卫星互联网星座发展研究与方案构想

2019-12-23高璎园王妮炜

中国电子科学研究院学报 2019年8期

高璎园，王妮炜，陆洲

(中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引言

近些年来，随着卫星通信技术发展以及互联网应用环境的变化，为满足全球不断增长的卫星宽带接入需求，特别是解决农村等边远地区的互联网接入问题，卫星互联网成为卫星通信与互联网结合的必然趋势。与卫星通信系统不同，卫星互联网是以互联网应用为服务对象，以统一的网络层为承载平台，能够作为互联网系统有效组成的可独立工作的网络系统。

回顾卫星互联网发展历史，可以发现提供互联网服务的卫星星座并不是一个新兴事物，已有近30年的发展历史，只是发展缓慢，有些尚未实施、有些中途夭折、有些应用有限。近几年来，在谷歌、脸书等互联网巨头的推动和支持下，美国Space X、OneWeb等创新型企业纷纷计划打造由低轨小卫星组成的星座系统，积极抢占太空互联网接入新资源，引发全球性发展热潮。

论文重点分析了卫星互联网的概念内涵、发展概况、趋势及挑战，并结合我国的实际国情提出适于我国发展的卫星互联网的建设方案及需解决的重点问题。

1 卫星互联网的概念内涵

关于“卫星互联网”这一新兴名词，各文献给出了各种不同的定义：

(1)以VSAT系统为基础、具有广播功能、以IP为网络服务平台、以互联网应用为服务对象，能够成为互联网的一个组成部分，并能够独立运行的网络系统为卫星互联网，它又称为广播互联网[1]。

(2)卫星互联网是基于卫星通信系统，以IP为网络服务平台，以互联网应用为服务对象，能够成为互联网的一个组成部分，并能够独立运行的网络系统[2]。

(3)“新兴卫星互联网星座”，指新近发展的、能提供数据服务、实现互联网传输功能的巨型通信卫星星座。新兴卫星互联网星座具有以下特点：从星座规模看，是由成百上千颗卫星组成的巨型星座；从星座构成看，是由运行在低地球轨道(LEO)的小卫星构成；从提供的服务看，主要是宽带的互联网接入服务；从发展卫星互联网星座的企业看，主要是非传统航天领域的互联网企业；从项目发展的起始时间看，是在2014年底至2015年初这段时期[3]。

根据上述定义，本文认为卫星互联网是面向互联网的蓬勃发展，针对地面网络的不足(如覆盖受限、难以支持高速移动用户应用、广播类业务占用网络资源较多、易受自然灾害影响等)，利用卫星通信覆盖广、容量大、不受地域影响、具备信息广播优势等特点，作为地面通信的补充手段实现用户接入互联网，可有效解决边远散、海上、空中等用户的互联网服务问题。

2 国外卫星互联网发展现状

根据国际电信联盟对卫星通信业务的划分，卫星通信业务可分为固定、移动和广播三类。从近10年的发展来看，互联网和宽带多媒体通信已成为推动卫星通信向宽带化、网络化发展的主要动力，传统的卫星固定业务、卫星移动业务界限越来越模糊，宽带卫星通信已成为卫星通信发展的主流。当前，无论是传统的卫星通信公司还是新兴的互联网商业公司均极大关注宽带卫星通信发展，基于不同轨道的宽带卫星通信系统或已投入运营，或正在建设，或提出方案设想，这些系统均全面提供卫星互联网接入服务，积极抢占互联网宽带接入新入口。下面分别从高、中、低轨三个方面介绍国外卫星互联网的发展现状。

2.1 高轨宽带卫星通信系统

典型的高轨宽带卫星通信系统主要包括早期面向企业级用户的IPSTAR、宽带全球区域网(Broadband Global Area Network)、Spaceway-3等高轨宽带卫星通信系统，以及后期面向大众需求快速发展起来的以ExeDe Internet为代表的一系列高通量宽带通信卫星。

(1)IPSTAR卫星通信系统[4]

