第 3 期 劉炳宏等：低軌衛(wèi)星通導一體化信號設(shè)計及處理 ·47·

劉炳宏（1995? ），女，博士，北京郵電大學

博士后，主要研究方向為低軌衛(wèi)星通導一體

化、無人機通信、無線資源分配。

趙亞飛（1987? ），男，博士，北京郵電大學

網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室副研究員，主

要研究方向為低軌衛(wèi)星通導一體化。

彭木根（1978? ），男，博士，北京郵電大學

網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室教授，主要研

究方向為空間信息通信、通感算一體化、無線

接入網(wǎng)絡(luò)等。

趙祥天（1992? ），男，博士，北京郵電大學

網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室博士后，主要

研究方向為空間非合作目標協(xié)同感知、低軌衛(wèi)

星通導一體化等。

封慧琪（2001? ），男，北京郵電大學信息與

通信工程學院本科生。

XU X X. Waveform design and receiving method optimization of

communication and navigation integration[D]. Hangzhou: Zhejiang

University, 2020.

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localization via space-air-ground integrated networks[J]. China

Communications, 2022, 19(1): 253-263.

作者簡介

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 體 化 信 息 網(wǎng) 絡(luò) Vol.4 No.3

空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與管控技術(shù)綜述

廖新悅 1

，張然 1,2，黃正璇 1

，劉江 1,2，唐琴琴 1

，黃韜 1,2

（1. 北京郵電大學網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室，北京 100876；

2. 紫金山實驗室未來網(wǎng)絡(luò)研究中心，江蘇 南京 211111）

摘 要：隨著航空航天技術(shù)以及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，高速率、高帶寬的衛(wèi)星通信系統(tǒng)逐漸成為下一代移動通信體制的

重要組成部分。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推進了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)商業(yè)化進程，低軌衛(wèi)星成為構(gòu)建衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。如何實現(xiàn)大規(guī)

模低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)高效可靠的網(wǎng)絡(luò)管控，完成星地融合組網(wǎng)與路由，逐漸成為了發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的前沿課題。近年來，隨著衛(wèi)星

網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐漸擴大，網(wǎng)絡(luò)管控方法被大量提出。首先，從國內(nèi)外大規(guī)模衛(wèi)星星座的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，調(diào)研已有的多種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的

組網(wǎng)架構(gòu)和協(xié)議體系；然后，根據(jù)現(xiàn)階段大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析對其進行網(wǎng)絡(luò)管控的難點和關(guān)鍵技術(shù)；最后，基于

星地融合的組網(wǎng)方式，對現(xiàn)有的解決方案進行調(diào)研與分析。

關(guān)鍵詞：星地融合網(wǎng)絡(luò)；低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)管理與控制；分域管控方法

中圖分類號：TN929

文獻標識碼：A

doi: 10.11959/j.issn.2096?8930.2023030

Review on Networking and Control Technologies

of Space Satellite Network

LIAO Xinyue1

, ZHANG Ran1,2, HUANG Zhengxuan1

, LIU Jiang1,2, TANG Qinqin1

, HUANG Tao1,2

1.State Key Laboratory of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and

Telecommunications, Beijing 100876, China

2.Purple Mountain Laboratory Future Network Research Center, Nanjing 211111, China

Abstract: With the rapid advancement of aerospace technology and satellite internet, high-speed and high-bandwidth satellite communication systems have gradually become an essential component of the next-generation mobile communication infrastructure. The trend

in the development of satellite internet has propelled the commercialization process of satellite networks, with low earth orbit satellites

playing a significant role in constructing satellite internet. The efficient and reliable network management of large-scale low earth orbit

satellite networks, along with the integration of space and ground routing, has gradually emerged as a cutting-edge issue in the development of integrated aerospace networks. In recent years, as satellite networks have expanded in scale, numerous network management

methods have been proposed. Firstly, begined by examining the development status of large-scale satellite constellations both domestically and internationally, surveying the existing network architecture and protocol systems of various satellite networks. Subsequently,

based on the current development status of large-scale satellite networks, the challenges and key technologies involved in satellite management were analyzed. Finally, built upon the network integration of space and ground, existing solutions were extensively researched

and analyzed.

Keywords: integration of satellite and terrestrial network, LEO satellite network, management and control of the network, subdomain

control methodology

收稿日期：2023?04?07；修回日期： 2023?08?11

通信作者：張然，zhangran@bupt.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金面上項目（No.62171064）

Foundation Item: The National Natural Science Foundation of China（No.62171064）

第 3 期 廖新悅等：空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與管控技術(shù)綜述 ·49·

0 引言

隨著人類生產(chǎn)生活對通信服務需求的逐漸提高，傳

統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡(luò)和地面固定網(wǎng)絡(luò)由于覆蓋范圍有限、網(wǎng)

絡(luò)擴展性差、抗毀能力弱等缺陷，已逐漸不能完全滿足

人類社會的發(fā)展需求。全球現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡(luò)僅覆蓋陸地

面積的 20%、地表面積的 6%，航空、遠洋、漁業(yè)、石

油、環(huán)境監(jiān)測、戶外越野等特殊區(qū)域的通信需求依靠衛(wèi)

星通信滿足。

在 2G 到 5G 的發(fā)展時期，衛(wèi)星通信的首要需求是實

現(xiàn)全球覆蓋。因此，衛(wèi)星通信以中窄帶、中高軌道衛(wèi)星為

主，能夠以較少數(shù)量的衛(wèi)星完成全球覆蓋，實現(xiàn)對蜂窩網(wǎng)

絡(luò)覆蓋區(qū)域的補充。2021 年，中國 IMT-2030（6G）推進

組發(fā)布的《6G 總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)白皮書》[1]提出建

設(shè)全球廣域覆蓋的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)全球通信網(wǎng)絡(luò)的全域

覆蓋與無縫連接，同時通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、移動

通信網(wǎng)絡(luò)、空間網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通[2]，構(gòu)建融合網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)

自然空間全覆蓋和全球全域的“泛在連接”，星地融合通

信已是目前通信技術(shù)的重要發(fā)展方向。

由多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)合現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)，以及互聯(lián)

網(wǎng)接入技術(shù)構(gòu)建的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)能夠突破現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)的

覆蓋范圍局限，實現(xiàn)全球不間斷信號覆蓋，為全球用戶提

供大寬帶、低時延、全覆蓋的網(wǎng)絡(luò)服務。大規(guī)模、低軌化、

多層次的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。大規(guī)模

星地融合網(wǎng)絡(luò)具有海量節(jié)點、結(jié)構(gòu)復雜、拓撲異構(gòu)等特點，

要充分利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源，對現(xiàn)有衛(wèi)星進行最大化利用，

對未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進行科學合理部署，需要通過高效可靠的

網(wǎng)絡(luò)管控方式進行網(wǎng)絡(luò)資源分配與調(diào)度，針對地面網(wǎng)絡(luò)的

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管控方式在星上難以實現(xiàn)。因此，探究針對大規(guī)

模星地融合網(wǎng)絡(luò)的高效可靠的管控方式具有重要的研究

意義。

1 國內(nèi)外大規(guī)模衛(wèi)星星座發(fā)展現(xiàn)狀

1957 年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星[1]，激發(fā)了人們探索

利用衛(wèi)星進行通信的想法。20 世紀 60 年代初，美國提出

了 “通信衛(wèi)星全球覆蓋系統(tǒng)（COMSAT）[3]”計劃，旨

在建立一個全球性的通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。1962 年，美國發(fā)射了

第一顆商業(yè)通信衛(wèi)星——Telstar-1[4]，基于模擬通信系統(tǒng)

實現(xiàn)了跨大西洋的電話通信。20 世紀 80 年代，通信衛(wèi)星

進入了數(shù)字通信時代，數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展使得通信衛(wèi)星

能夠傳輸更多信息，數(shù)字通信系統(tǒng)提供了更高的帶寬和更

好的信號質(zhì)量，能夠?qū)崿F(xiàn)語音、電視及廣播信號的轉(zhuǎn)發(fā)。

20 世紀 90 年代，隨著在軌衛(wèi)星數(shù)量的增加，衛(wèi)星通信服

務進入商用階段，最具代表性的是 Iridium[5]系統(tǒng)、

Globalstar[6]以及 Orbcomm[7]系統(tǒng)，但由于衛(wèi)星通信成本過

高，且需求并不充分，當時的商用衛(wèi)星系統(tǒng)并未得到充分

利用，衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展也受到阻礙。

進入 21 世紀以來，隨著空間技術(shù)、移動通信技術(shù)以

及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，構(gòu)建寬帶體制的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)逐

漸成為了衛(wèi)星通信技術(shù)研究的熱門問題，大規(guī)模低軌衛(wèi)星

網(wǎng)絡(luò)成為通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的演進方向[7]。學術(shù)界與工業(yè)界開

始對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)展開研究與實踐，全球多家公司提出了大

規(guī)模低軌衛(wèi)星的發(fā)射部署計劃[8]。美國 SpaceX 公司的

“Starlink”計劃[9]，截至 2023 年 7 月 25 日，Starlink 衛(wèi)

星發(fā)射數(shù)量達到 4 859 顆，約有 4 519 顆 Starlink 衛(wèi)星在

軌運行[10]；英國 OneWeb 公司的 OneWeb 一代互聯(lián)網(wǎng)寬

帶衛(wèi)星星座于 2023 年 5 月完成 18 次發(fā)射，共計 618 顆衛(wèi)

星在軌[11]；加拿大 Telesat 公司計劃于 2025 年開始部署規(guī)

模為 188 顆低軌衛(wèi)星的“Lightspeed”星座[13]。2020 年 9

月，中國向國際電信聯(lián)盟（ITU）提交了名為“GW”的頻

譜分配檔案，“GW”星座中包含兩個名為“GW-A59”

和“GW-2”的寬帶低軌衛(wèi)星子星座，其中“GW-A59”星

座計劃部署 6 090 顆極低軌道衛(wèi)星，軌道高度約為 500 km；

“GW-2”子星座計劃部署 6 912 顆低軌衛(wèi)星，軌道高度約

為 1 200 km；“GW”星座計劃發(fā)射衛(wèi)星總數(shù)達 12 992 顆。

各國大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座呈現(xiàn)出大帶寬、巨型化、低

軌化的特征。

與地面網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具有空間跨度大、覆

蓋范圍廣、穩(wěn)健性高、抗毀能力強等優(yōu)勢。其中，低軌衛(wèi)

星具有低時延、高數(shù)據(jù)傳輸速率、低發(fā)射制造成本、抗干

擾能力強、能夠快速部署等諸多優(yōu)勢。因此，下一代通信

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要由諸多大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座構(gòu)成。

隨著網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模逐漸擴大，大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有海量

節(jié)點、復雜異構(gòu)、高度動態(tài)的拓撲特征，如何對其進行高

效可靠的網(wǎng)絡(luò)管控是一大挑戰(zhàn)。由于空間環(huán)境復雜，為保

障衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的靈活性和魯棒性，需要控制系統(tǒng)具備快速重

構(gòu)能力。由于星上資源有限，需要控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)資源進

行精細化分配與調(diào)度。

2 星地融合網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)及協(xié)議體系

2.1 星地融合網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)

隨著空間技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，星上處理技術(shù)逐漸

成熟，為星上動態(tài)組網(wǎng)、星地融合組網(wǎng)提供支持。星上轉(zhuǎn)

發(fā)技術(shù)的發(fā)展分為“彎管透明轉(zhuǎn)發(fā)”“電路交換”“星上

·50· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

IP 分組交換”3 個階段。隨著星上轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的發(fā)展，星地

網(wǎng)絡(luò)間的聯(lián)系逐漸緊密，空間網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)間的融合組

網(wǎng)方式從“天星地網(wǎng)”“天基網(wǎng)絡(luò)”向天地融合組網(wǎng)“天

網(wǎng)地網(wǎng)”演進。隨著星上轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)管控能力的提

升，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式從傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)到基

于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）的星

地融合組網(wǎng)架構(gòu)，再到面向 6G 標準化的星地融合移動通

信系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展。下面根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不同的發(fā)展階段，分

析衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式。

（1）傳統(tǒng)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)

傳統(tǒng)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包含空間段、地面段和用

戶段，如圖 1 所示。其中，空間段指由各類衛(wèi)星組成的衛(wèi)

星網(wǎng)絡(luò)，包括高軌（GEO）、中軌（MEO）、低軌（LEO）

衛(wèi)星及星間鏈路（Inter-Satellite Link，ISL），采用星上處

理（On-Board Processing，OBP）技術(shù)以支持星上獨立組

網(wǎng)與路由；地面段包括信關(guān)站、網(wǎng)絡(luò)控制中心等，信關(guān)站

與衛(wèi)星間通過饋電鏈路連接，用于實現(xiàn)星地間的數(shù)據(jù)上下

行，以實現(xiàn)系統(tǒng)運維及與地面通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的功能；用戶

段包括各類地面終端用戶，如車載終端、艦載終端和衛(wèi)星

電話等。

傳統(tǒng)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組網(wǎng)方式能夠有效地提高網(wǎng)

絡(luò)覆蓋面積，實現(xiàn)對現(xiàn)有地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的補充。然而星上

采用傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)基于分布式架構(gòu)的管控方式，衛(wèi)星節(jié)點

不僅需要承載業(yè)務的數(shù)據(jù)交換與存儲轉(zhuǎn)發(fā)，還需要具備鏈

路狀態(tài)的收集與同步、路由表的計算與存儲等一系列功

能，極大地消耗了星上的計算資源。且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴

大，采用分布式架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)路由收斂速度緩慢，導致網(wǎng)絡(luò)

性能下降。

（2）基于 SDN 的星地融合組網(wǎng)架構(gòu)

隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模逐漸擴大，海量節(jié)點使得網(wǎng)絡(luò)管

控難度增加，超大型衛(wèi)星星座需要高效的網(wǎng)絡(luò)管控方式來

協(xié)調(diào)大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，將 SDN“數(shù)控分離”的思想引入

大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可以提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性與可擴展性。

首先，通過將控制平面和數(shù)據(jù)平面分離，由控制平面

進行復雜的路由計算與資源管理等控制功能，數(shù)據(jù)平面僅

負責簡單的硬件配置及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，將控制中心部署在

計算資源充足的地面或高層衛(wèi)星，星上節(jié)點僅需具備解析

控制信令以及數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)的能力，提升了衛(wèi)星組網(wǎng)的靈活

性與可擴展性，降低了對星上處理能力的要求與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

的建設(shè)成本，節(jié)省了星上資源；其次，采用控制平面集中

圖 1 傳統(tǒng)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)

第 3 期 廖新悅等：空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與管控技術(shù)綜述 ·51·

管理的網(wǎng)絡(luò)管控方式，邏輯集中的 SDN 控制平面能夠獲

取網(wǎng)絡(luò)全局視圖，實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實

施精細化管控策略，從而保障業(yè)務的服務質(zhì)量，提升網(wǎng)絡(luò)

性能；再次，軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠?qū)⑿巧宪浻布怦睿?/p>

打破了固有的軟件對硬件的依賴關(guān)系，提高了軟件升級的

靈活性，同時消除了由硬件差異帶來的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)，降低了

網(wǎng)絡(luò)更新成本，提高了網(wǎng)絡(luò)的可編程性；最后，控制平面

能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一管理并進行靈活調(diào)配，能夠跨域協(xié)調(diào)

網(wǎng)絡(luò)資源，提升網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

根據(jù)參與組網(wǎng)衛(wèi)星的軌道高度以及網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)，

可將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為兩種：LEO 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、

LEO/GEO 或 LEO/MEO/GEO 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[15]。下面

分析兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其基于 SDN 的控制器部署方式。

① LEO 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

近年來，各國建設(shè)的多數(shù)衛(wèi)星星座都朝著低軌化、巨

型化的方向演進，采用基于 SDN 的網(wǎng)絡(luò)管控方式能夠?qū)?/p>

節(jié)點眾多、布局分散的大規(guī)模低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進行精細化管

控，在此基礎(chǔ)上引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function

Virtualization，NFV）技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)服務與具體網(wǎng)元解耦，

實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能服務的靈活部署[16-18]。

對于巨型低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可以將衛(wèi)星分組管理的思想

與基于 SDN 的網(wǎng)絡(luò)管控方式相結(jié)合。參考文獻[19]首先對

衛(wèi)星進行分集群處理，對同一集群內(nèi)的衛(wèi)星進行批量管

理，并在地面數(shù)據(jù)中心引入 SDN 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將 SDN 控

制器部署在地面數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中。當信關(guān)站接收到同一集

群的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息后，傳輸給與之最近的地面數(shù)據(jù)中

心，通過地面數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)共享到其他的數(shù)據(jù)中心。由此，

每個集群的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息都被實時共享到地面數(shù)據(jù)

中心網(wǎng)絡(luò)中進行集中式管理。

基于 SDN 的 LEO 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通常將控制器

部署在地面節(jié)點，為保障地面控制器能夠?qū)崟r檢測到每

顆衛(wèi)星，地面信關(guān)站及控制器的部署位置選擇十分重要，

且星地鏈路信道容易因為飛行物或云雨遮擋出現(xiàn)衰落，

網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性會受到一定影響，LEO 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的靈活

性受到限制。

② LEO/MEO/GEO 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

LEO 衛(wèi)星傳輸時延較低但具有高度動態(tài)性，將覆蓋范

圍較大且動態(tài)性較低的高層軌道衛(wèi)星與 LEO 衛(wèi)星進行分

層組網(wǎng)，更能夠貼合 SDN 分層化管理的思路。參考文獻[20]

提出了基于 SDN 的星地分層管控架構(gòu) OpenSAN，將網(wǎng)絡(luò)

分為管理平面、控制平面與數(shù)據(jù)平面，將管理平面部署在

地面數(shù)據(jù)中心，負責星上路由規(guī)則的計算、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬

化服務、移動性管理等，在 GEO 衛(wèi)星上部署控制平面，

負責數(shù)據(jù)平面路由規(guī)則的傳遞和星上鏈路狀態(tài)信息的收

集，LEO 衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)平面進行數(shù)據(jù)報的存儲轉(zhuǎn)發(fā)。

OpenSAN 方案有效減少了地面站的數(shù)量，充分利用了

GEO 衛(wèi)星的功能，提高了網(wǎng)絡(luò)管控效率。SDN 分層管控

架構(gòu)如圖 2 所示。

圖 2 SDN 分層管控架構(gòu)

參考文獻[21]沿用了管理平面、控制平面、數(shù)據(jù)平面

的 SDN 分層管控邏輯，基于 LEO/MEO/GEO 3 層衛(wèi)星網(wǎng)

絡(luò)提出了 SERvICE 架構(gòu)，將控制平面部署在地面數(shù)據(jù)中

心、GEO 控制器以及衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)控制器，在地面部署衛(wèi)星網(wǎng)

絡(luò)管理平面中心（Satellite Network Management Center，

SNMC），數(shù)據(jù)平面由低軌和中軌衛(wèi)星組成?？刂破矫尕撠?/p>

收集星上信息并傳輸至地面 SNMC，地面 SNMC 負責網(wǎng)

絡(luò)資源全局管理與全局視圖的維護。

針對多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的星地分層管控架構(gòu)以及多層控

制器的部署方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對星地融合網(wǎng)絡(luò)的集中管控，

具備更高效的管理規(guī)劃能力，更好地推進星地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的

融合與演進。

（3）面向 6G 的星地融合移動通信系統(tǒng)架構(gòu)

隨著地面移動通信從 5G 向 6G 演進，以非地面網(wǎng)絡(luò)

（Non-Terrestrial Network, NTN）為代表的新型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)架

構(gòu)逐漸深化[22]，面向 6G 的星地融合移動通信系統(tǒng)架構(gòu)[23]

融合了傳統(tǒng)地面移動通信網(wǎng)絡(luò)、低空接入網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信

網(wǎng)絡(luò)，并促使各自獨立的標準體系向統(tǒng)一方向融合發(fā)展，

推進了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議標準化演進，如圖 3 所示。3GPP

在 R16 中定義了 8 個增強移動寬帶場景和 2 個海量機器類

通信場景，提出了支持 NTN 的空中接口方案以及 5G 新空

·52· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

中接口參數(shù)，分析了衛(wèi)星作為地面 5G 補充的可行性，并

計劃在下一版本標準方案中完成標準化工作。

圖 3 面向 6G 的星地融合移動通信系統(tǒng)架構(gòu)

5G 的 NTN 部署場景見表 1。

表 1 5G 的 NTN 部署場景[24]

平臺 軌道高度 運行方式 典型覆蓋尺寸

低軌衛(wèi)星 300~1 500 km

繞地球旋轉(zhuǎn)

100~1 000 km

中軌衛(wèi)星 7000~25 000 km 100~1 000 km

靜地軌道衛(wèi)星 35 786 km

對于給定地

球點，保持

固定仰角/方

位角

200~3 500 km

空中載體平臺

（UAS）包含高空

通信平臺（High

Altitude Platform

Station，HAPS）

8~50 km

HAPS 20 km 5~200 km

高軌衛(wèi)星 400~50 000 km 橢圓軌道繞

地球旋轉(zhuǎn) 200~3 500 km

根據(jù)衛(wèi)星在網(wǎng)絡(luò)中承擔的角色不同，可以將 5G 的

NTN 架構(gòu)分為兩種模式[25]：透明轉(zhuǎn)發(fā)模式與星載基站模

式（gNB）。透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下，衛(wèi)星僅作為透傳中繼；星

載基站模式下，衛(wèi)星間可通過星間鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，能

夠減少信關(guān)站數(shù)量，有效擴展移動通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

2.2 星地融合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系

（1）TCP/IP 協(xié)議體系

TCP/IP 協(xié)議是目前應用最廣泛的互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，也

是當前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入全球互聯(lián)網(wǎng)的主流方案。TCP/IP 協(xié)議

體系的設(shè)計目的是實現(xiàn)現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)互通，采用網(wǎng)絡(luò)

層尋址、路由與轉(zhuǎn)發(fā)功能，實現(xiàn)全網(wǎng)可達性，采用 TCP

協(xié)議實現(xiàn)端到端的可靠性連接。在空間網(wǎng)絡(luò)采用 TCP/IP

協(xié)議能夠快速部署并實現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)的端到端通信，節(jié)約網(wǎng)

絡(luò)建設(shè)成本。

現(xiàn)階段，已形成了如 IP 協(xié)議上星（IP over Satellite，

IPoS）的星上 IP 協(xié)議部署方案；針對傳統(tǒng) TCP 協(xié)議難以

適應較大時延、較高誤碼率的衛(wèi)星信道的問題，采用 TCP

性能增強代理的方式可以大大提高傳輸性能。空間數(shù)據(jù)系

統(tǒng)協(xié)商委員會（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）根據(jù)空間信道特征制定了空間通信協(xié)議規(guī)

范（Space Communications Protocol Specifications, SCPS）。

（2）CCSDS 協(xié)議體系

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)協(xié)商委員會協(xié)議是由國際空間數(shù)據(jù)系

統(tǒng)協(xié)商委員會制定的空間通信標準協(xié)議，用于空間通信的

數(shù)據(jù)交換、存儲及通信需求。借鑒 TCP/IP 協(xié)議體系，

CCSDS 同樣包含了 5 層協(xié)議架構(gòu)，其體系結(jié)構(gòu)自下而上

包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應用層，每

一層都包含若干可組合協(xié)議。

其中，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議除全新定義的空間分組協(xié)議（Space

Packet Protocol, SPP）和空間通信協(xié)議規(guī)范-網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

（ Space Communications Protocol Specification-Network

Protocol, SCPS- NP）外，還支持 IPv4 和 IPv6。

CCSDS 協(xié)議已成為國際上使用最廣泛的空間通信協(xié)

議標準之一，部分 CCSDS 協(xié)議已成為國際標準化組織的

正式標準。CCSDS 協(xié)議現(xiàn)存問題體現(xiàn)在無法與地面網(wǎng)絡(luò)

協(xié)議進行直接互通，需要進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。

（3）DTN 協(xié)議體系

時延容忍網(wǎng)絡(luò)（Delay Tolerant Networks，DTN）協(xié)議

體系是一種用于時延容忍的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議體系，特別適用

于無線和移動網(wǎng)絡(luò)中存在不可靠連接和大時延的環(huán)境。

DTN 協(xié)議體系基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)的思想，允許節(jié)點在臨時性的

網(wǎng)絡(luò)中存儲和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

DTN 協(xié)議在 5 層體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，在應用層與傳輸

層之間引入了覆蓋層，并通過使用磁盤等永久存儲的方式

克服網(wǎng)絡(luò)的間歇性連接問題[26]，覆蓋層中的覆蓋層協(xié)議用

于將數(shù)據(jù)分段并在網(wǎng)絡(luò)中進行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。

除此之外，DTN 還定義了多種路由協(xié)議，包括基于傳

染病模型的路由協(xié)議[27]、基于隨機投射和等待的路由協(xié)議[28]

（Spray-and-Wait Routing Protocol，SWRP）、基于遙傳的路

由協(xié)議等。

（4）NDN 協(xié)議體系

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Named Data Networking，NDN）協(xié)議

