天地一体化信息网络发展与展望

汪春霆，翟立君，徐晓帆

(中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京 100041)

0 引言

天地一体化信息网络是由位于不同轨道的多颗卫星、地面关口站、测控站构成的天基网络基础设施以及由地面移动基站、WiFi热点、光纤网络等构成的地基网络基础设施，通过一体化、融合设计所实现的多维立体信息网络，可为天、空、地、海不同应用场景的用户提供全球泛在通信服务。

天地一体化信息网络贯穿海洋远边疆、太空高边疆和网络新边疆。因其地位重要，世界各航天大国纷纷制定发展战略和投入巨资，布局以高轨高通量卫星通信星座、低轨卫星互联网星座为重点的卫星通信网络建设，谋求在新技术、新产业和空间频率轨位资源方面的领先优势。面对新形势，自主创新发展天地一体化信息网络，发展自主可控的空间信息基础设施是我国实现全球信息服务的必然选择。

1 发展历程

1.1 卫星通信网络

1.1.1国外卫星通信网络

卫星通信的发展历程可大致分为6个阶段。第一阶段：概念提出和早期实验；第二阶段：模拟通信；第三阶段：数字通信；第四阶段：第一次低轨卫星通信热潮——窄带星座组网；第五阶段：高通量卫星发展；第六阶段：第二次低轨卫星通信热潮——宽带星座组网(卫星互联网)。

第一阶段：卫星通信的概念，最早可追溯到英国空军雷达军官阿瑟·C·克拉克于1945年10月在《无线世界》杂志上提出的基于3颗地球同步静止轨道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)卫星实现全球通信的设想。1963年，美国发射了第一颗GEO通信卫星Syncom-3号，成功向美国提供了1964年东京奥运会电视转播信号，标志着卫星通信的早期实验工作基本完成，奠定了未来商业化发展的技术基础。

第二阶段：1965年，“国际卫星通信组织”将Intelsat-1卫星送入静止轨道，开通了欧美大陆间国际商业通信业务，标志着采用模拟技术的第一代卫星通信进入大规模应用阶段。

第三阶段：20世纪80年代，数字传输技术开始大规模应用在卫星通信中。甚小口径终端(Very Small Aperture Terminal,VSAT)的出现，为大量专业卫星网络的发展提供了条件，开拓了卫星通信应用的新局面。1989年发射的Intelsat VI系列(编号601～605)卫星，具有38个C波段转发器、10个Ku转发器，采用数字调制技术、Ku频段可控点波束设计，总容量达到了36 000个话路，并首次采用了星载交换时分多址(SS-TDMA)技术，强化了波束间的交链能力[1]。

第四阶段：20世纪90年代，由多颗低轨道(Low Earth Orbit，LEO)卫星构成的通信星座迎来了第一个发展的高潮。针对当时第一代地面模拟移动通信系统标准林立、难以实现国际漫游、信号质量差的缺点，Motorola公司于1990年6月宣布了面向全球移动通信服务的铱星计划[2]。铱星系统由运行在778 km的6个轨道面上的66颗卫星构成，轨道倾角86.4°[3]。每颗铱星采用48个L频段波束实现对地覆盖，技术体制上参考了GSM，采用了Ka频段星间链路和星上处理技术实现天基组网。铱星系统全球设立12个关口站实现业务落地，系统网控中心位于华盛顿州(罗马备用)。由于错误地估计了地面移动通信迅猛发展的态势，以及初期话务服务质量难以令人满意、用户量无法满足持续运营需要等因素影响，铱星公司于2000年3月正式宣布破产。然而，商业上的失败不能掩盖其技术上的成功，经过重组后，铱星依靠军事、政府等大客户采购扭转了经营局面，并在近期顺利完成了二代铱星Next系统升级改造。与此同时，美国劳拉和高通公司倡导并建设了全球星(GlobalStar)系统[4]。全球星系统由位于轨道高度为1 414 km、8个轨道面内的48颗卫星构成，采用倾角56°的倾斜圆轨道星座构型[5]。全球星每颗卫星采用透明转发器方案，利用16个L(上行)/S(下行)频段点波束形成对地覆盖，体制上采用了扩频技术、参考了IS-95标准。全球星系统同样经历了经营困境，于2004年4月破产重组后运营至今。

第五阶段：进入2000年后，高通量卫星(High Throughput Satellite，HTS)[6]成为卫星通信发展的热点。HTS是指使用相同带宽的频率资源，而数据吞吐量是传统卫星固定通信数倍甚至数十倍的通信卫星。目前主流的GEO-HTS卫星通过采用Ku和Ka等高频段传输、密集多点波束、大口径星载天线等技术，通信容量可达数百Gbit/s乃至Tbit/s量级，每比特成本大幅降低，逐渐逼近地面网络，显著地提升了卫星通信的竞争力。2004年，世界首颗HTS卫星Thaicom 4 (IPSTAR 1)发射入轨道，提供87个Ku转发器以及10个Ka转发器，设计容量约45 Gbit/s。2011年10月发射的ViaSat-1是全球首颗总数据吞吐量超过100 Gbit/s的Ka波段宽带通信卫星，采用72个Ka频段点波束覆盖美国和加拿大地区，总容量达到140 Gbit/s。2017年2月发射的ViaSat-2卫星，总容量提升至300 Gbit/s。下一代ViaSat-3[7]卫星预计在2022年完成部署，共计划发射3颗GEO卫星，每颗卫星预计可提供1 Tbit/s容量。2015年7月，欧洲航天局与欧洲通信卫星(Eutelsat)公司签署合同，共同研制“Eutelsat-Quantum”(“量子”)卫星[8]，拟形成3颗GEO卫星构成的通信网络。“量子”卫星作为全球首颗采用软件定义载荷的卫星，更强调服务的灵活性，可实现覆盖区域、频段、带宽和功率的在轨重新配置，从而改变了传统通信卫星在工作期内无法及时更新通信技术的劣势。

