卫星互联网星座国表里提高全剖析

近几年来，美国SpaceX、OneWeb等创新型企业纷繁方案打造低轨卫星星座，引发卫星互联网的提高低潮。本文回忆了可提供互联网宽带接入的传统卫星通讯体系和新兴中低轨卫星互联网星座的提高历程、现状及趋向。团结上下轨卫星体系各自独占的出色性，提出了适于我国国情的上下轨团结的卫星互联网星座方案构思，为我国卫星互联网提高提供建立思绪。

随着卫星通讯武艺提高以及互联网使用情况的厘革，为满意举世不休增长的卫星宽带接入需求，特别是处理乡村等悠远地区的互联网接入成绩，卫星互联网成为卫星通讯与互联网团结的一定趋向。与卫星通讯体系不同，卫星互联网是以互联网使用为办事目标，以一致的网络层为承载平台，可以作为互联网体系好效构成的可独立事情的网络体系。

回忆卫星互联网提高汗青，可以发觉提供互联网办事的卫星星座并不是一个新兴事物，已有近30年的提高汗青，只是提高缓慢，有些尚未实行、有些中途短命、有些使用仅限。近几年来，在谷歌、脸书等互联网巨头的推进和支持下，美国Space X、OneWeb等创新型企业纷繁方案打造由低轨小卫星构成的星座体系，积极抢占太空互联网接入新资源，引发举世性提高低潮。本文重点分析了卫星互联网的看法内在、提高摘要、趋向及挑唆，并团结我国的实践国情提出适于我国提高的卫星互联网的建立方案及需处理的重点成绩。

一、卫星互联网的看法内在

关于“卫星互联网”这一新兴名词，各文献给出了种种不同的界说。本文综合这些界说，将其形貌为：卫星互联网是面向互联网的发达提高，针对地表网络的不敷（如掩盖受限、难以支持高速挪动用户使用、广播类业务占用网络资源较多、易受天然灾害影响等），使用卫星通讯掩盖广、容量大、不受地区影响、具有信息广播上风等特点，作为地表通讯的增补伎俩完成用户接入互联网，可好效处理悠远散、海上、空中等用户的互联网办事成绩。

二、外洋卫星互联网提高现状

依据国际电信同盟对卫星通讯业务的区分，卫星通讯业务可分为安稳、挪动和广播三类。从近10年的提高来看，互联网和宽带多媒体通讯已成为推进卫星通讯向宽带化、网络化提高的主要动力，传统的卫星安稳业务、卫星挪动业务界线越来越含糊，宽带卫星通讯已成为卫星通讯提高的主流。如今，无论是传统的卫星通讯公司照旧新兴的互联网商业公司均极大眷注宽带卫星通讯提高，基于不同轨道的宽带卫星通讯体系或已投入运营，或正在建立，或提出方案假想，这些体系均全盘提供卫星互联网接入办事，积极抢占互联网宽带接入新入口。底下分散从高、中、低轨三个方面先容外洋卫星互联网的提高现状。

（一）高轨宽带卫星通讯体系

典范的高轨宽带卫星通讯体系主要包含早前面向企业级用户的IPSTAR、宽带举世地区网（Broadband Global Area Network）、Spaceway-3等高轨宽带卫星通讯体系，以及终期面向群众需求快速提高起来的以ExeDe Internet为代表的一系列高通量宽带通讯卫星。

IPSTAR卫星通讯体系

IPSTAR是2005年8月发射的事先天下上容量最大的通讯卫星，可为亚太地区22个国度和地区的用户提供多媒体广播、宽带网接入、视频聚会会议等高轨宽带业务。卫星使用Ku/Ka殽杂频段，可为亚太地区提供Ku频段点波束（84个）、Ku频段赋形波束（3个）、地区广播波束（7个）以及18个Ka频段点波束掩盖。体系总带宽45G带宽，此中12G掩盖中国全境。

