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衛星互聯網:從終端協同場景,看星地融合的三大挑戰

所屬地區:北京 - 北京 發布日期:2025-04-16

發布地址: 北京

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來源:數字時代全景窗

衛星互聯網的商業化,核心在于如何將太空“基站”提供的服務有效觸達廣大終端消費者(C端),也就是實現商業航天產業鏈的終端(航天+通信)面向大眾市場形成服務閉環。由于用戶關心的始終是網絡服務本身而非“基站”在哪,因此衛星網絡與地面網絡必將在用戶端統一為一種無縫化的網絡服務。



按照我們上一篇文章的分析,衛星互聯網在我國的各類應用場景,已經形成對地面網絡和衛星網絡融合一體化的迫切需求。展開來看星地融合,應該是三個層面的問題:首先是衛星/星座間的融合,然后才是星地融合,最后是如何在星地網絡之間智能分配流量。我們從星地網絡協同場景出發,一一詳解。
星地協同場景
目前星地融合在電信行業形成的基本共識,是面向6G時代構建全球空天地海一體化網絡,實現“隨時隨地無縫接入”以及超低時延、高可靠等目標。在這個愿景下,衛星互聯網的廣域覆蓋能力與地面網絡的高性能寬帶通信能力將形成有力互補。二者的協同應用場景主要分兩種情況:一是用戶所在區域僅由地面網絡或衛星互聯網單獨覆蓋;二是用戶終端被地面網絡和衛星互聯網同時覆蓋。考慮衛星網絡在特殊情況下需要作為地面網絡的應急備選,以爭奪6G時代全球網絡入口為目標的衛星互聯網建設,必須做到全球無死角覆蓋。因此第一種場景里,部分地區只有地面網絡而無衛星互聯網的情況應該只出現在衛星互聯網發展初期,比如當下;只有衛星互聯網而地面網絡無法覆蓋的情況在一些特殊區域始終會存在,比如無人區、遠洋海域,以及一定高度之外的低空空域等。在當下以及衛星互聯網建設完成時,一個區域由地面網絡和衛星網絡同時覆蓋的情況都會比較常見。這將產生幾個問題:一是移動終端在不同衛星/星座之間如何絲滑切換按照功能劃分,通信衛星主要分如下幾類:
  • 商用通信衛星:主要用于寬帶互聯網、電視廣播等商業服務。
  • zf通用衛星:服務于zf通信、應急指揮等領域。
  • 軍用通信衛星:用于軍事通信和情報傳輸。
  • 民用通信衛星:支持氣象、農業、海洋等民用領域。
這些服務于不同領域的通信衛星,在功能覆蓋區域上存在普遍交叉,隨著市場發展,在服務對象上也將深度重疊。在太空部署衛星不同于地面建基站或者拉光纖,技術難度和成本都偏高,統一規劃、分層管理運營將大大提高資源利用率和通信服務效能。如果不考慮實施上的各種因素,理論上,要整合這些通信衛星系統,就是基于衛星通信技術特征,找到三網融合、固移融合、軍民融合的最大公約數。其中三網融合、固移融合本質上就是以用戶側體驗無感為目標,驅動各資源方在基礎架構和整個服務鏈路上的融合;軍民融合是國家系統架構層面的概念(參考本公眾號軍民融合系列分析文章及專題綜述第三篇),受到諸多誤導性的概念傳播影響頗深,具體到通信網絡領域,預期難度也會很高。如果按照軌道劃分,分布在高中低軌道的通信衛星如何聯合組網、已建成的星座間如何通信、不同星座如何在終端服務上形成協同、通過什么樣的機制或商業模式將服務提供給用戶……都是待探討的問題。目前已知的我國具備通信功能的相關星座信息如下:功能重疊、覆蓋區域重疊、用戶對象重疊,運營公司各不相同但主要都是國資下屬企業,如果再加上目前宣傳力度頗高但建設進度尚不明確的各類民營商業航天的星座……最終這些千姿百態的衛星網絡將如何進入用戶的同一部智能手機?這是航天及通信相關規劃機構不得不回答的問題,也是發展衛星互聯網產業首先就要思考的問題。這里的挑戰主要來自跨運營商協作,打破私有協議壁壘。顯然,天女散花式的“一放了之”是完全不負責任的。至少可以從統籌通信類衛星軌道資源計劃開始,在有效整合利用已有軌道和加速開發稀缺軌道資源上做做工作,為各星座建設方、運營方提供最基本的支撐。

DeepSeek的建議(僅供參考)

