第 3 期 丁春旭等：算存融合的天基承载网架构

由器统一接收地面网络控制器上注的流表/转发表，并据

此进行转发，此种情况下，相关的路由计算均在地面控

制器完成，天基路由器不需具备路由计算功能。优点是

简化了星上处理；缺点是所有的路由计算均依赖于地面

中心，如果出现异常故障情况，反应不够及时。

参考文献[14]介绍了一种基于拓扑快照的静态路由方

法，网络控制器根据星座拓扑变化规律，将一个周期内

的星座拓扑划分为一系列快照序列，在任何一个快照内，

可以认为拓扑保持不变，从而计算相应的转发表；当星

座要从一个快照切换到下一个快照时，需要快速切换成

为下一代快照对应的转发表。除此之外，为了进一步提

升路由算法的负载均衡、运行效率、故障容错以及差异

化服务保障能力，参考文献[21-26]等引入网络状态感知

机制以及深度强化学习等人工智能方法，进一步优化路

由策略。

（2）分布式路由研究

与集中式路由相反，在分布式路由方案中，天基承

载网中每一个天基路由器都必须动态地自主维护网络全

局拓扑结构，天基路由器会通过探测机制检测和维护与

邻居节点之间的关系，然后在此基础上更新和计算路

由，从而保证每一个天基路由器可及时掌握网络拓扑结

构。优点是每一个天基路由器都会通过探测机制维护与

邻居节点的互联信息，可以快速感知故障和异常情况；

缺点是分布式路由要求网络节点维护全网拓扑连接关

系，并在此基础上进行路由计算和更新，对天基路由器

的计算能力提出了要求。另外，在网络拓扑规模较大或

者拓扑变化较为频繁的场景下，路由收敛将会成为一个

大问题。

参考文献[27-28]基于传统域内路由协议OSPF设计了

一种面向卫星网络的域内路由协议OSPF+，该协议利用

卫星运动轨迹可以预先计算的规律，实现低开销、高稳

定性的自适应动态路由。

（3）集中式与分布式相结合的路由研究

集中式与分布式相结合的路由方案是结合了集中式

和分布式优点的路由方案：一方面，地面网络控制器根

据卫星的运行规律提前计算星间、星地链路的切换关系，

形成一张路由表，上注到天基路由器，在正常星间、星

地链路切换场景下根据此路由表进行路由转发；另一方

面，天基承载网卫星节点运行一套分布式探测机制，对

网络拓扑进行实时感知和探测，在星间、星地链路出现

异常故障时，立即根据感知到的链路状态信息，对上述

路由表进行修正，从而实现在异常故障场景下的快速

响应。

参考文献[29-30]提出了一套动静相结合的路由方案，

通过充分集合集中式与分布式路由的各自优势，设计了

一套折衷的解决方案。

1.4　小结

天基承载网是地面承载网向三维空间的拓展，天基

路由器部署于卫星节点，卫星之间通过星间链路构成卫

星网络，通过星地链路实现与地面信关站的互联，最终

与地面互联网基础设施一起构建天地一体的承载网。综

上分析，围绕天基承载网，国内外学术界与工业界开展

了大量的学术研究与技术攻关，但更加关注“互联”方

面的问题，即如何在卫星高速移动导致卫星网络拓扑动

态时变以及星载处理、功耗等资源受限的条件下，研究

和设计卫星拓扑和路由问题，重点解决网络可用性

问题。

2　天基计算发展现状

2.1　基本概念

近年来，美国国防部高级研究计划局（DARPA）、国

防 部 太 空 发 展 局 （SDA） 先 后 启 动 “Blackjack” 和

“NDSA”等计划，部署Pit Boss和BMC3等星载智能计算

载荷研制任务，计划将部分地面完成的战斗管理、指挥

控制和通信功能迁移到太空，以支持战役规模的时延敏

感杀伤链闭合，进而大幅提升美国对新兴威胁的响应能

力，打造天基信息时延敏感自主服务的算力“基座”。天

基计算是地面计算技术应用于卫星等航天器以满足特定

应用需求而产生的新技术[31-38]

。

2.2　系统建设现状

当前国内外均开展了天基计算系统的研制和建设，

国外比较典型的有 Pit Boss、BMC3、空间超级计算机

（Spacebourne Super Computer） 等载荷，国内比较典型的

有天算、地卫弦智能计算载荷等。

（1）国外现状

Pit Boss 载荷。在 2018 年 DARPA 发起“Blackjack”

项目，意在开发一个具有扩展性、伸缩性和适应性的体

系网络架构，卫星节点能够在任务规划、数据共享和多

域数据融合方面，与其他节点自主合作，在观测组内能

够连续、无缝地与其他逻辑节点共享数据信息 （主要由

Pit Boss控制单元承载）[7]

，实现持续行动。Pit Boss载荷

示意如图3所示。

BMC3载荷。将提供硬件和软件框架，基于人工智能

增强的指挥控制和通信网络[8]

，提供自我任务优先级、

·47·

天地一体化信息网络 第 5 卷

机载处理和传输，处理后的数据将及时分发给作战人员

和其他系统。BMC3载荷示意如图4所示。

HP空间超级计算机。2017年8月，惠普公司自主设

计研发的空间超级计算机搭载SpaceX公司的猎鹰9号火

箭被送往国际空间站。Spacebourne 运行常规的 Linux 系

统，采用软件加固消除空间恶劣环境的影响而非传统的

硬件加固[39-40]

。经过两年的在轨运行之后，该计算机已

经被带回地球开展严格的检查以分析其在太空轨道上的

受损情况，无疑将有助于打造未来的空间超级计算机，

为深空探测任务提供技术支撑。Spacebourne 空间超级计

算机如图5所示。

（2）国内现状

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图3 Pit Boss载荷示意

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10GBASE-KR A<=

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10 Gbit/s

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1000 BASE-T A<=

图4 BMC3载荷示意

·48·

第 3 期 丁春旭等：算存融合的天基承载网架构

天算星座。“天算星座”是由北京邮电大学深圳研究

院和长沙天仪空间科技研究院有限公司共同建设的一个

项目[11]

。这个项目旨在通过构建一个产学研用一体化的

空天计算在轨试验开放开源平台，推动新型网络计算、

融合服务计算、分布式智能计算等技术的发展。

地卫弦智能计算载荷。2023 年 8 月 10 日 12 时 3 分，

谷神星一号遥七运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射

升空[41]

，将搭载的地卫智能应急一号等 7 颗卫星顺利送

入预定轨道。地卫智能应急一号是一颗以人工智能载荷

为核心，具备智能操作系统的卫星。

2.3　小结

随着航天电子技术的迅猛发展，特别是商用货架器

件的广泛应用，天基计算能力获得跃升，卫星逐渐从

“网络转发”向“计算服务”能力拓展，天基云计算、数

据实时在轨处理等新型服务对天基承载网的高效可信等

服务质量提出了新要求，迫切需要以此为契机，进行架

构优化与创新。

3　算存融合的天基承载网架构

3.1　需求分析

算存融合的天基承载网架构面向“网络无所不达、

计算无处不在”的新一代泛在通信和服务一体化网络进

行设计，紧紧围绕各类应用的需求，并在此基础上进行

优化设计。

（1） 差异化服务需求。天基承载网在承载宽带、移

动、物联等多样化传统业务应用的同时，还要承载在轨

遥感图像处理、天基分布式存储等天基云计算新型应用，

部分应用对传输带宽有要求，部分应用对时延有要求，

因此未来的天基承载网需要能够提供差异化服务保障。

（2） 高可靠存储需求。天基承载网处于电磁开放空

间，容易引起存储失效等，与此同时，未来面向卫星网络

的关键数据（如路由转发表、重要用户的认证信息、关键

网络参数）等需要在轨存储，需要设计可靠的存储机制。

（3） 在轨实时处理需求。为满足遥感图像处理、数

据实时在轨处理等天基时延敏感应用需求，天基承载网

需要向算存融合的天基承载网转变，在提供低时延网络

传输的同时，还要求能够在轨实时处理，以满足快速服

务响应的需求。

（4） 高可靠传输需求。星地、星间链路的误码率高，

链路传输时延大、抖动高，传统的地面传输协议难以直

接应用，面向各类应用的高可靠传输需求，需要发挥卫

星网络的多路径广播特性。

当然，进行天基承载网架构设计还必须结合实际，

即要充分考虑卫星网络的约束条件和固有特征进行针对

性优化。

3.2　物理架构

从物理空间的逻辑视角出发，天基承载网架构按照

“节点+连接”的思路，可以划分为节点、连接两个部分，

如图6所示。

节点主要由布设在高、中、低轨的卫星节点上的天

基路由器，以及布设在地面的路由器、网络控制器等

组成。

连接是各类节点之间互联的链路，星间、星地链路

主要包括激光或微波等链路；与之对应的，地面节点之

间可以采用光纤或电缆进行互联。

与传统的天基承载网不同，算存融合的天基承载网

架构还包括部署在卫星节点上的星载高性能处理平台以

及部署在地面节点的地面高性能处理平台，高性能处理

平台作为天基计算载荷，将为天基承载网的优化提供重

要的契机。

3.3　功能架构

功能架构方面，算存融合的天基承载网在现有天基承

载网功能架构解决“可用”问题的基础上，重点开展组网、

传输、存储、服务等4个方面的优化设计，如图7所示。

（1）组网优化

针对卫星网络计算、存储、网络资源等的互不感知、

网云边端无法互相协同的问题，同时考虑星地、星间的

频繁相对运动特征，迫切需要开展计算、存储、网络融

合的天基承载网切片技术研究，实现多维动态资源的一

体化调度，保证在网络动态、资源动态、需求动态下切

片连续迁移，满足各类业务差异化的服务保障需求。

（2）传输优化

图5　空间超级计算机

·49·

天地一体化信息网络 第 5 卷

针对天基信道高动态和高时变特性，研究基于网络

编码的可靠传输，卫星节点对接收到的信息进行编码传

输，有效提升网络传输容量，实现“算存换传输容量”；

针对星基拓扑复杂的问题，采用多路径传输机制，源节

点通过多条路径向目的节点传输同一份信息，目的节点

对信息进行去重，有效提升传输可靠性，实现“算存换

传输可靠提升”。

（3）存储优化

针对天基复杂电磁环境 （如单粒子效应等） 易引起

存储数据失效问题，天基数据需在不同的卫星进行冗余

存储，迫切需要开展高可靠网络化容错存储机制研究，

解决单个存储单元乃至单星存储数据失效的问题。采用

分布式存储机制，通过将存储在卫星上的高价值数据进

行星内存储单元间、多星之间相结合的分布式编码存储，

避免存储单元乃至单星存储数据失效的问题，有效提升

天基存储效率，实现“算存换存储可靠提升”。

（4）服务优化

采用星上计算机制，在星上对原始数据进行边缘计

算和处理，有效降低数据回传带来的星间、星地传输链

路的带宽需求，节约星间、星地传输带宽，有效提升服

务时效性，实现“计算换传输带宽”。

算存融合的天基承载网架构与传统天基承载网架构

对比示意如图8所示，上述4种优化机制可以联合运用，

或单独使用。在传统的天基承载网传输架构解决基本互

联互通的基础上，构建了一个更加高效、可靠的天基承

载网组网传输架构，可为天基云计算、天基数据中心、

数据在轨处理等新型应用提供一个更高质量的“互联

基座”。

4　关键技术

（1）动态时变天基网络切片技术

低轨卫星通信网络以其庞大的星座规模和微小的传

输时延著称，但同时也面临着高度动态和时变的特性。

在这样的网络拓扑变化场景中，如何确保“网络虽时变，

服务却稳定”的业务承载能力，是未来天基承载网必须

面对的关键问题[42-43]

。动态时变天基网络切片技术致力

于解决在高速变化的网络环境中，如何有效整合计算、

存储和网络等多维资源的问题，以构建稳定而可靠的网

络切片。

（2）天基高效高可靠传输技术

空间传输环境具有高误码率、大时延和大抖动等复

杂特性，这使得数据传输的可靠性和效率容易受到影

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图6　物理架构 （新增星载高性能处理平台）

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图7　算存融合的天基承载网络架构示意

·50·

第 3 期 丁春旭等：算存融合的天基承载网架构

响。鉴于天基网络资源有限且带宽稀缺，开发一种高效

且高可靠的传输机制尤为迫切[44]

。一方面，基于网络编

码理论，构建高效的传输机制；另一方面，利用天基网

络的多路径优势，构建协同传输的机制和模型，对关键

信源数据业务进行重点保护，减少由信道差错和链路中

断导致的分组丢失，从而提升数据传输的效率和质量。

（3）天基分布式存储技术

随着卫星处理器的计算性能提升和存储架构的改进，

卫星节点逐渐具备了处理、存储和传输信息的能力。这

为将网络控制、认证等关键核心参数直接存储在卫星上

提供了可能，并进一步提升服务响应速度和系统的鲁棒

性，使得构建空间大数据中心成为未来的发展趋势[45]

。

此外，面对复杂的空间电磁环境，必须考虑天基分布式

存储技术，以提升数据的安全性和可靠性，构建一个高

效的空间分布式存储系统。

（4）天基智能云计算技术

在应急救援、海洋监测和地区安全等关键领域，迫

切需要高效整合多卫星资源，实现对海量图像和文本信

息的实时在轨处理，以快速响应服务需求。天基云计算

技术通过构建先进的天基计算环境，整合并优化星上计

算资源，显著提升数据的智能化处理能力。这不仅增强

了天基应用服务的性能，还实现了低功耗、全流程的智

能化服务，从而显著提升服务的整体质量和效率。

5　结束语

在航天电子技术迅猛发展的背景下，商用货架器件

的广泛应用极大地提升了星上计算和存储能力。通信卫

星正逐步从单一的“通信转发节点”向具备“计算服务

节点”能力的多面手转变，网络、计算和存储的融合发

展已成为网络发展的主导趋势。针对未来天基云计算和

在轨实时数据处理等多样化新型卫星网络应用对天基承

载网提出的更高需求，本文提出了一种创新的算存融合

天基承载网架构，并从组网、传输、存储、服务4个关键

维度，系统分析了该架构相较于传统架构的显著优势，

并进行了深入的优化设计。同时，提炼了当前亟待解决

的关键技术问题，旨在为未来的卫星网络研究、建设以

及标准化工作提供有价值的建议和参考。

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图8　算存融合的天基承载网架构与传统天基承载网架构对比示意

·51·

天地一体化信息网络 第 5 卷

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·53·

天地一体化信息网络 第 5 卷

[作者简介]：

丁春旭 （1998-），男，中国电子科技集团有

限公司电子科学研究院硕士生，主要研究方向

为卫星通信网络。

丁熙浩 （1993-），男，硕士，中国电子科技

集团有限公司电子科学研究院工程师，主要研

究方向为卫星通信网络。

丁文慧 （1987-），女，博士，中国电子科技

集团有限公司电子科学研究院高级工程师，主

要研究方向为卫星通信网络。

徐志平 （1978-），男，硕士，中国电子科技集团有限公司电子

科学研究院工程师，主要研究方向为卫星通信网络。

虞志刚 （1989-），男，博士，中国电子科技集团有限公司电子

科学研究院高级工程师，主要研究方向为卫星通信网络。

陆洲 （1970-），男，硕士，中国电子科技集团有限公司电子科

学研究院研究员，主要研究方向为卫星通信网络。

·54·

第 5 卷第 3 期

2024 年9 月

天 地 一 体 化 信 息 网 络

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.5 No.3

September 2024

基于Dijkstra算法的低轨星座通信路径规划方法优化

尹曙明，薛成宬，郝利云，张新军

（北京空间信息传输中心，北京 102300）

摘 要：低轨星座网络的通信路径规划存在网络拓扑复杂、网络资源利用易不平衡的问题。针对这两个问题，兼顾时延、负

载和任务优先级，利用有权图来表征实际的卫星以及相互之间的连通关系，基于Dijkstra算法提出一种改进的优化路径规划方

法。该方法通过先分组并行后串行的设计减少规划耗时，通过实时更新拓扑和规划路径的方式解决算法难以适应低轨星座网

络动态变化的问题。STK和Python的仿真结果表明，本文提出的方法动态稳定性较好、优化路径规划准确、规划耗时比原始

算法平均缩短了约70%。

关键词：卫星通信；低轨星座；路径规划

中图分类号：TN92

文献标识码：A

doi：10.11959/j.issn.2096-8930.2024024

Optimization of Communication Path Planning Method for

Low Earth Orbit Constellation Based on Dijkstra Algorithm

YIN Shuming, XUE Chengcheng, HAO Liyun, ZHANG Xinjun

Beijing Space Information Transmission Center, Beijing 102300, China

Abstract: Complex network topologies and unbalanced uses of network resources are key problems in communication path planning

for low earth orbit constellations. To address these issues, an optimization path planning method considering time delays, loads and task

priorities was proposed. In this method, weighted graphs were used to characterize interconnections between satellites, and Dijkstra al‐

gorithm was improved to implement parallel computing and adapt to dynamically changing networks of low earth orbit constellations.

Results of simulations based on STK and Python demonstrated that the method presented by this paper performs well in terms of dy‐

namic stability and plans optimization paths accurately, and the planning time decreased by about 70% on average compared with the

original algorithm.

