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卫星互联网具有不可替代的覆盖优势，是5G之补充，6G之初探。卫星互联网可被视为5G接入网的一种，可与地面共用核心网，在星上通过部署信号处理、链路层、网络层交换路由等功能模块实现空口协议处理及路由转发。6G将是“5G+卫星网络”，即在5G的基础上集成卫星网络来实现全球覆盖。6G将建立空、天、地、海泛在的移动通信网络。卫星互联网的LEO-HTS星座将加速与地面5G网的融合，卫星可通过星载处理（OBP）技术或透明数字处理器（DTP）实现软件定义有效载荷，用户终端低成本是系统大规模部署的关键。GEO-HTS卫星将向超高通量和灵活定制化方向演进，随着网络的规模和复杂性的不断增长，需要更强大的智能地面系统来支撑。
移动通信创新的步伐从未停歇，从第一代模拟通信系统（1G）到万物互联的第五代移动通信系统（5G），移动通信不仅深刻变革了人们的生活方式，更成为社会数字化和信息化水平加速提升的新引擎。5G已经步入商用部署的快车道，通信技术将进一步与云计算、大数据和人工智能等新技术深度融合，带来整个社会的数字化和智能化转型，培育出新的需求并推动移动通信技术向下一代移动通信系统（6G）方向演进和发展。
5G网络的峰值速率、体验速率、用户面时延等指标已经需要系统支持大带宽和超密集组网，而对于全息通信需要的Tbit/s量级的数据传输速率、超能交通场景需要支持的超过1000km/h移动速度等需求指标，依靠5G现有的网络和技术是难以实现的，需要6G新技术的突破。从网络业务需求来看，6G的数据传输速率可能达到5G的50倍，时延缩短到5G的1/10，在峰值速率、时延、流量密度、连接数密度、移动性、频谱效率、定位能力等方面远优于5G，如表1-7所示。从5G技术发展需要完善的角度而言，6G的发展有以下方向：首先，5G基站体系难以覆盖到海面、偏僻雪山等地方，因此需要建立起卫星系统作为补充手段；其次，网络智能化进一步发展，由于基站耗电量很大，5G时代比4G时代速度提高了10倍，但耗电提高了3倍，而降低功耗需要波束赋形技术，其中人工智能将是很重要的角色。
表1-7 5G与6G的需求指标对比
5G向6G的发展必将经历5G演进（即B5G）和6G两个阶段。目前，B5G和6G的定义和技术需求还处于探索阶段，业界并未得到统一的定义。预计未来几年，世界各国将在6G技术路线和发展愿景上逐渐达成共识。作为面向2030年的移动通信系统，6G将进一步融合未来垂直行业衍生出全新业务，并通过全新架构、全新能力，打造6G全新生态，推动社会走向虚拟与现实结合的“数字孪生”世界，真正实现通过“数字孪生”与“智能泛在”实现重塑世界的美好愿景。
6G愿景核心关键词：智慧连接、深度连接、全息连接、泛在连接；汇成一句话“一念天地、万物随心”。“念”强调实时性和思维与思维通信的深度连接；天地：空、天、地、海无处不在的泛在连接；随心体现了无处不在的沉浸式全息交互体验，即全息连接。具体技术有以下几个方面：
（1）网络全要素智能化技术[网元、网络架构、终端、承载业务智能化、网络管理智能化（解决“智慧连接”问题）]。
（2）空间深度扩展技术（天、海）、深度感知、触觉网络、深度学习、深度数据挖掘、心灵感应、思维与思维的直接交互（解决“深度连接”问题）。
（3）全息通信、高保真AR/VR，随时随地无缝覆盖的AR/VR（解决全息连接问题）。
（4）深地、深海、深空、极地、沙漠、孤岛等通信（解决“泛在连接”问题）。
