6G网络构架下星载测控终端的初步构想

胡永勤,王 蓉,张 恒,王军旗

(1.上海卫星工程研究所,上海 201109;2.上海利正卫星应用技术有限公司,上海 201109)

0 引言

2021年6月6日、9月16日和17日,我国工信部IMT-2030(6G)推进组分别发布了《6G总体愿景与潜在关键技术》白皮书、《6G网络架构愿景与关键技术展望》白皮书和《6G 网络安全愿景技术研究报告》等6份报告。2022年3月22日至24日,第二届“全球6G技术大会”召开,发布了总体白皮书《ICDT融合下的6G网络2.0》以及9本专题白皮书,内容涉及数字孪生、下一代协议栈4.0、太赫兹、多址接入、智能超表面、零功耗、量子信息、终端友好、智能轨道交通等多个方面。

6G浪潮汹涌而来,作为使能“万物智联,数字孪生”6G总体愿景的基础支撑,6G网络架构应具备“智慧内生、安全内生、多域融合、算网一体”四大特征[1]。

(1)智慧内生:利用智能检测和估计技术、智能优化技术、智能组网及运维技术[2],实现人工智能技术驱动6G无线网络,奠定万物智联的基础。

(2)安全内生:利用身份认证技术、接入控制技术、通信安全技术和数据加密技术[3],实现6G 网络的内生安全体系构建。

(3)多域融合:天基(高轨/中轨/低轨卫星)网络、空基(临空/高空/低空飞行器)网络与地基(蜂窝/WiFi/有线)网络、海洋网络深度融合,构建空天地海一体化通信网络,实现人联与物联、无线与有线、广域和近域、空天和地面的智能全连接,达成“智慧连接、深度连接、全息连接、泛在连接” 的愿景[4-6]。

(4)算网一体:网络和计算深度融合,实现云、边、网、算的高效协同。网络和计算相互感知,实现算力资源的合理分配,赋能一致化的用户体验,提高资源利用效率[1]。

作为6G网络架构下的重要环节,卫星需要将不同功能的多种测量和通信传输手段有机结合,利用星载测控终端完成与地面、组网星座间的控制信息交互、融合。卫星从单一信息“孤岛”向“智慧网云”转变。由此,卫星测控通信覆盖性、时效性、安全性方面的需求显著提高。

本文基于6G网络架构的特点,初步探讨了6G网络架构下星载测控终端的技术特征,并提出了一种星载测控终端初步设计构想。

1 6G网络星载测控终端技术特征

6G网络架构下卫星测控通信需具备极致的无线接入能力、立体全域的覆盖能力、内生可信的安全能力,实现手段涉及激光通信、星座组网、随遇访问等多种技术综合应用。

1.1 激光通信

激光有极高的定向性,光学增益高,具有较大的频率带宽,非常有利于远距离信息交互。同时,激光通信具备以下特点:(1)通信速率高,在测控通信场景中有效传输时间极短,不易被发现和监听。(2)激光发散角一般为微弧度量级,能量集中,不易被拦截,且受星座中邻近卫星干扰小。(3)通信频率较高,能够避免太空中电磁微波对信息的干扰。因而,激光通信具有极高的安全性,符合6G网络内生安全的要求。另一方面,激光通信可以与测距相结合,可以利用同一套物理设备实现高精度测距与高速通信双重功能。且激光波长较微波短3~5个量级,通信终端可以具备体积小、重量轻的优势,大大降低了对卫星平台的要求,具有较高的应用价值。

工程经验方面,我国的激光通信方案日渐成熟,如表1所示。

表1 我国激光通信技术部分在轨验证情况

此外,2020年2月,我国还完成了LEO-LEO链路星间激光通信在轨验证,最高通信数据率2.5 Gpbs;2020年4月,完成了GEO-地链路激光通信在轨验证试验,最高通信速率10 Gbps。

综上所述,我国激光通信技术取得了长足的发展,可应用于高中低轨卫星各类链路星间通信和 GEO/LEO卫星对地通信领域,能够满足6G时代要求。

1.2 星座组网

星座组网通信是指多颗卫星之间利用星间链路实现信息传输和交互,从而构成以卫星作为交换节点的空间通信网络。星座组网可以降低卫星通信系统对地面网络的依赖,减少地面信关站的设置数量,同时扩大覆盖区域、实现全球通信。此外,信号在星间链路传输时可有效避免大气和降雨导致的衰减,构成闭环的星座通信和数据中继系统。

在6G网络架构下,一种基于软件定义网络(SDN)的移动性管理架构包含管理平面、控制平面、接入与转发平面[7]。管理平面部署在地面网络控制中心;接入与转发平面由LEO卫星星座构成,负责用户终端接入控制和数据转发。控制平面则采用分级控制方案,包括主控制器和从控制器。主控制器(地球同步轨道GEO/中轨道MEO卫星)从SDN北向接口接收地面网络控制中心的移动性管理策略,通过南向接口交互给低轨LEO卫星。从控制器(轨道较高的LEO卫星)一方面可补充GEO卫星难以覆盖的两极地区移动性管理,另一方面可在非均匀分布需求下灵活配置部署LEO卫星。

上述信息交互链路中,低轨卫星(LEO)和中高轨道卫星(GEO/MEO)之间、GEO/MEO卫星和地面站之间使用激光通信完成管理策略传递,低轨卫星之间使用微波或激光方式完成控制策略通信,共同控制LEO卫星星座完成与地表各用户之间的任务,如图1所示。

