专题丨高低轨卫星网络融合路径分析
作者简介
司 鹏
中国卫通集团股份有限公司工程师，博士，主要从事卫星通信系统论证及地面移动通信网络研究工作。陈宁宇
中国卫通集团股份有限公司高级工程师，主要从事卫星通信系统论证及卫星通信与地面移动通信网络的融合研究工作。王立中
中国卫通集团股份有限公司高级工程师，主要从事通信卫星有效载荷研究及卫星通信系统论证工作。吕韫哲
中国卫通集团股份有限公司工程师，主要从事通信卫星有效载荷研究及卫星通信系统论证工作。黄 涛
中国卫通集团股份有限公司工程师，主要从事卫星通信产业发展研究及卫星通信系统论证工作。秦 晓
武警部队参谋部作战勤务保障大队通信技术工程师，主要从事武警部队有线、无线、卫星通信技术应用以及指挥信息系统研究工作。论文引用格式：
司鹏, 陈宁宇, 王立中, 等. 高低轨卫星网络融合路径分析[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(9):30-35.
高低轨卫星网络融合路径分析
司鹏1 陈宁宇1 王立中1 吕韫哲1 黄涛1 秦晓2
（1.中国卫通集团股份有限公司，北京 100190；2.武警部队参谋部作战勤务保障大队，北京 100097）
摘要：针对全球范围内日益兴起大型低轨卫星星座建设热潮，现有高低轨通信卫星各自优势存在不足，单独组网都无法满足未来天基信息网络的需求，低轨卫星网络面临与已有高轨卫星网络如何共存的问题，通过重点分析高低轨卫星网络各自的组成和特点，提出了终端应用结合、网络管控融合、体制协议融合等逐级深入的未来高低轨卫星网络融合的路径，并面向未来卫星互联网的建设，提出了高低轨卫星网络系统相互协调发展的建议。
关键词：卫星互联网；高低轨通信卫星；高通量卫星
中图分类号：TN927.2；TN918 文献标识码：A
引用格式：司鹏, 陈宁宇, 王立中, 等. 高低轨卫星网络融合路径分析[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(9):30-35.
doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.09.005
0 引言
用户应用需求的持续发展对未来网络提出了更高要求，卫星互联网作为信息基础设施的重要组成部分，正在成为全球互联网竞争的新高地之一。卫星互联网可以分为静止地球轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）高通量卫星互联网和低轨（Low Earth Orbit，LEO）星座互联网。在GEO方面，欧美发达国家卫星互联网已经投入使用并规划了若干如ViaSat-2、Jupiter-2、KA-Sat、SES-12/14/15、Intelsat Epic NG、Inmarsat GX等的GEO卫星系统，应用服务能力和商业模式已经得到充分证明，目前正在加紧ViaSat-3、SES-17、Inmarsat GX Flex、Konnect VHTS等新一代卫星系统的建设[1]。在LEO方面，为满足互联网全球覆盖需要,低轨星座建设热潮重启，涌现出广受业界关注并获得大量商业资本支持的StarLink、OneWeb、Kuiper等新型宽带星座。新兴低轨星座主要定位于宽带、视频，以及数据服务，计划占据互联网新入口、开拓新的商业领域。
在国家层面，卫星互联网承担着“航天强国”“网络强国”的重要使命，是国家空间基础设施和战略性新兴产业的重要组成部分，其战略地位越来越突出。2017年，我国首颗自主研发的高轨高通量通信卫星中星16号发射成功并交付中国卫通集团股份有限公司运营，正式开始国内卫星互联网的探索。2020年，国家发展和改革委员会首次将“卫星互联网”纳入新基建范畴，明确要求以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系。至此，发展卫星互联网上升为国家战略性工程，全国各地相继出台相关政策支持卫星互联网的发展。2021年4月，中国卫星网络通信集团有限公司于雄安新区挂牌成立，标志着我国低轨卫星互联网产业建设进入加速落地时期。在此环境下，GEO与LEO卫星互联网的发展将面临复杂的竞合关系，会产生直接的相互影响，因此研究高低轨卫星网络如何进行融合具备重要的现实意义。本文重点阐述和比较高低轨卫星网络的特点与差异，并针对我国高低轨卫星网络建设提出融合路径和协调发展的建议。
1 高低轨卫星网络典型特点对比