从互联网到移动互联网，实现了固定网和移动网的高度融合，为满足距离拓展、全球随心通，互联网、移动网、天基网融合是必然趋势，如图1-7所示。针对6G，将真正实现天地一张网络设计，动态使用天地频谱、智能支持差异化服务。在6G的实现途径上，一方面，在5G的基础上，研究补充天基网络部分，从而构成天地一体的全球网络，又向6G迈进一步。但是这还不够，还必须面向未来，在人工智能、新频谱利用和共用、新传输理论方面开展研究。另一方面，从3GPP的5G标准推进情况看，R16开始研究并标准化非陆地移动网络技术特征，但是，NTN架构涉及的卫星通信网络与蜂窝网络及技术体系依然彼此独立；需要通过专门的网关设备进行交互。
图1-7 从5G地面移动和卫星网融合到6G天地一体融合移动网
在未来6G网络中，依赖于新型编码技术、超大规模天线、太赫兹和可见光通信、电磁波新维度以及空、天、地一体化网络等潜在使能技术，空口能力将得到极大提升，从而可以为用户提供更加丰富的业务和服务。同时，基于区块链“去中心”分布式账本的无线接入信息记录新方式，使人类工作、生活和娱乐更加便利化，构建一个数据智能感知、万物群体协作、天地一体覆盖和安全实时评估的新型绿色网络。
展望未来，6G技术或将使人类通信区域从平面拓展至空间，高轨高通量卫星、中低轨卫星星座与地面网络深度融合，将在未来网络演进中不断成熟，形成天、空、地一体化网络。这便是卫星互联网建设的远景蓝图。
麦肯锡预测，2025年前，全球卫星互联网产值可达5600亿~8500亿美元。未来，卫星互联网不仅有望成为5G乃至6G时代实现全球网络覆盖的重要解决方案，也将是航天、通信、互联网等产业融合发展的重要趋势和战略制高点。
随着5G在全球范围启动商用服务，卫星与5G的融合也成为热点，包括3GPP、ITU在内的标准化组织成立了专门工作组着手研究星地融合的标准化问题，业内的部分企业与研究组织也投入到星地一体化的研究工作中 [6] 。在星地融合中，卫星可借鉴5G空口的相关技术。同时，由于卫星的高速运动，地面网络拓扑是动态变化的，链路传输时延也较地面高，因此还需要对网络结构、路由协议和空口技术做适应性改造和研发。
星地融合架构既有透明弯管转发，也有星上接入，松耦合与紧耦合的星地融合网络架构将在很长时间内并存；目前，制约星地融合的主要瓶颈是频率资源，随着低轨星座的大面积部署，频率冲突的问题将愈发严重，探索星地频率规划及频率复用新技术是实现星地融合需要解决的首要问题；星地网络全IP化是大势所趋，网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）技术也将成为低轨星座与5G融合的关键研究内容。
5G网络引入NFV和SDN两项新型技术，可以支持多种无线接入方式及集中统一控制管理与大容量业务数据传输功能，使得5G网络新构架具有控制平面与数据转发平面的功能分离化、功能模块化、网络虚拟化和部署分布化特性。低轨星座系统和5G网络的融合也将基于网络功能解耦的基础上，在星地一体化的路由控制设计的同时，实现独立部署、升级与扩展，提高系统应用灵活性与适应性。融合后，功能的部署执行只需要建立在空闲的处理器基础上，而无须关注该处理器隶属于天基系统或地面系统，是预先固化配置或是临时调用。
与地面网络拓扑固定不同，由于低轨卫星高速运动，网络拓扑动态变化；两者的传输时延差别也较大，5G对传输时延的要求短到毫秒（ms）级，而低轨卫星的RTT达到50ms，低轨星座具有了显著的“大时延带宽积”特性，当网络出现拥塞时，窗口下降太快会导致线性恢复过程缓慢。因此5G中和网络拓扑动态变化的路由算法以及传输延迟相关的一些过程需要做适应性修改。目前该领域国内外研究者众多，也提出了许多路由算法，如时间片路由和基于地理位置路由算法等。当前主流的端到端控制TCP协议并不能很好地适应上述“大时延带宽积”的场景，目前针对性的算法研究包括随机接入、闭环功控和混合自动重传等。同时，传输时延长和运动速度快对上行同步造成比较大的影响，这也更需要改进。
