2023

主编

中国卫星网络集团有限公司科学技术协会

《天地一体化信息网络》编辑部

卫星互联网

技术论坛论文集

前 言

当前，全球新一轮科技革命和产业变革方兴未艾，以卫星互联网为代表的新一代信息技术

飞速发展，为通联陆地、海洋、天空、太空、网络空间等疆域创造了前所未有的条件，对推进

高水平科技自立自强，加快形成新质生产力，支撑经济社会高质量发展等具有特殊重要的意义，

已成为强国竞争的战略新高地。

党中央高度重视我国卫星互联网领域发展。党的二十大作出了加快建设航天强国、网络强

国、数字中国的重要战略部署；国家“十四五”规划纲要明确加快建设高速泛在、天地一体、

集成互联、安全高效的信息基础设施，打造全球覆盖、高效运行的通信、导航、遥感空间基础

设施体系；相关主管部门及地方政府也密集出台了系列支持政策，促进卫星互联网科技创新和

产业发展。卫星互联网作为全球、全域、全时的新型网络信息基础设施，提供通信、导航、感

知等信息服务的新质赋能综合应用系统，人类认识、开发、利用太空和网络空间的新时代科技

探索与实践，是我国迈向航天强国的重要标志、建设网络强国的重要部署、实现数字中国的重

要组成。

为加快推动我国卫星互联网科技创新与产业协同，中国卫星网络集团有限公司科技委与中

国工信传媒集团于 2023 年 11 月 24 日成功举办了“2023 卫星互联网技术论坛”，集聚国内卫星

互联网领域专家学者，共研新一轮科技产业变革大势，共破核心关键技术发展难题，共同推动

卫星互联网及相关产业规划布局落地，助力卫星互联网高质量发展。作为论坛系列活动之一，

《天地一体化信息网络》期刊围绕卫星互联网体系架构、定位导航授时、网络信息安全、星座组

·2· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

网及测控、应用服务、频谱利用、星地融合组网等热点领域展开了论文征集活动。

本次论文征集活动共收到有效投稿 100 余篇。经专家评审和权威第三方对论文进行查重审

验，其中 50 篇论文被录用，并经作者同意结集成册为《2023 卫星互联网技术论坛论文集》，集

中展现卫星互联网领域科技人才较高的理论水平和科技创新能力。

本次论文征集活动及论文集的出版得到学术界、产业界相关单位和人士的鼎力支持，在此

表示衷心的感谢！

目 录

·综述·

面向空天地一体化网络的无线隐蔽通信技术：探索与展望 ..................................................................

................................................................................... 安建平，康碧琛，欧阳巧琳，潘健雄，叶 能（ 1 ）

卫星激光通信技术研究现状与发展趋势分析 ............... 贾冠男，张 冬，张世层，杨永猛，崔 翔（10）

空间卫星网络组网与管控技术综述 ............... 廖新悦，张 然，黄正璇，刘 江，唐琴琴，黄 韬（20）

面向智能高铁的低轨卫星通信发展综述 ..................................................................................................

....................................................................... 苏昭阳，刘 留，张嘉驰，周 涛，蔺 伟，梁轶群（31）

天地一体化接入网切片资源管理技术综述 ..............................................................................................

....................................................... 惠 宁，孙 茜，王园园，张宗帅，田 霖，张 景，魏 肖（42）

低轨卫星通信中基于 OTFS 的信道估计技术综述........................................ 赵鑫杰，刘子威，张更新（52）

巨型星座云网融合发展探析 ........................................... 张 丹，李晶晶，刘 田，陶孙杰，吕子平（58）

卫星云网：一种云网融合的卫星网络体系架构 ......................................................................................

....................................................................................... 虞志刚，丁文慧，陆 洲，冯 旭，高吉星（69）

·研究·

基于低轨卫星互联网的双模通信终端技术研究 ............................. 罗袁君，杨 军，杨永鑫，白吟蕊（77）

低轨通信卫星馈电链路切换及自主运行方法研究 ..................................................................................

....................................................................................... 张世层，张 冬，王立民，崔 翔，孙艳红（85）

C

·2· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

星载核心网轻量化设计策略及其性能优化研究 ......................................................................................

........................................陈 希，赵逸群，张铭晗，陆 珊，王诗豪，张成晨，徐晓帆，杜 平（91）

面向国际化的卫星互联网商业运营平台研究 ............... 曾文龙，赵 双，陈少鹏，金 涛，江 昶（99）

卫星激光通信中的干扰及防护 ..................................................................................... 劳陈哲，孙建锋（107）

卫星互联网地面缺省场景下用户设备的接入认证及重认证机制研究 ..................................................

......................................................................................卜秋雨，曹 进，程利甫，马如慧，李 晖（114）

面向星地协同的接入网架构与关键技术 ..................................................................................................

..................................................... 邓 伟，赵 琳，翁玮文，杜 琴，马 克，程锦霞，张 龙（130）

卫星确定性网络关键技术和挑战 ................. 纪若愚，张恒升，刘美慧，李 鹤，许方敏，赵成林（141）

卫星网络测控资源鲁棒调度方法 ................................. 纪 翔，刘润滋，要趁红，陈剑豪，慕 桃（149）

基于非理想信道状态信息的高通量卫星预编码算法 ................................. 窦映喆，薛冠昌，杨明川（157）

基于高斯近似的异步非正交多址接入多用户检测算法 ..........................................................................

..................................................................................... 王培森，王悦能，程波铭，杨 悦，叶 能（164）

基于 LoRa 的低轨道卫星物联网传输技术 .................. 李泽浩，马建鹏，张 顺，魏 肖，张 景（173）

基于系统容量最大化的多星跳波束资源分配 ............................................. 舒 晴，张校宁，费泽松（183）

面向星地融合网络的低轨卫星多波束成形技术 ......................................... 罗志勇，辛 宁，孙韶辉（193）

低轨卫星通信网络中 HARQ 技术研究 ........................ 张闰馨，张 顺，马建鹏，张 景，吴云飞（202）

天空地融合网络架构与传输优化技术 ..........................黄思奇，曾德泽，李跃鹏，张梁钰，高 丰（211）

面向 6G 星地融合的云边协同网络架构和关键技术 ..............................................................................

..................................................... 宋雅琴，徐 晖，刘险峰，王亚鹏，程志密，王胡成，陈山枝（220）

卫星物联网系统的新型多址接入技术 ......................................................................................................

..................................................................... 白 伟，张钰婕，康绍莉，缪德山，孙韶辉，陈山枝（229）

星地融合网络中基于多目标优化的星间切换决策方法 ............................. 刘人鹏，胡 博，李鹤群（238）

基于 SDN 的智能安全接入平台研究 ........................................................... 李 鹏，杨跃平，杨 扬（246）

目 录 ·3·

卫星 CDN 中基于 DQN 的资源编排算法 .................................................... 张嘉然，杨雅婷，嵩 天（250）

星地融合网络中基于三维频谱感知的空时频谱机会检测 ........................................... 杨 宁，郭道省（260）

星地融合网络中基于速率分割的非正交多播和单播传输波束赋形 ......................................................

..................................................................................................................... 张本思，彭德义，李 云（268）

星地融合通信系统：网络架构、使能技术及原型验证 ..........................................................................

..................................................................... 丁 睿，房天昊，王闻今，刘 雨，马 伟，万 屹（276）

·设计·

基于社会属性的互联网协议设计——以网约车匹配为例 ......................................... 何相谊，刘忆宁（285）

卫星互联网承载网设计与验证 ..................................................................... 王旭阳，张亚生，肖永伟（294）

低轨卫星通导一体化信号设计及处理 ......................... 刘炳宏，赵亚飞，彭木根，赵祥天，封慧琪（299）

数据链智能抗干扰设计与实现 ..................................... 武 振，杨靖宇，王 硕，王正欢，贾 敏（307）

高低卫星轨跟踪兼容的平板天线实现方法 ................. 陈 剑，张正谦，马新生，钞 婷，郭刚涛（321）

·应用·

低轨卫星多星协同、星地协同遥感通信计算一体化技术 ......................................................................

.......................... 蒋忠元，王 森，王启舟，曹相，侯兴松，雷 磊，孙冬伟，李兴华，马建峰（327）

后量子密码在卫星互联网中的应用与思考 ................................. 黄博学，谷 欣，单 超，苏 安（339）

卫星互联网安全风险及应对策略分析 ......................... 谷 欣，孙才俊，单 超，田 敏，王瑞青（346）

卫星互联网市场需求与应用发展研究 ......................................... 单 超，马少煊，王妮炜，谷 欣（352）

天地一体通遥融合架构及其应用设想 ......................................... 苏文博，张 驰，王妮炜，秦智超（362）

基于星载网络探针的通信卫星信息安全监测系统设计 ..........................................................................

..................................................................................................... 王明剑，范丹丹，徐潇审，李 孟（370）

Starlink 星座应用现状及分析 ..................................................................................................................

..................................................... 王 羽，李 清，李克军，蒋长林，王 野，江 勇，徐明伟（377）

·4· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

低轨宽带卫星互联网承载电网业务应用 ..................................................................................................

..................................................................... 朱 亮，戚少博，杨 波，徐冰玉，李子凡，张世杰（387）

基于边缘计算的卫星地面站天线群因子自适应模糊 PID 控制系统 ......................................................

..................................................... 单海滨，石艳军，刘子菁，李源鸿，赵文化，何沐全，李楚洲（398）

低轨宽带卫星互联网支持高动态空间飞行器应用研究 ............. 朱 亮，戚少博，王 鹏，张世杰（403）

天基数据传输网络的多用户动态带宽分配技术 ......................... 楚建祥，黄 印，王 崇，曹云泽（411）

低轨星座通信系统与地面 IMT 业务系统频率兼容性仿真方法 .............................................................

..................................................................................... 赵 冬，陈 宏，秦屹昂，李 辉，李文越（420）

卫星星座网络容量密度评估 ......................... 孟 贤，秦大力，汪 宇，孔垂丽，罗禾佳，王 俊（431）

安建平等：面向空天地一体化网络的无线隐蔽通信技术：探索与展望 ·1·

面向空天地一体化网络的无线隐蔽通信技术：探索与展望

安建平 1

，康碧琛 1

，欧阳巧琳 2

，潘健雄 2

，叶能 1

（1. 北京理工大学网络空间安全学院，北京 100081；

2. 北京理工大学信息与电子学院，北京 100081）

摘 要：基于卫星、无人机等平台构建的空天地一体化网络可提供全球泛在的万物互联服务，同时因其链路开放性而面临信息

泄露、网络失效等安全风险。源于香农信息论的无线隐蔽通信技术具备抗侦测能力，可通过隐藏信息传输的存在来抵御潜在攻

击。指出无线隐蔽通信在构建高安全的空天地一体化网络方面具有巨大潜力。首先介绍隐蔽通信的典型技术路线，阐述其有效

抵御多类型无线安全威胁的内生安全能力；然后针对空天链路信道特征与平台约束，分析基于能量弥散、认知拟态、多星协作、

智能对抗等方法的隐蔽通信新技术；最后讨论无线隐蔽通信的未来发展趋势。

关键词：空天地一体化网络；隐蔽通信；抗侦测能力；无线安全威胁

中图分类号：TP927

文献标识码：A

Wireless Covert Communication Technologies for

Space-Air-Ground Integrated Network:

Exploration and Prospect

AN Jianping1

，KANG Bichen1

，OUYANG Qiaolin2

，PAN Jianxiong2

，YE Neng1

1. School of Cyberspace Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China

2. School of Information and Electronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China

Abstract: The space-air-ground integrated network based on platforms such as satellites and drones can provide global ubiquitous services, while facing security risks such as information leakage and network failure due to the openness of the links. Wireless covert

communication technology, originating from Shannon’s information theory, possesses the anti-detection capability and can resist potential attacks by hiding the presence of information transmission. This paper emphasized the significant potential of wireless covert communication in building the high-security space-air-ground integrated network. Firstly, the typical technical routes of covert communication were introduced, and its endogenous capabilities against multiple types of wireless security threats were elaborated. Further more,

considered the characteristics of space-air links and platform constraints, new covert communication technologies based on energy dispersion, cognitive mimicry, multi-satellite collaboration, and intelligent antagonism were analyzed. Finally, the future trends of wireless

covert communication were discussed.

Keywords: space-air-ground integrated networks, covert communication, anti-detection capability, wireless security threats

0 引言

随着人类对偏远地区、远海远洋及深空区域的不断探

索，未来无线通信网络需要突破时空限制，实现无所不在

的全天候即时通信和纵深宽广的全空间无缝覆盖。空天地

一体化网络基于卫星、高空平台、无人机等空天平台与地

收稿日期：2023−07−15；收稿日期：2023−11−15

基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.62101048，No.62171030，No.62071038）；国家重点研发计划资助项目（No.2022YFC3301404）；中国博士后科学

基金（No.2022M710394，No.2022T150053）；中国科协青年人才托举计划（No.2022QNRC001）

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (No.62101048, No.62171030, No.62071038), The National Key Research and Development Program of China (No.2022YFC3301404), The China Postdoctoral Science Foundation (No.2022M710394, No.2022T150053), Young Elite Scientists Sponsorship Program

by CAST (No.2022QNRC001)

