6G空天地一体化多维立体网络容量分析方法

王妮炜，全子傲，翟立君*，韩 湘，潘沭铭，徐晓帆

(1.中国星网网络创新研究院有限公司，北京 100029；2.中国电子科学研究院，北京 100041)

0 引言

世界主要国家自2019年陆续开始5G商用，目前各组织机构、学者已将研究目标转向未来的6G网络，但现有地面移动网络仅能覆盖地球表面的10%，绝大部分海洋和陆地偏远地区还无法享受服务[1]。因此，未来万物智联、全息影像及数字孪生等新应用需要支持更高频段、更加智能的空天地一体化网络来实现，将成为6G网络的重要发展方向之一。本文介绍了自20世纪90年代开始，ITU、3GPP、IEEE等组织及商业公司在空天地一体化网络领域开展的工作，以及我国空天地一体化网络领域的规划及研究现状，并提出一种基于时间切片的系统容量分析方法，通过搭建仿真环境来分析星间链路和馈电链路容量、星上G/T、调制方式、星上调制解调器数目、高低轨协同组网等因素对系统容量的影响。

1 空天地一体化网络发展情况

1.1 国外空天地一体化网络发展现状

从20世纪90年代开始，国际上便开始研究卫星网络与地面网络融合的空天地一体化网络。早期的卫星网络集中在L、S等较低频段，随着互联网的兴起人们对网络带宽有了更高需求，卫星网络逐步转向C、Ku和Ka等频段[2]，未来会继续向Q/V、太赫兹、激光等更高频段发展。

国际组织方面，ITU于2020年2月正式启动6G的研究工作，并在Network 2030 Architecture Framework中指出卫星网络(或空间网络)将是2030未来网络的重要组成部分[3]；3GPP在R14阶段开始空间网络与地面网络的融合研究，R16阶段开展了卫星5G系统架构和NR支持非地面网络(Non-Terrestrial Networks，NTN)等方面的研究，并计划在R17阶段通过对卫星网络的移动性管理、QoS保障、延迟及多径传输等方面标准化，进一步促进空天地一体化网络发展；IEEE于2020年9月公布了国际网络世代路线图(INGR)[4]，明确了卫星、毫米波等9大关键技术趋势作为未来网络的发展方向，为各类机构及学者的研究指出了方向；SaT5G和SATis5等组织也进行了大量卫星5G的研究和试验，其成果对卫星网络的标准化起到了积极作用。

近年来，卫星互联网星座成为热潮。SpaceX通过对产业链垂直整合，其Starlink计划已经快速部署2 000颗卫星，初步形成了对北美等地区的服务能力；OneWeb虽然经历了低谷，但破产重组后快速焕发新机，已有182颗在轨卫星；Telesat和Kuiper等项目也加快了步伐。

1.2 我国相关规划计划

2019年11月，国家科技部召开了6G技术研发工作启动会，成立国家6G技术研发推进工作组和总体专家组，标志着我国6G技术研究工作正式启动[5-6]。在空天地一体化网络方面，我国先后布局了天地一体化信息网络、鸿雁星座、虹云工程以及行云工程等项目，通过空间网络与地面网络融合向天地异构网络互联互通、天地一体的方向发展。此外，新兴商业公司也积极竞争，星座计划层出不穷，银河航天公司设计的“银河Galaxy”星座，计划在2023年前建成144颗卫星的宽带星座，系统容量超过20 Tbit/s，其首颗低轨试验卫星已于2020年1月发射，单星通信带宽为10 Gbit/s，可提供卫星5G以及卫星互联网服务。北京国电高科公司提出的天启卫星物联网星座由部署在6个轨道面的38颗低轨道、低倾角小卫星组成，轨道高度900 km，轨道倾角45°，截至2020年1月已成功发射6颗卫星并组网运行。九天微星公司计划于2022年完成72颗小卫星的物联网星座部署。

2 空天地一体化网络架构

空天地一体化网络由位于不同轨道的卫星星座、信关站、测控站、地面通信基础设施、一体化核心网、网络管理系统、运营支撑系统以及各类用户组成，如图1所示[7]。

图1 空天地一体化多维立体网络的网络架构Fig.1 Multidimensional air-space-ground integrated network structure

卫星星座由位于高中低轨道的多颗卫星以及邻近空间飞行器等组成，采用多频段多点波束天线形成对地覆盖，配置微波或激光链路实现空间组网，通过搭载星上处理载荷实现信号处理和业务、信令的空间路由转发。

