6G網絡中的衛(wèi)星通信

呂智勇

（南京熊貓漢達科技有限公司，南京 210014）

0 引言

隨著5G移動通信系統(tǒng)的全面布局，6G移動通信系統(tǒng)的研究也已正式提上日程[1]。特別是隨著中美之間5G競爭的加劇，美國加快了6G技術研究，美國聯邦通信委員會已決定開放95千兆赫到3太赫茲頻段，供6G實驗使用。甚至有報告指出[2、3]，“6G的特點是以衛(wèi)星為基礎組建互聯網，美國實際上可能跳過5G，直接過渡到6G”。衛(wèi)星通信在6G移動通信網絡中到底發(fā)揮怎樣的作用？美國真有可能跳過5G，直接建立6G通信網絡么？我們將帶著這些問題，分析6G移動通信網絡中的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

1 6G移動通信網絡

目前，5G正處于規(guī)模商用的起步階段，預計將有10年的使用壽命，而6G技術的研發(fā)剛剛開始，尚無統(tǒng)一的標準，各主要開發(fā)商均按照自己對6G預期愿景（6G愿景應該是現有5G不能滿足而需要進一步提升的需求，具體說就是全球范圍內陸、海、空、天的無縫連接，人-機-物-靈之間的深度連接，以及人工智能的深度應用開發(fā)）開展技術攻關。但有幾個大的發(fā)展趨勢，大家已達成初步共識[4、5、6]：一是更高的通信頻段，以支持更高的傳輸速率；二是天地一體化的網絡，實現全球陸、海、空、天無縫通信；三是智能連接，網絡與用戶融為一體，智能應用與網絡深度融合?？梢钥闯觯?G移動通信網絡的能力將在5G移動通信網絡能力（保障范圍、通信速率、頻譜效率、傳輸與處理時延、連接密度、網絡能效、移動能力、智能化能力）的基礎上得到進一步提升，6G系統(tǒng)將構建一張無所不在（覆蓋陸、海、空、天）、無所不連（人-機-物-靈）、無所不能（深度連接、智能處理）的網絡。

結合6G移動通信網絡技術特點，對比美國正在建設的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)（OneWeb，Starlink，LeoSat等），可以得到如下結論：美國不太可能跳過5G網絡，直接建立基于衛(wèi)星通信的6G網絡，原因如下：

（1）6G移動通信網絡是天地一體的通信網絡。地面移動網絡為用戶密集地區(qū)提供寬帶、低時延、高效通信，衛(wèi)星網絡實現全球無縫覆蓋。單一衛(wèi)星網絡難以滿足高速率、低時延、高連接密度的使用要求，不能滿足6G的預期愿景。

（2）6G標準正在研究中，尚未形成統(tǒng)一的規(guī)范。以往地面移動通信網絡建設一般都是標準先行，待標準完善后再進行系統(tǒng)建設。這樣操作，一是可以避免巨大的投資風險，二是便于在全世界推廣應用。因此，在6G標準真正形成以前，很難提前開展系統(tǒng)建設。

（3）6G移動網絡的關鍵技術尚未突破，目前難以應用到實際的系統(tǒng)中。

2 6G網絡中的衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信不能單獨構建6G移動通信網絡，但它是6G移動通信網絡的重要組成部分，是實現陸、海、空、天全球無縫覆蓋關鍵一環(huán)。為滿足未來6G網絡通信要求，衛(wèi)星通信將具有以下特點。

2.1 軌道高度

6G移動通信網絡中衛(wèi)星系統(tǒng)以低軌星座系統(tǒng)為主，衛(wèi)星軌道高度約為300千米左右。軌道高度越低，傳輸時延越小，對實時業(yè)務保障越好；軌道高度越低，傳輸損耗越小，同等功率下可支持更高速通信業(yè)務；軌道高度越低，覆蓋全球所需衛(wèi)星數量越多，頻率復用次數越多，系統(tǒng)容量越大；軌道高度過低，則大氣阻力將嚴重影響衛(wèi)星壽命，極大增加系統(tǒng)建設成本；300千米軌道高度，大氣阻力可基本忽略，軌道高度再往下降則大氣影響逐步加大。

2.2 工作頻段

6G移動通信網絡中衛(wèi)星系統(tǒng)工作頻段可選擇太赫茲和激光。

（1）目前適合衛(wèi)星通信的UHF，L，S，C，X，Ku，Ka頻段已開發(fā)殆盡，oneweb、starlink等低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)已在第二階段布局了Q，V，W等頻段，留給6G網絡中衛(wèi)星系統(tǒng)可選頻段已經不多。

（2）更高頻段可支持更高速通信業(yè)務，目前美國已開放95千兆赫到3太赫茲頻段供6G實驗使用，相關技術攻關和器件開發(fā)也已全面展開，是未來移動通信可選頻段，衛(wèi)星選用太赫茲頻段可實現與地面系統(tǒng)的一體化設計。

