高瓔園，王妮煒，陸 洲

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引 言

近些年來，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境的變化，為滿足全球不斷增長的衛(wèi)星寬帶接入需求，特別是解決農(nóng)村等邊遠地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)接入問題，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為衛(wèi)星通信與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的必然趨勢。與衛(wèi)星通信系統(tǒng)不同，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為服務(wù)對象，以統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)層為承載平臺，能夠作為互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)有效組成的可獨立工作的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

回顧衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展歷史，可以發(fā)現(xiàn)提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的衛(wèi)星星座并不是一個新興事物，已有近30年的發(fā)展歷史，只是發(fā)展緩慢，有些尚未實施、有些中途夭折、有些應(yīng)用有限。近幾年來，在谷歌、臉書等互聯(lián)網(wǎng)巨頭的推動和支持下，美國Space X、OneWeb等創(chuàng)新型企業(yè)紛紛計劃打造由低軌小衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)，積極搶占太空互聯(lián)網(wǎng)接入新資源，引發(fā)全球性發(fā)展熱潮。

論文重點分析了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的概念內(nèi)涵、發(fā)展概況、趨勢及挑戰(zhàn)，并結(jié)合我國的實際國情提出適于我國發(fā)展的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)方案及需解決的重點問題。

1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的概念內(nèi)涵

關(guān)于“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”這一新興名詞，各文獻給出了各種不同的定義：

(1)以VSAT系統(tǒng)為基礎(chǔ)、具有廣播功能、以IP為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺、以互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為服務(wù)對象，能夠成為互聯(lián)網(wǎng)的一個組成部分，并能夠獨立運行的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，它又稱為廣播互聯(lián)網(wǎng)[1]。

(2)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是基于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以IP為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺，以互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為服務(wù)對象，能夠成為互聯(lián)網(wǎng)的一個組成部分，并能夠獨立運行的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[2]。

(3)“新興衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座”，指新近發(fā)展的、能提供數(shù)據(jù)服務(wù)、實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)傳輸功能的巨型通信衛(wèi)星星座。新興衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座具有以下特點：從星座規(guī)?？?，是由成百上千顆衛(wèi)星組成的巨型星座；從星座構(gòu)成看，是由運行在低地球軌道(LEO)的小衛(wèi)星構(gòu)成；從提供的服務(wù)看，主要是寬帶的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)；從發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的企業(yè)看，主要是非傳統(tǒng)航天領(lǐng)域的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)；從項目發(fā)展的起始時間看，是在2014年底至2015年初這段時期[3]。

根據(jù)上述定義，本文認為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是面向互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，針對地面網(wǎng)絡(luò)的不足(如覆蓋受限、難以支持高速移動用戶應(yīng)用、廣播類業(yè)務(wù)占用網(wǎng)絡(luò)資源較多、易受自然災(zāi)害影響等)，利用衛(wèi)星通信覆蓋廣、容量大、不受地域影響、具備信息廣播優(yōu)勢等特點，作為地面通信的補充手段實現(xiàn)用戶接入互聯(lián)網(wǎng)，可有效解決邊遠散、海上、空中等用戶的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)問題。

2 國外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)國際電信聯(lián)盟對衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的劃分，衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)可分為固定、移動和廣播三類。從近10年的發(fā)展來看，互聯(lián)網(wǎng)和寬帶多媒體通信已成為推動衛(wèi)星通信向?qū)拵Щ⒕W(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的主要動力，傳統(tǒng)的衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)、衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)界限越來越模糊，寬帶衛(wèi)星通信已成為衛(wèi)星通信發(fā)展的主流。當前，無論是傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信公司還是新興的互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)公司均極大關(guān)注寬帶衛(wèi)星通信發(fā)展，基于不同軌道的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)或已投入運營，或正在建設(shè)，或提出方案設(shè)想，這些系統(tǒng)均全面提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，積極搶占互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入新入口。下面分別從高、中、低軌三個方面介紹國外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.1 高軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)

典型的高軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要包括早期面向企業(yè)級用戶的IPSTAR、寬帶全球區(qū)域網(wǎng)(Broadband Global Area Network)、Spaceway-3等高軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以及后期面向大眾需求快速發(fā)展起來的以ExeDe Internet為代表的一系列高通量寬帶通信衛(wèi)星。

(1)IPSTAR衛(wèi)星通信系統(tǒng)[4]