·2· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

面基站等构建，具备全球泛在、灵活调度、鲁棒抗毁等特

性，预期提供多方位、多维度和多业务的万物互联服务[1-3]。

如图 1 所示，空天地一体化网络通过深度融合网络架构、

波形体制、业务应用、终端设备等要素消除通信盲区，有

力支撑国家战略应用、国民经济发展、国防军事应用等深

切需要，已成为维护大国高边疆战略安全的关键信息基础

设施。

针对国防、军事、外交等关键领域对通信安全的严苛

要求，如何在天地开放链路下保障高安全无线传输已成为

空天地一体化网络亟待攻克的关键难题。如图 1 所示，天

地传输距离远、信号传输具有广播特性，使得星地无线链

路易暴露于潜在攻击者面前，面临干扰、窃听、截获和入

侵等多类型安全威胁[4]，导致信息泄露与网络失效。因此，

有效防范多维度无线安全威胁是持续推动空天地一体化

网络发展与应用的核心关键。

空天地一体化网络的无线安全防范能力受制于天地

无线传播环境与卫星载荷、终端设备等带来的严苛约束。

一方面，卫星—地面链路导致的高动态传输信道和较大的

往返时延限制了终端设备与网络侧之间的信令交互，使得

依赖于烦琐交互和协议的传统安全措施面临失能风险；另

一方面，空天地一体化网络中部分高空平台设备的体积、

功耗、算力严格受限。因此，网络层与传输层的传统安全

协议与加密方法部署受限，亟须一种高普适、高鲁棒的内

生安全机制来保障空天地一体化网络的安全。

1949 年，香农信息论指出了 3 种类型的安全通信系

统[5]，其中隐藏系统通过向敌方隐瞒信息的存在来实现安

全性。在早期阶段，有研究利用隐写术等方法来实现隐藏

系统，但尚未发现适用于无线通信信号的隐藏方案。在 20

世纪 90 年代，扩频技术初次实现了无线通信的隐蔽性[6]。

自此，无线隐蔽通信的概念逐渐形成。无线隐蔽通信也称

为低检测概率通信，与显式对抗安全威胁的传统物理层安

全技术相比，隐蔽通信使攻击者难以侦测到信号传输[7-8]，

从而无法实施进一步的攻击。无线隐蔽通信可与波束成

形[9]、新型多址接入[10]、智能反射面[11]等新兴物理层技术

相结合以实现隐蔽性增强，还可利用人工智能技术实现端

到端优化[12]。

本文主要论述了基于隐蔽通信实现空天地一体化网

络高安全传输的巨大潜力。隐蔽通信使无线信号与传输链

路具备良好的抗侦测性能，极大提升了通信系统在空天跨

域复杂对抗环境下面对无线安全威胁的顽存能力。此外，

隐蔽通信可根据空天链路信道变化特征与终端硬件能力

进行综合设计[12-13]，从而为空天地一体化网络提供多维度

安全防护。

1 隐蔽通信典型技术路线

无线隐蔽通信的概念源自信息论，是一种以信号隐藏

为基础的安全传输技术，可在确保信息有效传输的同时抵

御敌方侦测。自 1990 年起，扩频通信使能的低功率谱隐

蔽通信技术逐渐兴起。随后，多种物理层技术相继与隐蔽

通信融合，并通过引入非隐蔽信号或边信息的辅助进一步

实现了隐蔽性能提升。本节将介绍隐蔽通信的概念与典型

技术路线。

图 1 空天地一体化网络体系架构及其安全威胁

安建平等：面向空天地一体化网络的无线隐蔽通信技术：探索与展望 ·3·

1.1 无线隐蔽通信简介

无线隐蔽通信的基本系统模型发展自囚犯模型，通常

包含发送方、接收方与敌方 3 个参与者[12]。在隐蔽通信中，

合法发送方通过将隐蔽信息隐藏在噪声或载体信号中秘

密地向合法接收方传送信息，而敌方旨在对隐蔽通信进行

侦测，其本质是一个二元假设检验问题[10]。在最优统计假

设检验（如 Neyman-Pearson 检验）下，敌方的侦测概率

通过全变差距离来衡量。为简便计算，全变差距离度量通

常被简化为相对熵度量。与传统通信类似，隐蔽通信的容

量通过互信息来衡量。隐蔽通信的设计目标是实现互信息

与相对熵之间的权衡。

如图 1 所示，卫星通信上行链路与下行链路传输均可

应用隐蔽通信技术。上行链路传输情况下，需考虑敌方的

复杂情况假设，通过综合设计来降低敌方侦测概率；下行

链路传输情况下，卫星需尽可能降低落地功率谱密度，以

应对敌方在地面部署的侦测设备。此外，隐蔽通信的部署

还受到卫星有效载荷和终端设备能力的限制。至今，隐蔽

通信已发展出 3 种具有不同特征与实现方式的典型技术路

线。

1.2 经典隐蔽通信方法

现有的经典隐蔽通信方法有：频谱低零隐蔽通信、先

验增强隐蔽通信和环境辅助隐蔽通信。如图 2(a)所示，频

谱低零隐蔽通信通过尽可能地降低发射功率来降低敌方

侦测概率，但同时会导致传输速率下降。为进一步提升隐

蔽性与传输速率，可考虑增加敌方的侦测成本或减少接收

方的接收开销，从而造成接收方与敌方能力不对等。如

图 2(b)所示，先验增强隐蔽通信中，发送方可通过与合法

接收方共享敌方未知的信息（例如信道资源的占用情况）

来提升传输效率。如图 2(c)所示，环境辅助隐蔽通信中，

发送方可利用传输链路或环境的随机性（例如信道衰落和

环境背景）进一步降低被侦测的概率。下面对 3 类经典隐

蔽通信方法进行详细分析。

1.2.1 频谱低零隐蔽通信

频谱低零隐蔽通信将信号掩埋于热噪声中，使叠加信

号的似然函数与噪声的概率密度函数尽可能相近，从而形

成近似白化的传输系统。该方法实现简单，但其传输性能

受到功率的限制。参考文献[6]表明，采用该隐蔽通信方法

至多可以在 N 次信道使用中传输 O N ( ) 比特信息。这一

结论在多用户信道中同样成立。因此，频谱低零隐蔽通信

主要适用于传输实时性要求低、数据量适中的业务。

早期的频谱低零隐蔽通信通过直接序列扩频（Direct

Sequence Spread Spectrum，DSSS）实现，扩频信号的功率

谱密度能够降至噪声水平之下。此外，可将多个设备用作

辅助中继，建立从发端到收端的短距离多跳路径，实现低

发射功率隐蔽传输。若能确定敌方的位置，还可选择合适

的多跳路径，进一步降低被侦测的风险。

1.2.2 先验增强隐蔽通信

在先验增强隐蔽通信中，发送方通过向接收方共享先

验知识来增加敌方的侦测难度。发射机可以通过预先交互

进行信道估计，或随机使用时频资源进行传输并通过共享

密钥告知接收方。参考文献[14]表明，若发送方随机选择

TN N ( )( ) ∞ 帧中的一帧进行传输，而该信息对敌方是未

图 2 3 类经典隐蔽通信方法

·4· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

知的，则发送方可以传输 O N TN   log ( ) 比特隐蔽信息。

先验增强隐蔽通信可显著提升隐蔽传输速率，适用于可承

受大量信令开销的业务。

跳频技术可实现频率快速切换，通过将信号跳入具

有较低检测概率的信道来增强隐蔽性，是先验增强隐蔽

通信的常用方法。敌方若想准确侦测到隐蔽传输，必须

侦听发射机所有可能使用的频率，这对敌方的侦收能力

要求很高。此外，将多天线技术集成到空天地一体化网

络中，可使天线主瓣能量聚焦，从而降低敌方接收信号

功率。

1.2.3 环境辅助隐蔽通信

环境辅助隐蔽通信利用环境干扰信号或发送方自身

非隐蔽信号来混淆敌方的判断，利用噪声不确定性、信道

不确定性或多用户场景中公开用户信息的多样性等来获

得传输速率增益。这些方法有望在 N 次信道使用中实现

O(N)比特的隐蔽信息传输。虽然环境辅助隐蔽通信具有

出色的传输性能，但它要求发射机具备感知环境信号的

能力。

在环境辅助隐蔽通信中，全双工接收机所产生的具有

随机发射功率的人工噪声会叠加到敌方的接收信号上，增

加了敌方的决策难度。此外，可在系统中引入未知干扰器，

所产生干扰可在敌方一侧引入必要的不确定性。在多用户

场景中，隐蔽通信还可与非正交多址技术相结合，在有效

提升隐蔽性的基础上增加可接入的设备数量。

2 隐蔽通信安全防范能力分析

星地传输信道广域开放，面临干扰、窃听、截获和入

侵等多类型无线安全威胁。典型的安全保障技术（如物理

层安全技术、通信抗干扰技术等）只针对特定的安全威胁

有效。本节指出，隐蔽通信的抗侦测能力使潜在的敌方无

法认知、定位、分析我方传输信号，可实现对空天地一体

化网络的全方位安全防护。在此基础上，本节将比较上述

3 种经典隐蔽通信方法的部署需求和安全性能。

2.1 多维安全能力分析

空天地一体化网络中的典型无线安全威胁可分为主

动攻击与被动攻击。在主动攻击中，敌方企图改变、入侵

或破坏无线传输链路，从而降低通信系统的服务质量。被

动攻击指敌方在不破坏合法通信的前提下侦测或截获信

号。敌方在实施任何攻击前都需要侦测到合法传输信号的

存在。如图 3 所示，无线隐蔽通信的多维安全保障能力能

够为通信系统建立初始防御，从而阻止敌方的进一步攻

击。后文将详细讨论隐蔽通信如何有效应对各种无线安全

威胁。

2.1.1 抗干扰

无线网络中的干扰指敌方故意发射干扰信号以降低

接收机信噪比，从而破坏正在进行的无线通信。典型的通

信抗干扰技术可以产生抗干扰波形来应对这种威胁。隐蔽

通信技术的应用，如跳频传输方案，使得敌方难以掌握收

发机之间的信道资源使用模式，无法有针对性地发射干扰

信号，因而增强了系统的抗干扰能力。

2.1.2 抗入侵

入侵是指敌方试图在合法接收方侧获取系统访问权

限或相关授权的行为。传统的身份认证依赖于射频指纹或

无线衰落信道的唯一性。若敌方侦测到用于身份认证的信

图 3 隐蔽通信的多维安全保障能力

安建平等：面向空天地一体化网络的无线隐蔽通信技术：探索与展望 ·5·

号并重新发送，那么接收方有可能将敌方错误认证为合法

设备。用于身份认证的信号携带的数据量通常较小，发送

方可采用时域猝发式隐蔽传输方案，利用信号的随机性和

瞬时性降低敌方侦测概率，实现抗入侵。

2.1.3 抗窃听

在窃听攻击中，敌方希望在不被发现的情况下对合法

收发机之间传输的保密信号进行接收和译码。零陷和安全

编码等物理层安全技术是抵御窃听威胁的传统方法。由于

隐蔽通信采用的发射功率通常较低，敌方难以从噪声中分

离出隐蔽信号并对其进行准确译码。为进一步增加敌方的

窃听难度，发射机还可采用隐蔽信号与公开信号叠加传输

的策略。

2.1.4 抗截获

在截获攻击中，敌方希望破译信息内容，从而进一步

实施数据窃取等。为防御此类攻击，通常采用高层或混沌

加密技术。然而，敌方可能采用暴力破解攻击来获取加密

密钥。隐蔽通信可与加密技术相结合来提升系统的抗截获

能力。发送方可优化发射信号的结构使其近似于白化，从

而增加敌方的侦测难度。即使敌方侦测到隐蔽信号，其正

确译码的难度也大大提升。

2.2 部署需求与安全性能比较

隐蔽通信因其实现低检测概率的方法不同而产生差

异化的安全性能侧重。此外，空天地一体化网络中的终端

设备与卫星平台的通信资源和处理能力存在显著分别，在

部署隐蔽通信技术时，还需明确发射机的感知需求、接收

机的实现复杂度以及收发机之间的信令开销。下面将分析

上述 3 类经典隐蔽通信方法的部署需求与安全性能，其定

性比较结果如图 4 所示。

图 4 3 类经典隐蔽通信方法的部署需求与安全性能比较

2.2.1 部署需求

在环境辅助隐蔽通信中，发射机需根据环境感知信号

来设计隐蔽传输信号，接收机需要复杂的译码算法来处理

多设备叠加信号。这对发射机的感知能力和接收机的处理

能力均提出了较高要求。在先验增强隐蔽通信中，发射机

需具备一定的感知能力来确认可用的时频资源，且传输共

享密钥会导致大量信令开销。相比之下，频谱低零隐蔽通

信不依赖于感知和信令交互，但由于其信号发射功率极

低，接收机必须具备较高的灵敏度，增加了一定的实现复

杂度。

2.2.2 安全性能

隐蔽通信的抗窃听性能与敌方的接收机复杂度要求

密切相关，因此，环境辅助隐蔽通信在抗窃听性能方面表

现突出。在该方法中，敌方的接收信号为复杂叠加信号，

侦测难度大，因此该方法也具有卓越的抗入侵性能。此外，

环境辅助隐蔽通信允许相对高的发射功率，因此也具有较

强的抗干扰性能。在先验增强隐蔽通信中，收发机能够随

机使用信道资源，敌方难以有针对性地进行干扰，因此该

方法具备出色的抗干扰性能。

3 面向空天地一体化网络的隐蔽通信新技术

星地间链路信道状态快变，存在大时延与多普勒频

偏，且空基平台有效载荷能力受限，这为隐蔽通信技术的

实施带来了独特挑战。因此，应从空天链路的实际信道特

性或平台约束出发创新隐蔽通信方案设计，可利用能量多

维弥散、智能频谱感知与对抗及多星协同检测等方法，进

一步提升系统安全性。本节将分析面向空天地一体化网络

的新型隐蔽通信方法，相比经典隐蔽通信方法有望取得更

大增益。

3.1 多维弥散隐蔽通信

多维弥散隐蔽通信可将发送信号的能量弥散在时、

频、空、码、极化等多个不同维域，使得均摊在每个维度

上的信号能量较低。敌方难以掌握我方隐蔽通信传输策

略，且其侦听范围通常无法覆盖每个能量弥散维度，因此

无法获得足够多的能量来完成信号侦测，通信信号的隐蔽

性得到增强。

DSSS 是最简单的多维弥散隐蔽通信方法。通过 DSSS

进行隐蔽通信时，原本发送一个符号所需的能量被分散至

多个码片。进一步地，发送方还可通过控制信号的发送时

间、波束赋形向量、极化方式等，将扩频信号弥散至高维

信号空间中进行发送。图 5 以跳频和时域猝发为例展示了

信号序列的发送过程。由于敌方并不完全掌握信号的发送

·6· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

时间和频率，其仅能接收到部分信号序列。在噪声的作用

下，敌方难以通过侦收到的序列完成信号检测。

除了跳频和时域猝发之外，多维弥散隐蔽通信还可通

过在空域上采用跟踪点波束以降低敌方侦收能量，在码域

上增大扩频码字选用范围以增加敌方搜索空间，在极化域

上动态改变信号极化方式以提升敌方能量收集难度等方

法实现。

3.2 认知拟态隐蔽通信

认知拟态隐蔽通信可以采用非规则多载波聚合深度

扩频（ Non-Uniform Carrier Aggregation Deep Spread

Spectrum，NUCA-DSS）体制，通过提取环境信号特征，

将通信信号智能隐藏于环境“掩体”或“拟态”为环境信

号，以欺骗和误导敌方。NUCA-DSS 信号将相同的码元信

息分配到多个子载波上，能够保持与 DSSS 信号等效的扩

频比和功率谱密度，同时大大降低了码片速率，进而降低

了对模数/数模转换器采样率和现场可编程门阵列处理时

钟的速率要求。此外，NUCA-DSS 信号的子带数量、子载

波中心频点、扩频比、带宽和功率在一定范围内灵活可设，

因此可根据频谱感知结果，使子载波信号与掩体信号发生

频谱重叠，以迷惑邻近的侦收机，进而实现隐蔽、可靠的

信息传输。

隐蔽信号拟态融合的基本思想是，终端节点在发送前

对周边电磁环境进行感知，确定功率较强的环境电磁波信

号频点及带宽，然后自主调整 NUCA-DSS 信号参数，令

NUCA-DSS 信号的各个子带与环境电磁波信号全部或部

分重叠。以 1～3 GHz 的 L/S 频段范围内的实时频谱感知

为例，通过选择不同的 NUCA-DSS 信号发送参数，图 6

给出了上行 NUCA-DSS 信号与环境电磁波信号之间的几

种主要频谱重叠方案。

一般而言，当 NUCA-DSS 信号与掩体信号重叠较多

时，信号隐蔽性增强，但同时接收机可能会遭受较多干扰，

导致传输性能下降。当 NUCA-DSS 信号与掩体信号重叠

较少时，接收机性能损失较少，但频谱重叠对上行信号的

隐蔽性增益也会减少。由此可见，自适应电磁环境感知与

融入对链路隐蔽性能和传输性能的影响存在制约关系。在

制定自适应电磁环境感知与融入策略时，需调整

NUCA-DSS 信号参数以实现对信号隐蔽性能和传输性能

的权衡。

3.3 跨域协同隐蔽通信

面向多星场景，跨域协同隐蔽通信可以运用分布在不

同空间区域的多个卫星平台内禀的信号收发处理能力以

及多个地面隐蔽终端的设备性能，有效挖掘未来密集卫星

星座的规模优势，进一步加强通信系统隐蔽性能并提升隐

蔽性约束下的传输性能。然而，空天通信系统中平台间链

路的带宽和数量有限，在跨域协同传输过程中，系统需充

分考虑平台间传输约束条件，采用适配空天大延时、高动

态链路特征的跨域低开销协作机制，以提升多个卫星平台

以及地面隐蔽终端之间的通信质量和协作效率。

在实际的低轨卫星隐蔽通信系统中，同一区域内的

设备终端往往同时被同一星座的多颗卫星覆盖，这些卫

星均可接收设备终端的数据包。多颗卫星对接收信号的

协作检测将为其传输性能带来额外增益。由此，可以考

虑一种面向低轨卫星星座的多星多节点通信系统模型，

如图 7 所示。跨域协同传输将多个设备看作不同的天线，

通过多设备的分布式协作来模拟一个多输入多输出

（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）系统，从而突

破了隐蔽通信接收信噪比的制约。针对上行隐蔽传输，

在发射信噪比不变甚至降低的情况下，采用多星协作获

图 5 多维弥散隐蔽通信示意

安建平等：面向空天地一体化网络的无线隐蔽通信技术：探索与展望 ·7·

得空间分集增益、提升接收信噪比，从而抵御敌方在地

面部署的信号侦听手段。

图 7 多星协作虚拟阵列信号检测示意

在下行隐蔽传输链路中，多波束协作传输可以为地面

隐蔽终端接收带来额外增益，在保证落地功率谱密度不变

的情况下，有效降低天基平台的发射功率，抵御敌方基于

低轨卫星等空天平台的信号侦听手段。采用多星多波束协

同传输的覆盖增强方法，可有效提升跨域协同隐蔽通信系

统的保密容量。此外，在星地协同隐蔽传输过程中，还可

以联合运用空间段与地面段差异化的先验信息和设备能

力，获取敌方不具备的信号传输增益。

3.4 智能对抗隐蔽通信

人工智能技术能够挖掘海量数据样本的非线性规律并

做出准确的在线决策，已成为一种前景广阔的通用工具[15]。

考虑到日益复杂的空天通信环境及隐蔽性能与传输性能

之间的制约关系所导致的信号波形设计难点，下文给出基

于人工智能的隐蔽通信框架，用于在空天链路的现实约束

条件下实现端到端优化。

在隐蔽通信中，发送方旨在设计出同时具有较优传输

性能与隐蔽性能的发射信号，合法接收方希望优化其译码

器以获得更低的误码率，而敌方则致力于实现更精确的侦

测。这种需求与对抗学习的基本原理相契合。对抗学习利

用竞争框架来改进机器学习模型，提升模型泛化能力。生

成对抗网络（Generative Adversarial Networks，GANs）是

其中一种实现对抗学习的有力工具，其在零和博弈中同时

训练生成式和判别式深度神经网络（Deep Neural Net图 6 上行 NUCA-DSS 信号与环境电磁波信号之间的主要频谱重叠方案

·8· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

works，DNNs），在对抗性攻击下具备较强的防御能力。

受上述启发，可给出一种新型协作-对抗人工智能框架，

即三方协作−对抗网络（Tripartite Collaborative-Adversarial

Network，TCAN），如图 8 所示。在该框架中，G 代表生

成器，用于产生合法设备的物理或数字信号；R 和 D 分别

代表分类器和判别器，可通过自动特征提取进行分类和决

策。G、R 和 D 的输入包括传输链路的边信息，并且其神

经网络中集成了终端设备的硬件约束和空天传输的信道

特性。TCAN 的训练收敛后，R 和 D 模块分别处于最佳译

码和检测模式，而 G 则处于给定约束条件下的最优权衡，

从而生成传输性能与隐蔽性能均较优的发射信号波形。因

此，TCAN 可用于增强空天地一体化网络的安全性。

4 未来发展趋势

前文介绍了经典隐蔽通信方法及其多维安全防护能