（3）激光通信技術已日漸成熟，目前已在多顆衛(wèi)星搭載試驗，是衛(wèi)星實現寬帶高速通信的有效手段。

2.3 衛(wèi)星載荷

6G移動通信網絡中衛(wèi)星載荷將是一個綜合任務載荷，具備通信、導航、遙感等多種功能。

（1）隨著科學技術的發(fā)展，衛(wèi)星平臺能力將得到極大的提升，能同時支持多個任務載荷。

（2）衛(wèi)星軌道高度降為300千米后，需要上萬顆衛(wèi)星才能實現全球無縫覆蓋（參考Starlink星座設計）；在其上配置導航和遙感載荷后（相當于現有導航、遙感衛(wèi)星數量增加了幾百倍），可以將導航精度和遙感時效性提高到一個新的水平。

（3）通信、導航、遙感三種載荷相互配合可極大提高系統(tǒng)整體效能。導航為通信提供精準的用戶位置信息，方便用戶隨遇接入；遙感為通信提供頻率使用和干擾信息，方便系統(tǒng)頻率使用調度；通信為導航、遙感提供數據傳輸通道，方便系統(tǒng)管理和信息傳輸，極大提高系統(tǒng)效能。

2.4 星載天線

6G移動通信網絡中衛(wèi)星天線將是多點波束相控陣天線，每顆衛(wèi)星可形成上百個點波束，每個點波束覆蓋范圍較小，可根據任務需求在衛(wèi)星對地視場內自由移動。

（1）6G中的衛(wèi)星采用太赫茲后，通信波束寬度可以大幅縮小，這將極大提高通信天線增益。

（2）通信波束覆蓋縮小后，大幅增加了波束間的空間隔離度。系統(tǒng)可根據用戶位置，單獨調整衛(wèi)星天線指向，為每個用戶建立通信連接，這將極大增加頻率復用次數，提高系統(tǒng)容量和通信速率。

（3）每個波束都可在衛(wèi)星對地視場內自由移動，同一地區(qū)的用戶可分別由數十顆不同衛(wèi)星提供通信服務，極大的增強了系統(tǒng)的靈活性和健壯性。

2.5 星上處理

6G移動通信網絡中衛(wèi)星星上處理能力大大增強，每一顆衛(wèi)星都具有星上信號再生處理、路由交換、用戶管理、應用服務等功能。

（1）軟件化和開源化是未來發(fā)展趨勢。在6G時代，軟件無線電（SDR）、軟件定義網絡（SDN）、云化、開放硬件等技術將進入成熟階段，星上處理功能將得到極大增強。

（2）移動邊緣計算將得到廣泛應用，系統(tǒng)需在滿足異構服務、時延要求、傳輸帶寬限制的前提下，實現跨網元、跨區(qū)域地的計算和數據分析的分發(fā)。每顆衛(wèi)星都是一個處理節(jié)點，衛(wèi)星不再單純的完成信號的透明轉發(fā)，而是在星上完成信息的解析、路由交換、用戶管理等功能，這將全面提高系統(tǒng)性能。

2.6 星間鏈路

6G移動通信網絡中各衛(wèi)星間將建立廣泛的、全面的連接，不同軌道面之間、同一軌道面之間相鄰衛(wèi)星將建立高速的激光鏈路，實現衛(wèi)星之間數據的傳輸。

（1）任意一顆低軌衛(wèi)星將通過激光鏈路與相鄰的衛(wèi)星建立星間連接，衛(wèi)星系統(tǒng)將在天上建立一張與地面系統(tǒng)相當規(guī)模，即可獨立存在，又可相互融合的互聯網絡，真正實現天地一體化發(fā)展，這將使6G網絡性能得到充分發(fā)揮。

（2）激光技術的快速發(fā)展，使衛(wèi)星之間Tb/s量級的空間激光傳輸成為可能。

2.7 用戶/饋電鏈路

6G移動通信網絡中衛(wèi)星將不再區(qū)分用戶鏈路和饋電電路，兩者合二為一。

（1）星間鏈路的建立使得數據的路由變得多樣化，不再僅通過本地饋電鏈路與地面系統(tǒng)連接，可以通過星間鏈路實現就近接入。

（2）用戶通信速率的不斷提升，使得單一饋電鏈路的帶寬難以承受寬帶業(yè)務的高速發(fā)展，必須建立多條對地鏈路實現高通量數據的接入。

（3）用戶、饋電鏈路的一體化設計大大簡化了衛(wèi)星的設計，且能實現數據的分布式傳輸，增強系統(tǒng)的健壯性。

（4）用戶、饋電鏈路的一體化設計降低了饋電鏈路的傳輸要求，進而降低了對地面接入站的設計要求?？筛鶕到y(tǒng)需要分布式布局，優(yōu)化了系統(tǒng)設計，方便了系統(tǒng)使用。