星地网络采用统一的空中接口设计有助于实现天地网络间无缝漫游与平滑切换，也有助于减小终端体积并降低终端功耗，为用户提供高质量的一致化服务体验。考虑到未来与地面5G系统的融合，空中接口上可以采用的关键技术包括多载波、新型编码及非正交多址等，目前有部分技术已经逐步在浮空平台等非地面网络中开展试验 [7] 。
● 多载波技术
对于新型的波形，正交频分复用（OFDM）仍然是5G初期的主要技术，而对于非同步轨道卫星来说，由于移动过程通信倾角变化较大，采用多载波技术也可以有效解决多径、遮挡等问题。不同的是，由于覆盖区很大，星地链路的循环前缀、上行随机接入物理信道（RACH）导频独立设计是需要考虑的首要问题。OFDM存在峰均比较大的问题，随着5G的发展，波形优化也会得到快速发展。5G新标准中的F-OFDM（Filtered OFDM）是基于滤波的正交频分复用技术，实现了在频域与时域的资源灵活复用，并把保护间隔降到了最小程度，因此，频域资源与时域资源已经再也没有可复用的空间。其他可以得到进一步复用的就是码域资源以及空域资源。低轨星座系统的多载波技术研究也将会是一个持续优化的过程。
● 新型编码技术
未来星地一体化网络的空中接口面临复杂的业务需求，业务速率范围宽、误码率和时延要求多样化，既需要支持业务速率达每秒数百兆比特的宽带互联网业务，也需要支持每秒几百比特的物联网短数据业务，编码调制方案必须提供多种组合以适应上述复杂业务的需求，因此可考虑与地面5G采用类似的极化码（Polar）与低密度奇偶校验码（LDPC）组合方案。
● 非正交多址技术
与OFDMA相比，非正交接入在时间、频率和空间等物理资源基础上，引入了功率域、码域维度，进一步提高了用户的连接数和信道容量。低轨星座与地面系统在卫星信道环境方面有类似的多径特点，而且载荷功率受限，从这点来说非正交接入更适合低轨卫星。在星地融合空中接口上，功率域方案不易实施，码域方案是较为可行的实现途径。码域的稀疏码多址接入（SCMA）包含两大关键技术：低密度扩频技术和多维/高维调制技术。SCMA和Polar在F-OFDM的基础上，进一步提升了连接数、可靠性和频谱效率。目前针对非正交多址接入的研究还不够全面深入，由于低轨星座的多谱勒是地面的几十倍，在低轨卫星上使用更需要考虑卫星的多普勒影响。由于星上处理能力有限，低复杂度多址算法设计是需要突破的主要技术问题。
低轨卫星用户终端面向两类市场，一类是机、船载等高端用户，而另一类就是数量众多的家庭用户。为了支持大规模商用，一方面卫星用户终端和核心网需与3GPP完全兼容，用户只需要一台终端就可以在卫星与地面网络间实现无缝切换，而对于用户来讲，终端是处在卫星网还是地面网是没有感知的。另一方面，终端需小型化、低成本，这样家庭用户才能接受，能够用得起。为了打开新兴的大规模消费市场，终端低成本是最重要的，而天线的低成本起了决定性的作用。
低轨卫星用户终端要同时跟踪2颗以上卫星，数分钟内在卫星之间无缝切换，以持续保持连接。低成本电扫阵列（ESA）天线能够在毫秒之间形成和调整波束，这使每数分钟在卫星之间切换波束更加简单。基于硅半导体基的电子相控阵天线，可使几厘米大小的晶圆当中拥有大量的发射接收阵列，而晶圆阵列通过大批量生产足以安装智能设备当中，使其可以直接与卫星进行信号传输。再有就是星座卫星数量应尽可能多，降低地面站切换卫星时的角度变化范围，有利于天线小型化和低成本设计。
