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宽带卫星通信网络技术发展态势与发展建议

发布时间:2022-08-27 21:38:12 |来源:乐虎娱乐官方网站 作者:乐虎体育在线登录

  宽带卫星通信是卫星通信系统的重要分支,一般定义其属于固定卫星通信范畴。宽带通信往往与互联网应用密切结合,这类系统也多被形象地称为卫星互联网。宽带卫星通信已经是当前卫星通信产业最活跃的领域,也是通信卫星商业市场的最大增长点。

  以高通量卫星为代表的高轨卫星通信网络正在广泛部署和应用,其主要利用Ku、Ka和Q/V等频段提供先进的宽带网络接入服务能力。从21世纪初的SpaceWay 3和iPSTAR卫星系统,到最新一代的Jupiter-2和Viasat-2卫星系统,网络容量从数十Gbps提高至数百Gbps。这类卫星的典型特点是普遍采用高增益的多点波束实现对地覆盖,利用透明转发方式建立用户与地面信关站的双向宽带连接。点波束的高增益有效提高接入速率(数Mbps至数百Mbps),多波束间的频率复用进一步扩展卫星容量。相比传统固定通信卫星,高轨高通量卫星呈现大网络接入带宽和低单位带宽成本的特征,获得各卫星运营商的青睐并逐步替代或扩展传统固定通信卫星业务。一是利用数字透明转发(Digital Transparent Processor, DTP)技术,提供灵活的通信铰链,实现传统C和Ku频段的固定通信卫星(Fixed Satellite Service, FSS)系统业务向Ku和Ka频段的宽带高通量卫星系统迁移;二是不断拓展航空、航海等领域市场,替代或补充传统L频段和固定通信卫星的服务,实现移动平台接入的宽带化。欧洲咨询公司(Euroconsult)预测,未来高通量卫星市场增长点将集中在宽带互联网接入,商业航线、石油作业现场的移动通信,云服务,智慧控制和无人机应用等诸多方向。

  2017年中国首颗高轨道高通量卫星——“中星16号”成功发射,填补了宽带通信卫星空白,开启中国卫星通信高通量时代。基于该卫星提供的宽带能力,2020年首次在青岛航空飞机实现卫星互联网接入验证。同年,中国第2颗高轨道高通量卫星——亚太6D卫星成功发射。亚太6D卫星配置90个用户波束,单星容量达50 Gbps,实现高通量卫星向第2代发展。该卫星将宽带网络覆盖面从国土扩展至南太平洋,已经为数千艘(架)船舶与飞机提供宽带网络服务,实测峰值速率超过320 Mbps。

  参照欧洲咨询公司在2020年世界卫星商业周上对高轨道高通量卫星的阶段定义,国内外同类系统的对比如表1所示。

  在低轨道宽带卫星通信网络方面,20世纪90年代出现以Skybridge和Teledesic为代表的宽带通信卫星星座的概念。但受限于当时技术和经济条件,并未真正付诸实施。近年来,以低轨道巨型卫星星座为特征的低轨道宽带卫星网络系统再次呈现蓬勃发展的态势,Starlink、Oneweb、Lightspeed等低轨道巨型星座的出现为太空网络提供全新的选项,通过数百乃至数千颗卫星提供全球范围的低时延宽带接入。截止到2022年2月4日,美国SpaceX公司已经在轨1920颗Starlink卫星,在北美、英国等10余个国家和地区提供通信服务,可提供高达50~500 Mbps的通信速率和低至20~40 ms的网络时延。加拿大电信卫星公司(Telesat)已选择欧洲泰雷兹阿莱尼亚宇航公司为总承包商,建设星间激光链路组网的Lightspeed星座系统。相比高轨高通量卫星系统,新一代低轨道宽带卫星星座广泛采用相控阵点波束实现对地覆盖,其系统特征是多星地连接、高容量密度和低网络时延。

