6G对发展我国民商卫星互联网的思考

文 | 禹航 衣龙腾 张程 周业军

中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部

一、引言

6G就是第六代移动通信系统的简称，它是5G系统的延伸和发展，6G网络将能够使用比5G网络更高的频率，并提供更高的容量和更低的延迟。6G等于“5G+卫星网络”，即在5G基础上集成卫星网络来实现空天地海的“无缝连接”。当前，世界主要国家都把5G作为经济发展、技术创新的重点，将6G作为谋求竞争新优势的战略方向，是实现万物互联的关键信息基础设施、经济社会数字化转型的重要驱动力量。很多机构和组织发布了与6G技术相关的白皮书，为未来6G技术指标和技术应用指明了方向。多个机构和组织都提到了6G的特点是“星地一体融合网络”“空天地一体化无缝覆盖”，6G预计可实现从“万物互联”到“万物智联”的跃迁。加快6G发展，深化6G与经济社会各领域的融合应用，将对政治、经济、文化、社会等各领域发展带来全方位、深层次影响，将进一步重构全球创新版图、重塑全球经济结构。

如今，卫星通信系统随着移动互联网的快速发展也取得了一定的进步，逐步打破已有框架体系，从传统固定通信、广播、直播到高通量、高灵活、高效益通信发展，从管道服务向卫星互联网演进，从行业应用向普遍服务转变，以宽带互联为主要特征的下一代卫星通信系统已经逐渐发展起来并有加速趋势。面向未来，卫星通信与6G取长补短，共同构成全球无缝覆盖的“天空地海一体化”的综合物联网，满足用户无处不在的多种业务需求，进一步夯实我国航天信息技术，为国民经济建设、国家信息安全、科学技术进步、人民生活福祉等诸多方面带来了飞速跃升。

但以今天的技术水准来看，当前卫星领域研究还存在星地通信网络融合不充分、传输速率和系统容量无法满足日益增长的终端数据量及传输带宽需求、卫星通信协议和地面移动通信协议无法兼容、各类型终端无法互联互通、资源分配效率低下等问题。展望未来，我们既需要夯实新兴技术的产业化基础，又需要跨越式长远谋划，不断探索卫星通信与6G融合的路径，全力打造“天空地海一体化”的综合物联网。

二、基于6G的国际态势分析

1.轨道革命加速进入新周期，高低轨市场竞争愈发激烈

低地球轨道（LEO）通信卫星发射数量较21世纪初实现60倍激增；地球静止轨道（GEO）卫星近年来部署与新签订单均不理想，2017年和2018年订单数量仅为个位数，2020年因美国联邦通信委员会（FCC）的C频段清理计划有所回升，后续订单数继续回落（新订单主要为补网星及新兴小GEO卫星）。LEO与GEO的市场需求是，LEO在时延敏感性高的应用领域具备优势，预测其市场份额快速增长，呈“赶超”GEO卫星的态势。通信运营商加快兼并重组，多轨融合发展成未来新趋势，比如卫迅公司（Viasat）收购国际移动卫星公司（Inmarsat），欧洲卫星通信公司（Eutelsat）收购一网公司（OneWeb），国际通信卫星公司（Intelsat）和太空探索技术公司（SpaceX）合作。

2.高轨高通量升级换代跨越发展，应用服务多样化

全球卫星宽带数据业务增长迅速，并逐步向全球覆盖、更大容量、高灵活性发展。高轨高通量卫星（HTS）是卫星互联网的重要组成部分，逐步提升卫星互联网服务能力。从现有高通量逐步演进至甚高通量 （VHTS），并向星座组网、高低轨结合、多种业务融合等方向发展，“卫星物联网”“卫星大数据”“卫星虚拟现实服务”等新兴应用涌现。此外，欧洲量子卫星（Eutelsat Quantum）实现了真正意义上覆盖范围、网络、带宽、功率等动态可调，载荷灵活性大幅提升。