體系是一種新型的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議體系[29]，以數(shù)據(jù)為中心，

以數(shù)據(jù)命名為核心思想，與傳統(tǒng)的基于主機的 IP 網(wǎng)絡(luò)相

比，將重點從主機和 IP 地址轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)本身。NDN 協(xié)議

體系包括多個具體的協(xié)議和機制，用于支持命名數(shù)據(jù)的傳

輸、路由和緩存。與傳統(tǒng)的傳輸協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議相比，

NDN 具有內(nèi)容尋址與高效緩存、數(shù)據(jù)高效分發(fā)、去中心

化的網(wǎng)絡(luò)自主性等優(yōu)勢[30]。

第 3 期 廖新悅等：空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與管控技術(shù)綜述 ·53·

3 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由管控關(guān)鍵技術(shù)

隨著星座規(guī)模的逐漸擴大，大規(guī)模星座網(wǎng)絡(luò)面臨以下

挑戰(zhàn)。

（1）用戶增加，難以維持細粒度管控

隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)逐漸成為衛(wèi)星互

聯(lián)網(wǎng)的重要支撐部分，接入用戶數(shù)急劇增加，用戶的規(guī)模

擴大，導致了需要維護的用戶信息以及不同用戶所需的業(yè)

務狀態(tài)變多。對于單個用戶，維護開銷包括表項開銷、數(shù)

據(jù)包 buffer 開銷與數(shù)據(jù)包回傳帶寬開銷。其中，表項開銷

與用戶/業(yè)務規(guī)模以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模線性相關(guān)，中低頻業(yè)務

的星載數(shù)據(jù)包 buffer 開銷非常高。一般采用壓縮表項的方式

解決用戶/業(yè)務開銷問題，但此類方法會導致管控粒度變粗。

（2）最短路徑算法難度增加

現(xiàn)有的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)最短路徑算法，通常是基于集中式或

分布式的鏈路狀態(tài)同步下的最短路徑計算方法。其中，設(shè)

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)為 n，Dijkstra 算法以給定點為根，生成到任

意點的最短路徑樹，算法復雜度為 o(n2

)。Floyd 算法以動

態(tài)規(guī)劃的方式計算任意點到點之間的最短路徑，算法復雜

度為 o(n3

)。隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)增加至上萬個，星上有限的計

算資源無法承受大量計算開銷，若進一步考慮等價多路徑

轉(zhuǎn)發(fā)，計算時間將大大增加。

（3）端到端路徑可靠性降低

在采用激光構(gòu)建星間鏈路的場景下，激光信號的空間

自由傳播損耗以及接收端因天線未對準而產(chǎn)生的附加噪

聲，使得星間激光鏈路的可用性小于 100%；同時，隨著

星座規(guī)模的擴大，衛(wèi)星節(jié)點間的最大跳數(shù)即路徑深度增

加，隨著路徑深度的增加，端到端的可靠性逐漸降低。以

上兩種因素，導致業(yè)務傳輸路徑和控制通道的可用性降低。

（4）路由更新開銷不斷提高

以地面網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議 OSPF 為例，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點間

建立鄰居關(guān)系后通過交換鏈路狀態(tài)信息來同步網(wǎng)絡(luò)連接

關(guān)系。在全網(wǎng)鏈路狀態(tài)信息同步收斂后，各節(jié)點以自身為

根節(jié)點，分布式計算到達任意點的最短路徑。設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

數(shù)為 n，OSPF 用于同步鏈路狀態(tài)信息的消息規(guī)模為 o(n2

)。

基于以上挑戰(zhàn)，采用分層分域的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠降低決

策與信息同步的規(guī)模，提高管控效率。

現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)管控方法總體思路是“分而治之”，通過

將大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點劃為多個“衛(wèi)星組”或“路由域”，

減少單個“組”或“域”的衛(wèi)星節(jié)點數(shù)量，從而降低管控

的復雜度，同時減少單顆衛(wèi)星所需維護的路由表規(guī)模，有

效利用星上計算資源，將此類問題統(tǒng)稱為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的分域

問題。分域問題需要解決的問題不僅包括區(qū)域的大小、數(shù)

量如何確定，還要考慮到分域后路由信息如何同步，域內(nèi)

路由、跨域路由如何計算等后續(xù)問題。

3.1 基于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的分組管理方法

自衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展以來，許多組網(wǎng)中都提到了分層

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并證明了其相對于扁平結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。隨著空間

技術(shù)的發(fā)展，不同軌道高度的在軌衛(wèi)星數(shù)量逐漸增多，使

得探索基于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的分層管控方式成為可能。

基于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的分層管控方法是通過上層衛(wèi)星

的覆蓋區(qū)域?qū)⑾聦有l(wèi)星劃分為多個衛(wèi)星組，每一顆上層衛(wèi)

星對一組下層衛(wèi)星進行管控的組管理方式，通過局部更新

路由表的方式減少路由更新和管控復雜度，如圖 4 所示。

圖 4 基于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的分組管理

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分層管控的首次提出是在參考文獻[31]中，

其中提出了多層衛(wèi)星（Satellite over Satellite，SoS）的概

念，指出傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)往往具有扁平的結(jié)構(gòu)，缺乏

靈活性和可擴展性。為了解決上述問題，作者提出了一種

新的層級架構(gòu)，通過利用靜地軌道衛(wèi)星或中軌衛(wèi)星與低軌

衛(wèi)星構(gòu)建多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在 SoS 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，設(shè)計

動態(tài)衛(wèi)星路由協(xié)議（Hierarchical Satellite Routing Protocol，

HSRP）。HSRP 是一種基于衛(wèi)星邏輯位置的鏈路狀態(tài)路由

算法，由上層衛(wèi)星充當管理節(jié)點，下層衛(wèi)星將分布式泛洪

收集到的鏈路狀態(tài)信息匯總至上層衛(wèi)星，上層衛(wèi)星之間同

步不同衛(wèi)星組間的鏈路狀態(tài)信息，上層衛(wèi)星按同步完成后

的鏈路狀態(tài)信息進行下層衛(wèi)星的點到點路由表計算，并將

計算后的路由表下發(fā)至下層衛(wèi)星，減少了低層衛(wèi)星的計算

壓力。由于該算法僅依靠最小跳數(shù)作為最短路徑計算指

標，無法保障傳輸時延要求。

基于上述分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，參考文獻[32]提出了一種 3 層

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（LEO/MEO/GEO），MEO 衛(wèi)星負責下層

·54· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

LEO 衛(wèi)星組的鏈路信息收集，視為管理層；GEO 衛(wèi)星根

據(jù)管理層收集的鏈路信息進行路由表的計算與下發(fā)，視為

控制層；LEO 衛(wèi)星根據(jù)路由表進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，視為數(shù)據(jù)

層。針對 MEO 和 LEO 衛(wèi)星的移動性，采用邏輯位置方法

將 LEO 衛(wèi)星的移動性與上層衛(wèi)星隔離，以減少 LEO 衛(wèi)星

組的變動。該方法將 LEO 衛(wèi)星劃分為網(wǎng)格點，最靠近網(wǎng)

格邏輯中心的 LEO 衛(wèi)星被分配到該邏輯位置，當邏輯位

置發(fā)生變化時，后繼衛(wèi)星需從前序衛(wèi)星處獲取路由信息。

與基于邏輯位置的路由算法不同，此處的邏輯位置用于形

成衛(wèi)星組。參考文獻[33]提出了一種衛(wèi)星分組和路由協(xié)議

（Satellite Grouping and Routing Protocol，SGRP），SGRP

被應用到由 LEO 層和 MEO 層構(gòu)建的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，根

據(jù) MEO 衛(wèi)星的覆蓋范圍對 LEO 衛(wèi)星進行分組。

在劃分衛(wèi)星組的基礎(chǔ)上，設(shè)計基于鏈路傳輸時延的最

短路徑算法，為減少需要同步的鏈路狀態(tài)信息，降低網(wǎng)絡(luò)

開銷，提高計算效率，設(shè)計鏈路狀態(tài)信息摘要的同步信息

格式。本文在分層管控架構(gòu)的基礎(chǔ)上，在路由算法上進一

步考量了傳輸時延、網(wǎng)絡(luò)管控開銷等指標。

后續(xù)諸多工作在衛(wèi)星分組管理的基礎(chǔ)上，針對路由計

算，設(shè)計基于多約束的多目標優(yōu)化分布式QoS路由算法[34-40]。

此類按照高層衛(wèi)星覆蓋域劃分衛(wèi)星組的管理方式具有一

定的局限性，低層衛(wèi)星的高度動態(tài)性會導致衛(wèi)星組的頻繁

變化，無法保障集群的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 基于 SDN 多層控制器部署的分層管控方法

利用 SDN 架構(gòu)進行星地融合組網(wǎng)，提高了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

的可擴展性和靈活性。對于大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，若在單衛(wèi)星

軌道層部署控制節(jié)點，受限于衛(wèi)星的單點能力，需要部署

多個星上控制器；若在地面部署單控制器節(jié)點，則無法支

撐整個網(wǎng)絡(luò)的移動性管理。因此，研究基于 SDN 的控制

域劃分方法以及控制器的部署問題，通過合理部署多層主

從控制節(jié)點，實現(xiàn)大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高效管控，具有一定

的研究意義。

基于 SDN 架構(gòu)的管控節(jié)點部署問題可歸納為管控節(jié)

點部署的數(shù)量和位置，參考文獻[41]首次提出了 SDN 中的

控制器放置問題（Controller Placement Problem，CPP），

以降低網(wǎng)絡(luò)時延為優(yōu)化指標，研究針對地面廣域網(wǎng)拓撲下

的最優(yōu)控制器數(shù)量以及放置位置。在此基礎(chǔ)上，基于 CPP

問題，眾多研究者將傳輸時延[42]、網(wǎng)絡(luò)可靠性[43]、部署成

本[44]等性能作為優(yōu)化指標。

由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高度動態(tài)性和衛(wèi)星節(jié)點資源受限等

特點，現(xiàn)有的控制器動態(tài)放置問題（Dynamic Controller

Placement Problem，DCPP）可分為單層控制器部署方案和

多層控制器部署方案。

對于 LEO 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，參考文獻[45]研究了基于地

面用戶流量需求的 LEO 衛(wèi)星控制器動態(tài)部署問題，其中

流量需求根據(jù)用戶地理位置和時區(qū)進行建模，將控制器動

態(tài)放置問題轉(zhuǎn)換為整數(shù)線性規(guī)劃問題，以平均流建立時間

為優(yōu)化目標，求解最佳控制器配置方案。基于控制器動態(tài)

部署，參考文獻[46]以控制器配置開銷和遷移成本為優(yōu)化

指標，求解最佳控制器部署以及控制域大小，從而進一步

減少平均流建立時間。單層 LEO 網(wǎng)絡(luò)控制器部署方案如

圖 5 所示。

圖 5 單層 LEO 網(wǎng)絡(luò)控制器部署方案

多層控制器部署方案可充分利用多層衛(wèi)星，提高網(wǎng)絡(luò)

的可擴展性，多數(shù)采用在多個衛(wèi)星軌道面上設(shè)計主從控制

器部署方案。多層控制器部署方案的優(yōu)勢：利用 GEO 衛(wèi)

星對地全覆蓋的優(yōu)勢，LEO 衛(wèi)星的對地時延優(yōu)勢，減少衛(wèi)

星與地面間的頻繁通信，提高網(wǎng)絡(luò)管控的魯棒性。

多層主從控制器的典型部署架構(gòu)如圖 6 所示，將 LEO

衛(wèi)星劃分為多個子網(wǎng)，在地面部署控制中心進行全局視圖

管控，在 MEO/GEO 衛(wèi)星部署主控制器進行各 LEO 子網(wǎng)

間的管理，在 LEO 動態(tài)部署從控制器進行 LEO 子網(wǎng)內(nèi)的

管理。由于地面控制器及 GEO 衛(wèi)星的位置相對固定，多

層控制器部署問題的難點在于如何劃分 LEO 衛(wèi)星子網(wǎng)以

及動態(tài)選擇 LEO 衛(wèi)星作為從控制器。參考文獻[47]提出基

于 LEO 軌道面劃分的子網(wǎng)劃分方法以及從控制器動態(tài)選

舉方法。參考文獻[48]提出基于 LEO/MEO/GEO 3 層軌道的

多層控制方案，構(gòu)建多目標優(yōu)化模型，設(shè)計基于自適應粒

子群的啟發(fā)式算法進行求解。

3.3 基于聚類算法的管理域劃分方法

現(xiàn)階段基于聚類算法的管理域劃分方法研究場景多

為移動自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad-hoc Network，MANET）

第 3 期 廖新悅等：空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與管控技術(shù)綜述 ·55·

場景、車輛自組網(wǎng)（Vehicular Ad-hoc Network，VANET）

以及無人機網(wǎng)絡(luò)（Unmanned Aerial Vehicle Network，

UAVNET），通過分簇算法將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點劃分為穩(wěn)定可靠的

集群，以此延長自組網(wǎng)的使用壽命。最早關(guān)于 MANET

的分簇方案是參考文獻[49]提出的基于節(jié)點 ID 的聚類算

法，如圖 7 所示，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進行層次化劃分，使

部分相鄰的節(jié)點形成一個集群，在每個集群內(nèi)動態(tài)選舉

一個簇首（Cluster Head，CH），集群內(nèi)除簇首外的節(jié)點

為簇成員（Cluster Member，CM），CH 負責收集匯總集

群中 CM 的數(shù)據(jù)并傳送至基站或匯聚節(jié)點，上層網(wǎng)絡(luò)由

簇首組成，通過簇首間交互信息實現(xiàn)集群間通信。參考

文獻[50]提出了基于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的分簇算法，根據(jù)覆蓋面

積計算網(wǎng)格大小，并根據(jù)網(wǎng)格間距離進行簇首選舉，提

出了多優(yōu)化簇首選舉方法，形成穩(wěn)定均衡的聚類。參考

文獻[51]總結(jié)了近年來針對 MANET 的分簇算法以及簇

首選舉方法。

圖 7 移動自組網(wǎng)的聚類拓撲結(jié)構(gòu)

作為 MANET 的一個分支，VANET 具有不同的移動

性和信道條件，更多度量被添加到移動性模型中，如參考

文獻[52]中的節(jié)點度參考文獻[53]中的接收信號強度，參考

文獻[54]中的鏈路到期時間。無人機網(wǎng)絡(luò)作為 MANET 的

一個分支，也依賴于強大的無人機集群來提供高質(zhì)量的服

務。在參考文獻[55]中，考慮鏈路可用性和邊界的影響來

計算穩(wěn)定的無人機網(wǎng)絡(luò)分區(qū)。在移動性預測聚類算法[56]

中，采用運動穩(wěn)定性和鏈路存在概率作為聚類標準。

基于聚類算法的管理域劃分方法逐步應用于衛(wèi)星場

景。參考文獻[57]提出針對小規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的分簇方法，

通過設(shè)置令牌和權(quán)重函數(shù)進行簇首的選舉，但是并未考慮

衛(wèi)星的移動性模型。參考文獻[58]針對小型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提出

了聚類算法，在簇首選擇過程中，通過對剩余能量和連接

度等實時狀態(tài)進行加權(quán)，優(yōu)化了能量利用率和簇內(nèi)連通

性。參考文獻[59]面向有規(guī)則布局的星座提出了基于約束

條件的分布式算法，充分利用同軌鏈路能長期穩(wěn)定的特

點，選定同軌節(jié)點作為核心簇成員。參考文獻[60]針對中

繼衛(wèi)星集群網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合數(shù)據(jù)下載和資源管理問題，設(shè)計了

基于能耗最小化和丟包率最小化的優(yōu)化問題，采用匹配博

弈論模型進行求解。

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·58· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

廖新悅（1998? ），女，北京郵電大學網(wǎng)絡(luò)與

交換技術(shù)國家重點實驗室博士生，主要研究方

向為軟件定義網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

張然（1993? ），男，北京郵電大學博士后，

IEEE 學生會員，主要研究方向為計算、緩存

與網(wǎng)絡(luò)融合、命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)

人工智能。

黃正璇（2001? ），男，北京郵電大學網(wǎng)絡(luò)與

交換技術(shù)國家重點實驗室碩士生，主要研究方

向為軟件定義網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

劉江（1983? ），男，北京郵電大學教授，IEEE

會員，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、信息中心網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)

絡(luò)實驗床。

唐琴琴（1994? ），女，北京郵電大學博士后，

主要研究方向為移動邊緣計算，云網(wǎng)融合與算

力網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)人工智能等。

黃韜（1980? ），男，北京郵電大學教授，IEEE

高級會員，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)人

工智能、路由與轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化。

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[作者簡介]

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 體 化 信 息 網(wǎng) 絡(luò) Vol.4 No.3

星地融合網(wǎng)絡(luò)中基于多目標優(yōu)化的星間切換決策方法

劉人鵬，胡博，李鶴群

（北京郵電大學網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室，北京 100876）

摘 要：低軌通信衛(wèi)星高速運動使網(wǎng)絡(luò)拓撲具有高動態(tài)性，同時，星地融合網(wǎng)絡(luò)資源呈現(xiàn)時空非均勻分布。當衛(wèi)星移動引發(fā)多

個用戶和業(yè)務切換時，觸發(fā)大量切換請求導致網(wǎng)絡(luò)資源競爭加劇，有限的星上資源無法滿足切換請求，導致切換成功率顯著下

降。針對以上問題，提出一種基于多目標優(yōu)化的星間切換方法，引入衛(wèi)星覆蓋時空圖，將動態(tài)連續(xù)拓撲劃分為靜態(tài)離散快照，

表征衛(wèi)星節(jié)點與用戶在不同時間與空間下的連接關(guān)系，建立星間切換決策的多目標優(yōu)化模型，提出自適應加速多目標優(yōu)化算法

對平均數(shù)據(jù)速率與網(wǎng)絡(luò)負載進行優(yōu)化，保證切換成功率，提高網(wǎng)絡(luò)服務能力。搭建星地融合通信仿真環(huán)境，在多星重疊覆蓋場

景下測試多用戶切換性能，分析表明，所提多目標星間切換方法的平均切換成功率提高 20%以上。

關(guān)鍵詞：星地融合網(wǎng)絡(luò)；切換控制；網(wǎng)絡(luò)拓撲；多目標優(yōu)化

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

doi: 10.11959/j.issn.2096?8930.2023031

Inter-Satellite Handover Method Based Multi-Objective

Optimization in Satellite-Terrestrial Integrated Network

LIU Renpeng，HU Bo，LI Hequn

State Key Laboratory of Networking and Switching Technology，Beijing University of Posts and Telecommunications，

Beijing 100876, China

Abstract: The high-speed motion of low-earth orbit communication satellites results in a highly dynamic network topology, and the

spatio-temporal distribution of resources in the satellite-terrestrial integrated network is non-uniform. When multiple users and services

switch between satellites, a large number of handover requests are triggered, leading to intensified network resource competition. As a

result, the limited satellite resources cannot meet all the handover requests, leading to a significant decrease in handover success rate. In

view of the above problem, the multi-objective optimization based satellite handover method was proposed. It introduced the satellite

coverage spatio-temporal graph and transforms the dynamic continuous topology into static discrete snapshots, accurately depicted the

connections between satellite nodes and users at different times and locations. The multi-objective optimization model was established

for satellite handover decisions, and anadaptive accelerated multi-objective evolutionary algorithm(AAMOEA) was proposed to optimized user data rate and network load simultaneously, ensured handover success rate and enhanced network service capability. It built a

STIN communication simulation environment and tested the multi user handover performance in a multi satellite overlapping coverage

scenario. The results demonstrated that the multi-objective optimization-based satellite handover method achieved an average handover

success rate improvement of over 20% compared to benchmark algorithms.

Keywords: satellite-terrestrial integrated network, handover control, network topology, multi-objective optimization

0 引言

隨著全球通信需求的不斷增長，6G 通信系統(tǒng)將結(jié)合

地面移動通信和衛(wèi)星通信，形成星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為全

球各類用戶提供寬帶接入[1]。目前移動通信網(wǎng)絡(luò)只覆蓋了

約 20%的陸地面積，小于 6%的地球表面積，仍有 30%以

收稿日期：2023?04?15；修回日期： 2023?08?10

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（No. 2020YFB1807900）

Foundation Item: National Key Research and Development Program of China(No.2020YFB1807900)

·60· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

上的人口沒有接入互聯(lián)網(wǎng)，全球通信覆蓋和數(shù)據(jù)傳輸能力

存在嚴重的不平衡。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)不受基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等客

觀原因制約，尤其低軌衛(wèi)星軌道更低，相比于高軌道、中

軌道衛(wèi)星，具有更低的通信時延與更小的鏈路損耗，可以

解決地面移動通信面臨的偏遠地區(qū)覆蓋、快速穩(wěn)定的應急

通信等問題。衛(wèi)星通信與地面通信秉承“5G 兼容，6G 融

合”的思路——在人口稠密地區(qū)使用地面通信網(wǎng)絡(luò)以發(fā)揮

大容量、高速率、低時延優(yōu)勢，在其他地區(qū)使用衛(wèi)星通信

網(wǎng)絡(luò)以發(fā)揮廣覆蓋優(yōu)勢[2]。星地融合網(wǎng)絡(luò)具有更復雜、更

難以描述和預測的移動特性，高效的切換控制是保證星地

融合網(wǎng)絡(luò)中通信連續(xù)性的有效方法[3]。

3GPP 在 R17 開展對非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial

Network, NTN）的標準化工作，采用彎管傳輸模式對衛(wèi)星

網(wǎng)絡(luò)中基于位置的移動性管理等技術(shù)進行研究。在 R18 的

NR NTN Enhancements 項目中，進一步研究衛(wèi)星通信系統(tǒng)

內(nèi)和衛(wèi)星-地面通信系統(tǒng)間移動性管理和業(yè)務連續(xù)性增強

等問題。近年來，多位學者針對星間切換做了詳細論述。

參考文獻[4]按照衛(wèi)星工作模式，分別介紹了彎管衛(wèi)星與再

生衛(wèi)星在兩種工作模式下的切換控制，其中處于彎管工作

模式的衛(wèi)星主要發(fā)生用戶鏈路切換和饋電鏈路切換。用戶

鏈路切換又根據(jù)是否更換衛(wèi)星，分為衛(wèi)星內(nèi)的波束切換與

不同衛(wèi)星之間的波束切換。參考文獻[5]將星間切換方法分

為鏈路層切換方法和網(wǎng)絡(luò)層切換方法，鏈路層切換方法又

進一步被分為 3 類：點波束切換方法、星間切換方法和星

間鏈路切換方法。參考文獻[6]從星座規(guī)模、切換指標以及

切換方法等方面介紹了近年來的星間切換控制研究，其中

切換策略的指標和對象主要包括仰角、剩余服務時間、信

道狀態(tài)、時延、切換開銷、丟包率、切換失敗率等。

關(guān)于星間切換的典型工作主要包含基于圖論的切換

方法、基于學習的切換方法以及基于博弈的切換方法，具

體見表 1。

基于圖論的星間切換方法是通過構(gòu)建星間切換控制

圖模型，實現(xiàn)對切換決策的優(yōu)化[7]。參考文獻[8]提出了一

種基于加權(quán)二分圖的衛(wèi)星與地面網(wǎng)關(guān)之間的切換方法，使

用 Kuhn-Munkres（KM）算法研究了最大權(quán)重匹配問題，

旨在最大化整體通信質(zhì)量并平衡網(wǎng)絡(luò)負載。將衛(wèi)星通信系

統(tǒng)中的衛(wèi)星、地面站和用戶設(shè)備等元素抽象為圖中的節(jié)

點，將它們之間的連接關(guān)系抽象為圖中的邊，利用圖論中

的最短路徑算法、最小生成樹算法等，計算出切換控制圖

中的最優(yōu)路徑，從而實現(xiàn)星間切換控制[8]。參考文獻[9]提

出了一種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中基于有向圖的切換框架，利用衛(wèi)星覆

蓋周期計算切換有向圖，切換過程可轉(zhuǎn)化為在有向圖中尋

找路徑，根據(jù)不同的切換標準，設(shè)置鏈路權(quán)重以支持多種

場景下的星間切換策略。參考文獻[10]聯(lián)合利用基于有向

圖的切換框架和多屬性決策算法構(gòu)建多屬性動態(tài)圖，來解

決衛(wèi)星服務航空交通場景下的切換問題。上述基于圖論的

切換方法仍面臨許多問題，如當網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，計算最

優(yōu)路徑的時間復雜度會非常高，導致算法的實際可行性受

到限制?；趯W習的星間切換方法利用強化學習、深度學

習等技術(shù)，通過對大量數(shù)據(jù)的學習，建立起星間切換決策

模型[11]，實現(xiàn)星間切換的智能決策，并且可以自適應地學

習和適應不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和變化[12]。參考文獻[13]提出了

一種面向以用戶為中心的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的體驗質(zhì)量（Quality of

Experience，QoE）驅(qū)動的智能切換機制，通過空間關(guān)系耦

合模型來預測用戶與衛(wèi)星之間的相對運動模式來選擇切

換接入衛(wèi)星，并采用強化學習優(yōu)化用戶 QoE。參考文獻[11]

