我國高通量衛星通信應用發展思考

文 | 席超 尹貴增 盧博軒 楊博 殷杰 金世超

1.航天恒星科技有限公司 2.西北工業大學

在互聯網技術不斷進步和通信業務規模不斷擴大的背景下，媒體化、泛在化、寬帶化是信息網絡發展的基本趨勢。由于存在吞吐量較低、鏈路寬帶單位成本高等問題，傳統的通信衛星已經無法滿足現在的衛星寬帶通信要求。為了適應發展需要，高通量衛星（HTS）應運而生。本文研究了國外高通量衛星的發展現狀，分析了對我國高通量衛星發展的啟示，提出了我國高通量衛星一體化應用架構的設想和相關的十個關鍵技術，給出了我國高通量衛星應用創新的發展方向，以及我國高通量衛星應用的發展思考。

一、國外高通量衛星發展現狀與啟示

根據2008年美國北方天空研究所（NSR）提出的概念，高通量通信衛星，又叫超高吞吐量通信衛星，是對下一代寬帶通信衛星的俗稱。典型高通量衛星通信系統由高通量衛星、各類用戶終端以及關口站三部分組成，與傳統通信衛星相比，高通量衛星采用頻率復用和多點波束技術，在同樣頻率資源的條件下，整顆衛星的通信容量是傳統支持固定通信衛星的數倍[1]，如圖1所示。通常，一顆高通量衛星的通信容量可達幾十到幾百吉比特每秒，使通信單位帶寬的成本得到了控制，有效解決了衛星通信容量不足的瓶頸問題，滿足了高速率的寬帶互聯網接入業務需求。

1.國外典型高通量衛星發展現狀

自2005年世界上第一顆高通量通信衛星“互聯網協議星”（iPSTAR）發射成功，各國都開始投入研制高通量衛星。目前，全球范圍高、中、低軌道高通量衛星同步發展。

（1）典型高軌高通量衛星

衛訊-3（Viasat-3）衛星是迄今為止容量最大的商業高通量衛星，單顆衛星通信容量約為1Tbit/s，擁有1000個Ka頻段點波束，載荷應用了數字波束成型復用技術；衛訊-3具有容量資源動態分配，可針對不同區域的用戶需求靈活調整容量額度，提高服務質量和效率，具備航空和海事通信服務能力，首顆衛星將覆蓋美洲地區，第二顆衛星覆蓋歐洲、中東和非洲，最后一顆衛星覆蓋亞太地區[2]。

休斯網絡系統公司（Hughes Network Systems）的木星-3（Jupiter-3）是迄今為止最重的商業高通量衛星，單顆衛星通信容量可達500Gbit/s，采用軟件定義載荷，具有300個點波束，主要工作頻段為Ka、Q和V頻段，它可以在多個頻段實現數據傳輸和通信，為用戶提供更加穩定、高效的服務體驗。這顆強大的通信衛星將支持飛機上的Wi-Fi、海上通信、企業網絡、移動網絡運營商的遠程傳輸，以及北美和南美地區的衛星互聯網連接，為這些地區帶來高速、可靠的互聯網連接，推動信息化進程[3]。

歐洲衛星通信公司（Eutelsat）的KONNECT VHTS超高通量衛星，通信容量約為500Gbit/s，擁有230個Ka頻段點波束，配備第5代數字處理器，可實現靈活的容量分配和最優的頻譜使用，主要為歐洲、北非和中東提供高速寬帶和移動連接，在覆蓋區域內（無論是地面、空中還是海上），用戶可隨時隨地獲得高通量衛星服務，其性能和服務可與光纖網絡相媲美[4]。

當前高軌高通量衛星主要特點為大容量、高靈活，采用大容量載荷、高靈活捷變點波束設計，通過建設云化處理系統，提供基于需求的網絡彈性和動態擴展所需的敏捷性。其地面信關站可適配載荷進行資源靈活調度，終端側基于靈活捷變模式設計，實現高效接入。

（2）典型中軌高通量衛星

歐洲衛星公司（SES）的“另外三十億人”（O3b）星座系統是目前全球唯一一個成功投入商業運營的中地球軌道衛星通信系統。O3b第一代星座系統將地面分為7個區域，每個區域有10個用戶點波束，由12顆星構成的衛星星座，總用戶波束數為70個（可移動波束）。O3b二代星座系統mPower總容量達到10Tbit/s，通過3萬個點波束提供互聯網服務，具有根據用戶需求調整的能力，可避免波束覆蓋無需求的地區。同時兼用傾斜和赤道軌道，把O3b星座覆蓋范圍從目前的南北緯50°之間擴展到地球兩極，成為一個全球性系統[5]。