第六阶段：第二次低轨卫星热潮——宽带星座组网(卫星互联网)。GEO-HTS卫星虽然在带宽成本上有了显著改善，但传输延时大，不能服务高纬度地区和极地。2019年，全球互联网渗透率超过了50%，但增长已经乏力，进入了平台期[9]。为了争夺剩下一半人口的互联网介入，自2007年开始，随着O3b[10]等计划的提出，卫星互联网星座迎来了新一轮发展高潮。

O3b系统目标是让全球缺乏上网条件的“另外30亿人”能够通过卫星接入互联网。O3b的初始星座包括12颗卫星(其中3颗作为备份)，运行在轨道高度8 062 km的赤道面中轨道(Middle Earth orbit，MEO)上，传输端到端延时约150 ms。卫星采用Ka频段，提供10个用户波束和2个馈电波束，波束指向随着卫星运动可调整，用户在多个卫星/波束总切换。单个用户波束传输速率可达1.6 Gbit/s、系统总设计容量达到84 Gbit/s。O3b的卫星采用透明转发器，无星间链路，业务交换在地面关口站进行。O3b的初始星座已于2014年12月底发射完毕。2017年11月，O3b公司向FCC提出申请新增了30颗MEO卫星，将运行于2种轨道。其中，20颗运行于赤道轨道被称为O3bN，采用Ka和V波段。O3bN星座中8颗已获批，并已有4颗于2018年3月发射。这4颗卫星运行频率与初始星座的12颗卫星相同。O3bI的10颗卫星运行于倾斜轨道，即高度8 062 km、倾斜角度为70°的2个圆形轨道面上，用于支持纬度更高地区的用户。除8颗已获批的卫星O3bN以外，剩余12颗O3bN和10颗O3bI卫星属于第二代O3b卫星星座，采用了更先进的卫星平台技术，采用全电推进，搭载数字信道化器，有灵活的波束形成能力，单星容量相较一代提升10倍。

2017年6月，美国FCC批准了卫星互联网创业公司“一网”(OneWeb)提出的星座计划[11]。OneWeb规划了三代星座，共计1 980颗卫星，包括LEO和MEO星座。第一代星座计划于2018年启动部署，采用近极轨道构型，共发射882颗(648颗在轨，234颗备份)LEO卫星，轨道高度1 200 km。OneWeb采用简单的透明转发器和固定波束天线，每颗卫星提供16个Ku频段用户波束，单星容量约8 Gbit/s，无星间链路和星上处理，业务就近落地到关口站进行处理。由于融资受挫、竞争加剧等一些原因，2020年3月，OneWeb公司在发射第三批“1箭34星”后宣布了破产保护。

“星链计划”(Starlink)[12]是由SpaceX公司2015年提出的下一代卫星互联网，是一个多个轨道高度混合、近极轨道和倾斜轨道混合的星座系统。Stalink建设大致分三步走：首先发射1 600颗卫星完成初步的全球覆盖，其中前800颗卫星满足美国及北美洲的天基高速互联网需求；接着用2 825颗卫星完成全球组网，Starlink计划的前两步的卫星采用Ku和Ka频段；最后用7 518颗采用Q/V频段卫星组成甚低轨(Very Low Earth Orbit，VLEO)星座。Starlink卫星采用有源相控阵天线、数字处理转发、“氪”工质全电推进等关键技术，后期将进一步支持星间链和空间组网。1.0版本的Starlink卫星上、下行均可提供8个用户点波束，单星设计容量超过20 Gbit/s。截至2020年3月底，SpaceX公司利用“猎鹰”火箭完成了6次“一箭60星”发射。

加拿大“Telesat”公司提出的星座[13]计划包含117颗卫星分布在2组轨道面上：第一组轨道面为近极轨道，由6个轨道面组成，轨道倾角99.5°，高度1 000 km，每个平面12颗卫星；第二组轨道面为倾斜轨道，由不少于5个轨道面组成，轨道倾角37.4°，高度1 200 km，每个平面10颗卫星。Telesat卫星搭载数字直接辐射阵列(Direct Radiating Array,DRA)和数字通信处理载荷，具有调制、解调和路由功能。DRA在上、下行均能实现16个波束，具有波束成形(Beam-forming)和波束调形(Beam-shaping)功能，其波束功率、带宽、大小和指向可动态调整，具有很强的灵活性。Telesat卫星搭载激光星间链，倾斜轨道和近极轨道星座内和星座间均可组网。2018年1月，Telesat完成了第二颗试验星的发射。

1.1.2 国内卫星通信网络

1958年5月17日，在党的八届二次会议上，毛泽东主席提出“我们也要搞人造卫星”。1957年10月中国科学院制订了一个分三步走的发展规划：第一步，实现卫星上天；第二步，研制回收型卫星；第三步，发射静止轨道通信卫星。

1970年4月24日，我国成功发射“东方红1号”卫星，卫星质量约173 kg，外形为1 m直径的类球形多面体，运行在近地点439 km，远地点2 384 km的轨道上，进行了《东方红》乐曲广播等实验，为我国后继卫星设计和研制奠定了坚实的基础。

1975年3月31日，毛泽东主席批准了国家计委、国防科工委、航天工业部、电子工业部、总参通信部等8个部委联合，起草了《关于发展我国通信卫星的报告》，我国卫星通信工程由此启动，工程代号 331。该工程包含五大系统：通信卫星、地球站、火箭、测控系统及发射场。

