小卫星通信与网络发展综述

战略前沿技术

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来源：电科小氙

在过去20年中，卫星系统领域发生了翻天覆地的变革：经济实惠的创新商业现货技术解决方案层出不穷，微电子和微系统技术不断进步，使卫星组件尺寸不断减小，让人们能够设计尺寸越来越小的卫星，如小卫星（重量小于或等于1000千克）、微卫星（重量为10~100千克）、纳卫星（重量为1~10千克）和皮卫星（重量为0.1~0.99千克）。

迄今为止，小卫星开发的主要动力是地球观测和遥感领域，它们极大程度弥合了许多垂直行业（例如，农业、灾害控制、林业和野生动植物）“数据匮乏”的鸿沟。然而，随着开发提供全球通信的巨型皮/纳卫星星座的新投资增长，卫星在机器对机器（M2M）通信中发挥的作用越来越重要，业界对利用小卫星发展互连卫星分布式系统的兴趣越来越浓，研究关注点转向了电信领域。本文概述了小卫星领域的近期进展和发展趋势，同时特别聚焦电信领域，例如使用更高频段和光通信、协议和架构。

01、小卫星发展历程简述

从太空时代伊始到其最新发展，卫星通信一直都是技术和社会进步的最可靠指标之一：实际上，在最近几十年内，许多领域都发生了令人惊叹、不可思议的成就和变革，包括广播、移动通信、地球观测和遥感、星际探索、传输和远程监测等等，包括商业、民用和军事应用。然而，值得强调的是，二战结束至今，卫星系统经历了根本性和系统性的变革，其性能完美适应了社会和市场需求的不断变化；特别是虽然在战后最初十年，政府和国家机构是太空竞赛开始阶段卫星任务设计和卫星系统开发的主要参与者，但近年来，私企也在这一战略性行业中发挥了越来越重要的作用。

主要国际卫星组织在上世纪末的私有化进程也推动了这一趋势的发展，并产生了大量收入，如图1所示。就甚小孔径终端（VSAT）和宽带卫星系统而言，从卫星发射直到其最终成功推广，都经历了同样的市场力量激励和放松管制趋势，如图1所示。

图1 INTELSAT、EUTELSAT和INMARSAT的年收入（左）VSAT终端的年销量（右）

另一方面，二十世纪末也是探索基于所谓小卫星（其尺寸和重量远小于巨型地球静止轨道（GEO）或大型中地球轨道（MEO）以及低地球轨道（LEO）卫星）新范式的开端。这些新系统根据其尺寸大小，被定义为微（micro）、纳（nano）和皮（pico）卫星。早期小卫星任务主要是由高校研究组织和研究机构组织和执行，旨在实现某项技术演示或应用验证。

这些早期尝试为实现和利用极低成本卫星奠定了基础。有研究显示，单颗小卫星的预估生产和发射成本在10万到20万美元间：如果是共享小卫星，每千克单位发射成本可降至小几千欧元。

因此，小卫星这些前所未有的特征受到了市场力量的极大欢迎，这些市场力量在过去三十年内激增并开启了太空探索新热潮，最初目标和针对性明确的应用包括民用、军事和商业领域的地球观测和通信等。图2显示了一些大致数据，以印证新太空探索竞赛的激烈程度。

图2 过去15年小卫星数量

2010至2015年间总共发射了551颗卫星（<400千克），后续五年的预期目标是再进行1380次发射。图2展示了小卫星发射数量趋势。

此外，三大卫星通信和地球观测星座占比38%，未来5年在几个大项目推动下，这一比例将增至68%。本文的分析揭示了小卫星大规模发展的主要推动力：星座建设相对容易。后文将对此进行探讨，并重点关注卫星间通信。

最后，有必要介绍小卫星数量大规模增长的主要贡献者：“立方星”。立方星是斯坦福大学1999年启动的一个项目的目标，旨在获得能够快速开发并用于教育目的的极低成本/重量卫星。斯坦福大学与加州理工大学合作，开发了立方星规范，目的在于获得具有标准形状和重量却可定制的卫星，以简化发射和部署操作。众所周知，一个立方星是由一个（1U）或多个（nU）10cm´10cm´10cm单元构成，每个单元质量最多1.33千克。鉴于立方星的特质，子系统可实现标准化生产，甚至可作为商业现货产品从网店购买，从而保证了极低任务成本。

立方星解决方案的独有特征对于小卫星任务的迅速增长以及以新兴太空市场为主要核心的公司（例如Terra Bella，Spire，Planet Labs和OneWeb这些开发低轨小航天器巨型星座的公司）的重大发展十分重要。

02、小卫星服务、应用与发展趋势概述

2000年左右，小卫星已能适当利用创新商业现货（COTS）技术解决方案（硬件和软件）实现有效竞争和盈利能力。现代小卫星服务的成功增长涵盖了大量应用背景，因此需要基于小卫星组织开始采用的一种新管理方式——敏捷方法——进行分析。这一范式源于IT行业，是一种基于高度迭代的设计方法，即具有明确定义的目标、任务和需求；对设计进行增量修改，实现系统性能持续提高；时间短，成本低。敏捷方法和利用最新现货技术代表了新太空时代的两大主要推动力。

