衛(wèi)星網(wǎng)絡跨層技術(shù)與6G通信探究

張 堯

（濱州醫(yī)學院 山東煙臺 264003）

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化和信息化水平不斷影響著人們的生活方式，2019年我國啟動了5G網(wǎng)絡的商用，5G網(wǎng)絡逐步融入人們的生活方式，高性能、低時延、大容量是5G的突出特點，5G融入了人工智能、大數(shù)據(jù)等多項技術(shù)推動醫(yī)療、交通、傳統(tǒng)制造業(yè)等向智能化、網(wǎng)絡化方向變革，進一步推動了物聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展。根據(jù)移動通信“使用一代、建設一代、研發(fā)一代”的發(fā)展理念，業(yè)界普遍認為6G將會在2030年開始商用。雖然各個國家對6G網(wǎng)絡的研發(fā)才剛剛開始，很多的關鍵技術(shù)和組網(wǎng)方式未達成一致，但是未來要滿足超高的網(wǎng)絡性能要求，及無人不聯(lián)、無處不聯(lián)、無事不聯(lián)、無時不聯(lián)的特點[1]，衛(wèi)星網(wǎng)絡在萬物互聯(lián)及地面基站無法覆蓋的范圍都會扮演至關重要的角色，衛(wèi)星網(wǎng)絡必然是中6G網(wǎng)絡中重要的組網(wǎng)方式之一。然而衛(wèi)星網(wǎng)絡中存在高時延、高誤碼率、吞吐量低等問題會，如何在現(xiàn)有資源的基礎上提升衛(wèi)星網(wǎng)絡的性能是各方研究的方向。

一、6G組網(wǎng)方式中的衛(wèi)星網(wǎng)絡

（一）移動通信組網(wǎng)發(fā)展歷程

1974年貝爾實驗室提出了蜂窩移動網(wǎng)概念，蜂窩移動通信的出現(xiàn)可以說是移動通信的革命，第一代移動通信信號為模擬調(diào)制，弊端非常明顯。隨著數(shù)字蜂窩語音通信系統(tǒng)的出現(xiàn)，TDMA及CDMA技術(shù)的應用，在抗干擾和多徑衰落等方面較第一代有了顯著提高。雖然2G通信技術(shù)有著很多優(yōu)點，但是隨著移動用戶數(shù)量的快速增長及對帶寬需求的不斷增加，3G和4G網(wǎng)絡在地面基站大量部署的同時，也通過微基站的靈活應用緩解網(wǎng)絡覆蓋能力不足的問題。2019年我國啟動5G網(wǎng)絡商用以來，各大運營商加快了5G基站的大規(guī)模部署。從目前的布網(wǎng)方式不難看出，為了滿足不斷提高的網(wǎng)絡帶寬、更低的傳出時延及更高的通信可靠性要求，都是通過地面基建及微基站“補盲補強”的方式。

（二）6G組網(wǎng)方式探究

隨著網(wǎng)絡用戶的不斷增加和業(yè)務要求的提高，必然會帶來基站規(guī)模的擴大和部署站點成本的增加。僅靠基站的方式難以滿足6G網(wǎng)絡中無所不在、無所不連、無所不能的天地一體化的網(wǎng)絡性能，立體組網(wǎng)方式成為必然，而衛(wèi)星通信可以實現(xiàn)陸、海、空、天的全面覆蓋是實現(xiàn)6G的重要一環(huán)[2]，在2020中國衛(wèi)星隨著我國第一顆6G試驗衛(wèi)星（星時代-12）的發(fā)射及SpaceX公司星鏈計劃的實施，衛(wèi)星網(wǎng)絡將會是6G的重要組網(wǎng)方式。隨著低軌衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展和推廣以及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的逐步應用，衛(wèi)星網(wǎng)絡模式下的6G通信將會加速實現(xiàn)。由于在5G時代仍然有80%以上的陸地和95%以上的海洋區(qū)域無法被網(wǎng)絡信號覆蓋，而這些區(qū)域在6G時代將實現(xiàn)全覆蓋，因此具有廣覆蓋、大容量和不受地理條件限制等優(yōu)點的衛(wèi)星網(wǎng)絡有望成為6G通信的重要補充[3]。其網(wǎng)絡組網(wǎng)架構(gòu)如圖所示。