  以高低轨道宽带卫星通信系统的发展为基础,多轨道协同卫星宽带网络进一步改变卫星通信运营商竞争格局,实现太空资产的组合应用和多轨道高效协同增益。全球第一大高轨通信卫星运营商SES公司同时运营着庞大的O3b中轨道通信卫星星座系统,并即将于2022年完成O3b mPOWER新一代中轨道卫星网络首批6颗卫星的部署。Telesat公司在其已有的高轨道卫星通信系统基础上,通过部署低轨道Lightspeed系统进一步增强面向网络运营商、互联网服务提供商和政府的服务,单波束覆盖区域容量增至20 Gbps,同时支持用户终端在高轨卫星和低轨系统之间的无缝切换。

  灵活载荷技术是第3代宽带通信卫星的典型技术特征。为提高卫星频率和功率灵活性,适应未来市场卫星容量灵活调配需求,多端口放大器(Multi-Port Amplifier, MPA)技术、频率和极化可调射频技术、跳波束技术正在被更多宽带通信卫星采用。2021年7月,欧洲量子通信卫星发射成功,其携带先进的相控阵天线和星上处理载荷,预期可以实现在轨可重构覆盖能力和灵活通信铰链。Starlink、Lightspeed等低轨道宽带通信网络也普遍采用相控阵天线,利用基于叠层封装(Package on Package, PoP)或相关技术的新型瓦片式相控阵天线,实现灵活的对地覆盖。与宽带化伴随发展的是支持空间网络化的星间激光链路技术。在经历20余年的技术验证后,星间激光通信技术已经处于实用化前期阶段。欧洲数据中继卫星系统(European Data Relay System, EDRS)的激光通信载荷可提供高达1.8 Gbps的通信速率,已经为哨兵系列光学和微波遥感卫星提供数以万次的数据中继服务。Lightspeed和Starlink V1.5低轨宽带卫星计划或已经采用激光星间链路实现空间组网。当前小型化激光终端已可将重量降至20 kg量级。美国国防部高级研究计划局(DARPA)正在支持开展以“100 Gbps速率、100千美元成本、100 W功耗”为目标的先进空间激光通信终端。

  在中国,宽带多端口放大器和关口站在轨灵活切换技术已在亚太6D卫星上应用。2020年底中国发射部署的“实践二十号”卫星在轨验证了Q/V频段转发器、宽带柔性转发等一系列第3代宽带通信卫星有效载荷新技术。鹏城实验室利用“实践二十号”卫星建立了Q/V频段星地传播特性采集与试验系统,修正Q/V频段大气吸收和雨衰模型,验证Q/V频段星地自适应传输技术,为更高卫星通信频段的开发与商业应用积累数据。面向空间组网应用,中国北斗三号卫星已经实现了星座星间链路组网,具备初步的空间互联特征。表2为国内外宽带通信有效载荷技术对比。

  通信卫星的研制理念与制造方式正在发生变化。为满足宽带卫星运营商服务快速部署的需求,先进宇航公司推出了基于全新设计理念的卫星平台,如空中客车防务及航天公司OneSat平台采用“面向制造”的设计理念。这类平台或卫星强调标准、模块化和在轨可定义,卫星交付时间压缩到18个月,可以用更低的综合成本为卫星运营商提供容量的快速部署。同时,为适应低轨巨型星座批量生产和成本控制的需求,面向单星的小规模定制化卫星制造模式正转变为面向星座的大规模批量化模式,智能制造技术的应用助力卫星制造由“艺术品”向“工业品”的转变。Airbus、TAS和SpaceX等已先后建成形式各异的卫星生产线颗低轨卫星(以Starlink为例)能力。