1984年4月，我国成功发射了第一颗静止轨道试验通信卫星“东方红2号”，配置2套C波段转发器，可转发电视、广播、数传、传真等模拟和数字通信信号，揭开了我国自主卫星通信的序幕。在需求的驱动下，1986年我国正式启动了第二代自主通信卫星“东方红3号”研制工作。1997年，我国成功发射了采用东方红3B平台的“中星6号”卫星，其具有24部C波段转发器，采用了当时许多前沿技术。该卫星的成功投入使用，使我国卫星通信实现了跨越式发展，并带动了“天链”中继卫星的发展。

进入21世纪，我国通信卫星发展进入了快车道。2008年6月，我国发射了第一颗直播卫星——“中星9号”卫星，作为一颗大功率、高可靠、长寿命的广播电视直播卫星，服务于“村村通”工程，可为西部边远地区免费传输47套免费的标清数字电视节目。2016年8月，我国发射了第一颗自主移动通信卫星“天通1号”[14]，采用S频段、109波束覆盖我国大陆及沿海区域，支持话音、短信和中低速数据业务。2017年4月，我国发射了首颗高通量通信卫星“中星16号”[15]，通信总容量达到20 Gbit/s，超过了之前我国研制的所有通信卫星容量的总和。其通过26个用户Ka频段点波束和3个馈电波束，能够覆盖我国除西北、东北的大部分陆地和近海约300 km海域。

随着国际上通信星座发展的热潮，我国也相继提出了一系列星座发展计划。航天科技集团有限公司设计的“鸿雁星座”[16]由54颗移动星+270颗宽带星(不含备份卫星)构成，2018年12月完成首颗实验星发射。航天科工集团有限公司提出的“虹云工程”[17]计划发射156颗卫星，轨道高度1 000 km，旨在构建我国第一个全球覆盖的低轨Ka宽带通信星座系统，于2018年2月完成首颗实验星发射。银河航天公司计划在2023年前完成轨道高度1 156 km的144颗卫星星座建设，系统通信容量超过20 Tbit/s。其首颗低试验卫星于2020年1月搭载发射。除了宽带星座之外，航天科工、九天微星、国电高科和时空道宇等公司还提出了各自的物联网星座系统发展计划。

1.2 地面互联网

互联网的发展可大致分为三个阶段。第一阶段：早期研究和小规模试验；第二阶段：互联网的形成和规模化部署；第三阶段：IPv6的发展及其与IPv4的双栈共存。

第一阶段：互联网的历史可追溯到20世纪60年代，美国国防部高等研究计划署创建了ARPANET，实现了多个计算机节点之间的连接[18]。到1971年底，ARPANET的规模达到了15个节点。1974年，TCP/IP协议被提出[19]，提供了点对点链接的机制，将封装、定址、传输、路由和接收加以标准化，是互联网的基础协议。基于TCP/IP协议，试验人员于1975年实现了斯坦福和伦敦大学2个网络间的通信，1977年完成了美国、英国、挪威三个网络间的测试。最为大众熟知的IPv4于1981年9月发布IETF的RFC 791文件。IPv4是一种无连接的协议，使用32位地址进行路由寻址。1986年，美国国家科学基金会(NSF)基于TCP/IP技术，创建了骨干网络NSFNET。

第二阶段：自NSFNET建立后，越来越多的局域网接入NSFNET，1986年至1991年间，并入的子网从100个增加到3 000余个。1990年3月，NSF在康奈尔大学和欧洲核子研究中心(CERN)之间架设了T1高速连接，并接入了NSFNET。然而，彼时的互联网还仅局限于研究机构间。1995年4月，美国政府机构停止对NSFNET的管理，转由私营企业经营，NSFNET骨干网逐步由若干商用骨干网替代，因特网服务提供商(Internet Service Provider，ISP)逐渐涌现。1998年6月，美国政府发布白皮书，并于10月成立非盈利性组织“互联网名称与数字地址分配机构(The Internet Corporation for Assigned Names and Numbers，ICANN)”负责互联网的技术管理，全球性质的互联网正式形成并迅速规模化部署。

第三阶段：随着互联网规模的迅速扩大，IPv4有限的网络地址资源问题日益凸显，新一代互联网协议的部署迫在眉睫。1995年12月，IETF发布了RFC 1883，定义了IPv6协议，后于1998年12月发布RFC 2460对其进行了更新。IPv6采用了新的分组格式，最小化路由器需要处理的包头信息，并支持128位的地址，编码地址空间较IPv4有了很大的提升。但由于早期路由器、防火墙等系统均采用IPv4，IPv6的替换过程相对缓慢，技术上长时间存在双栈形态。2003年1月，IETF发布了IPv6测试性网络“6bone”，用于测试IPv4网络向IPv6网络迁移的可行性，起初采用IPv6-over-IPv4隧道过渡技术，并逐步扩展纯IPv6链接。2012年6月6日，全球IPv6网络正式启动，Google，Yahoo等网站支持IPv6访问。截止到2020年4月，我国IPv6用户已达2.3亿。

随着IPv6的规模化部署，下一代网络技术的研究也在不断推进。2008年，斯坦福大学的科学家提出了软件定义网络(SDN)的概念，通过将控制平面和转发平面分离，网络设备可集中式软件管理及可编程，进而降低了网络运营费用，加快了新业务引入的速度，同时简化了网络的部署。2018年7月，ITU成立网络2030焦点组(Focus Group on Network 2030，FG-NET-2030)，旨在探索面向2030年及以后的网络技术发展。2020年初，华为等向ITU提出“New IP”提案，能够更好地支持AR/VR、全息通信、IoT 网络、卫星网络及新兴网络应用，从根本上支持网络层长度可变、多语义地址以及用户定制网络。