中軌高通量衛星兼顧低時延（相比高軌衛星）和廣覆蓋（相比低軌衛星）特點，可提供熱點服務。此類衛星在技術上采用可移動點波束設計，實現透明轉發，面向地面網接入受限的各類運營商或集團客戶提供高速、寬帶、低成本、低時延的互聯網和移動通信服務。

（3）典型低軌高通量衛星

星鏈（Starlink）是由美國太空探索技術公司（SpaceX）于2014年提出的低軌互聯網星座計劃，是一種多軌道多層星座部署。到2023年12月為止，Starlink已發射超過5500顆低軌衛星，總共計劃部署近1.2萬顆衛星，可能會進一步擴展至4.2萬顆，Starlink的用戶數量超過了150萬。星鏈衛星采用可變波束、跳波束、多波束、小波束融合設計，分期、分批次、分版本發射，工作頻段為Ku、Ka、V頻段，波束非全球覆蓋，可根據用戶進行熱點服務，衛星的能力會不斷進行升級更新。星鏈具備星地資源一體化管控與調度，可面向用戶熱點區域進行動態資源和容量規劃。星鏈具有軍民兩用的特性，在商業方面可應用于車聯網、遠程醫療、VR游戲/視頻、工業互聯網、聯網無人機等低延遲網絡，同時也可為偏遠地區等提供應急保障及通信；在軍用方面，具有較強的抗干擾、抗毀及安全防護能力，在俄烏沖突中對戰場作戰和局勢發展起到重要影響[6]。

一網（OneWeb）衛星計劃建立于2012年，計劃通過發射超過600顆小衛星到低軌道創建覆蓋全球的高速電信網絡，主要應用在應急網絡連接、全球通信保障、高空高速低延遲寬帶網絡、偏遠地區家庭、學校固定網絡，同時也解決了鄉間無線網絡運營，所設想的網絡將允許用戶即使在基于地面的基礎設施被損壞時也可進行通信。截至2023年5月20日，一網完成第一代星座計劃618顆衛星部署，正式運營。隨著全球低軌互聯網技術發展，OneWeb開始分期建設規模更大的星座系統，早期的衛星采用透明轉發、固定波束設計，衛星波束全球覆蓋，現在正在向跳波束或可移動波束方向發展[7]。

低軌高通量衛星的優勢在于低時延、高帶寬、全球覆蓋，可提供低時延寬帶互聯接入服務。低軌高通量采用大規模星座部署，相控陣極窄波束設計，快速捷變精準指向；全球服務一張網獨立運營，星地資源一體化管控與調度，面向用戶熱點區域進行動態資源和容量規劃；具備軍民兩用特性，具有較強的抗干擾、抗毀及安全防護能力。

2.國外典型高通量衛星應用系統發展啟示

基于對國外典型高通量衛星發展現狀研究，國外高通量衛星應用系統在載荷和地面處理能力上不斷優化增強，在高中低多軌道層部署建設，目的是構建承載能力更強、資源調度更靈活、服務保障全時空、應用群體泛在和可隨遇接入的衛星通信應用系統。其發展帶給我們的啟示如下。

多軌道一體化應用。建設高、中、低軌高通量衛星系統，實現跨衛星跨軌道無縫切換能力，增強立體多層服務保障能力。

云化處理系統。建設云化處理系統，提供基于需求的網絡彈性和動態擴展所需的敏捷性，以及出色的計算密度。

資源靈活協調。增強星地處理和星地無線資源靈活協調能力。

泛在隨遇接入。應用系統應適配更多場景（陸、海、空、天），提供面向機器的物聯網和面向人的互聯網接入服務，承載更多用戶，終端捷變靈活。

二、我國高通量衛星應用系統架構優化設想與關鍵技術

面向高通量衛星應用發展趨勢和需求，我國高通量衛星應用系統架構可從虛擬化、一體化、靈活化三個方面進行優化設計，具備多星多站一體化管控能力，具備資源虛擬化和靈活調度協調能力，面向用戶一張網服務，支持隨遇接入，如圖2所示。

圖2 高通量衛星應用系統架構

要實現上述一體化優化的高通量衛星應用系統架構，需要突破以下十個方面的關鍵技術。

（1）云化軟件定義信關站架構

利用軟件定義網絡（SDN）和網絡功能虛擬化（NFV）技術，基于靈活可擴展的硬件平臺進行云化軟件定義信關站架構設計。通過設計實現多頻段、多波束、多信關站、不同軌道衛星間的資源靈活調配，支持海量用戶接入控制以及跨信關站和數據中心的動態流量負載平衡。在控制層面實現資源融合，統一的管理和控制層可以對各類接入網絡進行全局資源配置、統籌數據分發和傳輸；基于更豐富的軟件控制功能，為系統提供更多的靈活性，實現多軌道衛星資源可重構能力。