本节简要介绍了小卫星的主要应用和服务。

（1）地球观测和遥感。迄今为止，微/纳卫星的首要用途就是地球观测和遥感。通过大型卫星星座可同时执行许多分布式测量或观测（地球资源监测、气象监测和灾难监测），所收集的数据时间分辨率更高（即，重访时间更短）。

小卫星在地球观测和遥感方面的应用更加广泛，需要数据传输率越来越高的链路，以便可以在短时间内下载所获取的信息。

（2）科技演示任务。微卫星和纳卫星可实现到太空的更广泛接入，是一种证明原型系统并体验未来卫星理念的经济实惠的测试方式。为实现这一目标，NASA创建了NASA纳卫星教育发射（ELaNa）这一面向多学科（科学、技术、工程和数学）学生的计划。大量欧洲航天局（ESA）立方星任务曾经得到“通用支持技术计划”（GSTP）“在轨演示”部分的资助，其中包括：用于演示纳卫星新能力的GOMX-3和GOMX-4B；演示再入技术的QARMAN（用于再入大气层时烧蚀空气热力学研究和测量的QubeSat）；用于分析平流层臭氧分布、上至中间层的温度曲线图以及电离层中电子等离子体特征的PICASSO（用于大气和空间科学观测的皮卫星）；实时监控宇宙辐射和太空天气环境的RadCube；以及测量和记录冰川或极地冰层厚度和海洋波浪运动的纳卫星PRETTY（Passive Reflec Tome TrY）。

（3）星际探测任务。小卫星平台开启了太空探索的新领域，尤其是新兴使能技术和高性能运载火箭的出现，为未来月球和行星探测开辟了许多机遇。NASA和欧洲航天局（ESA）采用了星际立方星模型，为一系列任务和研究（包括从火星和月球观测到流星体和小行星研究）提供支持。其中一些研究包括：MarCO（火星立方星1号）、NEA Scout（“近地小行星哨兵”）、LUCE（月球探索立方星），LUMIO（月球小行星撞击观测器），VMMO（挥发物与矿物测绘轨道器），Lunar Flashlight（“月球手电筒”）和Arkyd系列小卫星。

（4）通信服务。组成星座的小型微卫星和纳卫星可用于提供数据分发（广播应用）和数据交换（物联网和M2M范式），并将互联网访问扩展到全球。据Space Works Market公司展望，未来几年内，目前正处于技术演示阶段的微卫星和纳卫星通信星座将会用于服务和支持快速增长的物联网和M2M市场。提供物联网/M2M和数据中继服务的主要通信运营商包括Sky&Space Global、Kepler通信、Hiber、Helios Wire、Astrocast、Blink Astro、Fleet Space和Myriota。

图3展示了近期微/纳卫星应用趋势。虽然分析强调微/纳卫星的首要用途仍是地球观测和遥感，但通信星座也有望增长。据Space Works预测，未来5年内大约会有700颗通信微/纳卫星发射。

图3 纳卫星市场预测（2018）

（5）商业、民用和军事应用。运输、智能环境（包括远程监控）、生活质量、安全是小卫星、微卫星和纳卫星的主要应用场景。作为商用纳卫星星座的例子，Aerial&Maritime和Sky&Space Global是GomSpace公司的两个商业任务：前者面向用于态势感知的飞机和舰船跟踪，后者则将在太空提供全球通信基础设施。此外，Astrocast公司还有一项提供全球M2M服务的计划，用于远程监控、定位、智能数据收集和预测性维修。

图4为SpaceWorks对纳/微卫星运营商的趋势分析，包括军事运营商（旨在为国防活动提供支持），商业运营商（旨在进行盈利性活动），以及民用运营商（非军事或非盈利性活动）。

图4 纳/微卫星市场预测（2018）

03、小卫星通信有效载荷发展

小卫星早期主要用作高校和技术研发项目的平台，其有效载荷设想的是用于执行十分简单的工作，比如传输信标、存储或以极低数据率（1~9.6kbps）传输简易传感器收集的数据。主要通过标准AX.25协议，使用和运行UHF业余无线电频率。在如此低的频率上，由于波长很长，并且很难在小体积设备内实现较好的辐射效率，因此通常采用线天线（偶极天线、单极天线和螺旋天线）。目前太空中大量立方星都使用线天线来简化实现。另外，偶极天线由于具有全向性，是卫星间通信的可行备选方案。而新兴应用的兴起要求小卫星能以更高数据率进行传输或执行更复杂任务，同时还要保持体积小、重量轻，因而需要更大带宽和更高频段，对数字化实现和软件控制的需求也越来越高。