当今，有十几家公司正在开发和制造平板天线或符合主机平台形状的天线。美国北方天空研究公司预计，从现在到2027年，这些公司平板天线的出货量将达到180万块，收入将超过80亿美元。就目前而言，平板天线的目标客户主要是小型卫星企业和政府客户，因为他们迫切需要平板天线，并可以为高价天线买单，而最终平板天线要像平板电视那样惠及大众，还需要技术上的创新。
英国通信公司OneWeb创始人Wyler宣布他投资的一个项目开发出了低价天线模块，成本仅15美元。Wyler投资1000万美元的企业名称为Wafer LLC，总部位于美国的丹佛。Wafer公司有一个20人的团队在进行电扫描天线阵列的开发，整个天线只有8英寸厚，需要突破的关键在于：天线轻、薄、低功耗同时价格低廉、可大规模生产。初期的测试表明Wafer的终端能够实现50Mbit/s的下行速率，目前Wafer开发的天线工作在Ku频段。一部终端组合使用多个天线“瓦片”可实现更高吞吐量。OneWeb低价电扫天线的成功，为卫星终端售价要控制在200～300美元铺平了道路。
另外，总部位于英国的Isotropic Systems公司的转换光学技术将生产出首个低成本、全电子扫描终端，实现宽带优质服务，帮助OneWeb弥合数字鸿沟。Isotropic Systems将根据OneWeb的消费者宽带服务需求构建一个高吞吐量的LEO终端，价格范围将使消费者能够负担得起宽带服务。Isotropic Systems的开创性全电扫终端将提供无缝切换和无限的瞬时带宽，且只需要传统终端10%的功率。
对于低轨星座卫星载荷在设计上需要考虑支持在轨软件定义和功能重构，在卫星寿命周期内，实现星上通信资源的高效按需调度和配置，能够针对不断变化的应用需求，及时做出调整。具体设计上主要包括波束覆盖灵活性、频率带宽配置和分配、功率分配、星载灵活交换以及空口体制的可重构等。采用相控阵天线技术和动态波束成型技术，针对不同区域、不同用户的业务量变化的需求，支持波束按需动态覆盖。卫星之间有激光星间链路，可在轨实现灵活路由，进行星地一体化的路由控制设计。波形重构主要依托灵活的软硬件处理平台设计，支持不同技术体制波形的重构。
软件定义卫星具有如下典型特征：
（1）需求可定义：软件定义卫星可根据需要重构整个系统，可灵活响应多种不同的空间任务需求，能够满足通信、导航、遥感、科学探测等多种应用场景，提供多种功能，完成多种任务。
（2）硬件可重组：软件定义卫星采用开放系统架构，具有丰富的接口形式，支持各类有效载荷的即插即用，可以根据任务需求进行有效载荷、计算资源、交换资源、存储资源的重组。
（3）软件可重配：软件定义卫星具有一致的程序执行环境，具有丰富的应用软件，可以根据任务需求动态配置和执行不同的App，完成不同的任务。
（4）功能可重构：通过接入不同的硬件部件、加载不同的软件组件，即可快速重构出不同的功能。
卫星工业的核心原则是最大限度地利用最宝贵的频谱资源。优化频谱使用的方案之一是对不同的应用采用不同的频段。
GEO-HTS领域向超高通量和灵活定制化方向演进，“500Gbit/s+”成为下一代系统标配。随着传统卫星频段资源的使用趋向饱和，Q/V频段具备的高带宽、窄波束等优势，使其被广泛认为是下一代超高通量卫星通信系统（VHTS）的首选频段，成为产业界关注的焦点。主流运营商在其VHTS系统规划时，都将Q/V频段作馈电链路使用。一方面，可完全将Ka频段资源分配给用户链路使用，系统容量将大幅提升；另一方面，可使单个信关站传输能力更大、管理的用户波束数量更多，相同卫星容量下所需的信关站数量就能减少，从而降低系统建设总成本。目前，Ka/Q/V频段配置已成为超高通量通信卫星频率方案设计中的共识。例如，为了把尽可能多的Ka频谱资源留给用户波束，休斯Jupiter-3（或叫EchoStar-24）卫星地面系统的馈电波束采用了Q/V频段。Q/V频段比Ka拥有更宽的频谱，提升了每个关口站的Gbit/s吞吐能力，甚至进而减少所需建设的关口站数量。然而，Q/V频段的使用也带来了挑战，主要是在硬件架构和雨衰克服方面。