提出了一種基于多代理強化學習的星間切換策略，旨在最

小化平均切換次數(shù)，同時滿足每顆衛(wèi)星的負載約束?；?/p>

博弈的星間切換方法將衛(wèi)星之間的切換控制問題看作一

種用戶終端的博弈過程，通過博弈理論來分析和優(yōu)化用戶

之間的資源競爭關(guān)系，進行星間切換決策，使系統(tǒng)達到納

什均衡。參考文獻[14]提出了一種基于低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)

中移動終端潛在博弈的新型星間切換策略，獲得具有最大

用戶滿意度的切換策略，并平衡衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載。

現(xiàn)有的切換方法中，基于圖論的切換方法雖然簡單，

但星地鏈路快速變化，研究星間切換方法需分析用戶和

表 1 星間切換方法對比

方法分類 算法 場景 優(yōu)化目標 關(guān)鍵技術(shù)點

基于圖論

GBH&MADM 高速航空交通 整體吞吐量 設(shè)置信道保留順序(CRO)參數(shù)

加權(quán)二分圖&KM 饋電鏈路切換控制 饋電鏈路速率 MIMO 系統(tǒng)多階最大權(quán)重匹配

基于學習

RL 隨機接入用戶 切換次數(shù)、端到端時延 利用空間關(guān)系耦合模型預測切換因素

RL 多 LEO 衛(wèi)星覆蓋用戶 用戶阻塞率 分布式多智能體切換

基于博弈 二分圖&勢博弈 高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)同覆蓋的地面用戶 切換次數(shù) 基于 SDSN 結(jié)構(gòu)的勢博弈算法

第 3 期 劉人鵬等：星地融合網(wǎng)絡(luò)中基于多目標優(yōu)化的星間切換決策方法 ·61·

衛(wèi)星的時變連接關(guān)系及動態(tài)的可用資源；基于學習的切

換方法需要大量的數(shù)據(jù)來進行訓練，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，

數(shù)據(jù)的獲取和處理可能會受到限制；基于博弈的切換方

法需要考慮當衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時，會產(chǎn)生大量節(jié)點間

博弈信息開銷[15]。

1 基于多目標優(yōu)化的星間切換方法

星地融合網(wǎng)絡(luò)中的星間切換問題涉及多個沖突的目

標，這些目標往往相互影響，多目標優(yōu)化可以提供一系列

接近帕累托前沿的解集，在相互沖突的目標上都能取得較

好的數(shù)值解。本文提出基于多目標優(yōu)化的星間切換方法，

引入衛(wèi)星覆蓋時空圖將動態(tài)連續(xù)拓撲劃分為靜態(tài)離散快

照，建立平均數(shù)據(jù)速率與網(wǎng)絡(luò)負載的多目標優(yōu)化模型，提

出自適應加速變體多目標優(yōu)化算法（Adaptive Accelerated

Multi-Objective Evolutionary Algorithm, AAMOEA）尋求一

組在多個目標函數(shù)下都具有較好性能的切換策略，保證切

換成功率。

1.1 場景模型

星地融合網(wǎng)絡(luò)星間切換場景如圖 1 所示，設(shè)衛(wèi)星覆蓋

區(qū)域內(nèi)用戶由低軌衛(wèi)星持續(xù)提供通信服務，該場景主要由

以下部分構(gòu)成：低軌通信衛(wèi)星表示為{1,2, , , , } ? ?s S ，衛(wèi)

星沿固定星歷軌跡運動，當運動至用戶可見范圍內(nèi)，可以

為用戶提供通信服務，分布于不同區(qū)域的地面用戶表示為

? ? {1,2, , , , } ? ?k K 。根據(jù) 3GPP 發(fā)布的條件切換

（Conditional Handover, CHO）定義，當滿足一個或多個切

換執(zhí)行條件時，用戶自行執(zhí)行切換，由于衛(wèi)星和用戶的相

對位置不斷變化，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，用戶需要不斷切換

服務衛(wèi)星以保證連續(xù)的通信服務。本文將衛(wèi)星剩余服務時

間用于評估切換執(zhí)行條件，當剩余服務時間不足時需要在

可見候選衛(wèi)星中做出切換決策。定義二進制變量?k s, ，

, 1 ?k s ? 表示用戶 k 切換至衛(wèi)星 s，否則反之，用戶在某一

時刻只能選擇一顆衛(wèi)星進行連接，利用連接矩陣來表示用

戶與衛(wèi)星的連接關(guān)系。

1,1 1,2 1,

2,1 2,2 2,

,1 ,2 ,

s

s

k k k s

?? ?

?? ?

?

?? ?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

? ?

?

?

? ?

?

(1)

在星地融合網(wǎng)絡(luò)中，低軌通信衛(wèi)星持續(xù)高速地運動使

網(wǎng)絡(luò)拓撲呈現(xiàn)出高度動態(tài)性[16]，為了在多衛(wèi)星重疊覆蓋的

場景下描述用戶與衛(wèi)星之間的時空連接關(guān)系，引入衛(wèi)星覆

蓋時空圖。其主要思想是將星地融合網(wǎng)絡(luò)連續(xù)動態(tài)拓撲離

散化，劃分為足夠小的時隙，在每個時隙有效期內(nèi)，使用

靜態(tài)圖描述每個時隙衛(wèi)星與用戶的連接關(guān)系[17]。本文靜態(tài)

圖用離散快照表示，通過一系列快照，時變連續(xù)拓撲可以

轉(zhuǎn)化為靜態(tài)離散的衛(wèi)星覆蓋時空圖。

衛(wèi)星與用戶之間的仰角θ通常被用作描述用戶與衛(wèi)

星之間的位置關(guān)系[18]，假設(shè)用戶和衛(wèi)星的位置信息分別

用 (, ,) k kk x y z 和 (, ,) s s s x y z 來表示，其仰角可以通過下式

計算[19]

圖 1 星地融合網(wǎng)絡(luò)星間切換場景

·62· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

? ?

? ?

? ?

? ?

2 2 2

,

2 2 2

π

arccos

2 2

arccos

2

s k

R Rh d

RR h

d Rh R

dR h

?

? ? ?? ? ? ? ? ? ?

? ? ?

? ? ?? ? ? ?

? ? ?

(2)

其中，R 為地球半徑，h 為衛(wèi)星軌道高度。衛(wèi)星與用戶之

間的距離計算為

2 22

, ( )( )( ) ks k s k s k s d xx yy zz ? ? ?? ?? (3)

衛(wèi)星剩余服務時間可以根據(jù)最大覆蓋時間 Mt 進行

計算[16]

M max

1

t 2?

? ? ? (4)

其中， max 2? 表示衛(wèi)星最大覆蓋時間對應的弧度，可根據(jù)

余弦定理求得。? 與衛(wèi)星角速度?s 和地球自轉(zhuǎn)角速度?e

相關(guān)[20]

s e

1 ( ) cos

2

? ?? ? ? i (5)

1.2 多目標函數(shù)設(shè)置

在星間切換問題中，當衛(wèi)星移動引發(fā)多個用戶和業(yè)務

切換時，會同時觸發(fā)大量切換請求，使網(wǎng)絡(luò)資源競爭加劇，

將導致網(wǎng)絡(luò)資源競爭加劇，有限的星上傳輸資源無法滿足

所有切換請求，導致切換失敗。若接入過多用戶，則會降

低數(shù)據(jù)速率，本文同時優(yōu)化平均數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)負載兩個

目標函數(shù)，平均數(shù)據(jù)速率是衡量通信質(zhì)量的重要指標，衛(wèi)

星與地面用戶的傳輸損耗計算為

PL PL PL PL k s, bgs ??? (6)

其中，基本路徑損耗 PLb 表示自由空間傳播損耗、陰影衰

落與雜波損耗之和

PL FSPL , SF CL( , b , () ) ks s s s ? ?? d f ? f (7)

k s, d 為低軌衛(wèi)星到地面用戶的距離， sf 為通信頻率，

? s 為衛(wèi)星仰角，陰影衰落SF 服從正態(tài)分布，可計算出信

噪比為

tr tr re

k s, N

C PGG

N P

? ? ? ? ? ? ? (8)

其中， tr P 為發(fā)射功率， tr G 為發(fā)射天線增益， re G 為接收

天線增益。由香農(nóng)公式可得用戶可達速率為

,

1

, 2 log k s

C

N R B ks s

? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (9)

將網(wǎng)絡(luò)負載設(shè)為目標函數(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸資源的使用

情況，提高用戶的切換成功率。定義衛(wèi)星節(jié)點負載為該網(wǎng)

絡(luò)當前接入的用戶數(shù)與最大可服務用戶數(shù)之比，網(wǎng)絡(luò)負載

可以表示為衛(wèi)星節(jié)點負載方差

Σ 1 ,

K

k ks

j

j

Q M

? ? ? (10)

? ?

2

Σ 1

S

s j Q Q L

S

? ? ? (11)

其中，M j 為最大可服務用戶數(shù)，Q 為衛(wèi)星節(jié)點負載平均

值。約束條件為每顆衛(wèi)星最大連接數(shù)和衛(wèi)星對用戶的剩余

服務時間。

1.3 自適應加速變體多目標優(yōu)化算法

多目標優(yōu)化問題的一種解決方法為賦予各個目標函

數(shù)合適的權(quán)重值，得到一個全新的單目標函數(shù)，之后采用

單目標優(yōu)化算法進行求解[21]。但是權(quán)重值設(shè)置受人為因素

干擾較大，且容易因權(quán)重值過小導致某個目標適應度值無

法收斂。因此本文基于 NSGA-Ⅱ算法框架[22]，在算法的

前期構(gòu)造佳點集保證算法的搜索能力，擴大搜索空間，避

免陷入局部最優(yōu)；在后期引入自適應加速變體，加快環(huán)境

選擇的速度，保證算法有效收斂；提出了自適應加速變體

多目標優(yōu)化算法對星間切換問題進行求解，算法流程如圖 2

所示。

圖 2 AAMOEA 流程

第 3 期 劉人鵬等：星地融合網(wǎng)絡(luò)中基于多目標優(yōu)化的星間切換決策方法 ·63·

在優(yōu)化算法中，種群的每個個體都由染色體構(gòu)成，染

色體長度為決策變量維度。本文用一條染色體編碼代表

星地融合網(wǎng)絡(luò)中星間切換的一種策略，即用戶的切換選

擇，并考慮將衛(wèi)星編號作為決策變量，表示用戶連接的

目標衛(wèi)星。

種群初始化對算法的收斂速度和搜尋解集的精度至

關(guān)重要，經(jīng)典優(yōu)化算法一般采用隨機變量生成初始化種

群，在求解星間切換問題時容易導致對目標空間的遍歷性

不足，影響算法最終性能。星間切換問題的初始化種群方

法應該盡可能廣泛分布于整個搜索空間中，以保持解集的

多樣性，本文采用佳點集來初始化種群。初始化種群代表

一組切換策略，根據(jù)用戶側(cè)可達數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)負載計算

每個個體的適應度值，初始化種群首先計算佳點

1 2 (, , , ) n r rr r ? ? ，

2π mod 2cos ,1 ,1 7 j

i

r j n ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ≤ ≤ (12)

構(gòu)造佳點集

Pn ?i ri ri ri i n ? ? ?? 11 2 2 , , , , 1,2,3, , ? ? n n ?? ? (13)

將佳點集映射到種群所在的可行域上

( () ) j X a Pib a i jn j j ?? ? (14)

其中， j a 表示當前維度下界， j b 表示當前維度上界。

使用快速非支配排序方法對種群中的個體進行排序，

在多目標優(yōu)化問題中，對于種群中的兩個解 1 p 、 2 p ，如

果對于任意目標函數(shù) k f ，都有 fk k ? p fp 1 2 ?≤ ? ? ，稱 1 p 支

配 2 p ；如果對于任意目標函數(shù) k f ，都有 fk k ? p fp 1 2 ?＜ ? ? ，

則稱 1 p 強支配 2 p 。當整個目標空間不存在支配 i p 的解，

則 i p 為該多目標問題的帕累托最優(yōu)解。按照支配關(guān)系將個

體劃分為不同的非支配層級，對于初始種群的所有個體，

統(tǒng)計其支配解的個數(shù)和支配其的解的個數(shù)，統(tǒng)計結(jié)束后，

將沒有支配解的個體設(shè)置支配等級為 1。以此類推，直到

將整個種群按照支配層級排序完畢。

在父代選擇方式中，一般采用二元錦標賽選擇方法

隨機從種群中選擇兩個個體進行競爭選出父代個體，其

優(yōu)點是任何個體都可以競爭成為父代個體，保證父代選

擇公平，避免陷入局部最優(yōu)中。二元錦標賽方法也有一

定的缺點，其實現(xiàn)方式近似于隨機選擇父代。當衛(wèi)星規(guī)

模增大時，比較選擇過程速率減慢，導致優(yōu)化過程的搜

索能力下降。本文提出一種自適應選擇策略，根據(jù)星座

規(guī)模初始化錦標賽抽取個數(shù)，在前幾輪比較中加快新種

群的生成速度，保證選擇時間不會過長，在新種群規(guī)模

達到設(shè)定閾值后，逐漸減小錦標賽抽取個數(shù)。選擇一定

數(shù)量精英個體作為父代種群進行模擬二進制交叉并用于

實數(shù)編碼，生成子代種群。

為了維護新種群的多樣性，對于無法利用非支配層

級進行比較的個體，利用其相鄰個體計算擁擠度，用于

后續(xù)環(huán)境選擇操作，使求得的帕累托解集在目標空間中

盡可能分散，更能靠近帕累托最優(yōu)前沿[23]，擁擠度計算

如下

? ? 1 1

1

m i i

i jj j D ff ? ?

? ? ? ? ∣ ∣ (15)

其中，Di 表示 i 點的擁擠度， i 1

j f ? 表示i ?1點的第 j 個目

標函數(shù)值， i 1

j f ? 表示i ?1點的第 j 個目標函數(shù)值。個體的

擁擠度高，說明該區(qū)域被探索得較充分；反之，該區(qū)域探

索度較低，可以進行更高概率的多項式變異，增加種群的

多樣性，避免錯過適應度更高的個體。

g

0 avg

avg Gen

g

0 avg

max Gen

1 ,

,

i

i

i

i

i

D N

P D D

D N

P

D N

P D D

D N

?

?

? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ?

?

?? ? ?

?

≤

(16)

其中， P0 為初始變異概率， Davg 為平均擁擠度， Dmax 為

最大擁擠度，Ng 為當前迭代次數(shù)，NGen 為總體迭代次數(shù)。

通過該方法可以提高 Pareto 集和種群的多樣性，防止算法

陷入局部最優(yōu)或早熟，滿足迭代次數(shù)后，得到一組帕累托

最優(yōu)解集。

本文所提 AAMOEA 算法對 NSGA-Ⅱ算法選擇過程

進行優(yōu)化，設(shè)目標數(shù)為 M ，種群個體數(shù)為 N ，個體進

行一次排序需要和 N ?1個個體比較 M 個目標，整個種

群需要 O N( ) 輪排序，因此 NSGA-Ⅱ算法時間復雜度為

2 O MN ( ) 。隨著衛(wèi)星規(guī)模的增大與種群迭代數(shù)的增大，

AAMOEA 算法會自適應調(diào)整排序規(guī)模，通過犧牲部分

搜索空間換取搜索時間，線性降低切換決策耗時，并且

得益于種群初始化的改進，算法在保證種群多樣性的同

時滿足快速收斂的需求。

2 仿真設(shè)置與結(jié)果分析

本文利用 MATLAB 和 STK 衛(wèi)星仿真工具搭建星地

融合網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境，對所提算法進行仿真試驗測試。

2.1 參數(shù)設(shè)置

采用 Starlink 第一階段一層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的軌道參數(shù)，軌

道面數(shù)為 72 個，每條軌道分布 22 顆衛(wèi)星，軌道高度為

550 km，軌道傾角為 53°，具體見表 2。

·64· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

表 2 仿真參數(shù)設(shè)置

參數(shù)名稱 仿真設(shè)置

衛(wèi)星仿真環(huán)境

星座類型 Starlink 星座

衛(wèi)星數(shù) 1 584 顆

軌道面數(shù) 72 個

軌道傾角 53°

軌道高度 550 km

系統(tǒng)帶寬 100 MHz

用戶數(shù)量 40~140 個

算法設(shè)置

種群大小 100

編碼長度 40~140

迭代次數(shù) 100 次

2.2 實驗結(jié)果分析

首先選取地面的多個用戶，采用相同參數(shù)設(shè)置，驗證

算法所得帕累托前沿的分布情況。

圖 3 展示了帕累托前沿面分布情況比較，得益于初始

化步驟改進，所提多目標切換方法克服了算法容易局部收

斂的問題，相鄰個體之間的距離更遠，在整體目標空間內(nèi)

分布更均勻，種群多樣性得到了保障；通過比較帕累托前

沿的分布，可以看出改進算法所得解集更靠近理想點，可

以跳出當前的極值區(qū)域，找到更優(yōu)的非支配解，在求解星

間切換問題上具有更好的性能。

圖 3 帕累托前沿面分布情況比較

設(shè)置用戶位置固定不變，僅考慮由衛(wèi)星運動導致衛(wèi)星

與用戶連接關(guān)系發(fā)生變化所引發(fā)的星間切換，圖 4 展示了

地面 60 個用戶的切換選擇情況。

通過對比圖 4（b）與圖 4（c）中的切換選擇可以看

出，所提多目標切換方法得到的用戶切換決策更加分散。

圖 4（b）中接入用戶數(shù)最多的衛(wèi)星服務了 30 個用戶，而

圖 4（c）中接入用戶數(shù)最多的衛(wèi)星服務了 21 個用戶，說

明當衛(wèi)星移動引發(fā)切換時，得益于種群初始化的改進，所

提多目標切換方法有更多樣的個體選擇，切換請求數(shù)量峰

值更低，可以有效保證切換成功率。

圖 4 地面 60 個用戶的切換選擇情況

為了進一步測試所提 AAMOEA 方法與其他多目標優(yōu)

化方法在連續(xù)時隙間進行切換的性能對比，從可達速率與

第 3 期 劉人鵬等：星地融合網(wǎng)絡(luò)中基于多目標優(yōu)化的星間切換決策方法 ·65·

網(wǎng)絡(luò)負載失衡度兩個角度分別對近似引導優(yōu)化

（Approximation-Guided Evolution-Ⅱ，AGE-Ⅱ）算法[24]、

多目標粒子群優(yōu)化（Multi-Objective Particle Swarm Optimization，MOPSO）算法[25]、自組織多目標優(yōu)化算法

（Self-Organizing Multi-Objective Evolutionary Algorithm，

SMEA）[26]進行評估。

圖 5 連續(xù)時隙可達速率

圖 5 展示了在連續(xù)時隙下采樣的 AAMOEA 算法與基

于其他多目標切換方法的可達速率?？梢钥闯?，所構(gòu)建的

多目標模型在每一代優(yōu)化過程中，通過對個體進行快速非

支配排序、計算擁擠度等方法，篩選出了一系列具有較好

平衡性的解，這些解能夠在平均數(shù)據(jù)速率和網(wǎng)絡(luò)負載之間

找到一個合適的折中點，代表了在網(wǎng)絡(luò)負載和平均數(shù)據(jù)速

率兩個目標下的帕累托最優(yōu)解集。網(wǎng)絡(luò)負載失衡度的對比

情況如圖 6 所示。

圖 6 連續(xù)時隙網(wǎng)絡(luò)負載失衡度對比情況

通過圖 6 可以看出，所提算法的負載失衡度遠低于基

于最大仰角的切換方法，這是由于在多目標切換模型中，

通過適應度函數(shù)設(shè)計，在保證平均數(shù)據(jù)速率的情況下，避

免大范圍切換至相同的衛(wèi)星，從而減小了網(wǎng)絡(luò)負載失衡

度，提高網(wǎng)絡(luò)應對突發(fā)狀況的能力。

下面針對地面不同規(guī)模用戶進行切換仿真實驗，

分別測試了基于多目標優(yōu)化的切換方法與基于最大仰

角的切換方法。圖 7 為用戶切換失敗率與用戶規(guī)模的

關(guān)系。

圖 7 用戶切換失敗率與用戶規(guī)模的關(guān)系

從圖 7 可以看出，兩種切換方法的切換失敗率都會隨

著用戶規(guī)模的增大而上升，這是因為接入同一顆衛(wèi)星的用

戶數(shù)增多。當衛(wèi)星移動引發(fā)切換時，會同時觸發(fā)大量切換

請求，導致切換成功率下降。由于所提切換方法中初始種

群分布更均勻，并且通過多目標優(yōu)化保證了用戶可達速

率，用戶的切換選擇適當分散于臨近衛(wèi)星，當某顆衛(wèi)星移

出可見范圍時，可以降低切換請求觸發(fā)數(shù)量。通過計算比

較，所提切換方法相較于基準算法，用戶切換成功率提高

20%以上。

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·66· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

劉人鵬（1996? ），男，北京郵電大學網(wǎng)絡(luò)與

交換技術(shù)國家重點實驗室博士生，主要研究方

向為星地融合網(wǎng)絡(luò)移動性管理、資源分配。

胡博（1978? ），男，北京郵電大學網(wǎng)絡(luò)與交

換技術(shù)國家重點實驗室教授，主要研究方向為

寬帶無線移動通信系統(tǒng)、面向 B5G/6G 的星地

融合通信、網(wǎng)絡(luò)人工智能、泛在移動計算等。

李鶴群（1999? ），男，北京郵電大學網(wǎng)絡(luò)與

交換技術(shù)國家重點實驗室碩士生，主要研究方

向為低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲分析。

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[作者簡介]

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 體 化 信 息 網(wǎng) 絡(luò) Vol.4 No.3

衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)容量密度評估

孟賢，秦大力，汪宇，孔垂麗，羅禾佳，王俊

（華為技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310052）

摘 要：采用傳統(tǒng)分析方法在較低波束密度場景下會極大低估系統(tǒng)的吞吐能力，且無法揭示出高波束密度場景下出現(xiàn)的容量飽

和現(xiàn)象。為了克服上述問題，提出一種全新的系統(tǒng)仿真方法，以對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及星地一體化網(wǎng)絡(luò)的容量密度指標進行精確評估。

基于此方法，首先，評估地球不同經(jīng)緯度區(qū)域的容量密度，可以觀察到，隨著衛(wèi)星運動，相同地區(qū)的容量密度變化較大，其最

大最小容量密度的比值可達兩倍；其次，可見性越高的地區(qū)通常具有更高的容量密度，高頻場景下，氣衰對容量密度的影響不

可忽略；最后，針對星地融合系統(tǒng)，評估結(jié)果顯示蜂窩覆蓋和衛(wèi)星覆蓋的容量密度可以相差 4 個數(shù)量級。為了提升星座容量密

度，嘗試用提升最大點亮波束數(shù)和提升衛(wèi)星規(guī)模兩種技術(shù)路徑。結(jié)果顯示，在星座總波束相同的情況下，提升衛(wèi)星規(guī)模時性能

更優(yōu)；但兩種提升星座總波束數(shù)的方式都存在容量上界，且邊際效應顯著下降。為此，最后提出提高衛(wèi)星天線增益的方案，仿

真結(jié)果表明所提方案可以顯著提升星座容量密度。

關(guān)鍵詞：大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座；容量密度；星地融合網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

doi: 10.11959/j.issn.2096?8930.2023032

Capacity Density Assessment of Satellite

Constellation Network

MENG Xian, QIN Dali, WANG Yu, KONG Chuili, LUO Hejia, WANG Jun

Huawei Technologies Co., Ltd., Hangzhou 310052, China

Abstract: The traditional analytical method greatly underestimates the throughput capability of the system in low beam density scenario,

and cannot reveal the capacity saturation phenomenon in high beam density scenario. To overcome the preceding problems, a new system simulation method was proposed to accurately evaluated the capacity density indicator of satellite constellation network and integrated satellite and terrestrial network, Based on this method, first, the capacity density of different longitude and latitude regions of the

earth was evaluated. It could be observed that the capacity density of the same region varies greatly with the movement of the satellite,

and the maximum capacity density was twice the minimum. Then, areas with higher visibility usually had higher capacity density. In

high-frequency scenarios, the impact of atmospheric attenuation on capacity density could not be ignored. Finally, for the integrated

satellite and terrestrial network, the evaluation results showed that the capacity density of cellular coverage and satellite coverage could

differ by four orders of magnitude. In order to improved the capacity density of satellite constellation network, two technical paths were

attempted: increasing the maximum number of illuminated beams and increasing the satellite scale. The results showed that the performance was better when the constellation scale was increased when the total beams of the constellation were the same. However, the two

ways to increase the total number of beams in a constellation had an upper bound on capacity, and the marginal effect decreased significantly. Finally, a scheme to increase the gain of satellite antenna was proposed. The simulation results showed that the proposed scheme

could significantly increase the capacity density of constellation.