3.1、小卫星通信有效载荷在频段和天线方面的发展

近年来，由于商业可用微波单片集成电路（MMIC）的出现，业界越来越多使用更高频率而非通常的VHF/UHF波段（比如主要用于遥测的S波段和用于数据传输的X波段）。向更高频段的迁移意味着在航天器设计上产生了其他需求，主要是在电源系统和天线方面。例如，在高于S波段的频率上，固态高功率放大器的效率从80%（在UHF波段）降至30%。在此频率，最常用的天线仍是线天线或平面天线，比如贴片天线和缝隙天线。贴片天线由于制作相对容易，尤其适用于立方星。研究人员曾研究了许多S波段贴片天线设计。S波段下行链路预期能够实现100kbps到1Mbps的数据率。要实现更高数据率则需要使用更高频段，比如Ku、K和Ka波段，这些波段在大型航天器中应用已经很成熟了，但在小卫星领域中仍是新兴技术。立方星Ka波段发射机2015年开始在轨运行。在较高频率上，也可以采用能满足小卫星严格尺寸和重量要求的高增益反射面天线。反射阵天线能够提供高增益，并且很容易与立方星结构集成，因此也很适用。反射阵列天线由能够折叠和收藏在立方星上的平板组成。

事实上，小卫星还是一种经济可行的卫星通信（包括硬件组件和传播信道）新频段（比如W波段）测试方式。对此类高频段进行研究的动因主要是为了满足高通量卫星的带宽需求。另一方面，这些频段也可能用于小卫星星间链路。在Q/V和W波段，喇叭天线是小卫星的一个可行选项，它能够提供高增益。

对更高数据率、低成本和小尺寸的需求还引发了研究人员对自由空间光（FSO）通信的关注，特别是用于星间链路。

3.2、小卫星和立方星激光通信终端的发展

近年来，自由空间光通信已成为传统射频通信系统的一个成熟替代方案。随着诸如欧洲数据中继系统（EDRS）之类的系统开始在其星间链路中采用激光通信终端，该技术已经从研究阶段迈向了运行应用阶段。关于从卫星到地球的下行链路，近年来也进行了许多演示，比如美国国家信息与通信技术研究所的小型光转发器（SOTA）试验；还有NASA喷气推进实验室（NASA-JPL）的激光通信科学光有效载荷（OPALS）试验，该试验验证了国际空间站的光下行链路。另外，Aerospace公司演示了一个1.5U立方星的光下行链路。甚至还有研究演示了从月球到地球的光学链路。

近期，一些更进一步的演示任务正在规划之中，比如NASA的太字节红外传输（TBIRD）任务，旨在演示从立方星到地面的100Gbps链路，以及德国宇航中心（DLR）的光学空间红外下行链路（OSIRIS）项目，旨在演示从小卫星和立方星到地球的光下行链路。

当前用于小卫星应用的实际光通信系统使用重量约5千克、功耗约50W的终端，数据率能达到约10Gbps。就立方星应用而言，图5以OSIRIS4立方星的实现为例进行了展示。该终端重约300克，功耗约8W，仅需占用立方星内部0.3U的空间，能够实现100Mbps的数据率。

图5 OSIRIS4立方星终端的CAD模型（左图）和1U立方星内终端集成设想（右图）

卫星-地面光通信的一个重要挑战是云层会影响其可用性。可以采用全球范围的光地面站网络克服这一缺陷。利用卫星上充足的缓存，可以克服由星-地链路可用性有限而引发的问题。虽然当前大多数可用光地面站主要是出于研究目的建立的，但新建和既有地面段运营商们都表示愿意建设上述所需的基础设施。因此，光链路的运行使用（甚至是在小卫星中的应用）也仅仅是时间问题。

3.3、向软件定义无线电（SDR）有效载荷发展

自小卫星最初发展以来，有效载荷设计方面的一个趋势就是：特许使用低成本商业现货，且一般是硬件部件，并向数字化实现方向发展。得利于现代高速低功率数字信号处理器以及高速内存的可用性，硬件/软件实现之间的天平越来越向软件实现和SDR概念倾斜。SDR是灵活可重构有效载荷的一种演进。早期在太空应用采用可重构技术的一个实例是2002年发射的澳大利亚FedSat微卫星通信有效载荷。FedSat微卫星通信有效载荷利用FPGA组件进行基带数字信号处理，并且采用了一种能够进行在轨重编程的代码上传模式。对支持军用和公共安全运行的灵活可重构无线电通信的需求推动了从可重构和可重编程设备到SDR的演进，同时，相关实现技术的进步，如模数转换器（ADC）、通用处理器（GPP）、数字信号处理器（DSP）和FPGA，也促进了这一演进。在传统卫星系统中，SDR有效载荷被认为是可确保卫星具有更长寿命期和资源利用更加高效的一个必要技术措施，然而即使如此，至今也很少有大型卫星采用SDR有效载荷。

