基于专利分析的国外星间链路技术发展研究

高和 张巍玮 王永芳

（1 中国航天系统科学与工程研究院 2 北京遥测技术研究所）

为减少卫星星座对地面基础设施的依赖，让星座具有更短的传输时延和更高的通信容量，建设星间链路成为星座系统的必然发展趋势。专利承载着全球最新技术情报，本文采用专利分析方法全面洞察国外星间链路技术发展情况。通过在德温特世界专利索引数据库（DWPI）内检索，获取星间链路技术公开专利，从专利申请趋势、技术构成、国外主要创新主体等角度分析星间链路技术发展态势。

1 引言

随着航天事业和通信业务的日益发展，单星工作模式不能满足现代卫星任务的需求，星间链路（ISL）技术可增强卫星网络的覆盖能力和可拓展性，降低端到端延迟，同时减少对地面基础设施的依赖，提高系统容量。20世纪90年代初，摩托罗拉公司（MOTOROLA）设计出一款具有星间链路和星上处理能力的低轨（LEO）通信卫星星座——“铱星”（Iridium）系统，面向全球提供移动话音服务，该系统最早建立星间链路，但因市场运营失败而终止。近年来，卫星星座建设如火如荼，为满足高速的星间通信，大批商业公司研制卫星并采用星间链路来为用户提供服务，如太空探索技术公司（SpaceX）正在建设的低轨卫星星座，从2021年发射的星链－v1.5（StarLink－v1.5）型号开始，以及升级的StarLink－v2均搭载有激光通信载荷。专为政府及企业提供数据传输服务的“低轨卫星”（LeoSat）星座，计划在1400km的低轨道面上部署108颗卫星，通过激光链路提供5.2 Gbit/s的全双工连接。

巨型星座网络的蓬勃建设，引发星间链路技术专利申请激增，通过挖掘和分析专利信息，可帮助创新主体解决科研实际问题，提高技术创新起点，掌握技术发展动态，为企业、科研机构制定发展路线和规划提供有力信息支撑。

2 专利检索情况

本文采用德温特世界专利索引数据库开展专利检索。围绕星间链路领域，主要通过5个方面的关键技术制定检索策略：①星间组网架构设计；②星间链路状态感知技术；③网络路由与协同控制技术；④流量均衡技术；⑤网络安全防护技术。检索日起止日期为1980年1月1日至2023年3月15日，共获得852项全球专利。

专利检索结果

3 发展趋势分析

通过统计星间链路技术专利申请数量，可将其趋势划分为：探索阶段（2010年之前），起步阶段（2011－2019年），快速发展阶段（2020年至今）。

探索阶段

2010年之前，欧美运营商主要探索基于卫星中继的全球移动通信体制。美国摩托罗拉公司建设运营的“铱星”系统是第一代全球卫星通信星座，也是最早的星间链路系统，因为运营亏损，“铱星”计划于1999年宣告破产，导致星间链路技术发展遇挫。从专利申请趋势来看，从1988年摩托罗拉公司提出首项星间链路专利方案以来，至2010年，每年全球申请量低于20项，申请主体不到10位，主要是欧美卫星网络运营商、卫星平台制造商在探索以卫星为中继的全球移动通信体制。例如：摩托罗拉公司1988年提出卫星蜂窝电话和数据通信系统（CA1340967C），该系统是由48颗低轨道卫星通过环形组网结构，向移动用户提供链接；洛马公司（LM）在1996年申请专利卫星星座（US5911389A），用27颗具有交叉链路的卫星可实现地球全覆盖；德国OHB公司1994年提出星间链路的星间通信方法（DE4434826A1），让卫星在彼此可见时直接相互交换信息，以存储和转发地球终端之间的通信信息 。

星间链路全球专利申请量发展趋势

起步阶段

2011－2019年，卫星链路安全和软件定义网络（SDN）成为研究重点。这期间，专利申请量开始逐步形成稳定的增长趋势，象征着星间链路技术的发展重新起步，卫星链路安全被重视，软件定义卫星和网络功能虚拟化技术（NFV）开始兴起。

卫星网络的链路安全问题是限制星间链路应用的关键因素之一，尤其受到美国军方及防务企业的重视，例如：美国波音公司（Boeing）2013年申请的专利——低轨道和中轨道（MEO）信号的天基认证（DE602013076752T2）、基于信任度的安全路由（EP2810419B1）；美国空军（USAF）2017年发明专利定时认证流程（US10546130B1）；欧洲泰雷兹公司（TAS）2018年提出了卫星通信网络中非法流量的检测和过滤方法（FR3086481B1）。

软件定义网络方面，针对星间网络差异化服务弱、资源利用率低等问题，基于SDN/NFV技术的软件定义网络架构，提供面向业务需求的资源配置和服务保障成为重要研究方向。代表性方案有：休斯网络公司（Hughes Network）2015年提出专利软件定义卫星通信网络的集中式路径确定和流量工程（EP3175647B1）；洛马公司关注网络功能虚拟化技术，2016年提出支持虚拟化的卫星平台（EP3529916A4）、跨卫星节点的资源融合方案（US10498595B1）。

