面向低轨卫星网络的组网关键技术综述_蒋瑞红.pdf

专题：6G 空间互联网 面向低轨卫星网络的组网关键技术综述 蒋瑞红1，冯一哲1，孙耀华1，郑海娜2（1.北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，北京 100876；2.华为技术有限公司，广东 深圳 518129）摘 要：随着信息通信技术的不断发展，人类对于扩大网络覆盖范围和降低通信时延的要求越来越高。低轨卫星网络是一种利用轨道高度较低的卫星构建的网络体系，具有覆盖范围广、通信时延低等优势。基于此，首先概述了低轨卫星网络的国内外发展现状及其组网所面临的挑战，进一步阐述了低轨卫星网络组网关键技术难点及建议，最后结合分布式、博弈论和人工智能等方法，对潜在可行的低轨卫星组网方案进行了探讨。关键词：低轨卫星组网技术；人工智能；博弈论；6G 空间互联网 中图分类号：TP393 文献标志码：A doi:10.11959/j.issn.10000801.2023032 A survey on networking key technologies for LEO satellite network JIANG Ruihong1,FENG Yizhe1,SUN Yaohua1,ZHENG Haina2 1.State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China 2.Huawei Technologies Co.,Ltd.,Shenzhen 518129,China Abstract:With the continuous development of information and communication technology,the requirements for ex-panding network coverage and reducing communication delay are becoming higher and higher.Low earth orbit(LEO)satellite networking,as a network system constructed by satellites with low orbital altitudes,has the advantages of wide coverage and small communication delay.Firstly,the development status of LEO satellite network around and the challenges faced by LEO satellite networking were summarized.Then,the key technical difficulties and sugges-tions of LEO satellite networking were described.Finally,some potentially feasible LEO satellite networking schemes were discussed,combined with the theory and methods of distribution,game and artificial intelligence.Key words:LEO satellite networking technology,artificial intelligence,game theory,6G space Internet 收稿日期：2023-01-15；修回日期：2023-02-13 通信作者：孙耀华， 基金项目：国家重点研发计划项目（No.2022YFB2902600）；北京市新一代信息通信技术创新项目（No.Z211100004421017）；中国通信学会青年人才托举项目（No.2021QNRC001）Foundation Items：The National Key Research and Development Program of China(No.2022YFB2902600),The Beijing MunicipalScience and Technology Project(No.Z211100004421017),The Young Elite Scientists Sponsorship Program by China Institute of Com-munications(No.2021QNRC001)专题：6G 空间互联网 38 0 引言 卫星通信的概念最早可追溯到英国物理学家亚瑟查尔斯克拉克（Arthur Charles Clarke）1945 年发表在无线电世界杂志上的文章“Extra-terrestrial Relay（地球外的中继）”，设想将部署在地球同步轨道上的人造地球卫星作为中继进行通信，并在 20 世纪 60 年代成为现实。时至今日，卫星通信的覆盖范围广、传输距离远、传输容量大、灵活性强、扩展性好、不受地面自然环境灾害影响等优势1，使卫星通信网络成为学术界和产业界热议的话题，且与 6G 技术相结合推动了卫星通信网络的发展。目前卫星网络主要由 3 类轨道卫星组成，卫星轨道示意图如图 1 所示2。根据飞行高度，从高到低分别是地球静止轨道（geostationary earth orbit，GEO）卫星、中地球轨道（medium earth orbit，MEO）卫星和低地球轨道（low earth oribit，LEO）卫星（以下简称低轨卫星），其中低轨卫星网络通常由多颗低轨卫星协同工作进行组网，数量从数十颗到数万颗不等，其轨道高度通常在 5002000km，可实现全球无死角覆盖，能够为荒漠、戈壁、森林、高山、海洋等网络盲区提供通信服务。