1.1 高低轨卫星网络架构组成
如图1所示，GEO高通量卫星[2]和低轨互联网星座的网络架构基本相同，都由卫星、地面系统与用户终端构成，其中地面系统由信关站、数据中心、运营中心组成，用户终端则包括各类固定和移动终端。
（1）信关站：为所在馈电波束对应的用户波束提供接入服务，包含天线射频分系统、基带分系统和路由交换分系统，完成馈电链路信号收发、基带处理等功能，并负责与数据交换节点、运营中心进行数据交换。
（2）数据中心：是通信卫星地面系统的路由交换核心，通过专线完成若干信关站数据的汇聚和分发，并通过光纤实现与运营中心、Internet、蜂窝移动通信网等地面网络的互联互通。
（3）运营中心：是地面系统管理、控制的核心，包括业务支撑分系统、运营支撑分系统、网络和信息安全分系统，以及基带分系统网络管理部分，用于实现用户管理、计费账务、流量计费等业务运营支撑功能。
（4）用户终端：通过收发天线实现用户对通信状态的设置、获取，并通过卫星用户波束接入到所属信关站,完成通信功能。
1.2 高低轨卫星网络特点对比GEO卫星运行于高度为35 786 km的轨道上，与地球保持相对静止，覆盖区域固定，单星即可提供稳定的区域通信服务且通信容量较大，最少3颗卫星即可实现全球覆盖（南北极区域除外）。而LEO卫星运行的轨道高度一般为500~2000 km，需多颗卫星组成星座，系统整体通信容量较大，能够提供全球覆盖（含南北极地区）的通信服务。高轨和低轨卫星都采用多点波束和频率复用等高通量技术来提升系统容量，单星容量相较传统大波束卫星可提升几十甚至数百倍，并且有持续提升的趋势。例如，美国卫讯公司计划发射的ViaSat-3卫星单颗通信容量将达到1 Tbit/s。而低轨星座通常采用轻量级卫星，由于波束数目和功率的限制，单星容量比高轨卫星要低，低轨典型代表StarLink的单星容量约21.6 Gbit/s。但受益于其庞大的星座数量，低轨星座整体的系统容量可以达到很高的量级，例如StarLink的系统总容量可达94 Tbit/s[3]。
GEO传输单向时延的理论最低值为120 ms，往返时延约240 ms。而LEO由于卫星轨道高度较低，其往返时延有望控制在30 ms以内，接近地面光纤网络的水平。在终端方面，GEO卫星相对地面静止，地面终端实现相对简单，可以使用静态抛物面天线或机械调向抛物面天线，已经发展较为成熟且达到消费级价格。而低轨卫星相对于地球表面高速运动，对用户终端的波束跟踪性能要求更高，其地面终端一般要采用相控阵平板天线，目前生产成本还比较高。
在空口体制协议方面，目前GEO卫星主要采用DVB-S2X/DVB-RCS2协议标准，LEO卫星对动态性、移动性管理要求较高，可采用DVB协议或借鉴地面移动通信的3GPP协议。
由上述对比可以看到，虽然高低轨卫星系统在覆盖范围、系统容量、时延、终端等方面存在差异，并且可能各自遵循不同的协议标准，但GEO高通量卫星和低轨互联网星座的网络架构基本相同，具备融合的基础。因此，高低轨系统在网络管控等方面存在着多种结合的可能和前景。
2 高低轨卫星网络融合路径分析
结合当前行业发展情况和卫星/地面应用系统、应用终端等方面的技术发展趋势，按照终端应用融合、网络管控融合、体制协议融合的思路对高低轨卫星网络融合的技术路径进行综合对比分析。
2.1 终端应用融合终端应用融合主要通过多模终端的方式进行，通过在用户终端进行集成或一体化设计，兼容GEO和LEO多体制、多协议的方式，实现多模终端与GEO网络或LEO网络的互联互通（见图2）。在此种模式下，高、低轨卫星网络可以进行独立的建设与运营。
LEO终端天线本身具有良好的卫星跟踪性能和多星多波束收发能力，Ka频段射频部分适用于高轨和低轨卫星，根据路径选择调整终端接收和发射参数，实现高、低轨链路兼容。终端天线可根据用户选择或应用需求分别与GEO卫星或LEO卫星建链。在调制解调器内通过集成多个模块或一体化设计，实现对高、低轨的体制与协议（DVB协议、3GPP协议及其他协议）的兼容，用户可根据需要手动或自动选择要接入的网络类型。GEO和LEO卫星网络的接入网、核心网及业务系统可完全独立，用户可在两个网络中进行漫游。GEO和LEO终端的工作模式如下所述。
2.1.1 GEO和LEO模块集成终端内集成GEO和LEO的独立处理模块。此种功能仅为两种终端的简单结合，可采用相同的天线支持高低轨两套系统，处理模块区分高低轨卫星。在此种模式下，天线对准GEO卫星时接收GEO卫星数据，处理数据时使用GEO模块。根据技术状态，可选择仅接收一颗高轨卫星数据，或同时支持两颗高轨星数据接收。当接收低轨数据时，可支持同时连接两颗LEO卫星（需天线支持），实现连接软切换功能，数据处理采用LEO模块。