宽带举世地区网

宽带举世地区网是基于Inmarsat-4卫星的举世卫星宽带局域网，是一个支持挪动业务的卫星通讯网络。体系事情频段在L波段，下行速率为216kbps~432kbps，抬升速率为72kbps~432kbps，完成了从模仿向数字、从传统电路互换向因特网业务、从窄带话音数据向宽带高速数据的转化。卫星体系可掩盖举世85%海洋范围，可为挪动用户提供视频直播、宽带网络接入等多种办事。

Spaceway-3卫星通讯体系

Spaceway-3卫星通讯体系是由休斯网络体系公司研制并运营，于2007年发射升空，是天下上首颗具有在轨切换和路由才能的卫星。Spaceway-3经过接纳Ka频段、多波束及星上快速包互换武艺，大大延长网络传输时延，可掩盖美国全部和加拿大大局部地区。体系总通讯容量10Gbps，可包容165万个用户终端，容量是Ku频段通讯卫星的5～8倍。

ExeDe Internet

ExeDe Internet由ViaSat公司的ViaSat-1和ViaSat-2宽带通讯卫星构成，分分发射于2011年和2017年，是现在容量最大的高轨宽带卫星通讯体系。ViaSat-1接纳Ka波段点波束武艺，总容量为140 Gbps，下载速率为12 Mbps，可满意200万以上用户的卫星互联网接入需求。ViaSat-2卫星为迄今为止波音公司发射的最大卫星，整星容量300 Gbps，掩盖面积为ViaSat-1的7倍，可为250万用户提供高达25 Mbps 的宽带办事。

（二）中轨卫星互联网星座

中轨卫星互联网星座主要以O3b方案为代表。O3b，即其他30亿（Other 3 billion），为处理由于地域、经济等要素，举世剩余30亿未能接入互联网人群的上网成绩，互联网巨头谷歌公司、媒体巨头John Malone旗下的外洋有线电视运营商Liberty Global以及汇丰银行团结组建O3b网络（O3b networks）公司。O3b公司从2013年6月开头连续告捷摆设了8颗MEO卫星，共掩盖7个地区，接纳Ka频段，单星吞吐量约为12 Gbps。2014年9月，8颗卫星全盘运营，提供中继带宽为600Mbps、时延不凌驾150ms的办事才能。2014年10月18日，最初4颗卫星被发送入轨，构成12颗中地球轨道卫星星座。

（三）低轨卫星通讯体系

自20世纪90年代以来，西欧等兴旺国度相继掀起了两次低轨星座提高低潮。上世纪九十年代初期，面向一局部挪动通佩办事，低轨卫星迎来第一次提高低潮，摩托罗拉、劳拉、阿尔卡特、波音等公司相继提出二十多种低轨星座方案，连续建成极具代表性的Iridium（铱星）、ORBCOMM、Globalstar等低轨卫星通讯体系。但是，由于市场定位禁绝、建立本钱热血，投入运营的Iridium、ORBCOMM、Globalstar体系均于2000年前后停业，其他项目也都相继公布停止。近几年，在互联网使用、弱小卫星制造和低本钱发射等武艺提高的驱动下，面向卫星互联网接入办事，低轨星座研讨迎来范围更大、更剧烈的第二次提高低潮，典范的低轨星座有OneWeb、Starlink等。

1.传统低轨卫星通讯体系：

铱（Iridium）卫星通讯体系

铱星体系是举世唯一的接纳星间链路组网、举世无缝掩盖的低轨星座体系。Iridium一代体系在1998年建成并开头商业运营，1999年宣告停业，后被“新铱星”公司收买。Iridium星座轨道高度780 km，由分布于6 个轨道面的66 颗卫星构成，用户链路接纳L频段。Iridium二代经过对一代卫星的渐渐晋级，如L频段设置48波束的收发相控阵天线、用户链路增长Ka频段、设置软件界说可再生处理载荷等办法完成了更高业务速率、更大传输容量以及更多功效。从2017年1月开头至2019年1月11日铱星二代已完周全部组网发射，摆设后传输速率可达1.5 Mbps，运输式、便携式终端速率分散可达30 Mbps、10 Mbps。二代体系还具有对地成像、航空监督、导航加强、景象监督等功效。