力，并分析了面向空天地一体化网络的隐蔽通信新技术。

相较于传统安全传输技术，隐蔽通信能全面对抗诸如恶意

侦测、干扰、窃听、截获和入侵等的多种无线安全威胁，

是实现空天地一体化网络高安全传输的有效途径。然而，

未来随着敌方通信节点的计算与学习能力不断增强，隐蔽

通信技术需要进一步演进，可考虑以下发展方向。

4.1 信息论隐蔽

虽然现有研究已经揭示了典型信道中的隐蔽传输速

率基本极限，但除了高斯信道[9]，其他信道下隐蔽通信的

最优信号设计仍未被探索。由于隐蔽性约束的存在，传统

通信中的信号设计准则无法直接被迁移至隐蔽通信当中。

针对空天地一体化网络复杂的信道特性和有限的硬件条

件，应当考虑到功放限制、相位噪声、等效信道非线性以

及衰落信道中信道状态信息可用性等因素，在广泛的信道

模型下探索隐蔽通信的最优信号及信息论边界，为隐蔽通

信的实际系统设计提供理论指导。

4.2 语义隐蔽

语义通信是通信领域的新兴研究方向，相比于数据或

通信符号的精确传输，它更加关注语义的准确传递。在语

义通信中，信息通常以隐含语义的形式嵌入正常通信中。

由于信息的含义与通信的上下文或环境密切相关，同样的

一次通信可根据不同的上下文来传递不同的信息。因此，

未来可研究基于语义通信的隐蔽信息传输，基于卫星与终

端设备的共享知识构造具有上下文依赖性的隐蔽信息，从

而使不掌握该先验信息的敌方难以破译信息的内含。

4.3 量子隐蔽

量子通信卫星可以利用量子叠加态和纠缠效应进行

信息传递。由于量子通信没有电磁辐射，敌方难以进行无

线监听或探测。利用量子信道噪声掩盖量子信息传输，可

实现量子隐蔽通信。目前已知在有损玻色子信道下，量子

隐蔽通信依然遵循电磁波隐蔽性的平方根律 O N ( ) [16]。

图 8 基于人工智能的 TCAN 框架

安建平等：面向空天地一体化网络的无线隐蔽通信技术：探索与展望 ·9·

安建平（1965− ），男，北京理工大学网络空

间安全学院教授、博士生导师，主要研究方向

为空天信息网络与安全、空间信号处理等。

康碧琛（1999− ），女，北京理工大学网络空

间安全学院博士生，主要研究方向为物理层安

全通信等。

欧阳巧琳（1998− ），女，北京理工大学信息

与电子学院博士生，主要研究方向为卫星通信

与资源规划等。

潘健雄（1997− ），男，北京理工大学信息与

电子学院博士生，主要研究方向为通信感知一

体化与智能通信等。

叶能（1993− ），男，北京理工大学网络空间

安全学院特别副研究员、博士生导师，主要研

究方向为空天多用户通信与安全、智能无线通

信等。

未来可研究将一个“态”所携带的信息转移到多个“态”

上，实现将信息隐藏于多个“态”的纠缠。利用非局域的

量子纠缠态隐藏量子信息，有望实现无条件安全。

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[作者简介]

·10· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

卫星激光通信技术研究现状与发展趋势分析

贾冠男 1

，张 冬 1

，张世层 1

，杨永猛 1

，崔 翔 2

（1. 中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050000；

2. 中国卫星网络集团有限公司，北京 100029）

摘 要：卫星激光通信技术具有传输速率高、终端体积重量功耗小、频率资源丰富等优势，已成为构建下一代天地一体化网络

的重要手段。介绍卫星激光通信的性能优势与技术挑战，梳理国内外的技术发展脉络，总结国外的先进经验和国内的不足。结

合未来网络系统的需求，从链路可靠性、组网能力、终端集成度 3 个方面分析卫星激光通信技术的发展趋势。

关键词：卫星激光通信；空间激光通信；天地一体化网络；卫星通信

中图分类号：T929.1

文献标识码：A

Analysis of Research Status and Development Trend of

Satellite Laser Communication Technology

JIA Guannan1

, ZHANG Dong1

, ZHANG Shiceng1

, YANG Yongmeng1

, CUI Xiang2

1. The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang 050000, China

2. China Satellite Network Group Co., Ltd., Beijing 100029, China

Abstract: With the advantages of high transfer rate, small size, light-weight, low power consumption and sufficient frequency resource,

satellite laser communication technology has become one of important means to establish the next generation space-ground integrated

network. The performance advantages and technical challenges of satellite laser communication had been introduced. The technical

development venation both at home and aboard was combed, while the oversea advanced experience and the domestic shortcoming were

summarized. Combining with requirements of the future network, the technical trend of satellite laser communication was analyzed

through link reliability, networking ability and device integration level.

Keywords: satellite laser communication, space laser communication, space-ground integrated network, satellite communication

0 引言

卫星通信作为现代通信系统的重要组成部分，在国防、

商业、科研等领域发挥着不可或缺的作用。随着通信技术

步入 6G 时代，卫星通信更是成为构建空天地海一体化网络

的关键[1]。传统的卫星通信使用微波频段作为传输载波，然

而仅使用微波已无法满足卫星通信系统的发展需求。一方

面，随着卫星应用的普及，卫星系统逐步变得网络化、规

模化，导致微波频率资源日益紧张；另一方面，由于空间

信息获取及传感技术的快速发展，需要使用卫星进行传输

的信息量呈指数级增长，微波无法提供足够的传输带宽[2]。

在此背景下，卫星激光通信技术应运而生，解决了上述瓶

颈问题，已成为卫星通信领域技术研究和工程应用的热点。

1 卫星激光通信的技术特点

卫星激光通信是指以激光作为传输载波的卫星通信

技术。与卫星微波通信相比，具有以下技术特点，每个特

点都为其应用带来优势与挑战。

（1）载波频率比微波更高

卫星激光通信的载波频率范围为 190~560 THz，比 S、

Ka、Q/V 等微波频段高出 4~5 个数量级[3]。该特点使卫星

激光通信具备 2 大优势，一是能够提供更为丰富的频率资

源，二是单载波带宽提高 2 个数量级以上，可以支持更高

的单载波通信速率。目前，国内外卫星激光通信均已实现

收稿日期：2023−09−01；修回日期：2023−10−31

贾冠男等：卫星激光通信技术研究现状与发展趋势分析 ·11·

10 Gbit/s 的单载波通信速率，美国更是完成了单载波

100 Gbit/s 的在轨技术验证。结合偏振复用和波分复用技

术，卫星激光通信的链路速率可达数百吉比特每秒以上，

远超卫星微波通信，极大地提高了系统的传输能力，减轻

了星上数据存储与处理的压力。

然而，载波频率的提升也对星地激光链路的可靠性提

出了更大的挑战。高频率电磁波的穿透能力下降，使得星

地激光链路的可靠性受大气影响明显。云、雨、雾会阻断

激光传播，引起链路中断。大气吸收和大气散射会造成光

能量衰减，大气湍流引起的散斑效应和闪烁效应会导致接

收端光功率和相位的畸变，以上影响均会带来通信质量的

劣化[4-5]。针对天气条件引起的链路中断问题，可以采取地

面多个天气非相关区域分别建立地面站的方式，多站联合

提高星地链路的整体可用度。针对大气信道衰减问题，可

以提高发射功率，保证足够的链路裕量。针对大气湍流问

题，可以引入大口径平滑接收、分集接收、自适应光学等

技术，提高接收端对大气湍流的抑制能力。

（2）波束发散角比微波更窄

卫星激光通信的波束发散角通常为微弧度量级，比

卫星微波通信（波束角通常为毫弧度量级）收窄 3 个数

量级。该特点带来的优势表现在 2 个方面：一是抗干扰

抗截获能力更强。以高轨卫星对地通信为例，微波通信

波束地面覆盖区域的直径为数百千米，而激光通信的覆

盖直径仅有数百米，基本杜绝了被敌方截获的可能性；

二是能量更集中，可实现超远距离的高速传输，并且在

相同速率条件下，终端的重量体积功耗较微波终端大幅

减小。以美国月球激光通信演示验证项目中的激光终端

为例，其重量比月球勘测轨道飞行器上的微波终端（重

量 61 kg，功率 120 W）减少 50%，只有 30.7 kg；功耗

仅 90 W，降低了 25%。

但是，微弧度量级的波束发散角对通信两端的精确指

向和稳定跟踪能力提出了更高的要求[6]。为实现载荷的轻

量化，当前卫星激光通信普遍采用无信标捕获跟踪体制，

取消了大束散角的信标光，仅使用微弧度量级的通信光束

实现捕获跟踪，卫星平台的微小振动即能影响两端建链的

成功率与可靠性。为克服该影响，硬件方面需要研制转动

精度更高的跟踪机构和隔振效果更好的被动隔振装置，软

件方面要研发性能更优的专用捕获跟踪算法。

2 国外研究现状

美国、欧洲、日本等国家和地区自 20 世纪 60 年代开

始卫星激光通信技术研究，技术体系和相关产业链成熟，

在轨验证充分，已率先进入工程应用阶段。

2.1 美国卫星激光通信情况

美国很早便开展了卫星激光通信技术研究，主要研究

机构有美国国家航空航天局、麻省理工大学林肯实验室

等，前期通过激光通信演示系统、伽利略光学试验计划、

火星激光通信演示系统等项目奠定了良好的研究基础[7]。

（1）月球激光通信演示验证[8-9]

2013 年 10 月，美国成功开展了月球激光通信演示验

证项目。该项目的主要目的是验证超远距离激光通信的关

键技术。试验系统有 1 个星载激光通信终端、3 个激光通

信地面站和 1 个月球激光通信运控中心组成，在 30 天内

共进行了 16 个小时的系统链路试验。最远通信距离 40 万

千米，使用 1 550 nm 波段的激光载波。下行通信采用

16PPM调制，通信速率39~622 Mbit/s；上行通信采用4PPM

调制，通信速率 10~20 Mbit/s。

星载激光通信终端由林肯实验室负责研制。光学望远

镜采用卡塞格林形式，收发共口径，有效通光孔径

108 mm，信号光和信标光的束散角分别为 15μrad 和

110 μrad。捕获跟踪系统采用粗、精复合轴方案，其中粗

跟踪机构为万向架，精跟踪机构为光纤章动器。终端重量

30.7 kg，功耗 90 W。

月球激光通信演示验证项目成功的关键在于 2 项重

要技术手段的引入。一是星载激光终端的捕获跟踪系统

引入了磁流体惯性参考单元，这是一种视轴瞄准参考器，

能够非常有效地抑制平台引入的高频微振动，将系统的

精跟踪精度提高至亚微弧度量级。二是地面站引入了超

导纳米线单光子探测器，将接收探测灵敏度提升至

−82.9 dBm，减轻了星载终端的功耗压力。另外，地面站

还采用了分集技术和大口径平滑技术，提高了对大气湍

流的移植能力。

（2）光通信和传感演示项目

2015 年，NASA 启动了光通信和传感演示（Optical

Communication and Sensor Demonstration，OCSD）项目的

在轨验证，其目的是验证激光通信在微小卫星上的应用。

与常规方案不同，该项目的星载激光通信终端没有捕获跟

踪系统，通过卫星平台的姿态调整实现双端的跟瞄，此举

大幅降低了终端的重量、功耗和体积[10]。

2015 年 10 月，OCSD-A 卫星发射入轨，该卫星为体

积 1.5 U 的立方体卫星。因为卫星姿态控制发生在轨故障，

未进行激光通信试验。2017 年 11 月，OCSD-B 和 OCSD-C

·12· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

2 颗卫星发射入轨，并完成了星地激光通信试验，通信距

离 450 km，下行最高通信速率 200 Mbit/s，误码率优于

1×10−6

。2019 年 4 月，完成了 2 颗卫星之间的星间激光

链路测试，通信距离 2 414 km。

OCSD 星载激光通信终端采用 1 064 nm 激光进行通

信，信号发射功率 14.7 W。其设计思路为微小卫星激光通

信终端的设计指明了方向。

（3）激光通信中继演示验证

2017 年，美国启动激光通信中继演示验证（Laser

Communication Relay Demonstration，LCRD）项目，利用

地球同步轨道卫星为航天器与地面站之间创建一条连续、

双向对称的全光卫星中继通信链路。

LCRD 项目的星载激光通信终端由光学头、调制解调

器、电控箱和星上交换单元等 4 类单机构成，如图 1 和图

2 所示。中继卫星与深空用户的激光通信链路采用 PPM 调

制，最高速率 622 Mbit/s；与低轨飞行器和地面站之间的

激光链路采用 DPSK 调制，最高速率 1.244 Gbit/s。光学望

远镜的通光孔径 108 mm，星载激光通信终端的体积与大

号床垫相仿[11]。

图 1 LCRD 星载激光通信终端

图 2 LCRD 激光通信终端的各类单机

LCRD 项目的 2 个光学地面站分别位于加利福尼亚州

的桌山和夏威夷的哈雷阿卡拉。为了支持星地链路在 2 个

站点之间按需切换，2 个地面站均配备了天气监测系统。

此外，为了克服大气信道对星地链路的影响，2 个地面站

均安装了自适应光学系统。其中，桌山地面站的自适应光

学系统采用 Shack-Hartmann 波前传感器，对下行光功率要

求更低；波前校正采用低阶变形镜搭配高阶变形镜的 2 级

校正方案。引入自适应光学系统后，地面站的光纤耦合效

率可达 55%[12]。

2021 年 12 月，LCRD 星载激光通信终端搭载美国国

防部的 STPSat-6 卫星发射入轨。迄今为止，已开展了大量

的在轨试验，系统评估了天气和地球大气层变化对激光通

信的影响，并优化了多个地面站点的切换策略。

（4）太字节红外传输

2014 年，NASA 启动太字节红外传输（Terabyte Infrared Delivery，TBIRD），拟实现小型化、低成本的低地

球轨道对地面的超高速率激光通信。2022 年 5 月 25 日，

TBIRD 的星载激光通信终端被集成在名为“探路者技术演

示器 3”的 6 U 立方星上发射进入太阳同步轨道，轨道高

度 525 km，倾角 97°。11 月 8 日，完成了星地通信试验，

下行单载波通信速率 100 Gbit/s，首次实现了单载波通信

速率百吉比特每秒量级的卫星通信。TBIRD 项目立方体卫

星实体图如图 3 所示。

TBIRD 激光终端没有使用粗跟踪机构，通过探测的误

差信号控制卫星平台调整姿态，精确指向地面站。终端共

有 3 个光学孔径，分别为 1 个通信光孔径、1 个捕获孔径

和 1 个可见光探测孔径[14]。终端体积 1.9 U，重量 2.3 kg，

功耗 120 W。

图 3 TBIRD 项目立方体卫星

TBIRD 项目的先进性除了超高的激光通信速率外，还

体现在以下 2 个方面[15]。一是成功实现了地面成熟商用组

贾冠男等：卫星激光通信技术研究现状与发展趋势分析 ·13·

件的航天应用，为星载终端的低成本快速研制奠定了基

础。星载激光通信终端的 2 个相干光模块、1 个光纤放大

器和 1 个 2 TB 容量的高速存储器均为将地面商用货架产

品进行航天适应性加固后直接应用。二是开发了定制版本

的数据重传协议，可以实现误码重传，保证星地激光链路

的无错误传输。该数据重传协议基于自动重传请求技术开

发，使用速率为 2 kbit/s 的上行光链路传输重传控制命令。

（5）激光通信近地卫星系统

NASA 计划于 2025 年实施激光通信近地卫星系统

（Laser Optical Communication Near-Earth Satellite System,

LOCNESS）项目，用于建立下一代光通信中继网络，弥

补当前跟踪与数据中继卫星系统（Tracking and Data Relay

Satellite System，TDRSS）的不足。

与 TDRSS 系统不同，下一代光通信中继网络具备各

中继节点之间的通信链路，当本节点下方的光学地面站被

云层阻挡无法建立下行链路时，可以通过星间链路将数据传

输给可以建立下行激光链路的其他中继节点进行下传[15]。下

一代光通信中继网络的每个中继节点包括 1 个 10 Gbit/s

的用户激光链路，和 1 个用于星地或中继节点间通信的

100 Gbit/s 骨干激光链路，另有 1 个 Ka 频段的 1 Gbit/s 星

地链路，作为星地激光链路的备份，进行重要、即时数据

的下传。

LOCNESS 的激光通信系统包含 4 个完全相同的、相

互独立且互为备份的激光终端。每个激光终端的粗跟踪机

构采用万向架形式，俯仰角±120°，方位角±175°。望

远镜有效口径 20 cm。2 个光调制解调器，分别用于用户

链路和骨干。控制器电子模块控制激光终端的所有功能，

包括 PAT 等[16]。

（6）美国太空发展局“国防太空架构”激光通信情况

美国太空发展局（Space Development Agency，SDA）

负责实施的国防太空架构系统，通过数百颗低地球轨道小

卫星构建大容量、高弹性网络，实现对地面与海面时间敏

感目标的超视距瞄准，以及对高超声速和先进导弹威胁的

预警与跟踪。该系统的传输层卫星均配置激光通信链路，

是卫星激光通信技术在军事领域的首次规模化工程应用。

传输层每颗卫星至少配备 3 个激光通信载荷，用于建

立 2 条同轨激光链路（前、后向）和异轨激光链路，同时

保证过境时可与光学地面站进行通信。传输层第 0 阶段的

卫星已于 2023 年 4 月发射入轨，第 1 阶段和第 2 阶段卫

星分别计划于 2024 年和 2026 年完成发射。

为满足批量化需求，SDA 引入了多个星载激光通信终

端供应商。而为了确保各供应商产品的互操作性，SDA 制

定了激光通信终端标准，并建立了专门的标准符合性测试

机构。在标准制定过程中，充分考虑了对地面光纤通信行

业标准的兼容性，以尽可能复用光纤通信的产业链，实现

星载激光通信终端的低成本、可量产。该标准规划的激光

终端通信协议见表 1。

表 1 SDA 激光通信终端标准规划的通信协议

序号 协议名称 通信速率

/(Gbit·s−1

)