  当前主流宽带卫星通信体制以卫讯(Viasat)的Surfbeam 2和欧洲电信标准化协会(ETSI)的数字视频广播(Digital Video Broadcasting, DVB)卫星第二代扩展标准DVB-SZX、第二代双向交互式数字视频广播标准DVB-RCS2为代表。这类体制主要以下行时分复用(Time-Division Multiplexing, TDM)、上行多频时分多址(Multi-Frequency Time-Division Multiple Access, MF-TDMA)波形为基础,广泛应用于高轨宽带通信卫星系统。部分低轨星座系统,如Lightspeed也采用基于DVB的通信体制,实现高轨道和低轨道卫星终端的兼容性。Satixfy为Lightspeed系统提供了地面站调制解调器产品,其基于DVB-S2X体制的高性能芯片Sx3099可以提供高达1.6 Hz的基带处理能力。另一方面,3GPP正在推动非地面网络(Non-Terrestrial Networks, NTN)项目研究,定义8个增强移动宽带(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)场景并提出面向非地面网络的宽带卫星通信网络技术方案。预计在2022年冻结R17版本将完成面向透明转发卫星部分的标准化工作。

  中国在轨宽带通信卫星同样采用了与国际类似的宽带通信体制,引进Viasat、iDirect及Gilat的多种解决方案。国内航天恒星科技有限公司等推出以Anovo品牌为代表的甚小口径卫星终端站(Very Small Aperture Terminal, VAST)卫星通信系统解决方案,已在部分卫星系统获得应用。国内也有研究机构与企业开展5G体制下的高轨卫星和低轨卫星接入试验,初步在轨验证了5G波形在卫星应用的合理性和可行性。

  从宽带卫星网络发展总体情况看,中国已经形成体系相对完整的高轨道宽带卫星通信系统研制能力并付诸商业化运营,低轨道宽带卫星系统尚处于试验验证阶段。相比国际同类系统的技术发展与商业应用,中国在部分技术方面需要进一步给予加强,主要包括以下3个方面。

  (1)先进有效载荷方面,灵活载荷技术,如数字透明转发器技术方面在国际商业宽带通信卫星市场竞争力不足。

  (2)通信网络体制方面,主要基于欧洲标准化的DVB系列技术体制或类似体制,相应产品多采用国际商业卫星解决方案,国内产品需要加快部署和技术迭代。

  (3)技术应用方面,面向高轨道和低轨道宽带卫星网络的技术验证较多,亟需商业卫星市场的牵引,加速应用与运营。

  卫星通信宽带网络化发展、天地通信手段的深度融合,是业界对卫星通信发展的重要共识。预期到2030年,宽带卫星通信网络将全面链接陆海空天、延伸至地月空间。地面和太空用户随遇无感接入智能至简的宽带网络,跨轨道自适应混合组网,形成与地面平行又业务高度耦合的信息高速公路。用户密度达到全球数百万个实时高速连接和10亿个低速连接,可获得网络连接通信速率提升1个数量级。网络与智能结合支撑服务于人和服务于物的全业务多场景承载,智能化水平的提升满足空间信息的在线实时处理与响应,最终形成“卫星网络即服务”的跨域多维、信息融合的宽带卫星网络体系。

  面向上述愿景,网络技术发展的范式将进一步变化,主要体现在:①“地为天用,技术融合”,提升卫星网络效能;②从“通信”向“网络+智能”转变的卫星网络服务。

  卫星与地面移动通信融合是产业界历经探索与实践逐步确立的技术发展方向。早在2000年前后,欧洲电信标准化协会制定了基于2G/3G技术的地球同步轨道移动无线接口(GEO Mobile Radio, GMR)系列标准,并获得瑟拉亚(Thuraya)等移动通信卫星系统应用。近年3GPP正在开展5G非地面网络(Non-Terrestrial Networks, NTN)的标准制定,其全球参与者已超过70余家,包括电信运营商、卫星公司以及半导体器件和解决方案供应商等。2021年IMT-2030(6G)推进组发布《6G网络架构愿景与关键技术展望》白皮书,认为6G时代天基、空基等网络将与地基网络深度融合组成一张空天地一体化网络。

