主頁（http://www.by236.com）：寬帶衛星通信網絡技術發展態勢與發展建議

陳東

-研究員

-先后參與我國第一代移動通信衛星、低軌衛星星座的系統論證與工程研制

仲小清（通信作者）

-研究員

-作為核心人員參與了我國新一代靜止軌道通信衛星平臺研制及試驗衛星研制

1、寬帶衛星通信網絡國內外發展態勢

寬帶衛星通信是衛星通信系統的重要分支，一般定義其屬于固定衛星通信范疇。寬帶通信往往與互聯網應用密切結合，這類系統也多被形象地稱為衛星互聯網。寬帶衛星通信已經是當前衛星通信產業最活躍的領域，也是通信衛星商業市場的最大增長點。

1.1 衛星系統部署演進情況

以高通量衛星為代表的高軌衛星通信網絡正在廣泛部署和應用，其主要利用Ku、Ka和Q/V等頻段提供先進的寬帶網絡接入服務能力。從21世紀初的SpaceWay 3和iPSTAR衛星系統，到最新一代的Jupiter-2和Viasat-2衛星系統，網絡容量從數十Gbps提高至數百Gbps。這類衛星的典型特點是普遍采用高增益的多點波束實現對地覆蓋，利用透明轉發方式建立用戶與地面信關站的雙向寬帶連接。點波束的高增益有效提高接入速率（數Mbps至數百Mbps），多波束間的頻率復用進一步擴展衛星容量。相比傳統固定通信衛星，高軌高通量衛星呈現大網絡接入帶寬和低單位帶寬成本的特征，獲得各衛星運營商的青睞并逐步替代或擴展傳統固定通信衛星業務。一是利用數字透明轉發（Digital Transparent Processor, DTP）技術，提供靈活的通信鉸鏈，實現傳統C和Ku頻段的固定通信衛星（Fixed Satellite Service, FSS）系統業務向Ku和Ka頻段的寬帶高通量衛星系統遷移；二是不斷拓展航空、航海等領域市場，替代或補充傳統L頻段和固定通信衛星的服務，實現移動平臺接入的寬帶化。歐洲咨詢公司（Euroconsult）預測，未來高通量衛星市場增長點將集中在寬帶互聯網接入，商業航線、石油作業現場的移動通信，云服務，智慧控制和無人機應用等諸多方向。

2017年中國首顆高軌道高通量衛星——“中星16號”成功發射，填補了寬帶通信衛星空白，開啟中國衛星通信高通量時代�；�于該衛星提供的寬帶能力，2020年首次在青島航空飛機實現衛星互聯網接入驗證。同年，中國第2顆高軌道高通量衛星——亞太6D衛星成功發射。亞太6D衛星配置90個用戶波束，單星容量達50 Gbps，實現高通量衛星向第2代發展。該衛星將寬帶網絡覆蓋面從國土擴展至南太平洋，已經為數千艘（架）船舶與飛機提供寬帶網絡服務，實測峰值速率超過320 Mbps。

參照歐洲咨詢公司在2020年世界衛星商業周上對高軌道高通量衛星的階段定義，國內外同類系統的對比如表1所示。

表1 國內外高軌道寬帶通信衛星系統發展對比

在低軌道寬帶衛星通信網絡方面，20世紀90年代出現以Skybridge和Teledesic為代表的寬帶通信衛星星座的概念。但受限于當時技術和經濟條件，并未真正付諸實施。近年來，以低軌道巨型衛星星座為特征的低軌道寬帶衛星網絡系統再次呈現蓬勃發展的態勢，Starlink、Oneweb、Lightspeed等低軌道巨型星座的出現為太空網絡提供全新的選項，通過數百乃至數千顆衛星提供全球范圍的低時延寬帶接入。截止到2022年2月4日，美國SpaceX公司已經在軌1920顆Starlink衛星，在北美、英國等10余個國家和地區提供通信服務，可提供高達50~500 Mbps的通信速率和低至20~40 ms的網絡時延。加拿大電信衛星公司（Telesat）已選擇歐洲泰雷茲阿萊尼亞宇航公司為總承包商，建設星間激光鏈路組網的Lightspeed星座系統。相比高軌高通量衛星系統，新一代低軌道寬帶衛星星座廣泛采用相控陣點波束實現對地覆蓋，其系統特征是多星地連接、高容量密度和低網絡時延。