图1 6G网络架构下一种卫星星座通信方案

在上述高动态通信中,需要通信双方实现精确指向。

采用激光传输方案的星载测控终端需要通过瞄准、捕获和跟踪 (Pointing,Acquisition and Tracking,PAT) 系统完成链路建立,其工作流程如下。

(1)开环瞄准:根据卫星相对位置和各自姿态进行计算并完成光束的初步对准。

(2)捕获:开环瞄准完成后,通过卫星间相互交换信息以进行闭环方式的精细对准。

(3)跟踪:精细对准下克服各种因素干扰以保持对准状态,维持正常通信。

(4)天线驱动:实现光学天线指向变化,确保光束始终对准目标卫星。

对于采用微波传输方案的星载测控终端,建议利用相控阵技术、数字信号处理技术和电控有源器件实现波束指向控制。

考虑地球同步轨道轨位资源有限,也可以使用多颗MEO卫星代替GEO卫星完成星座构建。例如:采用轨道高度1 248 km,轨道倾角42°的8/2/1Walker Delta星座和轨道高度10 354 km,轨道倾角39.4°的24/8/1Walker Delta星座混合组网。STK仿真结果表明,混合星座可以完成对地表的全域覆盖[8]。

在6G网络构架下,LEO星座的卫星轨道高度为300 km左右[9]。轨道高度越低,传输时延和传输损耗越小,可以更好地满足实时业务传输和高速通信业务。但相应的无缝覆盖全球所需卫星数量越多(一般需要数千颗或更多,如“星链”星座)。同时,轨道高度低于300 km后,大气阻力影响显著,卫星需频繁姿态控制操作以维持轨道。因此,需要进行折中考虑。

1.3 随遇访问

在6G网络构架下,以陆地移动通信网络为核心的空天地海一体化“泛在覆盖”通信网络,需要接入海量异构终端。网络内部与外界之间有了大量不安全的攻击入口,对网络接入认证协议、接入控制协议提出了更高的要求[3]。

因此,星载测控终端可设置随遇访问模块,依据6G网络的协议进行身份识别和接入控制。为星座中每个成员进行相应的授权,并通过数字加密技术生成相应的访问密钥。星座内部通信步骤建议如下。

(1)两颗卫星可见弧段开始时,由通信发起方卫星A传输自身密钥和自身请求信息(是否需要通信、传输起始时间等)给接收方卫星B。

(2)卫星B对密钥完成认证后,传送自身密钥和自身状态(忙/闲/健康/故障等)给卫星A。

(3)卫星A对卫星B的密钥完成验证后,若需要通信,且确认卫星B可以满足传输要求,则返回卫星建链成功标志,并开始数据传输;若无需通信或卫星B无法满足通信要求,则处于等待状态,返回无通信标志,直至可见弧段结束。

1.4 其他特征

除了上述激光通信、星座组网、随遇访问特征外,蓬勃发展的频谱感知技术与6G网络架构下的星载测控终端也完美契合。6G网络中,卫星星座网络密度极高,动态频谱共享成为提高频谱效率、优化网络部署的重要手段[10]。而频谱感知是实现认知无线电(Cognitive Radio,CR)中动态频谱共享的前提。通过深度强化学习,结合卫星定位信息,星载测控终端处理软件可实时了解和主动预测无线环境,并根据环境和业务需求灵活扩展迁移频谱。

2 6G网络星载测控终端设计

结合上文的技术特征,图2给出了6G网络架构下星载测控终端一种可能的设计组成框图。星载测控终端由导航接收、微波通信信号收发、光学信号收发与PAT系统、信息处理模块、电源模块等组成。

图2 6G网络架构下的星载测控终端组成

导航接收模块可以接收四大GNSS导航星座(GPS、北斗、Geolileo、Glonass)的信号,用于卫星时间和空间信息解算,完成精确轨道递推,以辅助激光收发系统判断通信建链时机和PAT系统精准捕获。同时,放大后的GNSS信号分路给卫星的导航增强载荷,用于四大GNSS信号完整性监测及信号播发。地面用户终端可以同时接收四大GNSS导航星座信号和6G网络下LEO星座播发的导航增强信号,实现联合定位,提高精度。

射频收发模块采用了射频SIP集成化设计技术,将对地射频收发模块和星间射频收发模块统一设计,提升了模块化、集成化设计效果。

信息处理模块包含定位定轨解算、随遇访问和密钥鉴权、遥测遥控控制等功能,由大规模(数千万门)FPGA、PROM、A/D转换电路、D/A转换电路、接口电路等组成。该模块可以支持智能AI定义和在轨重构,以满足几乎所有场景的星地、星星通信需求。

3 结语

卫星通信网络是实现“万物互联”的6G网络的重要组成部分,是实现空天地海一体化无缝覆盖的关键。本文给出了一种6G网络下星载测控终端的初步设计构想方案。方案中激光星间链路的实现需要关注PAT关键器件、链路快速捕获和稳定跟踪技术。星座组网实现需要关注星座建设成本和卫星数量、卫星效能的折中考虑。星载测控终端信息处理模块的实现则需要关注6G网络通信协议和SDN、AI等技术的发展和应用情况。随着未来新技术的发展和认知的提升,星载测控终端的设计将更加优化,足以满足未来6G网络的应用要求。