卫星互联网微波通信技术是基于微波通信手段构建卫星通信链路所涉及的各类技术问题。本章首先分析卫星互联网的定义、组成和特点,然后介绍卫星互联网微波通信系统中的链路、卫星和地球站等基本组成单元,最后从组网的角度描述网络管理和工作频段的基本概念。
随着科学技术的发展和人类生产、活动空间的不断扩大,人们进入万物互联时代,多种多样的互联网服务将涵盖山区、沙漠、海洋、深地、天空、太空等更广阔的区域。然而,目前地球上仍有超过70%的地理空间,约30亿人口未能实现互联网覆盖。一方面,在这些区域进行大规模网络部署需要高昂的成本,包括密集的基站部署、回传网络建设等产生的昂贵的基建费用,光缆的安装租赁费用和网络日常维护费用等;另一方面,地面网络难以覆盖山区、沙漠、海洋、天空等地理范围。卫星互联网作为地面互联网的延伸和补充,是解决此问题的有效手段 [1] 。
受限于网络容量和覆盖范围,传统地面网络技术难以满足陆地偏远地区、海洋、天空,甚至深空等泛在网络空间的潜在通信服务需求。卫星通信具有通信距离远、覆盖面积大的特点,能够不受地面地理条件的限制。卫星网络与地面网络相互融合,取长补短,共同构建全球无缝覆盖的海陆空天一体化综合通信网,可满足用户无处不在的多种业务需求,是未来通信技术发展的重要方向。
与地面固定网络通过光纤入户、移动网络通过布设基站为用户提供服务不同,卫星网络通过卫星及星间/星地无线链路为用户服务。由于地面光纤、基站等的部署受限于地形地貌,在偏远山区或海上无法形成有效的网络覆盖,而卫星具有“居高临下”优势,多颗卫星以一定排列方式共同协作构成一个卫星星座,可实现对全球(或一定区域)的连续无缝覆盖。未来数量庞大的低轨卫星将组成具有全球覆盖、大容量宽带接入、低通信时延的互联网基础设施,为全球用户提供无缝的高速互联网接入。继美国太空探索技术公司(SpaceX)在2015年推出星链(Starlink)计划后,全球互联网公司、初创公司等纷纷申请各自的卫星互联网星座,抢占轨道位置和频率资源。
在此背景下,将低轨、中高轨通信卫星和各种导航、遥感等应用卫星综合在一起,构建功能多样、轨道互补的天基信息网络,并探索与地面网络相融合,建设天地融合的卫星互联网,深度融合空、天、地等网络多维信息,充分发挥不同网络维度的功能,可以打破各自独立的网络系统之间数据共享的壁垒,实现全球全域的无线覆盖和大时空尺度的快速通信服务。
因此,迫切需要建设卫星互联网,既满足我国一系列战略决策对全球全域全时信息服务提出的要求,同时也有利于国家抢占卫星频率、轨道位置等稀缺资源。卫星互联网作为一种新型网络被视为继有线互联、无线互联之后的第三代互联网基础设施,在构建我国完整通信网络中扮演着不可或缺的角色。建设卫星互联网,能够快速发展卫星通信技术、形成完善的网络体系,有利于抢占太空制高点,对于推进我国全球化进程具有重要的战略意义。
早期提供的卫星互联网服务主要是通过地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星来实现,经过几十年的发展,以新一代高通量卫星(High Throughput Satellite,HTS)为代表的GEO卫星通信系统(GEO-HTS)仍是构建卫星互联网的主力。与此同时,以 O3b 系统为代表的中地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)卫星通信系统和以第二代铱星(Iridium NEXT)系统、一网(OneWeb)系统和星链系统等为代表的低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)卫星通信系统在卫星互联网领域正发挥着越来越重要的作用。这些卫星通信系统具有低时延、低成本、广覆盖、宽带化等优点,代表着卫星通信的重要发展方向 [1] 。