ORBCOMM体系

ORBCOMM星座于1996年正式启动面向举世的数据通讯商业办事。星座体系由约40颗卫星及16个地表站构成，轨道高度740～975 km，共7个轨道面。星座内里无星间链路，用户链路接纳VHF频段。比拟于第一代体系，二代ORBCOMM卫星质量增长3倍，接入才能提升了6倍。如今拥有举世最大的天基AIS（船舶主动识别体系）网络办事。

Globalstar体系

Globalstar体系于1999年开头商业运营。体系接纳玫瑰星座计划（高度1400 km），由48颗卫星构成，用户链路为L、S波段，经过无星间链路、弯管纯透转发的计划，低落建立本钱。Globalstar二代体系进一步提高了体系传输速率，增长了互联网接入办事、ADS-B（广播式主动干系监督）、AIS等新业务。

2.新兴低轨卫星互联网星座：

OneWeb体系

OneWeb卫星互联网星座由原O3b创始品行雷格?惠勒（Greg Wyler）创建的OneWeb公司提出，方案摆设近三千颗低轨卫星，初期接纳Ku频段，后续向Ka、V频段扩展。星座初期方案发射720颗卫星，轨道高度1200 km，接纳计划简便的纯透转发办法，经过地表关隘站直接面向用户提供互联网接入办事。OneWeb单星分量不凌驾150 千克，单星容量5 Gbps以上，可为设置0.36 m口径天线的终端提供约50 Mbps的互联网宽带接入办事。同时，OneWeb公司现已取得美国联邦通讯委员会受权，同意其在美国提供互联网办事。2018年12月13日，据悉OneWeb初期星座范围将缩减至600颗，以低落完成举世掩盖本钱现在OneWeb进入摆设阶段，2019年2月27日，已发射首批6颗卫星。

Starlink卫星互联网星座

Starlink卫星互联网星座由Space X公司提出。Space X方案建立一个由近1.2万颗卫星构成的卫星群，由分布在1150km高度的4425颗低轨星座和分布在340km支配的7518颗甚低轨星座构成。低轨星座选择了Ku/Ka频段，有利于更好地完成掩盖；甚低轨星座使用V频段，可以完成信号的加强和更有针对性的办事。Space X方案让如此的网络掩盖地球任何地点。Space X估计该体系到2025年将有4000多万用户，营收到达300亿美元。Space X在星座运营同时，更专注于卫星制造。因此，Space X必要更大融资量，估计必要融资100~150亿美元。

LeoSat卫星互联网星座

LeoSat卫星互联网星座由LeoSat公司提出，方案构建由108颗卫星构成的卫星星座，提供举世高速数据传输办事。星座摆设在1400公里的LEO轨道上，接纳6个轨道面，每个轨道面上摆设18颗卫星。LeoSat接纳Ka频段，为用户波束提供1.6Gbps的带宽。LeoSat星座将会使用星间链路，并接纳光通讯。与OneWeb和SpaceX不同，LeoSat公司主要为当局及企业提供数据传输办事，方案为3000余家大型企业及机构用户提供高速数据接入办事。

（四）外洋卫星互联网星座分析

由以上各体系提高现状可见，无论是传统的卫星通讯公司照旧新兴的互联网商业公司均提出了很多有特征的宽带卫星通讯体系来完成卫星互联网使用，卫星互联网已不仅仅限于中低轨道。下表从体系范围、体系容量、掩盖范围等多方面具体分析了高轨、低轨卫星使用体系各自的优缺陷。

可见，高轨卫星通讯体系和低轨卫星互联网星座各有出色性。低轨卫星互联网星座在掩盖范围、补偿数字鸿沟、网络时延、体系容量等方面才能上风分明，用户终端装备更易完成小型化、手持化。高轨卫星通讯体系频率和谐相对容易，运转寿命更长，体系建立及维护本钱相对更低。别的，固然低轨卫星互联网星座体系容量高于高轨宽带通讯卫星，但高轨卫星在经过点波束会合传输高带宽容量方面更具上风（比如为地区用户提供高清球赛直播等办事方面）。因此，卫星互联网星座的建立需统筹上下轨体系出色性，完成上风互补。