3.低轨星座加速构建，开始布局产业应用

星链（Starlink）一代 、一网已经完成了星座部署，初步实现了全球覆盖，并在军事、航空、海洋、能源、电信等多个垂直行业实践应用。

星链星座已完成一期建设目标。截至2023年12月底，星链已发射超过5500颗卫星（最终接近1.2万颗），全球用户超150万。一网完成第一代星座计划600多颗卫星部署，正式运营。亚马逊公司（Amazon）计划投资100亿美元建设包含3236颗卫星的柯伊伯（Kuiper）低轨宽带星座，目前已发射2颗试验卫星。欧盟正计划发展一个公私合营的弹性、互联和安全卫星基础设施计划（IRIS2）。

4.星地融合技术与应用进一步推进

随着“手机直连卫星”热度的持续攀升，卫星运营商、电信运营商和设备制造商合作开展了大量探索。面向消费级手机终端，全球已有4家卫星运营商能够提供短消息、话音等“手机直连卫星”服务。

SpaceX公司计划通过星链二代卫星为美国电信运营商T-Mobile的用户提供手机连接服务。AST空间移动公司（AST SpaceMobile）发射蓝行者-3卫星（BlueWalker-3），在轨成功展开面积64m2的大型平面天线，是目前部署到LEO轨道的最大商业通信阵列，测试下载速度达到14Mbit/s。领克全球公司（Lynk Global）获得FCC的“手机直连卫星”服务运营许可。

5.管控与服务技术从研究走向应用

随着低轨航天器的大规模发展和全球化应用，通过地面站和传统的数据中继卫星测运控模式已经无法满足海量低轨航天器的使用需求，需要开发新的通信系统解决海量航天器的天基管控与高速数据传输服务问题。

近三年来，国外基于现有全球覆盖多波束GEO通信卫星也在开展天基管控和服务的应用研究，并取得一定成果，典型的是Inmarsat的星间数据中继系统（IDRS），利用其全球覆盖的Inmarsat-4卫星系统为低轨航天器提供天基按需接入服务。方案能够提供7×24h的按需数据连接服务和中等规模的数据传输，并能够在所有轨道1000km以下的LEO卫星上支持超过200kbit/s的数据速率。

6.面向6G时代天空地海一体化愿景，卫星通信成为全球信息基础设施竞争新高地

各国积极战略布局6G的前瞻性研究，各方也提出了一些关于6G的畅想，并发布相关白皮书，6G愿景将实现天地互联，空间通信与地面通信的一体化发展，从业务、体制、频谱、系统等不同层次进行融合，构建空天地海一体化通信系统，实现全球无缝立体覆盖，用户随时随地接入。

欧洲航天局（ESA）已发布6G白皮书，将通过其电信系统高级研究计划（ARTES 4.0）与“5G和6G空间战略计划”，指导并支持其行业合作伙伴开发新的6G卫星技术，以及利用6G连接的应用和解决方案。ESA力求统一地面和非地面网络架构，以提供无所不在、无缝、多功能、弹性和可持续的连接。

三、基于6G的卫星互联网应用场景

卫星通信在6G网络架构扮演着重要角色，两者缺一不可。卫星与6G的融合将充分发挥各自优势，为用户提供更全面优质的服务。主要体现在：在地面6G网络无法覆盖的偏远地区、飞机上或者远洋舰艇上，卫星可以提供经济可靠的网络服务，将网络延伸到地面网络无法到达的地方。卫星也可以为物联网设备以及飞机、轮船、火车、汽车等移动载体用户提供连续不间断的网络连接，从而大大增强6G系统的服务能力。

基于6G的卫星互联网可以实现全球全域立体覆盖和随时随地的超广域宽带接入能力，在广覆盖、公共安全等方面有广阔的应用场景。

（1）海洋、天空等特殊场景应用

在大力推进海洋经济发展、加大航运的背景下，卫星通信作为海上唯一通信手段，是潜在的新兴通信市场。若采用低轨卫星方案，将可提供时延更短、速率更高、性价比更高、全球覆盖的宽带通信网络，有助于船载、机载通信从低速到高速、从国内至全球的发展。

（2）地广人稀、海外地区提供低成本通信服务

随着电信普及服务工作不断深入，针对扩展到地面通信最难覆盖的边疆、深山、海岛等区域，卫星网络将具有一定的部署和维护成本优势。

（3）作为传输备用链路，增强地面网络稳定性

通过卫星网络承载基站传输备份保障和应急等任务，可以有效提高基站抵御各种自然灾害的能力，增强地面网络稳定性。未来还可考虑无线网、核心网部分设备上星作为容灾备份节点的可行性。