通信距离

/km

编码

方式 通信体制

1 SDA T0~T6

0.312 5~

1.25 7 500

RS IM/DD

OOK-NRZ

2.5~10 5 000

2 G709RS

2.66 7 500

11.32 5 000

3 G975RS 2.5~10 7 500

4 G975L 2.5~10 5 000 LDPC

5 OpenZR+100 100 —

OFEC

相干 QPSK

6 OpenZR+200 200 — 相干 QPSK

7 OpenZR+300 300 — 相干 8QAM

8 OpenZR+400 400 — 相干 16QAM

德国 Mynaric 公司为 SDA 提供的型号为 Condor MK3

的星载激光通信终端，技术指标和产品外观分别如表 2 和

图 4 所示。

表 2 Mynaric Condor MK3 技术指标

参数 指标 备注

通信速率 0.313~2.5 Gbit/s 符合 SDA OCT 标准 T0/T1

链路距离 最大 6 500 km —

跟踪范围 方位：−175°~+175°

俯仰：−60°~+85° —

天线口径 80 mm —

工作波长 1 553/1 536 nm —

发射光功率 4 W 寿命末端功率

尺寸 光学头：372*282*257 mm

处理机：158*170*207 mm —

输入电压 22~38 V(DC) —

图 4 Mynaric Condor MK3 实物图

·14· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

（7）Starlink 卫星激光通信情况

2021 年 9 月，Space-X 公司宣布其 Starlink 卫星开始

使用激光通信终端建立星间链路，率先开启了卫星激光通

信的规模化商业运用。截至 2023 年 7 月，共发射 3 097 颗

V1.5 及以上版本的卫星，每颗卫星上均配置 4 台激光通信

终端。Starlink 的星载激光通信终端追求小体积、低成本、

易量产，以满足其平板卫星堆叠发射、商业航天极致性价

比和大规模应用的需求。

2.2 欧洲卫星激光通信情况

1985 年，欧空局启动半导体激光星间链路试验项目，

并于 2001 年 11 月完成世界首次星间激光通信在轨验证。

此后，又陆续开展了多个典型项目。

（1）NFIRE-TerraSAR 星间激光通信

2008 年 2 月，德国 Tesat 公司研制的星载激光通信终

端 LCTSX 分别搭载于 TerraSAR 和 NFIRE 2 颗低地球轨

道卫星上，进行了世界上首次星间相干激光通信试验，双

向通信速率 5.6 Gbit/s，通信距离 5 000 km，误码率为 10-11

量级。这是卫星激光通信首次在通信速率方面超越微波通

信，真正体现了其技术优势。

终端通信波长 1 064 nm，通信采用 BPSK 调制/零差相

干检测的技术体制，科斯塔斯环的相位锁定时间 29 s，多

普勒频移的适应范围可达±10 GHz[17]。捕获跟踪采用无信

标的技术体制，信号光束散角 14 urad。初次捕获的不确定

区域 1 mrad，经在轨修正后，不确定区域减小到 141 urad，

平均捕获时间接近 59 s，其中不确定区域扫描时间 30 s。

上述技术体制代表了卫星激光通信技术的发展趋势，已成

为卫星激光通信终端的经典技术架构。

终端捕跟系统由粗指向机构、精指向机构、超前瞄准

机构、捕获探测器、跟踪探测器等组成。粗指向机构采用

潜望镜式，由无刷直流电机驱动。精指向机构和超前瞄准

机构均采用二维快反镜。捕获探测器和跟踪探测器采用

QD，相对于 CCD，接口设计的复杂度和器件故障率大幅

度降低[18]。光学天线口径 125 mm，峰值发射功率 0.7 W。

终端重量 32 kg，功耗 120 W。

（2）TESLA-C 项目

欧空局的 TESLA-C 项目旨在研制适用于低地球轨道

微小卫星平台对地通信的激光通终端。2018 年完成在轨验

证，星地通信距离 400~900 km ，单载波通信速率

1.25 Gbit/s，误码率优于 10-9量级。

该项目采用强度调制/直接探测的通信体制。下行通信

波长为 1 550 nm 波段，具备 OOK 和 PPM 2 种调制格式，

其中 OOK 用于良好链路条件和短距离链路，而链路条件

较差或距离较长时则采用 PPM 调制，提高接收灵敏度。

上行通信波长 1 064 nm，采用 16-PPM 调制格式。通信处

理采用 FEC 信道编码和自动重传请求协议，以保证数据传

输的可靠性[19]。

星载激光通信终端由瑞士 OPTEL 公司负责研制，由

光学头、电子单元和激光单元 3 台单机构成。其中光学头

安装在舱外，实现光束的捕获跟踪。电子单元完成终端控

制、通信处理、数据存储和发射功率调节等功能。激光单

元实现光调制解调和光放大。终端重量 8 kg，体积 8 L，

功耗 43 W，能提供 100 GB 的数据存储量，适合微小卫星

平台的激光通信应用。

（3）欧洲数据中继系统

欧空局的欧洲数据中继系统（European Data Relay

System, EDRS）是世界上首个实际应用并投入运营的卫星

激光通信项目。

EDRS 由 Alphasat、EDRS-A 和 EDRS-C 3 颗地球同步

轨道卫星组成，为飞行器用户提供卫星中继通信服务，覆

盖区域包括欧洲、中东、非洲、南美、中亚和极地地区。

用户与中继卫星之间的链路采用激光通信，而中继卫星与

地面站之间的链路采用微波通信[20]。

2013 年 7 月，Alphasat 卫星发射入轨。2014 年 11

月，Alphasat 与低地球轨道卫星 Sentinel-1A 开展了激光

通信试验，通信采用 BPSK 调制/零差相干检测，速率

1.8 Gbit/s，通信距离 45 000 km。捕获跟踪采用无信标捕

跟体制，建链时间小于 55 s，精跟踪精度约 1 μrad，并能

适应 7.8 km/s 的星间相对运动速度[21]。2016 年 1 月 27

日，EDRS-A 发射进入地球同步轨道，位置赤道 9°E，并

于同年 7 月开始提供卫星中继服务。其可靠性达 99.8%，

每天传输的数据量达 50 TB。2019 年，EDRS-C 发射入轨，

位置赤道 31°E[22]。

EDRS项目使用的星载激光通信终端为 Tesat公司研

制的 LCT-135，通信光源波长 1 064 nm，线宽 50 kHz；

掺镱光纤放大器最高输出功率 5 W，正常工作发射功率

2.2 W；粗跟踪机构采用潜望镜形式；接收端使用 QD 探

测器，实现通信、跟踪一体化探测；光学天线口径

135 mm，信号光束散角 10 urad。终端采用一体化设计，

全部部件集成为一个单机，通过 MIL-STD 1553 B 数据

总线与卫星平台连接。终端重量 56 kg ，尺寸

60 cm*60 cm*74 cm，平均功耗 160 W。EDRS 星载激光

通信终端如图 5 所示。

贾冠男等：卫星激光通信技术研究现状与发展趋势分析 ·15·

图 5 EDRS 星载激光通信终端

2.3 日本

日本的卫星激光通信技术研究起步较早，分别于 1995

年和 2006 年完成了世界首次 GEO 卫星-地双向激光通信

和世界首次LEO卫星−地双向激光通信的在轨验证。此后，

日本在该领域的研究更偏向于小型化终端技术方向。

（1）小型光通信终端

2015 年 4 月，日本研制的小型光通信终端（Small

Optical TrAnsponder, SOTA）发射入轨，星地通信距离

1 000 km，下行通信速率 10 Mbit/s。该项目旨在促进激光

通信在微纳卫星中的应用[23]。

SOTA 由光端机和电控箱 2 台单机构成。其中光端机

尺 寸 177.5 mm130 Dmm264 mm ，电控箱尺寸

146 mm140 Dmm10.5 mm，终端总重量约 5.7 kg 左右。

粗跟踪机构为 2 轴万向架，方位角、俯仰角均为±50°，

采用微步电机驱动；精跟踪机构为快反镜，偏转范围±

0.7°。捕获探测器和精跟踪探测器均使用 InGaAs QD，其

中捕获探测视场角±40 mrad，精跟踪视场角±2 mrad。光

学天线采用卡式天线，口径 50 mm，10 倍扩束。

（2）超小型光通信终端

2018 年，日本研制了超小型激光通信终端（Very

Small Optical Transponder，VSOTA），以满足 RISESat 卫

星对载荷小型化的要求。为了压缩体积和重量，VSOTA

一方面取消了捕获跟踪机构，终端与卫星平台刚性连接，

通过精准控制卫星姿态实现通信两端的捕获跟踪；另一

方面，通信系统取消上行接收功能，仅保留下行发射链

路[24]。

VSOTA 由 VSOTA-COL 和 VSOTA-E 2 部分构成，二

者之间通过光纤相连。VSOTA-COL 包括 2 个激光准直发

射器和 1 个立方镜。其中激光准直发射器分别用于 2 路下

行通信光（波长 1 540 nm 和 980 nm）的准直发射；立方

镜用于装星标校，精确测量激光器光轴指向。1 540 nm 和

980 nm 的光束发散角分别为 1.2 mrad 和 3.3 mrad，通信速

率 100 kbit/s~10 Mbit/s，通信距离＜2 000 km；终端重

量＜1 kg，功耗＜10 W。

2.4 对国外发展情况的思考

第一，技术与产业格局。美国着眼于军事和商业应用，

兼顾前沿技术研究的同时，在工程系统建设、行业标准制

定和产业链整合方面尤为领先。欧洲与美国联系紧密，更

侧重于核心器件和终端产品的研制，为美国提供配套能

力。日本在小型化终端研制方面发力明显。

第二，制定统一的行业标准、尽可能复用地面光纤通

信的产业链和货架产品，是卫星激光通信技术快速、可持

续发展的基础。

第三，卫星互联网对星载激光通信终端提出新的要

求。卫星互联网系统规模庞大、对激光通信终端的数量需

求众多，已成为卫星激光通信技术的主要市场，其对激光

通信终端的要求主要体现在以下 4 个方面：一是，为节约

发射成本，低轨互联网卫星通常被研制成平板形态，因此

激光终端高度方向的包络尺寸要足够小，以满足卫星堆叠

发射的要求；二是，单颗卫星需要同时建立多条激光链路

以满足网络路由需求，必须搭载多台激光终端，因此终端

要尽可能压缩重量、体积、功耗，以减轻卫星平台的压力；

三是，为提高系统可靠性，单颗卫星上多个激光终端最好

能够互为备份，这要求终端粗跟踪机构的偏转范围足够

大，兼容同轨和异轨星间链路的跟踪范围；四是，激光终

端需要实现低成本、可量产，以支撑大规模卫星系统的建

设需求。

3 国内研究现状

我国的卫星激光通信技术起步于 20 世纪 90 年代，目

前已初步完成了关键技术的在轨验证，形成了较为完善的

技术体系，并逐步开始了工程应用的相关探索。主要的研

究机构有哈尔滨工业大学、长春理工大学、中国航天科技

集团有限公司、中国科学院上海光学精密机械研究所等高

校和院所。近年来，南京英田光学工程股份有限公司、北

京极光星通科技有限公司等一众商业公司也加入了研究

行列。

3.1 技术验证情况

2011 年底，哈尔滨工业大学研制的激光通信终端搭载

“海洋二号”卫星发射入轨，并完成了星地激光通信试验[25]。

最远通信距离 1 650 km，OOK 调制，通信速率 504 Mbit/s，

误码率优于 10-9量级。捕获跟踪采用粗、精复合轴控制，

·16· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

信标光束散角 100 μrad，捕获时间小于 11 s，精跟踪精度

优于 2 μrad。

2016 年，“天宫二号”空间实验室与新疆南山光学地面

站开展星地激光通信试验，实现 1.6 Gbit/s 的下行通信速率。

2017 年 1 月，墨子号完成国内首次星地相干激光通信

试验[26]。通信距离 1 600 km，下行采用 BPSK 调制/零差相

干检测，通信速率 5.12 Gbit/s，工作波长 1 550 nm 波段。上

行采用 PPM 调制，通信速率 20 Mbit/s，工作波长 1 064 nm。

2020 年，实践 20 号卫星完成了 GEO 卫星-地面的激

光通信试验。激光通信终端采用 QPSK 调制/相干检测体

制，下行通信速率达到单载波 10 Gbit/s[27]。本次验证使用

了丽江的 1.8 m 光学地面站，配备了 357 单元的自适应光

学系统，校正后精跟踪精度达到 0.48 urad（3σ），波前残

差约 λ/10（λ=1 550 nm），进入单模光纤的耦合效率从

−70 dBm 提升到−45 dBm，耦合效率从不足 1%提升到 44%。

2020 年 5 月，“行云二号”01 星河 02 星开展了星间

激光通信试验，通信距离 3 000 km，通信速率 100 Mbit/s。

星载激光通信终端重量 5 kg。

3.2 工程应用情况

2018 年，“北斗三号”系统使用星载激光通信终端构

建星间激光链路，开启了国内卫星激光通信技术工程应用

的探索进程。

2021 年，中国卫星网络集团有限公司（以下简称“星

网公司”）成立，加快了卫星激光通信工程应用的步伐。

2022 年 5 月，星网先导 03/04 星发射入轨，随后完成了星

间激光通信验证，通信速率达到吉比特每秒量级。此后，

星网公司负责建设的低轨卫星互联网系统全部采用星载

激光通信终端构建星间链路。

2023 年，长光卫星技术股份有限公司的低轨遥感卫星

MF02A04 星与光学地面站开展了激光通信试验，采用强

度调制/直接探测体制，下行单载波通信速率 10 Gbit/s[29]，

且可采用波分复用技术进一步提升通信速率，展现了卫星

激光通信的商业应用价值。

3.3 国内外差距

（1）关键技术方面

我国虽已基本具备完整的卫星激光通信技术体系，但

超百吉比特每秒高速传输、在轨长期不断链通信等方面的

能力仍有待提升。

（2）核心器件方面

国产核心器件存在可靠性不足、工程化水平弱、集成

化程度低等问题，导致星载激光通信终端研制受制于国外

器件的供应情况，无法彻底摆脱“卡脖子”困境，并且阻

碍了终端轻量化的深度推进。

（3）产业生态方面

国内卫星互联网刚刚起步，产业规模不足，尚未对卫

星激光通信行业形成强大的需求牵引，导致技术迭代周期

长、产品研发成本高、产业链发育较慢。

4 技术发展趋势

构建空天地一体化的高速网络信息系统是网络通信

技术发展的必然趋势，也是大国竞争中必须抢占的科技制

高点，卫星激光通信技术已成为其中的一个关键环节。面

对下一代网络信息系统全空间全时段联通、海量用户接入

组网、绿色低碳的需求，卫星激光通信技术必须在提高星

地链路可靠性、增强组网能力和提升设备集成度等方面进

一步完善，将呈现以下几个发展趋势。

4.1 星地链路向高可靠方向发展

当前星地激光链路的可用度受天气条件影响严重,无

法保证通信的可靠性，可分别采用以下几个途径解决该

问题。

（1）提高光学系统对大气湍流的抑制能力

对于星载激光通信终端，可以采用分集接收技术，通

过增加接收孔径的数目和引入分集接收算法，抑制大气湍

流的影响。对于光学地面站，由于不受重量体积功耗的严

格限制，除了采用分集接收技术外，还可以增大光学天线

口径，利用大口径平滑技术削弱大气湍流的影响。同时，

也可以引入自适应光学系统，对大气湍流引入的波前畸变

进行校正[29]。

（2）激光微波融合传输

天气条件对星地激光链路可用度的影响无法完全避

免，必须考虑恶劣天气情况下的应对措施。受限于地面站

建设数量、站点切换机制等因素，光学地面站多站联合的

方式无法满足大规模网络的需求，采用激光微波融合传输

是最佳的解决方案。

激光微波融合传输不是 2 种传输手段的简单切换，需

要从下列 3 个层面实现二者的深度融合。一是协议融合，

通过优化 2 种传输手段的切换机制，实现二者根据大气信

道条件的自动、无感切换。二是处理融合，通过设计通信

处理算法，实现微波通信和激光通信的软件模块通用、处

理资源共用。三是孔径融合，研究激光微波共口径技术，

实现激光通信与微波通信共用天线，提高设备集成度。

（3）使用大气透过率更高的激光载波

贾冠男等：卫星激光通信技术研究现状与发展趋势分析 ·17·

基于激光光源和光放大的技术成熟度，现阶段常用的

卫星激光通信波长集中在 0.8 μm、1.064 μm 和 1.55 μm 3

个波段，虽然处在大气窗口，但透过率仍不足 80%，导致

载波对大气的穿透力不足。而 4 μm 波段激光的大气透过

率高达 90%以上，更适宜开展星地激光通信，提高链路可

靠性。随着光源与光放大器件的日益成熟，4 μm 波段将成

为星地激光通信的首选波长。

4.2 光学天线向相控阵方向发展

随着用户数量和网络规模的发展，传统“点对点”的

方式已成为制约卫星激光通信组网应用的关键，必须向

“一点对多点”的模式转变，这要求光学天线由机械式向

相控阵方向发展。相控阵光学天线不仅能利用 1 套天线实

现多波束收发，支撑激光通信组网，提高终端集成度，而

且可以实现无机械转动的光束偏转控制，消除捕获跟踪过

程引入的微振动干扰。

根据实现原理不同，光学相控阵天线可以分为 MEMS

型、液晶型和光波导型 3 类[30-31]。其中，MEMS 相控阵是

利用电磁效应或压电效应控制微机械结构转动，带动光束

指向偏转。液晶相控阵是通过外部电压控制液晶分子排列

方向偏转，实现光束相位调制，控制光束指向偏转。光波

导相控阵是通过聚焦式光栅将光引入波导内，再经过功分

器将光束分成多路，每一路经过移相器后再进行相干叠

加，实现相位调控，控制光束偏转。目前，MEMS 相控阵

技术发展较快，已初步具备技术验证条件；液晶相控阵和

光波导相控阵则仍处于实验室研究阶段。

4.3 光电器件向片上集成方向发展

在卫星光网络中，单颗卫星需要同时具备多条激光通

信链路，以支持系统的组网需求，因此必须提高激光通信

终端的集成度，从而降低对卫星平台的重量、体积、功耗

的需求，契合节能低碳的网络发展趋势。光学天线的集成

可以通过光学相控阵技术实现，而通信单元和光放大单元

的集成，则需要激光通信终端的光电器件向片上集成方向

发展。

光电器件的片上集成包括光子集成和光电集成 2 个

阶段。

光子集成是指将激光器、探测器、调制器、混频器、

放大器等有源光器件和隔离器、耦合器等无源光器件集

成在同一个衬底或基片上。目前地面光纤通信行业已实