对设计寿命只有几年的小卫星而言，其向SDR有效载荷发展的主要原因是：SDR有效载荷所提供的灵活性有利于适应新的科学机遇，并有可能通过重用通用空间平台来满足特定任务需求，从而降低研发费用和风险。SDR可用于支持多种信号，提高可靠星间和对地链路的数据传输率，也有助于解决更为拥挤的频段中可用通信频率不足的问题。事实上，使用SDR时还能采用动态频谱接入（DSA）技术，进而更加有效地利用频谱。截至目前，虽然像Tethers Unlimited（美国）之类的公司正在NASA资助下着手利用先进的认知无线电升级SDR平台，但并没有在用的DSA卫星应用。

这一更加数字化方式所面临的难题与小卫星的一个重大限制有关，即功耗。鉴于此，FPGA至今一直是首选，尤其是对X和Ka波段的更高数据率，因为FPGA允许并行执行计算密集型任务，且每个时钟周期的使用效率更高。另外，现代FPGA有内部集成的嵌入式处理系统，比如ARM核心。目前还没有小卫星在应用SDR，还有一些SDR技术则正处于开发中，例如AstroSDR、NanoDockSDR、GAMALINK和STI-PRX-01。该技术明显是个研发热点，越来越多的研究人员在研发和测试新解决方案。有研究在小卫星系统中利用SDR来设计一种星间通信模型，这一模型易重构，支持任意编码/解码、调制和其他信号处理模式。另一项研究中，研究人员提出了一种新颖的嵌入式系统SDR架构，这一架构的潜在应用是多星通信地面站、可部署移动地面站网络，并且能够进一步扩展到分布式卫星系统中。

空间通信与导航试验台（SCAN Testbed）是一个安装在国际空间站中的先进综合通信系统和实验室设施。为在太空环境中开发、测试和演示通信、组网和导航新能力，SCAN试验台中集成了新一代SDR技术。SCAN试验台包括运行在S波段、Ka波段和L波段的可重构、可重编程SDR收发信机/转发器，以及通信所需的射频/天线系统。

04、新电信架构

小卫星正在电信架构中发挥着越来越重要的作用，主要体现在两方面：（1）小卫星越来越多的用于构成支持现有通信架构（特别是互联网）的基础设施聚焦应用段。（2）小卫星也构成和/或利用了全新的不同通信架构。

4.1、作为支撑性基础设施

使用地球轨道卫星执行互联网业务并不新奇。从1962年的TELSTAR到Iridium、Globalstar、Viasat和EchoStar，利用卫星无线链路的数据中继市场迅速增长。然而历史上，这些卫星，无论是LEO还是GEO卫星，都体积大、价格高。在这一领域应用大量小卫星是新趋势。随着新概念的提出，该领域近几年发展迅速，其中许多计划雄心勃勃，包括：

（1）OneWeb星座最初预期由位于LEO轨道的882颗小型互联网服务卫星构成，之后很可能增长到2620颗卫星。

（2）三星公司提出建设一个拥有4600颗卫星的星座，计划每月可传输10亿TB互联网数据。

（3）SpaceX公司的“星链”星座，设想由多达12000颗LEO小卫星构成，其容量可承载人口稠密地区高达10%的本地互联网业务。

4.2、采用新架构

然而，除了支持互联网内的业务传输之外，小卫星还需要能力更强的新兴电信架构来维持其自身运行。LEO轨道卫星间的协调依赖于卫星间交链、地面站（一般通过地面互联网）提供的中继服务，或是二者的结合。这种能力对于像GRACE（重力反演与气候试验）任务和QB-50计划这样的星座至关重要。

进一步看，这一对伴随着InSight航天器执行火星任务的MARCO航天器（每个均为6U立方星）将主要用于在InSight着陆器进入火星大气层、向火星表面降落并着陆时将来自着陆器的信息中继给其位于地球的任务运行中心。如图6所示，InSight与每个MARCO轨道飞行器之间的链路都处于UHF频段，而MARCO航天器与地球的通信采用X波段。每个MARCO每次仅能使用其中一条链路，因此通信架构与以持续端到端连通为特征的互联网业务迥异。

图6 MARCO通信架构

将与互联网业务模型的偏差投射回高容量地面通信中，研究人员提出了一种旨在大规模容忍端到端通信中相关延迟的卫星通信架构。“环路（Ring Road）”架构基于容迟组网（DTN）协议。“环路（Ring Road）”的基本原理是一次一颗卫星，逐步在LEO轨道部署DTN束协议（BP）路由器星座。如图7所示，网络包含三类DTN节点：

（1）路由器卫星，称作“信使”节点，位于极轨；

（2）位于连接互联网计算机内部的节点，称作 “热点”；

（3）位于高度隔离计算机内部的节点，没有任何电子连接，称作“冷点”。

图7 “环路（Ring Road）”网络架构

星座的运行方式如下：

（1）位于冷点节点的用户在束（例如电子邮件或HTTP代理接触查询）中发布数据。节点将束排列好以便传输给下一过顶“信使”。

（2）最终，“信使”会飞过冷节点。由于“信使”的轨道已知，因此“信使”和冷节点之间的接触可以提前很久安排。“信使”和冷点可在任何可用无线电频率中使用基于LTP（Licklider传输协议）的束协议进行通信。从其他地方传来且目的地是此冷点的束称作“前向业务”，将从“信使”传送到冷点节点，实现局域网内部转发。从冷点发出的束称作“返向业务”，被传送到“信使”节点并排队用于后续传输。