2.1.2 GEO和LEO功能一体化设计终端的一体化处理模块具备GEO协议和LEO协议转换能力。此模式分两个阶段，第一阶段为处理模块同时仅能处理一种终端的协议，即连接高轨卫星时，仅能处理高轨协议的转换。连接低轨卫星时，仅能处理低轨协议的转换。第二阶段为处理模块具备同时处理高低轨协议的能力，其中天线射频系统可根据使用情况进行多模块设计或者复用同一模块。
2.2 网络管控融合网络管控融合是在终端应用融合的基础上，GEO和LEO网络通过运营中心进行互联互通或统一实现管控结合。
（1）GEO和LEO网络的通信协议标准不同，高、低轨卫星系统接入网可独立建设运行，在运营中心的业务支撑系统互联互通，部分网络资源可互操作，实现管控融合。例如，高轨/低轨卫星运营商购买部分低轨/高轨网络资源，通过业务支撑系统互联互通方式，实现对高、低轨网络资源的统一管控。平台融合网络架构示意图如图3所示。
（2）GEO和LEO网络的通信协议标准不同，高、低轨卫星系统接入网可独立建设运行，核心网接入统一的运营平台，由一个运营中心为用户提供流量管理、计费管理和QoS保障等服务，实现管控深度融合，高低轨网络可统一运营或独立运营。
2.3 体制协议融合B5G、6G技术研究的逐步深化，对卫星通信能力和天地网络融合提出了新的要求，新一代卫星通信协议标准研究已经提上日程。未来，GEO和LEO的通信协议很可能会趋同，可以通过设备虚拟化技术实现信关站基带池化（基带设备高度通用）。GEO和LEO按照新的协议标准开展网络架构设计，接入网、核心网进行深度融合，实现卫星网络资源的高效管控。
体制协议体系融合可确保网络的灵活拓展性，在站网、设施层面实现资源共用与统筹，运行管理能力衔接。通过统一的运营管理、网络架构和技术体制，可实现天地融合一张网络、星地资源一体化统筹管理、用户动态优化接入。此种融合方式的可实施性取决于空间段、地面段和用户段的整体路线选择，融合难度最大，需要较长实施时间。但此技术路线的用户体验和后期的运营商管理体验最好，是高低轨融合的根本目标。
此外，低轨星座的高空间密度和高功能度需要集中管控，而高轨卫星可视范围大，3颗卫星即可实现所有低轨卫星的覆盖。在体制协议融合的基础上，可采用基于SDN的星载管控架构[4]，通过攻关系统架构设计、多目标高精度捕获跟踪等技术，采用不少于3个高轨卫星实现对所有低轨卫星的资源管控服务，为低轨卫星或地面终端进行系统状态、控制信息或星历的分发，支持网络多维资源感知与控制和多波束资源智能高效调度等功能。
3 高低轨通信卫星联合组网发展建议
低轨星座所有卫星都围绕地球旋转，天然具备全球覆盖的特性，这是其优势之一，但也存在着潜在的问题。地球表面70%以上为海洋和荒野，这些区域对信息容量的需求十分有限。若低轨星座按照热点区域的峰值容量需求来规划和建设，则会造成整体系统容量的利用效率较低，产生极大的资源浪费。若降低星座的容量设计，又将无法满足热点区域的用户需求[5]。而GEO卫星相对于地球表面呈现近似静止的状态，可以较为方便地通过波束赋形将容量投送到地面指定的区域，因此卫星容量的利用效率较高，据调查GEO的容量利用率可达60%[1]。因此，在全球宽带无缝覆盖需求并不迫切的情况下，单纯追求星座规模获得的效益十分有限。所以，“以规模换能力”的空间网络发展路线对我国并不适用，应避免在国际竞争中落入比拼规模的“陷阱”。
我国应尽快研究高轨卫星与低轨星座协调发展问题，采用按需建设的方式，发挥高轨系统和低轨系统在覆盖、容量等方面的互补优势。应利用高轨来覆盖深耕国内及周边等重点区域，用低轨来实现全球均匀覆盖，重点聚焦国际市场。高轨卫星相对静止，广播优势突出，广播电视、内容分发等应用仍然应当坚持选择高轨卫星。在机载、船载、单点互联网接入等高低轨业务重叠市场，低轨可作为“覆盖接入层”提供广泛的接入服务，高轨可作为“容量层”提供热点区域的增强覆盖，用户可以在高低轨卫星之间按需切换，实现机载、船载市场的“全球范围”服务能力。在建设运营方面，高、低轨卫星可独立建设运行，在运营中心的业务支撑系统互联互通，实现对高、低轨网络资源的统一管控，形成“广域宽带覆盖+全球均匀覆盖”的优势互补网络格局，优化整体网络的资源配置。在业务运营方面，可以通过地面系统的平台化来集成各类网络运营系统和互联网综合信息应用服务，用户当前可以选择高轨卫星进行应用，为将来的低轨星座培育市场，以推进高低轨业务系统未来的协调发展。