1.3 地面移动通信网络

自20世纪70年代，贝尔实验室发明了蜂窝概念、提出采用频率复用和小区分裂技术以来，地面移动通信从第一代蜂窝移动通信系统(1G)演进到了第五代移动通信系统(5G)，服务能力有了质的飞跃。

1G采用模拟信号频率调制、频分双工(FDD)和多址方式频分多址(FDMA)，基于电路交换技术，主要提供低速话音业务服务。1G典型系统，例如1983年美国推出的先进移动电话系统(Advanced Mobile Phone System，AMPS)；1985年英国开发的全面接入通信系统(Total Access Communications System,TACS)。由于各国在开发1G时只考虑了本国当时可用的频率资源，彼此的频率并不协调，标准也不统一。

为了提升频谱效率以及实现用户漫游，20世纪90年代欧美相继推出了基于数字传输技术的第二代蜂窝移动通信系统(2G)，可提供话音、短信和低速数据传输服务。1982年，欧洲邮电行政大会成立了“移动专家组”，并于1990年完成了采用时分多址(TDMA)第一版全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications ，GSM)标准制定。同一时期，美国借鉴军事通信技术，由高通公司于1993年提出了基于码分多址(CDMA)的IS-95标准。此后，为了进一步提升数据业务能力，又发展了2.5代的移动通信系统，如GPRS,EDGE,IS-95B，最高速率超过384 kbit/s。

第三代蜂窝移动通信系统(3G)较2G具有更高的传输速率，并开始支持图片、视频、音乐等多媒体业务，体制上均采用扩频传输技术。1998年，欧洲、日本等采用GSM标准的国家联合成立3GPP组织，制定了WCDMA标准。1999年，美国联合韩国成立了3GPP2组织，制定CDMA-2000标准。同期，我国独立发展了TD-SCDMA标准。3G在网络结构上开始引入承载和控制分离的理念，将用户的实际业务数据和用于管理的信令等数据分开，网元设备功能开始细化，最高下行传输速率可达14.4 Mbit/s(HSDPA)。

2005年10月的ITU-R WP8F第17次会议上给出了第四代蜂窝移动通信系统(4G)技术第一个正式名称IMT-Advanced。2012年，正式确定了4G两大标准LTE-Advanced和IEEE 802.16m，我国提出的TD-LTE-Advanced成为国际标准。4G采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)、多天线(Multiple Input Multiple Output，MIMO)、基于分组交换的无线接口以及载波聚合等关键技术，Release 10版本的最高下行速率可达1 Gbit/s。

5G是目前最新一代的移动通信系统，以更高的数据速率、更低的延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和支持大规模设备连接为主要发展目标。5G三大场景包括增强型移动宽带(enhanced Mobile Broadband,eMBB)、海量物联网通信(massive Machine Type of Communication,mMTC)、低时延高可靠通信(ultra-Reliable and Low Latency Communications,uRLLC)。3GPP于2017年12月完成了5G非独立组网(Non-Stand Alone,NSA)标准，以支持在现有4G核心网的基础上开展5G业务。2018年6月，3GPP全会(TSG#80)批准了5G Release15 SA(Stand Alone)独立组网标准，标志着5G完成了第一阶段全功能标准化的工作。5G在网络架构上通过SDN(Software Defined Network)实现数据面和控制面的分离；利用NFV(Network Functions Virtualization)实现软件和硬件的解耦。在无线传输技术上，5G采用大规模MIMO(Massive MIMO)、Polar编码、非正交多址(Non-Orthogonal Multiple-Access,NOMA)、毫米波通信等关键技术，使传输速率进一步提升至数十Gbit/s。在5G标准化过程中，3GPP在非地面网络(Non-terrestrial Networks,NTN)的部署场景中提出了星地融合的4种网络架构初步模型[20]，包括使用透明转发器以及星上部署基站的方案，将5G延伸到了卫星通信领域。

2019年3月，在IEEE的发起下，全球第一届6G无线峰会在芬兰召开，标志下一代移动通信的竞争已经启动。预计于2030年商用的6G网络的流量密度和连接密度较5G将提升10～1 000倍，支持用户移动速率将大于1 000 km/h，峰值速率可达Tbit/s量级。为了实现上述指标，让卫星通信承担更重要角色、实现天空地一体化立体覆盖已成为普遍的共识。2018年7月ITU成立了Network 2030焦点组，将卫星接入作为未来网络一个重要特征。我国科技部于2019年底启动的6G专项研究也将卫星作为未来网络的重要组成部分，天地融合已成为大势所趋。

1.4 天地融合网络

卫星通信业界对天地一体融合的探索已接近20年。早在本世纪初，为了适应“网络中心战”的要求，美军提出了转型通信体系(Transformational Communications Architecture，TCA)[21]，拟提供一套受保护的、类似互联网的安全通信系统，将天、空、地、海网络整合在一起。TCA的空间段称为转型通信卫星TSAT[21]，由5颗静止轨道卫星构成。TSAT计划用激光通信、IP、星载路由、大口径星载天线等一系列先进技术，形成空间高速数据骨干网，从空基和天基情报、侦察和监视信息源头获取数据，实现高容量的信息共享，从而将美军全球信息栅格(Global Information Grid,GIG)延伸到缺乏地面基础设施的区域。出于技术、经费等一系列因素的考虑，TSAT计划于2009年搁置。2005年，欧洲成立了ISI(Integral Satcom Initiative)的技术联盟组，提出了ISICOM(Integrated Space Infrastructure for Global Communication)构想[22]。ISICOM在设计方面不仅瞄准与未来全球通信网络尤其是未来互联网的融合，而且也将通过对Galileo导航系统和GMES全球环境安全监测系统提供补充来实现增值服务。ISICOM的空间段部分以3颗地球静止轨道卫星或地球同步轨道卫星(GEO/GSO)为核心，结合MEO/LEO、高空平台(HAP)、无人机(UAVs)等多种节点构成。通过采用多重及可重配置轨道系统设计、空间激光通信技术、多频段射频接入、对地虚拟波束成形等一系列关键技术，促进天地一体网络的构建。于此同时，美国SkyTerra卫星引入地面辅助基站(Ancillary Terrestrial Component,ATC)概念来解决卫星在城市及室内覆盖不佳的问题，通过共用频率资源和相似的空中接口波形设计，实现天地对用户的协同服务。