以高低軌道寬帶衛星通信系統的發展為基礎，多軌道協同衛星寬帶網絡進一步改變衛星通信運營商競爭格局，實現太空資產的組合應用和多軌道高效協同增益。全球第一大高軌通信衛星運營商SES公司同時運營著龐大的O3b中軌道通信衛星星座系統，并即將于2022年完成O3b mPOWER新一代中軌道衛星網絡首批6顆衛星的部署。Telesat公司在其已有的高軌道衛星通信系統基礎上，通過部署低軌道Lightspeed系統進一步增強面向網絡運營商、互聯網服務提供商和政府的服務，單波束覆蓋區域容量增至20 Gbps，同時支持用戶終端在高軌衛星和低軌系統之間的無縫切換。

1.2 衛星技術發展情況

靈活載荷技術是第3代寬帶通信衛星的典型技術特征。為提高衛星頻率和功率靈活性，適應未來市場衛星容量靈活調配需求，多端口放大器（Multi-Port Amplifier, MPA）技術、頻率和極化可調射頻技術、跳波束技術正在被更多寬帶通信衛星采用。2021年7月，歐洲量子通信衛星發射成功，其攜帶先進的相控陣天線和星上處理載荷，預期可以實現在軌可重構覆蓋能力和靈活通信鉸鏈。Starlink、Lightspeed等低軌道寬帶通信網絡也普遍采用相控陣天線，利用基于疊層封裝（Package on Package, PoP）或相關技術的新型瓦片式相控陣天線，實現靈活的對地覆蓋。與寬帶化伴隨發展的是支持空間網絡化的星間激光鏈路技術。在經歷20余年的技術驗證后，星間激光通信技術已經處于實用化前期階段。歐洲數據中繼衛星系統（European Data Relay System, EDRS）的激光通信載荷可提供高達1.8 Gbps的通信速率，已經為哨兵系列光學和微波遙感衛星提供數以萬次的數據中繼服務。Lightspeed和Starlink V1.5低軌寬帶衛星計劃或已經采用激光星間鏈路實現空間組網。當前小型化激光終端已可將重量降至20 kg量級。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）正在支持開展以“100 Gbps速率、100千美元成本、100 W功耗”為目標的先進空間激光通信終端。

在中國，寬帶多端口放大器和關口站在軌靈活切換技術已在亞太6D衛星上應用。2020年底中國發射部署的“實踐二十號”衛星在軌驗證了Q/V頻段轉發器、寬帶柔性轉發等一系列第3代寬帶通信衛星有效載荷新技術。鵬城實驗室利用“實踐二十號”衛星建立了Q/V頻段星地傳播特性采集與試驗系統，修正Q/V頻段大氣吸收和雨衰模型，驗證Q/V頻段星地自適應傳輸技術，為更高衛星通信頻段的開發與商業應用積累數據。面向空間組網應用，中國北斗三號衛星已經實現了星座星間鏈路組網，具備初步的空間互聯特征。表2為國內外寬帶通信有效載荷技術對比。

表2 國內外寬帶通信有效載荷技術對比

通信衛星的研制理念與制造方式正在發生變化。為滿足寬帶衛星運營商服務快速部署的需求，先進宇航公司推出了基于全新設計理念的衛星平臺，如空中客車防務及航天公司OneSat平臺采用“面向制造”的設計理念。這類平臺或衛星強調標準、模塊化和在軌可定義，衛星交付時間壓縮到18個月，可以用更低的綜合成本為衛星運營商提供容量的快速部署。同時，為適應低軌巨型星座批量生產和成本控制的需求，面向單星的小規模定制化衛星制造模式正轉變為面向星座的大規模批量化模式，智能制造技術的應用助力衛星制造由“藝術品”向“工業品”的轉變。Airbus、TAS和SpaceX等已先后建成形式各異的衛星生產線，預估可達到日產7顆低軌衛星（以Starlink為例）能力。