GEO-HTS 系统的单星覆盖范围广,少量卫星即可实现全球覆盖。由于卫星数量少且相对地面静止,其组网和频率协调相对容易,系统建设和维护成本较低,但同时存在传输时延大、传播损耗高、不能覆盖南北极区域等不足。提供卫星互联网接入服务的代表 GEO 卫星通信系统包括早期面向企业级用户的 IPSTAR、Spaceway-3等,以及后期快速发展的HTS,如美国ViaSat系列、EchoStar 17、EchoStar 19和我国的中星16号、亚太6D等卫星。
O3b 星座系统是目前全球唯一成功投入商业运营的 MEO 卫星通信系统。第一代O3b星座有20颗卫星在轨运营。目前已开始发射第二代22颗O3b mPOWER卫星,组成42颗卫星的中轨道卫星星座,这些新增卫星将会兼用倾斜轨道和赤道轨道,把O3b星座覆盖范围从目前的南北纬50°之间扩展到地球两极,成为一个真正的全球通信系统。
OneWeb系统分为3个部分。第一部分由648颗工作于Ku/Ka频段的LEO卫星构成,分布在高度为1 200 km、倾角为87.9°的18个轨道面上,每个轨道面部署40颗卫星,星座容量达到7 Tbit/s。第二部分将添加1 280颗V频段MEO卫星,分布在轨道高度为8 500 km、倾角为45°的MEO上。2020年5月28日,OneWeb公司向美国联邦通信委员会(FCC)提交申请再次增加近4.8万颗卫星。截止到2022年3月30日,OneWeb系统已经发射了428颗卫星(都由俄罗斯负责发射,总数为13次),余下的220颗卫星将由美国太空探索技术公司的猎鹰9号火箭发射。
Starlink系统是美国太空探索技术公司建设的一个低轨星座卫星通信系统,能提供覆盖全球的高速互联网接入服务。截止到2022年3月30日,Starlink系统向国际电信联盟(ITU)共申报了约4.2万颗卫星,已累计发射2 303颗卫星,其中在轨运行2 111颗,192颗脱轨,为20个国家约14万用户提供通信服务,其中在15个国家的平均下载信息速率超过100 Mbit/s。
我国的低轨星座卫星通信系统建设也在进行中,相关系统都是面向互联网接入而设计的且都完成了首颗卫星的发射。此外,还有一些民营企业也提出了相关的计划。2021年4月中国卫星网络集团有限公司成立,该公司的成立必将加快我国卫星互联网的建设步伐。
与地面网络相比,卫星网络具有广域覆盖的突出特点,对于实现海上、空中、陆地的全域通信覆盖有明显优势,成为民用通信保障和商业通信应用的一个重要发展领域 [2] 。其典型应用有以下5种。
(1)应急救灾通信保障服务
从历次灾害的救灾工作经验来看,通信联络是通报灾情、疏散群众、请求支援的关键环节,没有一个健全的通信保障体系,救灾工作是无法顺利进行的。应急救灾通信保障服务可利用卫星互联网,通过建设跨系统共享的新型应急通信指挥调度平台,完成日常灾情监测监控、预测预警,并在灾情发生后进行实时监控、定位导航、防灾数据采集、灾情报告及应急救援的指挥调度等,为指挥决策、搜救、医疗等工作提供支撑。
(2)全球移动宽带服务
对于在全球或大范围内移动的用户来说,由于地面网络难以覆盖海洋、空中和陆地偏远地区,卫星通信是解决其移动宽带接入问题的一种有效手段。全球移动宽带服务通过建设统一的运营支撑平台,布设线上、线下营业厅,在全球范围内为大众消费类用户提供基础电信业务和政企类服务。
(3)航空网络信息服务
航空网络信息服务主要针对大型民用运输类飞机和通用航空特种飞机开展。大型民用运输类需求包括驾驶舱高安全级别语音及数据通信服务、北斗/GPS的星基增强定位服务、广播式自动相关监视(ADS-B)、飞机健康管理服务、客舱高速宽带上网(如空中 Wi-Fi)等。通用航空的需求主要包括特种任务宽带通信服务,如航拍红外/可见光图像回传、声音及数据通信服务。图1-1给出了基于Ka频段低轨道通信卫星开展航空网络信息服务示意,包括互联网接入、空管系统和飞机健康管理以及航空公司提供的App增值服务等。
(4)海洋信息服务
海洋信息服务主要包括以下3项。