地面移动通信网络从5G阶段开始，也开始探索卫星和地面融合的技术途径。2017年6月，欧洲16家企业及研究机构联合成立了SaT5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)组织[23]，研究卫星与地面5G融合技术，并推进相关内容的国际标准化工作。SaT5G组织的研究包括在卫星5G网络中实施NFV和SDN技术、卫星/5G多链路和异构传输技术、融合卫星/5G网络的控制面与数据面、卫星/5G网络一体化的管理和运维以及5G安全技术在卫星通信中的扩展。EuCNC-2019大会上，SaT5G组织演示了标准5G用户设备如何通过卫星链路单独或与地面链路并行提供到核心网的回程连接。

3GPP组织从R14阶段开始研究卫星与5G融合的问题，并在后继R15,R16研究中进一步深化。TS22.261规范[24]给出了卫星5G基础功能和性能需求，然后在TR38.811[25]研究了非地面网络(Non-Terrestrial Networks，NTN)信道模型以及对NR(New Radio)设计的影响，提出了NTN部署场景及相关的系统参数，研究了多个可能传输频段上信道模型以及移动性管理问题。TR38.821[26]重点分析了NTN对5G物理层设计的影响，提出了MAC,RLC,RRC层的可选改进方案。

虽然TSAT，ISICOM，Sat5G，3GPP等对天地融合进行了一些早期探索，当前天地一体化信息网络整体上仍然处于起步阶段。为了促进该领域的发展，科技部于2016年启动了天地一体化信息网络重大项目研制，并列入国家“十三五”规划纲要以及《“十三五”国家科技创新规划》。天地一体化信息网络重大项目拟建设高、低轨协同组网的天地融合网络。其中，高轨节点主要提供宽带接入服务，并与低轨节点互联，优化提升网络能力；低轨节点提供全球覆盖的移动通信、宽带通信、物联网、导航增强、航海/航空监视(AIS/ADS-B)等综合服务。重大项目完成网络“编织”后，将形成“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的新一代国家公共信息基础设施。

2 系统组成及特征

2.1 系统组成

如图1所示，天地一体化信息网络将由多颗位于不同轨道的卫星星座、地面移动基站或者WiFi等地面通信设施、关口站、测控站、一体化核心网、网管系统、运营支撑系统组成，可以提供宽带接入、数据中继、移动通信、物联网、星基监视及导航增强等服务。

图1 天地一体化信息网络组成Fig.1 Composition of ISTIN

① 通信卫星星座：由位于GEO,MEO,LEO的多颗通信卫星组成；卫星采用L,Ku,Ka乃至于Q/V频段频谱，通过多点波束天线对地进行覆盖，为用户提供移动或者宽带服务；同轨和异轨卫星之间通过微波、太赫兹或者激光链路相连构成天基网络，卫星搭载星上数字处理载荷实现信号处理和业务、信令的空间路由转发。

② 临近空间平台：由位于地球上空20～100 km内的浮空平台或飞艇组成，主要用于卫星到地面的激光通信中继和热点区域的覆盖和容量增强。

③ 地面通信基础设施：地面移动通信基站、WiFi热点等无线接入设施；与卫星形成协同的覆盖，地面主要解决地面基础设施条件较好、人口较为稠密区域的覆盖，卫星主要覆盖海洋、天空、太空以及地面覆盖边缘区域。

④ 信关站：通过馈电链路实现与卫星星座中卫星互联，解决天基网络承载的用户信号、业务数据、网络信令、星上设备网管信息的落地问题。

⑤ 测控站：依据航天器的工作状态和任务，控制卫星的姿态和运行轨道，配置卫星载荷工作参数。

⑥ 一体化核心网：与卫星、关口站和地面通信基础设施互联，一体化处理借助天基或者地基不同途径接入用户的入网申请、认证和鉴权、业务寻呼、呼叫建立、无线承载建立、呼叫拆除等流程信令；实现话音编码转换等网内业务处理功能；实现与其他网络的互联，处理网络边界上的信令交互、业务路由、业务承载建立和管理、必要的业务格式转换；保存用户的签约信息；在用户呼叫层面实现天地资源的统筹调度；进行用户业务信息统计，用于评估QoS和计费；进行网络性能统计。

⑦ 网络管理系统：统筹分配网络资源；管理、监控全网的拓扑和路由；监控网络所有设备的运行状态，包括星载和地面设备；收集全网运行指标，向网络操作者反馈；根据网络操作者的指令，配置网内设备运行参数；处理异常和告警事件。

⑧ 运营支撑系统：包括受理用户业务申请、管理用户和订单、进行业务计费和账务结算、处理投诉和咨询、提供网上营业厅等。

⑨ 用户终端：包括天基、空基、海基、陆基等多种类型用户终端，在系统的管理下，在不同卫星之间、星地之间的覆盖区间切换；系统采用星地融合的传输体制设计，终端根据业务需求和接入途径，配置多个频段的天线和射频，共用基带单元。