Keywords: large-scale LEO satellite constellations, capacity density, integrated satellite and terrestrial network

0 引言

下一代移動通信期待建成星地融合通信網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)

由地面網(wǎng)絡(luò)、臨近空間網(wǎng)絡(luò)和天基網(wǎng)絡(luò)組成，在通信體制

和通信架構(gòu)上深入融合[1-3]。為了實現(xiàn)這個宏偉的愿景，

3GPP 發(fā)起了創(chuàng)新的非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial Network,

收稿日期：2023?05?15；修回日期： 2023?09?03

·68· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

NTN）的標準化工作，目標是研究一系列協(xié)議的適配，使

得 5G 新空中接口（New Radio，NR）協(xié)議可以應用于衛(wèi)

星通信系統(tǒng)[4]。通過這種方式，運營商可以利用移動蜂窩

生態(tài)系統(tǒng)及其規(guī)模經(jīng)濟來共同發(fā)展衛(wèi)星通信。由于低軌通

信衛(wèi)星具有靈活、廣覆蓋、高帶寬和低時延的特點，越來

越多的商用衛(wèi)星系統(tǒng)采用大規(guī)模低軌通信星座并搭配自

研的通信體制來部署全球化的移動寬帶服務，例如

OneWeb、Kuiper、Starlink。其中，截至 2023 年 7 月，Starlink

已經(jīng)部署了 4 516 顆在軌衛(wèi)星[5]，并申請了超過 3 萬顆衛(wèi)星

的軌道資源。此外，已經(jīng)陸續(xù)有公司開始測試并部署直聯(lián)

蜂窩手持終端的衛(wèi)星通信服務，例如 AST SpaceMobile 已

完成通過標準蜂窩手機經(jīng)測試衛(wèi)星撥通地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的

測試，Starlink 已經(jīng)申請通過和 TMobile 合作利用其頻譜

在第二代衛(wèi)星上部署直聯(lián)手機載荷。

面對眾多不同星座構(gòu)型、載荷能力、通信體制的通信

系統(tǒng)，亟須一套統(tǒng)一的指標來衡量這些通信系統(tǒng)的通信能

力。基于該指標，可以和成熟的地面蜂窩系統(tǒng)進行對比。

從 ITU 的評估標準來看，參考文獻[6]提出了 IMT-2020 的

13 個最小空中接口技術(shù)指標。參考文獻[7]規(guī)范了這 13 個

指標的評估方法，即采用相應的分析、審視和仿真來進行

評估。具體來說，采用靜態(tài)拓撲和系統(tǒng)仿真的方法來評估

終端用戶的用戶平面和控制平面的基本性能指標。參考文

獻[8]進一步提出作為地面蜂窩系統(tǒng)補充的衛(wèi)星空中接口

技術(shù)的愿景、需求和評估方法。此外，學術(shù)界已經(jīng)針對以

上指標在不同星座系統(tǒng)和不同協(xié)議體制下進行了評估。例

如，參考文獻[9]用衛(wèi)星電視廣播標準（DVB-S2X）體制比

較了幾個典型的大規(guī)模通信星座的最大容量。參考文獻[10]

評估了 MEO 星座采用 DVB-S2X 體制的系統(tǒng)容量情況。

對于 NR NTN 系統(tǒng)，3GPP 在參考文獻[11]中給出 S 頻段

和 Ka 頻段在 LEO/GEO 軌道上單星的終端吞吐性能。參

考文獻[12]基于參考文獻[11]中的仿真方法，進一步給出地

球不同緯度上的容量密度。參考文獻[13-16]評估了控制平

面的接入指標和切換指標。在這些性能指標當中，吞吐類

的指標是衡量系統(tǒng)通信能力的關(guān)鍵，其中區(qū)域業(yè)務容量指

標（容量密度）可以表示在區(qū)域單位面積上的總業(yè)務流量，

相較終端用戶的評估指標，容量密度可以進一步反映衛(wèi)星

星座特性帶來的在不同區(qū)域的性能差異，相較系統(tǒng)總?cè)?/p>

量，容量密度又可以反映地球不同區(qū)域的容量差異，因此

本文將重點聚焦于該指標的評估上。

即便是對于系統(tǒng)吞吐的評估，不同的評估方法也

大相徑庭。參考文獻[9]采用蒙特卡洛統(tǒng)計的分析方法，

對隨時間變化的衛(wèi)星位置、氣衰等進行隨機統(tǒng)計，但

存在干擾和業(yè)務建模過于簡單，且沒有考慮空中接口

協(xié)議開銷的問題。3GPP 在參考文獻[11]中基于地面蜂

窩的系統(tǒng)仿真方法，對單星場景進行仿真，但該仿真

方法只定義了單星多波束的靜態(tài)拓撲場景，無法擴展

到星座級別的仿真。參考文獻[12]基于單星仿真的平均

頻譜效率結(jié)果，用數(shù)學分析得到了 Walker 星座每緯度

的可見衛(wèi)星數(shù)，并進一步拓展得到每緯度的容量密度，

但是該方法的不足之處是沒有考慮單星的波束調(diào)度以

及多星間的波束調(diào)度和干擾。參考文獻[17-19]顯示針

對衛(wèi)星系統(tǒng)中地面業(yè)務分布不均的場景，采用跳波束

技術(shù)可以顯著提升不同軌道高度的衛(wèi)星系統(tǒng)吞吐量和

覆蓋范圍。參考文獻[20]給出了詳細的高軌衛(wèi)星系統(tǒng)仿

真建模方。參考文獻[21]進一步提出低軌衛(wèi)星星座的跳

波束系統(tǒng)仿真建模方法，并考慮了多星間的波束調(diào)度

和干擾。但該方法依然欠缺對衛(wèi)星動態(tài)拓撲的建模，

無法反映衛(wèi)星的運動造成的影響。此外，仿真區(qū)域周

邊的干擾建模也不夠充分。

根據(jù)以上觀察，針對星座系統(tǒng)吞吐仿真建模問題，現(xiàn)

有文獻和標準未充分考慮星座的動態(tài)拓撲特性、多星多波

束調(diào)度和干擾等因素，欠缺一套完整且準確的建模方法論

和仿真體系?；诖?，本文在 3GPP NTN 單星系統(tǒng)仿真基

礎(chǔ)上，提出建模星座的動態(tài)拓撲模型和多星多波束的調(diào)度

模型，重新定義了仿真場景的部署方式，梳理出一整套切

實可行的空中接口吞吐仿真方法?；谒岢龅姆抡娣?/p>

法論，評估了地球不同地理區(qū)域的容量密度，并和參考

文獻[12]的分析方法結(jié)果進行了對比。同時，本文構(gòu)建了

星地融合通信網(wǎng)絡(luò)場景，對星座通信系統(tǒng)和地面蜂窩系統(tǒng)

的容量密度進行評估對比。最后，對提升星座容量密度的

3 種典型技術(shù)路徑進行了探索。

1 容量密度分析方法及其不足

1.1 容量密度的分析方法

ITU-R[8]中關(guān)于區(qū)域容量密度的定義為每個地理區(qū)域

服務的總吞吐量（以 Mbit/s/km2 為單位）。吞吐量是指在

一定時間內(nèi)正確接收的比特數(shù)，即傳送到上層的業(yè)務數(shù)據(jù)

單元中包含的比特數(shù)?；谄骄l譜效率、網(wǎng)絡(luò)部署（例

如 TRxP（站點）密度）和帶寬可以推導出容量密度。設(shè)

W 表示信道帶寬，ρ 表示 TRxP 密度（TRxP/km2

）。區(qū)域

容量密度 Carea 與平均頻譜效率SEavg 的關(guān)系如下

C W area ?? ? ? SEavg

其中，信道帶寬可以定義為實際帶寬乘以頻率復用因子。

平均頻譜效率 SEavg 是單個 TRxP 內(nèi)所有用戶吞吐量之和

第 3 期 孟賢等：衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)容量密度評估 ·69·

（一段時間內(nèi)正確接收的比特數(shù)）除以信道帶寬再除以波束

數(shù)量，用 bit/s/Hz/TRxP 來衡量。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，一個 TRxP

可以認為是一個波束。假設(shè)系統(tǒng)包含 N 個用戶 M 個波束，

通過蒙特卡洛仿真的方法可以得到SEavg 的表達式為

drops ( )

1 1

avg

drops

( )

SE

N N j

i j i

R T

N TWM

? ? ? ?? ?

? ?

其中，SEavg 通過 Ndrops 次撒點仿真求平均得到， ( ) ( ) j Ri T 表

示用戶 i 在第 j 次撒點在時間 T 內(nèi)的總吞吐比特數(shù)，W 表

示信道帶寬，T 是仿真時長。

可以看出，當前 ITU-R 中關(guān)于衛(wèi)星場景容量密度的評

估需要先通過系統(tǒng)仿真得到單星單波束的平均頻譜效率，

接著乘以信道帶寬后得到單波束的吞吐，最后再平均到單

個波束的覆蓋面積內(nèi)?；诖?，可以將單波束場景擴展得

到單星的容量密度計算公式

sat beam

area area beams beam sat CCN AA ?? ? /

其中， beam Carea 是單波束的容量密度，Nbeams 是單顆衛(wèi)星的波

束數(shù)， Abeam 是波束的覆蓋面積， Asat 是衛(wèi)星的覆蓋面積，

一般由衛(wèi)星高度和最低用戶仰角決定。

得到單星容量密度后，可以進一步推導星座的容量密

度。首先，單殼層星座在地球上任意位置的可見衛(wèi)星數(shù)由

參考文獻[12]中的公式給出

2 2

sat max

visible 2 2

( ) d π sin sin 1

sin

q

p

N x N x x

? ?

?

?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

?

其中， max{ , } min{ , } max max p q ? ?? ? ? ?? ? ， ?? ? ，Nsat 是

殼層衛(wèi)星總數(shù)，等于軌道數(shù)乘以每軌衛(wèi)星數(shù)，? 是衛(wèi)星的

傾角，? max 是最大半張角，? 是該區(qū)域的緯度。因此，單

殼層星座在地球任意位置的容量密度為

shell sat,shell shell CC N area area visible ? ?

最終，對于給定星座在地球上任意位置的容量密度，

可以先計算每個殼層的容量密度 shellid Carea ，再把所有殼層相

加得到，即

shells

constellation shellid

area area

shellid 1

N

C C?

? ?

1.2 分析方法的不足

上述方法基于單星單波束的平均頻譜效率進行分析

和仿真，對于多星場景，由于不同區(qū)域不同衛(wèi)星波束的業(yè)

務模型和負荷、波束仰角和覆蓋等不同，某個波束的平均

頻譜效率無法擴展到其他波束。此外，考慮到星座覆蓋的

動態(tài)拓撲特性，還需要考慮星座波束密度造成的波束間干

擾情況差異、不同地區(qū)氣衰差異（特別是高頻場景）。然

而，參考文獻[11]中采用固定拓撲的方式進行仿真，并沒

有考慮上述兩個因素對頻譜效率的影響。為了說明波束間

干擾情況和氣衰的影響，本文假設(shè)以下不同規(guī)模衛(wèi)星數(shù)的

傾斜軌星座，見表 1。衛(wèi)星載荷及終端的仿真參數(shù)見表 2。

本文采用蒙特卡洛靜態(tài)方法，按時間劃分多個快照來模擬

衛(wèi)星運動，每個快照下采用最簡單的波束調(diào)度策略，即每

顆衛(wèi)星盡量服務高仰角區(qū)域，但須滿足波束間 50 km 隔離

距離。仿真統(tǒng)計了所有快照下所有下行波束中心點的干擾

噪聲比（INR）、信噪比（SNR）以及信干噪比（SINR）。

表 1 不同規(guī)模衛(wèi)星數(shù)的傾斜軌星座

星座 軌道數(shù)/個 每軌衛(wèi)星數(shù)

/顆

衛(wèi)星總數(shù)

/顆

軌道高度

/km

傾角

/(°)

A 40 40 1 600 500 55

B 70 70 4 900 500 55

C 100 100 10 000 500 55

表 2 衛(wèi)星載荷及終端的仿真參數(shù)

參數(shù) 低頻衛(wèi)星移

動通信業(yè)務

高頻衛(wèi)星移動

通信業(yè)務

頻點/GHz 2 27

信道帶寬/MHz 5 5

使用帶寬/MHz 4.5 4.5

發(fā)射天線增益/dB 38 38

EIRP/dBW 58 70

最小用戶仰角/(°) 25 25

終端接收天線增益/dB ?5 ?5

終端天線噪聲系數(shù) 7 7

氣衰/dB 0.2 50%可用度

極化損失/dB 3 3

人體吸收損失/dB 2.5 2.5

首先，為了分析波束間干擾的影響，本文仿真了低頻

場景，包括星座 A 同頻復用 1 次、星座 A 同頻復用 4 次、

星座 B 同頻復用 4 次、星座 C 同頻復用 4 次這 4 種情況，其

同頻波束數(shù)分別是 1 600 個、6 400 個、19 600 個、40 000 個。

結(jié)果如圖 1 所示，可以看到隨著星座規(guī)模以及頻率復用次

數(shù)的增加，INR 顯著增加。通?？梢杂貌ㄊ蓴_規(guī)避的手

段來降低波束間干擾，比如增加波束間的隔離距離，但該

方法會限制同時激活的波束數(shù)量。

為了觀察氣衰在不同地理位置的影響，本文仿真了低

頻星座 B 同頻復用 1 次、高頻星座 B 同頻復用 1 次這兩種

情況。仿真結(jié)果顯示低頻場景下覆蓋范圍內(nèi)的 SINR 基本

一致，而高頻場景下不同區(qū)域則較明顯受氣衰的影響，最

·70· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

高 SINR 和最低 SINR 間的差異超過 2 dB。

圖 1 不同星座規(guī)模和同頻復用次數(shù)下的波束 INR 分布

根據(jù)以上分析可知，在評估容量密度時無法忽略波束

間干擾和氣衰的影響，而參考文獻[7]和[11]的容量密度分

析方法未能考慮上述兩個因素。參考文獻[11]的仿真假設(shè)

基于單星場景，采用了移動蜂窩系統(tǒng)中常規(guī)的固定拓撲的

仿真場景來建模。然而，實際星座網(wǎng)絡(luò)的移動性會帶來網(wǎng)

絡(luò)拓撲高動態(tài)變化、覆蓋的多重性和時變性，以及全球業(yè)

務的不均衡性。因此，基于固定拓撲的仿真不適用于星座

仿真場景，需要設(shè)計新的評估方法。

2 系統(tǒng)仿真方法和模型

由于建模完整的星座動態(tài)拓撲和通信協(xié)議過于復

雜[22-23]，為了尋求準確度和仿真速度的平衡，本文提出切

片的方法。具體而言，把動態(tài)拓撲周期性地切割成多個具

有靜態(tài)拓撲的時間片，然后在每個靜態(tài)拓撲時間片內(nèi)部用

3GPP TR 38.821[11]的系統(tǒng)仿真方法進行仿真。下文將提出

動態(tài)拓撲模型，以及基于此模型的仿真場景設(shè)置和系統(tǒng)間

仿真考慮。

2.1 動態(tài)拓撲模型

系統(tǒng)仿真的拓撲模型一般包括基站、小區(qū)、波束、終

端、終端和小區(qū)的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及波束和小區(qū)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

本文的動態(tài)拓撲模型包含以下 3 種狀態(tài)：動態(tài)、半靜態(tài)和

靜態(tài)。其中，由于衛(wèi)星（基站）高速運動，因此建模為動

態(tài)；小區(qū)基于地面固定波位，因此建模為靜態(tài)；波束策略

采用凝視波束，即在任一切片內(nèi)，任一波束的地面覆蓋區(qū)

域不變，而在切片間可以調(diào)整波束的覆蓋區(qū)域，因此建模

為半靜態(tài)；由于不對終端的移動進行建模，而是初始化時

在波位內(nèi)隨機撒點，因此終端建模為靜態(tài)；此外，波束和

小區(qū)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系在切片內(nèi)固定，而切片間可重新關(guān)

聯(lián)，因此建模為半靜態(tài)。拓撲模型動態(tài)特性見表 3。

表 3 拓撲模型動態(tài)特性

拓撲模型 傳統(tǒng)靜態(tài)拓撲 動態(tài)拓撲

基站 靜態(tài) 動態(tài)

小區(qū) 靜態(tài) 靜態(tài)

波束 靜態(tài) 半靜態(tài)

終端 動態(tài) 靜態(tài)（速度可以忽略）

小區(qū)和終端關(guān)聯(lián) 靜態(tài)（僅在切換時變化） 靜態(tài)

波束和小區(qū)關(guān)聯(lián) 無 半靜態(tài)

2.1.1 基站模型

仿真基于多層星座，每層可以按照常規(guī)的 Walker

星座來建模，即傾斜軌的 Walker Delta 或者近極軌的

Walker Star。衛(wèi)星是持續(xù)運動的，運動模型可以采用 J2

擾動模型[24]，兼顧精度和計算復雜度。本文重點關(guān)注空中

接口技術(shù)的容量密度指標，仿真架構(gòu)中不需要包含核心

網(wǎng)，并且如果不需要仿真衛(wèi)星間的協(xié)調(diào)，那么 Xn 接口也

可以忽略，從而可以不建星間鏈路，即每顆衛(wèi)星都是獨立

基站。

3GPP TR 38.821[11]中用基于 UV 平面坐標系統(tǒng)的正六

邊形網(wǎng)格劃分，采用圖2所示的基于簇復制的Wrap Around

方法。這種建模方式在地面上實際覆蓋面積大小不一，且

在衛(wèi)星邊緣區(qū)域波束覆蓋畸變，如圖 3 所示。

基于此，本文考慮在地面劃分出連續(xù)覆蓋的六邊形網(wǎng)

格作為小區(qū)，每一個六邊形網(wǎng)格稱為波位。這和地面蜂窩

系統(tǒng)的小區(qū)劃分方法類似，便于通過類似地面蜂窩成熟的

小區(qū)管理機制來管理，同時由于衛(wèi)星波束的覆蓋直徑可達

幾十千米，地面終端在仿真周期內(nèi)往往不會發(fā)生切換，因

此可以極大降低移動性管理的仿真開銷，從而提升仿真速

度。H3 網(wǎng)格是一個開源的地理空間索引系統(tǒng)，將地球表面

劃分為多層次的六邊形網(wǎng)格，是一種較好的網(wǎng)格劃分實現(xiàn)。

圖 2 基于簇復制的 Wrap Around 方法

第 3 期 孟賢等：衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)容量密度評估 ·71·

圖 3 基于 UV 平面波位生成方法在覆蓋邊緣畸變

2.1.2 波束模型

由于衛(wèi)星覆蓋區(qū)域大，即使在大規(guī)模低軌衛(wèi)星多波束

通信系統(tǒng)中，其波束的數(shù)量也遠小于波位數(shù)量，因此可以

采用跳波束作為基本的波束管理模型。參考文獻[26]中顯

示，星鏈在地面的六邊形網(wǎng)格直徑大約是 24.13 km。全球

面積按 5.1 億平方千米計算，覆蓋全球需要接近 135 萬個

波位。而根據(jù)星鏈公開申請文獻[27]，第一代衛(wèi)星總數(shù)為

4 408 顆，并假設(shè)每顆衛(wèi)星可以發(fā)射 16 個波束，那么其波

束波位比大約是 5.23%。

基于跳波束的系統(tǒng)仿真流程總體來說分為兩個步

驟[9]：第一，建立衛(wèi)星和波位的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即波位劃分，

由于衛(wèi)星的移動，需要在一定時間后對波位重新進行劃

分；第二，根據(jù)衛(wèi)星的最大波束數(shù)（同時）在波位劃分周

期內(nèi)按照一定周期對某些波位進行服務，該過程稱為波束

點亮過程，該時間周期稱為波束點亮周期。圖 4 展示了在

某個波束點亮周期內(nèi)的波位劃分和點亮情況。不同衛(wèi)星的

波位區(qū)域用粗線進行了劃分，其中深色的波位代表被點

亮，淺色的波位代表沒有被點亮。

圖 4 波位劃分及點亮情況示意

2.1.3 終端模型

用戶獨立在仿真區(qū)域內(nèi)分布，隨機配置視距（Line of

Sight，LoS）/非視距（Non Line of Sight，NLoS）信道。

相比于衛(wèi)星的運動速度，在較短的仿真周期內(nèi)，終端的運

動速度基本可以忽略，一般不會發(fā)生終端運動引起的切

換。因此，可以假設(shè)終端都是靜止的，切換只會由波位的

劃分引起，在波位劃分周期結(jié)束時更新終端和衛(wèi)星波束的

連接關(guān)系。

2.1.4 靜態(tài)拓撲內(nèi)仿真

在一個跳波束點亮周期內(nèi)，點亮波束和波位的關(guān)系保

持不變，即生成一個時間片的靜態(tài)拓撲。該靜態(tài)拓撲和

3GPP TR 38.821[11]中定義的仿真拓撲基本一致，只是地面

波位形成方式和衛(wèi)星運動需要做一些適配。在 3GPP NTN

標準形成過程中，已經(jīng)開發(fā)了基于 3GPP TR 38.821[11]的仿

真假設(shè)的仿真系統(tǒng)，并完成了校準。在進一步適配后，

該仿真系統(tǒng)既具備空中接口技術(shù)系統(tǒng)仿真的基本準則

（參考 ITU-R M.2412[7]），又支持衛(wèi)星移動下的地面固定

波束。

（1）滿足用戶獨立在仿真區(qū)域內(nèi)撒點，隨機配置

LoS/NLoS 信道。

（2）滿足信號衰落和干擾總和計算。

（3）滿足采用標準規(guī)定的業(yè)務模型。

（4）滿足多用戶的調(diào)度器調(diào)度，包含信道質(zhì)量反饋時

延、反饋錯誤、協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）

錯誤、真實信道估計效應、信道估計錯誤、包重傳等。

（5）滿足真實建模 L1 和 L2 的開銷，例如 L1 的同步、

保護帶、中心子載波、導頻和循環(huán)前綴等，L2 的公共控

制信道、混合自動重傳請求反饋信令、信道反饋、隨機

接入、包頭和循環(huán)冗余校驗（Cyclic Redundancy Check，

CRC）等。

（6）更新地面波位，替換成球面六邊形網(wǎng)格，不再用

UV 平面生成小區(qū)。

（7）更新衛(wèi)星位置和衛(wèi)星天線姿態(tài)。

2.2 仿真場景設(shè)置

基于以上動態(tài)拓撲模型，還需要設(shè)置相應的仿真場

景，包括設(shè)置仿真區(qū)域、部署衛(wèi)星和選擇調(diào)度算法。

2.2.1 設(shè)置仿真區(qū)域

為了仿真目標區(qū)域的星座容量密度，首先需要建模該

區(qū)域邊緣地區(qū)的干擾。采用對該目標區(qū)域進行擴展的方

式，即擴大仿真區(qū)域，進而計算干擾。擴展方式分為按區(qū)

域擴展和按衛(wèi)星覆蓋擴展。前者是在目標區(qū)域外，增加一

定的干擾區(qū)域共同作為仿真區(qū)域，使得目標區(qū)域的干擾得

·72· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

到充分統(tǒng)計，如圖 5 所示。而后者將所有能夠覆蓋到目標

區(qū)域的衛(wèi)星所能覆蓋到的區(qū)域作為仿真區(qū)域，如圖 6 所示。

本文采用按區(qū)域擴展的仿真區(qū)域設(shè)置方式進行仿真。

圖 5 仿真區(qū)域按區(qū)域擴展

圖 6 仿真區(qū)域按衛(wèi)星覆蓋擴展

2.2.2 部署衛(wèi)星

衛(wèi)星的部署方式分為兩種，可以根據(jù)星座中每顆衛(wèi)星

在某個時刻的實際位置去部署，也可以根據(jù)不同區(qū)域衛(wèi)星

可見數(shù)量隨機部署。在真實部署情況下，根據(jù)每顆衛(wèi)星的

軌道參數(shù)可以得到每顆衛(wèi)星在任意時刻的位置，進而可以

確定它們的經(jīng)緯高坐標。本文選擇經(jīng)緯坐標在仿真范圍內(nèi)

的衛(wèi)星作為仿真衛(wèi)星。在真實部署情況下，仿真結(jié)果可能

取決于仿真開始時間，為了避免該問題，需要仿真較多的

快照。因此，也可以根據(jù)仿真區(qū)域內(nèi)衛(wèi)星的可見性來隨機

部署衛(wèi)星。對于仿真區(qū)域內(nèi)可見性較平均的區(qū)域，可以通

過以下方法簡單部署。首先，計算仿真區(qū)域內(nèi)每殼層的可

見衛(wèi)星數(shù) pershell shell target

visible of target visible

satellite

A

N N

C ? 。

其中， shell Nvisible 為仿真區(qū)域平均可見衛(wèi)星數(shù)，Atarget 為仿

真區(qū)域面積， Csatellite 為該殼層衛(wèi)星覆蓋面積，可由衛(wèi)星高

度和最小用戶仰角得到

2 e a

satellite e a

e

cos 2π 1 cos arccos R e C R e R h

? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

其中，Re 為地球平均半徑，h 為衛(wèi)星高度， a e 為用戶最小

仰角。

仿真區(qū)域內(nèi)平均可見衛(wèi)星數(shù)為各殼層的可見衛(wèi)星數(shù)

之和

shells

constellation shellid

visible of target visible of target

shellid 1

N

N N?