IPSTAR是2005年8月发射的当时世界上容量最大的通信卫星，可为亚太地区22个国家和地区的用户提供多媒体广播、宽带网接入、视频会议等高轨宽带业务。卫星使用Ku/Ka混合频段，可为亚太地区提供Ku频段点波束(84个)、Ku频段赋形波束(3个)、地区广播波束(7个)以及18个Ka频段点波束覆盖。系统总带宽45G带宽，其中12G覆盖中国全境。

(2)宽带全球区域网(BGAN)[5]

宽带全球区域网是基于Inmarsat-4卫星的全球卫星宽带局域网，是一个支持移动业务的卫星通信网络。系统工作频段在L波段，下行速率为216～432 kbps，上行速率为72～432 kbps，实现了从模拟向数字、从传统电路交换向因特网业务、从窄带话音数据向宽带高速数据的转化。卫星系统可覆盖全球85%陆地范围，可为移动用户提供视频直播、宽带网络接入等多种服务。

(3)Spaceway-3卫星通信系统[6]

Spaceway-3卫星通信系统是由休斯网络系统公司研制并运营，于2007年发射升空，是世界上首颗具有在轨切换和路由能力的卫星。Spaceway-3通过采用Ka频段、多波束及星上快速包交换技术，大大缩短网络传输时延，可覆盖美国全部和加拿大大部分地区。系统总通信容量10Gbps，可容纳165万个用户终端，容量是Ku频段通信卫星的5～8倍。

(4)ExeDe Internet[7]

ExeDe Internet由ViaSat公司的ViaSat-1和ViaSat-2宽带通信卫星组成，分别发射于2011年和2017年，是目前容量最大的高轨宽带卫星通信系统。

ViaSat-1采用Ka波段点波束技术，总容量为140 Gbps，下载速率为12 Mbps，可满足200万以上用户的卫星互联网接入需求。ViaSat-2卫星为迄今为止波音公司发射的最大卫星，整星容量300 Gbps，覆盖面积为ViaSat-1的7倍，可为250万用户提供高达25 Mbps 的宽带服务。

另外，Viasat-3计划于2019年发射，其由3颗卫星组成，每颗卫星容量1 Tbps，是ViaSat-2的3倍，3颗星全部运行后几乎覆盖全球。

2.2 中轨卫星互联网星座

中轨卫星互联网星座主要以O3b计划[8]为代表。

O3b，即其他30亿(Other 3 billion)，为解决由于地理、经济等因素，全球剩余30亿未能接入互联网人群的上网问题，互联网巨头谷歌公司、媒体巨头John Malone旗下的海外有线电视运营商Liberty Global以及汇丰银行联合组建O3b网络(O3b networks)公司。

O3b公司从2013年6月开始陆续成功部署了8颗MEO卫星，共覆盖7个区域，采用Ka频段，单星吞吐量约为12 Gbps。2014年9月，8颗卫星全面运营，提供中继带宽为600 Mbps、时延不超过150 ms的服务能力。2014年10月18日，最后4颗卫星被发送入轨，形成12颗中地球轨道卫星星座。

2.3 低轨卫星通信系统

自20世纪90年代以来，欧美等发达国家相继掀起了两次低轨星座发展热潮。上世纪九十年代初期，面向个人移动通信服务，低轨卫星迎来第一次发展热潮，摩托罗拉、劳拉、阿尔卡特、波音等公司相继提出二十多种低轨星座方案，陆续建成极具代表性的Iridium(铱星)、ORBCOMM、Globalstar等低轨卫星通信系统。但是，由于市场定位不准、建设成本高昂，投入运营的Iridium、ORBCOMM、Globalstar系统均于2000年前后破产，其他项目也都相继宣布终止。近几年，在互联网应用、微小卫星制造和低成本发射等技术发展的驱动下，面向卫星互联网接入服务，低轨星座研究迎来规模更大、更猛烈的第二次发展热潮，典型的低轨星座有OneWeb、Starlink等。

2.3.1传统低轨卫星通信系统

(1)铱(Iridium)卫星通信系统[9]

铱星系统是全球唯一的采用星间链路组网、全球无缝覆盖的低轨星座系统。Iridium一代系统在1998年建成并开始商业运营，1999年宣告破产，后被“新铱星”公司收购。