三、外洋卫星互联网提高趋向

（一）由传统高轨星座向中低轨星座提高

由于中低轨星座具有效户多样性、用户容量大、传输时延短、终端装备小、发射功率低阶特点，新兴的卫星互联网星座广泛倾向于接纳中低轨道。比如，OneWeb轨道高度1200Km，Starlink星座轨道高度从1150km高度到340km。但为了举世掩盖，低轨卫星互联网星座屡屡体系范围巨大，比如OneWeb估计发射720颗，Starlink卫星互联网星座估计发射1.2万多颗。值得思索的是，星座向中低轨道提高将奉献宏大的代价——体系的繁复化和范围巨大化。

（二）与地表通讯网络互助提高

吸取早前铱星体系停业的履历，近几年提高的全新卫星互联网星座接纳了与地表网络互助提高的理念，将电信运营商作为客户，主要着眼于光纤无法掩盖地区，成为地表通讯伎俩的扩展。新一代GEO体系接纳帮助地表组件武艺，经过设置天地一致的空中接口和事情频段，用户终端可依据网络掩盖情况，完成在天地网络之间的无缝切换。

（三）全新投融资、市场策划形式

新兴卫星互联网星座的摆设、运营和办事渐渐接纳本钱互助的办法来完成。比如，OneWeb接纳全新的融资形式，首轮融资5亿，投资的公司包含软银团体、空中客车、巴帝企业、高通、适口可乐、维京团体等非卫星制造公司，第二轮融资12亿美元，由日本软银团体领投。Starlink卫星互联网星座接纳来自谷歌和富达投资公司10亿美元的投资。同时，也将一局部消耗者作为目标用户，不出售自用卫星终端装备，而持续接纳现有智能手机拜候网络。

（四）制作卫星制造工场，批量制造

分析铱星等体系的停业缘故，星座投入本钱过高、研制周期过长，用户包袱过高，将极有约莫招致星座建立错过提高最佳机会。为此，经过接纳新武艺，增长商用产业级器件比例以低落卫星本钱、将卫星体系模组化以延长卫星制造周期是古代星座批量消费卫星的新趋向。比如OneWeb引用汽车制造的看法，将卫星各体系模组化，工场每周能消费16颗卫星，一年可完成648颗卫星。

四、我国卫星互联网建立方案构思

（一）我国提高卫星互联网的必要性

新时期，我国经济、政治、文明、社会等范畴优点渐渐向外洋拓展，随之而来，我国对举世及时无缝信息保证的需求大大增长。面向如今天下低轨卫星互联网星座的提高低潮，我国也亟需把握机会，抢占资源，建立自主可控、举世掩盖的卫星互联网星座。

但是，我国建立低轨卫星互联网星座存在以下两方面限定。一方面是对举世建站的限定。低轨星座完成举世掩盖的主要办法是经过地表布站办法，但是由于我国国情限定，我国无法使用举世地表布站办法来完成卫星通讯的举世办事。另一方面是频率轨位资源限定。现在国际上频率轨位资源稀缺，低轨频率资源更是被朋分殆尽，我国频率资源积累不敷，在国际上处于弱势位置，难以保证低轨星座互联网建立，严峻束缚我国卫星互联网提高。

因此，从我国实践情况动身，建立纯低轨的卫星互联网星座并不实际，可思索经过上下轨星间链空间组网的办法打破举世地表布站限定和频率资源匮乏限定，富裕使用高轨卫星体系出色性，冲破政治地缘限定，确保卫星互联网业务宁静可靠，同时为用户提供更优质办事体验。