1.3 通信體制研究情況

當前主流寬帶衛星通信體制以衛訊（Viasat）的Surfbeam 2和歐洲電信標準化協會（ETSI）的數字視頻廣播（Digital Video Broadcasting, DVB）衛星第二代擴展標準DVB-SZX、第二代雙向交互式數字視頻廣播標準DVB-RCS2為代表。這類體制主要以下行時分復用（Time-Division Multiplexing, TDM）、上行多頻時分多址（Multi-Frequency Time-Division Multiple Access, MF-TDMA）波形為基礎，廣泛應用于高軌寬帶通信衛星系統。部分低軌星座系統，如Lightspeed也采用基于DVB的通信體制，實現高軌道和低軌道衛星終端的兼容性。Satixfy為Lightspeed系統提供了地面站調制解調器產品，其基于DVB-S2X體制的高性能芯片Sx3099可以提供高達1.6 Hz的基帶處理能力。另一方面，3GPP正在推動非地面網絡（Non-Terrestrial Networks, NTN）項目研究，定義8個增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband, eMBB）場景并提出面向非地面網絡的寬帶衛星通信網絡技術方案。預計在2022年凍結R17版本將完成面向透明轉發衛星部分的標準化工作。

中國在軌寬帶通信衛星同樣采用了與國際類似的寬帶通信體制，引進Viasat、iDirect及Gilat的多種解決方案。國內航天恒星科技有限公司等推出以Anovo品牌為代表的甚小口徑衛星終端站（Very Small Aperture Terminal, VAST）衛星通信系統解決方案，已在部分衛星系統獲得應用。國內也有研究機構與企業開展5G體制下的高軌衛星和低軌衛星接入試驗，初步在軌驗證了5G波形在衛星應用的合理性和可行性。

1.4 國內外發展對比

從寬帶衛星網絡發展總體情況看，中國已經形成體系相對完整的高軌道寬帶衛星通信系統研制能力并付諸商業化運營，低軌道寬帶衛星系統尚處于試驗驗證階段。相比國際同類系統的技術發展與商業應用，中國在部分技術方面需要進一步給予加強，主要包括以下3個方面。

（1）先進有效載荷方面，靈活載荷技術，如數字透明轉發器技術方面在國際商業寬帶通信衛星市場競爭力不足。

（2）通信網絡體制方面，主要基于歐洲標準化的DVB系列技術體制或類似體制，相應產品多采用國際商業衛星解決方案，國內產品需要加快部署和技術迭代。

（3）技術應用方面，面向高軌道和低軌道寬帶衛星網絡的技術驗證較多，亟需商業衛星市場的牽引，加速應用與運營。

2、寬帶衛星通信網絡技術發展趨勢

2.1 愿景與方向

衛星通信寬帶網絡化發展、天地通信手段的深度融合，是業界對衛星通信發展的重要共識。預期到2030年，寬帶衛星通信網絡將全面鏈接陸�？仗臁⒀由熘恋卦驴臻g。地面和太空用戶隨遇無感接入智能至簡的寬帶網絡，跨軌道自適應混合組網，形成與地面平行又業務高度耦合的信息高速公路。用戶密度達到全球數百萬個實時高速連接和10億個低速連接，可獲得網絡連接通信速率提升1個數量級。網絡與智能結合支撐服務于人和服務于物的全業務多場景承載，智能化水平的提升滿足空間信息的在線實時處理與響應，最終形成“衛星網絡即服務”的跨域多維、信息融合的寬帶衛星網絡體系。

面向上述愿景，網絡技術發展的范式將進一步變化，主要體現在：①“地為天用，技術融合”，提升衛星網絡效能；②從“通信”向“網絡+智能”轉變的衛星網絡服務。

2.2 天地協同技術融合的寬帶衛星網絡

衛星與地面移動通信融合是產業界歷經探索與實踐逐步確立的技術發展方向。早在2000年前后，歐洲電信標準化協會制定了基于2G/3G技術的地球同步軌道移動無線接口（GEO Mobile Radio, GMR）系列標準，并獲得瑟拉亞（Thuraya）等移動通信衛星系統應用。近年3GPP正在開展5G非地面網絡（Non-Terrestrial Networks, NTN）的標準制定，其全球參與者已超過70余家，包括電信運營商、衛星公司以及半導體器件和解決方案供應商等。2021年IMT-2030（6G）推進組發布《6G網絡架構愿景與關鍵技術展望》白皮書，認為6G時代天基、空基等網絡將與地基網絡深度融合組成一張空天地一體化網絡。