IPSTAR是2005年8月發(fā)射的當時世界上容量最大的通信衛(wèi)星，可為亞太地區(qū)22個國家和地區(qū)的用戶提供多媒體廣播、寬帶網(wǎng)接入、視頻會議等高軌寬帶業(yè)務(wù)。衛(wèi)星使用Ku/Ka混合頻段，可為亞太地區(qū)提供Ku頻段點波束(84個)、Ku頻段賦形波束(3個)、地區(qū)廣播波束(7個)以及18個Ka頻段點波束覆蓋。系統(tǒng)總帶寬45G帶寬，其中12G覆蓋中國全境。

(2)寬帶全球區(qū)域網(wǎng)(BGAN)[5]

寬帶全球區(qū)域網(wǎng)是基于Inmarsat-4衛(wèi)星的全球衛(wèi)星寬帶局域網(wǎng)，是一個支持移動業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)工作頻段在L波段，下行速率為216～432 kbps，上行速率為72～432 kbps，實現(xiàn)了從模擬向數(shù)字、從傳統(tǒng)電路交換向因特網(wǎng)業(yè)務(wù)、從窄帶話音數(shù)據(jù)向?qū)拵Ц咚贁?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。衛(wèi)星系統(tǒng)可覆蓋全球85%陸地范圍，可為移動用戶提供視頻直播、寬帶網(wǎng)絡(luò)接入等多種服務(wù)。

(3)Spaceway-3衛(wèi)星通信系統(tǒng)[6]

Spaceway-3衛(wèi)星通信系統(tǒng)是由休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司研制并運營，于2007年發(fā)射升空，是世界上首顆具有在軌切換和路由能力的衛(wèi)星。Spaceway-3通過采用Ka頻段、多波束及星上快速包交換技術(shù)，大大縮短網(wǎng)絡(luò)傳輸時延，可覆蓋美國全部和加拿大大部分地區(qū)。系統(tǒng)總通信容量10Gbps，可容納165萬個用戶終端，容量是Ku頻段通信衛(wèi)星的5～8倍。

(4)ExeDe Internet[7]

ExeDe Internet由ViaSat公司的ViaSat-1和ViaSat-2寬帶通信衛(wèi)星組成，分別發(fā)射于2011年和2017年，是目前容量最大的高軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

ViaSat-1采用Ka波段點波束技術(shù)，總?cè)萘繛?40 Gbps，下載速率為12 Mbps，可滿足200萬以上用戶的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入需求。ViaSat-2衛(wèi)星為迄今為止波音公司發(fā)射的最大衛(wèi)星，整星容量300 Gbps，覆蓋面積為ViaSat-1的7倍，可為250萬用戶提供高達25 Mbps 的寬帶服務(wù)。

另外，Viasat-3計劃于2019年發(fā)射，其由3顆衛(wèi)星組成，每顆衛(wèi)星容量1 Tbps，是ViaSat-2的3倍，3顆星全部運行后幾乎覆蓋全球。

2.2 中軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座

中軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座主要以O(shè)3b計劃[8]為代表。

O3b，即其他30億(Other 3 billion)，為解決由于地理、經(jīng)濟等因素，全球剩余30億未能接入互聯(lián)網(wǎng)人群的上網(wǎng)問題，互聯(lián)網(wǎng)巨頭谷歌公司、媒體巨頭John Malone旗下的海外有線電視運營商Liberty Global以及匯豐銀行聯(lián)合組建O3b網(wǎng)絡(luò)(O3b networks)公司。

O3b公司從2013年6月開始陸續(xù)成功部署了8顆MEO衛(wèi)星，共覆蓋7個區(qū)域，采用Ka頻段，單星吞吐量約為12 Gbps。2014年9月，8顆衛(wèi)星全面運營，提供中繼帶寬為600 Mbps、時延不超過150 ms的服務(wù)能力。2014年10月18日，最后4顆衛(wèi)星被發(fā)送入軌，形成12顆中地球軌道衛(wèi)星星座。

2.3 低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)