（二）我国提高卫星互联网方案假想

基于以上缘故，本文提出如图所示的上下轨团结的卫星互联网架构方案。在该方案中，低轨星座只存在同轨链路，没有异轨链路，不同轨道面经过高轨卫星转乘。相较于纯低轨方案（包含异轨星间链路），本方案的组网架构时延固然约莫稍长，但可以克制由于异轨星间链路方位俯仰厘革大而招致的链路维持困难、网络安定度低阶缺陷，可以在变小网络总链路数的同时提高网络连通性和办事质量。别的，在低轨卫星数目相反的情况下，固然单条上下轨星间链本钱高于异轨星间链，但由于纯低轨方案（包含异轨星间链路）需设置异轨星间链数目宏大，其总本钱远高于本方案，本方案更具上风。

具体地，所提出方案的物理架构、网络架构以及组网办事方案计划如下。

物理架构方面：接纳GEO+复合型LEO星座的物理架构，此中，GEO卫星的主要功效是主干传输、大型节点接入办事、业务分派、运转办理以及作为低轨各星间的中继节点。低轨星座接纳不同类轨道高度、倾角、升交点赤经卫星构成的复合型轨道星座，具体如图2所示。相较于单一型轨道星座，复合型轨道星座所构成的举世掩盖方案愈加机动，掩盖特性愈加多样。同时，复合型轨道星座可依据办事需求和掩盖地区内的业务量在不同典范轨道卫星之间动态分派业务。

网络架构方面：由面向用户中央、面向数据中央、面向信息互换的三个办事网络以及面向云化网络的办事平面构成。改动已往天基网络资源和谐及设置困难、网络方案呼应时间过长，长时作为一种专网存在的场面，使网络成为可设置的办事资源，用户可按需获取网络资源，自行办理专属分派的假造网络资源，获取所需办事。

组网办事方面：具有举世全网全程资源按需获取、主动摆设和智能调优的才能，全盘支持SDN／NFV／MEC的业务动态编排和网络切片武艺，可以将传送网、接入网、数据中央网络和用户网络端到端的协同起来，从而完成对网络拓扑、信道带宽、传输质量、时延需求的敏捷按需呼应，保证用户体验。

（三）我国卫星互联网星座需处理的紧张成绩

为完成所提出的上下轨组网的卫星互联网方案必需处理如下多少紧张成绩：

1.上下轨网络协同组网成绩

针对高轨、低轨卫星殽杂星座体系，团结地表用户接入及天地信息网络交融需求，需展开上下轨物理层协同成绩研讨，顺应于大范围、高延长、高动态厘革的空间平面化路由协议武艺研讨，并处理弹性组网成绩，以补偿天基网络固有的脆弱性，提高整个网络全时全域的连通性。

2.挪动性办理成绩

针对所构建的卫星互联网星座节点特别是低轨星座节点高动态活动、面向用户的多星多波束经常切换等特点，需重点展开基于身份与地点分散的挪动性办理、多波束无感快速切换、自顺应链路速率厘革、网络资源快速调治和控制等紧张武艺研讨，好效低落网间挪动切换时的切换时延、信息丧失等业务损伤，提高网络挪动性办理效能和办事质量。

3.与地表网络交融成绩

面向卫星互联网与地表互联网的交融需求，需重点展开卫星互联网与将来互联网异构协议软件界说互联计划、基于多维网络资源假造化的网络切片、使用驱动的网络控制，按需网络资源调治等紧张武艺研讨，完成卫星互联网与地表互联网高效可靠的互联互通。

4.网络宁静成绩

针对卫星互联网情况广域开放、链路间歇连通和资源不均且受限等特点，需重点研讨具有扩展和演进才能的卫星互联网网络宁静保证体系，研讨顺应网络要挟时空厘革和多样化职责必要的网络宁静保证模子和交互控制机制，宁静战略的动态呼应、主动适变、无缝迁徙和抗毁容错机制等，为卫星互联网的宁静可靠运转提供体系化宁静保证。

在如今举世卫星互联网建立低潮的情势下，基于我国在航天产业和互联网产业的武艺基本，我国应积极抢占这一宏大市场，牢牢把握我国卫星互联网走向举世办事的汗青提高机会。

转自丨学术plus

作者丨高璎园，王妮炜等

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