Iridium星座轨道高度780 km，由分布于6 个轨道面的66 颗卫星组成，用户链路采用L频段。Iridium二代通过对一代卫星的逐步升级，如L频段配置48波束的收发相控阵天线、用户链路增加Ka频段、配置软件定义可再生处理载荷等方式实现了更高业务速率、更大传输容量以及更多功能。从2017年1月开始至2019年1月11日铱星二代已完成全部组网发射，部署后传输速率可达1.5 Mbps，运输式、便携式终端速率分别可达30 Mbps、10 Mbps。二代系统还具备对地成像、航空监视、导航增强、气象监视等功能。

(2)ORBCOMM系统

ORBCOMM星座于1996年正式启动面向全球的数据通信商业服务。星座系统由约40颗卫星及16个地面站组成，轨道高度740～975 km，共7个轨道面。星座内部无星间链路，用户链路采用VHF频段。相比于第一代系统，二代ORBCOMM卫星质量增加3倍，接入能力提升了6倍。当前拥有全球最大的天基AIS(船舶自动识别系统)网络服务。

(3)Globalstar系统

Globalstar系统于1999年开始商业运营。系统采用玫瑰星座设计(高度1400 km)，由48颗卫星组成，用户链路为L、S波段，通过无星间链路、弯管透明转发的设计，降低建设成本。Globalstar二代系统进一步提高了系统传输速率，增加了互联网接入服务、ADS-B(广播式自动相关监视)、AIS等新业务。

2.3.2新兴低轨卫星互联网星座

(1)OneWeb系统

OneWeb卫星互联网星座由原O3b创始人格雷格·惠勒(Greg Wyler)创建的OneWeb公司提出，计划部署近三千颗低轨卫星，初期采用Ku频段，后续向Ka、V频段扩展。星座初期计划发射720颗卫星，轨道高度1200 km，采用设计简单的透明转发方式，通过地面关口站直接面向用户提供互联网接入服务。OneWeb单星重量不超过150 kg，单星容量5 Gbps以上，可为配置0.36 m口径天线的终端提供约50 Mbps的互联网宽带接入服务。同时，OneWeb公司现已获得美国联邦通信委员会授权，批准其在美国提供互联网服务。

2018年12月13日，据悉OneWeb初期星座规模将缩减至600颗，以降低实现全球覆盖成本目前OneWeb进入部署阶段，2019年2月27日，已发射首批6颗卫星。

(2)Starlink卫星互联网星座

Starlink卫星互联网星座由Space X公司提出。Space X计划建设一个由近1.2万颗卫星组成的卫星群，由分布在1150 km高度的4425颗低轨星座和分布在340 km左右的7518颗甚低轨星座构成。低轨星座选择了Ku/Ka频段，有利于更好地实现覆盖；甚低轨星座使用V频段，可以实现信号的增强和更有针对性的服务。Space X计划让这样的网络覆盖地球任何地点。Space X预计该系统到2025年将有4000多万用户，营收达到300亿美元。Space X在星座运营同时，更专注于卫星制造。因此，Space X需要更大融资量，预计需要融资100～150亿美元。

(3)LeoSat卫星互联网星座

LeoSat卫星互联网星座由LeoSat公司提出，计划构建由108颗卫星组成的卫星星座，提供全球高速数据传输服务。星座部署在1400公里的LEO轨道上，采用6个轨道面，每个轨道面上部署18颗卫星。LeoSat采用Ka频段，为用户波束提供1.6 Gbps的带宽。LeoSat星座将会使用星间链路，并采用光通信。

与OneWeb和SpaceX不同，LeoSat公司主要为政府及企业提供数据传输服务，计划为3000余家大型企业及机构用户提供高速数据接入服务。

2.4 国外卫星互联网星座分析

由以上各系统发展现状可见，无论是传统的卫星通信公司还是新兴的互联网商业公司均提出了很多有特色的宽带卫星通信系统来实现卫星互联网应用，卫星互联网已不仅仅限于中低轨道。表1从系统规模、系统容量、覆盖范围等多方面具体分析了高轨、低轨卫星应用系统各自的优缺点。

表1 高低轨卫星应用系统优缺点分析Table 1 Analysis of advantages and disadvantages of GEO and LEO satellite system