? ?

因此，對于每一次仿真，可以依次對每個殼層在

仿真區(qū)域上方相應的殼層區(qū)域內(nèi)隨機撒 pershell Nvisible of target 顆

衛(wèi)星。

2.2.3 選擇調(diào)度算法

對于波位劃分算法，可以選擇周期性最短距離波位劃

分方法。假定每隔 T s 重新劃分波位和部署的衛(wèi)星的關(guān)系，

每個周期內(nèi)每個波位都選擇離自己最近的衛(wèi)星，一個波位

只會歸屬一顆衛(wèi)星。例如，假設(shè)仿真區(qū)域為我國內(nèi)陸區(qū)域，

對于 20 km 半徑的波位，一共需要上千個波位。圖 7 展示

了仿真時間相差 15 s 的兩個波位劃分結(jié)果，每顆衛(wèi)星關(guān)聯(lián)

的波位用不同顏色區(qū)分。

圖 7 T 時刻和 T+15 s 時刻波位劃分情況

第 3 期 孟賢等：衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)容量密度評估 ·73·

對于調(diào)度算法，采用無星間協(xié)作的輪詢或者比例公平

算法。例如，對于輪詢算法，假設(shè)某顆衛(wèi)星可以同時點亮

N 個波束，記作 B0 到 Bn 1? ，該衛(wèi)星被劃分了 M 個波位，

隨機編號分別記作 G0 到 Gm 1? 。那么在第 1 個點亮周期，N

個波束分別點亮波位 G0 到Gn 1? ，第 2 個點亮周期將點亮

波位 Gn 到 G2n 1? ，以此類推，第 k 個點亮周期點亮波位

G( 1) Mod kn N ? 到Gkn N ?1Mod 。

對于每個跳波束內(nèi)部的調(diào)度算法，本文沿用 3GPP 規(guī)

定的仿真算法，例如輪詢算法和比例公平算法。

2.3 系統(tǒng)間仿真考慮

前文主要討論了大規(guī)模星座系統(tǒng)的仿真模型和仿真

部署，結(jié)合已有成熟的蜂窩系統(tǒng)仿真方法，只要對星座系

統(tǒng)間、星座系統(tǒng)和地面系統(tǒng)間做好統(tǒng)一部署和協(xié)調(diào)，就可

以對任意星地一體化的通信場景進行仿真。系統(tǒng)間的仿真

部署和協(xié)調(diào)需要解決包括統(tǒng)一地理位置、干擾規(guī)避、終端

接入等問題。

由于蜂窩小區(qū)覆蓋面積小，真實部署蜂窩小區(qū)仿真代

價太高，例如 10 km 半徑的衛(wèi)星波束能夠覆蓋超過 1 萬個

地面蜂窩小區(qū)，一般選取幾個典型位置部署簇來加速仿

真。另外，星地一體的干擾計算也需要基于真實的地理位

置來計算，可以基于視角來減少干擾計算量。

不同運營商之間通常采用頻譜劃分的方式來規(guī)避干

擾。星地一體化網(wǎng)絡(luò)需要衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)共享頻譜資源，

例如 AST 和 Starlink 都申請地面運營商合作共同使用手

機直聯(lián)頻譜，因此還需要考慮同頻下的干擾規(guī)避手段。

常規(guī)的干擾規(guī)避手段有距離隔離、角度隔離、減少發(fā)射

功率等。

蜂窩系統(tǒng)終端通?；谛盘栙|(zhì)量或者強度選擇小區(qū)

接入，衛(wèi)星系統(tǒng)則同時考慮基于信號質(zhì)量和位置信息選擇

衛(wèi)星小區(qū)進行接入。星地一體化網(wǎng)絡(luò)中不同類型小區(qū)也需

要定義一定的接入和切換規(guī)則，例如定義蜂窩小區(qū)優(yōu)先級

高于衛(wèi)星小區(qū)等。

3 仿真結(jié)果

下面提供針對大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座及星地一體化網(wǎng)

絡(luò)的批量容量密度仿真結(jié)果。為了方便揭示容量密度的

一般規(guī)律，本文統(tǒng)一基于 NR NTN 協(xié)議仿真下行容量密

度，并且做出以下仿真假設(shè)：衛(wèi)星高度統(tǒng)一在 465 km 附

近，3 個殼層，每層 900 顆衛(wèi)星且傾角分別是 53°、43°

和 33°，覆蓋中低緯度區(qū)域，星座共 2 700 顆衛(wèi)星，具體

見表 4。衛(wèi)星天線采用 0.5 倍波長的正方形排布相控陣天

線，工作在 2 GHz 頻點，終端采用全向天線，具體參數(shù)

見表 5。每顆衛(wèi)星具有相同的波束能力，即可以發(fā)射相

同個數(shù)的同頻波束，每個波束的發(fā)送功率隨路徑損耗和

天線掃描損失進行補償，使得到達地面的功率譜密度相

同。波束調(diào)度采用地面固定波束，按照覆蓋星下點波束

范圍設(shè)定地面網(wǎng)格作為波位。同時采用跳波束來服務不

同波位：波位采用最近衛(wèi)星關(guān)聯(lián)策略，每 15 s 重新關(guān)聯(lián)

波位；波位點亮算法采用輪詢策略，每 50 ms 進行輪詢，

每個波位內(nèi)部署 10 個終端，具體參數(shù)見表 6。終端采用

手持終端，以仿真移動通信業(yè)務，業(yè)務模型采用 Full

Buffer，以仿真最大容量密度。

表 4 默認星座配置

殼層 高度/km 傾角/(°) 軌道數(shù)×每軌衛(wèi)星數(shù)

0 460 53 30 個×30 顆

1 465 43 30 個×30 顆

2 470 33 30 個×30 顆

表 5 默認通信參數(shù)

參數(shù) 值

頻點/GHz 2

帶寬/MHz 5

衛(wèi)星最大發(fā)射天線增益/dB 38

衛(wèi)星天線模型 M.2101，天線單元個數(shù)M=N=48個

最大 EIRP/dBW 53.4

路損模型 38.811

氣衰 99%可用度

波束覆蓋半徑/km 9

終端天線模型 全向

終端接收增益/dB ?5

終端噪聲系數(shù)/dB 7

表 6 默認波束管理參數(shù)

波束管理 策略

發(fā)射功率 地面等功率譜密度

單星最大點亮個數(shù)/個 50

波束隔離/km 0

波位劃分策略 最近距離，15 s 周期

點亮策略 輪詢，50 ms 周期

3.1 不同地理區(qū)域影響

本小節(jié)分析相同星座、衛(wèi)星載荷能力及通信體制下，

地球不同區(qū)域的容量密度差異。

首先對比在不同緯度下，采用系統(tǒng)仿真的方法和

·74· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

采用 1.1 節(jié)中提出的分析方法這兩種方法得到的容量

密度之間的差異。待仿真星座的可見衛(wèi)星數(shù)如圖 8 所

示，從中選取 3 個典型區(qū)域進行仿真，分別是較小可

見性的緯度 0°，一般可見性的緯度 23°，最大可見性的

緯度 30°，具體見表 7。其中仿真區(qū)域選擇經(jīng)緯度正負

1.5°，干擾區(qū)域在此之外再分別加 3°，即干擾區(qū)域是仿

真區(qū)域的 4 倍。

圖 8 待仿真星座的可見衛(wèi)星數(shù)

表 7 仿真區(qū)域設(shè)置

典型區(qū)域 仿真區(qū)域/(°) 干擾區(qū)域/(°)

A ?1.5~1.5 ?3~3

B 21.5~24.5 20~26

C 28.5~31.5 27~33

圖 9 展示了這 3 個區(qū)域用兩種評估方法得到的容量

密度 CDF 曲線。表 8 展示了不同緯度區(qū)域容量密度和可

見性對比，采用系統(tǒng)仿真得到的 5%、50%、95%的容量

密度和終端平均 SINR，以及采用分析方法得到的容量密

度和終端平均 SINR。上述兩種評估方法下，都可以看到

容量密度與區(qū)域可見性強相關(guān)。對于相同區(qū)域，分析方

法得到的容量密度都只有系統(tǒng)仿真得到的 1/4，這是由于

分析方法過度估計了波束間的干擾，評估出終端平均

SINR 僅為?1.584 dB，遠遠小于用系統(tǒng)仿真得出的 9 dB

左右的值。由此可見，分析方法嚴重低估了系統(tǒng)的吞吐

能力。通過觀察 3 個典型區(qū)域，可以看出隨著可見衛(wèi)星

數(shù)的增多，波束間的干擾增大，從而帶來 SINR 的降低。

例如，對比區(qū)域 A 和 B，區(qū)域 B 的平均可見衛(wèi)星數(shù)為 14.2

顆，比區(qū)域 A 多 30%，而終端平均 SINR 則只比區(qū)域 A

小了 0.44 dB。相比于 SINR 的降低程度，衛(wèi)星的增加影

響更大，因此容量密度的排序為區(qū)域 C> 區(qū)域 B> 區(qū)域

A，但可見性增加的邊際效應略微減少。如果采用分析

方法評估，每個區(qū)域的平均 SINR 都相同，容量密度完

全跟可見性成正比。此外，通過系統(tǒng)仿真的結(jié)果可以看

到容量密度在時間維度上具有較大方差。以區(qū)域 A 為例，

其最低容量密度（5%）為 1.2 kbit/s/km2

，只有平均容量

密度（50%）的 72%，最高容量密度（95%）的 51%。

作為對比，用分析方法進行評估只能得出一個值，無法

體現(xiàn)容量密度在時間維度上的抖動。

圖 9 不同緯度區(qū)域容量密度 CDF 曲線

由于星座構(gòu)型的特點，相同緯度下不同經(jīng)度區(qū)域的

衛(wèi)星可見性是相同的，因此影響容量密度的一個重要因

素就是氣衰。對于低頻氣衰的影響可以忽略，因此這里

主要關(guān)注高頻場景下的氣衰問題。定義仿真區(qū)域 C1 和

C2，其區(qū)域中心都位于緯度 30°，但分別位于經(jīng)度 120°

和 90°上。本文仿真了兩組氣衰模型，第一組用隨機氣

衰值，第二組用 95%可用度的氣衰值。仿真結(jié)果如圖

表 8 不同緯度區(qū)域容量密度和可見性對比

典型區(qū)域 5%容量密度

/(kbit·s?1

·km?2

)

50%容量密度

/(kbit·s?1

·km?2

)

95%容量密度

/(kbit·s?1

·km?2

)

平均可見

衛(wèi)星數(shù)/顆

終端平均 SINR

/dB

分析方法容量密度

/(kbit·s?1

·km?2

)

分析方法平均 SINR

/dB

A 1.200 1.663 2.350 10.87 10.086 0.445 ?1.584

B 1.601 2.096 2.786 14.21 9.647 0.591 ?1.584

C 2.324 2.807 3.571 18.53 8.806 0.757 ?1.584

第 3 期 孟賢等：衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)容量密度評估 ·75·

10 所示，東經(jīng) 90°位置兩組氣衰條件下平均容量密度分

別為 2.781 kbit/s/km2 和 2.780 kbit/s/km2

，差別非常微

??；而東經(jīng) 120°位置完全隨機的氣衰條件下平均容量

密度為 2.677 kbit/s/km2

，比東經(jīng) 90°小了 3.74%。95%

可用度的氣衰條件下為 2.17 kbit/s/km2

，則比東經(jīng) 90°

小了 21.9%。

圖 10 不同經(jīng)度地區(qū)容量密度差異

然后以經(jīng)緯度 1°為單位仿真地球所有經(jīng)緯度區(qū)域的

容量密度，容量密度基本在緯度上隨星座可見性變化，相

同緯度上隨經(jīng)度不同略有差異。

3.2 星地一體化網(wǎng)絡(luò)場景分析

本節(jié)部署一個簡單的星地一體化網(wǎng)絡(luò)，給出衛(wèi)星和蜂

窩的容量密度。假設(shè)在區(qū)域 C 的中心位置部署蜂窩小區(qū)，

帶寬使用低頻 5 MHz。中心 10 km 半徑為密集城區(qū)部署，

用半徑為 400 m 的小區(qū)全覆蓋，小區(qū)負載為 20%；中心

10 km 到 30 km 半徑為城鎮(zhèn)部署，用半徑為 600 m 的小區(qū)

全覆蓋，小區(qū)負載為 15%。其他區(qū)域沒有蜂窩覆蓋。通過

仿真，可得到密集城區(qū)容量密度為 86.43 Mbit/s/km2

，城鎮(zhèn)

容量密度為 36.63 Mbit/s/km2

。接著采用星座 A，每衛(wèi)星部

署 50 個波束，在上述蜂窩覆蓋外用衛(wèi)星進行同頻補充覆

蓋。隔離距離為 0，即衛(wèi)星小區(qū)邊緣和最邊緣的蜂窩小區(qū)

邊緣剛好相鄰，并假設(shè)衛(wèi)星波束的負載為 10%?；谏鲜?/p>

場景，可獲得密集城區(qū)容量密度為 83.1 Mbit/s/km2

，城鎮(zhèn)

容量密度為 34.36 Mbit/s/km2

，可以看出同頻干擾導致容量

密度分別下降 3.85%和 6.20%。城鎮(zhèn)區(qū)域由于距離衛(wèi)星波

束覆蓋更近，容量下降更多。同樣，蜂窩覆蓋區(qū)域周邊的

衛(wèi)星波束容量密度受蜂窩覆蓋干擾較大，但一定距離外其

影響幾乎可以忽略不計，如圖 11 所示。對比蜂窩小區(qū)和

衛(wèi)星小區(qū)的容量密度，可以看到它們相差大約 4 個數(shù)量級。

由此可見衛(wèi)星通信系統(tǒng)容量有很大的提升空間，下面將提

供幾種提升容量的方案并給出對應的仿真結(jié)果。

圖 11 星地同頻部署下的衛(wèi)星容量密度分布

3.3 提升最大點亮波束數(shù)

首先可以提升單星最大點亮波束數(shù)，分析其對星座容

量密度的影響。提升最大點亮波束數(shù)必然會造成波束間干

擾的增加，因此本文同時仿真不同波束隔離距離。選取低

頻和區(qū)域 C 作為基本的仿真假設(shè)，仿真 0 km、20 km 和

40 km 共 3 種波束隔離距離下的不同最大點亮波束數(shù)的容

量密度。統(tǒng)計 50%的區(qū)域容量密度，如圖 12 所示。當點

亮波束數(shù)為 20 個時，0 km、20 km 和 40 km 3 種波束隔離

距離，其容量密度分別是 11.76 kbit/s/km2

、12.37 kbit/s/km2

和 12.81 kbit/s/km2

，隔離距離越大容量密度越大。當點亮

波束數(shù)增加到 60 個時，20 km 隔離的場景明顯超過 40 km

隔離。這是由于容量密度的大小受 SINR 和覆蓋兩個因素

的影響，較大的隔離距離可以降低波束間干擾（平均 SINR

從 10.14 dB 提升到 11.66 dB），但需要以更少的波束覆蓋

為代價（覆蓋率從 14.10%下降到 10%）。同樣，當點亮波

束數(shù)增加到 80 個和 200 個時，不隔離場景下的容量密度

超過 40 km 隔離和 20 km 隔離場景，這也是由于隔離距離

小的覆蓋率極大超過隔離距離大的覆蓋率。不管哪種隔離

距離，隨著點亮波束數(shù)的增加，容量密度都會趨于飽和（容

量密度曲線趨平）。

除此之外，在圖 12 中展示了采用 1.1 節(jié)中提出的分析

方法得到的容量密度線，可以看到，容量密度隨著星座總

波束數(shù)的增加呈線性增長的趨勢，無法反映波束干擾和覆

蓋等因素帶來的容量密度飽和的趨勢。

·76· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

圖 12 不同隔離距離最大點亮波束數(shù)和容量密度的關(guān)系

3.4 提升衛(wèi)星規(guī)模

除了增加單星最大點亮波束數(shù)，增加星座衛(wèi)星規(guī)模也

可以提升星座總的服務波束數(shù)量，從而提升系統(tǒng)容量。為

了評估衛(wèi)星規(guī)模對容量密度的影響，本文增加兩種星座規(guī)

模，如表 9 所示的星座 B 和星座 C，它們是星座 A 的相似

星座（相同殼層高度和傾角）。固定其他仿真參數(shù)，如固

定仿真區(qū)域 C，波束不隔離。選擇固定星座整體最大波束

數(shù)量來仿真，這樣每顆衛(wèi)星的最大點亮波束數(shù)為星座最大

波束數(shù)除以星座衛(wèi)星數(shù)。3 個星座的最大點亮波束數(shù)量和

容量密度的關(guān)系如圖 13 所示。不難看出，在相同總波束數(shù)

的情況下，衛(wèi)星數(shù)量越多（每顆衛(wèi)星最大點亮波束數(shù)越少），

容量密度越大。在相同總波束數(shù)情況下，3 個星座的覆蓋

率相當，唯一區(qū)別是 SINR，星座 C>星座 B>星座 A，這

也是造成容量密度差異的唯一因素。每個星座都有一個容

量上限，星座規(guī)模越大容量上限越高，但規(guī)模的上漲帶來

的增益卻大幅下降，例如星座 A 有衛(wèi)星 2 700 顆，容量密

度為 6.29 kbit/s/km2

；星座 B 衛(wèi)星數(shù)量是星座 A 的 2.78 倍，

而容量密度為 6.93 kbit/s/km2

，僅較星座 A 提升 10.2%；

星座 C 衛(wèi)星數(shù)量是星座 B 的 1.96 倍，容量密度為

7.32 kbit/s/km2

，僅較星座 B 提升 5.6%。

表 9 3 種規(guī)模的星座

殼層 高度/km 傾角/(°) 星座 A 星座 B 星座 C

0 460 53 30×30 顆 50×50 顆 70×70 顆

1 465 43 30×30 顆 50×50 顆 70×70 顆

2 470 33 30×30 顆 50×50 顆 70×70 顆

圖 13 中給出了分析方法得到的容量密度線，可以看

出該評估方法的誤差。

圖 13 3 個星座規(guī)模最大點亮波束數(shù)和容量密度的關(guān)系

3.5 提高衛(wèi)星天線增益

通過以上仿真分析可以看到，提升單星最大波束數(shù)和星

座規(guī)模，都能提升容量上界，但邊際效應大幅下降。圖 13

的虛點線上界的容量密度（7.32 kbit/s/km2

）是實線第一

個點（1.36 kbit/s/km2

）的 5.4 倍，即使繼續(xù)提升星座規(guī)模，

提升上限也僅不到一個數(shù)量級。其實，還可以提升衛(wèi)星天

線的增益來達到系統(tǒng)容量密度的提升。提升衛(wèi)星天線增益

可以提升終端接收的信噪比，同時減小地面波束覆蓋范

圍，使得星座波束數(shù)量上限提高，這些都會極大提升系統(tǒng)

容量密度。例如，將衛(wèi)星天線增益從 38 dB 提高到 45 dB，

波束地面覆蓋半徑從 10 km 縮小到 4 km 左右。仿真星座

A 在區(qū)域 C 的容量密度，結(jié)果如圖 14 所示，高增益天線

將星座 A 的容量密度上界從 6.29 kbit/s/km2 大幅提升到

31.20 kbit/s/km2

。

圖 14 高低增益天線容量密度曲線

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師，主要研究方向為星地一體化網(wǎng)絡(luò)仿真、低

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秦大力（1984? ），華為技術(shù)有限公司高級工

程師，主要研究方向為衛(wèi)星星座仿真平臺、星

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[作者簡介]

·78· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

汪宇（1990? ），華為技術(shù)有限公司高級工程

師，主要研究方向為空間信息網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信

移動性管理、低軌星座組網(wǎng)等。

孔垂麗（1990? ），華為技術(shù)有限公司高級工

程師，主要研究方向為衛(wèi)星波束管理、低軌衛(wèi)

星接入等。

羅禾佳（1986? ），華為技術(shù)有限公司主任工

程師，主要研究方向為衛(wèi)星通信、信道編碼、

信號處理、多天線技術(shù)等。

王?。?976? ）華為技術(shù)有限公司高級技術(shù)

專家，主要研究方向為衛(wèi)星通信、信道編碼、

無線通信、系統(tǒng)設(shè)計、人工智能等。

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 體 化 信 息 網(wǎng) 絡(luò) Vol.4 No.3

星地融合通信系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、使能技術(shù)及原型驗證

丁睿 1

，房天昊 2

，王聞今 2

，劉雨 3

，馬偉 4

，萬屹 5

（1. 中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團有限公司，北京 100083；

2. 東南大學移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京 210096；

3. 鵬城實驗室，廣東 深圳 518000；

4. 西安空間無線電技術(shù)研究所，陜西 西安 710199；

5. 中國信息通信研究院，北京 100191）

摘 要：星地融合網(wǎng)絡(luò)能夠為地面用戶提供全球無縫接入與服務，被認為是未來移動通信系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢，具有光

明的應用前景。而衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中存在的長時延、大頻偏、大小區(qū)半徑等區(qū)別于地面網(wǎng)絡(luò)的特性對星地融合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提出

了挑戰(zhàn)。對星地融合網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和使能關(guān)鍵技術(shù)進行分析與討論，并介紹一種可用于星地融合網(wǎng)絡(luò)地面驗證的原型

系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：星地融合網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；空中接口；衛(wèi)星通信

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

doi: 10.11959/j.issn.2096?8930.2023033

Integrated Satellite-Terrestrial Communication Systems:

Architectures, Enabling Technologies and

Prototype Verification

DING Rui1

, FANG Tianhao2

, WANG Wenjin2

, LIU Yu3

, MA Wei4

, WAN Yi5

1. China Satellite Network Group Co., Ltd., Beijing 100083, China

2. National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University, Nanjing 210096, China

3. Peng Cheng Laboratory, Shenzhen 518000, China

4. Xi'an Institute of Space Radio Technology, Xi′an 710199, China

5. China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China

Abstract: The integrated satellite-terrestrial communication system is considered one of the development trends of future communication systems for its ability to provide seamless coverage and service. However, the differences between satellite and terrestrial communication networks, e.g., large propagation delays, large Doppler shifts, and large cell radius, pose challenges to fulfilling integrated satellite-terrestrial communication systems. The network architectures and key enabling technologies were discussed and analyzed and a

prototype system for the terrestrial verification of integrated satellite-terrestrial communication systems was proposed.

