低,为了实现地球表面的全覆盖,需要发射大量的卫星。从单星角度来讲,LEO卫星质量轻、结构简单、成本较低,但从LEO星座来看,LEO是非静止轨道卫星,一颗卫星在要求实时连接时,地面用户可能需要将波束和天线切换到其他卫星指向上,星座拓扑、星间路由等也会使系统设计复杂度增加。

1974年,美国科学家Cerf等[4]开发了一个用于连接美国国防部合作研究机构4台计算机的标准通信协议,并命名为“传输控制协议和网间协议”(TCP/IP),它被认为是互联网的雏形。随着谷歌、微软、百度在网站搜索、社交网络以及地面移动通信的发展,互联网迅速成为人们日常生活中最息息相关的网络,各式各样的电子信息产品和多样化业务井喷式出现[5-7]。卫星通信作为互联网接入的一种重要方式,事实上,已然成为一种为全球用户提供网络服务的最佳方案。20世纪末,互联网服务提供商为了和骨干网建立直接连接,采用通过国际卫星通信组织的卫星链路连接到美国服务器,正式开启了采用卫星接入互联网的用户应用模式[8-10]。

与其他通信技术类似,卫星通信也在从话音业务向数据通信转变。一方面,基于C频段和Ku频段的卫星网络已无法满足日益增长的大数据量实时业务传输;另一方面,传统依赖高轨道卫星的海上、偏远地区等特殊用户,也亟需通过新的手段来降低通信资费[11-13]。低轨卫星被越来越多的互联网提供商、网络内容提供商和电信运营商作为提供优质传输通道的全新手段[14-15]。由此,低轨卫星互联网理念应运而生。

本文依托国内外低轨卫星互联网领域的最新发展动向,从低轨卫星互联网概念入手,首先详述了欧洲、北美等发达国家地区在低轨卫星互联网建设中的进展情况和我国的低轨卫星互联网发展现状。其次,结合5G应用和6G愿景,分别从陆地、海上和空中3个场景全面梳理了低轨卫星互联网的实际及潜在应用。最后,考虑到低轨卫星互联网还处于建设初期,技术积累还不够全面,展望了4个潜在的低轨卫星互联网新技术,并进行了详细解析,试图为下一代宽带卫星互联网的发展提供部分技术借鉴。

1 低轨卫星互联网概念

低轨卫星互联网是指基于大规模低轨卫星星座、以卫星中继通信为技术手段的互联网,其业务覆盖全球[16-17]。低轨卫星互联网是空天地一体化信息网络中的重要组成部分,是解决互联网“最后一公里”以及延伸地面移动通信网络的关键天基网络。低轨卫星互联网以构建具备实时信息传输的星群,向用户终端提供宽带互联网接入为主要任务[18-20]。

2 国内外低轨卫星研究现状

2.1 国外现状

低轨移动通信星座发展在历经了21世纪初的“没落”之后,现已“强势回归”,美国铱星(Iridium)、全球星(Globalstar)、轨道通信卫星(Orbcomm)目前正在开展向第二代星座的升级换代工作[21-23]。基于互联网快速发展,2010年后,发达国家掀起了低轨互联网星座研究的高潮,典型的如一网(Oneweb)、低轨星(LeoSat)、星链(Starlink)[24]。

2.1.1 Iridium及Iridium NEXT

1998年5月,Iridium系统正式建成。至今,Iridium系统仍是目前世界上唯一一个支持全球无缝覆盖服务能力的低轨卫星移动通信系统。2007年Iridium NEXT计划作为铱星二代系统正式启动,在保持原有星座架构(全球覆盖、近极轨66颗星)的基础上提供更大容量和更高数据率的业务,其轨道高度为781 km,轨道倾角86.4°。在业务传输速率上,L频段业务支持最高1.5 Mb/s,Ka频段业务支持最高8 Mb/s。Iridium NEXT采用泰雷兹-阿莱尼亚航天公司的卫星平台,设计上提供50 kg的搭载余量。Iridium NEXT星座及载荷示意如图1所示。

图1 Iridium NEXT星座及载荷Fig.1 Iridium NEXT constellation and payload

2.1.2 第二代Globalstar系统

第二代Globalstar于2010年10月开始建设,2013年完成24颗卫星部署。星座轨道高度1 400 km,无星间链,采用弯管透明转发器设计。因为需要依托关口站实现服务,所以服务区域受限于关口站部署位置。第二代Globalstar卫星同样采用泰雷兹-阿莱尼亚航天公司的卫星平台,搭载了广播式自动相关监视(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS-B)载荷。通过卫星链路,ADS-B可以自动地从相关机载设备获取参数并向其他飞机或地面站播报飞机的高度、速度、位置、航向和识别号等信息,供管制员对飞机状态进行监控。第二代Globalstar卫星及服务区域如图2所示。