（3）“信使”为从冷点接收到的每个束计算一条路由。“信使”知道其自身的未来接触计划，因此如果任意束是去往束生存时间（TTL）结束前“信使”将会到达的某一其他冷点，则该束会排队，以备后续传给该冷点。。所有其他束都要排队以便传送给“信使”将飞过的下一个热点。

（4）当“信使”飞过某一热点时，排队的束被传送到该热点，同时，“信使”也接收热点节点排队发送给该“信使”的束。

（5）当热点节点从某个“信使”接收束时，节点会为每个束计算路由。如果束的目的地端点通过互联网（例如，位于蒙特利尔的数据库服务器）直接可达，那么热点就使用BP over TCP/IP将束立刻传送到该端点。否则，热点则询问接触时间表，确定哪个“信使”与目的地冷点的计划接触时间最早，然后再次询问接触计划，确定哪个热点与该“信使”的计划接触时间最早。如果将第一个看到该“信使”的热点是本地热点自己，那么该热点只需在本地将束进行简单排队，以便后续传输给该“信使”；否则，该热点则使用BP over TCP/IP将束立刻发送给计算出的最优转发路径热点。

（6）当某一热点从互联网中的某一节点（可能是另一热点）接收到束后，该热点会像上一步那样为每个束计算出一条路由。当一个“信使”过顶时，该热点与“信使”交换束。当该“信使”随后飞越某一冷点时，便以同样方式与该冷点交换束，以此类推。

新通信架构的优势：

（1）与基于交叉链路的路由结构星座不同，不需要整个星座一次性全部入轨才能让数据流动起来。网络可以从一个热点、一个冷点和一个“信使”开始。此时，冷点的往返时间将会很长，因为每N个卫星轨道仅有一次接触，而N是指将冷点放回卫星地面轨迹中需要的轨道数。尽管如此，冷点和互联网中任意点之间的双向数据流将得到可靠支持，虽然有效数据率极低。随着卫星数量的增加，任意给定冷点的覆盖频率会增加，轨道数量N会下降，从而可整体上增加网络承载能力（全部“信使”的总存储能力），这样支持的冷点数量就会增加。在地面添加更多热点也会增量式增强网络承载能力，增加热点可更早将返向业务束从“信使”的星载存储中排出，为更多束腾出空间，从而进一步增加可支撑冷点数量。

（2）路由问题有些复杂，路由在热点处的潜在强大地基计算机中进行，而不是在“信使”卫星中。这意味着大规模生产的小型卫星适用于“信使”卫星。

（3）因此，这一架构中的所有元素价格都相对便宜。

综上所述，这一基于小卫星的架构初始投资很少，能够以低成本实现十分广泛可用的网络数据服务。

4.3、与地面架构的集成

要考量不同利益相关方的数据可用性，必须以更广视角分析小卫星和立方星星座带来的服务潜力。当处理中心位于控制中心附近，或者在任一情况下都能通过专用地面基础设施与它们直连时，架构设计或许基本上就是前文所述示范性架构的扩展。可以通过直接在处理中心终接所提出的DTN架构，或者通过使用能够让原生DTN架构和非DTN架构接口的专用网关实现，即采用以纯TCP/IP协议架构为基础构建的传统网络时。

另一方面，小卫星星座提供的服务引发了越来越多的关注，因此数据可能会分发到企业、高校、学校、公共机构和单个用户的不同应用中（例如，空间数据挖掘、教育用途、监视和监控等等）。在这一背景下，数据检索很可能在互联网地面基础设施上进行，因此需要部署小卫星系统地面段和核心地面网络之间恰当的集成策略。这一集成任务包含于融合卫星与5G网络的更广泛计划中，这些计划也是近期卫星行业的热点话题。提供灵活的集成架构至关重要，这里不讨论为满足这一目标而精心编制的架构建议的细节。要确保现有互联网信息流和小卫星数据检索的恰当共存（它们可看做是有不同QoS/QoE特征的不同网络切片），网络灵活性毫无疑问值得关注。鉴于此，需要实施恰当的软件定义组网（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）解决方案，以实现卫星网络的“软件化”。然而人们对卫星网络软件化的理解并不完善，仍需针对小卫星星座进行更多研究。

为网络架构提供面向内容的功能也与在互联网中分发小卫星数据这一目标相关，以区分应用到小卫星系统数据对象的QoS管理和路由功能。这也许意味着要应用现有信息中心网络（ICN）架构，但为满足从卫星系统检索到的数据对象的内容特征，并且与针对卫星网络（如前一小节所述）提出的网络架构（例如，基于DTN）接口，其基线概念也应改造。