高中低軌分層協同:
  • GEO層承擔廣播、應急通信等廣域覆蓋任務;
  • LEO層提供低時延寬帶服務,與地面5G/6G深度協同;
  • MEO層作為導航與中繼過渡層(如北斗三號全球短報文)。


二是用戶在衛星網絡和地面網絡之間如何無縫切換比如在海上寬帶、航空互聯網、低空運控等領域,當航線從近海進入遠洋區域,超出地面網絡覆蓋能力時,就需要從地面蜂窩網絡切換到衛星網絡。這要求終端能夠同時支持地面網絡和衛星網絡協議,并且在網間自動切換。衛星網絡和地面網絡在架構上存在顯著差異:1、物理拓撲差異2、協議棧差異3、資源管理差異此外,衛星/星座之間的網絡架構也不盡相同。高中低軌衛星網絡在調制解調、多址接入技術上各有差異。按照星上處理的不同模式,衛星組網還可以分為三種類型:
  • 天星地網:基于早期衛星通信技術,采取透明轉發模式,衛星與衛星之間無鏈路連接,只負責轉發不做數據處理,相當于一個中轉站,依賴地面信關站負責處理信號。目前美國的Viasat星座及其旗下的國際海事衛星(Inmarsat)、美國國際通信衛星(Intelsat)、美國太空軍的寬帶全球衛星通信系統WGS、歐洲的OneWeb和O3b(也有稱O3b采取的天網地網模式)、中國的千帆星座采取的都是這種模式。
  • 天基網絡:也叫可再生載荷模式,衛星之間由星間鏈路連接,通過星上路由直接完成星地和星間的數據傳輸,處理、交換、控制都在星上,可以不依賴地面信關站獨立運行。目前美國的銥星(Iridium)、SpaceX“星鏈”、亞馬遜Project Kuiper,以及加拿大的Telesat、中國星網的GW星座等都是天基模式(也有消息稱GW星座為天網地網模式)。
  • 天網地網:介于天星地網和天基網絡之間,強調衛星網絡與地面網絡的深度融合,通過星間鏈路和地面網絡的協同工作,實現全球覆蓋。衛星之間由星間鏈路連接,地面信關站通過地面網絡連接,用戶數據可以由衛星直接轉發到另一端用戶,也可以經單跳或多跳經過信關站進入地面網絡。
因此星地融合的概念,就包含現有地面網絡與這三類衛星互聯網之間的協同,以在用戶端實現無縫切換。這就帶來多重挑戰:
  • 網絡架構的復雜性
協議棧差異導致跨層優化困難,LEO衛星高速移動導致拓撲頻繁變化,傳統OSPF/BGP路由協議失效。目前的技術方向,一是3GPP NTN標準定義統一空口,以支持混合接入,無感切換;二是開發基于AI的動態路由算法(如SpaceX星鏈采用強化學習優化路徑),以AI驅動網絡自治;三是在信關站或中繼衛星部署邊緣節點(如AWS Ground Station),減少切換時延。
  • 終端設備的復雜度與成本
終端天線復雜度劇增,多模終端相控陣天線成本較高(比如>$500),限制消費級普及。目前的一個突破方向是:軟件定義無線電(SDR)+超材料天線(如Kymeta u8終端),但需要攻克相關芯片技術(高通Snapdragon Satellite芯片)。
  • 極高的運維成本與安全挑戰
LEO星座(數萬顆衛星)高昂的發射和替換成本,目前只能依靠工業化和可復用火箭技術來解決(商業航天彎道超車:破解成本困局的四大關鍵戰役)。由于衛星易受激光干擾、星上軟件被篡改產生的影響面大(如2018年ChinaSat 18被黑客攻擊事件),使得星地融合網絡的攻擊面被放大。我國在關鍵領域重基建、輕防御的問題表現比較突出,薄弱的網絡防御能力無論對民用網絡還是軍事網絡都構成巨大的隱患。當前主要是采取多層次防御機制、自主故障恢復能力和抗毀性增強設計,未來主要的技術方向是量子密鑰分發(QKD)與星上可信執行環境(TEE)的結合。從網上資料看,我國在量子密鑰分發領域有突破性進展,近日華為剛剛公開一項量子密鑰分發專利;星上可信執行環境目前國際上還處于技術探索階段。
  • 可持續性與空間治理
巨型星座帶來嚴重的空間碎片風險(SpaceX星鏈衛星失效率約3%),對太空治理提出嚴峻挑戰。目前聯合國一直在推動外空活動的長期可持續性相關準則制定和修訂。積極參與相關國際規則制定、探索開發相關治理技術,在國內試行落地主動管理的規則機制,是我國空間技術及其商業化發展應該要走出的一步。