Keywords: satellite communication, low earth orbit constellation, path planning

0　引言

低轨卫星星座作为天地一体化信息网络的重要组成

部分，以其时延低、信号强、成本低等特点[1]

，在近些

年成为卫星通信的热点发展方向。美国 SpaceX 公司的

“星链”（Starlink）、Amazon公司的柯伊伯 （Kuiper）、英

国OneWeb公司的 “一网”（OneWeb），以及中国的“鸿

雁”“虹云”“天象”“银河Galaxy”等都在积极部署并投

入试运营[2-4]

。

随着低轨卫星数量的增加，其组成的大型低轨卫星

星座网络面临新的技术挑战。由于网络中卫星数量众多

以及地面站分布式建设，低轨星座的网络拓扑更复杂[5]

，

在规划路由时往往有多条路径可以选择，优化难度增大。

另外，低轨卫星存在高速运动、链路不稳定的问题，容

易出现某些节点或链路的负载远高于另外一些节点或链

路的现象，网络资源利用的不平衡可能导致局部拥塞，

从而带来用户数据的丢失[6]

。因此，规划最优路径可以

使通信时延较低的同时实现网络负载均衡，是维护网络

性能、提高用户体验的关键。

本文重点考虑通信时延、负载均衡和任务优先级3个

收稿日期：2024-05-07；修回日期：2024-08-30

天地一体化信息网络 第 5 卷

因素，基于图论中的最短路径思想，提出一种优化通信

路径规划方法。

1　路径规划方法

1.1　方法设计

多用户通信时星间及星地连接示意如图1所示。尽管卫

星与卫星之间、卫星与地面站之间的可见关系会发生动态

变化，但是在执行规划操作的短时间内，可近似认为上述

关系保持不变。此时需解决的问题为：在某时间切片内，

为多个并发的任务合理规划通信链路，使得在每个任务的

时延尽可能短的同时保持整个网络的负载均衡。考虑到在

通信任务持续时间内，由于低轨卫星的高速运动，卫星相

对位置可能发生改变，所规划路径未必能保持最优，因此

在任务开始后应实时更新卫星位置，及时优化规划路径。

根据图论基本思想，可将低轨星座网络抽象成一张

加权图，该图由节点、边以及代表边特征的权重构成。

节点主要为低轨卫星；如果两个节点之间可以通信，则

两者之间存在一条边；边的权重由距离、负载和任务优

先级共同决定。寻找两颗卫星之间的最优通信路径问题，

即可转化为在加权图中确定起始节点和终止节点后，寻

找最短加权路径的问题。

考虑到距离、负载和任务优先级，权重 ω 的表达

式为

ω = k1D + k2

L

C

+ k3P (1)

其中，D为两条边之间的实际距离，L为当前链路上的负

载量，C为星间链路能力，P为当前链路上任务的综合优

先级，k1、k2、k3分别为对应的权重因子。

当某条边的负载接近上限时，应该迅速降低该条路

径被选择的概率，因此对权重ω按以下公式进行修正

ω = ì

í

î

ω , ω ≤ ω0

eω , ω > ω0

(2)

其中，ω0为权重预警阈值。

本文采取先并行后串行的方式进行路径规划。首先根

据历史经验数据，或根据起终点间的大致路径，将任务分

成多个任务组，以实现并行规划、提高计算效率的目的；

对于组内可能涉及路径竞争的任务，按照优先级进行串行

规划；每完成一个任务的规划后，更新路径之间的权重。

考虑到拓扑动态性，在任务持续时间内，自动更新网络拓

扑并重新进行路径规划。具体的流程图如图2所示。

1.2　算法分析

方法的核心算法为最短路径规划算法，一般分为多

源全局优化算法和单源路径规划算法。多源全局优化算

法可以基于当前的状态对多个任务的路径进行全局最优

的规划，但是规划出来的路径可能出现多个任务同时经

过某段路径的现象，从而导致该路径实际无法承载的问

题。在本方法中，路径规划之前有分组设定，单组内任

务具有一定的串行性，因此单源路径规划算法更为适用。

经典的单源路径规划算法主要包括 Dijkstra 算法[7]

、

A*算法[8]

和D*算法[9]

等。Dijkstra算法简单，能保证在当

前状态下找到最优路径，但是算法较为耗时。A*算法属于

启发式搜索算法，它在Dijkstra算法的基础上增加了估价

函数来减小搜索范围，估价函数针对每个节点设计，可预

测当前节点与目标节点的大致距离；但是与常规路径规划

问题中只需要考虑距离因素不同，本文的规划场景还需综

,;D,D)?2;

,;8

>?1+

,:1*8A

;

;

-

-

+*

<A9>

2./=)

; -

52./

-?(+9D

-?=8=

,E69>1?7?

,+89>1?,E

A?B9>

,99>4(

2;

图2　路径规划方法流程图

图1　星间及星地连接示意

·56·

第 3 期 尹曙明等：基于Dijkstra算法的低轨星座通信路径规划方法优化

合考虑负载和优先级，估价函数设计难度大、预测精准度

低，采用该算法可能导致规划的路径并非最优。D*算法则

是针对动态环境而设计，主要解决外界环境不断变化、障

碍物位置无法预测时的机器人行走路径规划问题，且同样

涉及估价函数，在解决静态问题时暂不考虑该算法。

基于上述原因，本文采用Dijkstra算法为每个任务规

划最短路径，该方法的优势在于理论上能为每个通信任

务找到一条最优路径保证权重最低。Dijkstra算法基于贪

心思想，将节点划归两个集合A和B，集合A中为已求出

最短路径的节点，集合B中为还未求出最短路径的节点。

算法基本步骤为：①初始化集合，使集合 A 中只包含源

节点v0，集合B中包含剩余所有节点；②从集合B中选出

距离源节点v0路径最短的节点vi

，将vi加入集合A中，同

时从集合B中移除vi

；③更新集合B中各个节点到v0的距

离；④对集合B中的节点重复步骤②和③，直到集合B变

为空集；⑤最终集合A包含图中所有节点到v0的最短距离

及其路径[7]

。

2　仿真验证

2.1　仿真设置

为了验证本文所提方法的有效性，基于Satellite Tool‐

kit（STK）软件搭建低轨卫星星座进行仿真。

参考Starlink的轨道参数，设置种子卫星的轨道高度

为550 km，轨道倾角为53°，升交点赤经为160°，偏心率

为0，基于种子卫星生成由72轨共1 584颗卫星组成的低

轨星座，如图3所示，每颗卫星能与其同轨及邻轨共4颗

卫星传输数据。

以图的形式表示仿真的星座拓扑结构，如图4所示，实

心圆点代表卫星，两个节点之间有连线代表可以交互

数据。

根据本文所提方法设计，本文在仿真时将通信任务

按传输路径进行分组。根据可能涉及的卫星节点是否相

同，将任务划分为多组，同组所涉及的所有节点组成子

图，在子图的基础上进行路径规划。上述分组方式可能

会存在一定的路径重叠，但整个仿真拓扑网络之间的权

重会刷新并在各组之间共享，因此仿真结果受分组的影

响较小。

在开始仿真时，假设系统已经运行一段时间，网络

中已经有一定的业务量，在此用随机数进行初始化模拟

网络中初始业务。

2.2　仿真任务

选择通信任务的起始点/终止点分别为：（39.9°N,

116.4°E）（北京附近）、（55.6°N, 37.8°E）（莫斯科附近）

和 （36.8°S, 118.3°E）（悉尼附近），仿真以下两个任务来

验证方法的有效性：

（1）从（39.9°N, 116.4°E）到（55.6°N, 37.8°E）的通

信任务，持续时间为30 min；

（2） 从 （39.9°N, 116.4°E） 到 （36.8°S, 118.3°E） 的

通信任务，持续时间为30 min。

通过STK软件可以得到卫星在不同时刻对地面的覆盖

情况，由此确定起始点/终止点在任务期间的接入卫星，本

方法不考虑从地面用户到卫星的时延，因此所规划的路径

为从起始点接入卫星到终止点接入卫星之间的最短路径。

上述两个任务分属于不同的任务组，仿真时并行调

用相应的子图进行路径规划。以任务 （1） 为例，所属任

务组的子图的实际区域和对应的拓扑图如图5所示。由于

低轨卫星的位置时变性，当仿真任务开始后，需不断更

新卫星的位置信息以及经过任务组区域的卫星编号，即

子图的拓扑节点会实时发生变化，当规划的路径中有不

可达节点时，需要重新进行规划。

图3　星座仿真示意

图4　星座仿真拓扑

·57·

天地一体化信息网络 第 5 卷

2.3　仿真结果

基于Python软件编程实现本文提出的方法，并对2.2

节中的任务进行仿真分析。任务 （1） 和任务 （2） 在开

始时刻和结束时刻的优化加权路径结果如图6所示。

从上述结果来看，两个任务均完成了优化路径规划。

随着任务持续时间的推移，卫星的位置发生变化，所规

划路径经过的节点也发生了相应的变化。在充分利用分

组算法和历史数据的前提下，不同任务组任务可并行规

划，算法的实时性要求基本能得到满足。

为了验证本文方法规划结果的动态稳定性，均匀选取

任务持续时间内的10个时刻，将这些时刻规划路径中的节

点编号转换为实际经纬度，进行多次规划实际路径的对

比。任务 （1） 和任务 （2） 的路径规划动态稳定性验证

结果如图 7 所示，图中红星表示任务起始点，绿星表示

任务终止点，蓝线表示规划路径，蓝点表示路径经过的

节点。可以看出，在两个任务中，不同时刻的规划路径

均有少许不同，但整体趋势保持一致。这是由于随着拓

扑的动态变化，当路径中节点产生位置偏离时，算法会

重新进行规划，因此所规划路径会发生微小跳变。此外

图7 （a） 和图7 （b） 的对比也证明了分组的有效性。

为了验证本文所设计方法的准确性，将本文方法规

划的结果与原始算法规划的结果进行对比，两种方法所

规划的路径见表1 （卫星节点命名方式为“s+轨道编号+

fflaffl9>ffl1ffl2;;2 fflbffl9>ffl1ffl1;;2

fflcffl9>ffl2ffl2;;2 ffldffl9>ffl2ffl1;;2

图6　两个任务起止时刻优化加权路径结果

60°

50°

40°

30°

30° 45° 60° 75° 90° 105° 120°

2,

2,

>

,

>

,

−200° −150° −100° −50° 0° 50° 100° 150° 200°

60°

30°

0°

−30°

−60°

fflaffl9>ffl1ffl

fflbffl9>ffl2ffl

图7　路径规划动态稳定性验证结果

图5　仿真任务 （1） 调用子图的实际区域及对应的拓扑图

·58·

第 3 期 尹曙明等：基于Dijkstra算法的低轨星座通信路径规划方法优化

该轨道上的卫星编号”）。

通过以上对比结果可知，本文所设计方法的规划结

果准确可靠。

本文所设计方法的并行计算设计可带来实时性能的

提升，将本文方法的规划耗时与原始算法的规划耗时进

行对比，结果见表2。

以上结果表明，在保证优化路径规划结果准确的前

提下，本文方法相较于原始算法的耗时得到极大缩短，

平均减少了约 70%。对比两个任务的耗时减少量可得，

任务起止点距离越远，本文方法的实时性优势越显著。

3　结束语

本文针对低轨卫星网络通信路径的选择问题，利用

加权图来表征通信节点及节点间的可见关系，路径权重

的设置同时考虑了通信距离、实时负载和任务优先级，

采用Dijkstra算法来为每个任务规划最短路径。为了增强

算法的并行计算性能，本文提出基于历史数据或起止点

相对位置对通信路径进行预规划、对通信区域进行预分

组的方法。为了适应低轨星座网络拓扑动态变化的特点，

本文改进了静态规划算法，改进算法可根据拓扑变化实

时更新规划路径，并具备较好的动态稳定性。为了验证

本文方法的有效性，基于STK软件搭建仿真环境、基于

Python 软件编写仿真程序，从仿真结果来看，采用该方

法规划结果准确，规划耗时减少。未来可以将该方法与

粒子群等算法进行优势结合，针对更复杂的场景和评价

指标，完成方法的进一步优化。

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表1 两种方法路径规划结果对比

任务时刻

任务（1）

开始时刻

任务（1）

结束时刻

任务（2）

开始时刻

任务（2）

结束时刻

原始算法规划结果

's0759', 's0657', 's0656', 's0655', 's0654', 's0653', 's0652', 's0651', 's0650'

's0748', 's0747', 's0746', 's0745', 's0744', 's0743', 's0742', 's0741', 's0740',

's0739', 's0738', 's0737'

's0759', 's0760', 's0761', 's0762', 's0763', 's0764', 's0765', 's0766', 's0767',

's0768', 's0769', 's0770', 's0771', 's0772', 's0701', 's0702', 's0703', 's0704',

's0705', 's0706', 's0707', 's0708', 's0709', 's0710', 's0711', 's0712', 's0713',

's0714', 's0715', 's0716', 's0614', 's0512', 's0410', 's0308'

's0748', 's0749', 's0750', 's0751', 's0752', 's0753', 's0754', 's0755', 's0756',

's0757', 's0758', 's0759', 's0760', 's0761', 's0762', 's0763', 's0764', 's0765',

's0766', 's0767', 's0768', 's0769', 's0770', 's0771', 's0772', 's0670', 's0671',

's0672', 's0570', 's0571', 's0572', 's0470', 's0471', 's0472', 's0370'

本文方法规划结果

's0759', 's0657', 's0656', 's0655', 's0654', 's0653', 's0652', 's0651', 's0650'

's0748', 's0747', 's0746', 's0745', 's0744', 's0743', 's0742', 's0741', 's0740',

's0739', 's0738', 's0737'

's0759', 's0760', 's0761', 's0762', 's0763', 's0764', 's0765', 's0766', 's0767',

's0768', 's0769', 's0770', 's0771', 's0772', 's0701', 's0702', 's0703', 's0704',

's0705', 's0706', 's0707', 's0708', 's0709', 's0710', 's0711', 's0712', 's0713',

's0714', 's0715', 's0716', 's0614', 's0512', 's0410', 's0308'

's0748', 's0749', 's0750', 's0751', 's0752', 's0753', 's0754', 's0755', 's0756',

's0757', 's0758', 's0759', 's0760', 's0761', 's0762', 's0763', 's0764', 's0765',

's0766', 's0767', 's0768', 's0769', 's0770', 's0771', 's0772', 's0670', 's0671',

's0672', 's0570', 's0571', 's0572', 's0470', 's0471', 's0472', 's0370'

表2 两种方法规划耗时对比

任务时刻

任务（1）开始时刻

任务（1）结束时刻

任务（2）开始时刻

任务（2）结束时刻

原始算法规划

耗时/ms

2.09

2.05

12.20

11.46

本文方法规划

耗时/ms

0.87

1.01

1.67

1.88

耗时减少

58.37%

50.73%

86.31%

83.60%

·59·

天地一体化信息网络 第 5 卷

ceedings of the 2021 17th International Conference on Wireless and

Mobile Computing, Networking and Communications (WiMob). Pis‐

cataway: IEEE Press, 2021: 351-356.

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ference on Robotics and Automation. Piscataway: IEEE Press, 1994:

3310-3317.

[作者简介]：

尹曙明 （1979- ），男，北京空间信息传输中

心高级工程师，主要研究方向为卫星通信、天

基测控等。

薛成宬 （1991-），女，北京空间信息传输中心工程师，主要研

究方向为卫星移动通信。

郝利云 （1987-），男，北京空间信息传输中心工程师，主要研

究方向为卫星移动通信。

张新军 （1989-），男，北京空间信息传输中心工程师，主要研

究方向为卫星移动通信。

·60·

第 5 卷第 3 期

2024 年9 月

天 地 一 体 化 信 息 网 络

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.5 No.3

September 2024

面向高通量卫星网络的多基带系统载波统一调配技术

李 妍，赵逸云，王逸璇

（中国卫通集团股份有限公司，北京 100094）

摘 要：近年来随着卫星互联网技术的不断进步，卫星通信运营行业的主体业务正在从传统的转发器租赁和视频传输向着宽

带接入等数据传输演进，进而带来了卫星运营商网络建设模式和网络运维架构等的变革。为了满足不同行业场景、不同类型

业务应用对网络的差异化需求，运营商往往需要部署多套异构基带系统。而当前不同基带系统间网管无法互通、频带资源仅

能在各系统内部进行一定程度动态调度的现状，使得卫星资源的规划和调配缺乏灵活性，容易引起资源碎片化。对上述背景

下带来的不同基带系统间的载波调控运维需求与挑战开展分析，并对多基带系统载波统一调控方案进行研究，力图实现频谱

资源合理配置、灵活调配，从而充分释放无线网络资源价值。

关键词：高通量卫星；卫星互联网；多基带系统；网络运营；载波统一调控

中图分类号：V19

文献标识码：A

doi：10.11959/j.issn.2096-8930.2024029

Unified Carrier Regulation and Management

Technology for Multiple Baseband Systems

in High Throughput Satellite Network

LI Yan, ZHAO Yiyun, WANG Yixuan

China Satellite Communications Co., Ltd., 100094, China

Abstract: With the continuous progress of satellite internet technology, the main business of the satellite communication operation in‐

dustry is evolving from traditional transponder leasing and video transmission to data transmission such as broadband access, which has

brought about changes in the network construction mode and network operation and maintenance architecture of satellite operators. In

order to meet the differentiated needs of different types of business applications on the network, operators often need to deploy multiple

heterogeneous baseband systems. However, due to the incompatibility of different baseband systems, the frequency resources can only

be scheduled in a certain system. Which result in a lack of flexibility in satellite resource planning and allocation. This article analyzed

the carrier regulation and maintenance needs and challenges brought about by the above background, and studied the unified carrier

regulation scheme for multi baseband systems, aimed to achieve reasonable and flexible allocation of spectrum resources, thereby fully

unleashing the value of wireless network resources.

