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发表于 2022-11-29 10:27:47 |显示全部楼层
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星间互联恐决定天地一体

6G网络将形成覆盖空、天、地、海的空地一体移动通信网络,实现广域立体通信覆盖。

空地一体网络将由天基多层子网(高轨卫星、中低轨卫星)和地面蜂窝多层子网(宏蜂窝、微蜂窝等)共同构成融合统一的异构网络。目前地面移动通信网络经过3G、4G、5G的网络不断的部署和升级,从基站规模到设备性能等都已趋于成熟,通信覆盖率、用户渗透率都已趋近饱和。但是在卫星互联网方面,其组网质量、设备成熟度等都还有很长路要走,且很可能直接影响未来6G空地一体网络的质量、以及能否真正成功。

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星间互联方法

卫星互联网中各种高、中、低轨卫星要想相互连通,有两种方式,一种是空-地链路,另一种是空-空链路。

  • 空地链路就是卫星将数据先传回地面,然后通过地面网络进行交换后,再发送到星,走的是“星—地—地—星”的方式,这种方式优势是可以依托地面成熟的传输网络进行传输,降低了卫星实现星间传输的复杂度,缺点是由于无线电波要穿过大气层,加之雨衰因素,在“星--地”这一段的大容量稳定通信不易实现,此外地面网络都在一个国家或者一个区域内,难以支持这个区域之外的卫星间通信。
  • 空空链路就是在星间交互数据,再发送给地面网络,走的是“星—星—地”的方式,其优势是“星--星”的空间杂波较少,相对“星--地”这一跳,没有大气层、障碍物的阻隔,基本是直连径,因此传输速率较高,但比地地的有线传输则远远不如;“星--星”通信可以独立组网,减少了地面信关站的数目,从而可大大降低地面站点的复杂度和投资,扩大了系统的覆盖范围;实现跨区域,跨国域的通信;缺点是星间链路选择,星链指向对齐,路由选择优化等技术还不成熟,同时卫星实现星间通信复杂度较高等。

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美欧全球星信站示意图

星间链路的特点

星间链路与地面网络所面临的传输环境有着巨大的差异,特别在2点:

(1)拓扑时变空变:地面网络的基站或有线网主干节点大多是固定节点,而卫星网络中的各个节点都处于运动中,因此卫星网络的拓扑也随之不断变化。这种拓扑变化可能带来星间链路的路由变化、导致星间链路捕获难度高、传输距离、传输时延的不稳定,甚至传输信道不稳定,传输稳定性不如地面网络;

(2)网络节点计算和存储能力有限:卫星中的星载计算设备和存储设备,在发射前需要经过严格的适应性和抗辐射检测,无法与地面节点的运算速度和存储空间大小相比。

星间链路的协议

除上述两点是星间互联最主要的难点,此外传统地面网络中普遍应用 TCP/IP 协议簇,而针对星间链路还没有统一适用的网络协议标准。虽然TCP/IP 协议是地面网络中最为成熟且广泛使用的网络协议,并且其稳定性和可靠性已经得到无数实际应用的验证,在互联网中占有绝对统治地位,但由于空间与地面传输条件的巨大差异,TCP/IP 协议对于星间链路并不能适用,因此需要探索更适合星间链路的网络传输协议。同样3GPP在5G的无线协议如果照搬到星间链路,基于上面的两个特点,也并不高效。

目前,对于星间链路网络传输协议的研究主要可分为三类,第一类是对国际空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS)的空间通信协议规范(Space Communication Protocol Specification,SCPS)体系的完善和改进,第二类是对 TCP/IP 协议在星间网络中的精简和调整,第三类是面向延迟、中断容忍网络(Delay/Disruption-Tolerant Network,DTN)的研究。

星间链路的协议设计核心就是要比地面网络更简单、更高效、更安全。

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星地链路的应用

当前星地链路,星间链路均有应用,星地链路最著名应用就是埃隆-马斯克的“星链”Starlink。Starlink星链初期,因为一些物理限制并不能直连手机,还需要在地面建立基站。如今,SpaceX已经申请了100万个地面基站的建设许可,正在逐步扩大地面站建设。Starlink的卫星间通过多跳中继的方式提供了端到端的服务,如纽约到西雅图通信业务流为“纽约-接入星-地面站-……地面站-接入星-西雅图”。星链计划1.2万颗卫星,8千颗卫星放置在距离地面550公里的低轨道上,另外4千颗星放置在高1200公里的轨道上。根据电磁波传输速度,从卫星到地面,550公里的时延接近4毫秒,1200公里的时延大概8毫秒。而此时的5G高可靠低时延的指标仅1毫秒,卫星网络在用户体验方面远远不如5G网络。未来随着starlink卫星数目逐渐增多,将会逐步启动星间链路,扩大覆盖,降低时延。

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Starlink地面接收站

星间链路的应用

星间链路的典型应用有两类,一类是上世纪九十年代,美国铱星系统和Teledesic系统率先实现了星间链路。时至今日,星间链路技术最为成熟的就是美国的铱星系统,尽管它作为商业系统并不成功。铱星网络由独特复杂的 66 颗低轨卫星交叉连接构成,星间链路为铱星网络提供了更高的自主性,使其能够覆盖全球。与此同时,该公司还在发展第二代星座 Iridium  NEXT,该星座将大大提高其满足陆地、海上、空间日益增长的通信需求的能力。

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另一类就是在卫星导航领域,星间链路可以辅助地面站进行联合定轨,增强导航系统的定位精度和可靠性,同时也能够使全球卫星导航系统在没有地面站支持的情况下,自主运行一段时间,从而减少全球导航系统对地面站的依赖。目前全球主要有四大卫星导航系统:美国的 GPS,俄罗斯的 GLONASS,欧洲的 Galileo 和中国的北斗卫星导航系统。由于地面资源限制以及安全稳定性因素,导航卫星系统建设星间链路是一种发展趋势。利用星间测距和数据传输实现卫星自主导航,是导航星座发展的方向之一。

我国北斗三号卫星已经设计星间链路,通过星间链路,大大提高了北斗系统的定位精度,避免我国没有像美国、俄罗斯等国在全球范围内设置卫星测控站,解决我国测控站不足的问题;同时利用北斗星间链路,可以帮助卫星自主导航;解决卫星时钟调整,时钟同步;大大提高北斗卫星可靠性。

尽管我国北斗定位的卫星数及定位精度都超过GPS,但是应看到,只要starlink的卫星启动时钟同步及定位功能,凭借其当前卫星数量和技术,其定位精度必不输北斗。

我国除北斗定位外,在民用卫星互联网建设上,没有铱星,更没有Starlink,与国外还有较大差距。特别因为中国的地面站无法像美、欧、俄等全球部署,因此更加需要发展星间链路来保证中国6G空地一体的全球覆盖。

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