具体而言，基于ICN的架构建立在发布-订阅范式上，用户可订阅内容分发服务，相应地，内容按接受的请求分发。ICN网络的主要特性之一是内容与对象名称显式映射，从而可实现更加先进的内容感知路由和安全方案。此外，这种方式还帮助实现了一种内容中心组网方式，取代了典型采用的主机中心方式（即IP系统中实现的方式）。在主机中心方式中，位置和内容描述映射到一个唯一的标识符（例如，IP地址），一定程度上限制了基于内容的组网功能的实现。ICN网络的另一个内在关键优势是在整个网络中实现了分布式缓存功能，从而简化了MEC（多址边缘计算）与云计算功能的整合，而它们是现代通信网络中的重要构件。

ICN功能由专用网元支持，例如，它不仅可在地面网络中部署，而且如果卫星能够提供必需的存储和计算能力，还可在空间网中部署。事实上，为利用二者在中断弹性和缓存方面的主要优势，基于DTN和ICN协议的架构有可能共存于同一网络部署中，但需要对协议接口进行具体修改。

图8 用于内容传输的基于ICN/DTN概念的集成卫星-5G网络

整体上看，图8展示了包含5G和卫星段的总体网络架构，描绘了卫星星座作为5G接入网的补充，推动内容传输的情境。该架构建立在ICN/DTN架构基础之上，与MEC和云计算网元交互。

05、通信与网络协议的进步

过去十年中，与小卫星以及用于小卫星之间通信的新协议迅速出现。新能力在协议栈的多个层都有所体现。

5.1、物理层

最初，支持立方星卫星的仅有通信链路是运行AX.25协议的UHF链路。由于最初主要是科学任务，大多数数据率需求很低，因而使用的是二进制FSK（BPSK）这样的简单调制方案。值得注意的是，AX.25协议能够检错却不能纠错。更高数据传输率同时保持低质量和重量的新兴传输需求正在推动更大带宽和更高频段的使用（如第4节所述），也推动了通过更先进的调制方案更加高效地使用可用带宽。此外，数字电子技术的快速发展也使得向SDR有效载荷和地面站转型成为可能，为实施更加先进的通信协议和调制方案提供了机遇，包括纠错能力以及根据当前链路条件的调制参数动态自适应。然而，已经出现了一些为立方星和小卫星设计的创新型收发信机，它们使用更高频段（例如从X波段上至Ka波段），实现了可变和自适应编码调制（VCM，ACM）能力。例如，RADIOSAT是ESA开发的一种创新收发信机，运行于Ka频段并与一台DVB-S2调制解调器集成，整体特征是低功耗。关于星间链路设计，近期在研究可见光通信，可见光通信能够用更小、更轻的节点提供更高数据率，同时避免RF通信常见的干扰问题以及6GHz频段以下无线电频谱明显稀缺问题。另外，还可避免实现激光通信系统精确瞄准精度所需的电子设备问题。可见光通信有近300THz的免费可用带宽，能够使用LED阵列提供短程高容量数据传输率。

5.2、链路层

虽然地球轨道立方星运营商最初除了AX.25外几乎别无选择，但是适于地球轨道和地球轨道外航天运行的能力更强的新兴协议正逐渐可用。新兴CCSDS统一空间链路协议（USLP）是为适应多种空间数据传输条件设计的，它包含一个“虚拟信道”概念，让更高层的多个数据流能够透明共享一条物理链路，同时还可对多个复接器接入点进一步复接，让多个数据业务共享同一虚拟信道。该协议还提供小型服务数据单元聚合以及聚合分段机制，用于各种长度协议数据单元的广泛控制。CCSDS还在链路层定义了一种安全服务，称作空间数据链路安全（SDLS）。由于通过互联网提供服务的地面站和任务运行中心的安全问题愈演愈烈，因此安全迅速成为航天任务设计者迫切需要考虑的问题。SDLS为单艘航天器通过地面站与其控制中心联系的简单航天任务提供了一种安全标准。SDLS包括数据源认证、连接和无连接机密性、具有和不具有恢复能力的连接完整性，以及无连接完整性。