Keywords: high throughput satellite, satellite Internet, multiple baseband systems, network operations, unified carrier regulation

0　引言

近年来，随着网络强国建设、数字经济转型发展等

国家战略的稳步实施，以及高通量卫星 （HTS）、非静地

轨道（NGSO）星座等技术的推动，全球卫星通信行业进

入了卫星互联网阶段。其中，高通量卫星作为卫星互联

网的重要组成部分，经历了起步阶段 （单颗卫星容量

50 Gbit/s左右）、发展阶段（单颗卫星容量100~300 Gbit/s），

目前已演进至跨越阶段（单颗卫星通信容量可达1 Tbit/s），

相当于传统卫星通信容量的数百倍。

收稿日期：2024-06-01；修回日期：2024-08-07

基金项目：国家自然科学基金资助项目（No. 62341131）

Foundation Item：The National Natural Science Foundation of China(No. 62341131)

天地一体化信息网络 第 5 卷

这一进步极大地推动了卫星通信运营行业的结构性

变化，传统固定卫星业务（FSS）运营以转发器租赁和视

频传输服务为主体业务，而卫星互联网的发展使得卫星

通信运营的主体业务转向宽带接入、内容投递等数据传

输，业务结构和商业模式加速向地面电信和互联网方向

转变[1]

。在这一背景下，卫星运营商的网络建设模式、

网络运维架构、网络产品研发与营销服务模式也在发生

变革，力图同时满足政府、企业、个人等多类型用户的

个性化业务需求[2-4]

。

基带系统作为实现卫星互联网业务应用的核心系统

之一，各大制造商分别有其主攻的业务方向，具有技术

体制标准不同、网络控制模式不同、对不同类型业务的

适配度不同等差异。因此，为了同时满足应急通信、航

空航海、高速和低速物联、基站回传等多种应用，卫星

运营商往往需要部署多套基带系统，针对不同应用的特

点构建多个业务子网。如何从管控层面，根据业务需求

和异构基带系统资源利用率等情况进行统一规划调度，

保障频谱资源合理配置、按需灵活调配，充分释放无线

网络资源价值，成为亟待解决的问题。

1　应用模式与需求分析

1.1　传统通信卫星运营与应用模式

传统通信卫星运营以租赁转发器资源为主要模式，

由用户自建独立系统开展地面段运营服务，价值增值实

际上是以半成品形式向产业链下游传递的，各环节分别

承担自己的风险，并未形成有机整体。

从 20 世纪 90 年代开始，随着各行各业对数据通信

需求的不断增大，同时随着卫星通信技术进步带来的设

备小型化，我国国民经济领域一些重点行业，均采用自

行建设和运行卫星专用通信网的方式，满足其广域、泛

在的通信需求。银行、证券、公安、外交、铁路、气

象、环保、地震、交通、石油、水利、电力、教育和新

闻等几十个政府部门和行业建成了百余个不同规模的专

用卫星通信网，安装了数千座双向地球站、数万座单向

数据接收站。尤其在石油化工行业，中国石化、中国石

油、中国海油等公司均建设了自己的卫星企业专网，开

展生产数据传输、电话会议等业务，服务于企业生产和

管理。

上述卫星专网由于应用主体均为政府和企业，且大

多面向某一特定业务开展卫星地面系统建设与运维，因

此选用的基带系统单一，对资源的灵活调配需求相对也

较弱。

1.2　高通量卫星运营与应用模式

高通量卫星在保留传统卫星广域覆盖特点的基础上，

传输能力成倍提升，而单位带宽成本大幅降低，用户只

需购买终端就可以使用宽带卫星服务，满足数据、视频、

语音等应用需求[5-8]

，因此高通量卫星应用更侧重流量数

据通信端。卫星运营商随之基于卫星网络和运营支撑系

统向产业链下游延伸，实现从转发器租售到卫星网络运

营，再到增值服务的全类型业务拓展[9-15]

。

概括来说，高通量卫星网络主要承载 3 类业务[16]

：

一是移动互联网业务，如网页浏览、VoIP 语音通信；二

是传统卫星通信业务的互联网化，如直播、视频分发、

高清视频回传；三是卫星通信广域、大连接特性与互联

网应用相结合的创新业务，如空间信息服务。

根据业务类型的不同，卫星互联网运营商主要面向

的对象和提供的服务模式也有所不同。一是“公网公用”

模式，主要面向C端用户，包括固定宽带接入用户、车

载动中通用户、渔船和海上中小型船只等。用户一般通

过以太网口或Wi-Fi接口的形式，将手持终端或PC等个

人设备连接至高通量卫星终端，进而接入高通量卫星网

络，并通过购买服务套餐的形式享受卫星互联网服务，

进行图像、语音、视频等数据信息的传输和互联网业务

访问。二是“公网专用”模式[17]

，主要面向B端和G端

客户，如应急、公安、电力、水利等对网络独立性、安

全性要求较高的用户，以及存在一定规模成员用户、有

多个下属单位或子公司的大型集团用户。此类服务场景

下，根据不同用户对网络独立性要求的不同，卫星运营

商通过频率资源、天线射频设备、基带设备、路由设备

（或 VLAN）、地面专线等多个层面的端到端网络切片划

分，使用户享有物理级别或逻辑级别的隔离，满足不同

等级客户对高安全性、高隔离度、高定制化的专网需求。

高通量卫星互联网服务模式如图1所示。

由此可见，高通量卫星应用模式与传统通信卫星形

成鲜明对比，具有以下特点：一是客户群体多样化，包

括政府、行业、公众用户等；二是业务领域多样化，覆

盖陆、海、空，如航空航海、普遍服务、应急通信、基

站回传、资源监测等；三是业务类型多样化，涵盖语音、

数据、视频等。

1.3　基带系统演进与特点分析

基带系统是实现卫星互联网业务应用的核心系统，

在无线资源转化为信息服务的环节中起到关键作用，大

体上可以划分为控制面和用户面两大类功能。其中控制

面主要完成终端接入控制与移动性管理、信道资源分配、

·62·

第 3 期 李妍等：面向高通量卫星网络的多基带系统载波统一调配技术

QoS 控制和传输优化控制等功能；用户面则基于控制面

策略，以及所采用的传输协议完成业务数据的封装/解封

装、编解码、调制解调等功能。

（1）VSAT卫星通信系统基带厂商

传统通信卫星运营与应用模式下，用户多采用甚小

天线地球站 （VSAT） 系统自建专网开展业务应用，早期

以FDMA体制基带系统为主，预先分配频点和带宽，后

期根据需求，逐渐采用按需分配方式（DAMA）。自20世

纪 90 年 代 起 出 现 了 TDMA 技 术 体 制，主 要 以 SCPC/

TDMA、TDMA和TDM/TDMA为主。2000年后，逐步出

现了TDM/MF-TDMA体制， 随后出现了DVB相关标准。

在这一阶段，相对成熟且应用较多的基带系统主要有美

国卫讯公司的LinkWay系统、德国诺达公司的SkyWan系

统等，可同时支持数十个载波，信息传输速率从几十

kbit/s到几Mbit/s为主，组网终端数量一般为数百个。

2010年之后，为了满足逐步向宽带演进的应用需求，

VSAT 也从窄带网络逐步发展为宽带网络，不仅支持数

据、语音、图像业务，也能够提供多媒体、帧中继、In‐

ternet、IP 等多种业务，通信体制基本就以 TDM/MFTDMA/ SCPC/TDMA 为主，以 DVB 标准为主，支持星/

网混合拓扑。

（2）高通量卫星通信系统基带厂商

当前，随着卫星向着Ka、Q/V等更高频段，以及超

大容量和更高灵活性等方向不断演进，地面基带系统随

之向更高设备集成度，支持更高吞吐量和终端密度，具

备更好的灵活性和可扩展性发展，并普遍配置实时资源

动态调配技术满足容量需求的动态变化，从而提高系统

效率，降低对机房占地和整体功耗的需求。国际主流的

高通量卫星基带系统中美国厂商占比较大，包括Viasat公

司的SurfBeam2系统，iDirect公司的Velocity系统，Huges

公 司 的 Jupiter 系 统 ， Gilat 公 司 的 SkyEdge II-c 系 统 ，

Newtec 公司的 Dialog 系统，Comtech 公司的 Heights 系

统等。

上述各厂商新一代产品前向链路普遍支持DVB-S2X

协议，具有更高的频谱效率和接入速率、更好的移动性

能等特点；回传链路主要支持MF-TDMA、SCPC通信体

制。同时均具备QoS、VNO、协议加速、移动应用等基

本功能。在应用场景方面，主要致力于解决蜂窝回传、

移动通信、互联网接入、企业专网等，并加大力度研发

SDN/NFV 技术、基站回传业务、星上灵活适配技术等，

以支持未来的星地融合、灵活组网的需求。

可以看出，各厂商系统应用的领域大体相似，但又

有各自的侧重，故其产品设计特点及指标也向各自重点

应用领域倾斜。在海上通信领域，iDirect 公司的系统占

据份额较大；在基站回传领域，Gilat公司的系统占据份

额较大；在机载通信和家庭宽带方面，Viasat公司较为领

先；在政企专网市场方面，则 Huges 公司占据近半市场

份额。

1.4　高通量卫星运营需求分析

基于高通量卫星所具有的客户群体、业务领域和业

务应用多样化等特性，运营商需要面向不同业务领域需

求，进行针对性的基带系统选型和部署，以实现最佳的

业务适配能力。

目前国内陆地业务领域国产化需求日益明显，尤其

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图 1　高通量卫星互联网服务模式

·63·

天地一体化信息网络 第 5 卷

是在信息安全、能源、应急等关系国计民生方面，具体

业务应用包括应急保障、资源监测、普遍服务等场景。

航空和航海业务由于其固有的广域属性，具有全球化组

网需求。国际业务主要面向国外运营商和境外中国企业，

具有数据境外落地、用户自主选择基带系统等潜在需求。

由此可见，在高通量卫星通信系统运营中，多套基

带系统的部署和运行难以避免。运营商需要根据不同领

域和类型的业务需求，对各基带系统所使用的频率资源

进行划分，并随着业务的动态变化开展资源统一调配。

由于不同基带系统在技术体制标准、网络控制模式等方

面存在较大差异，当前不同基带系统划分的频带资源仅

能在系统内部进行一定程度的动态调度，网管数据不互

通，不具备跨系统业务支撑能力。

目前跨基带系统的载波频率调整，多采用人工计算

和操作的方式进行频率资源的重新分配。即根据当前频

率分配情况，结合各基带系统资源利用率和业务需求，

得出不同基带系统的载波配置方案；然后基于各系统载

波配置与各系统网络配置手册，人工设计载波调整方案；

最后手动在各套基带系统网管上进行相应操作，人工在

载波监视子系统（CMS）中更新载波配置信息。

上述模式主要存在如下问题。

（1） 操作分散：整个调整流程中，操作分布于载波

监视子系统、各基带网管系统、业务运营支撑系统等，

需由人工按照一定顺序切换操作，步骤较多容易出错且

耗时较长，导致调整流程整体效率偏低。

（2） 决策无法校验：调整方案由人工计算得出，无

相应校验机制，存在因频段错误调整导致载波重叠的可

能，引起载波间互相干扰，影响正常业务开展。

（3） 缺乏全局管控：各基带系统的载波信息，缺乏

整体态势以及按照信关站、波束等不同维度的呈现；调

整的发起及记录未能线上化、自动化，不利于开展运维

工作。

因此，高通量卫星运营中有必要对自动化、智能化

的多基带载波统一调控功能开展研究，通过合理规划各

套基带系统需调整的频段、调整次序并依序自动执行，

实现对多套基带系统频段资源的统一管控，提高频谱调

整效率，降低对用户的影响，灵活适应业务需求的动态

变化[4,18-25]

。

2　多基带系统载波统一调控方案设想

2.1　系统框架

业务运营支撑系统 （BOSS） 是电信运营商实现网络

运营、管理和维护的重要支撑软件平台。对卫星网络运

营商而言，该系统重点实现高通量卫星站、网、端等基

础资源的管理、监控和调度，并将底层资源封装为用户

服务，实现业务开通激活、计费、查询、停用等全流程

运营支撑。

因此，可在BOSS中新增多基带系统载波统一调配功

能模块，该模块通过与各基带网管系统、载波监测系统，

以及BOSS内部其他功能组件的对接，使运营商实现对卫

星频段资源调整的统一管理和配置。一方面通过操作流

程的数字化和自动化减少人工操作工作量，降低操作失

误概率；另一方面使BOSS实时掌握各基带系统最新载波

配置和使用情况，并基于各类业务需求进行统一筹划，

从而实现频谱资源利用效率最大化。系统框架示意如图2

所示。

2.2　系统功能

多基带系统载波统一调配功能模块是保障高通量卫

星网络业务开通与高效运行的重要支撑，通过合理规划

各套基带系统需调整的频段、调整次序并依次执行，对

多套基带系统频段资源进行统一管控，实现频段调整的

线上化管理与配置。该功能模块主要包括载波资源信息

展示、调控配置、调控流程调度，以及日志记录等功能。

（1） 载波资源信息展示：调用基带接口，实时查询

基带全局信息和波束信息，并进行展示。

（2） 调控配置：配置基带利用率阈值、基带属性配

置、临时基带配置信息，并支持条件查询。

（3） 调控流程调度：展示调控流程进度情况以及相

关操作按钮，可以进行流程推进相关操作。

（4） 日志记录：一方面负责记录载波资源调控方案

和调度过程，并支持多种条件查询调度日志信息、展示

调度日志列表；另一方面通过与多基带系统接口交互，

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图 2　系统框架示意

·64·

第 3 期 李妍等：面向高通量卫星网络的多基带系统载波统一调配技术

支持记录、查询和展示基带利用率历史告警等信息。

2.3　业务流程

多基带系统载波统一调配功能模块通过接口适配层，

实现各业务子网基带系统频谱配置信息的注册，并支持

周期性自动化更新或手动检查与更新，从而构建统一资

源池进行管理。同时，模块内需预先对各基带系统资源

利用率告警阈值等参数进行配置，作为自动生成优化方

案的依据。业务流程示意如图3所示。

在实际业务运营中，模块通过实时数据采集，获取

各系统当前配置下通信设备状态和资源使用情况，明确

资源可用性和可用度；同时结合业务应用情况对各种可

用资源进行差异化分析，从而支持运维人员通过在模块

内选择对载波配置进行自动优化。即根据不同优化目标，

建立资源需求到不同系统的映射关系，进而建立资源到

具体设备能力的映射关系，生成资源策略和具体调度配

置方案，经正确性校验后提交人工审核。若审核通过，

将调度配置通过接口适配层下发至各基带系统网管。此

外，重大应急保障任务等特殊情况下，也可以在模块内

选择手动调整载波资源。自动优化调整或人工手动调整

执行完毕后，统一调控模块通过接口将更新后的载波配

置信息推送至射频CMS系统，并对执行结果进行展示和

日志存档。

2.4　效能分析

与通过人工计算和操作实现跨基带系统频率资源分

配的方式相比，多基带系统载波统一调配模块的设计和

使用，预期能够在运维操作一致性、配置决策正确性、

频谱资源可视性、系统历史数据留存性等方面，实现整

体效率和效能的提升，具体分析如下。

（1） 操作一致性：载波统一调配模块完成了调整操

作和调整顺序的固化与自动化，运维人员仅需登入系统，

选择频率资源调整策略并发起调整流程，即可由软件模

块自动顺序执行后续步骤，规避了人工操作的无序性和

差异性。包括但不限于：与各基带网管系统、载波监测

系统等进行数据交互，依据所选择的优化目标生成调整

方案，基于不同基带系统内在特性生成调整次序，按序

生成调整指令并执行，通过人机交互界面直观呈现当前

所处进度及历史环节执行结果。

（2） 决策正确性：对于自动优化的方式，载波统一

调配模块在满足目标及各项约束的前提下，生成最优分

配方案；对于手动调整的方式，模块会在运维人员输入

目标调整方案后，校验是否满足各项约束，若未能通过

校验，则无法发起调控流程。以上方式降低了因人工操

作失误导致的载波间互相干扰，进而影响业务的风险。

（3） 资源可视性：基带系统的载波频率资源数据，

具有天然的结构性，载波统一调配模块借助颜色、图表

等形式可以直观地呈现整体态势，按照信关站、波束等

不同维度展示卫星频率资源已分配情况、各基带系统频

率占用情况。尤其是在手动调整模式下，资源可视化呈

现能够辅助运维人员更高效地分析决策、制定方案和开

展调度。

（4） 数据留存性：在载波统一调配模块内，历次载

波频率调整方案、审批信息及流程各环节执行信息均被

记录与留存，可支持运维工作的回顾与总结，为后续高

通量卫星系统设计及运营规划提供数据支撑。

（5） 运维效率提升：人工调整一套基带系统载波频

率所需的时间为T，根据载波调整所涉及操作步骤估计，

T一般为0.5~1小时量级。假设当前网络内共接入N套基

带系统，现拟调整目标基带系统N1的载波频率资源，若

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图 3　业务流程示意

·65·

天地一体化信息网络 第 5 卷

采用人工操作，最理想情况下所需时间为Tmin=T，即当前

载波配置情况不涉及其他基带系统调整，最差情况下所

需时间为 Tmax=N×T，即需要调整所有 N 套基带系统；若

使用载波统一调配模块，可在1~5分钟量级自动化完成所

有载波调配操作，可实现至少80%的运维效率提升。

3　发展展望

当前各基带厂商的系统虽然架构大体一致，但一方

面由于 DVB 等协议体制本身的开口较多 （自定义性较

高），另一方面各厂商从自身商业利益考虑和特殊领域封

闭应用的需求出发，造成不同系统间难以形成一套开放

统一的技术标准，无法互联互通。

本文提出的多基带系统载波统一调控方案，旨在通

过与各基带系统，以及载波监测系统之间的接口适配，

初步实现线上化的跨系统载波统一管理，提高频谱资源

利用效率和运行维护效率。未来，为进一步提升高通量

卫星网络面向不同业务的快速适配能力和网络管理灵活

性，可以利用 SDN/NFV、微服务等技术对卫星接入层、

地面承载层到核心运营层的各类基础设施资源进行虚拟

化和统一管理，构建面向业务的异构系统资源统筹规划

模型，不断提高资源调控算法智能化、精细化水平，实

现面向业务需求的网络承载和业务保障策略定制，适配

卫星互联网时代不同应用场景在移动性、安全性、可靠

性等方面的多样化要求。

4　结束语

卫星互联网时代，用户类型与业务场景的多样化、

当前基带系统的封闭性和异构性，对运营商在高效、智

能运维和运营方面带来了较大的挑战。本文针对频谱资

源规划和管控，初步提出载波统一调控模块方案设想，

基于业务需求和异构基带系统使用与运行情况开展统一

规划调度，提升频谱资源配置的自动化、线上化程度，

降低对用户的影响，从而有效提高运维效率和运营效益，

充分释放无线网络资源价值。

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[作者简介]：

李妍 （1988-），女，硕士，高级工程师，主

要研究方向为卫星通信系统设计和应用。

赵逸云 （1996-），女，硕士，工程师，主要研究方向为卫星通

信运营系统设计和研发。

王逸璇 （1994-），女，硕士，工程师，主要研究方向为卫星通

信系统设计和应用。

·67·

第 5 卷第 3 期

2024 年9 月

天 地 一 体 化 信 息 网 络

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.5 No.3

September 2024

星地融合网络的组网关键技术探讨

宋雅琴，徐 晖，刘险峰，曹彩红，程志密，王胡成

（大唐移动通信设备有限公司，北京 100083）

摘 要：面向未来，移动通信网络将具备“连接+”的通信服务能力，以及实现卫星通信和地面通信的系统级融合，因此提出

一种集连接、智能、感知、计算、数据等多个要素于一体的星地融合网络架构。基于所提的网络架构，首先，探讨星地融合

网络的组网关键技术，包括星地协同的智能管控技术、面向星地融合的高动态网络切片技术，针对用户业务对星地融合网络

提出的差异化网络服务需求，对网络切片技术以及分布式自治技术的潜在发展形态展开讨论。然后，分析星载轻量化核心网

技术。最后，通过自研的移动通信网络平台验证星地融合组网下的多业务网络切片共存以及轻量化核心网上星的可行性。

关键词：星地融合网络；组网；网络切片；分布式；轻量化

中图分类号：TN92

文献标识码：A

doi：10.11959/j.issn.2096-8930.2024031

Exploration and Discussion on Key Technologies

for Satellite-Terrestrial Integration Networking

SONG Yaqin, XU Hui, LIU Xianfeng, CAO Caihong, CHENG Zhimi, WANG Hucheng

Datang Mobile Communication Equipment Co., Ltd., Beijing 100083, China

Abstract: For the future, mobile communication networks will have the ability to provide communication services with beyond connec‐

tivity, as well as to realize the system level integration of satellite communication and terrestrial communication, so an integrated satel‐

lite and terrestrial network architecture that included multiple elements such as connectivity, intelligence, sensing, computing, and data

was proposed. Based on the proposed network architecture, several key technologies for satellite-terrestrial integration networking were

discussed, included intelligent management and control technology for satellite and ground collaboration, a high dynamic network slic‐

ing technology for integrated satellite-terrestrial, and in response to the differentiated network service requirements of user services for

integrated satellite and terrestrial network, the potential development patterns between distributed autonomous and network slicing tech‐

nologies were discussed. Then, onboard lightweight core network technology was introduced. Finally, the feasibility of multi-service

network slicing coexistence and on-board lightweight core network were verified through a self-developed mobile communication net‐

work platform.