DeepSeek預測(僅供參考):

預計到2030年,天基網絡將主導實時業務,天網地網模式成為6G核心架構,而天星地網模式逐步轉向備份和廣域覆蓋場景。

三是網管如何智能分配用戶需求當終端處于衛星網絡和地面網絡同時覆蓋時,在比如演唱會、節日慶典等臨時性活動造成短期網絡資源集中擁堵情況下,以及蜂窩網絡流量潮汐變化時,可以適當調度衛星網絡分擔蜂窩網絡流量承載,動態協調和緩解網絡壓力。另外就是特殊情況下,比如在航空通信、無人機通信領域,也有可能需要通過衛星與蜂窩網絡雙連接的方式實現通信增強。結合前面衛星網絡和地面網絡接續覆蓋的場景,我們可以明確在6G空天地海一體化系統中,網管在網間智能分配的主要目標:1、用戶體驗最優化。比如時延敏感業務(比如視頻通話、自動駕駛)優先使用低時延鏈路(比如地面網絡或LEO衛星網絡);帶寬敏感業務(如4K流媒體)優先分配高容量鏈路(地面5G毫米波或高通量衛星)。2、網絡資源利用率最大化。比如避免單一網絡過載,動態平衡衛星與地面網絡負載;利用衛星廣域覆蓋填補地面網絡盲區(如海洋、沙漠)。3、成本與能耗最小化。比如優先使用地面網絡(傳輸成本低),衛星作為補充或備份;關閉空閑衛星波束以降低能耗。在技術實現上,需要解決多維度感知、智能決策和動態調度能力:
  • 多維狀態感知:包括對網絡負載、鏈路質量、業務需求特征、用戶位置與移動性等關鍵參數的動態實時感知。
  • 智能決策引擎:包括基于規則的初級分配以及基于AI的動態優化,比如優先級策略(緊急通信、高價值用戶等)、門限觸發策略等。
  • 動態執行與調度:利用軟件定義網絡(SDN)、網絡功能虛擬化(NFV)等技術,結合AI的應用,通過靈活的網絡資源管理和功能部署,實現不同設備的互操作性和統一管理;多路徑傳輸控制協議(MPTCP)結合人工智能和機器學習,有效提升傳輸效率、可靠性和容錯能力。

DeepSeek提供的典型場景與策略(僅供參考):

  • 城市密集區(地面網絡主導)-?策略:95%流量由5G毫米波/光纖承載,衛星僅用于備份(如地鐵隧道內應急通信)。AI模型實時監測基站負載,突發流量(演唱會)自動分流至衛星(限非實時業務)。-?指標:地面網絡利用率維持在70-85%,衛星輔助帶寬占比 < 5%。
  • 偏遠地區(衛星網絡主導)-?策略:默認連接LEO衛星(時延<50ms),地面微波鏈路作為補充。星地鏈路聚合(LTE+衛星),單用戶峰值速率達200Mbps。-?指標:衛星網絡負載均衡(單波束用戶數 < 100),時延抖動 < 10ms。
  • 高速移動場景(高鐵/航空)-?策略:phased array天線動態跟蹤衛星(如OneWeb航空終端),會話連續性保障。基于位置的預測切換:每10秒更新衛星星歷,預切換時間窗500ms。-?指標:切換中斷時間 < 20ms,多普勒頻偏補償誤差 < 1kHz。


總結
從用戶終端無縫接入、無感切換的體驗需求出發,以網絡服務的連續性、普遍性和可擴展性為目標,地面和太空網絡基礎設施之間的協同場景,可能會由于網絡覆蓋范圍、終端服務類型、網絡負載均衡等因素觸發。由于存量通信衛星網絡資源差異,以及主流低軌衛星互聯網建設模式上的不同,這種協同不僅發生在星地網絡之間,也發生在衛星或星座之間。因此星地融合面臨的挑戰是多方面的。從“航天端”和“通信端”的交叉點——衛星網絡資源運營來看,當前最重要的都不是以“放開”為由加劇資源分化,而是:
  • 在運營商體系解決跨系統融合,從體制機制層面打破私有協議的壁壘;
  • 組織攻克關鍵核心技術挑戰,推動標準統一,逐步構建面向6G的空天地一體化產業生態;
  • 以終端應用的繁榮提升“通信端”網絡基礎設施服務商的整體收益,從而有力驅動衛星互聯網“航天端”的規模化發展,實現全產業鏈的商業閉環。

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