可见，高轨卫星通信系统和低轨卫星互联网星座各有优越性。低轨卫星互联网星座在覆盖范围、填补数字鸿沟、网络时延、系统容量等方面能力优势明显，用户终端设备更易实现小型化、手持化。高轨卫星通信系统频率协调相对容易，运行寿命更长，系统建设及维护成本相对更低。另外，虽然低轨卫星互联网星座系统容量高于高轨宽带通信卫星，但高轨卫星在通过点波束集中传输高带宽容量方面更具优势(例如为区域用户提供高清球赛直播等服务方面)。因此，卫星互联网星座的建设需统筹高低轨系统优越性，实现优势互补。

3 国外卫星互联网发展趋势

3.1 由传统高轨星座向中低轨星座发展

由于中低轨星座具有用户多样性、用户容量大、传输时延短、终端设备小、发射功率低等特点，新兴的卫星互联网星座普遍倾向于采用中低轨道。例如，OneWeb轨道高度1200 km，Starlink星座轨道高度从1150 km高度到340 km。但为了全球覆盖，低轨卫星互联网星座往往系统规模庞大，例如OneWeb预计发射720颗，Starlink卫星互联网星座预计发射1.2万多颗。值得思考的是，星座向中低轨道发展将付出巨大的代价——系统的复杂化和规模庞大化。

3.2 与地面通信网络合作发展

吸取早期铱星系统破产的经验，近几年发展的全新卫星互联网星座采取了与地面网络合作发展的理念，将电信运营商作为客户，主要着眼于光纤无法覆盖地区，成为地面通信手段的扩展。新一代GEO系统采用辅助地面组件技术，通过设置天地统一的空中接口和工作频段，用户终端可根据网络覆盖情况，实现在天地网络之间的无缝切换。

3.3 全新投融资、市场经营模式

新兴卫星互联网星座的部署、运营和服务逐渐采用资本合作的方式来完成。例如，OneWeb采用全新的融资模式，首轮融资5亿，投资的公司包括软银集团、空中客车、巴帝企业、高通、可口可乐、维京集团等非卫星制造公司，第二轮融资12亿美元，由日本软银集团领投。Starlink卫星互联网星座采用来自谷歌和富达投资公司10亿美元的投资。同时，也将个人消费者作为目标用户，不出售专用卫星终端设备，而继续采用现有智能手机访问网络。

3.4 建造卫星制造工厂，批量制造

分析铱星等系统的破产原因，星座投入成本过高、研制周期过长，用户负担过高，将极有可能导致星座建设错过发展最佳时机。为此，通过采用新技术，增加商用工业级器件比例以降低卫星成本、将卫星系统模组化以缩短卫星制造周期是现代星座批量生产卫星的新趋势。例如OneWeb引用汽车制造的概念，将卫星各系统模组化，工厂每周能生产16颗卫星，一年可完成648颗卫星。

4 我国卫星互联网建设方案构想

4.1 我国发展卫星互联网的必要性

新时期，我国经济、政治、文化、社会等领域利益逐渐向海外拓展，随之而来，我国对全球实时无缝信息保障的需求大大增长。面向当前世界低轨卫星互联网星座的发展热潮，我国也亟需把握时机，抢占资源，建设自主可控、全球覆盖的卫星互联网星座。然而，我国建设低轨卫星互联网星座存在以下两方面限制。一方面是对全球建站的限制。低轨星座实现全球覆盖的主要方式是通过地面布站方式，然而由于我国国情限制，我国无法使用全球地面布站方式来实现卫星通信的全球服务。另一方面是频率轨位资源限制。目前国际上频率轨位资源稀缺，低轨频率资源更是被瓜分殆尽，我国频率资源积累不足，在国际上处于劣势地位，难以保障低轨星座互联网建设，严重约束我国卫星互联网发展。

因此，从我国实际情况出发，建设纯低轨的卫星互联网星座并不现实，可考虑通过高低轨星间链空间组网的方式突破全球地面布站限制和频率资源匮乏限制，充分利用高轨卫星系统优越性，打破政治地缘限制，确保卫星互联网业务安全可靠，同时为用户提供更优质服务体验。

