6G對發展我國民商衛星互聯網的思考

文 | 禹航 衣龍騰 張程 周業軍

中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部

一、引言

6G就是第六代移動通信系統的簡稱，它是5G系統的延伸和發展，6G網絡將能夠使用比5G網絡更高的頻率，并提供更高的容量和更低的延遲。6G等于“5G+衛星網絡”，即在5G基礎上集成衛星網絡來實現空天地海的“無縫連接”。當前，世界主要國家都把5G作為經濟發展、技術創新的重點，將6G作為謀求競爭新優勢的戰略方向，是實現萬物互聯的關鍵信息基礎設施、經濟社會數字化轉型的重要驅動力量。很多機構和組織發布了與6G技術相關的白皮書，為未來6G技術指標和技術應用指明了方向。多個機構和組織都提到了6G的特點是“星地一體融合網絡”“空天地一體化無縫覆蓋”，6G預計可實現從“萬物互聯”到“萬物智聯”的躍遷。加快6G發展，深化6G與經濟社會各領域的融合應用，將對政治、經濟、文化、社會等各領域發展帶來全方位、深層次影響，將進一步重構全球創新版圖、重塑全球經濟結構。

如今，衛星通信系統隨著移動互聯網的快速發展也取得了一定的進步，逐步打破已有框架體系，從傳統固定通信、廣播、直播到高通量、高靈活、高效益通信發展，從管道服務向衛星互聯網演進，從行業應用向普遍服務轉變，以寬帶互聯為主要特征的下一代衛星通信系統已經逐漸發展起來并有加速趨勢。面向未來，衛星通信與6G取長補短，共同構成全球無縫覆蓋的“天空地海一體化”的綜合物聯網，滿足用戶無處不在的多種業務需求，進一步夯實我國航天信息技術，為國民經濟建設、國家信息安全、科學技術進步、人民生活福祉等諸多方面帶來了飛速躍升。

但以今天的技術水準來看，當前衛星領域研究還存在星地通信網絡融合不充分、傳輸速率和系統容量無法滿足日益增長的終端數據量及傳輸帶寬需求、衛星通信協議和地面移動通信協議無法兼容、各類型終端無法互聯互通、資源分配效率低下等問題。展望未來，我們既需要夯實新興技術的產業化基礎，又需要跨越式長遠謀劃，不斷探索衛星通信與6G融合的路徑，全力打造“天空地海一體化”的綜合物聯網。

二、基于6G的國際態勢分析

1.軌道革命加速進入新周期，高低軌市場競爭愈發激烈

低地球軌道（LEO）通信衛星發射數量較21世紀初實現60倍激增；地球靜止軌道（GEO）衛星近年來部署與新簽訂單均不理想，2017年和2018年訂單數量僅為個位數，2020年因美國聯邦通信委員會（FCC）的C頻段清理計劃有所回升，后續訂單數繼續回落（新訂單主要為補網星及新興小GEO衛星）。LEO與GEO的市場需求是，LEO在時延敏感性高的應用領域具備優勢，預測其市場份額快速增長，呈“趕超”GEO衛星的態勢。通信運營商加快兼并重組，多軌融合發展成未來新趨勢，比如衛迅公司（Viasat）收購國際移動衛星公司（Inmarsat），歐洲衛星通信公司（Eutelsat）收購一網公司（OneWeb），國際通信衛星公司（Intelsat）和太空探索技術公司（SpaceX）合作。

2.高軌高通量升級換代跨越發展，應用服務多樣化

全球衛星寬帶數據業務增長迅速，并逐步向全球覆蓋、更大容量、高靈活性發展。高軌高通量衛星（HTS）是衛星互聯網的重要組成部分，逐步提升衛星互聯網服務能力。從現有高通量逐步演進至甚高通量 （VHTS），并向星座組網、高低軌結合、多種業務融合等方向發展，“衛星物聯網”“衛星大數據”“衛星虛擬現實服務”等新興應用涌現。此外，歐洲量子衛星（Eutelsat Quantum）實現了真正意義上覆蓋范圍、網絡、帶寬、功率等動態可調，載荷靈活性大幅提升。