自20世紀90年代以來，歐美等發(fā)達國家相繼掀起了兩次低軌星座發(fā)展熱潮。上世紀九十年代初期，面向個人移動通信服務(wù)，低軌衛(wèi)星迎來第一次發(fā)展熱潮，摩托羅拉、勞拉、阿爾卡特、波音等公司相繼提出二十多種低軌星座方案，陸續(xù)建成極具代表性的Iridium(銥星)、ORBCOMM、Globalstar等低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。但是，由于市場定位不準、建設(shè)成本高昂，投入運營的Iridium、ORBCOMM、Globalstar系統(tǒng)均于2000年前后破產(chǎn)，其他項目也都相繼宣布終止。近幾年，在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、微小衛(wèi)星制造和低成本發(fā)射等技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動下，面向衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，低軌星座研究迎來規(guī)模更大、更猛烈的第二次發(fā)展熱潮，典型的低軌星座有OneWeb、Starlink等。

2.3.1傳統(tǒng)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)

(1)銥(Iridium)衛(wèi)星通信系統(tǒng)[9]

銥星系統(tǒng)是全球唯一的采用星間鏈路組網(wǎng)、全球無縫覆蓋的低軌星座系統(tǒng)。Iridium一代系統(tǒng)在1998年建成并開始商業(yè)運營，1999年宣告破產(chǎn)，后被“新銥星”公司收購。

Iridium星座軌道高度780 km，由分布于6 個軌道面的66 顆衛(wèi)星組成，用戶鏈路采用L頻段。Iridium二代通過對一代衛(wèi)星的逐步升級，如L頻段配置48波束的收發(fā)相控陣天線、用戶鏈路增加Ka頻段、配置軟件定義可再生處理載荷等方式實現(xiàn)了更高業(yè)務(wù)速率、更大傳輸容量以及更多功能。從2017年1月開始至2019年1月11日銥星二代已完成全部組網(wǎng)發(fā)射，部署后傳輸速率可達1.5 Mbps，運輸式、便攜式終端速率分別可達30 Mbps、10 Mbps。二代系統(tǒng)還具備對地成像、航空監(jiān)視、導(dǎo)航增強、氣象監(jiān)視等功能。

(2)ORBCOMM系統(tǒng)

ORBCOMM星座于1996年正式啟動面向全球的數(shù)據(jù)通信商業(yè)服務(wù)。星座系統(tǒng)由約40顆衛(wèi)星及16個地面站組成，軌道高度740～975 km，共7個軌道面。星座內(nèi)部無星間鏈路，用戶鏈路采用VHF頻段。相比于第一代系統(tǒng)，二代ORBCOMM衛(wèi)星質(zhì)量增加3倍，接入能力提升了6倍。當前擁有全球最大的天基AIS(船舶自動識別系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

(3)Globalstar系統(tǒng)

Globalstar系統(tǒng)于1999年開始商業(yè)運營。系統(tǒng)采用玫瑰星座設(shè)計(高度1400 km)，由48顆衛(wèi)星組成，用戶鏈路為L、S波段，通過無星間鏈路、彎管透明轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)計，降低建設(shè)成本。Globalstar二代系統(tǒng)進一步提高了系統(tǒng)傳輸速率，增加了互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)、ADS-B(廣播式自動相關(guān)監(jiān)視)、AIS等新業(yè)務(wù)。

2.3.2新興低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座

(1)OneWeb系統(tǒng)

OneWeb衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座由原O3b創(chuàng)始人格雷格·惠勒(Greg Wyler)創(chuàng)建的OneWeb公司提出，計劃部署近三千顆低軌衛(wèi)星，初期采用Ku頻段，后續(xù)向Ka、V頻段擴展。星座初期計劃發(fā)射720顆衛(wèi)星，軌道高度1200 km，采用設(shè)計簡單的透明轉(zhuǎn)發(fā)方式，通過地面關(guān)口站直接面向用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。OneWeb單星重量不超過150 kg，單星容量5 Gbps以上，可為配置0.36 m口徑天線的終端提供約50 Mbps的互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入服務(wù)。同時，OneWeb公司現(xiàn)已獲得美國聯(lián)邦通信委員會授權(quán)，批準其在美國提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

2018年12月13日，據(jù)悉OneWeb初期星座規(guī)模將縮減至600顆，以降低實現(xiàn)全球覆蓋成本目前OneWeb進入部署階段，2019年2月27日，已發(fā)射首批6顆衛(wèi)星。