圖1 6G組網(wǎng)架構(gòu)設想

二、衛(wèi)星網(wǎng)絡跨層協(xié)議技術(shù)在6G網(wǎng)絡中的應用

（一）未來6G網(wǎng)絡性能要求

在5G網(wǎng)絡時代，地面基站基本可以滿足我們對物物相連的性能要求，5G網(wǎng)絡的峰值速率能達到10-20Gbit/s,時延<1ms。6G網(wǎng)絡與5G網(wǎng)絡相比將會在大帶寬、大連接和低時延三個引用場景的指標要求有更大的提升，例如6G峰值速率會達到100-200Gbit/s,時延達到0.1ms量級[4]。6G未來的應用場景會達到全球覆蓋的要求。然而傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡協(xié)議是基于地面的協(xié)議優(yōu)化，無法滿足6G的高性能要求。

（二）衛(wèi)星網(wǎng)絡跨層協(xié)議在6G中的探索

為了滿足衛(wèi)星網(wǎng)絡高效運行，克服由于高動態(tài)、長時延、帶寬非對稱和高誤碼等特點帶來的問題，滿足快速業(yè)務QoS需求，人們提出了跨層協(xié)議設計的思想[5-6]。跨層設計的思想是利用各層之間的參數(shù)進行直接的信息交互，這樣可以全局的方式對無線資源作出更合理的分配來適應網(wǎng)絡通信的動態(tài)變化和更高的服務質(zhì)量。傳統(tǒng)的基于IP地址的衛(wèi)星協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如下圖2所示，跨層協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如下圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)衛(wèi)星協(xié)議結(jié)構(gòu)

圖3 跨層交互結(jié)構(gòu)

隨著LEO衛(wèi)星蜂窩網(wǎng)的飛速發(fā)展，通信容量及可靠性方面也有了顯著提高；但是在6G無人不聯(lián)、無處不聯(lián)、無事不聯(lián)、無時不聯(lián)的要求下，衛(wèi)星網(wǎng)絡的綜合業(yè)務會持續(xù)增多，傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡協(xié)議難以支撐6G的高性能要求?？鐚訁f(xié)議技術(shù)主要通過不同層之間參數(shù)的互相傳遞、優(yōu)化，達到全局最優(yōu)。應用層的跨層設計可以將業(yè)務QoS要求傳輸?shù)轿锢韺印⒕W(wǎng)絡層，物理層根據(jù)不同需求選擇合適調(diào)制方式，網(wǎng)絡層可根據(jù)需求進行優(yōu)先級的劃分；傳輸層跨層設計可以結(jié)合MAC層的帶寬等參數(shù)控制數(shù)據(jù)流的發(fā)送速率以防止網(wǎng)絡發(fā)生擁塞；網(wǎng)絡層跨層設計可以與物理層和應用層的參數(shù)相關聯(lián)，提高路由轉(zhuǎn)發(fā)效率；數(shù)據(jù)鏈路層可以通過物理層的信道狀態(tài)和應用層業(yè)務QoS的需求進行聯(lián)合優(yōu)化，完成數(shù)據(jù)包的調(diào)度選擇；物理層跨層設計可根據(jù)應用層的要求，自適應調(diào)整編碼策略和相應的調(diào)制方。衛(wèi)星網(wǎng)絡跨層協(xié)議技術(shù)以全局方式甚至結(jié)合6G意境概念實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的有效分配，通過各層之間的信息交互，更快滿足6G的時延要求；跨層技術(shù)可根據(jù)物理層信道環(huán)境的反饋，選擇更優(yōu)的編碼及路由路徑，進一步提高6G網(wǎng)絡的可靠性；跨層技術(shù)在衛(wèi)星網(wǎng)絡中的應用對6G網(wǎng)絡的各項指標參數(shù)提供了有效的支撐。

三、結(jié)束語

6G技術(shù)研究已經(jīng)開啟，空天地海一體化的網(wǎng)絡覆蓋將在6G時代實現(xiàn)。傳統(tǒng)的地面基站已經(jīng)無法滿足6G網(wǎng)絡萬物互聯(lián)的要求，衛(wèi)星網(wǎng)絡的組網(wǎng)方式將是實現(xiàn)6G的重要補充。如果所有衛(wèi)星重新發(fā)射布局6G網(wǎng)絡的話勢必會造成頻譜資源、空間資源等的緊缺，在有限資源節(jié)約成本的情況下，衛(wèi)星網(wǎng)絡跨層協(xié)議技術(shù)打破分層協(xié)議的明顯界限，全局優(yōu)化；為實現(xiàn)6G的各項高性能指標提供了重要的技術(shù)支撐。