解决雨衰问题的其中一种方案是将射频链路从雨区关口站切换至非雨区关口站。实现关口站射频系统（RFT）1∶1冗余（每个关口站都有一套备份RFT供切换）成本上不划算，所以建议采用关口站 N ∶ P 冗余方式（有 P 个关口站RFT池，可以根据需要切换使用）。
为此，运营商将数据处理集中在数量较少的数据中心，以减少RFT方面的负担。当发生关口站切换的时候，软件定义网络（SDN）可以极大简化业务流的快速重路由。网络功能虚拟化（NFV）技术的迅速使用将进一步减少硬件占用并简化硬件使用。所有方案结合起来，可以实现在雨衰情况下快速完成关口站切换，为用户的通信服务保持无缝连接。
新卫星能为特定区域提供超过500MHz的通信频谱，但如果这段频谱要提供吉比特每秒（Gbit/s）级别的传输速率，小站终端需要支持更高阶的调制、更复杂的纠错处理。
许多地面系统的出向DVB-S2X载波已能支持64APSK或更高阶调制，500MHz频谱理论上应该可以实现超过1Gbit/s的传输容量。但是，大多数地面系统由于小站终端的前向纠错（FEC）解码器能力受限而无法很好地支持100Mbit/s通信服务，这些系统没有足够大的能力支持大型网络的高速率通信。
将来的地面系统会将FEC解码速率显著提升至2Gbit/s或更高，并支持更高的数据包处理速率，以更好地支持消费者期望的100Mbit/s速率通信服务。
许多卫星制造商已经推出柔性卫星（如SES-17、Inmarsat G7/8/9），卫星能在轨调整波束覆盖区域和容量分配。柔性卫星的这种特性非常适合于动中通应用。
以邮轮应用为例，在冬季，加勒比海域的邮轮活动非常活跃；而在夏天，邮轮要转移至阿拉斯加海岸。北美洲上空的GEO卫星可以同时覆盖这两个地区，关键是要能适时把星上的带宽和能量转移到最需要的地方，而不是让其闲置。
为配合柔性卫星的星上资源实时调整，地面系统要与卫星资源管理系统紧密配合，共同完成对星上资源的管理和重新调配。一次星上资源的重新调配必须要在几秒内完成，整个地面系统的调制/解调部件必须非常迅速地完成调整，并切换至新的工作信道。时间同步至关重要，卫星要与地面系统精确协调，关口站、小站之间也要步调一致。
卫星通信网络的规模和复杂性在不断增长，需要更强大的智能地面系统来支撑。高通量卫星（HTS）在过去十年数量激增，每个卫星网拥有数千、甚至上百万个小站，每个关口站由数百台设备将数据路由到地面网络。由休斯运营的HughesNet网络目前拥有150万套在线小站。
如此大型网络上的每个节点，无论是一个远端小站还是关口站，都需要由功能强大的智能管理平台来监控其设备的操作和运行状况。日益庞大的网络部署对传统的FCAPS（故障处理、配置、统计、性能和安全）网络管理系统提出了挑战。
为了应对这一挑战，运营商（比如休斯公司）从网内设备提取信息，并上传到“云”端（cloud），然后应用人工智能和机器学习，对设备性能数据和突出问题进行挖掘、分析。比如从中可以分析远端小站的天线指向是否出现偏差，或者中频线缆是否受潮。更重要的是，通过对各个环节（如线路）性能进行长时间分析，可以帮助发现其潜在的性能或效率问题。