① 监测数据回传服务:是指把实时监测海洋生物资源、大气质量、海洋水资源、污染物排放范围等的浮标所产生的监测数据进行回传。
图1-1 基于Ka频段低轨道通信卫星开展航空网络信息服务示意
② 高速数据通信服务:是指向远洋运输船、南北极科考站、海洋上科考船、游轮提供双向高速数据通信服务。
③ 日常数据通信服务:是指渔船渔情预报、维权执法、指挥通信服务等。图1-2给出了海洋信息服务示意,低轨通信卫星利用L和Ka两个频段分别提供中低速和高速通信服务。
(5)天基信息中继应用服务
图1-2 海洋信息服务示意
我国陆地测控站和海上测量船一直支撑着我国的航天测控任务,其通信覆盖率相对较低。随着天链中继卫星的应用,该情况得到了一定改善。在现有中继卫星基础上,卫星互联网通过构建覆盖全球的天基骨干网,可进一步提升我国通信测控服务覆盖率指标,支撑我国航天应用的开展。
卫星互联网的无线通信链路包括微波和激光两大类,本书仅涉及采用微波通信链路构建的卫星互联网,不涉及其中的激光通信链路部分。
卫星互联网是基于卫星通信系统、以IP为信息承载方式、以互联网应用为服务对象,能够实现全球范围内互联网无缝链接,随时随地向用户提供宽带互联网接入和业务服务的网络系统。
卫星互联网一般由空间段、地面段和用户段3部分组成,如图1-3所示。空间段是指提供信息中继服务的卫星星座,少则只有一颗卫星,多则可以有成千上万颗卫星,这些卫星可以工作在GEO、MEO或LEO,也可以同时包括2种或2种以上轨道类型的卫星,卫星之间可以有或没有星间链路。用户段是指供用户使用的手持机、便携站、机(船、车)载站等各种陆海空天通信终端。地面段一般包括卫星测控中心及相应的卫星测控网络、系统控制中心及各类信关站等;地面段中的卫星测控中心及相应的测控网络负责保持、监视和管理卫星的轨道位置、姿态,控制卫星的星历表等;系统控制中心负责处理用户登记、身份确认、计费和其他的网络管理功能等;信关站负责呼叫处理、交换及与地面通信网的接口等。其他通信系统是指地面互联网、移动通信网或其他各种专用网络,用户信息通过卫星中继,经馈电链路连接到地面信关站,然后接入地面互联网。不同地面互联网要求信关站具有不同的网关功能 [1] 。
卫星互联网的空间段是一个混合异构的卫星网络,概括其特点就是高、中、低轨道卫星结合,通信、导航、遥感卫星协同。
图1-3 卫星互联网的一般组成
卫星互联网涵盖高、中、低各类轨道卫星,形成一个高中低轨道相配合的混合卫星网络,以解决以往单纯某一轨道卫星系统各自存在的不足。其中,高轨通信卫星一般采用对地静止轨道,其时延大,无法覆盖两极地区;中低轨通信卫星相对地面运动,其通信链路不够稳定,组网控制复杂。如果把高中低轨卫星综合在一个系统中,比如利用高轨卫星实现广域稳定覆盖,用中低轨卫星实现大容量全球覆盖,打破3种通信卫星网络各自独立的体系,实现高中低轨卫星联合组网,是卫星网络的一种可能发展趋势。
除了实现不同轨道高度通信卫星的联合组网,还有可能将各类应用卫星(包括其他系统的通信、导航和遥感卫星)融入卫星互联网空间段,实现通(信)导(航)遥(感)一体化。
此外,受到空间传播环境与网络部署等因素的影响,卫星互联网与地面互联网相比有显著差别。首先,卫星之间距离遥远且存在轨道运动,导致卫星互联网存在信号传播损耗大、传输时延长、拓扑具有动态性、星间和星地链路存在频繁通断现象等缺点;其次,卫星互联网由大量专用系统和专用网络构成,各自长期发展过程中缺乏统一标准,网络的管理实体、应用需求和操作习惯大相径庭,不同管理域异构网络互联互通困难,节点资源协同困难。因此,地面互联网中的一些成熟技术难以直接应用于卫星互联网。
根据网络中完成组网功能的主体是在卫星还是地面,可把卫星互联网的组网方式分为三大类:天星地网、天基网络、天网地网 [3] 。
(1)天星地网:这是目前卫星通信中经常采用的一种组网方式,如 Inmarsat、Intelsat、宽带全球卫星(WGS)等系统均采用这种方式,其特点是天上卫星之间不组网,而是通过全球分布的地球站组网工作来实现整个系统的全球服务能力。在这种网络结构中,卫星只是透明转发通道,大部分的处理在地面完成,所以星上设备比较简单,系统建设的复杂度低,升级维护比较方便。