2.2 系统特征分析

2.2.1 网络架构

以3GPP标准为代表的地面移动通信网络架构为基础进行天、地网络融合是当前一个主流思路。天网和地网短期内可视为两张不同接入网，采用相似的空中接口，由统一的核心网进行管控，用户在不同的接入网间切换。远期，天、地网络还将在射频信号传输层面实现更为广泛、更具深度协同，从而进一步融合成为一张接入网。

网络架构设计当前面临的首要问题是如何实现移动基站和核心网功能在星、地之间进行合理的分割。在此必须综合考虑业务需求、星上处理业务流量占比、信关站部署情况以及星上载荷的处理能力约束。

对于大众消费类业务，如互联网接入业务，可考虑采用简单的透明转发器模式，基站和核心网功能均在地面实现。对于卫星用户之业务直通(Terminal to Terminal,TtoT)、基于星间链的境外高安全需求业务的不落地向国内回传，则应该在星上部署完整的基站。

5G核心网采用了SBA(Service Based Architecture)架构[27]，网元功能转化AMF(Core Access and Mobility Management Function)、SMF(Session Management Function)等“微服务”，在云计算设施上被调度执行。在天地融合网络中，星上可编程计算单元资源也可以有选择和根据业务需求被调度来临时执行核心网功能，例如在传输延时较大的GEO星座中支持紧急呼救、武器数据链这种响应时间严格的业务。

2.2.2 空中接口传输

采用L，S频段的卫星移动通信在空中接口设计上已经与地面移动实现了部分融合设计，“天通一号”、Thuraya(GMR-3G标准)、Inmarsat-4(IAI-2标准)均采用3GPP-R4/R6空中接口分层方案，保留了上层协议(NAS层协议)绝大部分设计，主要针对星地传输链路特点设计物理层波形、特殊编码话音承载、MAC层帧结构以及RRC层资源分配算法。在采用Ku和Ka等频段卫星固定通信方面，空中接口目前最为先进的则是DVB-S2X[28]以及DVB-RCS2[29]标准，其波形和协议结构与3GPP标准框架存在较大差异。

由于DVB系列标准缺乏跨区切换机制，不支持移动性管理等问题，未来融合网络的空中接口在天、地2个接入场景中均采用3GPP标准框架的协议分层结构和NAS层协议设计是合适的，但在物理层是否能够采用一种波形方案目前还存在争议。3GPP组织的目前研究倾向采用OFDM/SC-FDMA多载波传输方案[25]，还有一些系统采用下行类DVB单载波、上行SC-FDMA的混合方案。

卫星接入场景下物理层波形的选择需要综合考虑信道模型和星上转发器特性。如采用地面5G的多载波技术方案，则必须解决LEO星地链路的大多普勒频移、星载放大器功率回退导致的低峰均比要求、低频段极其有限的频谱资源限制、星地长延时导致的HARQ效率下降、MIMO适用性存疑等一系列技术问题。

2.2.3 路由和交换

通信卫星拓扑的变化是可预知的，因此在路由机制设计中，可采用基于SDN技术[30]的集中控制方案。由地面SDN控制器计算路由，然后通过测控站上注到卫星实现路由控制。

为了简化设计以及还需支持CCSDS协议中继等特色业务的需要，星上交换机并不直接使用IPv4，IPv6分组进行交换。结合星间链路和星地用户、馈电链路的传输帧结构，可设计一种私有的MPLS协议来承载和交换多种网络层协议分组。地面SDN控制器将负责处理OSPF等路由协议，配置卫星和终端上的标签与网络地址映射表、标签转发表，承担建立、维护以及拆除MPLS LDP交换路径的任务。

3 关键技术

3.1 多波束天线技术

利用星载多波束天线可实现有限频率资源的高效空间复用和极化复用，从而极大提升了系统容量。目前，星载卫星多波束天线分为星载反射面多波束天线、星载相控阵天线、星载透镜天线[31]。

反射面多波束天线具有重量轻、结构简单、设计技术成熟、性能优良等优点，常用于满足实现较大电口径、数百个点波束的卫星需求。相控阵多波束天线可以通过对相位和幅度的调整来实现波束调形、波束扫描以及波束间功率频率的分配，还可通过使用自适应调零实现抗干扰技术，能灵活地适应用户需求的变化以及覆盖区内业务的不平衡分布特点。由于目前Ka频段星载器件功耗及效率约束，相控阵多波束天线在高频段产生的波束相对较少，如欧洲量子卫星仅提供8个收发波束。透镜天线是几何光学原理在无线电频率范围的一种应用，优点在于有更大的设计自由度，具有很好的旋转对称性，保留了良好的光学特性，无口径遮挡。但这类天线在低频段也具有质量大、损耗大等缺点，目前尚未见到在轨应用。

除了星上波束成形，地基波束成形(Ground Based Beam Forming，GBBF)[32]技术将波束形成的大部分功能模块移至地面完成，星上只保留天线、射频转发网络以及进行少量的数字信号处理功能，在满足通信灵活性的同时，极大地减少了载荷的质量和功耗。

为了使有限的功率资源、处理资源与实际需求相匹配，以适应业务量分布不均衡的场景，还常使用跳波束(Beam Hopping，BH)技术[33]。BH技术对时间进行分片，在同一时刻的多个可用波位上只有一部分点波束同时覆盖，减少了同时形成点波束的数目，简化了载荷设计。