(2)Starlink衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座

Starlink衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座由Space X公司提出。Space X計劃建設(shè)一個由近1.2萬顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群，由分布在1150 km高度的4425顆低軌星座和分布在340 km左右的7518顆甚低軌星座構(gòu)成。低軌星座選擇了Ku/Ka頻段，有利于更好地實現(xiàn)覆蓋；甚低軌星座使用V頻段，可以實現(xiàn)信號的增強和更有針對性的服務(wù)。Space X計劃讓這樣的網(wǎng)絡(luò)覆蓋地球任何地點。Space X預(yù)計該系統(tǒng)到2025年將有4000多萬用戶，營收達到300億美元。Space X在星座運營同時，更專注于衛(wèi)星制造。因此，Space X需要更大融資量，預(yù)計需要融資100～150億美元。

(3)LeoSat衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座

LeoSat衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座由LeoSat公司提出，計劃構(gòu)建由108顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，提供全球高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。星座部署在1400公里的LEO軌道上，采用6個軌道面，每個軌道面上部署18顆衛(wèi)星。LeoSat采用Ka頻段，為用戶波束提供1.6 Gbps的帶寬。LeoSat星座將會使用星間鏈路，并采用光通信。

與OneWeb和SpaceX不同，LeoSat公司主要為政府及企業(yè)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，計劃為3000余家大型企業(yè)及機構(gòu)用戶提供高速數(shù)據(jù)接入服務(wù)。

2.4 國外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座分析

由以上各系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀可見，無論是傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信公司還是新興的互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)公司均提出了很多有特色的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)來實現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已不僅僅限于中低軌道。表1從系統(tǒng)規(guī)模、系統(tǒng)容量、覆蓋范圍等多方面具體分析了高軌、低軌衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)各自的優(yōu)缺點。

表1 高低軌衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)優(yōu)缺點分析Table 1 Analysis of advantages and disadvantages of GEO and LEO satellite system

可見，高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)和低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座各有優(yōu)越性。低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座在覆蓋范圍、填補數(shù)字鴻溝、網(wǎng)絡(luò)時延、系統(tǒng)容量等方面能力優(yōu)勢明顯，用戶終端設(shè)備更易實現(xiàn)小型化、手持化。高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)頻率協(xié)調(diào)相對容易，運行壽命更長，系統(tǒng)建設(shè)及維護成本相對更低。另外，雖然低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)容量高于高軌寬帶通信衛(wèi)星，但高軌衛(wèi)星在通過點波束集中傳輸高帶寬容量方面更具優(yōu)勢(例如為區(qū)域用戶提供高清球賽直播等服務(wù)方面)。因此，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的建設(shè)需統(tǒng)籌高低軌系統(tǒng)優(yōu)越性，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

3 國外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢

3.1 由傳統(tǒng)高軌星座向中低軌星座發(fā)展

由于中低軌星座具有用戶多樣性、用戶容量大、傳輸時延短、終端設(shè)備小、發(fā)射功率低等特點，新興的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座普遍傾向于采用中低軌道。例如，OneWeb軌道高度1200 km，Starlink星座軌道高度從1150 km高度到340 km。但為了全球覆蓋，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座往往系統(tǒng)規(guī)模龐大，例如OneWeb預(yù)計發(fā)射720顆，Starlink衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座預(yù)計發(fā)射1.2萬多顆。值得思考的是，星座向中低軌道發(fā)展將付出巨大的代價——系統(tǒng)的復(fù)雜化和規(guī)模龐大化。

3.2 與地面通信網(wǎng)絡(luò)合作發(fā)展

吸取早期銥星系統(tǒng)破產(chǎn)的經(jīng)驗，近幾年發(fā)展的全新衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座采取了與地面網(wǎng)絡(luò)合作發(fā)展的理念，將電信運營商作為客戶，主要著眼于光纖無法覆蓋地區(qū)，成為地面通信手段的擴展。新一代GEO系統(tǒng)采用輔助地面組件技術(shù)，通過設(shè)置天地統(tǒng)一的空中接口和工作頻段，用戶終端可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，實現(xiàn)在天地網(wǎng)絡(luò)之間的無縫切換。