5.3、网络层

DTN概念可追溯到早期互联网研究任务组（IRTF）的行星间组网研究小组。DTN是一种旨在尽可能弥补不利网络数据通信问题的网络架构，特别是重大链路中断（不论是否在预期内）频繁出现，和/或信号传播延迟很高的网络。事实上，高延迟和连接中断的影响在许多方面相似，针对DNT开发的网络架构就是为了减轻二者的影响。两种环境的核心问题都是各网络节点在任意给定时刻，无论出于任何目的，都无法及时向其他节点请求援助。DTN特征设计的统一原则就是认识到这一本质。鉴于全局信息很可能过时或不完整，节点必须能在本地自己作出自身运行决策，即使当这些决策有缺陷时，网络在一些有用层也必须能够继续运行。DTN的核心协议是BP（束协议），一个功能类似于IP的DTN网络层协议。BP与IP类似，BP节点接收某个应用实体发送的数据，在某些媒介中存储数据，并通过网络将数据转发到服务于应用实体（数据目的地）的节点。BP与IP的主要区别是，转发节点不会立即丢弃数据项（称为“束”），因为当前没有可用前向通信链路；相反，节点可能将束存储很长一段时间，等待可用链路。DTN中与互联网TCP类似的协议是LTP（Licklider传输协议）。一个LTP“引擎”会将出站束分成多个小“段”，并将这些“段”发送给为BP已经确定是该束端对端路径中下一步最佳BP紧邻目的地的BP节点服务的LTP“引擎”。LTP和TCP都负责传输数据、检测数据丢失并在必要时通过重传“段”来自动恢复。LTP和TCP之间的主要区别在于：

（1）在TCP中，发现和报告数据丢失的实体是服务于数据目的地应用实体的TCP实例，数据丢失报告给为数据源应用实体服务的TCP实例。也就是说，重传是“端到端”的，并且在互联网协议栈中，TCP层在IP层之上。

（2）在空间飞行任务场景中，由于数据源和目的地可能在相隔好几光分钟的不同行星上，端到端重传可能导致极长的数据传输延迟。在LTP中，数据丢失则变为报告给位于邻近数据源（端到端路径上的前一直接BP节点）的LTP实例，LTP实例则会尽早重传丢失的段。LTP重传是网络内的“点对点”传输，并且LTP在DTN协议栈中位于BP的下层。

对使用DTN协议解决方案的补充是利用网络编码（NC）来增强数据传输的鲁棒性，同时优化可用网络资源（即，带宽）的使用。参考用于小卫星星座的“环路（Ring Road）”网络模型，网络编码可施用于所有网络节点（即，空间段和地面段节点）。在此情境中，网络编码功能实际上主要是在线（on fly）编码和解码功能。具体而言，每个具备NC能力的节点将负责收集给定数量的信息包，并对其编码，生成特定数量的冗余包，其中网络总体编码配置在具体输入信息和输出冗余包数量以及采取的编码策略方面发挥着重要作用。在这一点上，随机线性网络编码在过去二十年很受欢迎，因此被认为是在实际网络中部署中实现NC最具吸引力的方式。尤其是，对即将卸载到地面站的数据块应用随机线性网络编码有助于增加数据交换应对传输信道质量突发波动的可靠性。此外，网络编码也可用于传输数量减少的数据包，从而改善实际带宽利用。如果利用多播数据通信，这一优势则更加凸显，能够充分利用网络编码的性能优势。

另一方面，尽管网络编码有上述优势，但也要考虑在空间段实现网络编码带来的复杂性问题。事实上，网络编码实现需要某些专用计算能力用于在线编码功能，以及专用星上存储来保存正经历编码或解码过程的数据块的临时副本。此外，还需关注应用了网络编码的协议层，通常考虑分层或集成方式。前者中，网络编码作为现有协议层之间的专用中介层实现，总体系统实现的复杂性增加有限。后者相反，网络编码功能必须要纳入到一个现有协议内，会增加整体实现的复杂度。另一问题与网络编码功能在协议栈中的实际位置相关，目前业界尚未达成共识。一方面，为实现可能数据丢失的更高效恢复，需要保持网络编码实现尽可能靠近协议栈低层（即数据链路层）。而另一方面，在协议栈较高层实现网络编码有助于更加精准匹配数据服务特征，并最终满足相应QoS需求。在这一点上，一个好的折中方案是在束协议内部直接实现网络编码功能，或者直接位于束协议下层，作为为该特定任务而设计的任意汇聚层（即UDP或LTP）的一部分。这样，立即就会发现，所有这些需求都在整体系统设计中得到了恰当考虑，参照现有卫星有效载荷所提供的能力和所考虑系统提出的实际服务需求目标。

与在所提出的网络架构内使用网络编码相关的另一个有趣之处是它们在另一项研究中用于减小丢包的使用形式。在这一案例中，网络编码不是在整个网络实现，而是仅限于从通信可靠性角度看更有挑战性的几个网络分支。这样，就不再需要重编码功能（就像通过随机线性网络编码实现的那样），相反，可以考虑经典的分组层前向纠错（FEC）解决方案，即，基于LDPC或Reed-Solomon码。在这一点上，空间数据系统咨询委员会（CCSDS）已作出了一些有关应用纠删码的空间下行链路建议，建议中专门针对自由空间光链路通信情况利用了基于LDPC的纠删码。即使在这种情形中，网络编码也仅在特定链路实现，但根据空间节点典型的资源受限实现特点，节点能实现编码/解码功能以及能在处理功能之前存储数据毫无疑问是系统设计阶段的重要需求。虽然上述来自空间段的限制并未全部考虑，但考虑了其他针对星间链路实现网络编码的研究，因此需要进一步研究，更深入了解所有潜在意义和需求。