现了多种光器件的片上集成，后期随着半导体光放大技

术和光子集成技术的进一步发展，有望实现全部光器件

的片上集成。

光电集成是指在光子集成的基础上进一步集成分立

的电子器件。目前电子器件的单独集成已有较大进展，光

纤通信行业已完成了通信处理芯片和数模转换芯片的片

内集成。然而进一步的光电集成尚面临诸多问题，例如信

号在不同材料体系间传输导致的模式适配和能量损失、光

学材料随工作时间和温度变化产生的性能老化等。尽管如

此，光电器件片上集成的大趋势仍不会改变。

5 结束语

卫星激光通信技术是构建未来天地一体化网络的重

要手段，拥有广阔的市场前景，已成为卫星通信的热门研

究方向。经过多年的发展，国内外研究机构均已基本完成

了关键技术的试验验证，开始进入规模化工程应用阶段。

本文分析了卫星激光通信的技术特点及其带来的性能优

势与技术挑战。通过对研究现状的整理，梳理了国内外卫

星激光通信技术的发展脉络，总结了国外的发展经验和国

内的不足之处。最后，分析了卫星激光通信技术的 3 个发

展趋势，可为卫星激光通信技术研究提供借鉴。

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贾冠男等：卫星激光通信技术研究现状与发展趋势分析 ·19·

贾冠男（1988− ），男，博士，中国电子科技

集团公司第五十四研究所卫通专业部高级工

程师，主要研究方向为空间激光通信。

张冬（1989− ），男，硕士，中国电子科技集

团公司第五十四研究所卫通专业部高级工程

师，主要研究方向为空间网络技术。

张世层（1991−），男，硕士，中国电子科技

集团公司第五十四研究所卫通专业部工程师，

主要研究方向为卫星通信载荷总体设计。

杨永猛（1989− ），男，硕士，中国电子科技

集团公司第五十四研究所卫通专业部工程师，

主要研究方向为卫星通信载荷。

崔翔（1987− ），男，博士，中国星网网络系

统研究院高级工程师，主要研究方向为通信卫

星总体设计。

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[作者简介]

·20· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

空间卫星网络组网与管控技术综述

廖新悦 1

，张然 1,2，黄正璇 1

，刘江 1,2，唐琴琴 1

，黄韬 1,2

（1. 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，北京 100876；

2. 紫金山实验室未来网络研究中心，江苏 南京 211111）

摘 要：随着航空航天技术以及卫星互联网技术的快速发展，高速率、高带宽的卫星通信系统逐渐成为下一代移动通信体制的

重要组成部分。卫星互联网的发展推进了卫星网络商业化进程，低轨卫星成为构建卫星互联网的重要组成部分。如何实现大规

模低轨卫星网络高效可靠的网络管控，完成星地融合组网与路由，逐渐成为了发展卫星互联网的前沿课题。近年来，随着卫星

网络规模逐渐扩大，网络管控方法被大量提出。首先，从国内外大规模卫星星座的发展现状出发，调研已有的多种卫星网络的

组网架构和协议体系；然后，根据现阶段大规模卫星网络的发展现状，分析对其进行网络管控的难点和关键技术；最后，基于

星地融合的组网方式，对现有的解决方案进行调研与分析。

关键词：星地融合网络；低轨卫星网络；网络管理与控制；分域管控方法

中图分类号：TN929

文献标识码：A

doi: 10.11959/j.issn.2096−8930.2023030

Review on Networking and Control Technologies

of Space Satellite Network

LIAO Xinyue1

, ZHANG Ran1,2, HUANG Zhengxuan1

, LIU Jiang1,2, TANG Qinqin1

, HUANG Tao1,2

1.State Key Laboratory of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and

Telecommunications, Beijing 100876, China

2.Purple Mountain Laboratory Future Network Research Center, Nanjing 211111, China

Abstract: With the rapid advancement of aerospace technology and satellite internet, high-speed and high-bandwidth satellite communication systems have gradually become an essential component of the next-generation mobile communication infrastructure. The trend

in the development of satellite internet has propelled the commercialization process of satellite networks, with low earth orbit satellites

playing a significant role in constructing satellite internet. The efficient and reliable network management of large-scale low earth orbit

satellite networks, along with the integration of space and ground routing, has gradually emerged as a cutting-edge issue in the development of integrated aerospace networks. In recent years, as satellite networks have expanded in scale, numerous network management

methods have been proposed. Firstly, begined by examining the development status of large-scale satellite constellations both domestically and internationally, surveying the existing network architecture and protocol systems of various satellite networks. Subsequently,

based on the current development status of large-scale satellite networks, the challenges and key technologies involved in satellite management were analyzed. Finally, built upon the network integration of space and ground, existing solutions were extensively researched

and analyzed.

Keywords: integration of satellite and terrestrial network, LEO satellite network, management and control of the network, subdomain

control methodology

收稿日期：2023−04−07；修回日期： 2023−08−11

通信作者：张然，zhangran@bupt.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金面上项目（No.62171064）

Foundation Item: The National Natural Science Foundation of China（No.62171064）

廖新悦等：空间卫星网络组网与管控技术综述 ·21·

0 引言

随着人类生产生活对通信服务需求的逐渐提高，传

统移动通信网络和地面固定网络由于覆盖范围有限、网

络扩展性差、抗毁能力弱等缺陷，已逐渐不能完全满足

人类社会的发展需求。全球现有的移动网络仅覆盖陆地

面积的 20%、地表面积的 6%，航空、远洋、渔业、石

油、环境监测、户外越野等特殊区域的通信需求依靠卫

星通信满足。

在 2G 到 5G 的发展时期，卫星通信的首要需求是实

现全球覆盖。因此，卫星通信以中窄带、中高轨道卫星为

主，能够以较少数量的卫星完成全球覆盖，实现对蜂窝网

络覆盖区域的补充。2021 年，中国 IMT-2030（6G）推进

组发布的《6G 总体愿景与潜在关键技术白皮书》[1]提出建

设全球广域覆盖的卫星互联网，实现全球通信网络的全域

覆盖与无缝连接，同时通过互联网技术实现互联网、移动

通信网络、空间网络的互联互通[2]，构建融合网络，实现

自然空间全覆盖和全球全域的“泛在连接”，星地融合通

信已是目前通信技术的重要发展方向。

由多层卫星网络结合现有的移动通信网络，以及互联

网接入技术构建的卫星互联网能够突破现有地面网络的

覆盖范围局限，实现全球不间断信号覆盖，为全球用户提

供大宽带、低时延、全覆盖的网络服务。大规模、低轨化、

多层次的卫星网络是卫星互联网的重要组成部分。大规模

星地融合网络具有海量节点、结构复杂、拓扑异构等特点，

要充分利用卫星网络资源，对现有卫星进行最大化利用，

对未来卫星网络进行科学合理部署，需要通过高效可靠的

网络管控方式进行网络资源分配与调度，针对地面网络的

传统网络管控方式在星上难以实现。因此，探究针对大规

模星地融合网络的高效可靠的管控方式具有重要的研究

意义。

1 国内外大规模卫星星座发展现状

1957 年苏联发射第一颗人造卫星[1]，激发了人们探索

利用卫星进行通信的想法。20 世纪 60 年代初，美国提出

了 “通信卫星全球覆盖系统（COMSAT）[3]”计划，旨

在建立一个全球性的通信卫星网络。1962 年，美国发射了

第一颗商业通信卫星——Telstar-1[4]，基于模拟通信系统

实现了跨大西洋的电话通信。20 世纪 80 年代，通信卫星

进入了数字通信时代，数字通信技术的发展使得通信卫星

能够传输更多信息，数字通信系统提供了更高的带宽和更

好的信号质量，能够实现语音、电视及广播信号的转发。

20 世纪 90 年代，随着在轨卫星数量的增加，卫星通信服

务进入商用阶段，最具代表性的是 Iridium[5]系统、

Globalstar[6]以及 Orbcomm[7]系统，但由于卫星通信成本过

高，且需求并不充分，当时的商用卫星系统并未得到充分

利用，卫星通信技术的发展也受到阻碍。

进入 21 世纪以来，随着空间技术、移动通信技术以

及互联网技术的蓬勃发展，构建宽带体制的卫星互联网逐

渐成为了卫星通信技术研究的热门问题，大规模低轨卫星

网络成为通信卫星网络的演进方向[7]。学术界与工业界开

始对卫星互联网展开研究与实践，全球多家公司提出了大

规模低轨卫星的发射部署计划[8]。美国 SpaceX 公司的

“Starlink”计划[9]，截至 2023 年 7 月 25 日，Starlink 卫

星发射数量达到 4 859 颗，约有 4 519 颗 Starlink 卫星在

轨运行[10]；英国 OneWeb 公司的 OneWeb 一代互联网宽

带卫星星座于 2023 年 5 月完成 18 次发射，共计 618 颗卫

星在轨[11]；加拿大 Telesat 公司计划于 2025 年开始部署规

模为 188 颗低轨卫星的“Lightspeed”星座[13]。2020 年 9

月，中国向国际电信联盟（ITU）提交了名为“GW”的频

谱分配档案，“GW”星座中包含两个名为“GW-A59”

和“GW-2”的宽带低轨卫星子星座，其中“GW-A59”星

座计划部署 6 090 颗极低轨道卫星，轨道高度约为 500 km；

“GW-2”子星座计划部署 6 912 颗低轨卫星，轨道高度约

为 1 200 km；“GW”星座计划发射卫星总数达 12 992 颗。

各国大规模低轨卫星星座呈现出大带宽、巨型化、低

轨化的特征。

与地面网络相比，卫星通信网络具有空间跨度大、覆

盖范围广、稳健性高、抗毁能力强等优势。其中，低轨卫

星具有低时延、高数据传输速率、低发射制造成本、抗干

扰能力强、能够快速部署等诸多优势。因此，下一代通信

卫星网络主要由诸多大规模低轨卫星星座构成。

随着网络的规模逐渐扩大，大规模卫星网络具有海量

节点、复杂异构、高度动态的拓扑特征，如何对其进行高

效可靠的网络管控是一大挑战。由于空间环境复杂，为保

障卫星网络的灵活性和鲁棒性，需要控制系统具备快速重

构能力。由于星上资源有限，需要控制系统对网络资源进

行精细化分配与调度。

2 星地融合网络组网架构及协议体系

2.1 星地融合网络组网架构

随着空间技术与网络技术的发展，星上处理技术逐渐

成熟，为星上动态组网、星地融合组网提供支持。星上转

发技术的发展分为“弯管透明转发”“电路交换”“星上

·22· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

IP 分组交换”3 个阶段。随着星上转发技术的发展，星地

网络间的联系逐渐紧密，空间网络与地面网络间的融合组

网方式从“天星地网”“天基网络”向天地融合组网“天

网地网”演进。随着星上转发技术以及网络管控能力的提

升，卫星网络组网方式从传统卫星通信系统网络架构到基

于软件定义网络（Software Defined Network，SDN）的星

地融合组网架构，再到面向 6G 标准化的星地融合移动通

信系统架构发展。下面根据卫星网络不同的发展阶段，分

析卫星通信系统的组网方式。

（1）传统卫星通信网络系统组网架构

传统卫星通信网络系统主要包含空间段、地面段和用

户段，如图 1 所示。其中，空间段指由各类卫星组成的卫

星网络，包括高轨（GEO）、中轨（MEO）、低轨（LEO）

卫星及星间链路（Inter-Satellite Link，ISL），采用星上处

理（On-Board Processing，OBP）技术以支持星上独立组

网与路由；地面段包括信关站、网络控制中心等，信关站

与卫星间通过馈电链路连接，用于实现星地间的数据上下

行，以实现系统运维及与地面通信网络互联的功能；用户

段包括各类地面终端用户，如车载终端、舰载终端和卫星

电话等。

传统卫星通信网络系统组网方式能够有效地提高网

络覆盖面积，实现对现有地面蜂窝网络的补充。然而星上

采用传统地面网络基于分布式架构的管控方式，卫星节点

不仅需要承载业务的数据交换与存储转发，还需要具备链

路状态的收集与同步、路由表的计算与存储等一系列功

能，极大地消耗了星上的计算资源。且随着网络规模的扩

大，采用分布式架构的网络路由收敛速度缓慢，导致网络

性能下降。

（2）基于 SDN 的星地融合组网架构

随着卫星网络的规模逐渐扩大，海量节点使得网络管

控难度增加，超大型卫星星座需要高效的网络管控方式来

协调大规模的网络节点，将 SDN“数控分离”的思想引入

大规模卫星网络，可以提高网络的灵活性与可扩展性。

首先，通过将控制平面和数据平面分离，由控制平面

进行复杂的路由计算与资源管理等控制功能，数据平面仅

负责简单的硬件配置及数据转发功能，将控制中心部署在

计算资源充足的地面或高层卫星，星上节点仅需具备解析

控制信令以及数据报转发的能力，提升了卫星组网的灵活

性与可扩展性，降低了对星上处理能力的要求与卫星网络

的建设成本，节省了星上资源；其次，采用控制平面集中

图 1 传统卫星通信网络系统组网架构

廖新悦等：空间卫星网络组网与管控技术综述 ·23·

管理的网络管控方式，逻辑集中的 SDN 控制平面能够获

取网络全局视图，实时监测网络状态，并根据网络状态实

施精细化管控策略，从而保障业务的服务质量，提升网络

性能；再次，软件定义网络架构能够将星上软硬件解耦，

打破了固有的软件对硬件的依赖关系，提高了软件升级的

灵活性，同时消除了由硬件差异带来的网络异构，降低了

网络更新成本，提高了网络的可编程性；最后，控制平面

能够对网络资源统一管理并进行灵活调配，能够跨域协调

网络资源，提升网络资源的利用率。

根据参与组网卫星的轨道高度以及网络的物理结构，

可将卫星网络架构分为两种：LEO 单层卫星网络架构、

LEO/GEO 或 LEO/MEO/GEO 多层卫星网络架构[15]。下面

分析两种网络架构及其基于 SDN 的控制器部署方式。

① LEO 单层卫星网络架构

近年来，各国建设的多数卫星星座都朝着低轨化、巨

型化的方向演进，采用基于 SDN 的网络管控方式能够对

节点众多、布局分散的大规模低轨卫星网络进行精细化管

控，在此基础上引入网络功能虚拟化（Network Function

Virtualization，NFV）技术，将网络服务与具体网元解耦，

实现网络功能服务的灵活部署[16-18]。

对于巨型低轨卫星网络，可以将卫星分组管理的思想

与基于 SDN 的网络管控方式相结合。参考文献[19]首先对

卫星进行分集群处理，对同一集群内的卫星进行批量管

理，并在地面数据中心引入 SDN 的网络架构，将 SDN 控

制器部署在地面数据中心网络中。当信关站接收到同一集

群的卫星网络状态信息后，传输给与之最近的地面数据中

心，通过地面数据中心网络共享到其他的数据中心。由此，

每个集群的卫星网络状态信息都被实时共享到地面数据

中心网络中进行集中式管理。

基于 SDN 的 LEO 单层卫星网络架构通常将控制器

部署在地面节点，为保障地面控制器能够实时检测到每

颗卫星，地面信关站及控制器的部署位置选择十分重要，

且星地链路信道容易因为飞行物或云雨遮挡出现衰落，

网络稳定性会受到一定影响，LEO 单层卫星网络的灵活

性受到限制。

② LEO/MEO/GEO 多层卫星网络架构

LEO 卫星传输时延较低但具有高度动态性，将覆盖范

围较大且动态性较低的高层轨道卫星与 LEO 卫星进行分

层组网，更能够贴合 SDN 分层化管理的思路。参考文献[20]

