低轨卫星——通信网络技术的发展与创新

什么是低轨道卫星?

人造卫星根据轨道高度可分为三种类型:地球静止轨道(GEO)、中地球轨道(MEO)和低地球轨道(LEO)。

近地轨道卫星距离地面较近，数据传输延时较低。2021年第一季度，美国的特定县被用作试验区。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，最高区域延迟为88ms。在这些实验区域，一般电信运营商提供的网络时延在8ms到47ms之间。目前网络传输速度和时延已接近服务区域地面移动网络水平。

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，由于低轨卫星的轨道周期与地球自转周期不同，它们不会停留在特定区域上空。为了避免特定地区的通信中断，需要部署更多的卫星。与地球同步轨道卫星相比，需要跟踪的地面站天线更多。卫星和地面站的技术问题从这颗卫星通过连接到另一颗卫星在卫星离开地面站的同时进入连接区域。

低轨道卫星通信应用:

在偏远和地理复杂的环境中，该地区的网络覆盖率往往较低。对于飞机和船舶等交通工具，服务信号经常中断和不稳定。在表面上部署基础设施以获得网络是很困难的。如果利用低轨道卫星网络可以弥补地面网络设施的不足。低轨卫星通信除了解决用户组网问题外，还可以在山区、沙漠等地理环境不适合人类活动的地方提供网络。物联网的应用环境可以扩展到恶劣环境中的监控活动。低轨卫星通信由于其低时延和不受地球地形的限制，为偏远地区的一般民用网络、商业航运和货运，以及政府或学术单位提供了稳定的通信网络。监测特殊环境等应用可以受益于低轨卫星网络，以弥补地面网络缺乏覆盖和机动性的不足。

近地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，可以在山区、海洋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专门设计的用户设备，目前相关服务的主要用户仍然是企业和政府客户。
• 低轨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、建筑等各个垂直领域。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。还可以作为传感器数据的回程网络，利用低轨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。人身安全及远程操作流程优化，易腐货物运输卡车实时监控，保证港口商船安全行驶等。
• 提供卫星宽带互联网服务。随着卫星通信系统向高频化方向发展，同时高通量卫星(high Throughput satellite, HTS)通过频率复用显著提高了带宽容量，这意味着每颗卫星的带宽可以大大提高，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，24小时绕地球一圈。它主要提供商业通信卫星、广播、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寿命成正比。低轨卫星的增长潜力最为显著。

由于5G信号是高频波段，波长越短，有效覆盖面积就越小。必须增加小型基站的数量，以实现其高速和低延迟的目标。在同样的地区，5G所需的小基站数量将是目前的十倍以上，为了弥补目前网络无法覆盖的部分，低轨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一侧的通信有效载荷。低轨卫星通信收发机主要负责无线电信号的发射和接收，并由有效载荷计算机组件对信号进行处理，使数据包转发到不同的目的地。另一方面，需要在接地端安装用户终端。该设备的功能类似于家里的网络调制解调器，为后端机器提供上网服务。通过网关，该设备还提供了一个卫星网络操作系统，用于远程管理和控制。NMC(网络管理中心)将收集各设备的信息并进行分析和管理，NCC(网络控制中心)负责卫星通信资源的控制，使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。

低轨道卫星通信系统网络管理要求:

在低轨卫星通信系统中，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，以及降低维护低轨道卫星通信网络的成本，需要对这些信息进行集中管理，因此网络管理的需求就产生了。

• 数据采集、数据分析、状态监控:
  低轨卫星通信系统的所有信息都需要集中管理。网管系统至少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，获得可用的信息，并且能够对这些信息进行集中监控。在低轨卫星通信系统中，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，可以有效地帮助对设备进行决策、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:
  在基本要求的基础上，需要进一步加强网络管理，从基本的系统状态监控、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。如果发生该事件，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络的维护人工成本。

低轨道卫星通信系统的控制要求:

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宝贵，因此对低轨卫星通信系统的控制要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由地面站网络控制中心和卫星有效载荷共同完成，而卫星有效载荷的计算资源有限，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要求。

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要求，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。会话控制功能要求:
  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。
• 地面站连接控制功能要求:
  当一个不归属于现有连接的包进入地面站后，为了让网络控制中心知道地面站有新的连接需求，地面站将需要发起连接控制请求包通知网络控制中心，网络控制中心需要确认该连接是否可接受，确认后需要对地面站的确认结果做出响应。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，并将资源分配结果的信息发送到所有地面站，通知(或控制)每个地面站的上行链路。哪个时隙的时间发送数据。另一方面，计算资源分配结果还需要反映每个连接的QoS (Quality of Service)要求，以分配满足该连接应用需求的带宽配置。同时，必须考虑整个卫星网络运行的控制和管理要求。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，加快卫星产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。

卫星宽带组网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。消费者卫星宽带部门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、海运等领域，希望以高价格、低传输速度取代传统的卫星通信业务。

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卫星通信应用是在灾难和战争期间作为应急通信或备份通信系统。由于低轨卫星通信网络的主要设备大多建在太空，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造成通信中断的影响。因此，它可以作为地面网络断开后维持通信的替代解决方案。

在国际信息服务商的推动下，低轨卫星通信受到了社会各界的广泛关注，但也受到了很多人的质疑，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。能否在全球任何一个角落以合理的价格提供宽带网络服务，一直是各界持续关注的焦点。另一方面，即使新兴的低轨道卫星通信的商业开发取得成功还有待观察，但电信基础设施是国家安全的一部分，在紧急情况下拥有替代网络来维持通信是很重要的。低轨卫星通信不仅可以作为远程、山地、海上、航空等宽带业务的一种选择，还可以作为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。