图2 第二代Globalstar卫星及服务区域Fig.2 The second generation Globalstar satellite and its service area

2.1.3 第二代Orbcomm系统

Orbcomm是第一个专注于物联网机器通信应用的卫星网络,工作在VHF频段(137～138 MHz、148～149 MHz),采用了存储转发的双向通信机制,配置星上处理载荷。目前,第二代Orbcomm系统已完成18颗高度约800 km的卫星星座部署,单星质量约170 kg。在第一代的基础上,第二代Orbcomm卫星增加了船舶自动识别系统(Automatic Identification System,AIS),可用于海上交通管理。在13个国家部署了16个地面站。Orbcomm卫星示意如图3所示。

2.1.4 Oneweb

Oneweb公司首先提出以近地轨道卫星群来提供卫星互联网业务的设想,最初计划发射720颗卫星,轨道高度1 200 km,分布于18个轨道面,工作于Ku频段。Oneweb可提供直接面向地面用户的互联网接入服务,后期可能会再发射1 972颗卫星以完成最终的星座。Oneweb单星质量不大于150 kg,单星容量可达5 Gb/s以上。可以为0.36 m口径天线的终端提供50 Mb/s的互联网接入服务。Oneweb继承了全世界唯一一个成功投入商业运营的MEO卫星通信系统——O3b的发展脉络,同时吸取了Iridium的经验教训,避免与地面移动通信运营商的竞争。Oneweb将服务重点集中在拓展现有的移动蜂窝网络,试图解决“最后一公里”的问题。此外,Oneweb还将卫星终端设备发展成热点服务器,帮助用户在家中、工作区等室内环境中访问卫星互联网。Oneweb星座构型及卫星示意如图4所示。

图4 Oneweb星座构型及卫星示意Fig.4 Illustration of Oneweb constellation configuration and satellite

2.1.5 LeoSat

LeoSat互联网星座计划发射78颗卫星完成初期构建,轨道高度1 400 km,采用6个轨道面,每个轨道面上部署18颗卫星。LeoSat互联网使用Ka频段来提供大容量业务传输服务。卫星之间具有星间激光链路,可实现星上处理和星上交换,为天基信息的按需全球速达奠定了技术基础。LeoSat的发展理念是将自身视为地面固定运营商的容量补充,通过天基网络“填缝”大型企业和政府的大容量业务接入。按照LeoSat的估计,其服务覆盖将超过3 000家企业和机构。单颗LeoSat卫星配置有Ka可移动点波束12个、用户波束10个。星座配置有星间链路4个,能够实现1.6 Gb/s的点对点信息传输。馈电波束星地传输速率最高可达10 Gb/s。LeoSat星座及卫星示意如图5所示。

2.1.6 Starlink

SpaceX公司的“星链”V1.0星座是一个包含4 425颗卫星的星座,分布在多组轨道面上。率先部署的核心星座包含1 600颗卫星,分布在30个高度为1 150 km的轨道面上,轨道倾角53°。“星链”V1.0用户上行频率为12.75～13.25 GHz和14～14.5 GHz,下行频率为10.7～12.7GHz。馈电上行频率为27.5～29.1 GHz,下行频率为17.8～18.6 GHz。“星链”V2.0将配置光学星间链路,以确保持续通信能力,为海上提供服务覆盖和抵消干扰效应。地面段包含测控站、网关天线和用户终端。测控站采用直径5 m的天线;网关和用户终端则采用相控阵技术。SpaceX在全球布设了大约155个信关站,主要布设在靠近互联网接入点的地方。Starlink系统卫星载荷和地面终端如图6所示。

2.2 国内现状

我国低轨卫星互联网起步较晚,发展并非一帆风顺[25],先后出现了“虹云工程”、“鸿雁”星座和银河航天低轨卫星互联网等项目计划[26-28]。

2.2.1 “虹云工程”低轨卫星星座

2016年提出了“虹云工程”低轨卫星星座计划,预期发射156颗卫星实现全球覆盖。“虹云工程”星座以其低通信延时、高频率复用率,可满足全球互联网欠发达地区、规模化用户单元同时共享宽带接入互联网的需求,并且具备通信、导航和遥感一体化的特点。2018年12月,“虹云工程”技术验证星发射入轨,先后完成了多种工况下的功能与性能测试。值得注意的是,“虹云工程”的第一颗卫星是我国第一颗真正意义上的宽带低轨小卫星,具有标志性意义。