Keywords: integrated satellite-terrestrial communication system, network architecture, air interface, satellite communication

0 引言

當前 5G 的商業(yè)部署正在如火如荼地開展，但在沙漠、

遠洋等人跡罕至的地區(qū)，接入網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)量有限，通信

網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的建設(shè)和維護成本較高，難以在這些地區(qū)完成地

面通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。此外，在面對地震、洪水等自然災害

時，當前地面通信網(wǎng)絡(luò)易遭到破壞，導致通信服務中斷。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、受自然災害影響小的優(yōu)

點，因此可以與地面通信系統(tǒng)相結(jié)合，作為地面通信系統(tǒng)

的補充，為用戶提供隨時隨地的通信服務。

自 20 世紀 90 年代起，國際上針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)開展

了大量的部署計劃，包括 Iridium、Globalstar、Orbcomm

等在內(nèi)的移動通信衛(wèi)星星座致力于全球泛在連接，通過語

音和低速率數(shù)據(jù)通信滿足基本通信連接需求[1-2]。2014 年

收稿日期：2023?05?10；修回日期：2023?09?01

·80· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

以來，以 OneWeb、Starlink、Leosat、Telesat 等為代表的

大規(guī)模低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座迅速發(fā)展，得到了產(chǎn)業(yè)界、運

營商和用戶的廣泛關(guān)注[3-6]。然而，上述項目所實現(xiàn)的衛(wèi)星

通信系統(tǒng)均獨立于地面通信系統(tǒng)存在，衛(wèi)星終端與地面終

端尚未統(tǒng)一，無法滿足消費者隨時隨地享受通信服務的需

求，地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合被認為是未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

方向之一[7]。通過采用星地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不僅能夠?qū)?/p>

地面前沿的通信技術(shù)應用到衛(wèi)星通信系統(tǒng)中以提升其性

能，而且兼容性的空中接口設(shè)計可以使衛(wèi)星通信享受地

面的規(guī)模化產(chǎn)業(yè)鏈，從而大幅度降低多模衛(wèi)星終端的設(shè)

計和制造成本，降低通信資費，為用戶提供平價優(yōu)質(zhì)的

通信服務。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面通信系統(tǒng)的顯著差異給二者的

融合帶來了諸多挑戰(zhàn)。衛(wèi)星通信中存在的動態(tài)長時延、動

態(tài)大多普勒頻偏、大小區(qū)半徑、星上功率受限等不同于地

面通信的特點[8-10]，使得面向地面環(huán)境設(shè)計的通信系統(tǒng)在

此類場景中存在適用性問題，因此需要結(jié)合衛(wèi)星通信系統(tǒng)

相關(guān)特點，研究星地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信號傳輸、波形設(shè)

計等關(guān)鍵技術(shù)。參考文獻[11]提出了基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)

（Software Defined Network, SDN）的空地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

參考文獻[12]提出了一種星地融合接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了靈

活高效的無線接入和數(shù)據(jù)傳輸。參考文獻[13-15]對長期演

進技術(shù)（Long Term Evolution, LTE）與衛(wèi)星通信系統(tǒng)的融

合展開了研究。參考文獻[16-21]針對 5G 與衛(wèi)星通信系統(tǒng)

融合中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸、波形設(shè)計以及無線資源分

配等相關(guān)問題進行了研究。除此之外，3GPP 的一系列技

術(shù)報告對 5G 融合非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial Network,

NTN）中的場景部署、信道模型、接入技術(shù)等進行了研究。

上述研究并未提供成熟的解決方案，星地融合網(wǎng)絡(luò)中仍存

在許多問題待解決。

相比地面通信系統(tǒng)，電磁波在衛(wèi)星通信鏈路的傳輸過

程中會受到復雜天氣條件、終端所處地理環(huán)境以及衛(wèi)星仰

角等多種因素的影響，在實際星上載荷與地面終端中，也

存在許多非理想因素，造成理論算法部署在實際系統(tǒng)中時

可能會出現(xiàn)性能惡化的情況。這些非理想因素的存在導致

難以僅通過理論推導和計算機仿真的方式對所設(shè)計的通

信系統(tǒng)進行評估，需要搭建實際系統(tǒng)對星地融合通信系統(tǒng)

的性能進行評估。如果采用外場實驗方法對系統(tǒng)進行驗

證，則存在衛(wèi)星發(fā)射成本較高、受復雜天氣影響較大以及

僅能在衛(wèi)星過頂時進行實驗等問題，導致實驗的費用成本

和時間成本過高，驗證的效率也較低。因此，需要搭建地

面原型系統(tǒng)對所涉及的系統(tǒng)進行原型驗證，降低驗證成

本，提高驗證效率。

1 星地融合通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

1.1 融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文所設(shè)計的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖 1 所示，采用高低

軌星座聯(lián)合組網(wǎng)架構(gòu)，可通過衛(wèi)星地面站實現(xiàn)地面網(wǎng)絡(luò)

與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)融合，兼容 3GPP 所提出的 4 種 NTN

架構(gòu)。

圖 1 融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

第 3 期 丁睿等：星地融合通信系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、使能技術(shù)及原型驗證 ·81·

在物理架構(gòu)上，該融合網(wǎng)絡(luò)由空間段、地面段與應用

段組成?？臻g段包括高軌（GEO）衛(wèi)星星座和低軌（LEO）

衛(wèi)星星座，低軌衛(wèi)星星座可實現(xiàn)全球無縫覆蓋，高軌衛(wèi)星

星座實現(xiàn)對于地球表面部分區(qū)域的增強和固定覆蓋，兩種

空間星座系統(tǒng)均考慮星上處理和透明彎管兩種工作方式。

根據(jù)多星協(xié)作方案的不同，星間鏈路采用激光或太赫茲傳

輸方式。地面段包括各類地面站、核心網(wǎng)等相關(guān)地面基礎(chǔ)

設(shè)施，用于實現(xiàn)衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。應用段由各類終

端構(gòu)成，能夠在星地融合網(wǎng)絡(luò)中享受寬窄結(jié)合、異構(gòu)互聯(lián)、

安全可控的泛在業(yè)務的承載和接入。

在邏輯功能上，所設(shè)計的星地融合網(wǎng)絡(luò)仍由接入網(wǎng)、

承載網(wǎng)與核心網(wǎng)構(gòu)成，可實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)的

兼容，以及面向 6G 空天地海網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的平滑演進。天基

接入網(wǎng)通過部署 S-gNB 5G 網(wǎng)元實現(xiàn)衛(wèi)星基站功能，并能

夠支持固定覆蓋區(qū)域接入、凝視覆蓋接入和捷變覆蓋接

入 3 種星地接入方式。天基承載網(wǎng)通過部署 S-ROUTE 網(wǎng)

元，基于星間鏈路、饋電鏈路等異構(gòu)鏈路實現(xiàn)天基接入

網(wǎng)與地面核心網(wǎng)的聯(lián)通，有利于多類型業(yè)務的承載和回

傳，進而提高傳輸效率。星地一體化核心網(wǎng)通過統(tǒng)一衛(wèi)

星核心網(wǎng)與地面核心網(wǎng)，可實現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)接入資源的統(tǒng)

一調(diào)配。

在融合組網(wǎng)模式上，衛(wèi)星與 5G/6G 的融合可以采用松

耦合的分立組網(wǎng)模式與緊耦合的融合組網(wǎng)模式。在松耦合

模式下，衛(wèi)星與 5G/6G 網(wǎng)絡(luò)各自獨立，衛(wèi)星將數(shù)據(jù)發(fā)送到

衛(wèi)星核心網(wǎng)，通過衛(wèi)星核心網(wǎng)與地面核心網(wǎng)的接口實現(xiàn)數(shù)

據(jù)交互。在沒有地面光纖支持的情況或在應急狀態(tài)下，該

融合網(wǎng)絡(luò)可以通過衛(wèi)星承載 5G/6G 基站的數(shù)據(jù)回傳。在緊

耦合模式下，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面 5G/6G 網(wǎng)絡(luò)采用兼容的空中

接口設(shè)計，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與 5G/6G 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同服務、統(tǒng)一管理，

終端采用雙模設(shè)計，用戶只需一部終端即可在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與

地面網(wǎng)絡(luò)間實現(xiàn)無縫切換。

在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務上，基于天基接入網(wǎng)、承載網(wǎng)與地面核心

網(wǎng)的 5G 網(wǎng)元與功能部署，以及微波、可見光、太赫茲等

不同頻段的使用，融合網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對于寬帶業(yè)務（通常

采用高頻段，如 Ka 頻段）、移動業(yè)務（通常采用低頻段，

如 L/S 頻段）和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務（通常采用低頻段，如 L/S 頻

段）等各類場景的高效服務，并能夠支持機載、艦載、車

載、物聯(lián)終端、5G/衛(wèi)星雙模終端等異構(gòu)終端接入。

1.2 融合網(wǎng)絡(luò)發(fā)展路線

當前階段，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)獨立于地面通信

系統(tǒng)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過其核心網(wǎng)與地面通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)

據(jù)交互。為逐步實現(xiàn)衛(wèi)星與地面通信網(wǎng)絡(luò)的深度融合，應

依據(jù)融合技術(shù)難度與發(fā)展趨勢，按照承載網(wǎng)融合、核心網(wǎng)

融合、接入網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)融合步驟進行研究[22-23]，3 個融

合階段層層遞進，最終實現(xiàn)資源共享的星地一體化網(wǎng)絡(luò)。

（1）承載網(wǎng)融合

通過承載網(wǎng)融合，衛(wèi)星承載網(wǎng)可以快速建立 5G 基站

的臨時回傳鏈路，從而在郊區(qū)等人煙稀少地區(qū)或在硬件條

件下為 5G 基站提供降級回傳服務，并快速拓展 5G 網(wǎng)絡(luò)

覆蓋范圍，如圖 2 所示。在承載網(wǎng)融合架構(gòu)下，地面基站

和終端的形態(tài)仍將保持不變，因此承載網(wǎng)融合成為應用范

圍廣的融合方式。

圖 2 承載網(wǎng)融合后的星地融合網(wǎng)絡(luò)

（2）核心網(wǎng)融合

核心網(wǎng)融合是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的第二階段，

如圖 3 所示。通過核心網(wǎng)融合，可以實現(xiàn)衛(wèi)星通信終端與

地面移動通信終端的統(tǒng)一編址、統(tǒng)一認證、統(tǒng)一計費、統(tǒng)

一管理等功能[22]，星地融合網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)需求選擇使用衛(wèi)

星網(wǎng)絡(luò)或者地面網(wǎng)絡(luò)提供的服務。在該階段，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與

地面通信網(wǎng)絡(luò)的空中接口體制并不兼容，地面 5G 終端無

法實現(xiàn)手機直聯(lián)衛(wèi)星，使得網(wǎng)絡(luò)靈活性較差。

圖 3 核心網(wǎng)融合后的星地融合網(wǎng)絡(luò)

（3）接入網(wǎng)融合

5G 與衛(wèi)星融合的最后一步是接入網(wǎng)融合。在地面空

中接口協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對星地無線環(huán)境中存在的大時

延、大多普勒頻偏等不同于地面無線環(huán)境的特點對空中接

口協(xié)議進行相應的適應性修改，即可完成星地網(wǎng)絡(luò)的接入

網(wǎng)融合。此時，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)采用相同的架構(gòu)、傳

·82· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

輸和交換技術(shù)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可大量共享地面網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)成

果和資源，地面 5G/6G 終端可根據(jù)需要在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面

網(wǎng)絡(luò)中進行無縫切換。隨著星上計算能力與存儲能力的不

斷增強，衛(wèi)星不再局限于中繼的作用，轉(zhuǎn)而承擔基站的部

分或全部功能，進而形成不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2 星地融合通信系統(tǒng)關(guān)鍵使能技術(shù)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)存在多種差異，需要設(shè)計相應的

使能技術(shù)。針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)存在的鏈路損耗大、傳播時

延大、頻率資源受限、超大小區(qū)半徑和星上功率受限等特

點，需要研究星地融合空中接口體制方案和寬帶多用戶傳

輸方法。針對激光、微波鏈路多元業(yè)務靈活接入、大容量

星上交換需求，需要研究面向空間組網(wǎng)的多粒度微波光電

混合信號交換技術(shù)；針對不同軌道的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)引起的復

合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和高動態(tài)時變拓撲，以及受限的星上處理能

力，需要利用 SDN/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function

Virtualization, NFV）技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)配置以及

靈活路由。

2.1 新空中接口技術(shù)

現(xiàn)有的地面通信系統(tǒng)是針對地面無線信道環(huán)境設(shè)計

的，而衛(wèi)星載荷具有計算和功率等資源受限的特點，星地

無線信道存在大鏈路損耗、大時延、大多普勒頻偏等不同

于地面網(wǎng)絡(luò)的特點，使得地面通信系統(tǒng)空中接口不適用于

衛(wèi)星通信系統(tǒng)。為實現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)的融合以及高效信

號傳輸，需要在星地融合空中接口體制、星地寬帶多用戶

傳輸以及基于太赫茲和激光的星間/星地高效傳輸方面展

開研究。具體而言，從以下角度展開研究。

（1）星地無線通信系統(tǒng)具有路徑損耗大、傳播時延大、

小區(qū)半徑大、衛(wèi)星和終端功率有限、頻率資源有限等特點，

與地面無線通信系統(tǒng)有明顯區(qū)別，使得地面通信系統(tǒng)中的

下行同步和上行隨機接入方法、參考信號設(shè)計、波形設(shè)計

等不能直接應用于星地鏈路。為此，需要探索利用地面通

信系統(tǒng)中的同步和參考信號，在星地無線傳播環(huán)境下實現(xiàn)

同步與接入的方法[24-25]，以及適用于星地鏈路的低峰均比

（Peak to Average Power Ratio, PAPR）信號波形。

（2）為實現(xiàn)星地之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，通常需要在衛(wèi)

星側(cè)配備大規(guī)模天線陣列，因此在完成星地無線信道建模

的基礎(chǔ)上，利用星地無線信道的空間稀疏性，探索空時頻

用戶調(diào)度與多用戶多波束動態(tài)上行下行傳輸方法[26-29]，實

現(xiàn)空間無線資源在海量用戶之間的共享，從而提高系統(tǒng)的

頻譜效率和功率效率。

（3）針對大型寬帶星座和高低軌聯(lián)合組網(wǎng)場景對星間

鏈路和星地饋電鏈路傳輸能力的要求，需要探索星地/星間

節(jié)點間的太赫茲和激光高效傳輸方法，通過太赫茲和激光

等頻段的綜合利用，實現(xiàn)高可用性、高數(shù)據(jù)傳輸性能的星

地饋電鏈路和高可靠、高性能、輕量化的星間鏈路。

2.2 光電混合交換技術(shù)

星地融合通信系統(tǒng)為滿足多元化、多粒度的應用需

求，需要綜合運用激光星間鏈路、微波星間鏈路、激光微

波混合交換等技術(shù)，解決光路靈活復用、多粒度業(yè)務匯聚

/解匯聚、光點業(yè)務適配等難題。為此，可采用圖 4 所示的

光電混合一體化交換網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)從邏輯上劃分為 3

個交換平面和 1 個統(tǒng)一的管理控制平面。光交換平面采用

多模式光交換方案，支持光線路交換、光突發(fā)交換等不同

模式，實現(xiàn)了多粒度大容量星上光交換；電交換平面采用

全參數(shù)化、可動態(tài)組合的通用流匹配陣列結(jié)構(gòu)與多平面一

圖 4 光電混合一體化交換網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

第 3 期 丁睿等：星地融合通信系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、使能技術(shù)及原型驗證 ·83·

體化交換結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠同時支持分組交換與微波鏈路信

道化子帶交換；光電業(yè)務適配平面圍繞光域和電域間的靈

活上下光路需求，采用全同步交換方式，由管理控制單元

統(tǒng)一規(guī)劃光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)和光電適配網(wǎng)絡(luò)的時隙計劃，實

現(xiàn)了光域、電域數(shù)據(jù)顆粒度的按需調(diào)整，顯著提高了光電

業(yè)務匯聚/解匯聚效率，實現(xiàn)了光電交換網(wǎng)絡(luò)的有機結(jié)合；

管理控制平面采用開放式、標準化的平臺架構(gòu)，實現(xiàn)對 3

個交換平面的統(tǒng)一管理控制。

2.3 基于 SDN/NFV 的大時空組網(wǎng)技術(shù)

為滿足衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求，星地組網(wǎng)的底層基礎(chǔ)

設(shè)施應動態(tài)部署和配置，以承載大量業(yè)務、支持不同類型

的應用和服務。然而，由于這些專用硬件來自不同的制造

商、采用不同的接口和通信協(xié)議，給星地組網(wǎng)的系統(tǒng)重

構(gòu)和互操作帶來諸多限制，增加了網(wǎng)絡(luò)管理的復雜度，

提高了系統(tǒng)更新、升級的成本。SDN/NFV 提供了一種解

決網(wǎng)絡(luò)復雜性的方案，增強了業(yè)務的可靠性，實現(xiàn)了網(wǎng)

絡(luò)的可擴展性。圍繞基于 SDN/NFV 的大時空組網(wǎng)技術(shù)開

展了如下研究。

（1）不同的 SDN 控制器部署方案會產(chǎn)生不同的網(wǎng)絡(luò)

性能，需要對控制器的部署方案進行設(shè)計。在前文提到的

高低軌協(xié)同的架構(gòu)下，根據(jù)地面、低軌、高軌 3 級協(xié)作的

機制，設(shè)計基于 SDN 的星地組網(wǎng)體系架構(gòu)，提出分簇的

SDN 控制器部署方案，提高了網(wǎng)絡(luò)的管理能力。針對衛(wèi)星

網(wǎng)絡(luò)拓撲高速動態(tài)變化、業(yè)務時空分布不均勻等問題，可

以通過 SDN 控制器的部署位置的優(yōu)化來實現(xiàn)對融合網(wǎng)絡(luò)

資源的高效管理。針對單衛(wèi)星故障和單星間鏈路故障兩種

常見的節(jié)點失效場景，以網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)延遲為衡量標準，利用

模擬退火算法求解 SDN 控制器的最佳部署位置；針對地

面網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務流量差異，在時延約束下，以最小化 SDN

控制鏈路總能耗為目標求解控制器的最佳部署位置。

（2）面向 LEO 星座運行速度較快導致的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)

構(gòu)周期性頻繁變化、用戶分布和需求差異導致的網(wǎng)絡(luò)流量

分布不均以及衛(wèi)星節(jié)點存儲和計算資源受限等特點，對路

由管理方法和負載均衡策略進行研究。圍繞路由管理方

法，采用動靜結(jié)合的路由方案，在拓撲變化引起路由快照

變化時，只需通過拓撲變化信息來增量修改部分受影響的

路由表項，從而減少路由快照數(shù)目，在保證星上路由穩(wěn)定

的基礎(chǔ)上有效減少星上存儲消耗。圍繞負載均衡策略，結(jié)

合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲特點，對傳統(tǒng)的 Dijkstra 算法進行改進，

將流量均衡分配到各條可用路徑；當鏈路擁塞后，借鑒背

壓思路將流量疏導到空余鏈路[30]。

（3）在核心網(wǎng)中，圍繞 NFV 云平臺可伸縮性、系統(tǒng)

高可靠性以及更低的虛擬層計算損耗等問題的底層技術(shù)，

針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的低時延業(yè)務要求，完成虛擬化中斷時延系

統(tǒng)調(diào)優(yōu)以及增強平臺感知技術(shù)研究，解決虛擬化后性能損

耗的問題，提升虛擬化數(shù)據(jù)面的轉(zhuǎn)發(fā)性能；針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

業(yè)務的可靠性要求，在云平臺上通過集群部署、故障狀態(tài)

感知等技術(shù)，實現(xiàn)節(jié)點高可用、網(wǎng)絡(luò)高可用、關(guān)鍵進程高

可用。

3 星地融合通信原型系統(tǒng)

3.1 星地融合通信原型系統(tǒng)設(shè)計

為驗證前文所述關(guān)鍵技術(shù)在星地融合網(wǎng)絡(luò)中的性能，

本文設(shè)計并搭建了星地融合網(wǎng)絡(luò)原型驗證系統(tǒng)。該原型系

統(tǒng)主要由衛(wèi)星平臺模擬器、星地信道模擬器、相控陣載荷

樣機、基于 SDN 的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分級控制器、星載光電混合

交換機、核心網(wǎng)云平臺、衛(wèi)星終端模擬器、融合網(wǎng)絡(luò)基站

模擬器、5G 商用基站等設(shè)備組成，可對融合網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)、

承載網(wǎng)與核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與相關(guān)樣機進行測試驗證。其

中，衛(wèi)星平臺與在軌運行環(huán)境模擬器可對衛(wèi)星軌道、網(wǎng)絡(luò)

拓撲、星地接入關(guān)系進行推演，同時對衛(wèi)星平臺測控、姿

軌控功能進行模擬。接入網(wǎng)設(shè)備主要包含星載相控陣載荷

樣機、Ka/L 頻段終端模擬器、星載基站模擬器、星地無線

信道模擬器及 5G 商用基站與終端；天基承載網(wǎng)設(shè)備包含

基于 SDN 的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分級控制器與星載光電混合交換機；

核心網(wǎng)設(shè)備包括融合網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)模擬器、商用核心網(wǎng)服務

器與 IMS 服務器，同時還包含視頻采集設(shè)備、視頻推流服

務器，用于提供視頻業(yè)務服務。星地融合通信原型系統(tǒng)組

成如圖 5 所示。該系統(tǒng)支持 3GPP NTN 架構(gòu)，能夠覆蓋

5G FR1 與 FR2 頻率組。被測原型系統(tǒng)在 L 頻段處理無中

繼接入、Ka 頻段處理無中繼接入和商用終端接入場景語

音通話 3 種場景下均可演示完整端到端視頻/語音等業(yè)務

傳輸，有效驗證接入網(wǎng)、天基承載網(wǎng)與核心網(wǎng)各層關(guān)鍵技

術(shù)與原理樣機的可行性與有效性。

3.2 星地融合通信原型驗證

（1）L 頻段處理無中繼接入場景業(yè)務傳輸

L 頻段處理無中繼接入場景業(yè)務傳輸旨在演示星地融

合網(wǎng)絡(luò)為用戶提供語音、視頻等業(yè)務服務的能力，如旅行

者在沙漠中接入融合網(wǎng)絡(luò)，通過 VoIP 向應急中心發(fā)出求

救，其系統(tǒng)驗證測試環(huán)境如圖 6 所示。終端模擬器首先發(fā)

起入網(wǎng)申請，上行信號經(jīng)過星地信道模擬器加載衛(wèi)星信道

特性后，通過融合空中接口接入星載基站，天基承載網(wǎng)負

責請求消息的路由轉(zhuǎn)發(fā)。最終接入請求被轉(zhuǎn)發(fā)傳輸至融合

網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)，由核心網(wǎng)對用戶終端的接入請求進行處理。

·84· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

圖 6 L 頻段處理無中繼接入場景業(yè)務傳輸驗證測試環(huán)境

用戶成功入網(wǎng)后，可發(fā)起語音通話、視頻等業(yè)務，上行數(shù)

據(jù)信息流向與前述控制信息相同，下行數(shù)據(jù)信息流向與上

行數(shù)據(jù)信息流向相反。

利用上述原型系統(tǒng)，分別在核心網(wǎng)業(yè)務機和終端業(yè)務

機上開啟視頻業(yè)務，進行視頻業(yè)務傳輸，傳輸測試結(jié)果如

圖 7 所示，說明所研制的原型系統(tǒng)能夠在 L 頻段處理無中

繼接入場景下完成用戶的接入和數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定

可靠，基站調(diào)度信息日志顯示上下行的實時誤塊率（Block

Error Rate, BLER）小于 1×10?3

。

圖 7 L 頻段處理無中繼接入場景業(yè)務傳輸測試結(jié)果

（2）Ka 頻段處理無中繼接入場景業(yè)務傳輸

Ka 頻段處理無中繼接入場景視頻業(yè)務傳輸旨在演示

星地融合網(wǎng)絡(luò)為用戶提供高速視頻傳輸服務的能力，用戶

可接入融合網(wǎng)絡(luò)并進行高清視頻點播或直播觀看。其系統(tǒng)

驗證測試環(huán)境如圖 8 所示。視頻業(yè)務數(shù)據(jù)通過核心網(wǎng)進入

天基承載網(wǎng)，由天基承載網(wǎng)負責數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)，當數(shù)據(jù)流

經(jīng)過星載光電混合交換樣機時進行光電混合交換，并被轉(zhuǎn)

發(fā)至下一跳衛(wèi)星節(jié)點。數(shù)據(jù)被傳輸至裝備載荷模擬樣機的

衛(wèi)星節(jié)點后，經(jīng)由星載相控陣天線通過 Ka 頻段融合空中

圖 5 星地融合通信原型系統(tǒng)組成

第 3 期 丁睿等：星地融合通信系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、使能技術(shù)及原型驗證 ·85·

接口發(fā)送至終端模擬器，在星地信道模擬器完成星地無線

信道特性加載后，由終端模擬器進行業(yè)務解析與展示。

圖 8 Ka 頻段處理無中繼接入場景業(yè)務傳輸驗證測試環(huán)境

利用上述原型系統(tǒng)，在發(fā)送端業(yè)務機使用 VLC 軟件，

將視頻業(yè)務推流至相控陣載荷樣機，并在接收端業(yè)務機使

用 VLC 軟件播放視頻業(yè)務流，結(jié)果如圖 9（a）所示。在

發(fā)送端進行灌包，在接收端進行解包以測量單用戶最大接

入能力，結(jié)果如圖 9（b）所示。從圖 9 中可以看出，接收

端業(yè)務機視頻播放清晰流暢，Ka 頻段單用戶最大接入能

力超過 1 Gbit/s，且誤塊率能夠穩(wěn)定在 1×10?3 以內(nèi)，說

明所研制的原型系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高清視頻業(yè)務與高速數(shù)據(jù)

傳輸。

圖 9 Ka 頻段處理無中繼接入場景業(yè)務傳輸驗證測試結(jié)果

（3）商用終端接入場景語音通話

商用終端接入場景語音通話采用 3GPP NTN 中的透

明彎管架構(gòu)，旨在驗證融合網(wǎng)絡(luò)具有支持 5G 商用終端接

入的能力。本場景接入側(cè)采用兩套 5G 商用終端與商用基

站，測試環(huán)境如圖 10 所示。商用終端與基站可位于全球

任何地點，基站通過地面信關(guān)站等節(jié)點接入天基承載網(wǎng)。

天基承載網(wǎng)基于 SDN 半物理網(wǎng)絡(luò)仿真構(gòu)建。融合網(wǎng)絡(luò)核

心網(wǎng)設(shè)備部署于我國境內(nèi)，通過地面信關(guān)站等節(jié)點與天基

承載網(wǎng)相聯(lián)。商用終端與商用基站通過 5G 標準空中接口

通信，商用基站通過天基承載網(wǎng)將控制平面與用戶平面信

息發(fā)送至核心網(wǎng)，使得我國境內(nèi)外的 5G 用戶均可通過融

合網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自由通話。

圖 10 商用終端接入場景語音通話測試環(huán)境

將兩部商用終端分別靠近兩個基站，關(guān)閉終端的飛行

模式使其自動接入與之距離最近的基站。此時，通過兩部

終端相互撥號，完成電話接通并進行語音通話，兩部商用

終端的接入信息與通話信息在圖 11 中給出。其中終端屏

幕左上角能夠顯示 5G 信號和 HD 角標，說明終端已接入

5G 基站，并能夠通過撥號進行通話，通話語音清晰流暢。

上述結(jié)果說明所研制的原型系統(tǒng)能夠完成 5G 商用終端的

接入與語音通話功能。

圖 11 兩部商用終端的接入信息與通話信息

4 結(jié)束語

未來，本文介紹的星地融合網(wǎng)絡(luò)將推動衛(wèi)星通信與地

面信息產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展，為我國重大工程建設(shè)和 6G 發(fā)展奠