相对于高轨卫星，低轨卫星具有时延小、传输损耗小、速率高、成本低等特点，被认为是提升网络覆盖范围及通信效率的重要手段。图 1 卫星轨道示意图2 在未来 6G 空间互联网发展中，低轨卫星网络展现出了广阔的应用前景3。首先，低轨卫星网络可为全球用户提供连续通信服务。由于部分地区的地理位置偏远、地理环境特殊，传统的通信方式难以实现无缝覆盖。低轨卫星组网技术可以通过低轨卫星全面覆盖全球区域，为全球用户提供连续的通信服务。其次，低轨卫星网络可为海量物联终端提供广域泛在接入服务。低轨卫星组网技术可以将较多数量的采用高频段的低轨卫星进行组网，大大提高网络容量，更易于对海量物联终端提供网络连接支持与服务。另外，低轨卫星网络还可为军事通信提供服务，保障军事通信信息的安全性需要加密技术和其他安全措施，低轨卫星组网技术可以满足该要求，为军事通信提供安全可靠的通信服务。近年来，卫星通信技术迅猛发展，卫星组网融入地面网络已经逐渐成为可能，在应急搜救、无人区广域覆盖、智能船舶、海洋牧场、智能航运和海事监测及国防等业务应用上发挥着重要作用。同时，6G 技术也将以低轨卫星为发展契机，开拓新的研究领域，获取更多的智能应用，实现全球互联、智能网络等功能。因此，对于低轨卫星网络的探究已经成为国内外重点研究趋势之一。1 低轨卫星网络的发展现状 随着航天和空间信息技术的蓬勃发展，低轨卫星网络与 5G/6G 技术、物联网、云计算、人工智能（artificial intelligence，AI）等技术相结合，可实现广域范围内的无缝覆盖。在此愿景下，建设卫星互联网逐渐上升为国家战略，且呈现出越来越激烈的国际竞争态势。1.1 国际现状 1991 年美国摩托罗拉子公司铱星推出“铱星计划”，计划部署 66 颗低轨卫星为地面提供通信服务。1998 年，“铱星计划”正式运行，39 电信科学 2023 年第 2 期 但因当时设备和通信价格比较昂贵，在与 2G 网络的竞争中落败。到 2016 年，铱星公司提出基于卫星授时与定位的导航服务技术，证明低轨卫星可作为全球定位系统（global positioning sys-tem，GPS）的替代方案，引发全球关注。2019 年，美国发射部署了新一代铱星系统，除了通信业务外，该系统还可辅助 GPS 实现室内和峡谷地区的定位导航4。目前美国已形成由太空探索公司、Astra、亚马逊、波音公司等为主要核心成员的强大的低轨卫星网络发展团队。2015 年，特斯拉旗下太空公司 SpaceX 的首席执行官伊隆马斯克推出“星链（Starlink）”计划，预计总发射低轨卫星数量达 4.2 万颗，以提供覆盖全球的高速互联网接入服务。2021 年，火箭制造商 Astra 计划部署1.3 万颗低轨卫星组成星座，支持通信、环境和自然资源应用，以及国家安全业务。同时，美国联 邦 通 信 委 员 会（Federal Communications Commission，FCC）宣布批准波音公司发射和运营 147 颗低轨卫星，为用户提供高速宽带互联网服务。2022 年，亚马逊（Amazon）公司推出的“柯伊伯项目（Project Kuiper）”计划，将部署3 236 颗低轨卫星组成太空卫星网络，为全球提供高速宽带互联网接入服务5。英国/印度太空互联网公司 OneWeb，目前拥有世界第二大规模的卫星星座，在轨卫星数量已达540 颗，仅次于 SpaceX 的 Starlink。另外，OneWeb还预计发射 32.7 万颗小型卫星，数量达到之最。加拿大通信公司 Telesat 在 2016 年宣布 推出Lightspeed 计划，预计发射 1 671 颗低轨卫星，提供全球网络服务6。欧洲航天局（European Space Agency）计划进一步开展对低轨导航卫星进行在轨演示，补充伽利略（Galileo）系统。位于卢森堡的LeoSat 公司推出 LeoSat 星座，利用激光通信的方式部署 108 颗低轨卫星，以实现高质量的数据服务通信网络，链路速率最大能达 10 Gbit/s。俄罗斯SPUTNIX 公司计划在2025 年完成部署约200 颗低轨 卫 星。俄 罗 斯 航 天 国 家 集 团 的“球 体（Sfera/Sphere）”的多功能卫星星座项目，计划在17 个轨道上发射 640 颗多用途卫星，其中包含一个由 288 颗卫星构成的低轨通信星座。澳大利亚Fleet（全称 Fleet Space Technologies）公司计划发射 100 颗纳米卫星，主要服务于物联网。2021 年6月韩国政府表示在10年内建设100颗微小卫星组成的卫星星座，早期三星公司还制定了由 4 600 颗微小卫星组成的互联网星座蓝图。1.2 国内现状 我国“十四五”规划和“2035 年远景目标”纲要明确提出要建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的卫星互联网产业。为此，中国航天科技集团有限公司和中国航天科工集团有限公司分别制定了面向低轨卫星组网的“鸿雁星座”和“虹云工程”计划，其中“鸿雁星座”由 300 颗低轨道卫星及全球数据业务处理中心组成，“虹云工程”由 156 颗低轨卫星构成7。北京国电高科科技有限公司打造和运营我国首个低轨卫星物联网星座，即“天启星座”，计划部署 38 颗低轨卫星。航天行云科技有限公司推出“行云系统”，预计发射 80 颗低轨道小卫星，建设一个覆盖全球的天基物联网。电子科技大学参与研制的“TFSTAR 号”卫星搭载了 AI 处理载荷，助力了星载能力的提升。中国科学院软件研究所启动的基于软件定义卫星技术的“天智工程”，可用于低轨互联网建设。我国还有民营企业推动的“银河 Galaxy”计划，预计共发射 2 800 颗低轨互联网卫星，如银河航天集团（1 000 颗）、北京九天微星科技发展有限公司（800 颗）、北京星网宇达科技股份有限公司（30 颗）、上海欧科微航天科技有限公司（40 颗）等。另外，2021 年 4 月 28 日，中国卫星网络集团