2.2.2 “鸿雁”星座全球卫星通信系统

2016年宣布,将在2020年建成“鸿雁”星座全球卫星通信系统。“鸿雁”星座包含一个宽带通信星座和一个移动通信星座,总计300颗低轨道小卫星,可以为200万移动用户、20万宽带用户及近1 000万的物联网用户提供服务,并在导航、航空和航海等领域提供综合服务。2018年12月,首颗“鸿雁”星座试验星发射成功,标志着全球低轨卫星移动通信与空间互联网系统的建设全面启动。但是,受到地面移动通信发展的制约,“鸿雁”星座的建设目前处于停滞状态。

2.2.3 银河航天

银河航天计划建造由上千颗5G通信卫星,在1 200 km的近地轨道组成星座网络,使用户可以高速、灵活地接入5G网络。2020年2月首发星成功开展通信能力试验,在国际上第一次验证了低轨Q/V/Ka等频段通信。使用手机连接银河卫星终端提供的WiFi热点,通过这颗5G卫星实现了3 min视频通话。2022年3月,首次批量研制的6颗低轨宽带通信卫星——银河航天02批卫星成功发射,验证了我国具备建设卫星互联网巨型星座所必须的卫星低成本、批量研制及组网运营能力。

2.2.4 “天启”低轨星座

“天启”星座计划由38颗低轨道卫星组成,可以为AIS、ADS-B、浮标和全球短数据集提供通信服务。截止2021年,已发射15颗卫星。“天启”星座的功能是将分散在全球各地的终端上传信息进行采集、传输、汇集和处理。通过卫星回传给地面数据中心,经过分包处理后再发送给有需要的客户,是一种可以在短时间内实现实时短数据收发的天基系统,能够为航空、海事、水利和气象等部门提供点对点服务。

3 低轨卫星互联网的应用

互联网应用蓬勃发展,卫星网络服务需求激增,低轨卫星互联网在陆地、海上、空中的应用前景巨大,示意如图7所示。

图7 低轨卫星互联网示意Fig.7 Illustration of low-orbit satellite internet

3.1 与地面移动通信网的融合应用

随着5G商用牌照的发放,地面移动通信网已经进入5G时代。6G的研究也在稳步向前推进,并将继续扩展增强移动宽带(eMBB)、大规模机器通信(mMTC)和高可靠低时延通信(uRLLC)三类典型场景的应用范围。泛在、高速、低时延等特点的实现,离不开低轨卫星通信系统的助力,6G将更加依赖互联网化的卫星通信。以低时延为例,SpaceX“星链”建成后,其通达全球的天基信息传输时延只有地面光纤的一半[29-30]。事实上,卫星通信和地面移动通信网在信号覆盖上是互补的。据不完全统计,全球移动通信信号覆盖区域约为7%～8%,仍有至少92%的区域没有移动网络接入服务,而这些诸如海洋、山区和沙漠等地区正是低轨卫星互联网的用武之地。近年来,国际电信联盟(ITU)、第三代合作伙伴计划(3GPP)、基于5G的卫星和地面网络联盟(SaT5G)等国际标准化组织纷纷开始研究卫星互联网与地面移动通信网络的融合问题,并相继颁布了一系列标准满足用户无处不在的多样化业务需求[31-33]。3GPP在R16标准中已经对5G卫星接入进行了规范化,主张提供复杂地形地貌条件下的全域覆盖,为基于宽带接入和万物互联的各种业务提供基础设施保障,填补地面网络的“数字鸿沟”。

地面移动通信网络的服务目标是面向人的,服务于千行百业,而人的活动空间相对集中,行业应用中需要通信与监控的物体在地理与空间上是相对分散的[34-36]。某些行业应用是地面移动通信网络很难实现的,例如森林防火、天然气管道监测、电力线路和铁路线监控、边境线防控等场景。低轨卫星网络凭借全球覆盖,且成本敏感性与行业应用的地理位置和通信接入点区域密度没有直接相关性的特点,在低密度用户接入场景下的宽带互联更具优势。典型的行业应用业务包括:固定网络回传业务、机动式分布业务和专网业务等,具体如图8所示。

图8 低轨卫星互联网地面应用业务Fig.8 Ground application business of low-orbit satellite internet