衛星與地面移動通信融合是寬帶衛星網絡全球化發展的重大機遇。以5G技術應用于衛星網絡為例，可以從兩個視角看待。

1）技術發展路徑視角

以5G技術為基礎的寬帶衛星網絡技術體制是對寬帶衛星網絡的全新定義。陳山枝認為存在兩個階段：一是與5G兼容，利用和分享5G的規模經濟與技術；二是到6G融合，實現地面與高軌道衛星、中軌道衛星、低軌道衛星的有機融合。華為6G白皮書認為，伴隨眾多低軌道衛星或超低軌道衛星應用于非地面網絡，大型低軌道衛星星座極有可能成為6G的重要組成部分。

將5G的相關技術引進到寬帶衛星通信網絡，可以將5G特性貫穿網絡架構、空中接口、運行管理等各級要素，實現對5G網絡特性以及卓越性能的最大化繼承。5G網絡架構的可編程特點有利于隨不同應用需求靈活調整寬帶衛星網絡架構。采用基于循環前綴的正交頻分復用（Cyclic Prefix Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, CP-OFDM）作為空中接口波形，其頻譜效率高于傳統衛星通信采用的頻分復用時分多址體制。核心網支持用戶平面功能（User Plane Function, UPF）等網元功能按需配置，可提高衛星落地部署的靈活性和可擴展性。無線接入網共享等技術的應用，實現在單一物理網絡上部署多個邏輯網絡。網絡切片技術、安全技術的融合實現資源共享下的最大化安全隔離。

2）產業發展視角

目前在軌衛星寬帶通信體制多為定制化的私有體制，缺少開放性。各自衛星終端僅能在本系統中應用，并且受限于國家、地域等因素，不具備全球化合作和發展的基礎。而地面移動通信系統具備天然的全球化屬性。一方面，5G系統具備內生的對外部網絡的開放性以及對網絡技術的前向、后向兼容性。寬帶衛星網絡可隨5G網絡一同演進，在保持技術先進性的同時降低技術更替成本，從而為長遠發展奠定堅實的基礎。另一方面，可以大量繼承地面移動通信的技術基礎，獲得廣泛的潛在半導體器件、組件和解決方案供應商支持，有效降低系統建設維護成本，增強產業活力。

2.3 “智能+網絡”的未來衛星網絡

以低軌道巨型星座和混合網絡架構為特征的衛星網絡呈現快速發展趨勢，正在實現從“天星地網”向“天基組網”的演進。傳統天基網絡技術已基本成熟，包括國際空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）、時延容忍網絡（Delay Tolerant Network, DTN）在內的傳統空間網絡體制協議均已完成標準化。同時，地面網絡技術向太空網絡的輻射和帶動作用日益凸顯。學術界正在探索軟件定義網絡（Software Defined Network, SDN）、信息中心網絡（Information Centric Networking, ICN）等新興網絡技術在巨型星座組網中的應用，以提供更為便捷的復雜網絡管理和多業務承載。

智能所帶來的賦能效果，源于衛星寬帶通信網絡的復雜化與泛在性，也在于從網絡到信息再到智能的結合。從美國太空發展局的規劃中可以看到智能、信息和網絡結合的優勢所在。其定義的跟蹤層（Tracking Layer）將接入到傳輸層（Transport Layer），在戰斗管理層（Battle Management Layer）的支持下，利用網絡能力實現新質作戰能力的生成。為支持這一能力的實現，DARPA在Blackjack項目中的成果也被納入美國國防太空架構（National Deferse Space Architectture, NDSA）的范疇，即通過被稱之為PitBoss的產品，實現空間智能處理在軌應用與任務自主調度，支持先進戰場管理等技術驗證。

融入智能后，未來衛星寬帶通信網絡特征體現在以下兩方面。

一是智能化的天基網絡。體現在支持網絡的隨遇接入、跨域互聯、高度網絡魯棒，以及面向業務的自主優化，大幅降低復雜天基網絡使用和管理的復雜度，并可以通過對業務的感知，提供滿足特定業務需求的服務。簡而言之，天基網絡智能化體現在①網絡服務智能：識別業務類型，推斷用戶意圖，隨時調整天基網絡資源，滿足信息傳輸需求；②網絡運維智能：利用天基網絡的可預測性，優化能源及帶寬使用，實現網絡自動部署與故障快速恢復。