提出了基于 SDN 的星地分层管控架构 OpenSAN，将网络

分为管理平面、控制平面与数据平面，将管理平面部署在

地面数据中心，负责星上路由规则的计算、网络功能虚拟

化服务、移动性管理等，在 GEO 卫星上部署控制平面，

负责数据平面路由规则的传递和星上链路状态信息的收

集，LEO 卫星作为数据平面进行数据报的存储转发。

OpenSAN 方案有效减少了地面站的数量，充分利用了

GEO 卫星的功能，提高了网络管控效率。SDN 分层管控

架构如图 2 所示。

图 2 SDN 分层管控架构

参考文献[21]沿用了管理平面、控制平面、数据平面

的 SDN 分层管控逻辑，基于 LEO/MEO/GEO 3 层卫星网

络提出了 SERvICE 架构，将控制平面部署在地面数据中

心、GEO 控制器以及卫星网关控制器，在地面部署卫星网

络管理平面中心（Satellite Network Management Center，

SNMC），数据平面由低轨和中轨卫星组成。控制平面负责

收集星上信息并传输至地面 SNMC，地面 SNMC 负责网

络资源全局管理与全局视图的维护。

针对多层卫星网络的星地分层管控架构以及多层控

制器的部署方案，能够实现对星地融合网络的集中管控，

具备更高效的管理规划能力，更好地推进星地异构网络的

融合与演进。

（3）面向 6G 的星地融合移动通信系统架构

随着地面移动通信从 5G 向 6G 演进，以非地面网络

（Non-Terrestrial Network, NTN）为代表的新型卫星互联网架

构逐渐深化[22]，面向 6G 的星地融合移动通信系统架构[23]

融合了传统地面移动通信网络、低空接入网络与卫星通信

网络，并促使各自独立的标准体系向统一方向融合发展，

推进了卫星互联网的协议标准化演进，如图 3 所示。3GPP

在 R16 中定义了 8 个增强移动宽带场景和 2 个海量机器类

通信场景，提出了支持 NTN 的空中接口方案以及 5G 新空

·24· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

中接口参数，分析了卫星作为地面 5G 补充的可行性，并

计划在下一版本标准方案中完成标准化工作。

图 3 面向 6G 的星地融合移动通信系统架构

5G 的 NTN 部署场景见表 1。

表 1 5G 的 NTN 部署场景[24]

平台 轨道高度 运行方式 典型覆盖尺寸

低轨卫星 300~1 500 km

绕地球旋转

100~1 000 km

中轨卫星 7000~25 000 km 100~1 000 km

静地轨道卫星 35 786 km

对于给定地

球点，保持

固定仰角/方

位角

200~3 500 km

空中载体平台

（UAS）包含高空

通信平台（High

Altitude Platform

Station，HAPS）

8~50 km

HAPS 20 km 5~200 km

高轨卫星 400~50 000 km 椭圆轨道绕

地球旋转 200~3 500 km

根据卫星在网络中承担的角色不同，可以将 5G 的

NTN 架构分为两种模式[25]：透明转发模式与星载基站模

式（gNB）。透明转发模式下，卫星仅作为透传中继；星

载基站模式下，卫星间可通过星间链路进行数据传输，能

够减少信关站数量，有效扩展移动通信网络的覆盖范围。

2.2 星地融合网络协议体系

（1）TCP/IP 协议体系

TCP/IP 协议是目前应用最广泛的互联网通信协议，也

是当前卫星网络接入全球互联网的主流方案。TCP/IP 协议

体系的设计目的是实现现存网络间的互联互通，采用网络

层寻址、路由与转发功能，实现全网可达性，采用 TCP

协议实现端到端的可靠性连接。在空间网络采用 TCP/IP

协议能够快速部署并实现星地网络的端到端通信，节约网

络建设成本。

现阶段，已形成了如 IP 协议上星（IP over Satellite，

IPoS）的星上 IP 协议部署方案；针对传统 TCP 协议难以

适应较大时延、较高误码率的卫星信道的问题，采用 TCP

性能增强代理的方式可以大大提高传输性能。空间数据系

统协商委员会（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）根据空间信道特征制定了空间通信协议规

范（Space Communications Protocol Specifications, SCPS）。

（2）CCSDS 协议体系

空间数据系统协商委员会协议是由国际空间数据系

统协商委员会制定的空间通信标准协议，用于空间通信的

数据交换、存储及通信需求。借鉴 TCP/IP 协议体系，

CCSDS 同样包含了 5 层协议架构，其体系结构自下而上

包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，每

一层都包含若干可组合协议。

其中，网络层协议除全新定义的空间分组协议（Space

Packet Protocol, SPP）和空间通信协议规范-网络协议

（ Space Communications Protocol Specification-Network

Protocol, SCPS- NP）外，还支持 IPv4 和 IPv6。

CCSDS 协议已成为国际上使用最广泛的空间通信协

议标准之一，部分 CCSDS 协议已成为国际标准化组织的

正式标准。CCSDS 协议现存问题体现在无法与地面网络

协议进行直接互通，需要进行协议转换。

（3）DTN 协议体系

时延容忍网络（Delay Tolerant Networks，DTN）协议

体系是一种用于时延容忍的网络通信协议体系，特别适用

于无线和移动网络中存在不可靠连接和大时延的环境。

DTN 协议体系基于存储转发的思想，允许节点在临时性的

网络中存储和转发数据，以实现可靠的数据传输。

DTN 协议在 5 层体系架构的基础上，在应用层与传输

层之间引入了覆盖层，并通过使用磁盘等永久存储的方式

克服网络的间歇性连接问题[26]，覆盖层中的覆盖层协议用

于将数据分段并在网络中进行存储和转发。

除此之外，DTN 还定义了多种路由协议，包括基于传

染病模型的路由协议[27]、基于随机投射和等待的路由协议[28]

（Spray-and-Wait Routing Protocol，SWRP）、基于遥传的路

由协议等。

（4）NDN 协议体系

命名数据网络（Named Data Networking，NDN）协议

体系是一种新型的网络通信协议体系[29]，以数据为中心，

以数据命名为核心思想，与传统的基于主机的 IP 网络相

比，将重点从主机和 IP 地址转移到数据本身。NDN 协议

体系包括多个具体的协议和机制，用于支持命名数据的传

输、路由和缓存。与传统的传输协议与互联网协议相比，

NDN 具有内容寻址与高效缓存、数据高效分发、去中心

化的网络自主性等优势[30]。

廖新悦等：空间卫星网络组网与管控技术综述 ·25·

3 卫星网络路由管控关键技术

随着星座规模的逐渐扩大，大规模星座网络面临以下

挑战。

（1）用户增加，难以维持细粒度管控

随着卫星网络规模的扩大，卫星网络逐渐成为卫星互

联网的重要支撑部分，接入用户数急剧增加，用户的规模

扩大，导致了需要维护的用户信息以及不同用户所需的业

务状态变多。对于单个用户，维护开销包括表项开销、数

据包 buffer 开销与数据包回传带宽开销。其中，表项开销

与用户/业务规模以及卫星网络规模线性相关，中低频业务

的星载数据包 buffer 开销非常高。一般采用压缩表项的方式

解决用户/业务开销问题，但此类方法会导致管控粒度变粗。

（2）最短路径算法难度增加

现有的卫星网络最短路径算法，通常是基于集中式或

分布式的链路状态同步下的最短路径计算方法。其中，设

网络中节点数为 n，Dijkstra 算法以给定点为根，生成到任

意点的最短路径树，算法复杂度为 o(n2

)。Floyd 算法以动

态规划的方式计算任意点到点之间的最短路径，算法复杂

度为 o(n3

)。随着网络节点数增加至上万个，星上有限的计

算资源无法承受大量计算开销，若进一步考虑等价多路径

转发，计算时间将大大增加。

（3）端到端路径可靠性降低

在采用激光构建星间链路的场景下，激光信号的空间

自由传播损耗以及接收端因天线未对准而产生的附加噪

声，使得星间激光链路的可用性小于 100%；同时，随着

星座规模的扩大，卫星节点间的最大跳数即路径深度增

加，随着路径深度的增加，端到端的可靠性逐渐降低。以

上两种因素，导致业务传输路径和控制通道的可用性降低。

（4）路由更新开销不断提高

以地面网络层路由协议 OSPF 为例，网络中各节点间

建立邻居关系后通过交换链路状态信息来同步网络连接

关系。在全网链路状态信息同步收敛后，各节点以自身为

根节点，分布式计算到达任意点的最短路径。设网络节点

数为 n，OSPF 用于同步链路状态信息的消息规模为 o(n2

)。

基于以上挑战，采用分层分域的网络架构能够降低决

策与信息同步的规模，提高管控效率。

现有的网络管控方法总体思路是“分而治之”，通过

将大规模卫星网络节点划为多个“卫星组”或“路由域”，

减少单个“组”或“域”的卫星节点数量，从而降低管控

的复杂度，同时减少单颗卫星所需维护的路由表规模，有

效利用星上计算资源，将此类问题统称为卫星网络的分域

问题。分域问题需要解决的问题不仅包括区域的大小、数

量如何确定，还要考虑到分域后路由信息如何同步，域内

路由、跨域路由如何计算等后续问题。

3.1 基于多层卫星网络架构的分组管理方法

自卫星通信技术发展以来，许多组网中都提到了分层

网络架构，并证明了其相对于扁平结构的优势。随着空间

技术的发展，不同轨道高度的在轨卫星数量逐渐增多，使

得探索基于多层卫星网络架构的分层管控方式成为可能。

基于多层卫星网络架构的分层管控方法是通过上层卫星

的覆盖区域将下层卫星划分为多个卫星组，每一颗上层卫

星对一组下层卫星进行管控的组管理方式，通过局部更新

路由表的方式减少路由更新和管控复杂度，如图 4 所示。

图 4 基于多层卫星网络架构的分组管理

卫星网络分层管控的首次提出是在参考文献[31]中，

其中提出了多层卫星（Satellite over Satellite，SoS）的概

念，指出传统的卫星通信网络往往具有扁平的结构，缺乏

灵活性和可扩展性。为了解决上述问题，作者提出了一种

新的层级架构，通过利用静地轨道卫星或中轨卫星与低轨

卫星构建多层卫星网络架构。在 SoS 网络的基础上，设计

动态卫星路由协议（Hierarchical Satellite Routing Protocol，

HSRP）。HSRP 是一种基于卫星逻辑位置的链路状态路由

算法，由上层卫星充当管理节点，下层卫星将分布式泛洪

收集到的链路状态信息汇总至上层卫星，上层卫星之间同

步不同卫星组间的链路状态信息，上层卫星按同步完成后

的链路状态信息进行下层卫星的点到点路由表计算，并将

计算后的路由表下发至下层卫星，减少了低层卫星的计算

压力。由于该算法仅依靠最小跳数作为最短路径计算指

标，无法保障传输时延要求。

基于上述分层网络架构，参考文献[32]提出了一种 3 层

卫星网络架构（LEO/MEO/GEO），MEO 卫星负责下层

·26· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

LEO 卫星组的链路信息收集，视为管理层；GEO 卫星根

据管理层收集的链路信息进行路由表的计算与下发，视为

控制层；LEO 卫星根据路由表进行数据包转发，视为数据

层。针对 MEO 和 LEO 卫星的移动性，采用逻辑位置方法

将 LEO 卫星的移动性与上层卫星隔离，以减少 LEO 卫星

组的变动。该方法将 LEO 卫星划分为网格点，最靠近网

格逻辑中心的 LEO 卫星被分配到该逻辑位置，当逻辑位

置发生变化时，后继卫星需从前序卫星处获取路由信息。

与基于逻辑位置的路由算法不同，此处的逻辑位置用于形

成卫星组。参考文献[33]提出了一种卫星分组和路由协议

（Satellite Grouping and Routing Protocol，SGRP），SGRP

被应用到由 LEO 层和 MEO 层构建的双层卫星网络中，根

据 MEO 卫星的覆盖范围对 LEO 卫星进行分组。

在划分卫星组的基础上，设计基于链路传输时延的最

短路径算法，为减少需要同步的链路状态信息，降低网络

开销，提高计算效率，设计链路状态信息摘要的同步信息

格式。本文在分层管控架构的基础上，在路由算法上进一

步考量了传输时延、网络管控开销等指标。

后续诸多工作在卫星分组管理的基础上，针对路由计

算，设计基于多约束的多目标优化分布式QoS路由算法[34-40]。

此类按照高层卫星覆盖域划分卫星组的管理方式具有一

定的局限性，低层卫星的高度动态性会导致卫星组的频繁

变化，无法保障集群的稳定性和可靠性。

3.2 基于 SDN 多层控制器部署的分层管控方法

利用 SDN 架构进行星地融合组网，提高了卫星网络

的可扩展性和灵活性。对于大规模卫星网络，若在单卫星

轨道层部署控制节点，受限于卫星的单点能力，需要部署

多个星上控制器；若在地面部署单控制器节点，则无法支

撑整个网络的移动性管理。因此，研究基于 SDN 的控制

域划分方法以及控制器的部署问题，通过合理部署多层主

从控制节点，实现大规模卫星网络的高效管控，具有一定

的研究意义。

基于 SDN 架构的管控节点部署问题可归纳为管控节

点部署的数量和位置，参考文献[41]首次提出了 SDN 中的

控制器放置问题（Controller Placement Problem，CPP），

以降低网络时延为优化指标，研究针对地面广域网拓扑下

的最优控制器数量以及放置位置。在此基础上，基于 CPP

问题，众多研究者将传输时延[42]、网络可靠性[43]、部署成

本[44]等性能作为优化指标。

由于卫星网络的高度动态性和卫星节点资源受限等

特点，现有的控制器动态放置问题（Dynamic Controller

Placement Problem，DCPP）可分为单层控制器部署方案和

多层控制器部署方案。

对于 LEO 单层卫星网络，参考文献[45]研究了基于地

面用户流量需求的 LEO 卫星控制器动态部署问题，其中

流量需求根据用户地理位置和时区进行建模，将控制器动

态放置问题转换为整数线性规划问题，以平均流建立时间

为优化目标，求解最佳控制器配置方案。基于控制器动态

部署，参考文献[46]以控制器配置开销和迁移成本为优化

指标，求解最佳控制器部署以及控制域大小，从而进一步

减少平均流建立时间。单层 LEO 网络控制器部署方案如

图 5 所示。

图 5 单层 LEO 网络控制器部署方案

多层控制器部署方案可充分利用多层卫星，提高网络

的可扩展性，多数采用在多个卫星轨道面上设计主从控制

器部署方案。多层控制器部署方案的优势：利用 GEO 卫

星对地全覆盖的优势，LEO 卫星的对地时延优势，减少卫

星与地面间的频繁通信，提高网络管控的鲁棒性。

多层主从控制器的典型部署架构如图 6 所示，将 LEO

卫星划分为多个子网，在地面部署控制中心进行全局视图

管控，在 MEO/GEO 卫星部署主控制器进行各 LEO 子网

间的管理，在 LEO 动态部署从控制器进行 LEO 子网内的

管理。由于地面控制器及 GEO 卫星的位置相对固定，多

层控制器部署问题的难点在于如何划分 LEO 卫星子网以

及动态选择 LEO 卫星作为从控制器。参考文献[47]提出基

于 LEO 轨道面划分的子网划分方法以及从控制器动态选

举方法。参考文献[48]提出基于 LEO/MEO/GEO 3 层轨道的

多层控制方案，构建多目标优化模型，设计基于自适应粒

子群的启发式算法进行求解。

3.3 基于聚类算法的管理域划分方法

现阶段基于聚类算法的管理域划分方法研究场景多

为移动自组织网络（Mobile Ad-hoc Network，MANET）

廖新悦等：空间卫星网络组网与管控技术综述 ·27·

场景、车辆自组网（Vehicular Ad-hoc Network，VANET）

以及无人机网络（Unmanned Aerial Vehicle Network，

UAVNET），通过分簇算法将网络节点划分为稳定可靠的

集群，以此延长自组网的使用寿命。最早关于 MANET

的分簇方案是参考文献[49]提出的基于节点 ID 的聚类算

法，如图 7 所示，将网络中的节点进行层次化划分，使

部分相邻的节点形成一个集群，在每个集群内动态选举

一个簇首（Cluster Head，CH），集群内除簇首外的节点

为簇成员（Cluster Member，CM），CH 负责收集汇总集

群中 CM 的数据并传送至基站或汇聚节点，上层网络由

簇首组成，通过簇首间交互信息实现集群间通信。参考

文献[50]提出了基于网格结构的分簇算法，根据覆盖面

积计算网格大小，并根据网格间距离进行簇首选举，提

出了多优化簇首选举方法，形成稳定均衡的聚类。参考

文献[51]总结了近年来针对 MANET 的分簇算法以及簇

首选举方法。

图 7 移动自组网的聚类拓扑结构

作为 MANET 的一个分支，VANET 具有不同的移动

性和信道条件，更多度量被添加到移动性模型中，如参考

文献[52]中的节点度参考文献[53]中的接收信号强度，参考

文献[54]中的链路到期时间。无人机网络作为 MANET 的

一个分支，也依赖于强大的无人机集群来提供高质量的服

务。在参考文献[55]中，考虑链路可用性和边界的影响来

计算稳定的无人机网络分区。在移动性预测聚类算法[56]