3.2 星上数字化信道转发技术

星上数字化信道转发技术[34]利用数字带通滤波器组对传输频段内信号进行滤波，提取单个或多个子带采样信号，然后通过采样数据在转发器之间的高速交换，实现任意带宽、载频子带信号的灵活“透明转发”。与传统的透明弯管转发相比，数字化信道转发器的信号交换在数字域中实现，交换带宽可利用软件在轨灵活调整，从而能适应需求的变化。目前，泰雷兹阿莱尼亚公司研制的Spacebus NEO全电动平台所搭载数字转发载荷，基于专用ASIC专用器件，已可实现160个3 000 Hz通道的数字信道化转发，单通道可再细分成1 000个子带。

目前“调制滤波器组法”[35]常用来实现大量、不同带宽子带信号的高效并行分离和重构。该方法通过调制1个或2个低通滤波器得到各个通道滤波器，其中心频率和带宽可以随着需求的改变而动态变化，极大地降低了滤波器组的设计难度。然而，由于实际设计滤波器性能的不理想会导致每个滤波器边缘处产生信号失真，如何在合理采样精度、滤波器阶数约束下针对大带宽处理需求设计兼顾过渡带和阻带特性原型滤波器是关键问题。

3.3 星间高速传输技术

星间激光通信技术[36]因其不需要频率协调、传输速率高、终端体积重量小等一系列突出优势，成为当前星间链路构建的主要选择。空间激光通信可以采用频率调制、幅度调制、相位调制、极化调制和强度调制等方式将微波信号调制到光载波上。对应的接收方式主要有2种：一是直接强度探测，即非相干探测；二是相干探测。强度调制、直接探测(IM/DD)的技术方案具有简单、经济的特点，但容易引入噪声，且调制频率低、接收灵敏度相对较差。相位调制、相干探测的方案具有接收灵敏度高、抗干扰能力强等优点，灵敏度比直接探测高出10～20 dB。进行相干探测时，信号光与本振光要具有良好的相干性，系统较直接探测复杂，对器件的性能要求也较高。

太赫兹通信[37]具有可用频谱宽、波束跟踪较激光通信相对简单等优势。目前我国已经完成了0.34 THz载频、10 Gbit/s速率地面短距离太赫兹传输实验，采用了基肖特基二极管的次谐波混频、正交调制传输和卡塞格伦天线技术方案。未来太赫兹技术将成为解决空间高速传输与组网问题的重要技术手段之一。

3.4 星上路由技术

中、低轨道星座中卫星的运动使得整个网络拓扑一直处于不断变化当中，星间需要频繁地进行链路切换，这对空间路由协议的设计提出了挑战[38]。

目前，较为成熟的卫星星座路由算法主要是基于快照序列[39]的路由算法。这种算法将一个周期内的卫星网络拓扑划分为许多单独的拓扑快照，快照内星座拓扑视为稳定、可预测的，可预先计算出每个快照内的路由表，然后不停地切换。

当前，仅铱星星座较为成功地运用了星座路由技术，其他在轨系统如全球星等均采用透明转发器、全球部署信关站、业务就近直接落地方案。未来美国Starlink星座以及加拿大Telesat星座都将通过星间链路实现空间组网和路由，支持业务不落地的空间多跳转发，从而极大地缓解了全球部署信关站带来的协调压力。

3.5 全电推进卫星平台技术

相比化学推进技术，电推技术[40]具有比冲高、控制精度高、质量轻和可重复启动的突出优势，从而有效提升卫星的载荷比，降低发射的质量。2000年以后，电推进技术进入深化应用阶段，在各类航天器中得到广泛应用。波音公司开发的BSS-702SP是世界上首个全电推卫星平台。其采用4台XIPS-25 离子推力器，单台推力器推力最大可达到165 mN，比冲达3 500 s 。

电推进主要有静电式、电加热式和电磁式[41]。霍尔推进器[42](又称稳态等离子推进器)是一种电磁式推力器，具有高比冲、高推功比等突出优势，是目前应用较为广泛、最为成熟的电推进系统。

卫星平台上的电推进器目前主要用于：① 卫星轨道位置保持和姿态控制，例如GEO卫星的南北位保、LEO星座卫星的轨道相位保持；② 轨道转移，例如Starlink卫星搭载的氪离子推进系统在280 km高度星箭分离后，开机进行姿态调整与轨道爬升，进入550 km预定轨道，在寿命末期还承担降低轨道、完成离轨操作任务；③ 动量轮卸载，解决空间外干扰力矩造成三轴稳定卫星动量轮转速的周期性变化问题；④ 空间碎片的规避等。

目前，全电推进开展研究主要包括：发展多模态电推进技术，实现多个工作点，满足不同任务对大推力、高比冲的不同需求；继续突破大推力、超高比冲电推进技术，例如研制100 kW以上功率、8 000 s以上的单台霍尔推进器；实现多个推进器的组合应用。

我国目前已经完成了10 kW霍尔推进器的研制，正进一步开展50 kW霍尔推力器的攻关。

3.6 天基信息港技术

“天基信息港是由一簇在同步轨道上共位的模块化卫星组成，卫星通过星间微波/激光链路相互连接形成一个‘虚拟大卫星’”[43]。天基信息港的设计目标是针对航天任务多样化、体系化的需求，通过多颗卫星的弹性组网和智能资源调度，实现态势的综合感知、多源信息的汇聚和处理、高速数据分发，从而加快网络的响应、在轨直接支持应用的开展。天基信息港的典型应用模式包括利用多个卫星的天线实现更大的综合孔径、多星多谱段对地观测信息融合、空间云计算等。