3.低軌星座加速構建，開始布局產業應用

星鏈（Starlink）一代 、一網已經完成了星座部署，初步實現了全球覆蓋，并在軍事、航空、海洋、能源、電信等多個垂直行業實踐應用。

星鏈星座已完成一期建設目標。截至2023年12月底，星鏈已發射超過5500顆衛星（最終接近1.2萬顆），全球用戶超150萬。一網完成第一代星座計劃600多顆衛星部署，正式運營。亞馬遜公司（Amazon）計劃投資100億美元建設包含3236顆衛星的柯伊伯（Kuiper）低軌寬帶星座，目前已發射2顆試驗衛星。歐盟正計劃發展一個公私合營的彈性、互聯和安全衛星基礎設施計劃（IRIS2）。

4.星地融合技術與應用進一步推進

隨著“手機直連衛星”熱度的持續攀升，衛星運營商、電信運營商和設備制造商合作開展了大量探索。面向消費級手機終端，全球已有4家衛星運營商能夠提供短消息、話音等“手機直連衛星”服務。

SpaceX公司計劃通過星鏈二代衛星為美國電信運營商T-Mobile的用戶提供手機連接服務。AST空間移動公司（AST SpaceMobile）發射藍行者-3衛星（BlueWalker-3），在軌成功展開面積64m2的大型平面天線，是目前部署到LEO軌道的最大商業通信陣列，測試下載速度達到14Mbit/s。領克全球公司（Lynk Global）獲得FCC的“手機直連衛星”服務運營許可。

5.管控與服務技術從研究走向應用

隨著低軌航天器的大規模發展和全球化應用，通過地面站和傳統的數據中繼衛星測運控模式已經無法滿足海量低軌航天器的使用需求，需要開發新的通信系統解決海量航天器的天基管控與高速數據傳輸服務問題。

近三年來，國外基于現有全球覆蓋多波束GEO通信衛星也在開展天基管控和服務的應用研究，并取得一定成果，典型的是Inmarsat的星間數據中繼系統（IDRS），利用其全球覆蓋的Inmarsat-4衛星系統為低軌航天器提供天基按需接入服務。方案能夠提供7×24h的按需數據連接服務和中等規模的數據傳輸，并能夠在所有軌道1000km以下的LEO衛星上支持超過200kbit/s的數據速率。

6.面向6G時代天空地海一體化愿景，衛星通信成為全球信息基礎設施競爭新高地

各國積極戰略布局6G的前瞻性研究，各方也提出了一些關于6G的暢想，并發布相關白皮書，6G愿景將實現天地互聯，空間通信與地面通信的一體化發展，從業務、體制、頻譜、系統等不同層次進行融合，構建空天地海一體化通信系統，實現全球無縫立體覆蓋，用戶隨時隨地接入。

歐洲航天局（ESA）已發布6G白皮書，將通過其電信系統高級研究計劃（ARTES 4.0）與“5G和6G空間戰略計劃”，指導并支持其行業合作伙伴開發新的6G衛星技術，以及利用6G連接的應用和解決方案。ESA力求統一地面和非地面網絡架構，以提供無所不在、無縫、多功能、彈性和可持續的連接。

三、基于6G的衛星互聯網應用場景

衛星通信在6G網絡架構扮演著重要角色，兩者缺一不可。衛星與6G的融合將充分發揮各自優勢，為用戶提供更全面優質的服務。主要體現在：在地面6G網絡無法覆蓋的偏遠地區、飛機上或者遠洋艦艇上，衛星可以提供經濟可靠的網絡服務，將網絡延伸到地面網絡無法到達的地方。衛星也可以為物聯網設備以及飛機、輪船、火車、汽車等移動載體用戶提供連續不間斷的網絡連接，從而大大增強6G系統的服務能力。

基于6G的衛星互聯網可以實現全球全域立體覆蓋和隨時隨地的超廣域寬帶接入能力，在廣覆蓋、公共安全等方面有廣闊的應用場景。

（1）海洋、天空等特殊場景應用

在大力推進海洋經濟發展、加大航運的背景下，衛星通信作為海上唯一通信手段，是潛在的新興通信市場。若采用低軌衛星方案，將可提供時延更短、速率更高、性價比更高、全球覆蓋的寬帶通信網絡，有助于船載、機載通信從低速到高速、從國內至全球的發展。

（2）地廣人稀、海外地區提供低成本通信服務

隨著電信普及服務工作不斷深入，針對擴展到地面通信最難覆蓋的邊疆、深山、海島等區域，衛星網絡將具有一定的部署和維護成本優勢。

（3）作為傳輸備用鏈路，增強地面網絡穩定性

通過衛星網絡承載基站傳輸備份保障和應急等任務，可以有效提高基站抵御各種自然災害的能力，增強地面網絡穩定性。未來還可考慮無線網、核心網部分設備上星作為容災備份節點的可行性。