二是智能化的天基信息處理。結合天基信息數據的特點，發掘感知數據時間和空間相關性特點，利用智能化手段產生用戶需要的情報或態勢，并將結果實時反饋給網絡，調整資源以期產生更有價值的數據。當前亞馬遜和微軟都在利用其衛星地面站和云服務設施，為衛星網絡運營商提供信息云服務，包括對海量對地觀測數據的實時處理等。

2.4 關鍵技術展望

當前寬帶衛星通信網絡的技術發展與未來的愿景還有差距，在空間網絡理論、智能化技術、組網技術等方面尚有短板，衛星及載荷技術的差距也制約了網絡與智能新技術應用。因此，建議未來重點關注以下幾個技術方向。

（1）靈活甚高通量網絡化衛星技術。采用多點波束和頻率復用技術的高通量衛星正在推動寬帶衛星網絡行業變革，Tbps量級的甚高通量通信衛星是未來空間網絡化發展的重要基礎。突破①Q/V/W頻段、太赫茲頻段衛星工程化應用技術；②靈活甚高通量衛星通信系統架構與資源管理技術；③高承載比高效益衛星平臺技術；④寬帶靈活載荷技術。

（2）高性能低功耗星載池化處理技術。適應未來天基網絡與信息服務寬帶化、多元化、分布式協同需求，提升衛星的在軌再生處理、感知認知與協同能力。突破①星載智能異構計算平臺技術；②星載高容錯自冗余處理交換載荷架構與池化處理技術。

（3）甚高速率小型化星間激光通信技術。未來天基組網要求更高通信速率、更小星載終端規模和更低的終端成本，需要全新的在軌光處理、交換和激光終端實現技術。突破①100 Gbps量級小型化星間激光終端技術；②星載抗輻照長壽命光器件技術；③高動態星間星地激光鏈路捕獲與跟蹤技術。

（4）自組織全業務承載空間智能網絡理論與技術。基于高動態軟件定義網絡技術實現柔性自組織全業務承載，構建具有跨網異構互聯、實時互操作特性的空間智能網絡。突破①彈性異構多域混合空間網絡架構與智能組網協同理論；②面向大規模星座的高動態智能組網與路由技術；③基于意圖洞察的跨域自組織智能網絡技術。

3、未來發展建議

空間網絡是太空競爭焦點，將引領信息、經濟、社會、軍事廣泛變革，需要超前布局，為爭取和持續保持中國在信息網絡領域的技術優勢提供科技支撐。結合寬帶衛星通信網絡發展，提出以下建議。

（1）制定寬帶衛星通信網絡長遠規劃，建成技術先進、全域覆蓋、高效運行的國家空間基礎設施，形成未來空間網絡的骨干架構。中國衛星網絡的技術路線選取要與用戶群體密切結合，形成與之適配的解決方案。結合中國國情，相比Oneweb和Starlink的B2C（Business to Consumer）服務模式，面向以行業或企業用戶優先的B2B（Business to Business）服務模式更具價值，可實現高質量的網絡接入與骨干互聯服務能力。

（2）商業化推進天基信息網絡、未來互聯網和移動通信網絡的深度融合，形成覆蓋全球、太空延拓的一體化信息網絡。推動地面產業鏈進入宇航領域，探索將智能、信息和網絡技術更高效應用于寬帶衛星通信網絡發展的模式與科技發展范式。加強試驗對應用的帶動作用，建立支持技術創新與驗證的網絡試驗床，面向太空和地面科學活動及重大行動進行空間網絡示范驗證。

（3）加強制約寬帶衛星網絡技術發展的高端星載處理器件、操作系統的攻關支持，包括宇航級大規�，F場可編程門陣列（Field Programmable Gate Arrays, FPGA）、新一代高性能處理器等，實現核心元器件、軟件的自主可控，為寬帶衛星新型網絡技術體制上天奠定堅實的物理基礎。

4、結束語

寬帶衛星通信網絡是衛星通信快速發展的縮影。可以預見，在未來10年，以寬帶衛星通信網絡為代表的太空基礎設施將成為國際航天大國競相角逐的新戰場。中國持續保持信息網絡領域優勢，引領全球信息網絡技術與太空技術創新，需要系統謀劃，綜合考慮。

本文轉載自“ 前瞻科技雜志 ”，文：陳東, 仲小清, 等，原標題《綜述與述評 | 陳東：寬帶衛星通信網絡技術發展態勢與發展建議》。