06、前景与挑战

本文概述了小卫星系统的现状，强调了实现创新应用的显著特征，并聚焦于电信服务。

在不久的将来，通过由皮/纳卫星组成的巨型星座提供先进的互联网服务将成为现实。然而，还有一些必须面对的挑战。

（1）物理层

（a）如第4节所述，使用Ka波段以上频段以及星-地链路（即，不仅仅用于星间链路）使用自由空间光（FSO）通信引发了一项重大挑战：传播信道会极大衰减。无论对高频率RF传输还是自由空间光通信，这一问题可通过提供一个由分布在高度分集的不同站址的大量地面站组成的地面网络来克服。站址分集概念在高通量卫星（HTS）领域得到了扩展研究，近期研究则强调了SDN范式能够为实现智能分集（Smart Diversity）概念提供网关这一事实。智能分集是一种高级可重构能力，可在业务切换事件中实现高效资源分配。

（b）除了6.1中提到的少数理论研究，以及一些实现ACM技术的收发信机外，还需进行更多研究，设计能够满足严格质量、重量、尺寸和功耗需求的优化调制和编码方案。

（2）MAC层

由于新兴系统的限制，还需进一步研究在现有卫星网络中实现小卫星调度和随机访问MAC协议。

（3）更高层

需要定义在底层卫星协议之上层采用的可互操作应用层协议，以便应对广泛的应用场景和业务数据配置。

（4）路由随时间变化

由于立方星网络中频繁的拓扑变化，成功的数据传输将需要在中间节点有充足的长期存储能力，来应对卫星链路中断问题。

（5）LEO卫星网络中的安全问题

测控消息以及任务特定数据是通过无线电链路传输的。因此带来了安全问题。立方星易受拒绝服务（DoS）攻击和窃听的影响，数据会被未授权用户访问。攻击者会发送假指令，造成过多资源消耗、数据丢失或任务故障。SDR有效载荷的使用更是加剧了安全挑战，它使得通过安装在平台上的未授权和潜在恶意软件在SDR单元上放置新软件成为可能。近期产生的另一安全问题与使用小卫星相关，这些小卫星有推进系统，可能被黑客攻击并危害其他卫星。另如上一节所述，当前实现的立方星通信协议几乎没有任何安全功能。针对传统地面网络开发的安全机制，特点是握手过程时间长和计算工作量大，很难直接应用到小卫星网络。而立方星相关的功率、空间和重量约束为实施复杂加密方案和计算量过大的机制带来了挑战。

挑战仍在继续。使用物理层方式来增强卫星通信安全的研究仍在进行中。目前还没有针对立方星应用物理层安全性的具体研究；即使这类研究可能开启克服小卫星框架中安全性挑战的全新解决方案。

还有一项令人关注的研究是应用量子密码学。已经设计和开发了一些任务，利用纳卫星和立方星展示天-地量子密钥分发（QKD）的可行性。QKD利用处于量子叠加态的个体光量子来保证两方之间的无条件远距离通信安全。基于卫星的QKD有望通过利用空旷外太空中可忽略不计的光子损失和非相干性建立全球规模的量子网络。由于在地面和卫星之间采用纠缠光子分发是用来认证链路的量子性质，因此不会出现窃听。通过将纠缠光子源放到地面上，而空间段“仅仅”包含不复杂的探测系统，可实现符合12U立方星标准的小体积。曾经有研究开发并发射了一颗实现诱骗态QKD的LEO卫星，在1200千米的星-地距离上，密钥率超过kHz，比使用相同长度的光纤（具有损耗为0.2dB/km的）的预期效率高几个数量级。还有研究演示了一颗4千克立方星能够生成量子安全密钥，而之前仅在一颗大得多的600千克卫星任务中演示过。

（6）采用SDN/NFV

显然，SDN/NFV范式将在卫星系统和5G的集成中发挥重要作用。然而，SDN/NFV在小卫星网络中的使用需要进一步研究。实际上，小卫星网络部署可能会加速SDN概念向卫星系统的融合。例如，随着路由器功能迁移到软件中，可能能在小卫星上开发和运行星载SDN兼容路由器。

值得一提的是，3GPP服务和系统层面（SA）活动已经确定卫星系统既可作为独立基础设施可能解决方案，也可用作对地面网络的补充。在此框架下，一高通量卫星系统能够提供极高的数据率，就可在一些5G应用场景中发挥重要作用。

然而，在许多其他聚焦M2M通信或需要极低延迟的5G应用场景中，只有小卫星星座能够真正为地面系统提供有效补充。想要把握5G生态系统带来的机遇，有效应对以上探讨的挑战至关重要。

07、结语

本文回顾了小卫星运行特征，旨在强调小卫星最近引发工业界业、高校和利益相关方关注的原因，并阐述了小卫星主要发展趋势，特别强调了小卫星在电信领域的发展，例如使用更高频段、光通信、新协议和先进的架构。

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