  卫星与地面移动通信融合是宽带卫星网络全球化发展的重大机遇。以5G技术应用于卫星网络为例,可以从两个视角看待。

  以5G技术为基础的宽带卫星网络技术体制是对宽带卫星网络的全新定义。陈山枝认为存在两个阶段:一是与5G兼容,利用和分享5G的规模经济与技术;二是到6G融合,实现地面与高轨道卫星、中轨道卫星、低轨道卫星的有机融合。华为6G白皮书认为,伴随众多低轨道卫星或超低轨道卫星应用于非地面网络,大型低轨道卫星星座极有可能成为6G的重要组成部分。

  将5G的相关技术引进到宽带卫星通信网络,可以将5G特性贯穿网络架构、空中接口、运行管理等各级要素,实现对5G网络特性以及卓越性能的最大化继承。5G网络架构的可编程特点有利于随不同应用需求灵活调整宽带卫星网络架构。采用基于循环前缀的正交频分复用(Cyclic Prefix Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, CP-OFDM)作为空中接口波形,其频谱效率高于传统卫星通信采用的频分复用时分多址体制。核心网支持用户平面功能(User Plane Function, UPF)等网元功能按需配置,可提高卫星落地部署的灵活性和可扩展性。无线接入网共享等技术的应用,实现在单一物理网络上部署多个逻辑网络。网络切片技术、安全技术的融合实现资源共享下的最大化安全隔离。

  目前在轨卫星宽带通信体制多为定制化的私有体制,缺少开放性。各自卫星终端仅能在本系统中应用,并且受限于国家、地域等因素,不具备全球化合作和发展的基础。而地面移动通信系统具备天然的全球化属性。一方面,5G系统具备内生的对外部网络的开放性以及对网络技术的前向、后向兼容性。宽带卫星网络可随5G网络一同演进,在保持技术先进性的同时降低技术更替成本,从而为长远发展奠定坚实的基础。另一方面,可以大量继承地面移动通信的技术基础,获得广泛的潜在半导体器件、组件和解决方案供应商支持,有效降低系统建设维护成本,增强产业活力。

  以低轨道巨型星座和混合网络架构为特征的卫星网络呈现快速发展趋势,正在实现从“天星地网”向“天基组网”的演进。传统天基网络技术已基本成熟,包括国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)、时延容忍网络(Delay Tolerant Network, DTN)在内的传统空间网络体制协议均已完成标准化。同时,地面网络技术向太空网络的辐射和带动作用日益凸显。学术界正在探索软件定义网络(Software Defined Network, SDN)、信息中心网络(Information Centric Networking, ICN)等新兴网络技术在巨型星座组网中的应用,以提供更为便捷的复杂网络管理和多业务承载。

  智能所带来的赋能效果,源于卫星宽带通信网络的复杂化与泛在性,也在于从网络到信息再到智能的结合。从美国太空发展局的规划中可以看到智能、信息和网络结合的优势所在。其定义的跟踪层(Tracking Layer)将接入到传输层(Transport Layer),在战斗管理层(Battle Management Layer)的支持下,利用网络能力实现新质作战能力的生成。为支持这一能力的实现,DARPA在Blackjack项目中的成果也被纳入美国国防太空架构(National Deferse Space Architectture, NDSA)的范畴,即通过被称之为PitBoss的产品,实现空间智能处理在轨应用与任务自主调度,支持先进战场管理等技术验证。

  一是智能化的天基网络。体现在支持网络的随遇接入、跨域互联、高度网络鲁棒,以及面向业务的自主优化,大幅降低复杂天基网络使用和管理的复杂度,并可以通过对业务的感知,提供满足特定业务需求的服务。简而言之,天基网络智能化体现在①网络服务智能:识别业务类型,推断用户意图,随时调整天基网络资源,满足信息传输需求;②网络运维智能:利用天基网络的可预测性,优化能源及带宽使用,实现网络自动部署与故障快速恢复。