四、基于6G的衛星互聯網關鍵技術

面向未來6G系統與衛星融合，按照技術演進方向，未來需要突破諸多關鍵技術。

星地融合。為建立全域覆蓋網絡，解決星地系統兼容、終端類型限制、星地小區干擾問題，需開展5G/6G與衛星融合系統構架設計、邊緣計算、網絡切片、衛星與5G/6G融合新波形、混合小區組網、頻譜共享/干擾消除、一體化終端、衛星網絡安全等技術。

頻譜效率提升。為提升頻率復用率、波束調整能力，需進一步研究空分復用、大規模智能波束、密集小區部署、智能調度、動態頻譜、認知無線電等技術。

容量提升。為提升衛星容量，需解決多波束賦形架構、衛星天線陣列、Q/V頻段通信技術、星載跳波束技術、衛星關鍵器件及性能提升、衛星生產線制造等技術。

可靠性和移動性提升。需解決衛星大規模星座頻繁切換、星間交換能力、信關站布局、太空和大氣環境影響問題，研究星座拓撲設計優化、星間寬帶化接口技術、信關站機構研究、信道特性研究、波束切換/星間切換、移動性管理。未來還將把人工智能、太赫茲技術應用于5G/6G的衛星融合，以實現“空天地海一體化”的智能化網絡。

五、基于6G的我國民商衛星互聯網發展思考與策略

從1G到5G，移動通信技術歷經約40年的發展，終于從服務于人走向服務于行業，賦能經濟社會數字化轉型。與此同時，衛星通信再次成為關注的重點?？仗斓匾惑w化是未來網絡實現全球無縫覆蓋的必由之路，而衛星通信在其中扮演著重要角色。圖 1展示了基于6G的空天地一體化衛星互聯網結構。

圖1 基于6G的空天地一體化衛星互聯網結構

瞄準6G愿景，思考我國民商衛星互聯網未來發展勢在必行。按照無縫覆蓋、超高通信速率、智能融合、星地一體化、空間管控與服務等發展態勢，分別提出基于6G的我國民商衛星互聯網的發展策略。

無縫覆蓋。作為未來6G系統的重要組成部分，需要提供在海、空、天域無縫覆蓋和陸地域增補覆蓋的基礎能力，衛星互聯網是實現這一能力的重要途徑。

超高通信速率。超高通信速率作為6G系統的一個重要特征，是我國新一代民商衛星能力提升的重點，Tbit/s量級的通信衛星是該能力實現的有效方案。

智能融合。通過通信、感知、計算實現萬物智聯是6G系統的重要愿景，這對星上數字處理提出了更高要求，全靈活多功能一體衛星系統也要邁出關鍵一步，實現基于通感算的頻帶資源投放及鉸鏈，實現寬帶、廣播等多維業務的智能融合。

星地一體化。星地一體化是6G系統發展的必然歸宿，空口兼容、多模接入是星地融合的關鍵形態，對衛星自身能力提出更高挑戰，“手機直連衛星”系統從空間的角度，給出了星地融合空間段的發展方向。

空間管控與服務。6G系統全球覆蓋、全時接入、全場景服務的要求，意味著我國新一代空間規模更加龐大復雜，對其在軌運行狀態的信息感知和集中管控需求更加迫切。此外，中低軌航天器也是未來6G系統的新增重要服務對象，以滿足實時遙感、空間操作等為代表的空間時敏信息源的通信中繼需求。因此，我國需要在新一代民商通信領域中發展空間綜合管控與服務系統。

六、結束語

以未來6G時代衛星通信發展的國家戰略要求為指引，結合衛星數字化、網絡化、高低軌結合等發展需求，衛星互聯網內容傳送和寬帶接入服務等數據傳遞業務將成為推動市場繁榮的新動力，使衛星通信應用向綜合化方向發展。衛星與地面系統融合，特別是與6G融合成為必然發展趨勢。衛星通信不斷與地面通信系統融合，在通信鏈路通道和廣播組播等方面發揮自身優勢，并逐步從提供管道向成為網絡節點轉變，最終和地面網絡一起組成天地一體化信息網絡，為未來我國民商通信衛星互聯網發展提供了根本的動力。