Keywords: integrated satellite and terrestrial network, networking, network slice, distributed, lightweight

0　引言

国际电信联盟无线电通信部门 （ITU-R） 于2023年6

月发布《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建

议书》[1]

，建议书中提出的6G六大典型场景要求未来网

络支持智能、感知、泛在连接等新能力，建议书中提出

的覆盖能力、网络容量等网络的关键性能指标不仅对单

点技术提出了要求，更对网络提出了系统性要求，可见

新场景和新指标对网络架构的设计提出了更高要求。进

一步，为了实现“全域覆盖，场景智联”[2-3]

的新愿景，

收稿日期：2024-06-01；修回日期：2024-09-01

通信作者：徐晖，xuhui1@cictmobile.com

基金项目：国家重点研发计划资助项目（No. 2022YFB2902704）

Foundation Item：National Key Research&Development Program of China(No. 2022YFB2902704)

第 3 期 宋雅琴等：星地融合网络的组网关键技术探讨

地面通信和卫星通信将利用各自的容量优势和覆盖优势

进行互补，通过协同组网形成星地融合网络[4-10]

。因此，

面向星地融合网络的组网关键技术的研究成为一个关键

问题。

针对不同场景下用户业务提出的差异化网络需求，

在传统网络的“one-fit-all”[11]

模式下，综合考虑网络的

差异化服务能力以及架构的复杂性和成本等问题，5G网

络创新性提出使用网络切片技术[12]

在一张物理网络上提

供定制化、相互隔离、质量可保证的多个端到端逻辑网

络。面向星地应用需求更加极致化和多样化的趋势，以

及考虑到星地网络的巨大差异，尤其是卫星网络的动态

性和资源异构等特性，当前网络存在架构日趋复杂、网

络灵活性待提升、服务拓展性不足等问题，未来网络需

要在架构设计上就原生支持星地融合网络的组网灵

活性。

为此，本文首先介绍面向星地融合的网络架构，支

持移动通信网络在卫星网络和地面网络之间实现连接、

智能、感知、计算、数据等多元素网络能力的灵活组网。

基于该架构，提出星地协同的智能管控技术。然后针对

星地融合组网下的差异化网络服务保障问题，提出面向

星地融合的高动态网络切片技术，同时讨论分布式自治

技术与网络切片技术在未来网络发展中可能存在的3种关

系。最后，介绍星地融合网络的星载轻量化核心网技术，

并对星地融合组网进行实验验证工作。

1　面向星地融合的网络架构

考虑到未来网络将具备超越连接的服务能力，包括

泛在连接能力、智能能力、感知能力、计算能力、数据

能力[13]

。在作者所在研究团队前期提出的星地融合网络

架构[14-15]

的基础之上，本文进一步提出一种面向星地融

合的具备连接、智能、感知、计算、数据等多种能力要

素的网络架构。

如图1所示，星地融合网络包括地面段和卫星段，根

据业务需求和网络环境实现网络功能和网络服务在天基

和地基之间的按需部署。地面段基于网络功能虚拟化

（Network Function Virtualization，NFV） 技术构建云化平

台，并在平台上部署完备的连接功能、AI功能、感知功

能、计算功能和数据功能等连接+网络能力。卫星段包括

同步轨道卫星（GEO）和非对地静止轨道卫星（NGSO），

卫星上搭载轻量级云化平台以满足星上资源有限的特点。

NGSO 可以部署接入网设备支持分布单元 （Distributed

Unit，DU），核心网部署连接功能、计算功能和感知功能

分别用于支持终端通信、边缘就近计算、中低轨卫星的

星上资源状态感知以及卫星周围环境感知等功能。GEO

在 NGSO 的功能基础上，进一步支持接入网的集中单元

（Centralized Unit，CU），支持数据的存储转发 （即对无

法通过卫星接入地面核心网的用户，在卫星上缓存用户

的数据，等待卫星能够连接地面网络时，接收或转发用

户数据）和数据预处理等数据功能。

图1还包括部署于GEO的天基智能管控功能和部署

于地面的地基智能管控功能，通过星地协同的智能管控

技术实现星地融合网络的弹性可重构和动态调整，秉承

以用户需求和位置为中心的理念和目标，满足不同用户

的差异化网络服务需求以及同一用户的网络服务一致性

需求。

在该架构的基础上，随着航天技术的发展，卫星可

以在星地融合网络架构中承担越来越多不同的网络功

能[4]

，接入网和核心网的网元及其网络功能在卫星和地

面之间的分割和部署存在诸多可能性。在 3GPP Release

17（R17）之前，卫星工作在透明转发模式下，卫星可以

将位于偏远或特殊地区的终端或接入网设备连接到远端

的地面基站或核心网系统，实现数据的高效回传，解决

偏远或特殊地区的通信问题，降低该类区域的移动通信

网络建设成本。3GPP R18 首次提出卫星支持再生模式，

支持在 GEO 上部署用户面功能 （User Plane Function，

UPF）， 支 持 移 动 边 缘 计 算 （Mobile Edge Computing，

MEC）和UE-satellite-UE通信[16-17]

。

面向未来，星地融合网络一方面可以基于星地的空

口和硬件资源，将基站的部分或全部功能部署到星上，

从而降低信令和业务的处理时延[18]

，满足自动驾驶等时

延敏感型或高机动性的业务需求；另一方面，通过天基

和地基网络间的核心网功能的柔性分割，在星上按需部

署必要的网络功能以降低处理和转发时延。例如在星上

按需部署用户面功能，为用户提供时延敏感型的高可靠、

高数据隐私保障服务；在一些没有地面网络覆盖或地面

网络覆盖能力不足的区域部署经过网络功能裁剪或重构

后的轻量化核心网 （例如只部署与接入、鉴权有关的功

能），满足终端设备在这类区域的紧急呼叫等网络服务

需求。

2　面向星地融合的智能组网关键技术

面向未来，星地融合网络将实现卫星通信和地面通

信的系统级融合[8]

。由于星地运行环境的巨大差异性，

以及星地融合网络的结构复杂、网络拓扑高动态性、资

·69·

天地一体化信息网络 第 5 卷

源情况差别大、用户多样、业务分布不均匀、星地传输

时延大、星间链路条件复杂等特点，星地融合网络需要

在资源统一管控、高动态网络切片、差异化服务、核心

网如何上星等多个关键技术方面进行深入研究和优化。

2.1　星地协同的智能管控技术

如图1所示，本文提出在GEO和地面网络分布式部

署基于AI的网络智能管控功能，实现星地统一的智能管

控，降低运维复杂度以及运营成本，用于提升大规模、

动态、异构网络的智能高效管控能力。

首先，本文提出中心和分布式联合管控方式。考虑

到卫星网络的分层特性，在GEO卫星部署轻量化的网络

管控子系统，实现该GEO管控区域内卫星的统一管理和

控制。一方面，收集星间网络拓扑和链路状态，并发送

给地面智能网络管控系统；另一方面，根据地面智能网

络管控系统的指令，对该GEO管控区域内的卫星下发路

由策略，并根据卫星节点的可用性、安全性、负载等进

行网络重构。在地面部署能力强大的智能网络管控系统，

负责构建全局网络视图，根据网络状况和业务需求进行

星地资源的统一管控。根据卫星及地面网络状况计算符

合需求的路由和资源调度策略，并通过部署在GEO的管

控子系统下发到对应的NGSO卫星。

其次，考虑到星地融合网络的管控复杂性，保障可

以根据时变拓扑及时更新路由和资源分配等策略，在网

络管控系统中引入AI技术。智能网络管控系统将根据用

户需求数据、网络运行数据、网络拓扑数据、星历数据

等，通过AI算法分析与业务需求匹配的网络能力，按需、

自动化地对星地资源进行管理和编排；智能网络管控系

统还具备端到端的网络策略管理能力，结合业务需求、

网络状态和资源现状，进行智能决策与策略下发，实现

网络功能和性能的自动化编排与管理。

2.2　面向星地融合的网络切片技术

针对星地融合网络中不同业务提出的差异化网络服

务需求，本节首先介绍面向星地融合的网络切片技术。

然后在下一节，对差异化网络服务技术，如分布式自治

技术和网络切片技术的关系及发展形态进行探讨。

4G网络通过优先级和QoS策略等机制为用户提供差

异化网络服务[19]

。5G网络在上述网络特性的服务质量保

障基础上，通过网络切片技术实现网络、计算、存储等

网络资源的逻辑隔离和差异化保障。面向未来，将网络

切片技术应用到星地融合网络，为多种不同的业务提供

94/B/8<

GEO>?

NGSO>?

?045

?.C

+6A,=?=5

>?,

B/8<

94/B/8<

+6,

L-NF

A-NF C-NF

D-NF;2.6 S-NF -D.6

AI.6 0<.6

41.6

L-NF C-NF A-NF

S-NF D-NF

L-NFC-NF

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L-NFC-NFA-NF

S-NF D-NF

+60C

1

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D6

.2

.6

图1　面向星地融合的网络架构

·70·

第 3 期 宋雅琴等：星地融合网络的组网关键技术探讨

定制化网络服务，可以是移动通信网络演进过程中的一

种潜在方案。

卫星通信具有高动态、分层分布的特征，且地面通

信与卫星通信的网络差异较大。这些给星地融合通信网

络中的端到端切片管理和服务质量保障提出了巨大的挑

战[8]

，在网络切片的生命周期内，网络拓扑、用户需求

都可能会变化，导致现有的静态网络切片难以适应动态

资源需求。为此，提出一种基于算网融合技术[20]

的高动

态的星地融合端到端网络切片技术。

每个星地融合的端到端网络切片由接入网子切片、

承载网子切片和核心网子切片组合而成，分别进行频谱

资源、传输资源和网络资源的分配和QoS管理。将网络

子切片的实例化任务分解为网络功能实例化子任务，再

将每个子任务映射到卫星段或地面段的一个算力节点，

利用算网融合技术的资源感知以及动态管理能力，保证

为网络切片分配的计算能力和网络能力与子任务的实时

资源需求相匹配，为用户提供一致性的连续网络服务。

面向星地融合的网络切片如图2所示。考虑到星地融

合网络的不同融合组网方案[21]

，结合高轨卫星覆盖范围

大但时延也大，低轨卫星覆盖范围适中但移动性和可以

连续服务的时长受限，地面网络的资源充足但覆盖范围

有限等特征，端到端星地融合网络切片实例可以由地面、

卫星或星地混合进行灵活动态构建。例如，针对宽带接

入业务，为了满足高速数据传输需求，同时考虑到宽带

大数据传输无须频繁访问核心网，可以创建纯地面网络

切片，也可以创建中低轨卫星和地面网络的混合网络切

片，如切片实例1；针对物联网业务，为了避免星地之间

传输的不稳定性以及避免占用带宽资源，可以创建中低

轨卫星和高轨卫星的混合网络切片，也可以创建纯高轨

卫星网络切片，如切片实例2；针对重要客户的时延敏感

业务，为了满足用户数据在卫星节点之间的中继传输，

避免数据落地带来的时延和安全性威胁，可以创建中低

轨卫星和高轨卫星的混合网络切片，也可以创建纯中低

轨卫星网络切片，如切片实例3。

为了实现对跨承载网、接入网和核心网的多域网络

以及跨地面区域、NGSO 区域、GEO区域的星地融合网

络的统一切片管理，首先，引入跨域控制功能 （Crossdomain Control Function，CCF） 单元，将传统的不同网

络域的子切片以及对应网络切片子网管理功能 （Network

Slice Subnet Management Function，NSSMF） 实现的功能

的差异抽象出来，实现切片模板的自动化设计和切片资

源的自动化编排，然后通过算网管理中心将多域异构的

算网资源联合起来，实现星地切片的按需统一编排。针

对星地融合网络多层次分级网络特性，设计基于中心和

CSMF D@(7D?

NSMF

881

+6

9B

NGSO

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GEO

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A>?9

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9BCCF 9BCCF 9BCCF

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D88

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D88

ffi

图2　面向星地融合的网络切片

·71·

天地一体化信息网络 第 5 卷

分布式混合的星地融合网络的联合编排管理方式，在地

面、中低轨卫星、高轨卫星等位置按需划分不同区域，

在区域编排中心部署对应的区域算网管理中心和区域

CCF，同时在地面部署中央算网管理中心和中央 CCF，

以及基于算网协同编排技术支持敏捷部署网络服务的

能力。

中央编排中心的通信服务管理功能 （Communication

Service Management Function，CSMF） 接 收 业 务 需 求，

确定业务类型、服务性能需求和请求的服务时长，向网

络切片管理功能 （Network Slice Management Function，

NSMF） 请求分配网络切片参数。NSMF将服务参数分解

到子网切片，并确定子网切片的部署位置，向对应的中

央区域CCF、地面区域CCF、NGSO区域CCF和GEO区

域CCF发起子网切片创建请求，对应区域的CCF通过相

应的算网管理中心实现跨域或域内的多维资源的灵活分

配以及虚拟化网络功能的统一动态编排。

2.3　面向星地融合的差异化服务技术探讨

网络切片技术为星地融合网络提供差异化网络服务

能力带来了机会。然而，网络切片的切片粒度较大、资

源编排方式较静态、切片配置/升级时人工参与环节多等

因素，使得网络切片是否可以在未来继续作为承担提供

差异化服务的关键技术而受到了一定程度的质疑。

随着分布式自治技术的不断发展，考虑到不同业务场

景对网络特性的需求不同，以及为了避免集中式部署模式

带来的可靠性不足、不同子网互联互通性不足、组网灵活

性不足等问题，业内对于未来网络将使用中心和分布式联

合的分布式组网技术已达成一定共识[13]

。基于该理念，星

地融合网络也可以通过分布式组网的方式，结合统一编排

技术以及分布式自治技术[22]

，通过分布式网络节点之间的

高效协作满足不同业务的差异化网络服务需求。

那么，分布式自治技术与网络切片技术在星地融合

网络中将分别承担什么角色，是一个值得探讨的问题。

本文认为，这两种技术可能的发展形态有：

（1） 革新，通过全新的分布式自治技术以及统一编

排技术实现星地融合网络的分布式协同组网、资源的端

到端统一编排，以及差异化网络服务保障；

（2） 创新，通过分布式自治技术实现星地融合网络

的分布式协同组网，并基于网络切片以及 AI、大数据、

编排等技术，通过统一编排技术实现资源的统一感知和

统一编排，并按照逻辑网络节点的方式实现业务的差异

化网络服务保障；

（3） 演进，通过分布式自治技术实现星地融合网络

的分布式协同组网，并基于更细粒度、优化后的网络切

片技术实现资源编排和差异化网络服务保障。

针对形态 （2），一种潜在的方案是通过统一编排技

术在分布式物理网络节点上部署不同的标准化网络功能、

裁剪化网络功能、定制化网络功能，并在其上构建满足

不同业务的功能需求 （例如连接功能、智能功能、计算

功能等） 以及性能需求的不同的逻辑网络节点。一个逻

辑网络节点可以跨不同的物理网络节点，通过为逻辑网

络节点划分计算、数据、算法、感知、通信等资源以保

障业务的网络服务需求。其中，物理网络节点根据该节

点的归属情况，也可以分为共享物理网络节点和专用物

理网络节点。物理网络节点也可以根据该节点的服务能

力、服务场景、服务用例，分为连接和智能网络节点、

沉浸式通信网络节点、全息通信网络节点等。

针对形态 （3），首先通过分布式自治技术实现不同

分布式子网的联合组网以及网络功能和网络服务的按需

部署，然后在分布式网络节点上通过网络切片编排技术

构建跨网络节点的网络切片实例，实现满足业务需求的

端到端的资源隔离和网络服务保障。网络节点和网络切

片可以是一对多和多对一的映射关系，即一个网络节点

上可以有多个网络切片，一个网络切片也可以跨多个网

络节点。在这种方式下，分布式网络是一种组网技术，

分析该网络节点上多个业务的运行状态和网络状态，实

现网络功能和网络服务的按需部署和动态调整，确定的

是网络节点的整体服务能力；网络切片是在网络功能、

网络服务已经部署的情况下，实现满足业务性能需求的、

端到端的资源隔离和动态配置，确定的是具体业务可以

获得什么样的网络服务。

不论是哪种形态，分布式网络节点之间的互相发现

和协作都是一个关键问题。为此，分布式网络可以引入

一个新的网络功能或增强原有网络功能，用于维护网络

节点粒度的网络节点信息，以及作为节点的代理功能实

现网络节点信息在网络节点之间的信息交互，使能实现

网络节点间的即插即用和可信交互。

2.4　星载轻量化核心网技术

针对星上载荷资源有限的特点，传统为地面网络设

计的核心网架构存在一定不足。包括：标准定义的网元

类型较多，网元之间分工比较细，交互流程较多，不利

于核心网提供高效的业务服务能力；网元数量较多，加

大了系统复杂性，同时对设备能耗需求较大，不利于长

时间的通信，特别是应急通信场景应用；网元数量较多，

加大了部署的难度，不利于快速组网。因此，星地融合

·72·

第 3 期 宋雅琴等：星地融合网络的组网关键技术探讨

网络在设计之初，就需要考虑星载核心网的轻量化需

求 ， 应 进 行 网 络 逻 辑 功 能 的 重 构 、 接 口 及 协 议 的

优化[13]

。

为了支持星载核心网的轻量化设计，一方面网络功能

和网络服务需要支持定制化，支持不同应用的个性化需

求。例如，卫星载荷有限的UPF无须支持下行分组缓存功

能；无须对用户进行基于业务流的细粒度计费与策略控制

时，UPF无须支持数据包深度解析功能；当行业用户存在

众多设备接入核心网时，则需要支持帧路由功能。基于该

需求，考虑到星地资源的异构和不均衡等特性，基于NFV

技术实现底层软硬件资源的充分解耦，构建星地统一的资

源池，提高异构节点上资源的通用性，将物理设备和网络

功能分离，可以支持网络功能的定制化重构和动态性调

整，增加网络柔性，提升网络的适应能力[23]

。

考虑到业务类型丰富，对网络服务的颗粒度需求精

细，可以基于云原生和微服务技术将网元进行细粒度分

割，将每个网元解耦为一组独立网络功能 （Network

Function，NF），每个 NF再解耦为多个NF服务，更好地

契合不同业务场景。同时，根据应用场景的特点，不同

的网元可以进行按需裁剪与重构，可以裁剪对于天基网

络来说冗余的网元，也可以合设功能类似、流程联系紧

密的网元，从而将原外部接口交互变成组件内部的通信，

节省系统内存资源和计算资源的开销。例如，通常无须

对行业用户进行精细的基于业务流的策略与计费控制，

那么可以裁剪策略控制功能 （Policy Control Function，

PCF），在会话管理功能 （Session Management Function，

SMF） 本地预配置静态策略控制规则；轻量化核心网配

置规模和数量较小时，特别是单颗卫星自成系统时， NF

之间的业务逻辑关系相对固定，可以通过本地配置方式

固化通信对端，直接调用目标 NF的服务，实现轻量化核

心网内部网络功能的自发现。

除了核心网自身的轻量化设计，针对星上同时部署

基站和核心网的情况，还可以对星载基站和核心网进行

一定的重构优化。在控制面方面，可以将基站 CU 和

AMF合设优化，减少两者之间数据的封装与解封装；在

用户面方面，基站DU和UPF合设优化，N3接口的数据

可直接进行路由转发，从而节省星载系统空间，减少内

存资源、频谱资源和计算资源的使用。

3　星地融合组网实验验证

为了对星地融合组网进行可行性验证，本文使用在

实验室自研搭建的移动通信网络验证平台。首先，考虑

到卫星网络和地面网络的资源的巨大差异性，以5G系统

为例，在地面部署3GPP定义的标准化5G核心网[24]

