低轨道卫星——通信网络技术的发展与创新

什么是低轨道卫星?

根据轨道高度的不同，人造卫星可分为地球静止轨道(GEO)、中轨道(MEO)和低轨道(LEO)三种类型。

近地轨道卫星接近地面，数据传输时延低。在2021年第一季度，美国的特定县被用作测试地区。在实际的下载速度测量中，中位数区域速度为40.36 Mbps，最高速度区域可以达到93.09 Mbps。在网络延迟部分的性能中，中位区域延迟为31ms，最高延迟区域为88ms。在这些实验区域，由通用电信提供商提供的网络延迟在8ms到47ms之间。目前网络传输速度和时延已接近服务区内地面移动网络水平。

除了数据传输延迟较低外，低轨卫星传输信号所需的能量也比地球同步轨道卫星更少。但是，由于低轨道卫星的轨道周期与地球的自转周期不同，它们不会停留在特定区域的上空。需要部署更多的卫星，以避免特定地区的通信中断。与地球同步轨道上的卫星相比，需要跟踪的地面站天线更多。卫星和地面站的技术问题，即在该卫星离开地面站的同时，将连接从该卫星传递到另一颗进入连接区域的卫星。

低轨道卫星通信应用:

在偏远、地理环境复杂的地区，网络覆盖往往较低。对于飞机、船舶等交通工具，服务信号经常中断、不稳定。在地面上部署基础设施获取网络难度较大。如果使用低轨道卫星网络可以弥补地面网络设施的不足。除了解决用户联网问题外，低轨道卫星通信还可以在地理环境不适合人类活动的地方，如山区和沙漠，提供网络。物联网的应用环境可以扩展到恶劣环境下的监控活动。低轨道卫星通信以其低时延，不受地球地形的限制，为偏远地区的一般民用网络、商业航运、货运以及政府或学术单位提供了稳定的通信网络，适用于偏远和恶劣的地表环境。诸如监测特殊环境等应用可以从低轨道卫星网络中受益，以弥补地面网络的覆盖和机动性不足。

低轨道卫星的通信应用主要包括:

• 传统的卫星电话和窄带数据传输业务，利用其覆盖范围广的优势，可以在山海等地面通信无法到达的地区提供语音、短信和互联网服务。由于卫星电话服务需要使用特别设计的用户设备，目前有关服务的主要用户仍然是公司和政府客户。
• 低轨道卫星可以提供卫星物联网服务，可用于航运、物流、农业、能源、公用事业、建筑等垂直领域。卫星物联网可以通过设备与卫星的直连，直接接收和发送数据。它还可以作为传感器数据的回程网络，利用低轨道卫星将各种数据传回企业网络、数据中心等进行数据分析和应用，如帮助企业跟踪、监控和管理资产，保障员工。人身安全和远程操作流程优化，运输易腐货物的卡车实时监控，保证港口商船安全行驶等。
• 提供卫星宽带上网服务。随着卫星通信系统向高频方向发展，高吞吐量卫星(HTS)通过频率复用显著增加了带宽容量，这意味着每颗卫星的带宽可以大大增加，成本可以降低。提供更高的网络性能，从而降低单位传输成本，大大提高卫星宽带通信的市场竞争力。可实现高清音视频传输、多方视频会议、实时交互式地图共享等应用。

人造卫星的种类和比较:

人造卫星大致可分为高、中、低轨道卫星。

1. 高轨道卫星的轨道周期与地球同步，环绕地球24小时。主要提供商用通信卫星、无线电、电视和辅助定位系统。
2. 中轨卫星通常用于导航。
3. 低轨卫星主要用于对地观测和电话通信，轨道距离也与卫星的发射成本和卫星寿命成正比。低轨卫星的增长潜力最为显著。

5G信号属于高频频段，波长越短，有效覆盖面积越小。为了实现高速和低延迟的目标，必须增加小型基站的数量。在同样的地区，5G所需的小型基站将是原来的十倍以上，为了弥补目前网络无法覆盖的部分，低轨道卫星通信成为另一种解决方案。

卫星通信系统架构及运行需求分析:

低轨道卫星通信系统包括空间侧的通信有效载荷。低轨道卫星通信收发器主要负责无线电信号的发射和接收，信号由有效载荷计算机组件处理，使数据包可以转发到不同的目的地。另一方面，地面侧需要有一个用户终端。该设备的功能就像家里的网络调制解调器，为后端机器提供上网服务。设备还通过网关提供卫星网络操作系统，实现远程管理和控制。NMC (Network Management Center)负责收集各设备的信息并进行分析和管理，NCC (Network Control Center)负责对卫星通信资源的控制，实现LEO卫星通信收发器、用户终端和网关之间的无线电通信顺畅。

低轨卫星通信系统网络管理要求:

在低轨道卫星通信系统中，将包括许多通信设备，包括用于通信的低轨道卫星的有效载荷部分，传输信号并管理和控制卫星网络的地面站，以及卫星网络终端地面站。所有设备的信息和健康状态，以及为了降低低轨道卫星通信网络的维护成本，需要对这些信息进行集中管理，因此对网络管理的需求就衍生出来了。