4 结束语
随着卫星模块化设计制造、高通量技术、火箭重复利用等技术的巨大进步，低轨卫星星座迎来了新的发展热潮。在有限的卫星通信市场内，低轨星座将与已有的高轨高通量卫星面临如何协调共存的问题。二者在覆盖范围、吞吐量、传输时延、终端等方面各有特点，且具备类似的网络结构和相互融合基础。应从国家层面统筹考虑高低轨卫星资源，分时分步骤地推进高低轨系统融合，优化整体网络的资源配置，构建一个时间及空间连续覆盖、可靠实用的卫星互联网络。
参考文献
[1] 孙晨华, 章劲松, 赵伟松, 等. 高低轨宽带卫星通信系统特点对比分析[J]. 无线电通信技术, 2020,46(5):505-510.[2] 王丽君. 高通量卫星通信系统设计因素分析[J]. 卫星应用, 2016(5):38-39+42-44.[3] 邹明, 赵子骏, 魏凡. 新兴低轨卫星通信星座发展前景研究[J]. 中国电子科学研究院学报, 2020,15(12):1155-1162.[4] 陆洲, 田建召, 赵晶, 等. 高低轨混合卫星网络管控架构设计[J]. 中国电子科学研究院学报, 2020,15(1):15-19.[5] 冯建元, 庞立新, 李杰, 等. 高低轨通信卫星联合组网和协议设计[J] . 无线电通信技术, 2019,45 (4):351-355.
Analysis of GEO and LEO broadband satellite communication network integration
SI Peng1, CHEN Ningyu1, WANG Lizhong1, LYU Yunzhe1, HUANG Tao1, QIN Xiao2
(1. China Satellite Communications Co. , Ltd. , Beijing 100190, China; 2. Operational Service Support Brigade, Staff Headquarters of Armed Police Force, Beijing 100097, China)
Abstract: Recently, there has been a global upsurge in the construction of large LEO satellite network constellations, the coexistence of GEO and LEO will become a problem. Both GEO and LEO satellite communication system have got some unique advantages but there exist disadvantages, hence it cannot meet the demand of future network in a single way. This paper analyzed their advantages and disadvantages, and proposed an integrating path which compose terminal integration, management and operation integration and communication standards integration. We also proposed suggestions for the coordinated development of GEO and LEO satellite communication systems.Keywords: satellite internet; high and low orbit communication satellites; high throughput satellites
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第9期
主办：中国信息通信研究院
《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。
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