1.2 卫星通信网络的发展趋势与按需服务

1.2.1 卫星通信网络的发展趋势

卫星通信已经成为超视距广域宽带通信必不可少的手段。依据卫星轨道运行特征划分，卫星通信系统可以分为地球静止轨道（GSO）卫星通信系统[1]以及非静止轨道（NGSO）卫星通信系统。其中，非静止轨道卫星通信系统又可分为[15-18]：低地球轨道（Low Earth Orbit,LEO）卫星通信系统，轨道高度为400～2 000 km；中地球轨道（Medium Earth Orbit,MEO）卫星通信系统，轨道高度下限通常在1 200～5 000 km，上限通常在20 000～36 000 km[19]；高椭圆轨道（Highly Elliptical Orbit,HEO）卫星通信系统，远地点高度超过40 000 km的大偏心率椭圆轨道等。

在GSO卫星通信系统中，卫星与地面相对静止，运行维护相对容易，所以GSO卫星通信系统最早实现应用，其发展时间最长，技术也最为成熟。忧思科学家联盟（The Union of Concerned Scientists,UCS）公布的卫星数据库显示，截至2022年1月1日，在轨的GSO卫星数量达到了574颗[20]。经过数十年的发展，GSO卫星通信网络逐步面临可用轨位及频率短缺的难题，加之其传输时延过长且存在“南山效应”等缺陷，目前卫星通信网络的发展重心逐渐转向NGSO卫星通信网络。自2018年2月到2022年2月，SpaceX公司共向轨道空间发射了2 335颗Starlink低轨道通信卫星。历史上还从未有过如此众多的通信卫星在轨工作，其影响引发广泛关注。此外，国外其他公司、机构也纷纷提出自己的宽带NGSO卫星互联网星座计划，包括一网公司（OneWeb）的一网（OneWeb）星座、亚马逊公司（Amazon）的柯伊伯（Kuiper）星座、欧盟的 Secured Connectivity 系统[21]、俄罗斯的 Sfera计划等。

国内NGSO卫星通信网络的预先研究开始于20世纪末[22]。2014年，清华大学“灵巧通信试验卫星”成功发射，实现了我国低轨卫星移动通信领域的重要突破。“灵巧通信试验卫星”为验证星上处理、在轨交换、互联网接入等能力迈出了重要的第一步。自2015年，我国陆续提出虹云工程、鸿雁计划和天地一体化信息网络等发展规划，积极推进该领域的研究开发工作[23-24]。2018年，清华大学和上海市联合提出并开展“智慧天网创新工程”，旨在以中轨泛同步轨道独特星座构建全球全时覆盖的信息通信网络[25]。2021年，中国卫星通信网络集团有限公司成立，标志着我国卫星互联网建设发展进入新的阶段。

然而，卫星通信网络的快速发展对标未来6G 时代应用需求，二者仍然存在较大差距。以目前发展进程最快的Starlink星座系统为例，2021年第四季度数据显示，其用户规模已达到25万，分布于全球29个国家，Ookla网速测试显示其在美国的平均下行速率可达到104.97 Mbit/s（用户规模有限时），对标其500万用户规模[26]和地面5G 网络速率的目标（2021年第三季度全球5G 网络平均下行速率为166.13 Mbit/s，最高下行速率为492.48 Mbit/s），还有很大的差距。

可以预见，一方面，如果单纯通过增加星座规模提升网络容量，会因为卫星密度增大加重链路间干扰，降低链路质量。更为重要的是，尽管卫星发射的成本可以大幅缩减，但单纯以规模换能力的大规模星座部署方式仍然会拉高运营商的投资门槛。另一方面，卫星通信网络业务的分布往往呈现动态非均匀性，超大规模星座必然存在分时段和分区域的资源浪费，拉低系统效费比，若不能为投资者创造显著收益，远期发展必将受限。因此，卫星通信网络建设不宜沿用传统的堆叠式扩展演进模式，需要深入研究与资源配置、业务分布特征相匹配的按需服务模式，探索一条适合于卫星通信网络高效费比创新发展的道路。