快速发展阶段

2020年至今，高中低轨协同工作，激光/微波/毫米波链路组合使用，是星间链路研究的重要方向。2020年，星间链路领域专利申请量迅猛增长，已突破百项，2021－2022年，尽管部分专利由于公开延迟的原因尚未统计在内，但从近两年已经公开的数量来看，整个技术领域的创新热度高涨。究其原因，全球星座建设热潮为星间链路的发展提供了强劲动力。

这一时期，面向大容量、高速率、低时延的通信需求，国外研究机构提出了高中低轨卫星协同，激光/微波/毫米波链路融合的网络架构，代表性方案包括：美国国家航空航天局（NASA）提出为LEO卫星提供连续的双向高速数据传输（US20180309508A1），休斯网络公司提出的综合中低轨卫星通信系统（US20230059412A1）。此外，针对低轨卫星部署密集，网络拓扑变化快，链路通断频繁的特性，国外研究机构在链路状态检测、网络路由协议方面涌现出大批专利，如波音公司提出了NGSO卫星系统的路由（JP2021114764A），洛马公司研究了NGSO卫星网络中的数据包转发机制（EP3921738A4）。

4 国外创新主体分析

美国重点申请人

波音公司是全球最大的卫星制造商之一。2021年，美国联邦通信委员会（FCC）批准了波音公司研制和运营147颗NGSO宽带卫星的申请，允许波音公司在特定V频段频谱上使用星间链路。此外，波音公司参与了美国多个星间链路系统的研制。在星间链路领域，共29项同族专利，以通信组网架构、星上路由技术、链路安全技术为主，分别有12项、7项和5项专利。2011－2013年，波音公司重视卫星链路安全，提出了低/中轨道信号的天基认证机制、基于信任级别的安全路由机制。2014－2019年，波音公司一方面关注自由空间光通信技术，提出动态自由空间光通信网络中的带宽优化和无中断传输（US8200093B2）、高通量空间光通信（CN111865364A）；另一方面，对星际链路通信系统展开了探索，提出火星同步轨道星座设计（US20200162151A1）。2020年至今，伴随NGSO星座发展计划，波音公司基于SDN架构设计了多款NGSO星座路由方案，例如：NGSO卫星系统的路由（JP2021114764A）、NGSO卫星系统的差分路由（US20220263567A1）、具有闭环反馈的自适应自优化网络（JP2021129232A）。

洛马公司的航天业务主要包括卫星和航天器的研发制造，其卫星系统几乎包揽了美国所有军用卫星的生产和发射业务，并提供全球通信服务。在星间链路领域，洛马公司拥有29项同族专利，涉及通信网络架构设计18项，星间网络协同管控技术9项，在美国、日本、加拿大、欧洲等国家和地区展开布局。洛马公司在星间链路领域的专利技术发展情况可以分为两个阶段：2010年以前，该公司致力于MEO通信卫星系统的研究，MEO通信卫星系统（US5890679A）和具有简单卫星网络拓扑结构的MEO星座（US8800932B2）两项专利中，都提出了交叉互联的MEO卫星星座方案，可实现比GEO系统更优异的时延性能、比LEO卫星星座更有效的分集覆盖。2016年至今，该公司步入以SDN/NFV为核心的第二发展阶段，开发出一系列星载软件，基于星间互通实现跨卫星节点的融合资源调度，增强卫星应用功能，这方面的专利包括：支持虚拟化的卫星平台（EP3529916A4）、跨卫星节点的资源融合（US10498595B1）、集群卫星平台之间的状态化（EP3529915A4）、对等卫星通信的服务质量等级选择（US10505623B2），以及卫星间带宽优化范围调整（US10630378B2）。

此外，美国思科公司（Cisco）发展重点是链路感知双向转发检测技术；休斯网络公司较为重视多轨道卫星通信的融合架构以及网络认证与访问控制技术；摩托罗拉公司则是于20世纪初在卫星蜂窝网络系统方面积累了大量专利成果。

欧洲重点申请人

泰雷兹公司在星间链路领域共计申请10项专利，其中5项聚焦在链路安全方面，包括：2018年提出一种用于检测和过滤卫星网络中的非法通信流的方法（FR3086481B1），尤其是克服分布式拒绝服务攻击（DDoS）引起漏斗现象；2020年在量子加密方向布局了2篇专利：通过卫星消息系统安全交换数据的方法（FR3115955A1）、卫星数据传输安全程序和相关传输系统（FR3115954A1）。专利申请内容反映出近年泰雷兹公司十分关注量子加密通信，主张在自由空间光链路中使用量子密钥交换技术，以保证卫星系统数据传输的安全性。