中，采用运动稳定性和链路存在概率作为聚类标准。

基于聚类算法的管理域划分方法逐步应用于卫星场

景。参考文献[57]提出针对小规模卫星网络的分簇方法，

通过设置令牌和权重函数进行簇首的选举，但是并未考虑

卫星的移动性模型。参考文献[58]针对小型卫星网络提出

了聚类算法，在簇首选择过程中，通过对剩余能量和连接

度等实时状态进行加权，优化了能量利用率和簇内连通

性。参考文献[59]面向有规则布局的星座提出了基于约束

条件的分布式算法，充分利用同轨链路能长期稳定的特

点，选定同轨节点作为核心簇成员。参考文献[60]针对中

继卫星集群网络的联合数据下载和资源管理问题，设计了

基于能耗最小化和丢包率最小化的优化问题，采用匹配博

弈论模型进行求解。

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·30· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

廖新悦（1998− ），女，北京邮电大学网络与

交换技术国家重点实验室博士生，主要研究方

向为软件定义网络、卫星网络。

张然（1993− ），男，北京邮电大学博士后，

IEEE 学生会员，主要研究方向为计算、缓存

与网络融合、命名数据网络、卫星网络、网络

人工智能。

黄正璇（2001− ），男，北京邮电大学网络与

交换技术国家重点实验室硕士生，主要研究方

向为软件定义网络、卫星网络。

刘江（1983− ），男，北京邮电大学教授，IEEE

会员，主要研究方向为网络架构、网络虚拟化、

卫星网络、软件定义网络、信息中心网络与网

络实验床。

唐琴琴（1994− ），女，北京邮电大学博士后，

主要研究方向为移动边缘计算，云网融合与算

力网络、卫星网络、网络人工智能等。

黄韬（1980− ），男，北京邮电大学教授，IEEE

高级会员，主要研究方向为网络架构、网络人

工智能、路由与转发、网络虚拟化。

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[作者简介]

苏昭阳：面向智能高铁的低轨卫星通信发展综述 ·31·

面向智能高铁的低轨卫星通信发展综述

苏昭阳 1

，刘留 1

，张嘉驰 1

，周涛 1

，蔺伟 2

，梁轶群 2

（1. 北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044；

2. 中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京 100081）

摘 要：低轨卫星具备大带宽、低时延、广覆盖等优点，非常适合作为地面网络的补充，实现智能高铁全线路覆盖、无缝连接

的要求，有助于构建空天地一体化通信网络。针对现行铁路移动通信网络存在的不足，研究低轨卫星在智能高铁中的应用以及

关键技术，首先分析智能高铁的通信需求，然后介绍国内外铁路卫星通信的发展现状，最后从传播特性、物理层参数、波束切

换、资源管理等几个方面对低轨卫星应用在智能高铁领域的关键技术与挑战进行探讨。

关键词：智能高铁；低轨卫星通信；5G-R

中图分类号：U285

文献标识码：A

doi: 10.11959/j.issn.2096−8930.2023034

Review of the Development of Low Earth Orbit Satellite

Communication for Smart High-Speed Railway

SU Zhaoyang1

, LIU Liu1

, ZHANG Jiachi1

, ZHOU Tao1

, LIN Wei2

, LIANG Yiqun2

1. School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China

2. Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081, China

Abstract: Low-earth orbit satellites have the advantages of wide bandwidth, low latency, and large coverage, making them very suitable

as a supplement to ground cellular networks. Low-earth orbit satellites can meet the requirements of smart high-speed railway full line

coverage and seamless connection, which helps to build an integrated communication network between ground and space. Considered

the shortcomings of the current railway mobile communication network, the application and key technologies of low earth orbit satellites in smart high-speed railway were studied. Firstly, the communication requirements of smart high-speed railway were analyzed, and

then the development status of railway satellite communication at home and abroad were introduced. Finally, the key technologies and

challenges of low earth orbit satellite application in the field of smart high-speed rail were discussed from the aspects of propagation

characteristics, physical layer parameters, beam handover, and resource management.

Keywords: smart high-speed railway, low earth orbit satellite communication, 5G-R

0 引言

截至 2022 年 9 月底，我国铁路营业里程已达 15.3 万

千米，99％的 20 万人口以上城市已被铁路网覆盖，高铁

运营总里程已经超过 4 万千米。根据中国国家铁路集团有

限公司（以下简称“国铁集团”）2020 年 8 月出台的《新

时代交通强国铁路先行规划纲要》，到 2035 年，我国将

率先建成现代化铁路网，全国铁路运营里程 20 万千米左

右，其中高铁 7 万千米左右。2022 年，国铁集团提出“中

国智能高速铁路 2.0”，提出以现代信息网络为主要载体，

5G、数字孪生、自动驾驶、MaaS+智能服务等新一代信息

通信技术融合应用，全面加速推进铁路行业的数字化、智

能化建设[1]。

铁路专用移动通信是铁路信息化、数字化、智能化的

收稿日期：2023−01−07；修回日期：2023−05−07

基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（No.N2023G060）；国家自然科学基金资助项目（No.62341102）

Foundation Items: Technology Research and Development Program of China Railway (No.N2023G060), The National Natural Science Foundation of China

(No.62341102)