3.2 海上应用

低轨卫星互联网的出现为海上交通提供了很大便利,使得海上交通更高效,安全性更有保障。随着我国海洋经济的发展,海上宽带IP业务不断出现,以往通过海事卫星实现的电话、传真等已无法满足船舶、海员对高质量流媒体IP服务的需求,且海事卫星通信资费昂贵,稳定性大打折扣。对于远洋船舶来讲,海上互联网在远洋船舶平台的重要应用场景包括:① 电子海图更新与天气预报。利用低轨卫星网络,可以将事先整理好的一些电子海图通过海上宽带卫星通道进行更新,船舶在航行过程中可以接收到第一手资料,避免危险情况。 ② 船舶间信息共享。一旦船舶管理系统接入了低轨卫星互联网,不同的船舶之间就可以相互之间或与岸上系统进行对接,彼此可快速交互同步信息,这不仅提升了船舶调度部门的管理质量,也进一步提升了船舶的安全性。③ 远程视频监控。诸如运油船、储气船等具有高安全性要求的船舶,视频监控系统可以通过低轨卫星互联网将船身上各处云台摄像机收集的视频图像无损地回传给岸上管理人员。 ④ 船员通信需求。由宽带卫星链路与岸上互联网连接,低轨卫星为船员使用IP业务提供了信息传输通道。船员可以做到在不影响船舶其他通信工作的同时,与家人、朋友进行信息交流,最大限度地满足船员的上网需求。除此之外低轨卫星互联网还可以为船只跟踪和卫星AIS领域提供服务,为海上能源平台提供大带宽应用等。卫星互联网在海上应用的典型业务如图9所示。

图9 低轨卫星互联网海上应用业务Fig.9 Maritime application business of low-orbit satellite internet

3.3 航空应用

欧美国家在机载卫星通信领域的发展较早,2010年美国西南航空公司率先在客机上安装了基于VSAT技术的Ku频段卫星通信系统,向机上用户提供网络接入及基于宽带互联网的应用服务产品。全球民航客机联网比例达39%,仅北美地区就已有83%的飞机实现了机上互联网接入。然而,现有的机上WiFi等大多通过同步轨道的高通量卫星提供,服务收费相对较高且通信速率较低,存在链路不稳定、时延抖动等问题。低轨卫星互联网在民航客机上的普及,将大大优化现有的航空互联网服务生态。对于前舱驾驶员来说,通过低轨卫星手段,能够全面系统地掌握飞机运行状况、航路天气状况等数据,进一步提升飞机的飞行操作质量和安全航行水平。对于后舱乘客而言,能够以较低的资费接入互联网,实现直播、视频、实时信息甚至在线游戏等娱乐,会大大提升乘机体验。对于地面维护人员来说,通过低轨卫星的实时回传对飞机的健康状况了如指掌,维护服务质量和飞机运行寿命得到大幅提升。地面调度人员还可以基于低轨卫星回传的飞行大数据信息进行预先调度安排,优化航行空域,进一步提升ADS-B的使用效率。低轨卫星互联网航空应用的典型业务如图10所示。

图10 低轨卫星互联网航空应用业务Fig.10 Aviation application business of low-orbit satellite internet

4 低轨卫星互联网新技术

4.1 抗干扰技术

一方面,随着低轨卫星数量的增加,邻星干扰以及地面终端受到的非恶意同频干扰将随之而来。另一方面,卫星长期暴露在开放的空间轨道上,拓扑结构高度动态变化,极易遭受恶意电磁信号或恶意用户的窃听和截获,因此抗干扰技术成为卫星互联网发展中亟待突破的关键技术。

针对非恶意干扰,可以通过干扰消除、提升解调门限等手段,加装限幅器或窄带滤波器来限制干扰信号。另外,利用强化学习、认知无线电等技术,提取无线信道、收发硬件和信号特征等,智能化提升卫星终端的主动抗干扰决策能力,也是抗干扰技术的重要途径。针对恶意干扰,可以采用安全编码技术,通过加入随机冗余来减少信息间的耦合性,使窃听者无法从接收到部分信息恢复完整的私密信息。在物理层,可以采用新型调制加密技术,例如正交时频空(Orthogonal Time and Frequency Space,OTFS)调制加密技术。OTFS通过两级傅里叶变换,使传输符号都经历稀疏信道,获得时间和频率上的全部信道分级。众所周知,从稀疏信道中提取信道响应信息将变得更加容易,将每条子信道的信道响应强度作为混沌生成器的初始值,进而产生密钥。利用该密钥,对OTFS信号的星座图进行相位旋转加密,从而增大窃听者的解密难度[37]。在网络层和应用层,可以采用用户身份认证技术。具体包括:基于无线信道的身份认证、基于指纹信息的设备认证以及基于物理层信号水印的验证[38-40]。恶意干扰与非恶意干扰场景下的抗干扰技术如图11所示。