定重要基礎(chǔ)。

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第 3 期 丁睿等：星地融合通信系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、使能技術(shù)及原型驗證 ·87·

丁睿（1979? ），男，中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團有限

公司研究員，主要研究方向為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)

星通信等。

房天昊（1998? ），男，東南大學移動通信國

家重點實驗室博士生，主要研究方向為衛(wèi)星移

動通信。

王聞今（1980? ），男，東南大學移動通信國

家重點實驗室教授，博士生導師，主要研究方

向為大規(guī)模 MIMO 無線通信和衛(wèi)星移動通信。

劉雨（1978? ），女，北京郵電大學人工智能

學院副教授，博士生導師，鵬城實驗室網(wǎng)絡(luò)與

通信研究中心副教授，主要研究方向為衛(wèi)星互

聯(lián)網(wǎng)、圖像處理、分布式源編碼等。

馬偉（1979? ），男，西安空間無線電技術(shù)研

究所研究員，網(wǎng)絡(luò)與信息處理技術(shù)研究室副主

任，主要研究方向為天基網(wǎng)絡(luò)管控與路由交換

技術(shù)。

萬屹（1971? ），男，中國信息通信研究院研

究員，中國信息通信研究院無線與移動領(lǐng)域主

席，技術(shù)與標準研究所副所長，主要研究方向

為無線移動通信。

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[作者簡介]

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 體 化 信 息 網(wǎng) 絡(luò) Vol.4 No.3

面向智能高鐵的低軌衛(wèi)星通信發(fā)展綜述

蘇昭陽 1

，劉留 1

，張嘉馳 1

，周濤 1

，藺偉 2

，梁軼群 2

（1. 北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044；

2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081）

摘 要：低軌衛(wèi)星具備大帶寬、低時延、廣覆蓋等優(yōu)點，非常適合作為地面網(wǎng)絡(luò)的補充，實現(xiàn)智能高鐵全線路覆蓋、無縫連接

的要求，有助于構(gòu)建空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)。針對現(xiàn)行鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)存在的不足，研究低軌衛(wèi)星在智能高鐵中的應用以及

關(guān)鍵技術(shù)，首先分析智能高鐵的通信需求，然后介紹國內(nèi)外鐵路衛(wèi)星通信的發(fā)展現(xiàn)狀，最后從傳播特性、物理層參數(shù)、波束切

換、資源管理等幾個方面對低軌衛(wèi)星應用在智能高鐵領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)進行探討。

關(guān)鍵詞：智能高鐵；低軌衛(wèi)星通信；5G-R

中圖分類號：U285

文獻標識碼：A

doi: 10.11959/j.issn.2096?8930.2023034

Review of the Development of Low Earth Orbit Satellite

Communication for Smart High-Speed Railway

SU Zhaoyang1

, LIU Liu1

, ZHANG Jiachi1

, ZHOU Tao1

, LIN Wei2

, LIANG Yiqun2

1. School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China

2. Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081, China

Abstract: Low-earth orbit satellites have the advantages of wide bandwidth, low latency, and large coverage, making them very suitable

as a supplement to ground cellular networks. Low-earth orbit satellites can meet the requirements of smart high-speed railway full line

coverage and seamless connection, which helps to build an integrated communication network between ground and space. Considered

the shortcomings of the current railway mobile communication network, the application and key technologies of low earth orbit satellites in smart high-speed railway were studied. Firstly, the communication requirements of smart high-speed railway were analyzed, and

then the development status of railway satellite communication at home and abroad were introduced. Finally, the key technologies and

challenges of low earth orbit satellite application in the field of smart high-speed rail were discussed from the aspects of propagation

characteristics, physical layer parameters, beam handover, and resource management.

Keywords: smart high-speed railway, low earth orbit satellite communication, 5G-R

0 引言

截至 2022 年 9 月底，我國鐵路營業(yè)里程已達 15.3 萬

千米，99％的 20 萬人口以上城市已被鐵路網(wǎng)覆蓋，高鐵

運營總里程已經(jīng)超過 4 萬千米。根據(jù)中國國家鐵路集團有

限公司（以下簡稱“國鐵集團”）2020 年 8 月出臺的《新

時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》，到 2035 年，我國將

率先建成現(xiàn)代化鐵路網(wǎng)，全國鐵路運營里程 20 萬千米左

右，其中高鐵 7 萬千米左右。2022 年，國鐵集團提出“中

國智能高速鐵路 2.0”，提出以現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)為主要載體，

5G、數(shù)字孿生、自動駕駛、MaaS+智能服務等新一代信息

通信技術(shù)融合應用，全面加速推進鐵路行業(yè)的數(shù)字化、智

能化建設(shè)[1]。

鐵路專用移動通信是鐵路信息化、數(shù)字化、智能化的

收稿日期：2023?01?07；修回日期：2023?05?07

基金項目：中國國家鐵路集團有限公司科技研究開發(fā)計劃（No.N2023G060）；國家自然科學基金資助項目（No.62341102）

Foundation Items: Technology Research and Development Program of China Railway (No.N2023G060), The National Natural Science Foundation of China

(No.62341102)

第 3 期 蘇昭陽：面向智能高鐵的低軌衛(wèi)星通信發(fā)展綜述 ·89·

重要基礎(chǔ)設(shè)施和關(guān)鍵技術(shù)裝備，在支撐鐵路運營、保障行

車安全、提高運輸效率、提升維護水平等方面發(fā)揮著重要

作用[2]。移動通信系統(tǒng)是列車行車安全、運營維護和旅客

信息服務的中樞神經(jīng)[3]。未來，智能高鐵的發(fā)展對無縫高

數(shù)據(jù)速率通信、覆蓋范圍等提出更高要求，高鐵移動通信

系統(tǒng)將建立可信的通信網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)高移動速度下高數(shù)據(jù)

速率的持續(xù)在線及可靠傳輸[4]。目前，我國鐵路廣泛使用

的專用 GSM-R 網(wǎng)絡(luò)，已覆蓋我國全部高速鐵路、客運專

線和其他客貨混運線路等大部分鐵路沿線，形成了一整套

完整且必要的鐵路專用移動通信系統(tǒng)。然而，GSM-R 網(wǎng)

絡(luò)屬于第二代移動通信系統(tǒng)，帶寬小、速率低，網(wǎng)絡(luò)所能

承載的業(yè)務和提供的能力都非常有限，目前通信設(shè)備制造

商已逐漸減少相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)，轉(zhuǎn)而提供技術(shù)服務和現(xiàn)存配

件。在“中國智能高速鐵路 2.0”體系架構(gòu)中，在關(guān)鍵技

術(shù)創(chuàng)新方面，圍繞智能建造、智能裝備、智能運營 3 個方

面展開，迫切需要加快新一代信息技術(shù)等與鐵路的深度融

合，通過新一代移動通信技術(shù)賦能智能高鐵，提供大帶寬、

大連接、低時延、高可靠的傳輸通道，解決增強型移動寬

帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、海量機器類通

信（massive Machine Type Communication，mMTC）和低

時延高可靠通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）需求。

鐵路低軌衛(wèi)星通信因其在覆蓋范圍、靈活組網(wǎng)、通信

距離等方面的獨特優(yōu)勢，有望成為未來智能高鐵移動通信

系統(tǒng)的重要組成部分。

1 鐵路通信需求分析

1.1 鐵路 5G 通信

自 20 世紀 60 年代以來，我國鐵路移動通信系統(tǒng)經(jīng)歷

了從無線列調(diào)到 GSM-R 等技術(shù)的發(fā)展。隨著智能高鐵的

提出，鐵路通信系統(tǒng)需要滿足大帶寬、高速率的業(yè)務傳輸，

然而 GSM-R 通信系統(tǒng)所能承載的業(yè)務和提供的能力都非

常有限，且相關(guān)設(shè)備也即將停產(chǎn)。5G 作為新一代移動通

信技術(shù)，具備大帶寬、大連接、低時延、高可靠等特點，

是支撐經(jīng)濟社會數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵新型

基礎(chǔ)設(shè)施。將 5G 技術(shù)與鐵路各系統(tǒng)進行融合已經(jīng)成為下

一代鐵路移動通信系統(tǒng)的主要研究方向，有利于推動我國

實現(xiàn)智能化鐵路，提高鐵路的安全水平與運行效率，鞏固

我國鐵路世界領(lǐng)先優(yōu)勢。

針對各業(yè)務的承載需求，可以將所有業(yè)務分為 5G 專

網(wǎng)單獨承載、5G 公網(wǎng)單獨承載、5G 專網(wǎng)和公網(wǎng)共同承載

3 種類型。對于鐵路 5G 專網(wǎng)，其本身頻率范圍有限，5G-R

相比于 GSM-R 可以提供更大的帶寬，且組網(wǎng)可控性強，

能夠保障全段覆蓋與及時修復；對于鐵路 5G 公網(wǎng)，其可

為鐵路車地數(shù)據(jù)傳輸、視頻傳輸?shù)葮I(yè)務提供大帶寬支持，

為大量監(jiān)控設(shè)備與檢測傳感設(shè)備提供大連接服務，低時延

傳輸保證了各業(yè)務的精準傳輸。

5G 專網(wǎng)單獨承載業(yè)務均為與行車直接相關(guān)的行車控

制類業(yè)務，這些業(yè)務直接影響了列車行車安全，對數(shù)據(jù)實

時性要求最高，要求移動通信網(wǎng)絡(luò)必須具備高可靠且完全

可控的特點。5G 專網(wǎng)和公網(wǎng)共同承載的業(yè)務主要為運行

維護類業(yè)務，這些業(yè)務對數(shù)據(jù)實時性要求較低，可根據(jù)數(shù)

據(jù)對實時性、安全性的要求和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境靈活選擇移動通信

網(wǎng)絡(luò)。5G 公網(wǎng)單獨承載業(yè)務主要為非實時性業(yè)務，具有

業(yè)務量較多，數(shù)據(jù)量較大的特點。各類業(yè)務的承載方式以

及業(yè)務需求見表 1。

表 1 5G 鐵路通信業(yè)務承載方式及業(yè)務需求

承載方式 典型業(yè)務 業(yè)務需求

5G 專網(wǎng)單獨承載 行車控制類業(yè)務

高實時性

高可靠性

5G 專網(wǎng)和公網(wǎng)共同承載 運行維護類業(yè)務

低實時性

靈活承載

5G 公網(wǎng)單獨承載

運營管理類業(yè)務

非實時性

數(shù)據(jù)量大

旅客服務類業(yè)務

工程施工類業(yè)務

以 5G-R 為依托的智能高鐵移動通信系統(tǒng)在面臨部分

極端環(huán)境時，可能會因為基站被破壞或者難以部署基站而

導致覆蓋困難。以川藏鐵路為例，若僅依靠傳統(tǒng)的陸地蜂窩

覆蓋方式，在洪水、地震、泥石流等惡劣自然災害情況下傳

統(tǒng)通信方式將無法滿足應急救援用網(wǎng)需求。此外，鐵路作為

我國“一帶一路”走出去戰(zhàn)略的重要支撐，在境外鐵路沿線

無專網(wǎng)覆蓋的條件下，列車的行車控制類和運行維護類數(shù)據(jù)

的安全有效回傳，也需要高效信息通信技術(shù)的支撐。

1.2 鐵路物聯(lián)網(wǎng)

作為新一代應用基礎(chǔ)設(shè)施，物聯(lián)網(wǎng)對未來智能高鐵的

發(fā)展具有重要意義。當前，通過標識識別、狀態(tài)傳感、定

位導航與控制反饋等技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)在車號識別、電子客票、

行車安全監(jiān)控、運行環(huán)境監(jiān)控等方面已經(jīng)有了廣泛應用[5]。

然而，目前的鐵路物聯(lián)網(wǎng)存在末端組網(wǎng)不靈活、前端處理

平臺不完善、系統(tǒng)多且獨立的缺點，無法滿足未來鐵路智

能運維的需要。

“中國智能高速鐵路 2.0”將基于“模數(shù)驅(qū)動，軸面協(xié)

同”理念實現(xiàn)全專業(yè)協(xié)同和跨行業(yè)綜合，在“中國智能高

·90· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

速鐵路 2.0”數(shù)據(jù)體系架構(gòu)中，物聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)據(jù)匯集層的

重要組成部分，負責監(jiān)測智能建造、智能裝備和智能運營

三大板塊的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施、行車環(huán)境、移動設(shè)備

等的泛在感知與寬帶數(shù)據(jù)傳輸[1]。各終端設(shè)備與鐵路通信

系統(tǒng)全面連接，構(gòu)建統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺，對回傳的數(shù)

據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)各物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的深度融合，保障高

鐵運維的實時監(jiān)控與遠程維護需求。

鐵路物聯(lián)網(wǎng)從結(jié)構(gòu)上自下而上可以分為感知層、承載

層與應用層，其中承載層關(guān)系著數(shù)據(jù)能否安全可靠地傳遞

至分析中心。目前典型的承載技術(shù)有 GPRS、NB-IoT、LTE、

WLAN 等[6]，然而，GPRS 與 NB-IoT 均只支持窄帶寬、

非實時的數(shù)據(jù)發(fā)送；LTE 與 WLAN 雖然支持高帶寬與實時

數(shù)據(jù)傳輸，但是 WLAN 覆蓋范圍有限，且均依賴于基站或

者無線接入點的部署，無法有效應對自然災害與特殊地形。

除了傳統(tǒng)的接入方式外，鐵路衛(wèi)星通信與鐵路物聯(lián)網(wǎng)

的結(jié)合也逐漸受到關(guān)注。寬帶衛(wèi)星具備廣覆蓋和大容量的

接入能力，組網(wǎng)成本低，適合區(qū)間特殊地段高帶寬的數(shù)據(jù)

傳遞。但是由于星地鏈路傳輸時延較大，因此其對高實時

數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰θ跤诘孛娉休d網(wǎng)絡(luò)。

綜上所述，現(xiàn)有承載技術(shù)均難以獨自滿足“中國智能

高速鐵路 2.0”鐵路物聯(lián)網(wǎng)的多樣化需求，需要根據(jù)業(yè)務

需求綜合運用多種技術(shù)。將衛(wèi)星通信與地面承載網(wǎng)絡(luò)相結(jié)

合，能夠有效擴大覆蓋范圍，應對不同運行區(qū)段的傳輸需

求，有助于實現(xiàn)列車運行全過程的數(shù)據(jù)監(jiān)測、回傳與分析，

提高行車安全性與運營效率。

1.3 鐵路通信發(fā)展趨勢

未來鐵路通信業(yè)務擴展方向是寬帶化、自動化、可視

化、多樣化，為滿足未來鐵路數(shù)字化的要求，需要一套具

備大帶寬、低時延、高可靠能力的解決方案。鐵路系統(tǒng)可

以采用北斗衛(wèi)星定位替代傳統(tǒng)軌道電路及軌旁設(shè)備，并實

現(xiàn)列車與列車之間的直接通信，保障行車安全，提高線路

運輸能力。此外，天基、空基和地基的接入，在不同環(huán)境

和業(yè)務場景下各有優(yōu)勢，空天地一體化網(wǎng)絡(luò)可以綜合利用

固網(wǎng)資源和衛(wèi)星資源，并發(fā)揮其優(yōu)勢來擴展移動網(wǎng)絡(luò)的覆

蓋范圍，同時通過天基、空基和地基的多接入融合，提供

更高的速率、更好的服務質(zhì)量和更高的可靠性。我國在非

洲援建或修建的鐵路，往往穿過原始森林、無人區(qū)等偏遠

地區(qū)（如亞吉鐵路、坦贊鐵路等），甚至有些地區(qū)的通信

信號系統(tǒng)容易遭到人為的破壞?；谏鲜鰡栴}，可以充分

利用空天地一體化的通信系統(tǒng)完成列車運行的指揮控制，

保證列車安全運行。

2 國內(nèi)外鐵路衛(wèi)星通信發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外鐵路衛(wèi)星通信的發(fā)展

20 世紀 80 年代開始，日本國營鐵路與郵政省協(xié)作，

使用中通量通信衛(wèi)星“櫻花號”，進行了電波傳播、鏈路

質(zhì)量等研究，開展了傳真、圖片和通話等方面的測試，并

將衛(wèi)星通信作為地震等自然災害出現(xiàn)時應急通信的手段。

20 世紀 90 年代，日本貨物鐵道公司在易發(fā)生地震的東海

道本線和山陽本線列車上安裝 GPS 定位裝置，通過衛(wèi)星把

定位信息傳送給貨運調(diào)度，以讓貨運調(diào)度實時掌握列車位

置信息[7]。

2005 年，由于歐洲航天局（European Space Agency，

ESA）的支持，在布魯塞爾和巴黎之間運行的 Thalys 列車

上的乘客可以通過衛(wèi)星訪問寬帶互聯(lián)網(wǎng)。該技術(shù)通過車頂

天線實時跟蹤 36 000 km 高度的衛(wèi)星實現(xiàn)車地通信，并支

持 300 km/h 的移動速度。在 2005 年的試驗中，下行鏈路

帶寬約為 2 Mbit/s，上行鏈路帶寬約為 0.5 Mbit/s。

2007 年，法國的高速鐵路系統(tǒng)在 TGV 高速列車上開

通了互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，該技術(shù)利用衛(wèi)星通信技術(shù)，在車輛內(nèi)覆

蓋 Wi-Fi 信號，解決乘客上網(wǎng)和收發(fā)郵件等通信需求，并

支持最多 20 位乘客同時在線使用。該項技術(shù)在列車頂部

使用特殊天線實時對準追蹤衛(wèi)星，并支持 320 km/h 的移動

速度。

2010 年，哈薩克斯坦的阿斯塔納?阿拉木圖?阿斯塔

納路線上，ASTEL 為高速列車 Tulpar（速度 130～

140 km/h）提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入。該項目的主要目的是通

過衛(wèi)星天線安排與列車的通信信道，從而保持高速衛(wèi)星

的參考點運動?；疖噧?nèi)的信號是通過 Wi-Fi 分發(fā)的，通

過覆蓋哈薩克斯坦全境的衛(wèi)星通信系統(tǒng)寬帶頻道為乘客

提供互聯(lián)網(wǎng)服務。最大傳輸速率達 2 Mbit/s。該設(shè)備允許

數(shù)據(jù)在靜止位置和速度高達 350 km/h 的運動中進行語音

和視頻傳輸。

2.2 國內(nèi)鐵路衛(wèi)星通信的發(fā)展

20 世紀 80 年代，我國開始探討衛(wèi)星通信在鐵路中的

應用，組織北京交通大學、鐵道科學研究院于 1988 年 5

月共同完成了《衛(wèi)星通信在鐵路上發(fā)展的研究》，為發(fā)展

鐵路衛(wèi)星通信提供了決策依據(jù)。1992 年，原鐵道部、交通

部和國際海事衛(wèi)星組織開展合作，基于全球定位系統(tǒng)

（Global Positioning System，GPS）接收機和海事衛(wèi)星構(gòu)建

了列車位置報告系統(tǒng)，利用海事衛(wèi)星建成列車衛(wèi)星移動電

話通信系統(tǒng)，并進行了列車衛(wèi)星移動通信和衛(wèi)星列車定位

的試驗。《衛(wèi)星通信在鐵路上發(fā)展的研究》對衛(wèi)星通信在

第 3 期 蘇昭陽：面向智能高鐵的低軌衛(wèi)星通信發(fā)展綜述 ·91·

鐵路中的應用做出了以下貢獻：

（1）分析衛(wèi)星通信在鐵路中應用的必要性和可行

性，提出鐵路開展衛(wèi)星通信的技術(shù)政策建議與應當具備

的功能；

（2）提出采用兩級通信網(wǎng)即局級全聯(lián)通網(wǎng)和分局級星

狀網(wǎng)的組網(wǎng)方案，率先建立北京、蘭州、烏魯木齊、柳州

4 個小數(shù)據(jù)站的獨立數(shù)據(jù)通信網(wǎng)方案，以及在北京、沈陽、

上海等 12 個路局間構(gòu)成全聯(lián)通網(wǎng)的方案；

（3）對光纜、數(shù)字微波、衛(wèi)星 3 種通信手段做了經(jīng)

濟比較和綜合評估，結(jié)果表明衛(wèi)星通信的綜合評估結(jié)果

最佳；

（4）對衛(wèi)星通信制式進行比較，建議采用適當?shù)亩嘀?/p>

方式，并創(chuàng)造條件發(fā)展 TDMA 制式；

（5）提出衛(wèi)星通信地球站設(shè)備技術(shù)條件，并提出鐵路

衛(wèi)星通信網(wǎng)的實施意見。

近年來，為滿足列車運行控制對于列車定位精確性、

安全性和可靠性的要求，除了傳統(tǒng)的里程計、查詢應答器，

包括美國 GPS、中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在內(nèi)的全球?qū)Ш叫l(wèi)

星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）也開

始用于列車實時定位。GNSS 可為列控系統(tǒng)提供列車位置

和速度，其測量誤差直接影響到列車安全防護距離、追蹤

間隔、閉塞控制方式等，誤差過大將直接觸發(fā)列車制動，

影響運輸效率和乘客舒適度，甚至影響列車安全[8]。此外，

北斗短報文功能，也用于列車運行控制信息的傳輸[9]。將

衛(wèi)星導航系統(tǒng)引入列車定位領(lǐng)域，能夠使列車定位盡量減

少對地面設(shè)備的依賴，實現(xiàn)低成本與高自主性優(yōu)勢，符合

現(xiàn)代鐵路安全/非安全應用服務的發(fā)展需要[10]。

2.3 低軌衛(wèi)星發(fā)展情況

隨著 6G 的研究不斷深入，發(fā)展空天地一體化網(wǎng)絡(luò)

已成為共識?？仗斓匾惑w化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是 6G 的核心方向

之一，被 ITU 列為七大關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)需求之一。低軌（Low

Earth Orbit，LEO）衛(wèi)星以其星座和信號的獨特優(yōu)勢，逐

步受到世界衛(wèi)星導航領(lǐng)域的關(guān)注和青睞，有望成為新一

代衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展的新增量。相比中高軌衛(wèi)星，低軌

衛(wèi)星具備成本低、通信時延低、速率高、容量大等特性。

因此，LEO 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)作為地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的補充有著巨

大優(yōu)勢。

LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以以較低的發(fā)射成本和低時延等高

使用價值投入商業(yè)應用，通過星座組網(wǎng)實現(xiàn)全球無縫覆

蓋。美國的銥星系統(tǒng)，是全球唯一的采用星間鏈路組網(wǎng)、

全球無縫覆蓋的低軌星座系統(tǒng)。二代銥星可提供 10 Mbit/s

以上的傳輸速率，同時還具備對地成像、航空監(jiān)視、導航

增強、氣象監(jiān)視等功能[11]。Globalstar 系統(tǒng)是由美國勞拉

公司和高通公司倡導發(fā)起的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，星座系統(tǒng)

由 48 顆衛(wèi)星及 16 個地面站組成，星上采用透明轉(zhuǎn)發(fā)，沒

有星間鏈路，軌道高度 1 414 km，共 8 個軌道面[12]。目前，

iPhone14 系列支持緊急 SOS 衛(wèi)星通信功能，支持從偏遠

地區(qū)發(fā)送緊急信息，其使用的衛(wèi)星通信功能就是由

Globalstar 系統(tǒng)提供的。

2015 年，英國 OneWeb 公司提出的“OneWeb”星座

計劃，可實現(xiàn)全球?qū)崟r的寬帶互聯(lián)。目前，OneWeb 衛(wèi)星

測試網(wǎng)速達到 400 Mbit/s，平均時延 32 ms[13]。同年，

Space X 公司提出的星鏈（Starlink）計劃，通過大規(guī)模 LEO

衛(wèi)星為全球提供高帶寬、低時延的寬帶服務[14]。目前，

Starlink 已發(fā)射超過 3 000 顆 LEO 衛(wèi)星，平均下載網(wǎng)速可

達到 120 Mbit/s，平均時延為 30 ms，已完成了北美和歐洲

的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)覆蓋。

2015 年，我國開始建設(shè)低軌衛(wèi)星通信項目[15]。近年來，

商業(yè)航天公司銀河航天發(fā)射了多顆低軌寬帶通信衛(wèi)星，構(gòu)

建了首個星地融合的 5G 試驗網(wǎng)絡(luò)，并開展了車載“動中

通”測試。2021 年，中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團有限公司成立，標

志著我國將全面建設(shè)以 LEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)為代表的太空

基礎(chǔ)設(shè)施，加速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。2022 年，依托北京郵件