，在

星上部署经过网络功能裁剪和合设之后的轻量化核心网，

验证轻量化核心网上星的资源占用情况以及典型流程的

耗时情况。然后，将上述卫星网络和地面网络使用统一

的云化平台和管控功能进行部署和管理，构建跨卫星和

地面的3个典型业务网络切片，对星地融合组网时多业务

网络切片共存且可同时激活进行实验验证。该平台基于

NFV[25]

技术将网络资源抽象成虚拟资源池，支持网络功

能的灵活动态部署；基于软件定义网络 （Software De‐

fined Network， SDN）[26] 技 术 实 现 用 户 面 的 控 制

（UPFC） 与转发 （UPFU） 分离，屏蔽底层物理网络在通

信协议上的差异。

以 3GPP 定义的标准化 5G 系统为例，在地面部署标

准化核心网，包括注册和会话建立相关的 AMF、SMF、

UPF、UDM、PCF、NSSF、AUSF 和 NRF 等 8 个典型网

络功能。当使用基于容器[27]

的编排管理系统进行网络功

能的部署时，每个 NF 的容器镜像包约为 600 MB，可以

估算标准化核心网需要占用约4.8 GB的存储空间，这对

于星上的宝贵资源是不利的。为此，在星上部署对标准

化定义的网络功能进行按需定制、裁剪和合设后的轻量

化核心网，考虑核心网上星的最小 NF 集 （包括 AMF、

SMF、UPF），将其他NF的必要功能合设于这3个NF中，

例如在 AMF 中融合了切片选择 NSSF、签约数据管理

UDM、鉴权 AUSF 等功能，SMF 中融合了 PCF 等功能。

经过对比，从地面标准核心网系统8个NF到星载轻量化

核心网系统3个NF，总的镜像包存储空间将减少63%。

接下来测试系统在稳定运行时，轻量化核心网和标

准化核心网在CPU和内存资源方面的占用情况。分别进

行轻量化 （图中标注 L） 核心网和标准化 （图中标注 S）

核心网的部署，从系统开始部署到进入稳定状态，约10

min后，每隔10 s记录一次抽样结果。图3所示是总计9

次抽样的 AMF、SMF、UPFC 3 个 NF 的资源占用情况。

可以看到，轻量化核心网由于代码量减少和 NF 重构优

化，减少了 NF 数量以及 NF 之间的消息交互处理操作，

资源占用情况明显有所改善。

然后，测试轻量化核心网和标准化核心网在注册过

程和 PDU 会话建立过程中的耗时情况，具体见表 1。由

于NF的裁剪、注册过程和PDU会话建立过程中都会减少

一些NF间的交互消息，因此过程中的耗时都会降低。同

时，由于注册过程本身比 PDU 会话建立过程的步骤少，

因此注册过程耗时减少的百分比更高一些。

·73·

天地一体化信息网络 第 5 卷

最后，将上述地面标准化核心网和星上轻量化核心

网进行融合组网，将星载轻量化核心网部署于普通笔记

本电脑，将地面标准化核心网部署于x86服务器，并构建

跨星地的 3 个典型业务的网络切片进行实验。如图 4 所

示，部署卫星宽带接入、卫星物联网和卫星中继传输3种

业务的网络切片，主要配置信息见表2。

针对3种业务的网络切片，模拟宽带UE注册，选择

卫星宽带接入网络切片建立PDU会话并访问地面业务服

务器1，进行宽带接入下行数据大带宽特征的视频播放业

务；物联网UE访问星载物联网业务服务器，模拟物联网

数据采集业务间隔采样、短报文的特征，使用测试仪

表突发 1 KB 小数据包；中继传输 UE 访问地面业务服

务器 2，模拟卫星中继数据回传业务上行数据大带宽特

征，使用测试仪表，分别以低于切片最大带宽和高于切

片最大带宽的速率向地面业务服务器回传数据。测试结

果表明，3种业务的网络切片可以共存，宽带业务的视频

播放正常；物联网业务无丢包；中继传输业务当测试仪

表以低于切片最大带宽的速率发送回传数据，无丢包，

超过切片最大带宽时开始出现丢包。

通过上述实验，初步实现了对星地融合组网时，结

合星地资源特性的星载核心网网络功能的轻量化柔性分

割、服务定制、流程简化，以及跨星地的多业务网络切

8

7

6

5

4

3

2

1

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9

aAMF-CPU

cSMF-CPU

bAMF-6*

dSMF-6*

eUPFC-CPU fUPFC-6*

170

165

160

155

150

145

140

135

6

*

D

B

C

A

9

3/MiB 6

*

D

B

C

A

9

3/MiB 6

*

D

B

C

A

9

3/MiB 180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

12

10

8

6

4

2

0

14

12

10

8

6

4

2

0

300

250

200

150

100

50

0

L-AMF-M

S-AMF-M

L-SMF-M

S-SMF-M

L-UPF-M

S-UPF-M

L-AMF-C

S-AMF-C

L-SMF-C

S-SMF-C

L-UPF-C

S-UPF-C

CPU

D

B

C

A

9

3//

/ CPU

D

B

C

A

9

3//

/ CPU

D

B

C

A

9

3//

/

;005*?/*

;005*?/*

;005*?/*

;005*?/*

;005*?/*

;005*?/*

图3　稳定运行时资源占用随时间的变化情况

表2 星地融合3种网络切片主要配置信息

切片

宽带接入

物联网

中继传输

NF位置

地面

GEO

GEO和NGSO

业务

视频

小数据包

回传数据

表1 注册和会话建立过程耗时情况

过程

注册

会话建立

轻量化耗时

25 ms

220 ms

标准化耗时

75 ms

330 ms

对比

降低67%

降低33%

·74·

第 3 期 宋雅琴等：星地融合网络的组网关键技术探讨

片共存的可行性验证。面向未来，还需要从不同的组网

策略和关键技术方面展开更加深入和丰富的验证和

测试。

4　结束语

随着无线通信技术和卫星通信技术的发展，星地融

合组网将成为未来网络发展的重要趋势。星地融合组网

的灵活性是一个核心需求，以实现卫星网络和地面网络

的互联互通和高效协同。针对卫星的动态性、高传输时

延、资源有限等特征，星地融合网络需要基于分层分域

的网络特性进行技术的适应性优化，从而降低网络架构

的复杂性。在网络架构和关键技术的理论研究基础上，

还需要不断完成相关技术的可行性验证工作。

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+6(D//?=

+6,

UDM PCF NSSF AUSF

NRF

;2 ;2

3*19

A>88

>4=

A>88

D0*;

A>88

66?B

0C<?

66

?B0C S-UPF-U

663*

UE

66>4=

UE

66D0

UE

UPF-C

UPF-U

+6A>

->81

+6A>

->82

NGSO

>?,

GEO

>?,

S-AMF S-SMF

S-UPF-U ?B>4=

A>->8

?B94/

/?=

图4　星地融合组网验证系统

·75·

天地一体化信息网络 第 5 卷

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·76·

第 3 期 宋雅琴等：星地融合网络的组网关键技术探讨

[作者简介]：

宋雅琴 （1993—），女，博士，中级工程师，

主要研究方向为6G网络架构、星地融合、数

据服务等。

徐晖 （1969—），女，博士，教授级高级工程

师，主要研究方向为移动通信核心网、星地融

合网络技术和移动通信安全等。

刘险峰 （1982—），女，硕士，中级工程师，

主要研究方向为星地融合网络和网络切片等。

曹彩红 （1994—），女，硕士，中级工程师，

主要研究方向为6G网络架构、星地融合、可

编程网络等。

程志密 （1980—），女，博士，高级工程师，

主要研究方向为移动通信核心网、星地融合网

络技术、确定性网络技术等。

王胡成 （1983—），男，博士，教授级高级工

程师，主要研究方向为移动通信网络和星地融

合网络的架构、组网以及协议等。

·77·

第 5 卷第 3 期

2024 年9 月

天 地 一 体 化 信 息 网 络

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.5 No.3

September 2024

基于OFDM的星地一体化通信用户接收终端钟差同步校正

罗瑞雪，李 昱，王 鑫，马 冲，宋广磊

（国网新疆电力有限公司信息通信公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

摘 要：为了提升星地一体化通信用户接收终端钟差的同步校正准确度，提出基于正交频分复用（Orthogonal Frequency Divi‐

sion Multiplexing，OFDM） 技术的星地一体化通信用户接收终端钟差同步校正方法。解析星地一体化通信过程中相对论效应

产生的通信钟差干扰；根据校正的需求，求解接收信道的最优方向角，优化用户接收终端的接收信道；在此基础上，结合

OFDM信号特点，根据通信信号的发射周期，将信号划分为不同的时间窗；建立同步校正的度量函数，估计OFDM信号的符

号起始位置，通过预估误差补偿实现了对钟差的同步校正。经过实验测试可知，应用该方法进行OFDM信号校正处理后，通

信信号波形更加规律；应用该方法进行钟差校正后钟差值较小，提升了星地一体化通信用户接收终端钟差同步校正的准确度。

关键词：钟差同步校正；用户接收终端；星地一体化；OFDM；通信时钟；时钟误差

中图分类号：TM73

文献标识码：A

doi：10.11959/j.issn.2096-8930.2024030

Clock Synchronization Correction of User Receiving

Terminals in Satellite Ground Integrated

Communication Based on OFDM

LUO Ruixue, LI Yu, WANG Xin, MA Chong, SONG Guanglei

State Grid Xinjiang Electric Power Co., Ltd., Information and Communication Company, Urumqi 830000, China

Abstract: In order to improve the accuracy of clock synchronization correction for the receiving terminal of integrated satellite ground

communication users, a clock synchronization correction method for the receiving terminal of integrated satellite ground communica‐

tion users based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technology was proposed. Analyzed the communication

clock bias interference caused by relativistic effects in the process of integrated satellite ground communication. According to the cali‐

bration requirements, solved the optimal direction angle of the receiving channel and optimized the receiving channel of the user's re‐

ceiving terminal. Based on this, combined with the characteristics of OFDM signals, the signal was divided into different time windows

according to the transmission period of the communication signal. Established a measurement function for synchronous correction, esti‐

mated the symbol starting position of OFDM signals, and achieved synchronous correction of clock bias through error compensation es‐

timation. After experimental testing, it was found that applying this method for OFDM signal correction processing resulted in a more

regular waveform of the communication signal. After applied this method for clock bias correction, the clock bias was relatively small,

which improved the accuracy of clock bias synchronization correction for satellite ground integrated communication user receiving ter‐

minals.

Keywords: clock offset synchronization correction, user receiving terminal, integration of satellite and ground, OFDM, communication

clock, clock error

收稿日期：2024-05-11；修回日期：2024-08-20

第 3 期 罗瑞雪等：基于OFDM的星地一体化通信用户接收终端钟差同步校正

0　引言

星地一体化通信将卫星通信与地面通信融为一体，

实现了大范围的高效数据信息传输。然而卫星和用户接

收终端之间的路径问题，导致在星地一体化通信的用户

接收终端中存在一定的时钟误差[1]

。在星地一体化通信

系统中，时钟误差可能来源于多个方面，包括地面站和

卫星之间的相对运动 （多普勒效应）、时钟源的不稳定性

以及信号传输过程中的时延变化等。基于此，为了实现

更优的星地一体化通信，对时钟误差 （简称钟差） 进行

同步校正受到了领域内的广泛关注。对此很多研究人员

提出了钟差同步校正方法。

参考文献[2]设计了结合贝叶斯网络以及加权最小二

乘法的钟差同步校正方法，分析了通信协议并解析其中

影响钟差的强非线性特征，利用解析结果构建贝叶斯网

络。通过网络的耦合运算迭代，估计其线性消元系数。

结合加权最小二乘法，对特征部分进行闭式定位，从而同

步校正相应的钟差。在实际应用中，该方法对特征部分进

行闭式定位，难以灵活适应星地一体化通信场景干扰下的

时钟误差，影响了校正结果的准确度。参考文献[3]设计了

基于神经网络自适应控制的钟差同步校正方法。解析各

传输节点之间的理论钟差值，结合传输链路中的时延误

差，建立基于卡尔曼滤波的钟差模型。在该模型中添加

神经网络自适应控制算法，求解需校正的钟差值。但其

应用到星地一体化通信场景中，在卫星信号受到干扰

时，依赖输入信号进行优化训练的神经网络的自适应能

力将受到严重影响，从而导致钟差同步校正的准确度下

降。参 考 文 献[4]设 计 了 基 于 精 确 时 间 协 议 （Precise

Time Protocol，PTP） 的钟差同步校正方法。在控制算

法的基础上，改进其中的时钟伺服模式，并结合PTP计

算通信过程中的网络时间比例系数以及积分系数。在此

基础上，求解钟差校正的极限阈值，由此推导出需校正

的补偿偏差，实现了钟差校正。PTP 对网络环境的要求

较高，如果遇到突发的网络拥堵现象，将大幅度降低钟

差同步校正的准确度。参考文献[5]设计了基于电力线载

波通信协议的钟差同步校正方法。综合分析电力线载波

通信协议中的多级中继对时，利用其中的介质层协议，

将通信载波扩展为信标帧的数据域。在扩展所得的数据

域中分析时钟误差的累积因素。在此基础上通过整合载

波信号的采样时间，估计钟差校正的下行逐级校正确认

帧，实现对钟差的同步校正。但该方法依赖通信协议而

没有根据通信信号的发射周期划分信号时间窗，容易在

星地一体化通信场景中出现误差估计偏差，影响后续校

正结果的准确度。参考文献[6]设计了基于分数型锁相

环的钟差同步校正方法。采集分析通信数据的时间戳，

结合数据时间戳间隔的时钟同步算法，设计相应的高

频率分数型锁相环。通过调节锁相环的时钟变量，计

算出最优的时钟误差调整参数，以此实现对钟差的同

步校正。该方法使用的分数型锁相环的结构相对复杂，

往往需要通信路径中多个组成部分的精确配合，如果

各部分配合性能不佳，将在很大程度上降低钟差同步

校正的准确度。

考虑到上述文献所提出的时钟同步校正方法无法满

足当前星地一体化通信场景下时钟同步校正准确度的需

求，因此，本文以国网新疆电力有限公司的星地一体化

高精度位置服务系统建设实施项目为依托，结合正交频

分复用的多载波传输技术，设计了一种基于OFDM的星

地一体化通信用户接收终端钟差同步校正方法。该方法

通过解析星地一体化的钟差值干扰，优化了接收信号；

结合OFDM通信特征，创新性地将计算的通信钟差值整

合到划分的时间窗中，以累加后的时间窗作为钟差同步

的判决变量，实现了准确度较高的钟差同步校正。

1　星地一体化通信用户接收终端钟差同步校

正方法设计

1.1　星地一体化钟差误差源分析

在星地一体化通信中，钟差的产生有着多种误差源。

针对这一问题，本文对造成星地一体化通信用户接收端

钟差的误差源分别进行了解析。

由于卫星相对于地面站以高速运动，卫星上搭载的

时钟与地面上的时钟所受到的引力并不相同，产生了相

对论效应下的钟差[7-9]

。针对这一特性，解析相对论效应

产生的通信钟差干扰。

计 算 由 相 对 论 效 应 引 起 的 距 离 误 差，如 式 （1）

所示[10-11]

ΔH = - 2 bGε

d sin λ (1)

式中，ΔH表示距离误差，λ表示卫星的偏近点角，b表示

卫星轨道长半径，ε 表示地球质量，G 表示万有引力常

数，d表示引力波速度。

此外，卫星在太空中将会进行一定的旋转操作，

产生载波相位观测的钟差[12-13]

。针对这一特性，本文

计算星地一体化通信中，相位缠绕误差导致的钟差，

如式 （2） 所示

·79·

天地一体化信息网络 第 5 卷

Δφ = Z (d ) arccos

( β

| A|) (2)

式中，Δφ表示相位缠绕误差，A表示有效偶极向量，Z表

示载波相位观测值，β 表示卫星到用户接收终端的单位

向量。

在星地一体化通信的过程中，通信信号的传播将穿

过大气环境中的电离层和对流层。在这一过程中，受到

高能粒子等物质的影响，在用户接收终端将产生一定的

钟差。对这一误差源进行计算，如式（3）所示

ì

í

î

ïï

ïï

ΔΨ1 = - 1

f 2 ∫j

Nedj

ΔΨ2 = n1 ƛ + n2 ƛ

(3)

式中，ΔΨ1 和 ΔΨ2 分别表示电离层和对流层产生的钟差

值，j表示星地一体化通信在电离层中的传播路径，f表示

信号频率，Ne表示电离层中的高能粒子密度，n1和n2分

别表示对流层的干延迟和湿延迟，ƛ表示星地一体化通信

在对流层的倾斜路径。

通过上述步骤分析星地一体化通信过程中，用户接

收终端的误差源，并进行了相应的量化计算。

1.2　优化用户接收终端的接收信道

基于上述解析的星地一体化通信钟差干扰与信道传

输情况有关，因此本文对用户接收终端中的通信接收信

道进行了优化。

当卫星端广播发射出通信波束后，定义通信数据的

源节点，以及在用户接收终端中的目的节点。根据连接

两个节点与地心之间的三角关系，从而得到通信信道的

最优方向角，如图1所示[14-16]

。

利用图1所示的用户接收终端的目的节点与星下点之

间的弧线长度，计算接收信道的圆心角 α，如式 （4）

所示

α = 180l

πR (4)

式中，l表示弧线长度，R表示球半径。

在圆心角的弧度范围内，构建接收信道的中继节点。

本文结合余弦定理，在圆心角的范围内耦合上述计算所

得的通信钟差值，求解接收信道的最优方向角 Φ，如

式 （5）所示

Φ = arcsin

( ) R sin (180l/πR)

TH d + R ⋅ TI 2R cos α + R2 (5)

利用求解得到的最优方向角，筛选出中继节点利用

率最大化的接收信道。连接选定的中继节点与源节点、

目的节点，构建用户接收终端的接收信道[17-19]

。接收信

道的表达式如下

y = E0 (d2 + h 2 )X + ( nS

D )

ζ (6)

式中，y表示优化的接收信道，E0表示卫星广播通信子载

波的最大发射功率值，X表示目的节点，D表示源节点，

S表示通信时隙，ζ表示加性噪声。

通过上述步骤，完成在用户接收终端对钟差值的解

析，以及接收信道的优化建立。

1.3　针对OFDM同步校正通信接收终端钟差

在优化的用户接收终端接收信道中，通过解析每个

通信信号发射周期的钟差状态，以卫星地面基准站作为

时间校正基准，利用电力北斗星地一体化高精度位置服

务系统的全国参考站网，针对OFDM同步校正通信信号

生成钟差同步校正数。

由于星地一体化通信OFDM信号与传统的单载波信

号不同，容易产生子载波间干扰，因此需要更精细的钟

差同步算法来减少干扰的影响。同时，钟差同步算法需

要确保校正窗口能够准确对齐到OFDM信号符号的起始

点。根据以上OFDM信号特点，本文根据通信信号的发

射周期，将其划分为不同的时间窗。将计算的通信钟差

值整合到划分的时间窗中，并在给定的范围内累加信号

的时间窗，降低载波干扰[20-22]

。以累加后的时间窗作为

钟差是否同步的判决变量，保证校正窗口能够准确对齐

到OFDM符号的起始点。判决变量的定义如式（7）所示

M = ∑i = 1

L - 1

r| B - 1|

2 (7)

式中，M表示判决变量，r表示累加时间窗范围系数，B

表示时间窗的窗口宽度。

根据定义的钟差同步判决变量，建立同步校正的度

量函数。以判决变量在信号中的最大定时估计点作为函

数的零值，结合计算的通信钟差的指数项，则同步校正

>?fflB1+ffl

?>+

A/1;D,

ffl6+1+ffl

+?

