随着低轨道卫星网络的快速扩张以及卫星新技术的涌现，卫星通信领域正迎来大规模增长期。卫星通信系统和地面5G/6G无线网络一直相互补充，但独立存在。如今，二者融合的可能性显现，有望构建全球覆盖的多服务一体化通信网络。近期，国际电信联盟旗下《未来与演进技术期刊（ITU J-FET）》以“卫星星座与太空连接”为主题刊发系列文章，本刊组织编译其中的综述文章，重点聚焦卫星通信的未来蓝图，探讨波束跳变和资源分配、频谱接入和信道建模、卫星间路由、天线设计、波形设计、实验测试平台等研究领域存在的挑战，并揭示一些新兴技术的巨大潜力及其在重塑全球互联互通格局中的作用。
一、介绍
当前，卫星通信技术正处于大规模范式转型阶段，从传统的地球静止轨道服务向多层空间网络架构迈进。这一转型过程中，低地球轨道（LEO，简称低轨）卫星、中地球轨道（MEO，简称中轨）卫星和地球静止轨道（GEO）卫星将与地面网络及低空无人机等机载接入点集成，共同构筑覆盖全球的、兼具高吞吐量和低延迟特性的通信网络，全面开启天基蜂窝连接新时代。
图1清晰描绘出上述未来图景，展现出太空、地面与低空机载网络间的相互作用，形成一个垂直集成的多层网络空间系统，自地面延伸至太空，将能够提供多元化的全球连接服务。
图1 与地面和低空无人机基站集成的多层空间网络
基于卫星的连接，可实现太空与地面移动终端及物联网设备的直接连接，正在成为推动第五代（5G+）及第六代（6G）网络发展的关键力量。行业领导者近期发布的一系列公告均凸显出这一趋势。例如，苹果公司与美国全球星（Globalstar）公司合作提供卫星信息服务、美国星链（Starlink）与德国电信子公司T-mobile合作提供全球语音和数据服务、华为与中国电信合作提供卫星视频和语音通话服务、美国AST太空移动公司进行5G语音和数据连接测试试验。除高速数据服务外，物联网也将在卫星—地面（星地）融合网络框架下实现大幅增长，特别是在农村和偏远地区，复合年均增长率将达到25%。
卫星通信领域的革命性进展得益于几项关键技术的进步。其中，最主要的是低轨卫星通信技术的突破。低轨卫星在距离地球表面500~1500千米的轨道上运行，速度稳定在7.11~7.61公里/秒之间，通过大规模部署，能够形成巨型卫星星座。当部署在星座中时，它们可以提供全球覆盖，其天底点入口（地面对卫星）与出口（卫星对地面）链路的传播延迟可被缩短至1.7~5毫秒。星链、英国OneWeb和美国铱星公司等处于低轨卫星通信技术领域前沿的企业正在推动数千颗卫星组成的庞大星座计划落地实施。在设计这些低轨卫星星座时，关键考量因素包括轨道高度、倾角、离心率、轨道平面数量、每个平面中的卫星部署密度、频率资源的合理分配、确保连接稳定的最小仰角等。
此外，相控阵天线技术的飞速发展和机载信号处理能力的显著增强也在推动卫星通信的发展。当前，相控阵天线的尺寸不断增大，如美国AST太空移动公司的第二代卫星已配备128平方米的天线，并计划进一步扩展至400平方米。天线尺寸越大，地面信号接收质量越高，信道容量也就越大，这能为实现稳定、高效的宽带连接奠定基础。同时，相控阵天线还能灵活生成自适应点波束并实时调整其指向，以精准应对不断变化的通信流量需求。另一方面，机载卫星信号处理技术的进步使数据在太空中得以实时再生和优化，能够促进卫星间分组路由的动态调整与效率提升。此外，卫星发射与制造成本的显著降低也会进一步激发产业界对于构建多层空间网络的兴趣。
二、主要研究挑战
尽管新兴的多层卫星网络架构及近期技术突破被寄予厚望，但要实现全面集成的星地网络仍面临诸多研究挑战，一些潜在的解决方案或将有助于促进相关进展。
（一）自适应波束跳变和资源分配
随着在轨点波束和卫星数量的不断增加，对无线电资源的有效管理和干扰协调在未来卫星网络运营中将尤为关键。这需要开发能够适应空间与地面段移动性和不断变化的流量需求的新算法，减轻在不同轨道上运行的波束和卫星之间的有害干扰。针对应对下一代卫星网络干扰挑战，研究人员提出多种潜在解决方案，包括多天线策略（如混合波束成形）、空间和频率多路复用、优化波束指向和自适应波束跳变等技术。
其中，一项研究中重点关注为高吞吐量地球静止轨道卫星网络开发优化的自适应波束跳变调度，即离散优化问题，这在用户位置地形分布不均（异构分布）且卫星射频链可用性有限的情况下尤其重要。该问题旨在将同时服务的用户集群中心间的最小间隔最大化，但这一过程非常复杂。为此，研究人员开发出一种接近最优的多项式时间算法，其最优性差距很小。与其他基准算法（如贪婪分组、迭代K均值聚类）相比，该算法能够更有效地管理波束间干扰，将最坏情况下的信干噪比（信号与干扰加噪声比）提高到13分贝，并将零故障情况下的目标速率提高一倍。
（二）频谱接入和信道建模
未来卫星系统面临的另一关键挑战是频谱资源稀缺。为解决该问题，需要将可用的射频频谱向更高频段拓展，或显著提升频谱使用效率与效益。随着地球静止轨道及非地球静止轨道上卫星数量的激增，尤其是它们对30GHz以下频段的高度依赖，这一问题愈发紧迫。
