低轨卫星互联网（二）—— 技术篇

撰写：我是吉米

低轨卫星互联网，地面移动网和卫星通信网融合如图1所示。

图1 低轨卫星互联网演进图

基于技术演进的目的，在各自的发展轨道上逐步完善与优化。分别向其自身的发展目标推进，在这一过程中形成了目前的技术架构体系（如图所示）。其中以地面移动网络为主导的技术方向主要致力于实现高速度、大规模数据传输以及极低延迟的特性需求；而以空间信息感知为核心的卫星通信系统则主要致力于实现广域化服务覆盖；随着低轨卫星互联网的兴起及其快速发展的特点逐渐显现出来，在这一背景下两种 originally 独立发展的网络系统开始寻求协同发展路径，并通过相互协作融合的方式共同构建高效的稳定化通信方案。

图2 低轨卫星互联网

一、技术路线

低轨卫星互联网的技术路线主要分为三大方向，如图3所示。

图3 低轨卫星互联网的技术路线

主要是基于卫星网络技术构建的天地一体化通信系统。通过将现有的地面5G技术迁移至低轨卫星星座，在确保原有技术优势的同时与现有地面5G通信网络协同运行。这一架构使得用户可通过卫星与星间链路实现端到端通信连接，并能在不依赖现有地面网络设施的情况下完成数据传输。该系统架构完全独立于现有地面设施，在保障通信质量的同时具备高度可靠性、安全性以及独立性优势。

二是天地网络系统。该系统基于成熟的全球高/中轨道星座通信技术（单星或多星组网），结合低轨卫星的特点进行优化设计，以提升工程可行性。由于卫星之间没有直接的数据传输链路连接，在接收用户的设备上只需将接收的数据直接转发至地面网络即可完成数据传输工作。这使得卫星在功能上可视为地面网络的一个延伸节点。由此可见，在全球范围内开展实时通信业务仅需确保同一颗卫星能够覆盖接收端终端和地面站即可实现业务运行；否则就无法覆盖相关业务范围。目前A system named OneWeb has adopted this architecture and plans to deploy over 70 ground stations worldwide. However, in remote or sparsely populated areas where it is difficult to establish ground stations, there will still exist coverage gaps.

第三部分明确规定了天网地网的技术架构与实现方案。

二、技术标准

技术标准演进路线如图4所示。

图4 3GPP NTN技术标准演进路线

3GPP在其《Release 14技术研究计划书》中明确将"卫星通信与地面通信网络融合"确定为研发目标。随后，在《Release 15技术规范》中正式启动了关于3GPP NTN项目的研发工作,全面研究了卫星接入网协议、系统架构评估、信道建模以及应用场景等,重点关注其对现有NR协议的影响。在《Release 16技术规范》中,NTN项目进一步深化,涵盖了随机接入机制、上下行时频同步管理、调度策略优化、移动性管理方案设计以及接口接口优化等内容

在第17个阶段中, 3GPP成功推出了首版透明转发模式下的融合技术规范, 特别关注卫星通信的远距离传播特性、高速移动场景以及广域覆盖需求, 对透明转发模式下的通信空口协议进行了优化设计, 实现了低频段（L/S频段）手持终端与卫星设备间的直连通信, 并解决了NR支持NTN时射频兼容性问题. 在第18个阶段中, 3GPP则聚焦于NR-NTN宽带覆盖增强、移动性提升以及对10GHz以上高频段频谱的支持, 继续推动卫星通信技术与地面网络的深度融合与发展.

三、关键技术

以低成本且可靠性高的方式实现星间激光通信的技术 星间激光通信技术是支撑现代低轨卫星互联网高效运营的核心支撑体系。该技术通过将激光束作为载波介质，在空间环境中完成图像识别与目标定位等功能性操作。其显著特点在于具备以下优势：一方面能够在极端复杂电磁环境条件下维持稳定运行；另一方面能在有限资源投入下提供持续稳定的高速数据传输服务；再一方面则能有效降低系统的总体占地面积与总重量；最后则能在能耗方面体现出显著的成本效益优势。基于此特点的技术发展将进一步推动全球范围内的测控与监测网络建设向更高水平迈进；预计会导致卫星星座系统的运行成本大幅下降；并使全球测控网络更加可靠稳定

第二点是相控阵天线技术。该技术通过调节阵列天线辐射单元的馈电相位来影响方向图形状，在实际应用中实现了快速扫描与赋形操作的能力。在低轨卫星通信系统中这一技术发挥着关键作用：它有效解决星地之间实时跟踪与无缝切换的关键难题；同时显著提升了通信系统的稳定性和可靠性。此外该技术还具有以下优势：多波束成形特性；抗干扰能力出众；系统的可靠性显著提升等优点；这些特点使其成为实现低轨卫星宽带互联网大规模应用的核心技术

三是采用跳波束时空联合控制技术进行应用部署。该技术通过调节星载多波束天线的空间方向性、频率范围与传输容量以及输出电平等关键参数设置，在实时动态的基础上完成终端端到端通信链路建立与维护工作流程。该方法不仅优化了卫星在信道带宽与功率使用上的效率，并且有效缓解了低轨卫星通信系统中频率资源分配碎片化现象；同时能够实现对卫星通信网络运行状态的有效监控与智能调控功能设计，在提升系统效能方面展现出显著的技术优势

三是采用跳波束时空联合控制技术进行应用部署

四是第四代异构接入技术。6G星地融合通信的目标是通过5G NTN技术实现扩展与升级。以低轨卫星、无人机及浮空器为基础构建的空地通信系统将成为6G的重要组成部分，并支持任意用户在任意时间和地点实现无缝接入服务。要实现这一目标，则需要将非地面网络设备与地面蜂窝网络设备组成异构接入体系，并设计包含统一空口传输、统一接入控制、统一认证、统一组网协议等基础功能；同时需以用户为中心构建智能网络架构；确保用户终端能在星地网络间灵活切换连接状态；并满足不同部署环境和多业务需求的各种实际应用要求。

四、相关组织

该组织整合了移动通信领域的产学研用力量, 负责推动第五代移动通信技术的研究, 并积极开展国际合作. 依托银河航天, IMT-2020(5G)推进组基于卫星互联网试验验证系统, 完成相关设备在低轨卫星星地大动态场景下的静态与动态测试任务, 如图5所示.

图5 5G信号体制在低轨卫星星地大动态场景下在轨测试框图

通过在轨测试实验结果表明，在轨道运行期间OFDM信号波形等关键技术指标均已实现最佳状态；其中在400MHz载波频率下采用8PSK调制方案及4/5码率条件下达到了高达711Mbps的实际数据传输速率；同时在此基础上，在轨测试阶段实现了多个关键通信能力和系统功能的全面验证

从2023年4月起, IMT-2020推进组凭借其组织能力正式成立了5G NTN工作组, 并推动了相关成员单位已发展至80余家（如图6所示）。

图6 5G NTN工作组相关成员

在工业和信息化部等部委的指导下成立IMT-2030（6G）推进组，并有众多国内外企业、高校及科研机构共同参与，在推动6G愿景需求研究的同时积极开展关键技术的研发工作以及标准化建设，并致力于加强国际合作交流并评估其社会经济影响