四、基于6G的卫星互联网关键技术

面向未来6G系统与卫星融合，按照技术演进方向，未来需要突破诸多关键技术。

星地融合。为建立全域覆盖网络，解决星地系统兼容、终端类型限制、星地小区干扰问题，需开展5G/6G与卫星融合系统构架设计、边缘计算、网络切片、卫星与5G/6G融合新波形、混合小区组网、频谱共享/干扰消除、一体化终端、卫星网络安全等技术。

频谱效率提升。为提升频率复用率、波束调整能力，需进一步研究空分复用、大规模智能波束、密集小区部署、智能调度、动态频谱、认知无线电等技术。

容量提升。为提升卫星容量，需解决多波束赋形架构、卫星天线阵列、Q/V频段通信技术、星载跳波束技术、卫星关键器件及性能提升、卫星生产线制造等技术。

可靠性和移动性提升。需解决卫星大规模星座频繁切换、星间交换能力、信关站布局、太空和大气环境影响问题，研究星座拓扑设计优化、星间宽带化接口技术、信关站机构研究、信道特性研究、波束切换/星间切换、移动性管理。未来还将把人工智能、太赫兹技术应用于5G/6G的卫星融合，以实现“空天地海一体化”的智能化网络。

五、基于6G的我国民商卫星互联网发展思考与策略

从1G到5G，移动通信技术历经约40年的发展，终于从服务于人走向服务于行业，赋能经济社会数字化转型。与此同时，卫星通信再次成为关注的重点。空天地一体化是未来网络实现全球无缝覆盖的必由之路，而卫星通信在其中扮演着重要角色。图 1展示了基于6G的空天地一体化卫星互联网结构。

图1 基于6G的空天地一体化卫星互联网结构

瞄准6G愿景，思考我国民商卫星互联网未来发展势在必行。按照无缝覆盖、超高通信速率、智能融合、星地一体化、空间管控与服务等发展态势，分别提出基于6G的我国民商卫星互联网的发展策略。

无缝覆盖。作为未来6G系统的重要组成部分，需要提供在海、空、天域无缝覆盖和陆地域增补覆盖的基础能力，卫星互联网是实现这一能力的重要途径。

超高通信速率。超高通信速率作为6G系统的一个重要特征，是我国新一代民商卫星能力提升的重点，Tbit/s量级的通信卫星是该能力实现的有效方案。

智能融合。通过通信、感知、计算实现万物智联是6G系统的重要愿景，这对星上数字处理提出了更高要求，全灵活多功能一体卫星系统也要迈出关键一步，实现基于通感算的频带资源投放及铰链，实现宽带、广播等多维业务的智能融合。

星地一体化。星地一体化是6G系统发展的必然归宿，空口兼容、多模接入是星地融合的关键形态，对卫星自身能力提出更高挑战，“手机直连卫星”系统从空间的角度，给出了星地融合空间段的发展方向。

空间管控与服务。6G系统全球覆盖、全时接入、全场景服务的要求，意味着我国新一代空间规模更加庞大复杂，对其在轨运行状态的信息感知和集中管控需求更加迫切。此外，中低轨航天器也是未来6G系统的新增重要服务对象，以满足实时遥感、空间操作等为代表的空间时敏信息源的通信中继需求。因此，我国需要在新一代民商通信领域中发展空间综合管控与服务系统。

六、结束语

以未来6G时代卫星通信发展的国家战略要求为指引，结合卫星数字化、网络化、高低轨结合等发展需求，卫星互联网内容传送和宽带接入服务等数据传递业务将成为推动市场繁荣的新动力，使卫星通信应用向综合化方向发展。卫星与地面系统融合，特别是与6G融合成为必然发展趋势。卫星通信不断与地面通信系统融合，在通信链路通道和广播组播等方面发挥自身优势，并逐步从提供管道向成为网络节点转变，最终和地面网络一起组成天地一体化信息网络，为未来我国民商通信卫星互联网发展提供了根本的动力。