信关站用于馈电，解决用户信号、业务数据、网络信令、星上设备网管信息的落地问题。

测控站依据工作任务要求控制卫星姿态和运行轨道，配置卫星载荷工作状态。

地面通信基础设施包含地面移动通信基站、WiFi热点等无线接入设施，与卫星协同形成覆盖。

一体化核心网与卫星、信关站和地面通信基础设施互联，实现信令、网内业务处理、与其他网络互联、天地资源统筹调度,以及网络性能统计及评估等功能。

网络管理系统主要实现全网管理与监控、运行状态监控、设备运行参数配置、异常和告警事件处理等功能。

运营支撑系统主要实现业务申请、用户管理、业务计费及处理投诉等。

用户包括天基、空基、海基、陆基等多种类型，可基于星地融合传输体制共用基带单元，并根据业务需求和接入途径来配置多个频段的天线和射频。

3 空天地一体化网络容量分析方法

系统容量是评价网络业务承载能力的重要性能指标，是网络设计和规划的重要依据。与地面通信网络、单颗卫星系统的容量不同，空天地一体化网络具有用户区域全球覆盖、网络拓扑周期变化、链路参数时间变化等特点。因此，给系统容量分析带来一定难度。

目前，国外低轨星座如Starlink的单星容量约17～23 Gbit/s，但系统容量的影响因素很多，不是简单的单星容量与卫星数目的乘积。以星上处理的返向链路为例，如图2所示，用户上行链路速率取决于卫星G/T和用户终端EIRP，但卫星在多数时间位于海洋上空，单星的大容量优势无法发挥真正作用；星间链路速率取决于微波/激光载荷参数，但星间链路实际容量与路由算法、链路速率、业务承载及拥塞等因素密切相关；馈电下行链路速率取决于卫星EIRP，地面站的G/T，而馈电总容量除了与单条馈电链路速率有关外，还与地面站部署有关。因此，网络的实际容量不仅要考虑网络能提供的容量，还必须考虑用户侧的需要、承载业务的路由策略、地面站分布等因素，是各项参数优化配置的结果，是上行链路容量、星间链路容量、馈电链路容量的平衡与折中。

图2 空天地一体化网络容量受限示意图Fig.2 Capacity limitation of multidimensional air-space-ground integrated network

空天地一体化网络容量分析包括用户业务流量分布建模、星地链路计算以及天地一体路由算法等主要部分。其中，用户业务流量分布建模采用人口密度分布与业务模型权重相结合的方法[8]，人口密度分布可根据全球人口分布数据获得，假设每个用户请求的平均数据率为300 kbit/s。卫星配置星上处理载荷和星间激光载荷，假设不考虑星间激光链路传输损耗，在带宽受限和功率受限条件下的信息速率最小值为该编码调制方式下的传输速率。

考虑到低轨卫星的运动特性，系统容量采用基于时间切片的方式计算。

① 业务计算模型：根据全球人口分布，按照1°×1°得到人口数量，并根据用户业务模型权重，本文假设权重为1，量化成360×180个网格的业务数据；

② 链路计算模型：根据卫星经纬高数据计算卫星到地面各网格的距离，并结合用户链路模型参数，计算出每条用户->卫星上行链路容量；

③ 计算链路容量[9]：计算出带宽受限和功率受限条件下，每条用户->卫星上行链路实际容量上限；

④ 计算每条用户->卫星上行链路数据量：根据每个网格的业务数据量，以及当前时间片下卫星波束覆盖情况，将多重卫星波束覆盖的业务量平均分配到不同卫星的用户上行链路，并结合链路带宽上限，得到各卫星用户上行链路的实际上注业务量，累计求和得到用户业务上行总业务量；

⑤ 计算卫星与地面站的连接关系：根据卫星与地面站建链规则及参数(如仰角、距离等)，得出当前时刻卫星与地面站的连接关系；

⑥ 计算各卫星到地面站的最短路径(暂不考虑星间链路容量受限情况)：基于路由快照序列的思路[10]，结合卫星星座拓扑、卫星与地面站间连接关系，利用Dijkstra算法得出最短路径；

⑦ 计算各卫星业务落地时，每条星间链路负载情况以及卫星->地面站的馈电链路负载情况：根据各卫星用户上行链路的业务量以及卫星->地面站最短路径，计算出该条路径中各链路的业务量(包括星间链路和星地馈电链路)；

⑧ 馈电链路业务容量计算：根据星地馈电链路容量上限以及需要该馈电链路落地的业务数据量，计算该馈电链路上的业务量(即丢弃超出容量上限的业务数据)，并将各馈电链路的带宽占用情况累加，得出该时间片下的系统总容量。

⑨ 星座回归周期的结果统计：在整个回归周期内重复以上计算过程，并将所有时间片的情况进行统计输出。

4 仿真分析

基于Matlab和STK构建仿真环境，STK作为卫星星座构建和卫星网络拓扑分析工具，Matlab作为链路模型、业务模型等模型库构建和网络分析计算平台。本仿真假设卫星采用星上处理方式，以返向链路为例，基于实际业务需求和用户终端能力计算用户上行容量，采用最短路径原则规划星间路由，选取下行容量最大的地面站作为馈电，通过仿真分析星间链路和馈电链路容量、星上G/T、调制方式、星上调制解调器数目以及高低轨协同组网等因素对系统容量的影响，有效指导星座优化设计。