天基信息港涉及的关键技术包括多星共位和编队保持技术、星间高速传输和多址技术、多星分布式组网和计算技术等。

3.7 频率轨位干扰分析和规避技术

目前卫星通信的频率和轨位资源的争夺已进入白热化阶段，尤其是LEO星座的用频。目前宽带LEO星座主要使用C，Ku，Ka，Q频段。其中C频段因为地面5G使用sub 6G频段，基本上不可能用于LEO星座构建；Ku频段收发1 GHz带宽资源都已用在了目前主流星座上；Ka频段目前申请资料达到了近百份，竞争异常激烈；Q频段具有可用频谱宽、使用规则平等(WRC-19大会Q频段使用模式修改为“协调资料投入使用”程序，使全球拟采用该频段的星座具有了平等协调地位)、实际在用系统少等特点，争夺这部分频谱资源对未来LEO星座构建具有重要的意义。

与频率协调方案及规则相对成熟的GSO卫星不同，作为NGSO的LEO星座系统卫星空间位置时变，与其他系统间干扰标准和干扰程度的衡量需要考虑到时间统计和功率水平两个维度。目前与GSO的干扰协调有效方案是利用NGSO与GSO卫星轨道高度差产生的俯仰渐进隔离角避免干扰[44]。基于频谱感知的NGSO和GSO干扰协调技术近年来也得到重视[45]。

4 未来展望

(1) 天基网络作为未来信息网络基石已成为广泛共识，空间网络规模呈现快速增长态势

为了进一步弥合天、地网络的容量和能力差距，拟建设的空间网络规模持续扩大。SpaceX公司Starlink计划包含高达42 000颗卫星、亚马逊公司的Kuiper计划也达3 236颗卫星。为了未来实现天地一体、立体覆盖、协同服务，迫切需要研究解决多层轨道卫星、地面基站构成的超大规模、立体网络的融合接入、协同覆盖、协同组网、协调用频、一体化传输和统一服务等问题。

(2) 透明转发和星上处理等工作模式长期共存，在轨重构、软件定义为按需服务赋能

透明转发模式需要解决高性能天线、射频和信号转发载荷设计问题，星上处理模式需要解决在超宽带信号处理需求下，由于资源严重受限带来的高性能、低功耗计算处理问题。对低轨星座还需解决星地相对运动带来的网元功能星地分割与动态重构、网元移动性、用户移动性管理等问题。软件定义载荷将是未来发展一个重点，它允许用户在卫星入轨后根据业务需要和卫星健康状态进行覆盖区域、频段、带宽和功率再调配，从而显著缩短研制周期、降低成本、最大程度地利用卫星能力。

(3) 高低频、高低轨系统协同发展，持续提升容量和效益成为重要发展目标

除了常用的L/S,C,Ku频段以外，新一代卫星通信系统已经大量采用Ka频段、甚至Q/V频段来提升容量，未来还有可能使用太赫兹频段。不论是为目前5G基站拉远提供大容量回程通道，还是为未来星地提供一致的服务质量，以及实现广域海量物联服务，都需要优化频谱的利用，引入先进编码调制、新型多址、多波束多链路协同、高速星间链等先进传输技术，有效提升空中接口容量，促进多频段、高低轨卫星服务的有效协同。

(4) 确定性的服务质量保障成为未来天地融合网络的重要特征

基于低轨道卫星星座的接入能够有效提升容量和减小时延，但其本身面临着链路延时抖动大、用户和馈电链路切换频繁、承载网络不断动态重构等一系列不利于服务质量保障的因素。而未来星地多维多链路协同覆盖场景中，干扰协调的复杂性、传播模型的不同、平台处理能力的离差都将进一步加大服务质量保障的难度。

(5) 人工智能为网络的有效管理和特色服务提供了新动力

未来天地一体融合多维网络将包含海量的网络节点、复杂的业务需求、多种异质的接入媒介，是一个复杂巨系统，其管理难度远超常规的单星组网系统，必须引入人工智能、区块链、大数据分析等先进技术手段，促进管理从自动化向智能化转型，使网络能够感知、预测到服务需求，并能够提前优化部署适配的服务能力。据报道，NASA目前已经开始了基于智能合约与机器学习的星座优化技术研究。

(6) 天基计算、信息服务将重构卫星通信价值链

Kuiper星座系统计划基于亚马逊领先的云计算AWS(Amazon Web Services)为用户提供遥感、星基监视等信息处理的托管服务。我国提出了构建“天基信息港”在轨直接支持应用服务的概念。为强化在轨数据处理能力，欧洲航天局(ESA)设立了“先锋计划”，并于2019年发射的卫星上搭载了可扩展轻量并行超算载荷。近期，美军提出了“空间作战云”的架构和设想，拟实现一个全球泛在的数据分发和信息共享综合网络体系。俄罗斯航天系统公司则宣称正在研发天基信息流量自动处理技术。软件定义卫星、天基计算技术的发展为移动信息服务更贴近用户提供了途径。

(7) 行业和技术的垂直与横向整合将带来巨大的成本优势及商业机遇

根据中金公司的研究报告，“Starlink单颗卫星的发射+制造成本只有153万美元，是OneWeb的46%，未来随着二级火箭再回收、卫星的轻量化生产，预计还能下降30%以上”[46]。SpaceX公司利用火箭、卫星制造到发射服务的垂直整合模式显著改善了成本，提高了组网速度与灵活性，从而在商业市场上体现出很强的竞争力。未来，SpaceX、我国的时空道宇公司还要将新能源汽车制造、智慧出行和卫星通信行业进行横向整合以创造新的流量入口和商业机遇。

5 结论

天地一体融合发展作为未来6G网络的一个重要特征已经获得了广泛的共识，未来将从需求、愿景、用频、研发、组网、服务到运维真正实现天、地统一规划，统一设计，统一建设和统一管理，实现从创新、产品、工程到应用服务的全产业链协同发展。天地一体化信息网络作为推动各行各业数字化、移动化、网络化、智能化发展的普适性基础设施，将以极强的渗透性和带动性，极大地加快全球社会的转型与创新发展。