3.3 全新投融資、市場經(jīng)營模式

新興衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的部署、運營和服務(wù)逐漸采用資本合作的方式來完成。例如，OneWeb采用全新的融資模式，首輪融資5億，投資的公司包括軟銀集團、空中客車、巴帝企業(yè)、高通、可口可樂、維京集團等非衛(wèi)星制造公司，第二輪融資12億美元，由日本軟銀集團領(lǐng)投。Starlink衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座采用來自谷歌和富達投資公司10億美元的投資。同時，也將個人消費者作為目標用戶，不出售專用衛(wèi)星終端設(shè)備，而繼續(xù)采用現(xiàn)有智能手機訪問網(wǎng)絡(luò)。

3.4 建造衛(wèi)星制造工廠，批量制造

分析銥星等系統(tǒng)的破產(chǎn)原因，星座投入成本過高、研制周期過長，用戶負擔過高，將極有可能導(dǎo)致星座建設(shè)錯過發(fā)展最佳時機。為此，通過采用新技術(shù)，增加商用工業(yè)級器件比例以降低衛(wèi)星成本、將衛(wèi)星系統(tǒng)模組化以縮短衛(wèi)星制造周期是現(xiàn)代星座批量生產(chǎn)衛(wèi)星的新趨勢。例如OneWeb引用汽車制造的概念，將衛(wèi)星各系統(tǒng)模組化，工廠每周能生產(chǎn)16顆衛(wèi)星，一年可完成648顆衛(wèi)星。

4 我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案構(gòu)想

4.1 我國發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的必要性

新時期，我國經(jīng)濟、政治、文化、社會等領(lǐng)域利益逐漸向海外拓展，隨之而來，我國對全球?qū)崟r無縫信息保障的需求大大增長。面向當前世界低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的發(fā)展熱潮，我國也亟需把握時機，搶占資源，建設(shè)自主可控、全球覆蓋的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座。然而，我國建設(shè)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座存在以下兩方面限制。一方面是對全球建站的限制。低軌星座實現(xiàn)全球覆蓋的主要方式是通過地面布站方式，然而由于我國國情限制，我國無法使用全球地面布站方式來實現(xiàn)衛(wèi)星通信的全球服務(wù)。另一方面是頻率軌位資源限制。目前國際上頻率軌位資源稀缺，低軌頻率資源更是被瓜分殆盡，我國頻率資源積累不足，在國際上處于劣勢地位，難以保障低軌星座互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，嚴重約束我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。

因此，從我國實際情況出發(fā)，建設(shè)純低軌的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座并不現(xiàn)實，可考慮通過高低軌星間鏈空間組網(wǎng)的方式突破全球地面布站限制和頻率資源匱乏限制，充分利用高軌衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)越性，打破政治地緣限制，確保衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)安全可靠，同時為用戶提供更優(yōu)質(zhì)服務(wù)體驗。

4.2 我國發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)方案設(shè)想

基于以上原因，本文提出如圖1所示的高低軌結(jié)合的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)方案。在該方案中，低軌星座只存在同軌鏈路，沒有異軌鏈路，不同軌道面通過高軌衛(wèi)星中轉(zhuǎn)。相較于純低軌方案(包含異軌星間鏈路)，本方案的組網(wǎng)架構(gòu)時延雖然可能稍長，但可以克服由于異軌星間鏈路方位俯仰變化大而導(dǎo)致的鏈路維持困難、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定度低等缺陷，可以在減少網(wǎng)絡(luò)總鏈路數(shù)的同時提高網(wǎng)絡(luò)連通性和服務(wù)質(zhì)量。此外，在低軌衛(wèi)星數(shù)目相同的情況下，雖然單條高低軌星間鏈成本高于異軌星間鏈，但由于純低軌方案(包含異軌星間鏈路)需配置異軌星間鏈數(shù)目巨大，其總成本遠高于本方案，本方案更具優(yōu)勢。

圖1 高低軌結(jié)合的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)方案

具體地，所提出方案的物理架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及組網(wǎng)服務(wù)方案設(shè)計如下。

物理架構(gòu)方面：采用GEO+復(fù)合型LEO星座的物理架構(gòu)，其中，GEO衛(wèi)星的主要功能是骨干傳輸、大型節(jié)點接入服務(wù)、業(yè)務(wù)分配、運行管理以及作為低軌各星間的中繼節(jié)點。低軌星座采用不同類軌道高度、傾角、升交點赤經(jīng)衛(wèi)星組成的復(fù)合型軌道星座，具體如圖2所示。相較于單一型軌道星座，復(fù)合型軌道星座所形成的全球覆蓋方案更加靈活，覆蓋特性更加多樣。同時，復(fù)合型軌道星座可根據(jù)服務(wù)需求和覆蓋區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)量在不同類型軌道衛(wèi)星之間動態(tài)分配業(yè)務(wù)。