α

Φ

图1　通信信道的方向角示意

·80·

第 3 期 罗瑞雪等：基于OFDM的星地一体化通信用户接收终端钟差同步校正

度量函数的表达式如下

W (t ) = ∑n = 1

N

2 - 1

r(M +

N

2 )

T (8)

式中，t 表示通信信号的时间窗节点，W (t ) 表示相应时

间节点下的同步校正度量函数，N 表示信号符号的开始

位置。

在该函数的表达式中添加OFDM信号符号，以地面

基准站的时钟零均值作为钟差时间基准进行钟差估计。

首先估计OFDM信号的符号起始位置，其中，OFDM信

号符号的表达式如下[23-26]

s =

ì

í

î

ï

ïï

ï

ï

ï

ï

ï

∑n = 1

N - 1

xe

2π (m + N )

N , M ∈ N - 1

∑n = 1

N - 1

xe

2π (m - N )

N , M ∉ N - 1

(9)

式中，s表示OFDM信号符号，x表示卫星广播的原始通

信信号，e表示自然常数，m表示OFDM信号循环前缀的

采样长度。

将OFDM信号符号作为未知数代入同步校正度量函

数中，得到估计的OFDM信号符号起始位置。在此基础

上，得到同步校正后的通信信号，如图2所示。

如图2所示，通过在原始的星地一体化通信信号的基

础上添加融合预估钟差值的OFDM信号符号，得到钟差

同步校正后的通信信号。校正后的OFDM信号表达式如

式（10）所示

F (t ) = I0∑

k = 0

N - 1

( De2πf + X ) (10)

式中，F (t ) 表示同步校正钟差的 OFDM 信号，I0 表示

OFDM信号的复包络。

通过上述步骤，实现基于OFDM的对星地一体化通

信用户接收终端钟差的同步校正。

2　通信钟差校正测试

2.1　星地一体化通信

本次测试以国网新疆电力有限公司开展的星地一体

化高精度位置服务系统建设实施项目为依托，对其通信

用户接收终端的钟差进行同步校正测试。

该项目已建成的基准站包含亚米级、分米级、厘米

级和后处理毫米级等多个精度。各基准站之间的组网形

式如图3所示。

基于如图3所示组网的基准站，建立星地一体化通信

的电力北斗精准服务网。在此基础上，构建星地一体化

通信的服务架构，如图4所示。

如图4所示，星地一体化通信采用星上处理模式，在

通信服务架构中，观测站运维模块、星地一体化服务解

算模块以及播发及终端定位模块为通信架构的核心服务

模块。以该架构中的观测站运维系统作为星地一体化通

信用户接收终端开展钟差的同步校正测试。

2.2　接入卫星选择

根据本次测试的需求，为星地一体化通信服务架构

选择合适的接入卫星。

为实现星地一体化增强数据的上行，本次测试选择

中国空间技术研究院设计制造的中星6D卫星接入通信服

务架构中。该卫星平台为东方红四号增强型，以三轴实

现卫星稳定，轨道位置在125°E。通过双线极化的Ku频

段覆盖本次测试的通信范围。将该卫星接入星地一体化

通信的过程中需要调制解调器等设备，本次测试所选用

的各设备参数见表1。

利用上述参数的设备将选择的中星6D卫星接入通信

服务架构中。其中，OFDM波形相关参数见表2。

在此通信环境下，对网络用户模块的用户接收终端

钟差进行同步校正。

2.3　钟差同步校正分析

依托星地一体化通信环境，采用本文所设计的校正

方法对其用户接收终端的钟差进行同步校正。根据本文

=??/

@/8D

OFDM?/-/

N+;0*

图2 OFDM同步校正信号示意

图3　星地一体化通信基准站组网形式

·81·

天地一体化信息网络 第 5 卷

方法分析星地一体化通信的干扰对通信信号造成的抖动，

如图5所示。

由图5可知，星地一体化通信在用户接收终端中的信

号抖动与信号频率偏移参数之间呈线性关系。根据这一

特性，采用本文方法对接收终端的通信钟差进行分析，

并通过OFDM同步校正通信信号。经校正处理后，通信

信号波形如图6所示。

.)CB>>= ?+A</->1<>= ),0D,,>>=

+/>?

BDS/GPS/

GLO/GAL

;21;B

,,-> ?>,4

>0** ;23 /*-> -2,,>D,

.+1<

D)1<

?>?;

8)1<

9B*8

-C1<

?>,4 Caster

D?6D

>?

/4=

9B.)C

图4　星地一体化通信服务网络架构组成

表1 星地一体化通信设备参数

设备

服务器

调制解调器（网管）

调制解调器（业务）

网管服务器

网络优化设备

交换机

参数

12台：8核16 GB

3台：2核4 GB

4台：4核8 GB

工作频段：950~1 950 MHz

地面接口协议：传输控制协议（Transmis‐

sion Control Protocol，TCP）/互联网协议

（Internet Protocol，IP）

调制方式：出境支持正交相移键控

（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）

符号速率：0.3 ~ 1 Mbit/s

工作频段：950~1 950 MHz

地面接口协议：TCP/IP

调制方式：出境支持QPSK

符号速率：0.3~1 Mbit/s

内存：16 GB

网络接口：100 M/1000 M传输速率网络接口

硬盘控制：支持硬盘阵列

电源：双电源

输入电压：100~240 VAC，50/60 Hz

内存：16 GB

网络接口：100 M/1000 M传输速率网络接口

硬盘控制：支持硬盘阵列

电源：双电源

输入电压：100~240 VAC，50/60 Hz

包转发率：252 Mbit/s

接口类型：支持10/100/1000Base-T以太

网端口

接口数目：24口

传输速率：支持100/1 000 Mbit/s

MAC地址表：16 K

数量/台

19

1

1

1

1

1

表2 星地一体化通信OFDM波形参数

参数

子载波数量

符号周期

循环前缀长度

调制方式

子载波间隔

数值

512个

20 μs

1/16

16QAM

15 kHz

0

10

20

30

40

400 800 1 200 1 600

10

20

33

,

,/ns

858A/(Mbit·s−1

)

图5　信号干扰抖动

·82·

第 3 期 罗瑞雪等：基于OFDM的星地一体化通信用户接收终端钟差同步校正

如图 6 所示，根据本文方法校正后的 OFDM 信号在

信号的首端呈现出星地一体化通信信号的初始波形，信

号幅值较为规律，稳定实现了对星地一体化通信的钟差

同步校正。

2.4　校正准确度分析

采用参考文献[3-5]所提出的钟差同步校正方法作为

对照组，与本文方法对比分析在实践应用中的校正准

确度。

经过测试，得到不同方法对同一通信场景下的钟差

同步校正结果如图7所示。

在本次测试中，通过在用户接收终端测定通信的钟

差值来分析各方法的应用性能。分析图7可知，随着星地

一体化通信的集成周期不断增加，本文所提方法所表现

出的钟差值最小，表明该方法校正后的通信钟差有着大

幅度降低。其他几种方法均与本文方法的校正结果有着

较大的差距。

由此可见，本文所设计的钟差同步校正方法在星地

一体化的实践应用中表现出了准确度和有效性更高的用

户接收终端钟差同步校正性能。

3　结束语

本文面向星地一体化通信领域用户通信终端存在的

钟差问题，设计了基于OFDM的钟差同步校正方法。实

验表明，该方法具有较高准确度的同步校正结果，应用

性能良好。

在后续的研究工作中，还需针对星地一体化的通信

环境参数进行解析，从而推导出更加精确的钟差值，以

便后续的同步校正工作，进而提高星地一体化通信的整

体质量。

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0

1

0 50 100 150 200 250 300 350

;0/ms

-

D/V

0.5

−0.5

−1

图6 OFDM信号波形

300

400

500

200

100

0

1 2 3 4 5 6 7 8

0)D8

(

+

D

)

D/ns

)2>>[3],,

)2>>[4],,

)2>>[5],,

(>,,

图7　校正后钟差值对比

·83·

天地一体化信息网络 第 5 卷

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Radio Science, 2023, 38(1): 87-95.

[25] 李荣春, 周鑫, 王庆林, 等. 基于GPU的卫星通信基带处理高吞

吐率并行算法[J]. 计算机工程与科学, 2023, 45(10): 1720-1730.

LI R C, ZHOU X, WANG Q L, et al. GPU-based parallel algorithm

for high throughput of satellite communication baseband processing

[J]. Computer Engineering and Science, 2023, 45(10): 1720-1730.

[26] 颜培杰, 储飞黄, 王梦阳. 基于“电磁陷阱”的自适应卫星通信干

扰策略[J]. 兵工自动化, 2024, 43(4): 33-39.

YAN P J, CHU F H, WANG M Y. Adaptive satellite communica‐

tion jamming strategy based on \"electromagnetic trap\" [J]. Ord‐

nance Automation, 2024, 43(4): 33-39.

[作者简介]：

罗瑞雪 （1994- ），女，本科，中级工程师，

主要研究方向为电力通信新技术应用。

李昱 （1996-），男，本科，助理工程师，主要研究方向为电力

通信新技术应用。

王鑫 （1988-），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为电力

通信新技术应用。

马冲 （1993-），女，本科，中级工程师，主要研究方向为电力

通信新技术应用。

宋广磊 （1990-），男，本科，中级工程师，主要研究方向为电

力通信新技术应用。

·85·

第 5 卷第 3 期

2024 年9 月

天 地 一 体 化 信 息 网 络

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.5 No.3

September 2024

3GPP 5G NTN接入网最新技术进展和发展趋势

张 路，王 雪，芒 戈，王高健，张少伟，钟 华，章 扬，朱雪田

（中国星网网络创新研究院有限公司，北京 100029）

摘 要：在卫星互联网技术体制的多种路线中，基于3GPP 5G非地面网络（Non-Terrestrial Networks，NTN）演进的技术体制

因其适配3GPP国际标准，可以充分复用地面网络及终端的成熟产业链，同时大幅降低空间段研制部署的技术难度和成本，并

且使系统具有面向未来6G移动通信时代的持续演进能力。聚焦于3GPP 5G NTN的接入网，在简要回顾3GPP Rel-17中引入的

第一个5G NTN标准版本的主要内容后，首先介绍2024年6月正式发布的3GPP Rel-18中的技术进展，然后概述近期开启研讨

的3GPP Rel-19中的技术议题，最后描述对未来3GPP Rel-20+中技术发展趋势的展望。

关键词：3GPP 5G NTN；RAN；最新技术进展；技术发展趋势

中图分类号：TN927

文献标识码：A

doi：10.11959/j.issn.2096-8930.2024032

Latest Progress and Future Trends of Technologies Used by

RAN for 3GPP 5G NTN

ZHANG Lu, WANG Xue, MANG Ge, WANG Gaojian, ZHANG Shaowei, ZHONG Hua, ZHANG Yang, ZHU Xuetian

China Satellite Network Innovation Co. Ltd., Beijing 100029, China

Abstract: Among multiple technical routes qualified for building satellite networks, the route which is based on 3GPP 5G NTN and its

evolution has its own unique advantages, including fully reusing the mature industry chains of network equipment and terminal for ter‐

restrial networks, dramatically reducing the difficulty and cost of the development and deployment for space segment, and enabling the

smooth and continuous evolution toward the future 6G systems. Focused on RAN for 3GPP 5G NTN, after briefly reviewed the key

contents of the first version of 5G NTN standard introduced in 3GPP Rel-17,this paper firstly summarized the technical progress in

3GPP Rel-18 which had been officially published in 2024 June, then introduced the technical topics in 3GPP Rel-19 which had started

the formal discussions recently, and finally looked into the technology trends in future 3GPP Rel-20+.

Keywords: 3GPP 5G NTN, RAN, latest technical progress, outlook for technology trend

0　引言

卫星互联网技术体制当前主要包括如下3种路线：专

用技术体制、适配现有地面移动通信系统的技术体制和

基 于 3GPP 5G 非 地 面 网 络 （Non-Terrestrial Networks，

NTN） 演进的技术体制。本文聚焦于对3GPP 5G NTN的

接入网（Radio Access Network，RAN）的分析

3GPP 的第 15 个版本 （Rel-15） 和 Rel-16 对 5G NTN

做了比较充分的研究。Rel-17正式完成了对5G NTN的基

本支持。接下来，针对3GPP 5G NTN的接入网，在简要

回顾 Rel-17 的主要内容后，本文将重点介绍其最新技术

进展，并对其技术发展趋势进行展望。

1 Rel-17中5G NTN接入网的关键标准内容

在Rel-17引入的第一个5G NTN标准版本里，接入网

侧的标准内容主要包括对场景/架构和可用频谱的定义，

用于对抗“大”传输时延和“高”多普勒频移的功能增

强，移动性管理增强以及其他一些适配性设计或增

强[1-6]

。下面选择一些关键内容进行简要回顾。

收稿日期：2024-03-08；修回日期：2024-07-20

第 3 期 张路等：3GPP 5G NTN接入网最新技术进展和发展趋势展望

1.1　对场景/架构和可用频谱的定义

支持如下的卫星类型：地球同步轨道 （GSO） 卫星、

包括低轨 （LEO） 和中轨 （MEO） 卫星在内的非地球同

步轨道（NGSO）卫星。GSO卫星投射到地面的小区模式

为地面静止小区 （在某些文献中也被称为凝视小区），而

NGSO卫星投射到地面的小区包括两种可能的模式：地面

移动小区和地面准静止小区。地面静止小区是指卫星投

射到地面的小区相对于地面静止；地面移动小区是指卫

星投射到地面的小区跟着卫星一起移动 （这种情况下卫

星的天线一般是与地面垂直的）；地面准静止小区是指卫

星在移动过程中通过调整天线指向角度，在一个有限的

时间段内对地面上某个给定区域进行定点覆盖，然后在

接下来的另一个有限的时间段内对地面上另一个给定区

域进行定点覆盖。

在 Rel-17，只考虑透明转发架构 （也被称为弯管架

构）。在这种架构下，基站功能完全位于地面，卫星像一

个直放站，仅提供射频中继转发功能。

在3GPP 5G NTN中，星地无线通信的双工方式采用频

分双工（FDD）。在Rel-17，两个属于FR1（即3GPP定义

的410 MHz ~ 7.125 GHz的频率范围）的FDD频段已经被

确定用于5G NTN：n256（上行链路使用1 980~2 010 MHz，

下行链路使用2 170~2 200 MHz） 和n255（上行链路使用

1 626.5~1 660.5 MHz，下行链路使用1 525~1 559 MHz）。

1.2 用于对抗“大”传输时延和“高”多普勒频移的功能增强

1.2.1　用户侧的UE对“大”传输时延和“高”多普勒频移的

预补偿

卫星在新定义的被称为SIB19的系统消息中广播本星

和邻星的星历信息 （包括卫星的位置与速度信息）。此

外，终端设备 （UE） 需要配备GNSS模块。于是，根据

“由GNSS测量所获取的自身的位置信息”和“由接收卫

星广播的系统消息所获得的星历信息”，UE可计算出与

卫星之间的距离和相对速度，从而可进一步计算出用于

预补偿多普勒频移的频偏值和用于预补偿传输时延的定

时提前 （Timing Advance，TA） 值。UE在接入网络之前

完成时频偏预补偿之后，即可帮助星地通信实现良好的

上行时频同步。

1.2.2　定时关系增强

为了预补偿大数量级的信号传输时延，就需要使用

大数值的 TA，而这将会使得“对信号传输进行调度时

所确定的某些时序关系”出现本不应有的错位。例如：

对于一个在序号为m的下行时隙里接收到的下行链路业

务信道 （PDSCH） 数据包，UE 根据地面网络协议的规

定，预计会在序号为 m+K1 的上行时隙里发送相应的

HARQ 反馈；但是，由于 UE 使用了大数值的 TA，序号

为m+K1的时隙可能会被提前至序号为m的时隙之前，导

致 UE 无 法 在 正 确 的 时 间 发 送 混 合 自 动 重 传 请 求

（HARQ） 反馈。为了解决这类问题，3GPP 5G NTN协议

新引入了一个可由网络侧进行配置的参量Koffset。就上述

的例子而言，让UE在序号为m+K1+Koffset的上行时隙里发

送相应的HARQ反馈。

此外，用于进行上下行时序对齐的“定时参考点”