2.8 人工智能

人工智能在6G移動通信網絡的衛(wèi)星系統(tǒng)中將得到廣泛應用。

（1）6G中的衛(wèi)星系統(tǒng)是一個分布式的網絡構架，業(yè)務類型和應用場景眾多，充分利用AI技術幾乎是必然的選擇。

（2）隨著人工智能的發(fā)展，自動化網絡在6G時代將成為現實，可以動態(tài)選擇不同類型的無線接入技術，可以根據需求自動配置網絡資源，可以自動提出網絡規(guī)劃建議等。

（3）只有采用基于人工智能的自動化網絡才能滿足對QoS要求越來越嚴苛的應用，單純依靠人力無法滿足網絡敏捷性、實時性需求。

（4）通過人工智能可實現分布式動態(tài)連接、路由選擇、負載平衡和數據緩存等，從而保障通信穩(wěn)健性。

（5）未來的移動網絡是一個自治系統(tǒng)，能夠自主學習、預測和處理。網絡是有意識的，網絡規(guī)劃和優(yōu)化本身屬于網絡的一部分。

2.9 系統(tǒng)建設

地面移動通信系統(tǒng)是由大家共同制定統(tǒng)一的標準規(guī)范，然后由各個國家和地區(qū)根據自己的發(fā)展需要各自開展建設，獨自負責運營。而6G移動通信網絡中的衛(wèi)星系統(tǒng)將有可能打破這一局面，它將會是一個共享的系統(tǒng)，將由多個國家共同建設，可供全世界人民使用。

（1）通信頻率是所有通信系統(tǒng)建設的基礎，地面移動通信系統(tǒng)由于所處區(qū)域的不同，不同國家和地區(qū)可以共享同一頻率，用以建設各自的地面系統(tǒng)；而低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)頻率使用是互斥的，一個系統(tǒng)占用了某一頻段，則其他系統(tǒng)很難共用?？晒?G網絡中衛(wèi)星系統(tǒng)使用的頻率和軌位資源有限，不足以支持多個系統(tǒng)建設。

（2）低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)建設投資金額大，系統(tǒng)建成后可覆蓋全球。小的國家和地區(qū)很難或者沒有必要建設一個如此巨大的覆蓋全球的通信系統(tǒng)。

（3）衛(wèi)星通信系統(tǒng)將是6G移動通信網絡的重要組成部分，不可或缺，各大國不可能放棄在該領域的競爭。最有可能的結果是組建2-3個聯盟，構建各自的衛(wèi)星系統(tǒng)，為全球提供6G衛(wèi)星移動通信服務。

3 關鍵技術

星載太赫茲相控陣天線技術：相控陣天線技術目前已經比較成熟，在工程應用中已大規(guī)模應用，但星載太赫茲相控陣天線有諸多技術難點需要進行攻關。一是太赫茲星載元器件；目前尚無成熟產品，需要提前布局，展開研制。二是大規(guī)模（上百個）極窄波束形成與控制技術；要求星上同時產生上百個極窄波束，各自準確指向相應通信用戶，在低軌衛(wèi)星高速運動中始終自動跟蹤用戶，并保持指向精度，這對天線設計提出了很高的要求。三是星載天線的小型化和可靠性設計技術；低軌衛(wèi)星平臺安裝面積有限，對星載天線的尺寸、重量有嚴格的限定，這將極大增加天線設計難度。

基于人工智能的通、導、遙一體化設計技術：一是人工智能、邊緣計算與衛(wèi)星網絡融合技術，將使衛(wèi)星計算和信號處理能力變得異常強大。二是基于深度學習的信號檢測與信道估計技術；將由衛(wèi)星自主分析估計各種條件下的信道模型，并進行精準匹配均衡。三是通信、導航、遙感的一體化應用技術；衛(wèi)星網絡基于人工智能自動調度、分配整個網絡中通信、導航、遙感任務，使系統(tǒng)利用率達到最佳。

低軌衛(wèi)星自組網技術：一是動態(tài)組網技術；低軌星座系統(tǒng)根據用戶、饋電、星間鏈路的實時變化，自動更新維護網絡拓撲。二是系統(tǒng)自主管理技術；星座系統(tǒng)基于人工智能，自主保持各低軌衛(wèi)星間相對位置，自主維護衛(wèi)星軌道姿態(tài)。三是基于深度學習的網絡管理技術；衛(wèi)星網絡將自動根據資源使用和干擾情況進行相互間協商調度，實現系統(tǒng)性能最優(yōu)。

4 結束語

衛(wèi)星通信是6G移動通信網絡的重要組成部分，是實現天、空、地、海一體化無縫覆蓋的關鍵。隨著用戶需求的不斷增加，先進技術的快速發(fā)展，衛(wèi)星通信系統(tǒng)將與地面移動通信系統(tǒng)進行深度融合，朝著更低軌道、更高頻率、更大帶寬、更多衛(wèi)星、更加智能、更多功能以及天地一體方向發(fā)展，將在未來通信網絡中發(fā)揮越來越重要作用。