• 数据收集、数据分析、状态监控:
  低轨卫星通信系统的所有信息需要集中管理。网管系统至少需要能够收集维护设备产生的原始数据，并对这些数据进行分析，获取可用的信息，并能够对这些信息进行集中监控。在低轨道卫星通信系统中，网络管理可以监控信息是否存在出入，判断设备是否运行异常，可以有效帮助进行设备的决策、管理和配置。
• 电源管理/调度，软件/服务更新，事件分析/预警能力:
  除了基本的需求外，还需要进一步提升网络管理能力，从基本的系统状态监控和故障管理，到电源管理/调度、软件/服务更新、事件分析/预警等能力，使系统中的设备实现自动化管理，减少人为对监控和设置的干预。设备事先设置了不同的事件，这些事件是由设备产生的数据确定的。如果事件发生，将通知或报警管理人员，并采取必要措施维护通信系统，降低低轨道卫星通信网维护人工成本。

低轨道卫星通信系统控制要求:

由于低轨卫星网络的无线带宽、使用时间和区域通信资源相对稀缺和珍贵，低轨卫星通信系统的控制需求主要落在资源配置的管理和优化上。由于低轨卫星网络的资源管理和配置是由地面站网络控制中心和卫星有效载荷完成的，而卫星有效载荷的计算资源有限，因此要求网络控制中心支持大部分功能，简化了卫星有效载荷控制功能需求。

同时，对于未来多颗低轨卫星的通信网络架构，低轨卫星通信系统的控制需要考虑连续系统架构设计需求，可作为后续有效载荷和地面站资源管理的开发框架。

• 网络控制中心配合卫星有效载荷完成地面站的同步和登录。Session Control功能要求:
  地面站上电后，通过对话控制功能获得信号的同步，然后通过卫星有效载荷将信号发送到网络控制中心，登录到低轨道卫星网络;登录后需要保持与网络控制中心的连接。，网络控制中心通过对话控制程序连续掌握低轨卫星网络地面站的连接状态，进而实现用户数据的传输工作。
• 地面站的连接控制功能要求:
  当一个不属于现有连接的报文进入地面站后，为了让网络控制中心知道地面站有新的连接需求，地面站需要发起连接控制请求报文通知网络控制中心，网络控制中心需要确认连接是否可以接受，确认后需要响应地面站的确认结果。无线资源。
• 资源调度(无线资源管理)功能需求:
  低轨卫星通信系统控制需求的核心是无线资源分配。需要通过该功能计算资源分配结果，并将资源分配结果信息发送给所有地面站，以通知(或控制)每个地面站的上行链路。发送数据的时间的哪个时隙。另一方面，计算资源的分配结果还需要反映每个连接的服务质量(Quality of Service)要求，以分配满足该连接应用需求的带宽配置。同时，必须考虑到整个卫星网络运作的控制和管理要求。维持整个卫星网络运行所需的带宽。

低轨卫星通信网络管理控制系统可以提高网络资源配置和设备管理的效率。未来，现有网管控制系统的研发成果还可以帮助有意转型为系统集成商的厂商引入网管和通信控制子系统，加快卫星行业从设备代工到系统集成的进程，减少转型。开发成本和时间。基于移动通信积累的技术能量，B5G通信卫星技术的发展有望先实现单卫星通信，再向星系通信迈进。

卫星宽带网络业务发展现状与展望:

卫星宽带组网业务可直接面向消费者，可为企业和政府提供组网需求。消费者卫星宽带部分最初旨在提供家庭卫星宽带服务。后续将重点发展企业宽带业务、航空、海事等领域，希望取代传统的高价格、低传输速度的卫星通信业务。

除了为家庭和企业提供最后一英里的传输服务外，低轨道卫星宽带还可以用作移动回程网络，帮助电信运营商将信号覆盖范围扩展到布线困难的偏远岛屿和偏远地区。最近受到关注的低轨道卫星通信应用是作为灾害和战争期间的紧急通信或备份通信系统。由于低轨道卫星通信网络的主要设备大多建立在太空中，与移动通信、有线宽带等地面网络相比，不太容易受到自然灾害或人为破坏而导致通信中断。因此，可作为断开地面网后维持通信的备选方案。

在国际信息服务提供商的推动下，低轨道卫星通信受到了社会各界的广泛关注，但也受到了许多人的质疑，主要原因是各大运营商的星系建设尚未完成。因此，其通信性能和业务模式，如传输速度和网络容量，还没有在实践中得到验证。能否在世界任何一个角落以合理的价格提供宽带网络服务，一直是各界不断关注的焦点。另一方面，即使新出现的低轨道卫星通信的商业发展取得成功还有待观察，电信基础设施是国家安全的一部分，重要的是在紧急情况下有替代网络来维持通信。低轨卫星通信不仅可以作为远程、山区、海上、航空等宽带业务的一种选择，而且具有应急和备份网络的应用潜力，这也吸引了各界对其后续发展的更多关注。