序

卫星通信由位于地球静止轨道卫星上的转发器控制，在地球上相距数千千米的地球站间架设通信信道。卫星并不直接连接用户，卫星通信仅起到信道中继作用，或者说只是嵌入地面网络中的一段空中链路。地球静止轨道卫星至少需要3颗才能覆盖全球，这3颗卫星可以各自覆盖一定区域，但要实现全球互通，则需要跨区域的卫星地球站通过地面光纤传输系统互联。从这个意义上说，卫星通信总是需要天地互联的。

低轨道卫星的出现使地面的车载终端、背负终端，甚至手持终端都能直接上星，但这些轨道上的卫星相对于地面是运动的，特定的某颗卫星不会总处于某个地面位置的上空，因此往往需要部署数量较多的卫星才能使特定地区的用户持续地获得服务。这些协作工作的卫星群称为“卫星星座”，其数量取决于轨道的高度。卫星间可以通过地球站和地面链路互联，也可以通过星间激光链路互联，或者通过中轨道卫星或静止轨道卫星桥接。多星互联实现了卫星组网。不过，低轨道卫星目前的工作频段是Ka和Ku频段，未来可能还会使用V频段与地面通信，因卫星通信与Wi-Fi信号及地面移动通信使用不同频段，所以低轨道卫星需要配备相应频段的专用地面终端才能接收信号。

地面互联网（即传统互联网）的快速发展与普及催生了卫星互联网的概念。现在往往将卫星链路能够连接到地面互联网的系统看作卫星互联网，这一认识相当于把卫星互联网的出现追溯到与地面互联网的诞生几乎同期。美国太空探索技术公司积极推进SpaceX项目，计划发射4.2万颗卫星并组成“星链”系统，据称其平均下载速度可达80Mbps，借助卫星可将互联网覆盖到全球，为当前地面网络尚未覆盖的区域的消费者、企业和政府提供高速宽带服务，可形成一个与地面互联网重叠的卫星互联网。目前，国内外都有一些类似卫星互联网的项目在规划或实施。卫星互联网中的每颗卫星都相当于一个移动通信基站，除有转发功能外，还可以有路由或交换功能。

近年来，“天空地一体化”或“天地一体化”卫星互联网成为热词，人们对6G设想的主要目标之一也是“天地一体化”，不过人们对卫星互联网一体化内涵的理解尚未取得共识。如果“一体化”要求卫星互联网采用现有地面互联网的协议，则在实现上将面临不少挑战，因为当卫星链路时延较高时，如果仍采用TCP/IP，则效率将受影响，除非开发出一种既适合地面互联网，又能够对卫星互联网优化的通用协议；如果将卫星互联网与地面互联网集中运营管理看作一体化，虽实现难度并不大，但效果并不显著。关于天地一体化的目标与实现方式还需要认真研究。我国《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中明确提出“打造全球覆盖、高效运行的通信、导航、遥感空间基础设施体系”，可见全球覆盖和高效运行是天地一体化的基本要求之一。

本书虽然对天地一体化的卫星互联网未给出明确的定义，但将卫星互联网放在未来天地一体化网络新时代中研究其技术与应用，研究了卫星互联网与地面网络、4G/5G、云计算、人工智能、区块链、量子计算、无人机、边缘计算等的融合，详细介绍了卫星通信技术与组网技术。本书不仅研究技术，而且讨论了应用领域、行业政策、产业规划、产业模式等，内容涵盖网络研究、设计、开发、建设、运营、服务与业务开发等方面，对卫星互联网进行了较为全面的解读。中国的地面网络相对发达，但在海外可落地的网络是短板，中国卫星互联网的发展在政策与应用模式上都有自身的特点。希望本书的出版能引发更多读者对发展有中国特色的、自主可控的卫星互联网的思考，加大创新力度，推进卫星互联网更好地服务于国民经济、社会生活和国家安全。

中国工程院院士

2021年4月22日