4.2 我国发展卫星互联网方案设想

基于以上原因，本文提出如图1所示的高低轨结合的卫星互联网架构方案。在该方案中，低轨星座只存在同轨链路，没有异轨链路，不同轨道面通过高轨卫星中转。相较于纯低轨方案(包含异轨星间链路)，本方案的组网架构时延虽然可能稍长，但可以克服由于异轨星间链路方位俯仰变化大而导致的链路维持困难、网络稳定度低等缺陷，可以在减少网络总链路数的同时提高网络连通性和服务质量。此外，在低轨卫星数目相同的情况下，虽然单条高低轨星间链成本高于异轨星间链，但由于纯低轨方案(包含异轨星间链路)需配置异轨星间链数目巨大，其总成本远高于本方案，本方案更具优势。

图1 高低轨结合的卫星互联网系统架构方案

具体地，所提出方案的物理架构、网络架构以及组网服务方案设计如下。

物理架构方面：采用GEO+复合型LEO星座的物理架构，其中，GEO卫星的主要功能是骨干传输、大型节点接入服务、业务分配、运行管理以及作为低轨各星间的中继节点。低轨星座采用不同类轨道高度、倾角、升交点赤经卫星组成的复合型轨道星座，具体如图2所示。相较于单一型轨道星座，复合型轨道星座所形成的全球覆盖方案更加灵活，覆盖特性更加多样。同时，复合型轨道星座可根据服务需求和覆盖区域内的业务量在不同类型轨道卫星之间动态分配业务。

图2 复合型低轨星座

网络架构方面：由面向用户中心、面向数据中心、面向信息交换的三个服务网络以及面向云化网络的服务平面组成。改变过去天基网络资源协调及配置困难、网络规划响应时间过长，长期作为一种专网存在的局面，使网络成为可配置的服务资源，用户可按需获取网络资源，自行管理专属分配的虚拟网络资源，获取所需服务。

组网服务方面：具备全球全网全程资源按需获取、自动部署和智能调优的能力，全面支持SDN/NFV/MEC的业务动态编排和网络切片技术，可以将传送网、接入网、数据中心网络和用户网络端到端的协同起来，从而实现对网络拓扑、信道带宽、传输质量、时延需求的敏捷按需响应，保障用户体验。

4.3 我国卫星互联网星座需解决的关键问题

为实现所提出的高低轨组网的卫星互联网方案必须解决如下若干关键问题：

(1)高低轨网络协同组网问题

针对高轨、低轨卫星混合星座系统，结合地面用户接入及天地信息网络融合需求，需开展高低轨物理层协同问题研究，适应于大规模、高延迟、高动态变化的空间立体化路由协议技术研究，并解决弹性组网问题，以弥补天基网络固有的脆弱性，提高整个网络全时全域的连通性。

(2)移动性管理问题

针对所构建的卫星互联网星座节点特别是低轨星座节点高动态运动、面向用户的多星多波束频繁切换等特点，需重点开展基于身份与位置分离的移动性管理、多波束无感快速切换、自适应链路速率变化、网络资源快速调度和控制等关键技术研究，有效降低网间移动切换时的切换时延、信息丢失等业务损伤，提高网络移动性管理效能和服务质量。

(3)与地面网络融合问题

面向卫星互联网与地面互联网的融合需求，需重点开展卫星互联网与未来互联网异构协议软件定义互联设计、基于多维网络资源虚拟化的网络切片、应用驱动的网络控制，按需网络资源调度等关键技术研究，实现卫星互联网与地面互联网高效可靠的互联互通。

(4)网络安全问题

针对卫星互联网环境广域开放、链路间歇连通和资源不均且受限等特点，需重点研究具有扩展和演进能力的卫星互联网网络安全保障体系，研究适应网络威胁时空变化和多样化任务需要的网络安全保障模型和交互控制机制，安全策略的动态响应、主动适变、无缝迁移和抗毁容错机制等，为卫星互联网的安全可靠运行提供体系化安全保障。

另外，在卫星发射制造、运营管理方面，可以借鉴国外卫星批量生产、先进的投融资理念等，以缩小卫星研制周期、降低运营成本，并考虑将地面运营商、企业、个人等纳入目标用户，与地面网络协同、互补发展。