图11 抗干扰技术Fig.11 Anti-interference technology

4.2 通-感-算一体化技术

在传统感知定位卫星中融合通信能力,比如北斗导航采用短报文实现通信,但只能提供少量信息的传输和定位功能,不具备差异化和定制化感知。

未来6G网络将融合高中低轨道卫星、无人机网络、地面蜂窝网等。通-感-算一体化网络将为未来构建无缝连接的三维立体网络提供泛在感知、精确定位等能力。在感知范围方面,低轨卫星网络的大尺度感知与地面蜂窝网络的小尺度感知将互为补充,实现对不同应用场景感知范围的动态适配;在感知时延方面,蜂窝网络和低轨卫星网络将融合承载不同时延需求的感知业务,提升异构网络的用户使用体验;在移动性方面,低轨卫星广域覆盖能力能替代蜂窝网络实现更加精准的定位,但中低速场景下可将定位任务卸载到地面蜂窝网络,从而降低低轨卫星载荷的转发器带宽和功耗,避免网路拥塞。通-感-算一体化技术在低轨卫星互联网中的定位如图12所示。

图12 通-感-算一体化技术Fig.12 Joint sensing, communication and computing technology

4.3 多星多波束联合传输技术

多星多波束技术是低轨卫星互联网的一项重要传输技术。多星指低轨卫星之间通过星间链路,一般为激光实现星间建链。多波束指卫星天线采用大量高能量、可移动的窄波束实现对一定面积通信区域的动态覆盖。多星多波束联合传输技术示意如图13所示。

图13 多星多波束联合传输技术Fig.13 Multi-satellite and multi-beam joint transmission technology

低轨卫星运动速度快,拓扑变化明显,激光波束的精确对准与跟踪是星间建链的前提。波束赋形是改变卫星波束形状的有效途径,低轨卫星互联网用户往往分散在不同的地域,传统直径宽的大波束虽然能够提高接入率,但是受制于信息速率。将传统点波束从既定式覆盖布局调整为动态覆盖期望区域的相控阵点波束,是低轨卫星星上天线的发展趋势,可以更好地满足不同区域内用户的通信需求,由此解决了地面用户不均匀导致卫星转发器功率和带宽浪费的问题。通常,一颗低轨卫星的不同波束之间也是空间分集,既可以有效缓解同频干扰,也优化了星地信道状态。

4.4 免授权接入技术

随着频谱资源的稀缺,如何有效利用频谱成为卫星通信系统亟待解决的问题。非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术作为在移动通信系统中率先提出的具有标志性意义的新技术,越来越受到学术界和工业界的广泛关注和讨论[41-43]。与正交多址技术相比,NOMA系统可以在相同的时间、频率资源块内完成多个用户终端与中继节点之间的信息交互。因此,相比而言,在相同频带和时隙条件下,NOMA系统的系统容量更高,但代价是增加了接收端信号检测的复杂度,通常采用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)来解决这一问题。免授权接入技术如图14所示。

图14 免授权接入技术Fig.14 Grant-free access technology

NOMA的核心思想在卫星通信系统中的使用主要映射为2个方面:① 卫星借助于叠加编码或码域映射机制将多个地面用户终端的数据信息通过共享相同的时、频、码等物理资源方式进行发送;② 接收端通过消息传递译码(Message Passing Algorithm,MPA)或者SIC机制对用户终端接收的信息进行检测。根据资源映射特点,可以将NOMA归纳为2种技术途径:功率域(Power-domain)NOMA和码域(Code-domain)NOMA。以图14展示的功率域NOMA为例[44],卫星节点在时隙1中采用叠加编码方式发送叠加信号,强用户首先提取并消除弱用户信号,之后解码自己所需的有效信号。为了提高弱用户的解码性能,强用户在时隙2将提取的弱用户信号发给该用户,弱用户将2个时隙的有效信号叠加进行解码。

5 结束语

在今天,互联网的价值无可置疑,探索太空、建设低轨卫星星座是人类科技文明进步的体现,没有卫星的参与,就没有未来的互联网。面向6G应用,大力建设低轨卫星互联网是解决频谱资源受限、全球覆盖、低时延等万物智联需求的关键途径。从互联网的概念入手,分析了建设低轨卫星互联网的必要性,详细介绍了国内外在该领域的工程建设项目。概述了低轨卫星互联网与地面移动通信网络的关系,展望了低轨卫星互联网在海上和空中的典型应用。展望了低轨卫星互联网发展中涉及的抗干扰技术、通-感-算一体化技术、多星多波束联合传输技术和免授权技术,希望为工程实践提供部分参考。