4.1 参数设置

为实现全球覆盖的通信要求，综合考虑现有频率资源使用的可行性，选取优势高轨卫星轨位，设计符合ITU规则的高轨和低轨卫星使用频率。此外，考虑到境外不建站，选取我国的10个关口站，同时借鉴国内外较为先进的技术水平，设置仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数设置

4.2 仿真结果分析

假设每个低轨卫星配置2个馈电波束，每个高轨卫星配置2个馈电波束，每个地面站配备2个低轨馈电波束(北京站配备2个高轨馈电波束，乌鲁木齐站、西安站和喀什站均配备1个高轨馈电波束)。总体来说，增加高轨卫星，对关口站可见星情况并未改善，但由于馈电链路数目明显增加，在一定程度上提升了系统容量。此外，低纬度地区最多同时可见卫星数目小于高纬度地区，且部分地面站(如丽江、三亚)之间距离太近，会同时接入同一个低轨卫星，导致地面站天线难以充分利用。因此，地面站的选址应优先选择高纬度地区，且站间保持一定的距离。

(1) 星间速率、馈电链路容量对系统容量的影响

在低轨星座中，星上G/T= -2 dB/K，通过对比分析星间速率、系统容量、馈电链路容量的CDF曲线，可以得出：当星间最大速率小于0.95 Gbit/s时，网络容量受限于星间最大速率；反之，受限于馈电链路总容量，如图3所示。

当星间速率为1.25/2.5/5/10 Gbit/s四档可调时，网络容量一致，其最小值为11.25 Gbit/s，最高可达16.875 Gbit/s，如图4所示。按照目前技术水平，星间链路速率远大于1 Gbit/s，因此，馈电链路容量将成为影响系统容量的瓶颈。

图3 星间速率限制下系统容量与馈电容量CDF曲线Fig.3 CDF curves of system capacity and feed capacity with ISL rate limitation

图4 系统容量、用户数据量与馈电容量CDF曲线Fig.4 CDF curves of system capacity,feed capacity and user capacity

(2) 调制方式、星上G/T、星上调制解调器数目对系统容量的影响

如图5所示，增加星上调制解调器数目或G/T，可提升单星用户上行速率，可选择较高调制编码，系统容量可实现一定提升，且由上行链路受限变成馈电链路受限。此外，当G/T很小时，增加星上调制解调器数目对单星用户上行速率和调制编码方式并无影响，且系统容量受限于上行链路速率。因此，星上调制解调器数目与星上G/T联合优化设计可提升上行用户业务容量，在一定程度提升系统容量，但应同时考虑到馈电链路容量的限制。

(a) 调制方式

(b) 用户上行速率

(c) 链路容量受限图5 调制方式、单星用户上行速率、链路受限情况与 星上子载波数量、星上G/T的关系Fig.5 Relationship of modulation mode,user uplink rate, link capacity limitation and subcarrier number, payload G/T

(3) 高低轨协同组网对系统容量的影响

分别仿真低轨星座以及高低轨混合星座的系统容量，如图6所示。低轨星座的系统容量最小为11.25 Gbit/s，最大为16.88 Gbit/s，其中，系统容量为12～15 Gbit/s 的概率约89%；高低轨混合星座的系统容量最小为26.56 Gbit/s，最大为32.19 Gbit/s，其中，系统容量为27～31 Gbit/s 的概率约91.5%。因此，高低轨协同组网可有效提升系统容量，有利于增强系统服务能力。

图6 两种星座的系统容量对比Fig.6 Comparison of system capacity with two constellations

5 结束语

本文综述了ITU、3GPP、IEEE等国际组织和世界各国在该领域的规划和已开展工作情况，并对我国空天地一体化网络领域的规划及研究现状进行了介绍。其次，针对空天地一体化网络的网络架构，提出了一种基于时间切片的系统容量分析方法，通过搭建仿真环境来分析星间链路和馈电链路容量、星上G/T、调制方式、星上调制解调器数目、高低轨协同组网等因素对系统容量的影响，对网络优化设计提供有效支撑。目前，面向未来6G的空天地一体化网络目前还处于探索阶段，随着国外卫星互联网星座的井喷式发展，未来几年将逐渐在网络设计和技术路线上达成共识，通过构建全球覆盖、安全可信、多维立体、异构融合的空天地一体化网络，共同实现万物智联、数字孪生等新应用、新体验、新模式的创新探索[11-12]。