的位置可能并不会位于基站，从而导致基站侧的上下行

定时存在偏差。因此，3GPP 5G NTN协议新引入了另一

个会放在系统消息中进行广播的参量kmac，用于处理基站

侧上下行定时偏差对时序关系的影响。

1.2.3 HARQ增强

一个HARQ进程ID只能在相应的反馈被收到 （即在

相应的 HARQ 进程完结） 后才能被再次使用。在 NTN

中，星地链路上的“大”传输时延会使得在某些时段里

所有HARQ进程均被使用且未完结，从而使得系统无法

再发起新的数据传输。为了解决该问题，3GPP在Rel-17

将5G NTN所支持的最大HARQ进程数从地面5G网络所

支持的16个增至了32个。

对于GSO卫星，信号传输时延过大，如果想采用上

述办法来解决问题，需要将最大HARQ进程数增加到一

个当前硬件实现不可接受的数目。因此，3GPP 5G NTN

协议增加了“禁用HARQ反馈”的可选功能。对于某个

HARQ进程，若其被配置为“禁用HARQ反馈”，则基站

不必收到HARQ-ACK信息即可在同一进程调度新的数据

传输；此时，重传可由无线链路控制 （RLC） 层所支持

的较慢的反馈机制来处理。

1.3　移动性管理增强

在3GPP 5G NTN中，对于处于连接态的终端，建议

其 可 以 主 要 依 靠 条 件 切 换 （Conditional Handover，

CHO） 来完成越区切换。在Rel-17 NTN中，新增了基于

时间段和基于终端位置的两个CHO触发条件。不过，基

于时间段或者基于终端位置的触发条件需要与一个地面

网络一直在使用的基于信号质量测量的触发条件一起配

置。基于时间段的触发条件被定义为：只能在与“候选

目标小区对应的卫星飞临终端上空的时间”相关的某个

时段执行 CHO。基于终端位置的 CHO 触发条件 （也称

为 D1 事件） 被定义为：终端与服务小区的地面固定参

考点之间的距离变得大于相应阈值，并且终端与候选目

标小区的地面固定参考点之间的距离变得小于相应阈

·87·

天地一体化信息网络 第 5 卷

值；这个“固定”参考点的设计对于采用“地面移动小

区”设计的LEO卫星通信系统来说，需要网络侧频繁地

更新参考点，反复配置测量事件，系统复杂度和终端能

耗将会很高。

此外，在Rel-17 NTN中，对空闲态或非激活态终端

的小区重选，定义了基于时间和基于位置的邻区测量触

发机制。基于时间的邻区测量触发机制被定义为：不论

当前服务小区的服务质量如何，UE都需要在当前服务小

区的服务停止时间之前开启邻区测量。基于位置的邻区

测量触发机制被定义为：当服务小区的信号质量高于一

定水准时，如果终端与服务小区的地面固定参考点之间

的距离小于距离阈值，则终端可以不对同频邻区以及具

备相同或更低优先级的异频或异系统邻区进行测量；反

之，则需要进行测量。

一个NTN小区可能覆盖一个或多个省市，因此，一个

NTN小区可以包含地面网络中多个跟踪区域的范围。在

3GPP 5G NTN协议中，在通过卫星对跟踪区域码 （TAC）

进行广播的系统消息中，将每个运营商的每个小区可广播

的TAC数目从地面网络中所支持的1个扩展到了最多12个。

2 Rel-18中5G NTN接入网的最新标准化成果

在已经正式发布的Rel-18里，对于5G NTN接入网，

标准化工作的技术议题包括：对上行链路进行覆盖增强

（聚焦于使用商用智能手机与卫星进行通信的情况），拓

展5G NTN的部署频段至10 GHz以上，移动性和业务连

续性增强，以及让网络认证终端上报位置信息[2-5,7]

。下

面对5G NTN的这些最新标准化成果进行介绍。

2.1　上行覆盖增强

在对NTN的上行覆盖增强进行研讨时，重点关注如

何把地面网络使用的上行覆盖增强方案合理应用于NTN。

在 Rel-18 的最新进展中，已经明确会被纳入 3GPP 5G

NTN协议中的上行覆盖增强方案包括：对上行链路控制

信道 （PUCCH） 进行重复传输和对上行链路业务信道

（PUSCH）进行跨时隙联合信道估计。

关于对 PUCCH 进行重复传输，在 NTN 场景下，首

要考虑的是对随机接入过程中“携带 Msg4 HARQ-ACK

的PUCCH”进行重复传输。在实现该增强功能时，若终

端没有获得专用的资源配置，则可根据网络侧下发的参

数的指示，来确定PUCCH重复传输的时隙数。

关于对 PUSCH 进行跨时隙联合信道估计，具体而

言，这个功能是在对PUSCH进行重复传输时联合利用多

个时隙的解调参考信号（DMRS）一起进行信道估计，以

增强信道估计的精准度。要实现该增强功能，不论是在

NTN还是地面网络中，都必须保证DMRS在不同时隙上

的相位一致性和功率连续性。为此，不同时隙的PUSCH

传输需要满足一些条件，比如：调制阶数不变，传输功

率水平不变，资源分配的频域位置不变 （因此需引入新

的跨时隙跳频模式），不会发生上下行切换 （对时分双工

系统而言）等。

2.2　频段拓展至10 GHz以上

在Rel-18，对于10 GHz以上的频谱，3GPP确定了如

下3个可用于5G NTN的FDD频段，具体见表1。

2.3　移动性和业务连续性增强

2.3.1　无须执行随机接入的越区切换

基于3GPP 5G NTN在Rel-18的最新进展，UE在两个

NTN小区之间可以进行“无须执行随机接入的越区切换

（RACH-less HO） ”。RACH-less HO 的信令交互示意如

图1所示。

UE 执行 RACH-less HO 时，在越区切换的目标服务

小区中进行的第一次上行传输可以基于网络侧的动态授

权调度来进行，也可以基于网络侧在RACH-less HO命令

中预先给予UE的配置授权调度来进行。对于第一次上行

传输是基于动态授权调度来进行的情况，网络侧需要把

“与某个特定波束相关的信息”携带在 RACH-less HO 命

令中告知UE，使得UE可以在恰当的波束方向上监听目

表1 3个可用于5G NTN的FDD频段

NTN的操作频段

n512

n511

n510

上行链路（从地面到卫星）

27.5~30.0 GHz

28.35~30.0 GHz

27.5~28.35 GHz

下行链路（从卫星到地面）

17.3~20.2 GHz

17.3~20.2 GHz

17.3~20.2 GHz

8/99?>

8/99

?A?>

D,-2“6(?9+?3?>”/

“0AGNSS)40++D:>D?>”

0<AAB)),838A+88/

AAB))*;;@+TA

RRCD7D=)?>

RRCD7D?>

[('/BD,B6(->?9D

1?++A*:?*;D]

[?*RACH-less HO64A

06(?9+?3?>]

D, +8->?9 6(->?9

D,-2“6(?9+?3?>”/

“0AGNSS)40++D:>D?>”

0<AAB)),838A+88/

AAB))*;;@+TA

图1 RACH-less HO的信令交互示意

·88·

第 3 期 张路等：3GPP 5G NTN接入网最新技术进展和发展趋势展望

标服务小区下发的PDCCH，从而能及时获知动态授权调

度信息。对于第一次上行传输是基于配置授权调度来进

行的情况，UE会在完成第一次上行传输之后开始监听目

标服务小区下发的PDCCH。

UE 执行 RACH-less HO 时，在越区切换的目标服务

小区中进行的第一次上行传输里会包含“无线资源控制

（RRC） 重配置完成”消息。目标服务小区成功收到 UE

的第一次上行传输后会给 UE 做出确认，如果第一次上

行传输是基于配置授权调度来进行的，UE 在得到网络

侧的确认后，即会自主释放掉对相应的调度授权的

配置。

此外，对于一个处于RRC连接态的UE，当有上行数

据发送需求时，若UE没有用于发送调度请求 （Schedul‐

ing Request，SR） 的 PUCCH 资源，通常会触发 UE 执行

随机接入。如果某个 UE 被配置了 RACH-less HO，则不

再会因为要发送SR而触发UE执行随机接入。

在3GPP 5G NTN中，RACH-less HO既可以在同一卫

星内的越区切换场景中被支持（此时一颗卫星的覆盖区域

被定义为多个小区），也可以在不同卫星间的越区切换场

景中被支持（此时一颗卫星的覆盖区域被定义为一个或多

个小区），不论越区切换时是否会发生馈电链路的切换。

2.3.2　切换与小区重选时基于位置的触发条件的增强（针

对地面移动小区）

基于位置的 CHO 触发条件增强 （针对地面移动小

区）如图2所示。

在Rel-18 NTN，为了适配地面移动小区场景下卫星

覆盖区域随着时间的推移而不断变化的特点，对基于终

端位置的CHO触发条件进行了增强。具体地，基于局部

修改 Rel-17 中定义的 D1 事件 （参见第 1.3 节的第一段），

Rel-18 新定义了一个 D2 事件，其中进行修改的地方是：

将服务小区和候选目标小区的地面参考点从“固定”的

改为“移动”的；与“地面移动参考点”相对应的位置

信息会由网络侧通过系统消息广播给终端。

同时，在Rel-18 NTN，对小区重选时基于位置的邻

区测量触发机制，也针对地面移动小区场景进行了类似

的增强。具体而言，将 Rel-17 中定义的基于位置的邻区

测量触发机制 （参见第1.3节的第二段） 中所述的“地面

固定参考点”改为了“地面移动参考点”。

2.3.3 PCI不变的卫星切换（针对地面准静止小区）

基于3GPP 5G NTN在Rel-18的最新进展，针对“地

面准静止小区”的NTN场景，UE可以完成服务小区的物

理小区标识 （Physical Cell Identity，PCI） 不变的卫星切

换，即可以完成无须执行越区切换的卫星切换。具体而

言，若两颗卫星先后对地面某个给定区域进行定点覆盖，

但这两颗卫星归属于相同的基站并且使用相同的频域资源

来发送同步信号和 PBCH 块 （Synchronization Signal and

PBCH Block，SSB），则认为虽然发生了卫星切换但为所

述给定区域提供服务的小区并没有改变，可以不执行越区

切换。PCI不变的卫星切换（针对地面准静止小区）如图3

所示。

网络侧可在信令中用参数T-service给UE指示当前为

所述给定区域提供服务的卫星何时会停止对该区域提供

覆盖，以及用参数T-start给UE指示即将接替当前服务卫

星来提供服务的目标卫星何时会开始对该区域提供覆

盖。如果 T-start 未在信令中被提供，则可认为 T-start 等

于T-service。

对于这种PCI不变的卫星切换，又可分为“PCI不变

的卫星硬切换”（即切换时相邻卫星没有重叠覆盖区域，

因而可能会有很短暂的业务中断）和“PCI不变的卫星软

切换”（即切换时相邻卫星存在重叠覆盖区域）。至少对

于“PCI不变的卫星软切换”，网络侧会在系统消息中给

UE广播当前服务卫星与即将接替服务的目标卫星之间的

“SSB发送时间偏移”。

如果UE在发起“PCI不变的卫星切换”之前从网络

侧收到了越区切换命令（即切换至具有不同PCI的一个小

区的命令），则UE将会立即执行越区切换，可以对一个

UE 同时进行 CHO 和“PCI 不变的卫星切换”的相关配

置。此时，这两个流程中的哪一个在 UE 侧被先触发，

UE就执行哪个流程。如果两个流程被同时触发，执行哪

个流程取决于UE侧的工程实现。

2.3.4 NTN与TN之间的移动性管理

对于从NTN到TN的小区重选，可以让NTN小区为

其所服务的UE提供相邻的多个TN小区的覆盖区域信息，

->>? /@6(>?

/@6(?9+

+6A,)2+

ffl39?>+ffl

->?9+

+6A,)2+

ffl39?>+ffl

/@6(?9+

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+6A,)2+

ffl39?>+ffl

图2　基于位置的CHO触发条件增强 （针对地面移动小区）

·89·

天地一体化信息网络 第 5 卷

以使UE为接下来对相邻TN小区的重选做好准备。对于

NTN小区是地面移动小区的情形，网络侧给UE提供的关

于相邻TN小区的覆盖区域信息可以包括“卫星在接下来

将要覆盖的服务区域”的相邻 TN 小区，并且在对相邻

TN小区的覆盖区域信息进行更新时可以存在信息的部分

重叠，这样可以使所有被滑动的 NTN 小区所服务的 UE

都获得足够充分的TN邻区信息。携带“相邻TN小区的

覆盖区域信息”的系统消息在作为当前服务小区的NTN

小区里，可以被周期性地广播、按需进行广播，或者以

专用的方式被发送。

对于从TN到NTN的小区重选，可以让TN小区为其

所服务的UE提供相邻NTN小区的星历信息，以使UE为

接下来对相邻 NTN 小区的重选做好准备。携带“相邻

NTN小区的星历信息”的系统消息在作为当前服务小区

的TN小区里，可以被周期性地广播、按需进行广播，或

者以专用的方式被发送。

2.4　让网络认证终端上报的位置信息

网络侧需基于 UE 上报的位置信息进行法规认证和

核心网路由选择等操作，UE 上报的位置信息的真实性

影响NTN通信安全和法规风险。此外，一些紧急场景用

例下，需保证 UE 位置的准确性，以便开展后续搜救等

工作。因此，Rel-18 支持由网络去确认 UE 上报的位置

信息的真实性，并针对一些与位置相关的业务场景 （比

如紧急呼叫、合法拦截、公共警告、计费等），分析相

应的法规要求。

网络侧采用Multi-RTT定位方法对UE上报的位置进

行验证，如图4所示。

在5G NTN的网络侧，采用5G地面网络已经支持的

Multi-RTT定位方法对UE上报的位置进行验证。在地面

网络，Multi-RTT定位方法是让UE与至少3个基站互发用

于定位的参考信号，然后基于 UE 和基站各自获取的收

发时间差测量得到至少 3 个往返传播时延 （RTT） 测量

值，进而以相应的每个基站为圆心、以“0.5×RTT×光

速”为半径构造至少 3 个圆形，最后利用这些圆形的交

汇处来估算出 UE 的地理位置。而在 NTN 中，就卫星本

身总是处于高速移动中的 LEO 卫星系统而言，MultiRTT定位方法是利用至少3个不同时刻下UE与服务卫星

间的 RTT 测量值来估算出 UE 的地理位置。此外，在

NTN 中由网络侧对 UE 进行定位时，可接受的定位精度

为5 ~ 10 km。

3 Rel-19中5G NTN接入网议题概览

在2024年刚开启研讨的Rel-19的标准化工作中，会

对 5G NTN 继续进行增强。下面介绍 Rel-19 NTN 在无线

接入网已立项议题的关键内容[8-19]

。

3.1　对“信号再生（即基站上星）架构”的支持

就基站上星的具体实现而言，可以让所有的基站功

RTT1

RTT2 RTT3

RTT4

RTT1

RTT2 RTT3

RTT4

图4　网络侧采用Multi-RTT定位方法对UE上报的位置进行验证

>?1 >?2 >?1 >?2

0C 0C

>?8/8fflA>?1,?9(;>

PCIa

++6D2D?9<.--

>?8//fflA>?2,?9(;>

PCI

a

++6D2D?9<.--

PCIa PCIa PCI

c PCIc PCIb PCIb

0C 0C

>?8/8fflA>?1,?9(;>

PCIa

++6D2D?9<.--

>?8//fflA>?2,?9(;>

PCI

a

++6D2D?9<.--

PCIa PCIa PCI

c PCIc PCIb PCIb

图3 PCI不变的卫星切换 （针对地面准静止小区）

·90·

第 3 期 张路等：3GPP 5G NTN接入网最新技术进展和发展趋势展望

能都上星运行，也可以只让基站的部分功能上星运行

（如只让“按CU/DU分离架构实现的基站的DU”上星）。

基站上星的信号再生架构可以减少基站与终端之间

的空口传输时延。相比 Rel-17 和 Rel-18 中明确表示会支

持的透明转发架构，信号再生架构需要更少的地面信关

站。此外，信号再生架构还可以使基站之间通过星间链

路实现更高效的协作。

已达成的共识是：最简捷有效地支持信号再生架构

的方式就是让所有的基站功能都上星运行。根据多方分

析，基站功能全部上星的架构已经可以被 Rel-17 和 Rel18 NTN 的现有规范所支持，只需在实现中对某些参数

（比如公共的定时提前量） 给予正确配置即可。目前来

看 ， Rel-19 只 需 在 相 应 的 3GPP 规 范 （即 3GPP TS

38.300） 中增加相关描述，明确指出“当前的NTN规范

也支持基站功能全部上星的信号再生架构”即可。后

续，随着 Rel-19 标准化工作的开展，若识别出需要进行

某些功能或协议增强，则应予以解决并尽量最小化对现

有规范的影响。目前已研判出一些需重点甄别是否有必

要去增强的地方，比如涉及 Xn 接口的星载基站间移动

性管理功能、星载基站与核心网通信时在控制面采用的

NGAP协议等。

此外，对于只让DU上星的信号再生架构，也有极少

数的3GPP成员单位建议可在Rel-19给予考虑，以期尽量

降低对星上处理的复杂度。由于F1接口的引入，显然需

要对现有NTN规范进行更多的改动。对于低轨卫星系统，

考虑到卫星高速移动会导致的高动态拓扑，按CU/DU分

离架构去实现基站的成本会比地面网络高得多。因此，这

种信号再生架构在Rel-19 NTN中被考虑的可能性并不大。

3.2　下行链路覆盖增强

关于 NTN 下行链路覆盖增强应该在 Rel-19 被考虑，

达成共识的一个主要原因是：当卫星并发多个波束时，

卫星的总发射功率会被多个波束分享，有可能使得某个

或某些波束发生下行发射功率受限的情况。此外，还有

两种原因 （或者说场景） 也不可忽视：一是，当卫星通

信业务与地面通信业务在某些频段内共存时，为保护地

面通信业务，国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）会

对卫星通信业务施加“功率通量密度 （Power Flux Den‐

sity，PFD） ”限制，即限定工作在某频段的卫星通信业

务到达地球表面的单位面积功率值；二是，当卫星发射

的信号要穿过人体的一部分之后才能到达终端 （如鉴于

人的站姿和所站方位，卫星发射的信号要穿过人的左肩

和背部才能到达装在右边裤子口袋里的终端） 时，下行

链路也会产生额外的覆盖损失。

针对如何进行下行覆盖的改善，进行如下两方面的

考虑。

一方面，从“链路级”增强的角度：根据链路预算

识别出哪些信道是具体的瓶颈信道，比如 Msg2 或 Msg4

PDSCH已被认为很可能成为瓶颈信道。然后，可以考虑

借用地面网络进行下行覆盖增强所用的方法 （如增大信

道编码输出的纠错比特占比、重复传输等），以及可以进

行一些专门针对NTN场景的下行覆盖增强 （如允许终端

上报自身的天线极化属性，使得卫星在发射信号时有可

能有针对性地进行极化配置，从而减小下行信号的极化

损失）。需注意，暂时无须考虑对SSB的覆盖增强，并且

Rel-19 仅针对部署在 FR1 频段的 NTN 去考虑“链路级”

