卫星互联网发展与挑战7479.pdf

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1、 卫星互联网发展与挑战 近年来，各国对卫星互联网的部署正在如火如荼开展。卫星互联网具有低延时、低成本、广覆盖、大宽带等优点，大量低轨卫星处于移动状态，可实现全球无死角的宽带通信。但同时，卫星互联网的发展也对无线电管理提出了新的挑战，未来的无线电监测工作可能涉及定期空中巡航。卫星互联网是基于卫星通信系统、以 IP 为网络服务平台、以互联网应用为服务对象的网络系统，它能够成为互联网的组成部分，并独立运行。当下新兴的“卫星互联网星座”指的是新近发展的、能提供数据服务、实现互联网传输功能的巨型通信卫星星座。它提供的宽带能力让之前国际海事卫星提供的卫星互联网接入相形见绌，基于 Inmarsat-4 卫星

2、的全球卫星宽带局域网，其系统工作频段在 L 波段，下行速率为 216kbps432kbps，上行速率为 72kbps432kbps。而以“星链”为代表的卫星互联网在用户有限的情况下，可以提供 100Mbps 以上的下行速率。这极大冲击了人们的认知，掀起巨大波澜。国际电信联盟（ITU）已经提出了中继到站、小区回传、动中通、混合多波四种卫星互联网与 5G 融合应用场景。6G 时代，将实现地面移动与卫星移动通信标准制式、终端、网络架构等多方融合，建立覆盖空、天、地、海的泛在移动通信网络。卫星系统发展现状 传统低轨卫星通信系统 传统低轨卫星通信系统用户链路通常配置在较低频段，比如，如铱（Iridium

3、）卫星通信系统采用 L 频段配置；ORBCOMM 系统的用户链路采用 VHF 频 段；Globalstar 系统的用户链路工作在 L、S 频段。功能上，传统低轨卫星通信系统主要针对机构用户，提供如对地成像、航空监视、导航增强、气象监视等功能。新兴低轨卫星互联网星座 目前，全球有 10 多家卫星公司提出了 NGSO（Non-Geostationary Orbit，非静止轨道）卫星星座计划，以利用卫星网络提供与地面通信网络相媲美的互联网接入服务。并且，大多数卫星公司计划在未来五年内将第一批卫星送入轨道。近三年内，美国联邦通信委员会（FCC）授权和许可的 NGSO 卫星总数达到13000 多颗。On

4、e Web 系统。One Web 卫星互联网星座计划部署近 3000 颗低轨卫星，初期采用 Ku 频段，后续向 Ka、V 频段扩展。星座初期计划发射 720 颗卫星，轨道高度 1200 公里，采用设计简单的透明转发方式，通过地面关口站直接面向用户提供互联网接入服务。One Web 单星重量不超过 150KG，单星容量 5Gbps 以上，可为配置 0.36M 口径天线的终端提供约 50Mbps 的互联网宽带接入服务。同时，One Web 公司已获得美国联邦通信委员会授权，批准其在美国提供互联网服务。Starlink 卫星互联网星座。Starlink 卫星互联网星座由 Space X 公司提出。S

5、pace X 计划建设一个由近 1.2 万颗卫星组成的卫星群，由分布在 1150 公里高度的4425颗低轨星座和分布在340公里左右的7518颗甚低轨星座构成。单颗容量可达 20Gbps。低轨星座选择 Ku/Ka 频段，有利于更好地实现覆盖；甚低轨星座使用 V 频段，可以实现信号增强和更有针对性的服务。LeoSat 卫星互联网星座。LeoSat 卫星互联网星座由 LeoSat 公司提出，计划构建由 108 颗卫星组成的卫星星座，提供全球高速数据传输服务。星座部署在1400 公里的 LEO 轨道上，采用 6 个轨道面，每个轨道面上部署 18 颗卫星。LeoSat采用 Ka 频段，为用户提供 1.