(2)天基网络:这是具备星上处理能力的卫星采用的一种组网方式,如铱系统(Iridium)、美国先进极高频(AEHF)和后期的星链等系统均采用这种方式,其特点是采用星间组网的方式构成独立的卫星网络,整个系统可以不依赖地面网络独立运行。这种网络结构强化了对通信卫星的要求,把处理、交换、网络控制等功能都放在星上完成,提高了系统的覆盖能力和抗毁能力,但由此造成了星上设备的复杂化,导致整个系统建设和维护的成本较高。因此,这种组网方式比较适合需要提供全球无缝覆盖的卫星通信系统和对网络抗毁性要求比较高的卫星通信系统。
(3)天网地网:介于上述两种组网方式之间,美国计划的转型卫星通信系统(TSAT)就采用这种组网方式,其特点是天网和地网两张网络相互配合共同构成卫星互联网。在这种网络结构下,天基网络利用其高、远、广的优势实现全球覆盖,地面网络可以不用全球布站,但可以把大部分的网络管理和控制功能放在地面完成,简化整个系统的技术复杂度。表1-1给出了这3种组网方式的简要对比。
表1-1 3种不同组网方式的比较 [3]
续表
卫星互联网融合了多种轨道类型和多种应用,导致其网络规模庞大、组成结构复杂,具备以下特点 [4] 。
(1)一星多用,兼顾其他。卫星互联网通过通信、导航、遥感等载荷与平台高效集成,进行协同观测、在轨处理和一体化组网传输,实现网络资源按需配置和灵活服务。
(2)结构复杂,技术难度大。由于时空跨度大,信息维度高,卫星互联网面临海量数据传输、信息实时处理等难题,特别是在资源受限、时空约束条件下,网络的负载能力与可靠性成为突出的瓶颈问题。
(3)网络多源异构,节点动态变化。卫星互联网涉及星间、星地和地面网络,对网络的拓展性和兼容性提出了更高的要求;且由于卫星在轨运动,网络拓扑具有高动态性。
(4)覆盖范围大,应用前景广阔。卫星互联网的覆盖范围从陆地拓展到全球乃至太空,其应用涵盖空间观测、信息传输、处理及应用等多个领域,是人类认识空间、利用空间、进入空间的支撑手段,也是孕育战略性新兴产业的重要载体。
就卫星互联网中的卫星星座部分而言,可根据其轨道构成进一步划分为单层卫星网和多层卫星网。
(1)单层卫星网是指网络中的通信卫星都部署在相同类型、相同高度的轨道上,其网络结构比较简单,当前大部分卫星通信系统是单层卫星网,包括地球静止轨道卫星通信系统(如:Intelsat、Inmarsat等)、MEO卫星通信系统(如O3b等)、LEO卫星通信系统(如Iridium、Globalstar等)。
(2)多层卫星网是指在双层或多层轨道平面内同时布星,利用层间星间链路(Inter-Satellite Link,ISL)建立的立体交叉卫星网络。与单层卫星网络相比,多层卫星网络具有空间频谱利用率高、组网灵活、抗毁性强等优点,能够实现各种轨道高度卫星星座的优势互补,是一种较好的卫星网络组网模式,如星链系统、美军天基红外系统(SBIRS)、我国的北斗卫星导航系统等采用的就是多层卫星组网方式。早在20世纪90年代末期,研究者就提出多层卫星组网的设想,可分为两类:基于 MEO/LEO 或 GEO/LEO 的双层卫星网络和由 LEO/MEO/GEO共同构成的3层卫星网络。在基于MEO/LEO的双层卫星网络中,MEO卫星间用ISL相连,并且MEO卫星可以通过ISL和在自己“视距”内的LEO卫星相连,LEO卫星间没有ISL相连,通过MEO和LEO星座联合为地面移动终端提供卫星移动通信系统服务。对于由GEO、MEO和LEO卫星构成的3层卫星网络,GEO卫星是网络路由算法的决策中枢,MEO卫星完成对地球表面完全覆盖,而LEO卫星主要实现对地面移动终端的接入,在这个星座中,MEO卫星与MEO卫星、GEO卫星与MEO卫星、MEO卫星与LEO卫星、LEO卫星与LEO卫星间都存在星间链路。