（2）虛擬運營及網絡切片技術

采用網絡切片技術，基于業務類型與應用場景，通過對無線資源（例如波束、頻率、功率等）、無線接入網平臺資源和傳輸資源的靈活共享與切片，構建適應不同應用場景需求的虛擬無線接入網絡，實現資源調配與業務隔離，滿足差異化運營需求及不同等級服務質量（QoS）保障，提升業務部署的靈活性，提高無線網絡資源利用率，降低網絡建設和運維成本；采用虛擬運營技術，掃清各類運營商和服務提供商無法便捷獲取衛星資源障礙，實現將生態化、創新化應用在高通量衛星網絡上。

（3）基于智能預測的靈活資源規劃技術

星地資源調度協調內容包括多軌道衛星資源、衛星波束資源、虛擬化硬件處理資源等。采用基于智能預測的靈活資源規劃技術進行星地資源調度協調，能夠根據用戶分布、需求和行為模型進行智能預測，實現以用戶為中心的星地資源預分配、智能管理以及靈活動態調整，支持跨點波束的數據自適應分流和動態負載均衡。

（4）面向多業務的資源彈性智能管控架構

考慮6G的密集連接、超低延時、大帶寬業務、泛在連接等多類型業務需求，通過對多用戶、多業務行為模式分析與刻畫，在網絡資源虛擬化基礎上，進行多策略虛網映射，克服多系統資源固化、多粒度資源調度慢，網絡服務升級智能化不足等難題，提升高通量通信系統資源利用效率和重要客戶服務質量優化，推動6G網絡從泛在連接向提供高效智能服務轉化。

（5）多網系融合的智能切片優化

面向高服務質量要求的特定行業用戶，通過應用需求分析、業務認知與預測、多網系融合管控，克服切片模式單一、調整困難、選擇靈活性差等難題，實現未來衛星網絡中各類資源的靈活組合、高效共享，為不同類型用戶提供差異化服務，推動未來高通量衛星通信網絡從跨域互聯向多系統融合互聯轉化。

（6）多維智能靈活網絡態勢感知

針對大量用戶復雜網絡應用場景，通過底層資源感知，獲取系統內資源及系統外干擾信息，通過帶內遙測技術高效獲取高通量衛星網絡節點狀態，匯聚網絡整體資源態勢，解決復雜業務場景下多維資源調度不均衡、網絡節點擁塞難題，為業務和流量識別、預測提供基礎信息，為網絡靈活資源調度提供決策依據，推動未來高通量衛星通信網絡從單一信息感知向多維分布式感知轉化。

（7）面向高可靠業務的多星多系統切換技術

面向高可靠業務長時間連續服務要求，通過對帶內同頻干擾進行智能感知、分析和評估，結合多星多頻點資源圖譜態勢匯聚，克服同頻干信聚類分離、雙向業務無縫切換、頻點動態選擇等難題，實現零丟包快速業務無感切換，推動未來高通量衛星通信網絡向多星多系統智能自主靈活切換方向發展。

（8）天地融合組網確定性路由技術

面向未來高低軌協同，天地融合的多制式復雜網絡，通過對多約束條件下的多QoS目標分析、靜態動態流量聚類分解與調度，克服傳統網絡可靠性差、服務質量保障困難等難題，實現未來天地融合網絡中可靠路徑的快速靈活計算與選擇，推動未來高通量衛星通信網絡從各網系獨立分割向多系統協同融合轉化。

（9）泛在彈性高通量衛星通信系統效能評估

面向多網系融合應用場景，通過基于容器的多節點多網系仿真架構，采用真實網絡協議和流量仿真測試，克服傳統網絡仿真模型固化，逼真度受限，業務展示困難等難題，實現多類網系融合、多種管控架構、多維感知機制、多重路由策略的協同效能評估，推動未來高通量衛星通信網絡、低軌網絡和地面網絡的深度融合建設規劃。

（10）多波束平板天線技術

在用戶終端采用多波束平板天線技術，通過天線射頻一體化、扁平化、平板式設計，結合高密度多層垂直互聯等工藝，以及超材料技術，在滿足高中低多軌道、多目標、高動態、高精度跟蹤和穩定通信的同時，發揮用戶終端體積小、重量輕、功耗低、成本低等優勢。