大學的“北郵-銀河號”低軌衛(wèi)星成功發(fā)射，執(zhí)行在軌的通

信-遙感融合試驗任務[16]。

隨著 LEO 衛(wèi)星規(guī)模組網(wǎng)、信息融合等技術(shù)的發(fā)展，

LEO 衛(wèi)星下一步將與衛(wèi)星車載通信、通信-導航-遙感一體

化、空天地一體化等領(lǐng)域進行深度融合，具備廣闊的發(fā)展

前景。LEO 衛(wèi)星以其廣覆蓋、全天候、大帶寬和低時延的

特點成為彌補地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)最有效的解決方案，因而

將低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應用到智能高鐵中具有巨大的潛力和

前景。目前，圍繞智能高鐵在行車控制、運行維護、運營

管理、工程施工類等方面的通信業(yè)務需求，以 5G-R 為基

礎(chǔ)，積極開展面向低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的智能高鐵數(shù)據(jù)回傳技

術(shù)研究與驗證，恰逢其時。

3 鐵路低軌衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)

目前，學術(shù)界已經(jīng)對 LEO 衛(wèi)星通信作為陸地無線通

信的補充和延伸達成共識[17]。LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可作為 5G-R

的補充、延伸和備份，充分發(fā)揮衛(wèi)星通信廣域覆蓋、隨需

接入、按需服務、安全可信等優(yōu)勢條件，重點應用于鐵路

沿線地面通信設(shè)施缺乏或薄弱的區(qū)段，在工程建造、運營

維護、應急處置和災害預警等場景下提供更加安全可靠的

服務[18]。本節(jié)將從信道傳播特性、物理層參數(shù)特征、星內(nèi)

·92· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

與星間波束切換、星上資源管理幾個方面對鐵路低軌衛(wèi)星

通信關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

3.1 信道傳播特性

無線信道建模是人們對無線傳播環(huán)境及其傳播特性

的抽象的描述，無線信道的傳播特性是構(gòu)建移動無線通信

系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，其應用在無線通信系統(tǒng)從設(shè)計評估到標

準化再到最終部署的各個環(huán)節(jié)中，因此無線信道的傳播特

性和建模研究是設(shè)計、評估、部署任何無線通信系統(tǒng)的前

提和基礎(chǔ)。

LEO 衛(wèi)星軌道高度為 500~2 000 km，處于外大氣層，

因此星間鏈路與星地鏈路中大氣層段的傳播方式為自由

空間傳播，長距離的傳播使得自由空間損耗在星地傳播損

耗中占比最大。此外，隨著通信頻率的提高，高頻段的傳

輸使得大氣中的水氣、氧氣分子，以及降雨和云霧天氣時

的水滴均會對星地傳輸信號造成衰減。在地面段傳輸時，

地面的建筑物、森林、山體等障礙物也會對信號造成遮擋，

產(chǎn)生額外的損耗。因此，LEO 衛(wèi)星信道的傳播特性不僅要

考慮自由空間傳播損耗，還需要考慮大氣吸收、降雨及云

霧衰減和陰影效應與地物損耗的影響，如圖 1 所示。參考

文獻[19]在晴天、小雨、大雨、暴雨 4 種天氣條件，以及

通信仰角為 10°和 90°條件下對星地鏈路傳播損耗進行仿

真，結(jié)果表明隨著降雨量的增加，降雨衰減占總衰減的

比重逐漸增加，在暴雨時可達到 84%，且隨著通信仰角

從 90°變化為 10°，總衰減值在不同天氣條件下有

30~50 dB 的增加，說明天氣和通信仰角會對星地通信質(zhì)

量產(chǎn)生嚴重影響。

除了考慮信號在傳播過程中產(chǎn)生的損耗，更重要的

是要考慮雙移動性，這是高鐵衛(wèi)星通信與其他通信場景

的 顯著差異 。一方面， LEO 衛(wèi)星對 地 移動速度為

7.6 km/s，過頂時間較短，一顆衛(wèi)星的可視時間只有約

10 min；另一方面，地面的列車也在以大約 350 km/h 的

速度高速運動，因此衛(wèi)星與列車的移動均會產(chǎn)生較大的

多普勒頻移，使得星地鏈路的信道是時變非平穩(wěn)的。此

外，由于高鐵的移動，其周圍的環(huán)境也具有動態(tài)變化的

特點。在平原等開闊場景，衛(wèi)星信號與高鐵之間可視為

LoS 傳播；在隧道或 U 型槽等場景，衛(wèi)星信號到達高鐵

附近時則會產(chǎn)生嚴重的地物損耗，造成多徑傳播，且隨

著衛(wèi)星與高鐵相對位置的不同，通信仰角的不同，受到

遮擋的影響也不同。因此，在進行高鐵衛(wèi)星場景的信道

建模時，應當應對多樣化場景，考慮星地雙移動特點進

行建模。

圖 1 低軌衛(wèi)星傳播鏈路模型

3.2 物理層參數(shù)特征

目前，5G-R 技術(shù)可為高鐵提供大帶寬、大連接、低

時延的移動通信服務，因此 LEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以考慮

復用 5G-R 的關(guān)鍵技術(shù)。但是衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比于陸地蜂

窩具有很大的差異性，特別是衛(wèi)星高鐵雙移動導致的多普

勒效應嚴重和頻繁波束切換等問題，無法照搬 5G-R 通信

系統(tǒng)。

針對上述的獨特性，有必要對星地鏈路空中接口的部

分物理層參數(shù)進行針對性的評估和優(yōu)化，與 5G-R 進行技

術(shù)體制融合。

（1）在調(diào)制方式上，雖然 OFDM 作為 5G 關(guān)鍵技術(shù)已

經(jīng)非常成熟，但是由于需要保證子載波正交，其對載波頻

移非常敏感。在 LEO 與高鐵雙移動的高動態(tài)場景下，當

頻段達到 Ka、Ku 或更高頻段時，多普勒頻移將遠高于 5G

參數(shù)集技術(shù)可提供的最大子載波間隔 240 kHz，這將會導

致星地間頻率同步更加困難，嚴重影響通信系統(tǒng)性能。雖

然能夠通過頻率補償技術(shù)降低多普勒頻移造成的影響，但

是對于星地雙移動的高鐵衛(wèi)星通信場景會產(chǎn)生大量的計

算開銷，并不適用于計算資源緊缺的衛(wèi)星終端[20]。因此

OFDM 技術(shù)難以作為最優(yōu)的智能高鐵場景下低軌衛(wèi)星通

信系統(tǒng)調(diào)制方案。

正 交 時 頻 空 （ Orthogonal Time-Frequency Space,

OTFS）調(diào)制是一種新型的多載波調(diào)制技術(shù)，最早在參考

文獻[21]中被提出。不同于 OFDM 以子載波承載信息，

OTFS 在時延?多普勒域上對符號復用傳輸，充分利用時

間和頻率分集，使每個符號都能夠經(jīng)歷時不變平坦衰落信

第 3 期 蘇昭陽：面向智能高鐵的低軌衛(wèi)星通信發(fā)展綜述 ·93·

道，可以有效對抗高移動性帶來的大多普勒頻移。此外，

OTFS 與 OFDM 技術(shù)有很好的兼容性，通過預編碼和解碼

模塊的加入就可以基于 OFDM 實現(xiàn) OTFS，且硬件復雜度

增加較小[22]。參考文獻[23]證明了在高頻段以及高速移動

條件下，OTFS 具備比 OFDM 更低的誤碼率，因此在低軌

衛(wèi)星通信中使用 OTFS 技術(shù)可以有效解決星地雙移動場景

下帶來的信號傳輸問題，并且二者的兼容性也有利于星地

鏈路空中接口波形的統(tǒng)一，實現(xiàn)一體化通信。

（2）在雙工方式上，不同于傳統(tǒng)主要支持電視廣播、

短消息的衛(wèi)星通信，面向智能高鐵的 LEO 星地通信存在

頻段資源緊缺、帶寬需求大、上下行業(yè)務流量不對稱的特

點。若采用 FDD 制式，一方面難以在本就緊缺的頻段上

分配兩個對稱的大帶寬，另一方面非對稱業(yè)務會使幾乎一

半的帶寬被浪費，帶寬利用率極低。

TDD 制式中上下行業(yè)務使用同一頻率信道，可以

節(jié)約寶貴的頻譜資源，用于承載更多的用戶終端，通過

優(yōu)化幀結(jié)構(gòu)中的上下行時隙配比，可以有效提升頻譜利

用率，適應智能高鐵非對稱業(yè)務。此外，由于 LEO 軌

道高度較低，因此 TDD 模式的傳輸時延也較低，并且

TDD 具備信道互易性的優(yōu)勢，能夠為大規(guī)模天線波束

成形技術(shù)提供簡易的信道信息獲取方式。另外我國從

3G 到 4G 對 TDD 的積累使其有能力成為 5G 中的主流

通信制式[24]。

TDD 制式可能會出現(xiàn)上下行時隙間干擾，若幀結(jié)構(gòu)中

的保護時間間隔過短，則易出現(xiàn)終端自干擾；若同一波束

內(nèi)不同終端調(diào)度不當或波束間時隙配比不當，則易出現(xiàn)終

端間干擾。因此在進行星地數(shù)據(jù)傳輸時，應綜合考慮終端

位置、鄰波束時隙配比、歷史調(diào)度信息等，通過合理的保

護間隔設(shè)置與時隙配比，避免產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間干擾[25]。

（3）在編碼方案上，考慮到高鐵衛(wèi)星的雙高速移動，

其信道具備高動態(tài)性與時變非平穩(wěn)的特征，基于鏈路自適

應技術(shù)的自適應調(diào)制編碼（Adaptive Modulation and Coding，AMC）可以用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其可以根據(jù)信道狀

態(tài)變化自主調(diào)整調(diào)制方式與編碼速率。參考文獻[26]針對

衛(wèi)星信道時變性提出了一種 AMC 方案，并且驗證了該方

案可以有效提高衛(wèi)星通信的能量效率。

3.3 星內(nèi)與星間波束切換

由于星地通信鏈路與地面通信鏈路在傳播損耗上具

有的差異，LEO 衛(wèi)星的頻譜效率會遠低于同期地面蜂窩通

信系統(tǒng)。因此，為提升衛(wèi)星通信的頻譜效率，可以在星上

采用多波束頻率復用技術(shù)[27]。最初，地面固定波束系統(tǒng)被

提出，這種系統(tǒng)采用地面固定小區(qū)的方式，不需要進行頻

繁的小區(qū)切換，但是要求衛(wèi)星數(shù)量較多，部署成本較高，

因此衛(wèi)星固定波束系統(tǒng)更加合適，如銥星與全球星系統(tǒng)均

采取衛(wèi)星固定波束系統(tǒng)[28]。在面向智能高鐵的 LEO 星地

通信場景中，衛(wèi)星及高鐵的高速雙移動特點使信道動態(tài)變

化更加嚴重，傳統(tǒng)多波束衛(wèi)星的波束成形網(wǎng)絡(luò)變化速度較

慢，難以適應如今的高動態(tài)星地信道。大規(guī)模 MIMO 技術(shù)

作為 5G 的重要關(guān)鍵技術(shù)，可以使用靈活的數(shù)字多波束天

線，實現(xiàn)動態(tài)重構(gòu)的波束成形網(wǎng)絡(luò)[29]，因此可以考慮在衛(wèi)

星側(cè)構(gòu)建大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)，根據(jù)高鐵終端的信道狀態(tài)實

時調(diào)整波束方向及增益，提高系統(tǒng)性能，避免波束間干擾。

目前星地信道模型主要針對傳統(tǒng)多波束衛(wèi)星，亟須建立大

規(guī)模 MIMO LEO 星地信道模型。由于星地傳輸距離大，

信道動態(tài)變化嚴重，難以根據(jù)瞬時信道信息進行波束成形

設(shè)計，因此可以考慮根據(jù)統(tǒng)計信道信息進行波束成形設(shè)計

[30]，即通過信道在相干時間內(nèi)在時間維度上的統(tǒng)計信息進

行波束成形。

由于衛(wèi)星與高鐵的雙移動性，星地通信鏈路的多波

束切換相較地面通信系統(tǒng)更為快速復雜，如對于工作在

Ku 頻段的 Starlink 系統(tǒng)，單波束的星下點地表覆蓋波束

直徑只有約 30 km，平均每 4 s 就要進行一次切換。星內(nèi)

與星間波束切換示意如圖 2 所示。頻繁的切換會增大網(wǎng)

絡(luò)開銷，降低頻譜效率，也會造成衛(wèi)星側(cè)的計算與管理

負擔增大，可能會導致星地通信中斷，影響智能高鐵的

安全運行與乘客的通信體驗。因此，選擇合適的技術(shù)進

行高效穩(wěn)定的波束切換非常重要。波束切換主要可分為

星內(nèi)波束切換與星間波束切換。

圖 2 星內(nèi)與星間波束切換示意

星內(nèi)波束切換：為了增大系統(tǒng)容量，單顆衛(wèi)星的覆蓋

區(qū)域被劃分為多個點波束，為保證穩(wěn)定的電波覆蓋，每個

點波束范圍內(nèi)應采用等通量覆蓋，即通過調(diào)整星上天線增

益，使各個波束小區(qū)內(nèi)的接收信號強度相等。在波束切換

的過程中，用戶或者信關(guān)站向衛(wèi)星發(fā)起切換申請，并完成

·94· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

切換決策、波束選擇等行為。在這一過程中，高效的信道

分配策略可以有效解決星地鏈路頻譜利用率低的問題，主

要可分為固定信道分配（Fixed Channel Allocation，F(xiàn)CA）、

動態(tài)信道分配（Dynamic Channel Allocation，DCA）和自

適應動態(tài)信道分配（Adaptive Dynamic Channel Allocation,

ADCA）。

FCA 是為每個波束永久性分配信道資源，并在滿足

頻率復用的距離后再度分配，這種方式雖然簡單，但是

在流量不對稱的情況下會浪費信道資源，無法滿足快速

變化的業(yè)務需求[31]。DCA 是將所有信道資源集中在一個

資源池中，每個波束都可以依據(jù)需求選擇合適的信道資

源，這種方式具備更高的資源利用率，得到了廣泛的研

究。參考文獻[32]提出一種 LEO 場景下基于不同業(yè)務優(yōu)

先級的 DCA 策略，其通過低軌衛(wèi)星運動軌跡確定的特

點預測網(wǎng)絡(luò)流量，并建立馬爾可夫信道分配模型，根據(jù)

網(wǎng)絡(luò)流量的變化情況動態(tài)調(diào)整閾值，有效降低了切換失

敗率。ADCA 在 DCA 的基礎(chǔ)上進行改進，在動態(tài)分配

的基礎(chǔ)上進行信道資源的預留，使用預留信道為用戶提

供連接，進一步提高切換成功率；但要保證正常信道與

預留信道之間的平衡，較多的預留信道會造成正常信道

的擁塞，較少的預留信道則會降低切換的成功率。相比

于 DCA，ADCA 可根據(jù)用戶位置數(shù)據(jù)庫來預測未來的切

換，并預留信道資源，適合用于收發(fā)端運動軌跡都確定

的高鐵衛(wèi)星通信場景。如參考文獻[33]提出的 ADCA 可

以依據(jù)當前用戶位置信息與網(wǎng)絡(luò)流量負載情況自適應地

調(diào)整最佳預留信道數(shù)。

星間波束切換：由于 LEO 衛(wèi)星移動速度快，為保證

傳輸鏈路的連續(xù)性，地面終端必須具備支持跨星切換的波

束指向快速調(diào)整能力，以快速進行星間切換，確保業(yè)務的

連續(xù)性，因此除了波束小區(qū)的切換，星間切換也普遍存在。

在選擇切換衛(wèi)星時，需要依據(jù)多種因素綜合考慮，常用的

策略有最短距離策略、最大覆蓋時間策略、最大空閑信道

數(shù)策略以及多因素綜合加權(quán)策略[34]。參考文獻[35]將圖論

引入星間切換，將星間切換視為在有向圖中尋找路徑，并

依據(jù)不同的切換標準設(shè)置鏈路權(quán)重，利用最短距離策略確

定切換目標衛(wèi)星。參考文獻[36]針對大量用戶同時切換且

同時有多顆衛(wèi)星提供接入的場景，使用博弈論進行星間切

換，其根據(jù)用戶的網(wǎng)絡(luò)滿意度、帶寬滿意度和所需帶寬對

所有用戶進行分簇，由簇頭決定接入衛(wèi)星，衛(wèi)星也會根據(jù)

負載能力動態(tài)調(diào)整帶寬價格，實現(xiàn)用戶與衛(wèi)星效用的最大

化。然而基于圖論和博弈論的策略均需要大量數(shù)據(jù)支持，

目前大量獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)還較為困難，因此參考文獻[37]使

用一種基于啟發(fā)式超時策略的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software

Defined Networking, SDN）進行星間切換，并通過動態(tài)調(diào)

整衛(wèi)星空閑時間進行切換管理。此外，由于高鐵和衛(wèi)星運

動軌跡是確定的，也可以通過預測波束切換小區(qū)與目標衛(wèi)

星的方式提前對信道資源進行分配，保障切換的無縫進行。

綜上所述，LEO 與高鐵的高速雙移動以及大規(guī)模

MIMO 在衛(wèi)星側(cè)的應用會導致頻繁的波束切換，采取高效

的信道分配策略與基于運動軌跡的星間切換預測可以有

效改善其造成的影響。通過與 5G-R 的融合，可以在有地

面網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域使用地面網(wǎng)絡(luò)，在地面網(wǎng)絡(luò)缺乏或薄弱

的區(qū)段使用 LEO 接入，進一步降低頻繁切換帶來的開銷

影響。

3.4 星上資源管理

智能高鐵自身及鐵路沿線設(shè)施業(yè)務需求量大、種類繁

多，而 LEO 衛(wèi)星資源有限，覆蓋范圍內(nèi)業(yè)務分布存在時

空不均衡的特點，這就使得星上資源管理與多波束負載均

衡成為一個亟待解決的問題。

衛(wèi)星和高鐵雙移動性的特點導致鐵路低軌衛(wèi)星通信

與地面蜂窩通信相比，有兩個顯著特征：

（1）LEO 衛(wèi)星在星上采用頻率復用技術(shù)提升系統(tǒng)容

量，而鐵路沿線的監(jiān)測節(jié)點、傳感器節(jié)點等終端設(shè)備的部

署密度與業(yè)務種類均存在差異，且列車的高速移動造成的

頻繁波束切換使得每個波束內(nèi)的負載變化更加快速，導致

單星下各個波束的負載存在不均勻與時變的特征，即“一

對多”特點；

（2）高鐵列車頂部的相控陣天線在任意時刻都可觀測

到多顆衛(wèi)星，不同衛(wèi)星覆蓋該列車終端的波束負載又不盡

相同，且隨著列車的移動可視衛(wèi)星也在變化，因此如何選

擇合適的衛(wèi)星進行通信也是一個重要問題，即“多對一”

特點。

針對“一對多”特點，可以通過快速調(diào)整波束指向、

進行波束賦形、預測衛(wèi)星和列車運動軌跡等方式均衡負

載，參考文獻[38]使用“跳波束”技術(shù)將總覆蓋區(qū)域預

先設(shè)置為多個小區(qū)，在同一時刻僅對單個或多個小區(qū)服

務，并通過對業(yè)務需求量大的小區(qū)傾斜更多資源來提高

資源利用率。針對“多對一”特點，可以通過感知信道

資源、多因素聯(lián)合優(yōu)化等方式選擇合適的衛(wèi)星，避免資

源碰撞。

為了應對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的資源管理問題，參考文獻[39]

最早將 SDN 引入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，作為一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，SDN

將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，可以有效提高星地網(wǎng)

絡(luò)管理的靈活性，實現(xiàn)跨域資源調(diào)度。控制平面負責獲取

第 3 期 蘇昭陽：面向智能高鐵的低軌衛(wèi)星通信發(fā)展綜述 ·95·

全局網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求下發(fā)資源配置以及路由等指

令，一般由地面站或非低軌衛(wèi)星承載；數(shù)據(jù)平面則只負責

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)操作，一般由 LEO 承載，從而很大程度上降低

星上網(wǎng)絡(luò)開銷，將資源集中于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)[40]，適應高鐵衛(wèi)星

通信場景下網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性高的特點。

對于大規(guī)?？臻g網(wǎng)絡(luò)帶來的信道占用大、控制成本

高等問題，SDN 中控制器的部署位置對網(wǎng)絡(luò)性能有重要

影響。地面控制器計算及存儲資源豐富，可以應對高動

態(tài)場景的復雜計算，但是需要與天基網(wǎng)絡(luò)頻繁交換信息

以獲取網(wǎng)絡(luò)拓撲變化；衛(wèi)星控制器可以較為容易地獲取

網(wǎng)絡(luò)整體的拓撲變化信息，但星上計算資源緊張，難以

進行復雜場景的實時運算[41]。因此，跨域 SDN 架構(gòu)是一

種較優(yōu)的控制器部署形式，其將控制器同時部署于地面

網(wǎng)絡(luò)以及天基網(wǎng)絡(luò)，可以利用地面強大的計算能力將控

制成本下沉到地面網(wǎng)絡(luò)，同時減少了星地網(wǎng)絡(luò)拓撲信息

交互，實現(xiàn)更高效的網(wǎng)絡(luò)資源管理。參考文獻[42]將控

制器同時部署在地面、高空平臺以及高軌衛(wèi)星，利用其

覆蓋范圍廣的優(yōu)勢對控制信息分層管理，有效提高了對

LEO 的資源管理效率。以上方案中控制器均為靜態(tài)放置，

這種方案在流量波動劇烈的高動態(tài)場景中性能有所限

制。參考文獻[43]提出一種動態(tài)放置控制器的方案，并

提出一個基于用戶時空流量需求的數(shù)控平面流量交換模

型，將其轉(zhuǎn)化為整數(shù)線性規(guī)劃問題，而最小化平均流建

立時間。與靜態(tài)放置控制器相比，當控制器數(shù)量大于 6

臺時，動態(tài)放置控制器會具備更好的性能，但同時需要

考慮控制器移位成本。

基于以上分析，“一對多”“多對一”特點的存在

使得鐵路衛(wèi)星通信系統(tǒng)的資源管理問題相比地面網(wǎng)絡(luò)更

加復雜，需要針對業(yè)務時空分布不均，高鐵衛(wèi)星雙移動

的特點合理利用有限的星上資源。地面網(wǎng)絡(luò)的廣泛應用

已經(jīng)證明 SDN 可以有效促進異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合，進行高效的

資源管理，但同時也要對控制器的部署位置等因素進行

深入研究。

4 結(jié)束語

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為我國“新基建”的重要組成部分，

研究低軌衛(wèi)星與鐵路專網(wǎng)的互補發(fā)展，具有巨大的潛力和

前景，有助于為智能高鐵提供低成本、全覆蓋、不間斷的

通信能力，必將在未來相當長一段時間內(nèi)成為研究熱點。

本文所提技術(shù)將具有以下發(fā)展趨勢。

第一，星地信道的測試與建模。星地信道建模需要綜

合考慮傳輸距離、氣候條件、衛(wèi)星仰角、終端移動性等多

個因素，但是目前還沒有對所有因素進行統(tǒng)一考慮的星地

信道模型。特別是高鐵衛(wèi)星通信場景具有收發(fā)端雙高速移

動的特點，這會導致更大的多普勒頻移，并且列車的移動

也會使得衛(wèi)星通信仰角的變化更加復雜，從而使星地信道

的變化更加復雜。因此，綜合考慮列車的移動方向、移動

速度，進行實地信道測量，建立雙移動條件下統(tǒng)一的信道

模型非常必要。

第二，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與 5G-R 的融合。地面 5G 系統(tǒng)已

經(jīng)成熟，5G-R作為鐵路專網(wǎng)發(fā)揮了相比于GSM-R的優(yōu)勢。

在天基網(wǎng)絡(luò)中復用地面 5G-R 技術(shù)，無論在建設(shè)成本還是

技術(shù)可靠性上都具備優(yōu)勢，因此有必要從物理層到應用層

全協(xié)議棧對兩種網(wǎng)絡(luò)進行體制融合，采取統(tǒng)一的空中接口

技術(shù)體制，對資源進行統(tǒng)一管理與調(diào)度，實現(xiàn)空天地一體

化網(wǎng)絡(luò)。

第三，波束切換管理。在星上采取大規(guī)模 MIMO 時，

高鐵的高速移動使其發(fā)生波束切換更為頻繁，應當基于高

鐵與衛(wèi)星的相對運動關(guān)系，建立波束切換預測模型，優(yōu)化

波束切換策略，使列車合理選擇接入的波束。同時衛(wèi)星側(cè)

也應當研究基于感知的信道、資源負載等信息快速智能地

調(diào)整波束指向的方法，保障波束切換的穩(wěn)定以及波束負載

的均衡。

第四，智能資源管理與調(diào)度。為滿足智能高鐵多樣化

的業(yè)務需求，需要基于不同業(yè)務實施智能高效的資源管理

和調(diào)度。如引入 SDN 對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進行統(tǒng)一的資源管理，

動態(tài)智能感知網(wǎng)絡(luò)資源，合理部署控制器位置，利用網(wǎng)絡(luò)

切片提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率等。

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