5 关键技术发展启示

1）高中低轨道卫星协同工作，激光链路与微波/毫米波链路组合使用，是卫星通信体制的演进方向。低轨卫星星座建设浪潮火热，但低轨卫星具有网络拓扑动态变化、与地面接触时间短暂、星上载荷资源受限等特性，限制了其传输容量和传输速率。NASA提出在LEO轨道上方设置路由器卫星（SkyRouter），保障高速数据传输并提供数据存储、数据处理附加服务（US20180309508A1）；洛马公司提出让GEO卫星在地面网关和LEO卫星之间利用光学链路中继通信流量；休斯网络公司提出的综合中低轨卫星通信系统，融合了星间、轨间光学链路，以及星地Ka、Q/V、E多频段、多波束组合链路，可提供高速宽带服务和热点覆盖（US20230059412A1）。

NASA、洛马公司、休斯网络公司均已提出高中低轨道卫星协同工作、激光链路与微波/毫米波链路融合通信体质。一方面提升星座服务性能，满足今后大容量、高速率、低时延的通信需求；另一方面，利用高低轨之间的光学链路中继通信流量，能解决频谱和网关着陆权问题。

2）利用地面集中式路由缓解星上计算负担，用户路由与星间主干路由解耦，为美国研究重点。分布式网络存在计算复杂度高、收敛慢且管控困难等缺点，目前难以直接应用于节点处理能力较弱的卫星网络。集中式路由将控制功能从网络节点中分离出来，进而减少节点的处理负担并大幅加强网络的管控能力。

波音公司提出用户路由表与卫星主干路由表的解耦，减少了NGSO系统的计算负担，主干路由表在地面控制器上预先计算，NGSO卫星系统只需实时更新计算用户路由（JP2021114764A）；休斯网络公司提出设置路由管理服务器（RMF）收集链路状态信息，确定路由表，并传输至相应卫星，主干链路上的卫星节点只需根据数据报头中的卫星ID来转发数据（US20230059780A1）；洛马公司提出由软件定义网络控制中心评估所有时变网络路径，及时丢弃超额信息速率数据包，确保NGSO卫星网络中端到端数据流的信息速率和服务质量配置（US11601191B2）。

3）基于SDN架构实现网络资源虚拟化，动态调整资源配置，是解决业务拥塞、保障服务性能的重点研究方向。全球区域用户分布不均、业务突发性强，然而网络带宽资源受限，因此，卫星网络存在局部流量拥塞，但整体资源占用率低的矛盾问题，需采用高效的业务调度和资源管理方式来优化网络性能。软件定义网络具有较高的灵活性，通过网络控制器收集、分析全网流量的分布情况，感知链路带宽利用率，进而能够协调网络资源，实现流量均衡调度，提高服务质量保障。

铱星公司提出地面控制中心收集卫星节点的会话数量和可用带宽信息，评估全网负载进而告知卫星节点实施波束切换、链路切换等拥塞缓解策略（US20200196188A1）；波音公司提出软件定义卫星星座实现多种星上资源的虚拟化，统一由地面资源管理器进行资源动态配置以提供多种不同类型的服务（US11063818B2）。洛马公司提出相邻卫星节点共享带宽资源，可以根据服务质量等级、业务需求、业务优先级、卫星节点之间的距离、天线类型等因素调整相邻卫星间的带宽分配（US10630378B2）。

4）运用人工智能聚类算法主动检测和防范攻击是网络安全防护的发展方向。卫星网络的安全防护一直是各国关注的重点问题，根据近3年欧美主体的专利申请情况发现，基于人工智能算法进行网络攻击检测成为卫星网络安全的重点发展方向。

美国休斯网络公司提出采用“K平均”（K-means）聚类算法，根据传输控制协议中源端口、目的地端口、标志、序列号、确认号/窗口大小、路由路径等数据信息来识别诸如分布式拒绝服务攻击，并对攻击类型和攻击频率进行分类，然后通过分布式协调来主动防止攻击的传播（EP3837822A1）。泰雷兹公司通过监测通信流的总持续时间、数据包的平均传输持续时间、数据包的平均大小、传输速率、传输间隔等特征，采用分类算法来检测和过滤卫星通信网络中的非法通信流（FR3086481B1）。

6 结语

针对全球星间链路技术发展态势，可从如下方面实现核心技术突破：一是高中低轨道卫星协同、激光链路与微波/毫米波链路融合，优化通信体制，提高星间链路的通信容量、传输速率和时延等性能；二是集中式路由机制，将用户路由与星间主干路由解耦，以缓解星上计算负担，并大幅加强网络的管控能力；三是基于SDN架构实现网络资源虚拟化，动态调整资源配置，提升资源占用率，并解决流量不均、业务拥塞等问题，保障端到端服务性能；四是运用人工智能聚类算法主动检测和防范网络攻击，增强卫星网络安全防护能力。