三、我國高通量衛星應用發展方向

鑒于高通量衛星大容量、高速率的顯著優勢，在寬帶接入、空載船載移動通信、應急救援、能源交通、偏遠地區以及復雜地貌地帶通信等行業有巨大應用前景，是未來衛星通信事業發展的重要領域。通過調研研究，對我國高通量衛星應用提出了以下幾個新的方向。

1.基于高通量衛星的LoT應用

近年來，國家陸續出臺了多項政策，鼓勵物聯網（LoT）行業發展與創新，中國物聯網技術產業發展得到了政府的大力扶持。根據《2022—2027年中國物聯網市場需求預測及發展趨勢前瞻報告》顯示，2021年全國物聯網市場規模約為2.63萬億元，同比增長22.9%，2022年市場規模約為3.05萬億元。未來，物聯網市場上漲空間可觀，預計2023年市場規模將達3.5萬億元。

低軌高通量衛星的優勢在于低時延、全球覆蓋，可提供低時延寬帶互聯接入服務，更適合低功耗通信。因此，低軌高通量衛星已經成為與低功耗物聯網設備通信的理想選擇，為既需要高帶寬又需要低成本帶寬連接應用的客戶提供了一個可靠方案。我國應充分把握發展趨勢，積極建設高通量衛星與物聯網融合系統，掌握國際話語權和主導優勢。

2.基于高通量衛星的IFC應用

機上連接（IFC）應用分為前艙數據傳輸和后艙互聯網接入兩個場景[8]。前艙數據傳輸應用場景，包括日常管理功能用于飛機安全監督管理、回傳飛行參數保障飛行、建立數據庫開展大規模數據挖掘潛在危險因素等功能。后艙互聯網接入主要為用戶提供娛樂服務、實時通信、電子商務、醫學營救等項目。

傳統衛星由于帶寬窄、通信速率低、流量資費高的問題，無法實現規?；瘷C上寬帶接入。高通量衛星的出現可為機上寬帶業務提供充足的數據帶寬接入和電信級安全防護，為機上乘客用戶提供穩定可靠高速的數據服務。據數據統計，我國有4000多架民航飛機，平均每天有約1.5萬個航班，高通量衛星通信實現IFC有巨大應用前景。未來機上實現寬帶接入，將為民航業帶來革命性發展。

3.基于高通量衛星的SD-WAN應用

軟件定義廣域網絡（SD-WAN）可為企業構建高速安全、穩定可靠的廣域網，同時大幅降低部署和運維成本，并可基于業務視角來快速構建企業網絡。根據國際數據公司（IDC）發布的《中國SDWAN市場（2022上半年）跟蹤》報告顯示，2022上半年中國SD-WAN市場規模為1.2億美元，同比增長45.8%。其中，基礎設施類達到8000萬美元，同比增長34.0%；服務類達到4000萬美元，同比增長77.7%?？梢?，中國SD-WAN市場也呈現出巨大的潛力和機遇。低軌高通量衛星的出現和發展，可為SD-WAN應用提供新的發展契機，以高通量衛星為載體（衛星網絡），可使其具備全球覆蓋、低時延、大帶寬、不受地理災害影響等優勢。

四、我國高通量衛星應用發展思考

面向未來我國高通量衛星應用發展需求，對開放接口、小型化低成本和6G下的泛在接入方面思考如下。

一是合理開放衛星系統接口。開放衛星通信系統服務接口，推廣虛擬電信運營商（VNO），向潛在的各領域服務提供商釋放衛星平臺資源，促進對基于衛星平臺網絡服務的探索、創新與深加工，激發創新應用模式和服務模式。

二是實現小型化低成本。采用新材料、新工藝、新技術實現用戶終端的小型化、低成本，促進衛星應用從行業向各領域、泛在群體以及個人應用方向擴展。

三是支撐實現6G泛在接入。探索“手機直連衛星”的可行性、技術支撐需求以及天地融合下的衛星能力配置需求，克服空間距離制約和高頻高動態跨星切換等難題，實現終端進一步小型化。推動6G網絡從泛在覆蓋到6G用戶終端泛在接入能力落地轉化。

五、結語

在寬帶通信技術的推動下，衛星通信發展進入了高通量衛星的新階段。面向未來應用需求和發展趨勢，提出了關于我國高通量衛星應用系統的優化架構設想、關鍵技術及創新應用方向，并對我國高通量衛星應用發展進行了相關思考。相信在技術的不斷完善下，關于高通量衛星的創新應用終將為國家發展注入新的活力。