的覆盖增强。

另一方面，从“系统级”增强的角度：根据低轨卫

星系统典型配置下单星覆盖面积的大小，可以观察到，

要想一次性地完成全局覆盖，需要卫星同时发射数以千

计的波束。由于卫星的总功率有限，同时并发如此大量

的波束显然是不可行的。因此，需要利用“时分加空

分”的跳波束传输，以及辅以“与每次被调度的有限并

发波束所覆盖区域和/或所承载业务的特点相匹配”的波

束级功率分配优化，从整个系统的层面提升下行覆盖能

力。由于每个波束所使用的功率是由卫星的总发射功率

和并发波束的 （最大） 数量来决定的，需要在对跳波束

机制进行优化的同时，配合研究下列卫星参数的合理配

置：卫星的总发射功率，卫星并发波束的最大数量，

天线阵列属性 （如是数字还是模拟天线阵列）。此外，

如果系统中存在多种具有不同波束宽度的波束，也需

研究粗细波束间的合理功率分配。需注意，在 Rel-18

里经研讨后纳入标准的基站节能技术应作为该研究中

波束级功率分配优化的基础，并且 Rel-19 会对部署在

FR1 频段和 FR2 频段的 NTN 都去考虑“系统级”的覆

盖增强。

跳波束传输示意如图5所示。

t

1

;2 t

2

;2

图5　跳波束传输示意

·91·

天地一体化信息网络 第 5 卷

3.3　上行链路吞吐量/容量增强

根据业务特点，某些终端用户需要比其他终端用户

使用更多的空口资源，而在低轨卫星通信系统中，由于

卫星的高速运动，每个终端用户在任一卫星过顶时都只

有很短的时间能获得服务机会。因此，如果想要尽量满

足各类终端用户对空口资源的使用需求，就需要通过增

强“终端用户对空口资源的复用”来提升系统的上行容

量。此外，在NTN中为了实现上行链路的覆盖增强，某

些重要技术手段 （如大量的重复传输） 也需要以上行链

路吞吐量/容量的显著降低为代价。

为了解决上述问题，在Rel-19，将针对PUSCH去考

虑在相同的空口资源上复用多个终端用户。但是要想在基

站侧能够以良好的性能分离和解调出每个终端用户的数

据，需要有比较精巧的信号处理设计。一个已被提及的解

决思路：把5G系统在PDSCH/PUSCH DMRS的码分复用

组设计里所使用的正交覆盖码 （Orthogonal Cover Codes，

OCC）借用过来。需要澄清和避免误解的是：这里考虑的

是对PUSCH的增强而非对PUSCH DMRS的增强。

在5G系统所支持的两种上行波形中，DFT-s-OFDM

波形因为具有比CP-OFDM波形更低的峰均功率比（Peakto-Average Power Ratio，PAPR），在覆盖受限时的性能更

好。星地无线链路通常是上行覆盖受限的，更适合使用

DFT-s-OFDM波形作为上行波形。因此，在Rel-19，将基

于DFT-s-OFDM波形来研究如何利用OCC提升PUSCH传

输的吞吐量/容量。需注意，Rel-19仅针对部署在FR1频段

的NTN去进行PUSCH传输的吞吐量/容量增强，并且不会

考虑对初始接入流程中涉及的PUSCH传输进行所述增强。

对 PUSCH 应 用 OCC 的 误 块 率 仿 真 结 果[15]

如 图 6

所示。

3.4　基于NTN的组播广播业务

典型的组播广播业务 （Multicast and Broadcast Ser‐

vice，MBS）包括公共安全服务、多媒体业务等。如果让

NTN支持MBS，则可以利用卫星覆盖区域大的特点，充

分利用卫星资源去创造更多价值。鉴于此，Rel-19将会对

其进行考虑。

在 Rel-19，将会在“把基于地面网络所制定的 5G

MBS 规范重用于 NTN”的基础上，针对 NTN 所特有的

“超大传播时延”等特点，去检视是否需要对5G MBS规

范进行一些适配性改动，以及如果需要应该如何进行改

动。总之，一个基本的原则：通过对现有的5G MBS规范

进行最小的更改来实现。目前已研判出下述可考虑进行

增强的地方：某个广播业务的目标区域可能会小于卫星

所具有的相当广阔的覆盖区域，此时，需要合理设计信

令以指示清楚相应广播业务的目标区域。

3.5 RedCap终端（即5G轻量化终端）对NTN的支持

在Rel-17，定义了“包括NB-IoT和eMTC在内的4G

物联网技术”对NTN的基本支持；在Rel-18，对NB-IoT/

eMTC NTN 进行了性能增强。为了支持数据速率高于

NB-IoT/eMTC NTN的物联网应用业务，Rel-19将会研讨

RedCap终端对NTN的支持。

由于RedCap终端是基于5G空口技术的物联网终端，

如果对作为RedCap终端的可选特性的“半双工FDD”不

予考虑，要实现RedCap终端对NTN的支持，几乎不用对

Rel-17 和 Rel-18 中制定的 5G NTN 规范进行改动。根据

3GPP已进行的研究，需要对规范进行补充的主要是终端

射频方面的技术要求。当然，如果要让 RedCap NTN 支

持“半双工 FDD”，考虑到半双工 FDD 制式中上下行切

换与NTN场景中超大传播时延之间的适配，有可能会需

要一些与物理层相关的改动工作。需注意，Rel-19 仅针

对部署在 FR1 频段的 NTN 去考虑 RedCap 终端对 NTN 的

支持。

3.6　上行链路覆盖的进一步增强

在Rel-18 NTN的标准化工作中，虽然研讨了上行链

路覆盖增强，但是，一方面，主要的技术手段 （如重复

传输） 需要用吞吐量/系统容量的下降来换取覆盖能力的

提升；另一方面，依靠所研讨的技术手段，链路预算仍

旧不够乐观。

对工作于FR1频段的手持NTN终端，Rel-19 有考虑

将其最大发射功率从23 dBm （即功率等级3） 提升至26

dBm（即功率等级2）。

Rel-19对这个议题的立项比较晚，被纳入在制定终端

−12 −11 −10 −9 −8 −7 −6 −5 −4 −3

SNR/dB

>

3

5

100

10−1

10−2

(1 PRB ,20*D-*; TBS 184) 0

2

1 UE(5A OCC)

12 UE(OCC12)

6 UE(OCC6)

4 UE(OCC4)

2 UE(OCC2)

图6　对PUSCH应用OCC的误块率仿真结果[15]

·92·

第 3 期 张路等：3GPP 5G NTN接入网最新技术进展和发展趋势展望

设备的射频技术标准的工作项目里，而没有放在 Rel-19

RAN工作组针对NTN专门设立的工作项目中。

4　对未来Rel-20+中5G NTN技术发展趋势的

展望

在对 Rel-19 NTN 的研究范围进行讨论时，曾经考

虑过不少候选议题[20]

。虽然最后只有上述议题被正式

纳入了 Rel-19，但是，其他的一些未纳入 Rel-19 的议题

也在 3GPP 经过多轮讨论后被确认为具有重要意义的，

很可能会在 Rel-20+被考虑。了解和研究这些议题将有

利于把握 3GPP 5G NTN 的技术发展趋势。

4.1　移动性管理的进一步增强

对于NTN与NTN之间和NTN与TN之间的移动性管

理（包括终端处于连接态时基于Xn/Ng接口的越区切换和

终端处于空闲态时的小区选择或重选），基于Rel-17和Rel18 NTN 的标准化工作，大部分问题已经得到了良好的

解决。

对于NTN与NTN之间的移动性管理，未来可重点研

究的内容包括但不限于：基于地理位置 （如基于恰当设

置的地理距离门限值） 来精简小区重选时的候选小区范

围；面向“在较短的时间内有大量终端会越区切换到相

同的另一个小区”的场景 （如地面移动小区发生馈电链

路切换的场景和地面准静止小区场景），减少越区切换的

信令开销 （如由群组中某一个终端的测量上报触发所在

群组的所有终端的越区切换，在切换命令中用一个预定

义的配置索引替代繁多的配置内容，采用公共的信令消

息广播目标小区的配置信息，一次性地发送一个“群组

越区切换命令”）等。

对于NTN与TN之间的移动性管理，在Rel-20+，可

以针对 NTN 与 TN 有重叠覆盖的场景，研究基于 QoS 来

合理选择所接入的网络类型。

4.2　无法获取GNSS测量结果时的增强操作

GNSS 接收机已经几乎成为各类终端的缺省配置。

在 Rel-17 到 Rel-19 NTN 的标准化工作中，一个很重要

的基本假设是：终端都能通过 GNSS 测量获得自身的位

置信息，并且能将 GNSS 测量结果上报给网络侧。基于

这样的假设，卫星通信系统 （包括终端侧和网络侧）

可以利用终端的位置信息进行一些必要的优化设计。

比如：如第 1.2 节中所述，根据“由 GNSS 测量获得的

自身位置信息”和“由接收卫星广播的系统消息所获

得的星历信息”，终端可以在接入网络之前即完成时频

偏的预补偿。

在Rel-20+，针对具有GNSS功能的终端，可以考虑

研究“无法获取 GNSS 测量结果”时的增强操作。具体

而言，终端可能在位于某些地点或处于某些时段 （如位

于 GNSS 信 号 被 阻 隔 的 地 点，处 于 终 端 节 电 休 眠 或

GNSS 信号被干扰的时段等） 时，出现 GNSS 信号丢失

或测不到的情况，从而无法及时测量得到并且也无法及

时向网络侧上报自身的位置信息。此外，终端的位置信

息是终端所属用户的个人隐私，终端还可能会因为隐私

法规问题而无法将经由 GNSS 测量所获得的位置信息上

报给网络侧。

为了防止“系统利用终端位置信息进行的一些必要

的优化设计”会因为“不知晓终端的位置信息”而无法

使用，未来，应该着重对相关技术环节进行不依赖终端

位置信息的兜底式的或增强型的设计。比如不依赖终端

位置信息完成良好的时频同步；不依赖终端位置信息确

定终端是否处于边缘波位，从而考虑是否让该终端进行

邻区测量放松以实现节电等。

4.3　在非常差的信号传播条件下卫星给终端的通知/告警

对于在第3.2节中所述的Rel-19中会研讨的“下行链

路覆盖增强”，其主要是针对NTN现有的各种下行信道或

信号进行覆盖能力增强，所关注的信号传播条件也是以

视距（Line of Sight，LOS）为主的情况。根据3GPP已完

成的对NTN的信号传播条件的调研，建筑物遮挡所导致

的覆盖能力下降最高可达18 dB左右。因此，在Rel-20+，

可以关注如下所述的情形：终端与卫星之间的无线信号

传播条件是非常差的纯粹的非视距 （Non-Line of Sight，

NLOS），比如无线信号传播路径上遇到建筑物或人体等

造成的遮挡时。

未来，可以先重点关注对寻呼消息的覆盖增强。在

展开研究时，需首先确定对“传统的用于承载寻呼消息

的 PDCCH/PDSCH”的覆盖增强是否足以解决问题。如

果不能解决问题，可以考虑让卫星给终端发送专门的、

对覆盖能力做了大幅增强的、简单的通知/告警，从而让

终端用户做出一些能明显改善信号传播条件的行为 （如

走动几步避开高墙的遮挡，从房间内走到屋外，把终端

从包里掏出来等），并希望因此可以让终端在接下来成功

接收到寻呼消息 （而不至于让网络侧总是寻呼不到终端，

以至于终端错过通信）。

5　结束语

从技术发展的角度来看，在 2023 年 6 月 ITU-R 正式

通过的全球6G愿景中，作为六大典型场景之一的“泛在

·93·

天地一体化信息网络 第 5 卷

连接”，明确提出了对卫星通信的需求。根据业界共识，

在 3GPP Rel-20 中，伴随 5G 在最后阶段的持续演进，将

开始进行6G需求的研讨。因此，从Rel-20开始，在关注

5G NTN 协议演进的同时，还需关注对 6G NTN 的需求

研讨。

参考文献：

[1] 3GPP. TS 38.211, NR; Physical channels and modulation(Release

18), V18.3.0[S]. 2024.

[2] 3GPP. TS 38.213, NR; Physical layer procedures for control(Release

18), V18.3.0[S]. 2024.

[3] 3GPP. TS 38.214, NR; Physical layer procedures for data (Release

18), V18.3.0[S]. 2024.

[4] 3GPP. TS 38.300, NR; NR and NG-RAN overall description; Stage

2 (Release 18), V18.2.0[S]. 2024.

[5] 3GPP. TS 38.331, NR; Radio resource control (RRC) protocol speci‐

fication (Release 18), V18.2.0[S]. 2024.

[6] 3GPP. RP-221946 (Work Item Summary), Summary for NR support

for NTN in Rel-17[S]. 2024.

[7] 3GPP. RP-240922 (Work Item Summary), Summary for NR NTN

enhancements in Rel-18[S]. 2024.

[8] 3GPP. RP-234078 (Work Item Description), New WID - NTN for

NR phase 3 in Rel-19[S]. 2023.

[9] 3GPP. RP-231931 (T-doc for Discussion), NTN enhancements in

Rel-19[S]. Huawei and HiSilicon, 2023.

[10] 3GPP. RP-232154 (T-doc for Discussion), Views on NTN for Rel19[S]. ZTE and Sanechips, 2023.

[11] 3GPP. RP-232055 (T-doc for Discussion), Consideration on NTN

evolution[S]. CATT, 2023.

[12] 3GPP. RP-232527 (T-doc for Discussion), Rel-19 NTN enhance‐

ments[S]. Ericsson, 2023.

[13] 3GPP. RP-231707 (T-doc for Discussion), NTN evolution in Rel-19

[S]. Nokiaand Nokia Shanghai Bell, 2023.

[14] 3GPP. RP-232037 (T-doc for Discussion), NTN enhancements in

Rel-19[S]. Samsung, 2023.

[15] 3GPP. RP-231720 (T-doc for Discussion), Views on scope for NTN

enhancements in Rel-19[S]. Qualcomm Incorporated, 2023.

[16] 3GPP. RP-232096 (T-doc for Discussion), Views on NTN evolution

in R19[S]. Apple, 2023.

[17] 3GPP. RP-231777 (T-doc for Discussion), Discussion on NTN evo‐

lution for Rel-19[S]. OPPO, 2023.

[18] 3GPP. RP-231795 (T-doc for Discussion), Rel-19 NTN evolution

(RAN2-led)[S]. VIVO, 2023.

[19] 3GPP. RP-231988 (T-doc for Discussion), Non-terrestrial network

(NTN) enhancements for Rel-19[S]. Inter Digital, 2023.

[20] 3GPP. RP-232610 (T-doc for Discussion), Moderator's summary

for REL-19 RAN2 topic NTN for NR[S]. Offline Session Modera‐

tor, 2023.

[作者简介]：

张路 （1978-），男，博士，现就职于中国星

网网络创新研究院，主要研究方向为低轨卫星

接入与组网、星地融合、5G/6G移动通信系统

关键技术等。

王雪 （1983-），男，硕士，现就职于中国星

网网络创新研究院，主要研究方向为卫星互联

网网络架构与网络体制。

芒戈 （1985-），男，高级工程师，硕士，现

就职于中国星网网络创新研究院，主要研究方

向为5G、卫星移动通信和频谱工程。

王高健 （1988-），女，博士，现就职于中国

星网网络创新研究院，主要研究方向为低轨卫

星接入与组网、星地融合、5G/6G移动通信系

统关键技术等。

·94·

第 3 期 张路等：3GPP 5G NTN接入网最新技术进展和发展趋势展望

张少伟 （1992-），男，工程师，硕士，现就

职于中国星网网络创新研究院，主要研究方向

为无线体制、频谱工程和干扰共存。

钟华 （1984-），女，高级工程师，硕士，现

就职于中国星网网络创新研究院，主要研究方

向为卫星网络总体论证与设计。

章扬 （1980-），男，高级工程师，博士，现

就职于中国星网网络创新研究院，主要研究方

向为卫星互联网。

朱雪田 （1975- ），男，教授级高级工程师，

博士，现任中国星网网络创新研究院副总经

理，主要研究方向为卫星互联网网络技术研发

与创新。

·95·

第 5 卷第 3 期

2024 年9 月

天 地 一 体 化 信 息 网 络

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.5 No.3

September 2024

卫星互联网应用与挑战

单 超，马少煊，谷 欣，王妮炜

（中国星网网络创新研究院有限公司，北京 100029）

摘 要：首先，探讨卫星互联网的组成和实现形式，在总结当前地面互联网局限性的基础上，详细分析卫星互联网在航天、

航空、海洋、地面等领域的多种应用场景。随后，讨论卫星互联网面临的挑战，如频谱拥塞、时延大、高昂的发射和维护成

本等问题，并提出相应的应对措施。最后，对卫星互联网的未来发展进行预测。

关键词：卫星互联网；应用；挑战；未来发展

中图分类号：TN927

文献标识码：A

doi：10.11959/j.issn.2096-8930.2024033

Satellite Internet：Application and Development

SHAN Chao, MA Shaoxuan, GU Xin, WANG Niwei

China Satellite Network Innovation Co., Ltd., Beijing 100029，China

Abstract: This paper explored the composition and implementation forms of satellite Internet, building upon an evaluation of the limita‐

tions of current terrestrial internet. It provided a comprehensive analysis of various application scenarios of satellite Internet in aero‐

space, aviation, maritime, and terrestrial domains. Subsequently, the challenges faced by satellite Internet, included issues of frequency

congestion, latency, high launch and maintenance costs, were discussed, along with proposed corresponding measures to address these

challenges. Finally, the future development of satellite internet were predicted.

Keywords: satellite Internet, application, challenge, future development

0　引言

互联网主要依靠地面和海底光纤进行有线传输，受

地理条件限制，在部分偏远地区、航空、航海等领域，

无法进行实际应用。卫星通信通过将信号从终端或地面

站发送到卫星，再由卫星将信号传送到目标接收站或终

端设备，实现了全球范围内的无缝通信覆盖。互联网和

卫星在过去几十年按照各自的发展模式和技术道路发展，

均取得了不凡的成就[1]

。一方面互联网的连接数量、交

互内容和组网范围在快速升级；另一方面卫星应用的范

畴和规模也在不断扩展，二者出现越来越多的交集。卫

星互联网作为二者的融合，有效地拓展了卫星通信的应

用场景和互联网的覆盖区域，在数字时代扮演着日益重

要的角色，其不仅是一种通信和网络技术，更是连接世

界、弥补数字鸿沟、促进经济发展和维护国家安全的信

息基础设施。

1　地面互联网的局限

20世纪60年代，地面互联网通过连接全球各地的用

户，实现了信息的广域传播，推动了经济的增长和创新

发展，并深刻改变人们的生活方式。然而，由有线光纤

和地面基站构成的互联网的覆盖率有限，在诸多方面未

能满足人们日益增长的网络连接需求。

第一，地面互联网的覆盖区域受限。地面互联网通

常依赖于基础设施的部署，使得偏远、人口稀少地区

（如山区、沙漠或海洋），网络覆盖有限甚至完全覆盖不

到，阻碍了数字化和信息化的普及。

第二，地面互联网在自然灾害或紧急情况下容易受

到影响。地面网络在自然灾害 （如地震、飓风、洪水等）

或紧急情况下会出现通信中断，需要一定的修复时间，

对应急响应和救援工作造成严重影响。

第三，地面互联网的通信时延较高。由于信号需要

收稿日期：2024-04-01；修回日期：2024-07-30