6、6Gbps 的带宽。新兴卫星互联网带来的挑战 传统卫星管理主要针对的是数量相对较少的卫星，例如静止轨道卫星和NGSO窄带通信卫星等，这些卫星的覆盖范围往往限制在特定的区域内。卫星互联网的发展带来的新局面是大量低轨卫星处于移动状态，实现全球无死角的宽带通信。这对无线电管理提出了新的挑战，主要包括卫星频率资源管理、卫星干扰问题、空间网络安全问题等。卫星频率资源管理 卫星互联网的发展需要额外的频率资源，频率资源正成为各国卫星公司发展卫星系统竞争的焦点。卫星互联网系统使用的频率主要是Ku 和 Ka 频段。各家卫星公司提出的星座包含成百上千颗卫星，按照当前国际规则，星座中只需一颗在轨卫星，就相当于激活整

7、个 GSO 网络资料，并获得频率和轨道资源的优先权。一旦这些巨型星座系统建成，会使后建的其他卫星星座在频率协调方面面临很大困难。这容易演变成通过发展卫星互联网来抢占卫星频率资源。为了防止过度抢占频率资源，ITU在2019年世界无线电通信大会（WRC-19）上，会同与会各国、区域组织及主要关注方展开了数次高层协调，最终形成 NGSO卫星网络的投入使用定义，建立了基于一定时间阶段必须满足一定比例在轨卫星 数量的要求（“里程碑”），并就“里程碑”方法和生效日期达成一致：生效日期为2021 年 1 月 1 日。卫星网络资料 7 年寿命期在 2021 年 1 月 1 日前到期，则以该日期作为“里程碑”起

8、始日期，否则以卫星网络 7 年寿命期限作为“里程碑”起始日期，之后 2 年内投入使用的卫星数量必须至少达到其申报星座卫星总体数量的10%，在 5 年内达到 50%，并在 7 年内完成 100%部署（可减少 1 颗卫星），否则需对其申报的网络资料进行相应规模的缩减。适用“里程碑”的频段主要包括 Ku、Ka 和 Q/V 频段，限于卫星固定业务、卫星广播业务和卫星移动业务。WRC-19大会新决议明确了相关要求：对于在该日期前申报的 30 多个卫星网络，只要在2026 年 1 月 1 日前完成 50%的部署就没有惩罚性后果。但是主管部门须在 2023年 3 月 1 日前，按要求提供卫星系统的真实性说明

9、，包括现有部署和操作信息、国际频率协调努力和结果、后续卫星制造和发射计划等，国际电信联盟无线电通信局将相关信息整理后提交无线电规则委员会（RRB）审查，审查结论合格且经确认后，方可享受上述特殊待遇。卫星频率资源管理需通过国际和国内两层监管。在国际上，ITU 为协调和登记卫星系统频率使用制定了规则和技术建议，主要的规则是先到先得，即谁先申报并获得批准了卫星网络资料，谁就获得优先权，在卫星频率协调中占主要地位；在国内，国家无线电管理局应通过频率使用许可和业务运营许可的手段，对希望在我国开展业务的卫星频率使用进行监管。卫星干扰问题 近几年提出的 NGSO 卫星星座包含数量庞大的卫星并覆盖全球，在频率

10、使用上采用了与传统地球同步轨道（GSO）卫星相重叠的 Ku 和 Ka 频段。卫星互 联网的发展很可能导致卫星频率干扰问题。可以预见，随着大规模卫星星座的部署，卫星之间相互干扰的事件会大幅增加。当 NGSO 卫星经过 GSO 卫星和地球站之间的路径时，NGSO 对 GSO 卫星干扰的风险将会增加。射频干扰的产生主要是 NGSO 卫星和 GSO 卫星之间的干扰，然后是 NGSO 星座系统之间的干扰，同时还可能存在 NGSO 与地面移动通信之间的干扰。根据 ITU 规则第 22 条，GSO 卫星具有频率使用优先权，NGSO 卫星系统不可对 GSO 卫星系统中的卫星固定业务和卫星广播业务造成不可接受的