一个潜在解决方案是将更高频段用于卫星通信。国际电联已在2023年世界无线电通信大会议程中探讨了231.5~252 GHz频段用于装备无源传感器的地球探测卫星服务的可行性。已有研究表明，102~109.5 GHz频段是地面站和卫星之间通信（地星通信）的最佳频段，其上行链路数据速率可达2.6~12 Gbps，下行链路可达25 Gbps。而对于星间链路，111.8~114.25 GHz、116~123 GHz、174.5~182 GHz和185~190 GHz频段被认为是潜力频段，采用具有625个辐射元件的均匀矩形阵列时，可将数据传输率提升至2.5 Gbps。此外，认知无线电技术也被提出作为未来卫星系统频谱管理的创新方案。
除频谱接入外，信道模型在通信系统设计中也十分重要，可捕捉星地链路中多径效应对信噪比的影响。影响信号接收质量的因素包括：大气层对射频波传输的影响、信号散射和反射、多普勒频移等。对此，一项研究提出一种双射线信道模型，该模型在传统模型基础上，结合卫星运动导致的路径上的多普勒频移，提升星地链路的信号接收质量，适用于多种天线类型（如全向天线、偶极天线和贴片天线）。
（三）卫星间路由
未来，卫星网络将具备先进的机载信号处理和数据再生能力，能够实现从传统弯管中继模式向灵活多跳移动网络的转型。这一功能允许卫星间直接进行数据包再生与智能路由选择，进而显著缩短数据从源头至地面终端的物理传输距离，为用户带来低延迟的端到端通信体验。此外，卫星间路由无需大量地面网关和连接地面终端的相关基础设施，能够大幅降低安装成本。
卫星间分组路由的一个重要挑战是开发稳健的数据包转发算法，以适应卫星网络的拓扑变化，同时最大限度地减少路由成本。为此，研究人员为低轨卫星网络开发出一种新型信息中心路由协议Galor。与基于IP的路由相比，Galor支持网络内内容的缓存与聚合。其算法可通过在每颗卫星的一定范围内维持局部细粒度卫星间链路状态，适应卫星间的间歇性连接。其路由决策是基于给定低轨卫星群中主动维护的局部链路状态和粗粒度的全局确定性邻居关系确定的。模拟结果显示，与开放式最短路径优先（OSPF）路由协议相比，Galor能将分组递交率提高2倍；与OSPF算法相比，Galor能将控制成本降低30%以上，并将算法收敛时间缩短为OSPF的1/4。
（四）天线设计
天线设计是释放下一代卫星网络潜能的关键因素。目前，在卫星上应用的天线包括单极天线、偶极天线、喇叭天线、反射器天线、透镜天线和相控阵天线。其中相控阵天线是未来卫星系统的热门选择，由多个小天线元件（如单极、偶极或贴片天线）组成。通过移相器调控这些元件，能够生成多个点波束，动态适应流量需求和卫星仰角，同时支持毫米波与太赫兹频段的卫星间通信，这为卫星网络物理层与网络层（涵盖波束成形、波束跳变、指向优化及路由等）的优化开辟出新路径。
此外，有研究人员提出用于低轨卫星网络的双抛物面圆柱形反射器天线设计。该设计同样支持多波束生成，可广泛覆盖地理区域，通过调整馈源相对于副反射镜焦点的位置，波束可在垂直与水平方向动态倾斜。该天线可在17.8~30 GHz频段（低轨卫星通信的关键频段）内运行，其紧凑结构（14.8×10.4×3.7 cm³，重0.37kg）可展现出高达20~24分贝的方向性增益。
（五）波形设计
波形设计旨在实现卫星网络广覆盖、高数据速率的稳健连接，经典技术包括基于各种接入方法的波形设计，如时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）、按需分配多址（DAMA）。此外，逆向工程分析发现星链的低轨卫星正使用正交频分多址（OFDM）类波形进行下行链路通信。在这一领域，未来挑战将源自与快速移动的车辆进行通信的需求。为此，有研究人员提出一种时延多普勒域的新方法，称为正交时频空（OTFS）调制，具有广泛的应用潜力，特别是在快速移动的低轨卫星上。
（六）实验测试平台
实验测试平台设计对卫星通信技术进步至关重要，可助力研究人员验证理论，并在实际场景中展示算法性能。面对未来星地融合网络挑战，如航天器激增、5G融合及干扰管理，已有研究提出跨越物理层、多路访问层和网络层的测试平台设计，其中软件定义的无线电是关键技术支撑。
德国慕尼黑联邦国防军大学开发出一项名为SeRANIS的测试平台，旨在集成5G非公共网络与卫星通信。该测试平台的空间部分为ATHENE-1低轨卫星，具有跨越UHF、L、S、X和Ka频段的通信能力，可通过激光链路实现卫星间连接；地面部分包括一个用于自由空间通信的光学地面站、多个全动射频天线、多个gNodeB基站和多个5G核心解决方案；还包括一个实验室，配备软件定义的无线电、信道仿真器和在货车上实施的5G移动解决方案。这是首个将5G非公共部署与低轨卫星和综合地面段（包括光学地面站）相结合的测试平台，主要用于卫星与设备的直接连接和低轨卫星回程试验。
编译：中国科学技术信息研究所 黄丹
审校：中国科学技术信息研究所 张丽娟
来源：《科技参考》2024年第58期
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