  二是智能化的天基信息处理。结合天基信息数据的特点,发掘感知数据时间和空间相关性特点,利用智能化手段产生用户需要的情报或态势,并将结果实时反馈给网络,调整资源以期产生更有价值的数据。当前亚马逊和微软都在利用其卫星地面站和云服务设施,为卫星网络运营商提供信息云服务,包括对海量对地观测数据的实时处理等。

  当前宽带卫星通信网络的技术发展与未来的愿景还有差距,在空间网络理论、智能化技术、组网技术等方面尚有短板,卫星及载荷技术的差距也制约了网络与智能新技术应用。因此,建议未来重点关注以下几个技术方向。

  (1)灵活甚高通量网络化卫星技术。采用多点波束和频率复用技术的高通量卫星正在推动宽带卫星网络行业变革,Tbps量级的甚高通量通信卫星是未来空间网络化发展的重要基础。突破①Q/V/W频段、太赫兹频段卫星工程化应用技术;②灵活甚高通量卫星通信系统架构与资源管理技术;③高承载比高效益卫星平台技术;④宽带灵活载荷技术。

  (2)高性能低功耗星载池化处理技术。适应未来天基网络与信息服务宽带化、多元化、分布式协同需求,提升卫星的在轨再生处理、感知认知与协同能力。突破①星载智能异构计算平台技术;②星载高容错自冗余处理交换载荷架构与池化处理技术。

  (3)甚高速率小型化星间激光通信技术。未来天基组网要求更高通信速率、更小星载终端规模和更低的终端成本,需要全新的在轨光处理、交换和激光终端实现技术。突破①100 Gbps量级小型化星间激光终端技术;②星载抗辐照长寿命光器件技术;③高动态星间星地激光链路捕获与跟踪技术。

  (4)自组织全业务承载空间智能网络理论与技术。基于高动态软件定义网络技术实现柔性自组织全业务承载,构建具有跨网异构互联、实时互操作特性的空间智能网络。突破①弹性异构多域混合空间网络架构与智能组网协同理论;②面向大规模星座的高动态智能组网与路由技术;③基于意图洞察的跨域自组织智能网络技术。

  空间网络是太空竞争焦点,将引领信息、经济、社会、军事广泛变革,需要超前布局,为争取和持续保持中国在信息网络领域的技术优势提供科技支撑。结合宽带卫星通信网络发展,提出以下建议。

  (1)制定宽带卫星通信网络长远规划,建成技术先进、全域覆盖、高效运行的国家空间基础设施,形成未来空间网络的骨干架构。中国卫星网络的技术路线选取要与用户群体密切结合,形成与之适配的解决方案。结合中国国情,相比Oneweb和Starlink的B2C(Business to Consumer)服务模式,面向以行业或企业用户优先的B2B(Business to Business)服务模式更具价值,可实现高质量的网络接入与骨干互联服务能力。

  (2)商业化推进天基信息网络、未来互联网和移动通信网络的深度融合,形成覆盖全球、太空延拓的一体化信息网络。推动地面产业链进入宇航领域,探索将智能、信息和网络技术更高效应用于宽带卫星通信网络发展的模式与科技发展范式。加强试验对应用的带动作用,建立支持技术创新与验证的网络试验床,面向太空和地面科学活动及重大行动进行空间网络示范验证。

  (3)加强制约宽带卫星网络技术发展的高端星载处理器件、操作系统的攻关支持,包括宇航级大规模现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Arrays, FPGA)、新一代高性能处理器等,实现核心元器件、软件的自主可控,为宽带卫星新型网络技术体制上天奠定坚实的物理基础。

  宽带卫星通信网络是卫星通信快速发展的缩影。可以预见,在未来10年,以宽带卫星通信网络为代表的太空基础设施将成为国际航天大国竞相角逐的新战场。中国持续保持信息网络领域优势,引领全球信息网络技术与太空技术创新,需要系统谋划,综合考虑。

  本文转载自“ 前瞻科技杂志 ”,文:陈东, 仲小清, 等,原标题《综述与述评 陈东:宽带卫星通信网络技术发展态势与发展建议》。

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