11、干扰。为了避免对 GSO 卫星系统造成有害干扰，NGSO 卫星系统必须采取措施，以符合ITU 制定的等效功率通量密度的限制，如降低发射功率、调整天线指向角度等。One Web 公司提出 Progressive Pitch 技术，在 NGSO 卫星进入低纬度区域时逐步倾斜调整卫星天线的指向角度，以消除对 GSO 卫星的干扰。但多家卫星公司对其干扰避让效果表示质疑。采用天线指向角度隔离和发射功率限制可在一定程度上减轻卫星互联网星座造成的干扰，但随着数量庞大的卫星星座的部署，这些技术的实施也将变得非常困难。由于 NGSO 卫星处于移动状态，地面卫星终端天线也在不断地进行波束和卫星切换，NGSO 和

12、GSO 系统之间的干扰随着时间和空间发生动态改变，识别违反规则的 NGSO 卫星将变得更加困难（无论是意外发生还是故意发生的干扰）。并且，未来几乎不可能从地面采用卫星干扰源定位技术来解决 NGSO 卫星干扰。因此，卫星互联网系统中干扰处理的复杂性显著增加。卫星干扰会导致已有卫星系统和新部署的卫星系统使用效率降低，这是卫星互联网发展必须考虑的问题。对卫星监管来说，面临的挑战是如何采用卫星信号监测和干扰定位技术，对干扰信号进行识别、定位并判定干扰产生的责任方。卫星互联网无线电干扰可分为地面终端受到干扰和星座受到的干扰。对于地面终端受到的干扰，可以用常规方法处理；对于星座受到的干扰，则是一个高难度的

13、新课题，无论干扰源来自地面还是太空，其处置难度都远远超过现有的干扰查处。如果干扰源来自地面，则因为主波束对准的是天空，监测手段只能针对来自其旁瓣的残余能量，查找难度可想而知，除非调用监测无人机等新型空中监测手段，否则将很难有效定位地面干扰源；对于星座间的干扰，其定位则需要相关卫星的合作，非合作的定位几乎是不可能的，这将涉及大量的事前协调管理工作。空间网络安全 卫星互联网系统具有天然的跨境覆盖和全球通信特性。在我国境内的卫星通信终端可以通过轨道上的卫星星座，直接将数据信息传输到境外网关站进行落地。这对网络安全构成新的挑战。目前规划的大部分 NGSO 卫星星座系统都采用星间链路技术，包括 Spac

14、e X、Leo Sat、Boeing、Telesat、Theia Holdings 等公司。星间链路是通过激光或微波链路建立一个空间骨干网，地面卫星通信终端可与星座中在可视范围内的任何一颗卫星建立连接，数据能够从一颗卫星传输到另一颗卫星。采用星间链路的 NGSO 卫星系统可以使数据信息从起点跨越地球上的任何区域直达终点。此外，将网关站建在境外的 NGSO 卫星同样可以无须通过境内地面网络系统，直接跨境通信，突破了地面互联网信息安全监管。One Web 公司在 2018 年表示其 NGSO 卫星星座将不会采用星间链路，而是选择在全球各国和地区部署地面网关站，其直接原因是各国的网络监管部门担心在使

15、用 NGSO 卫星网络时，掌 握不了本国通信业务的去向和重新落地的位置。从管理上来说，为了应对 NGSO 卫星互联网带来的空间网络安全监管问题，首先应当把卫星业务运营许可和频率许可作为管理国外卫星系统的手段。在卫星系统运行的过程中，监管的前提是发现存在的空间网络安全隐患。因此，卫星互联网监管面临的主要挑战是如何通过监测，掌握没有获得我国落地权许可的NGSO卫星在我国开展业务运营的实际情况。从技术上来说，首先需要知道任何一个时刻飞过天空的有哪些卫星，建设一套对应的VSat 系统就可以获取相关信息。监管的难点在于获取上行链路的信息，在恰当的地点使用无人机升空可以有效地做到这一点。因此，未来的无线电监测工作可能涉及定期空中巡航。卫星互联网的发展既可以带来民生福祉，也将带来监管上的巨大挑战。无线电管理工作需要未雨绸缪，从技术研究、手段建设上尽早部署，从而及时跟上卫星互联网的应用进展，牢牢把握主动权。