圖2 復(fù)合型低軌星座

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面：由面向用戶中心、面向數(shù)據(jù)中心、面向信息交換的三個服務(wù)網(wǎng)絡(luò)以及面向云化網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)平面組成。改變過去天基網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)調(diào)及配置困難、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃響應(yīng)時間過長，長期作為一種專網(wǎng)存在的局面，使網(wǎng)絡(luò)成為可配置的服務(wù)資源，用戶可按需獲取網(wǎng)絡(luò)資源，自行管理專屬分配的虛擬網(wǎng)絡(luò)資源，獲取所需服務(wù)。

組網(wǎng)服務(wù)方面：具備全球全網(wǎng)全程資源按需獲取、自動部署和智能調(diào)優(yōu)的能力，全面支持SDN/NFV/MEC的業(yè)務(wù)動態(tài)編排和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可以將傳送網(wǎng)、接入網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和用戶網(wǎng)絡(luò)端到端的協(xié)同起來，從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)拓撲、信道帶寬、傳輸質(zhì)量、時延需求的敏捷按需響應(yīng)，保障用戶體驗。

4.3 我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座需解決的關(guān)鍵問題

為實現(xiàn)所提出的高低軌組網(wǎng)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)方案必須解決如下若干關(guān)鍵問題：

(1)高低軌網(wǎng)絡(luò)協(xié)同組網(wǎng)問題

針對高軌、低軌衛(wèi)星混合星座系統(tǒng)，結(jié)合地面用戶接入及天地信息網(wǎng)絡(luò)融合需求，需開展高低軌物理層協(xié)同問題研究，適應(yīng)于大規(guī)模、高延遲、高動態(tài)變化的空間立體化路由協(xié)議技術(shù)研究，并解決彈性組網(wǎng)問題，以彌補天基網(wǎng)絡(luò)固有的脆弱性，提高整個網(wǎng)絡(luò)全時全域的連通性。

(2)移動性管理問題

針對所構(gòu)建的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座節(jié)點特別是低軌星座節(jié)點高動態(tài)運動、面向用戶的多星多波束頻繁切換等特點，需重點開展基于身份與位置分離的移動性管理、多波束無感快速切換、自適應(yīng)鏈路速率變化、網(wǎng)絡(luò)資源快速調(diào)度和控制等關(guān)鍵技術(shù)研究，有效降低網(wǎng)間移動切換時的切換時延、信息丟失等業(yè)務(wù)損傷，提高網(wǎng)絡(luò)移動性管理效能和服務(wù)質(zhì)量。

(3)與地面網(wǎng)絡(luò)融合問題

面向衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面互聯(lián)網(wǎng)的融合需求，需重點開展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與未來互聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)協(xié)議軟件定義互聯(lián)設(shè)計、基于多維網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化的網(wǎng)絡(luò)切片、應(yīng)用驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)控制，按需網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)研究，實現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與地面互聯(lián)網(wǎng)高效可靠的互聯(lián)互通。

(4)網(wǎng)絡(luò)安全問題

針對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境廣域開放、鏈路間歇連通和資源不均且受限等特點，需重點研究具有擴展和演進能力的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全保障體系，研究適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)威脅時空變化和多樣化任務(wù)需要的網(wǎng)絡(luò)安全保障模型和交互控制機制，安全策略的動態(tài)響應(yīng)、主動適變、無縫遷移和抗毀容錯機制等，為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的安全可靠運行提供體系化安全保障。

另外，在衛(wèi)星發(fā)射制造、運營管理方面，可以借鑒國外衛(wèi)星批量生產(chǎn)、先進的投融資理念等，以縮小衛(wèi)星研制周期、降低運營成本，并考慮將地面運營商、企業(yè)、個人等納入目標用戶，與地面網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、互補發(fā)展。

5 結(jié) 語

隨著多媒體業(yè)務(wù)和因特網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的迅速增長，各國均開始更多地關(guān)注衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在當前全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)熱潮的形勢下，基于我國在航天工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)，我國應(yīng)積極搶占這一巨大市場，牢牢把握我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)走向全球服務(wù)的歷史發(fā)展機遇。