·32· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

重要基础设施和关键技术装备，在支撑铁路运营、保障行

车安全、提高运输效率、提升维护水平等方面发挥着重要

作用[2]。移动通信系统是列车行车安全、运营维护和旅客

信息服务的中枢神经[3]。未来，智能高铁的发展对无缝高

数据速率通信、覆盖范围等提出更高要求，高铁移动通信

系统将建立可信的通信网络，以实现高移动速度下高数据

速率的持续在线及可靠传输[4]。目前，我国铁路广泛使用

的专用 GSM-R 网络，已覆盖我国全部高速铁路、客运专

线和其他客货混运线路等大部分铁路沿线，形成了一整套

完整且必要的铁路专用移动通信系统。然而，GSM-R 网

络属于第二代移动通信系统，带宽小、速率低，网络所能

承载的业务和提供的能力都非常有限，目前通信设备制造

商已逐渐减少相关设备生产，转而提供技术服务和现存配

件。在“中国智能高速铁路 2.0”体系架构中，在关键技

术创新方面，围绕智能建造、智能装备、智能运营 3 个方

面展开，迫切需要加快新一代信息技术等与铁路的深度融

合，通过新一代移动通信技术赋能智能高铁，提供大带宽、

大连接、低时延、高可靠的传输通道，解决增强型移动宽

带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、海量机器类通

信（massive Machine Type Communication，mMTC）和低

时延高可靠通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）需求。

铁路低轨卫星通信因其在覆盖范围、灵活组网、通信

距离等方面的独特优势，有望成为未来智能高铁移动通信

系统的重要组成部分。

1 铁路通信需求分析

1.1 铁路 5G 通信

自 20 世纪 60 年代以来，我国铁路移动通信系统经历

了从无线列调到 GSM-R 等技术的发展。随着智能高铁的

提出，铁路通信系统需要满足大带宽、高速率的业务传输，

然而 GSM-R 通信系统所能承载的业务和提供的能力都非

常有限，且相关设备也即将停产。5G 作为新一代移动通

信技术，具备大带宽、大连接、低时延、高可靠等特点，

是支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型

基础设施。将 5G 技术与铁路各系统进行融合已经成为下

一代铁路移动通信系统的主要研究方向，有利于推动我国

实现智能化铁路，提高铁路的安全水平与运行效率，巩固

我国铁路世界领先优势。

针对各业务的承载需求，可以将所有业务分为 5G 专

网单独承载、5G 公网单独承载、5G 专网和公网共同承载

3 种类型。对于铁路 5G 专网，其本身频率范围有限，5G-R

相比于 GSM-R 可以提供更大的带宽，且组网可控性强，

能够保障全段覆盖与及时修复；对于铁路 5G 公网，其可

为铁路车地数据传输、视频传输等业务提供大带宽支持，

为大量监控设备与检测传感设备提供大连接服务，低时延

传输保证了各业务的精准传输。

5G 专网单独承载业务均为与行车直接相关的行车控

制类业务，这些业务直接影响了列车行车安全，对数据实

时性要求最高，要求移动通信网络必须具备高可靠且完全

可控的特点。5G 专网和公网共同承载的业务主要为运行

维护类业务，这些业务对数据实时性要求较低，可根据数

据对实时性、安全性的要求和网络环境灵活选择移动通信

网络。5G 公网单独承载业务主要为非实时性业务，具有

业务量较多，数据量较大的特点。各类业务的承载方式以

及业务需求见表 1。

表 1 5G 铁路通信业务承载方式及业务需求

承载方式 典型业务 业务需求

5G 专网单独承载 行车控制类业务

高实时性

高可靠性

5G 专网和公网共同承载 运行维护类业务

低实时性

灵活承载

5G 公网单独承载

运营管理类业务

非实时性

数据量大

旅客服务类业务

工程施工类业务

以 5G-R 为依托的智能高铁移动通信系统在面临部分

极端环境时，可能会因为基站被破坏或者难以部署基站而

导致覆盖困难。以川藏铁路为例，若仅依靠传统的陆地蜂窝

覆盖方式，在洪水、地震、泥石流等恶劣自然灾害情况下传

统通信方式将无法满足应急救援用网需求。此外，铁路作为

我国“一带一路”走出去战略的重要支撑，在境外铁路沿线

无专网覆盖的条件下，列车的行车控制类和运行维护类数据

的安全有效回传，也需要高效信息通信技术的支撑。

1.2 铁路物联网

作为新一代应用基础设施，物联网对未来智能高铁的

发展具有重要意义。当前，通过标识识别、状态传感、定

位导航与控制反馈等技术，物联网在车号识别、电子客票、

行车安全监控、运行环境监控等方面已经有了广泛应用[5]。

然而，目前的铁路物联网存在末端组网不灵活、前端处理

平台不完善、系统多且独立的缺点，无法满足未来铁路智

能运维的需要。

“中国智能高速铁路 2.0”将基于“模数驱动，轴面协

同”理念实现全专业协同和跨行业综合，在“中国智能高

苏昭阳：面向智能高铁的低轨卫星通信发展综述 ·33·

速铁路 2.0”数据体系架构中，物联网作为数据汇集层的

重要组成部分，负责监测智能建造、智能装备和智能运营

三大板块的数据，实现对基础设施、行车环境、移动设备

等的泛在感知与宽带数据传输[1]。各终端设备与铁路通信

系统全面连接，构建统一的物联网管理平台，对回传的数

据进行分析处理，实现各物联网系统的深度融合，保障高

铁运维的实时监控与远程维护需求。

铁路物联网从结构上自下而上可以分为感知层、承载

层与应用层，其中承载层关系着数据能否安全可靠地传递

至分析中心。目前典型的承载技术有 GPRS、NB-IoT、LTE、

WLAN 等[6]，然而，GPRS 与 NB-IoT 均只支持窄带宽、

非实时的数据发送；LTE 与 WLAN 虽然支持高带宽与实时

数据传输，但是 WLAN 覆盖范围有限，且均依赖于基站或

者无线接入点的部署，无法有效应对自然灾害与特殊地形。

除了传统的接入方式外，铁路卫星通信与铁路物联网

的结合也逐渐受到关注。宽带卫星具备广覆盖和大容量的

接入能力，组网成本低，适合区间特殊地段高带宽的数据

传递。但是由于星地链路传输时延较大，因此其对高实时

数据传输的能力弱于地面承载网络。

综上所述，现有承载技术均难以独自满足“中国智能

高速铁路 2.0”铁路物联网的多样化需求，需要根据业务

需求综合运用多种技术。将卫星通信与地面承载网络相结

合，能够有效扩大覆盖范围，应对不同运行区段的传输需

求，有助于实现列车运行全过程的数据监测、回传与分析，

提高行车安全性与运营效率。

1.3 铁路通信发展趋势

未来铁路通信业务扩展方向是宽带化、自动化、可视

化、多样化，为满足未来铁路数字化的要求，需要一套具

备大带宽、低时延、高可靠能力的解决方案。铁路系统可

以采用北斗卫星定位替代传统轨道电路及轨旁设备，并实

现列车与列车之间的直接通信，保障行车安全，提高线路

运输能力。此外，天基、空基和地基的接入，在不同环境

和业务场景下各有优势，空天地一体化网络可以综合利用

固网资源和卫星资源，并发挥其优势来扩展移动网络的覆

盖范围，同时通过天基、空基和地基的多接入融合，提供

更高的速率、更好的服务质量和更高的可靠性。我国在非

洲援建或修建的铁路，往往穿过原始森林、无人区等偏远

地区（如亚吉铁路、坦赞铁路等），甚至有些地区的通信

信号系统容易遭到人为的破坏。基于上述问题，可以充分

利用空天地一体化的通信系统完成列车运行的指挥控制，

保证列车安全运行。

2 国内外铁路卫星通信发展现状

2.1 国外铁路卫星通信的发展

20 世纪 80 年代开始，日本国营铁路与邮政省协作，

使用中通量通信卫星“樱花号”，进行了电波传播、链路

质量等研究，开展了传真、图片和通话等方面的测试，并

将卫星通信作为地震等自然灾害出现时应急通信的手段。

20 世纪 90 年代，日本货物铁道公司在易发生地震的东海

道本线和山阳本线列车上安装 GPS 定位装置，通过卫星把

定位信息传送给货运调度，以让货运调度实时掌握列车位

置信息[7]。

2005 年，由于欧洲航天局（European Space Agency，

ESA）的支持，在布鲁塞尔和巴黎之间运行的 Thalys 列车

上的乘客可以通过卫星访问宽带互联网。该技术通过车顶

天线实时跟踪 36 000 km 高度的卫星实现车地通信，并支

持 300 km/h 的移动速度。在 2005 年的试验中，下行链路

带宽约为 2 Mbit/s，上行链路带宽约为 0.5 Mbit/s。

2007 年，法国的高速铁路系统在 TGV 高速列车上开

通了互联网业务，该技术利用卫星通信技术，在车辆内覆

盖 Wi-Fi 信号，解决乘客上网和收发邮件等通信需求，并

支持最多 20 位乘客同时在线使用。该项技术在列车顶部

使用特殊天线实时对准追踪卫星，并支持 320 km/h 的移动

速度。

2010 年，哈萨克斯坦的阿斯塔纳−阿拉木图−阿斯塔

纳路线上，ASTEL 为高速列车 Tulpar（速度 130～

140 km/h）提供卫星互联网接入。该项目的主要目的是通

过卫星天线安排与列车的通信信道，从而保持高速卫星

的参考点运动。火车内的信号是通过 Wi-Fi 分发的，通

过覆盖哈萨克斯坦全境的卫星通信系统宽带频道为乘客

提供互联网服务。最大传输速率达 2 Mbit/s。该设备允许

数据在静止位置和速度高达 350 km/h 的运动中进行语音

和视频传输。

2.2 国内铁路卫星通信的发展

20 世纪 80 年代，我国开始探讨卫星通信在铁路中的

应用，组织北京交通大学、铁道科学研究院于 1988 年 5

月共同完成了《卫星通信在铁路上发展的研究》，为发展

铁路卫星通信提供了决策依据。1992 年，原铁道部、交通

部和国际海事卫星组织开展合作，基于全球定位系统

（Global Positioning System，GPS）接收机和海事卫星构建

了列车位置报告系统，利用海事卫星建成列车卫星移动电

话通信系统，并进行了列车卫星移动通信和卫星列车定位

的试验。《卫星通信在铁路上发展的研究》对卫星通信在

·34· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

铁路中的应用做出了以下贡献：

（1）分析卫星通信在铁路中应用的必要性和可行

性，提出铁路开展卫星通信的技术政策建议与应当具备

的功能；

（2）提出采用两级通信网即局级全联通网和分局级星

状网的组网方案，率先建立北京、兰州、乌鲁木齐、柳州

4 个小数据站的独立数据通信网方案，以及在北京、沈阳、

上海等 12 个路局间构成全联通网的方案；

（3）对光缆、数字微波、卫星 3 种通信手段做了经

济比较和综合评估，结果表明卫星通信的综合评估结果

最佳；

（4）对卫星通信制式进行比较，建议采用适当的多址

方式，并创造条件发展 TDMA 制式；

（5）提出卫星通信地球站设备技术条件，并提出铁路

卫星通信网的实施意见。

近年来，为满足列车运行控制对于列车定位精确性、

安全性和可靠性的要求，除了传统的里程计、查询应答器，

包括美国 GPS、中国北斗卫星导航系统在内的全球导航卫

星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）也开

始用于列车实时定位。GNSS 可为列控系统提供列车位置

和速度，其测量误差直接影响到列车安全防护距离、追踪

间隔、闭塞控制方式等，误差过大将直接触发列车制动，

影响运输效率和乘客舒适度，甚至影响列车安全[8]。此外，

北斗短报文功能，也用于列车运行控制信息的传输[9]。将

卫星导航系统引入列车定位领域，能够使列车定位尽量减

少对地面设备的依赖，实现低成本与高自主性优势，符合

现代铁路安全/非安全应用服务的发展需要[10]。

2.3 低轨卫星发展情况

随着 6G 的研究不断深入，发展空天地一体化网络

已成为共识。空天地一体化网络架构是 6G 的核心方向

之一，被 ITU 列为七大关键网络需求之一。低轨（Low

Earth Orbit，LEO）卫星以其星座和信号的独特优势，逐

步受到世界卫星导航领域的关注和青睐，有望成为新一

代卫星导航系统发展的新增量。相比中高轨卫星，低轨

卫星具备成本低、通信时延低、速率高、容量大等特性。

因此，LEO 卫星互联网作为地面蜂窝网络的补充有着巨

大优势。

LEO 卫星网络可以以较低的发射成本和低时延等高

使用价值投入商业应用，通过星座组网实现全球无缝覆

盖。美国的铱星系统，是全球唯一的采用星间链路组网、

全球无缝覆盖的低轨星座系统。二代铱星可提供 10 Mbit/s

以上的传输速率，同时还具备对地成像、航空监视、导航

增强、气象监视等功能[11]。Globalstar 系统是由美国劳拉

公司和高通公司倡导发起的卫星移动通信系统，星座系统

由 48 颗卫星及 16 个地面站组成，星上采用透明转发，没

有星间链路，轨道高度 1 414 km，共 8 个轨道面[12]。目前，

iPhone14 系列支持紧急 SOS 卫星通信功能，支持从偏远

地区发送紧急信息，其使用的卫星通信功能就是由

Globalstar 系统提供的。

2015 年，英国 OneWeb 公司提出的“OneWeb”星座

计划，可实现全球实时的宽带互联。目前，OneWeb 卫星

测试网速达到 400 Mbit/s，平均时延 32 ms[13]。同年，

Space X 公司提出的星链（Starlink）计划，通过大规模 LEO

卫星为全球提供高带宽、低时延的宽带服务[14]。目前，

Starlink 已发射超过 3 000 颗 LEO 卫星，平均下载网速可

达到 120 Mbit/s，平均时延为 30 ms，已完成了北美和欧洲

的卫星互联网覆盖。

2015 年，我国开始建设低轨卫星通信项目[15]。近年来，

商业航天公司银河航天发射了多颗低轨宽带通信卫星，构

建了首个星地融合的 5G 试验网络，并开展了车载“动中

通”测试。2021 年，中国卫星网络集团有限公司成立，标

志着我国将全面建设以 LEO 卫星通信系统为代表的太空

基础设施，加速卫星互联网建设。2022 年，依托北京邮件

大学的“北邮-银河号”低轨卫星成功发射，执行在轨的通

信-遥感融合试验任务[16]。

随着 LEO 卫星规模组网、信息融合等技术的发展，

LEO 卫星下一步将与卫星车载通信、通信-导航-遥感一体

化、空天地一体化等领域进行深度融合，具备广阔的发展

前景。LEO 卫星以其广覆盖、全天候、大带宽和低时延的

特点成为弥补地面网络覆盖盲区最有效的解决方案，因而

将低轨卫星互联网应用到智能高铁中具有巨大的潜力和

前景。目前，围绕智能高铁在行车控制、运行维护、运营

管理、工程施工类等方面的通信业务需求，以 5G-R 为基

础，积极开展面向低轨卫星互联网的智能高铁数据回传技

术研究与验证，恰逢其时。

3 铁路低轨卫星通信关键技术

目前，学术界已经对 LEO 卫星通信作为陆地无线通

信的补充和延伸达成共识[17]。LEO 卫星网络可作为 5G-R

的补充、延伸和备份，充分发挥卫星通信广域覆盖、随需

接入、按需服务、安全可信等优势条件，重点应用于铁路

沿线地面通信设施缺乏或薄弱的区段，在工程建造、运营

维护、应急处置和灾害预警等场景下提供更加安全可靠的

服务[18]。本节将从信道传播特性、物理层参数特征、星内

苏昭阳：面向智能高铁的低轨卫星通信发展综述 ·35·

与星间波束切换、星上资源管理几个方面对铁路低轨卫星

通信关键技术进行分析。

3.1 信道传播特性

无线信道建模是人们对无线传播环境及其传播特性

的抽象的描述，无线信道的传播特性是构建移动无线通信

系统的基础部分，其应用在无线通信系统从设计评估到标

准化再到最终部署的各个环节中，因此无线信道的传播特

性和建模研究是设计、评估、部署任何无线通信系统的前

提和基础。

LEO 卫星轨道高度为 500~2 000 km，处于外大气层，

因此星间链路与星地链路中大气层段的传播方式为自由

空间传播，长距离的传播使得自由空间损耗在星地传播损

耗中占比最大。此外，随着通信频率的提高，高频段的传

输使得大气中的水气、氧气分子，以及降雨和云雾天气时

的水滴均会对星地传输信号造成衰减。在地面段传输时，

地面的建筑物、森林、山体等障碍物也会对信号造成遮挡，

产生额外的损耗。因此，LEO 卫星信道的传播特性不仅要

考虑自由空间传播损耗，还需要考虑大气吸收、降雨及云

雾衰减和阴影效应与地物损耗的影响，如图 1 所示。参考

文献[19]在晴天、小雨、大雨、暴雨 4 种天气条件，以及

通信仰角为 10°和 90°条件下对星地链路传播损耗进行仿

真，结果表明随着降雨量的增加，降雨衰减占总衰减的

比重逐渐增加，在暴雨时可达到 84%，且随着通信仰角

从 90°变化为 10°，总衰减值在不同天气条件下有

30~50 dB 的增加，说明天气和通信仰角会对星地通信质

量产生严重影响。

除了考虑信号在传播过程中产生的损耗，更重要的

是要考虑双移动性，这是高铁卫星通信与其他通信场景

的显著差异。一方面， LEO 卫星对地移动速度为

7.6 km/s，过顶时间较短，一颗卫星的可视时间只有约

10 min；另一方面，地面的列车也在以大约 350 km/h 的

速度高速运动，因此卫星与列车的移动均会产生较大的

多普勒频移，使得星地链路的信道是时变非平稳的。此

外，由于高铁的移动，其周围的环境也具有动态变化的

特点。在平原等开阔场景，卫星信号与高铁之间可视为

LoS 传播；在隧道或 U 型槽等场景，卫星信号到达高铁

附近时则会产生严重的地物损耗，造成多径传播，且随

着卫星与高铁相对位置的不同，通信仰角的不同，受到

遮挡的影响也不同。因此，在进行高铁卫星场景的信道

建模时，应当应对多样化场景，考虑星地双移动特点进

行建模。

图 1 低轨卫星传播链路模型

3.2 物理层参数特征

目前，5G-R 技术可为高铁提供大带宽、大连接、低

时延的移动通信服务，因此 LEO 卫星通信系统可以考虑

复用 5G-R 的关键技术。但是卫星通信系统相比于陆地蜂

窝具有很大的差异性，特别是卫星高铁双移动导致的多普

勒效应严重和频繁波束切换等问题，无法照搬 5G-R 通信

系统。

针对上述的独特性，有必要对星地链路空中接口的部

分物理层参数进行针对性的评估和优化，与 5G-R 进行技

术体制融合。

（1）在调制方式上，虽然 OFDM 作为 5G 关键技术已

经非常成熟，但是由于需要保证子载波正交，其对载波频

移非常敏感。在 LEO 与高铁双移动的高动态场景下，当

频段达到 Ka、Ku 或更高频段时，多普勒频移将远高于 5G

参数集技术可提供的最大子载波间隔 240 kHz，这将会导

致星地间频率同步更加困难，严重影响通信系统性能。虽

然能够通过频率补偿技术降低多普勒频移造成的影响，但

是对于星地双移动的高铁卫星通信场景会产生大量的计

算开销，并不适用于计算资源紧缺的卫星终端[20]。因此

OFDM 技术难以作为最优的智能高铁场景下低轨卫星通

信系统调制方案。

正交时频空（ Orthogonal Time-Frequency Space,

OTFS）调制是一种新型的多载波调制技术，最早在参考

文献[21]中被提出。不同于 OFDM 以子载波承载信息，

OTFS 在时延−多普勒域上对符号复用传输，充分利用时

间和频率分集，使每个符号都能够经历时不变平坦衰落信

·36· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

道，可以有效对抗高移动性带来的大多普勒频移。此外，

OTFS 与 OFDM 技术有很好的兼容性，通过预编码和解码

模块的加入就可以基于 OFDM 实现 OTFS，且硬件复杂度

增加较小[22]。参考文献[23]证明了在高频段以及高速移动

条件下，OTFS 具备比 OFDM 更低的误码率，因此在低轨

卫星通信中使用 OTFS 技术可以有效解决星地双移动场景

下带来的信号传输问题，并且二者的兼容性也有利于星地

链路空中接口波形的统一，实现一体化通信。

（2）在双工方式上，不同于传统主要支持电视广播、

短消息的卫星通信，面向智能高铁的 LEO 星地通信存在

频段资源紧缺、带宽需求大、上下行业务流量不对称的特

点。若采用 FDD 制式，一方面难以在本就紧缺的频段上

分配两个对称的大带宽，另一方面非对称业务会使几乎一

半的带宽被浪费，带宽利用率极低。

TDD 制式中上下行业务使用同一频率信道，可以

节约宝贵的频谱资源，用于承载更多的用户终端，通过

优化帧结构中的上下行时隙配比，可以有效提升频谱利

用率，适应智能高铁非对称业务。此外，由于 LEO 轨

道高度较低，因此 TDD 模式的传输时延也较低，并且

TDD 具备信道互易性的优势，能够为大规模天线波束

成形技术提供简易的信道信息获取方式。另外我国从

3G 到 4G 对 TDD 的积累使其有能力成为 5G 中的主流

通信制式[24]。

TDD 制式可能会出现上下行时隙间干扰，若帧结构中

的保护时间间隔过短，则易出现终端自干扰；若同一波束

内不同终端调度不当或波束间时隙配比不当，则易出现终

端间干扰。因此在进行星地数据传输时，应综合考虑终端

位置、邻波束时隙配比、历史调度信息等，通过合理的保

护间隔设置与时隙配比，避免产生系统内及系统间干扰[25]。

（3）在编码方案上，考虑到高铁卫星的双高速移动，

其信道具备高动态性与时变非平稳的特征，基于链路自适

应技术的自适应调制编码（Adaptive Modulation and Coding，AMC）可以用于卫星通信系统，其可以根据信道状

态变化自主调整调制方式与编码速率。参考文献[26]针对

卫星信道时变性提出了一种 AMC 方案，并且验证了该方

案可以有效提高卫星通信的能量效率。

3.3 星内与星间波束切换

由于星地通信链路与地面通信链路在传播损耗上具

有的差异，LEO 卫星的频谱效率会远低于同期地面蜂窝通

信系统。因此，为提升卫星通信的频谱效率，可以在星上

采用多波束频率复用技术[27]。最初，地面固定波束系统被

提出，这种系统采用地面固定小区的方式，不需要进行频

繁的小区切换，但是要求卫星数量较多，部署成本较高，

因此卫星固定波束系统更加合适，如铱星与全球星系统均

采取卫星固定波束系统[28]。在面向智能高铁的 LEO 星地

通信场景中，卫星及高铁的高速双移动特点使信道动态变

化更加严重，传统多波束卫星的波束成形网络变化速度较

慢，难以适应如今的高动态星地信道。大规模 MIMO 技术

作为 5G 的重要关键技术，可以使用灵活的数字多波束天

线，实现动态重构的波束成形网络[29]，因此可以考虑在卫

星侧构建大规模 MIMO 系统，根据高铁终端的信道状态实

时调整波束方向及增益，提高系统性能，避免波束间干扰。

目前星地信道模型主要针对传统多波束卫星，亟须建立大

规模 MIMO LEO 星地信道模型。由于星地传输距离大，

信道动态变化严重，难以根据瞬时信道信息进行波束成形

设计，因此可以考虑根据统计信道信息进行波束成形设计

[30]，即通过信道在相干时间内在时间维度上的统计信息进

行波束成形。

由于卫星与高铁的双移动性，星地通信链路的多波

束切换相较地面通信系统更为快速复杂，如对于工作在

Ku 频段的 Starlink 系统，单波束的星下点地表覆盖波束

直径只有约 30 km，平均每 4 s 就要进行一次切换。星内

与星间波束切换示意如图 2 所示。频繁的切换会增大网

络开销，降低频谱效率，也会造成卫星侧的计算与管理

负担增大，可能会导致星地通信中断，影响智能高铁的

安全运行与乘客的通信体验。因此，选择合适的技术进

行高效稳定的波束切换非常重要。波束切换主要可分为

星内波束切换与星间波束切换。

图 2 星内与星间波束切换示意

星内波束切换：为了增大系统容量，单颗卫星的覆盖

区域被划分为多个点波束，为保证稳定的电波覆盖，每个

点波束范围内应采用等通量覆盖，即通过调整星上天线增

益，使各个波束小区内的接收信号强度相等。在波束切换

的过程中，用户或者信关站向卫星发起切换申请，并完成

苏昭阳：面向智能高铁的低轨卫星通信发展综述 ·37·

切换决策、波束选择等行为。在这一过程中，高效的信道

分配策略可以有效解决星地链路频谱利用率低的问题，主

要可分为固定信道分配（Fixed Channel Allocation，FCA）、

动态信道分配（Dynamic Channel Allocation，DCA）和自

适应动态信道分配（Adaptive Dynamic Channel Allocation,

ADCA）。

FCA 是为每个波束永久性分配信道资源，并在满足

频率复用的距离后再度分配，这种方式虽然简单，但是

在流量不对称的情况下会浪费信道资源，无法满足快速

变化的业务需求[31]。DCA 是将所有信道资源集中在一个

资源池中，每个波束都可以依据需求选择合适的信道资

源，这种方式具备更高的资源利用率，得到了广泛的研

究。参考文献[32]提出一种 LEO 场景下基于不同业务优

先级的 DCA 策略，其通过低轨卫星运动轨迹确定的特

点预测网络流量，并建立马尔可夫信道分配模型，根据

网络流量的变化情况动态调整阈值，有效降低了切换失

败率。ADCA 在 DCA 的基础上进行改进，在动态分配

的基础上进行信道资源的预留，使用预留信道为用户提

供连接，进一步提高切换成功率；但要保证正常信道与

预留信道之间的平衡，较多的预留信道会造成正常信道

的拥塞，较少的预留信道则会降低切换的成功率。相比

于 DCA，ADCA 可根据用户位置数据库来预测未来的切

换，并预留信道资源，适合用于收发端运动轨迹都确定

的高铁卫星通信场景。如参考文献[33]提出的 ADCA 可

以依据当前用户位置信息与网络流量负载情况自适应地

调整最佳预留信道数。

星间波束切换：由于 LEO 卫星移动速度快，为保证

传输链路的连续性，地面终端必须具备支持跨星切换的波

束指向快速调整能力，以快速进行星间切换，确保业务的

连续性，因此除了波束小区的切换，星间切换也普遍存在。

在选择切换卫星时，需要依据多种因素综合考虑，常用的

策略有最短距离策略、最大覆盖时间策略、最大空闲信道

数策略以及多因素综合加权策略[34]。参考文献[35]将图论

引入星间切换，将星间切换视为在有向图中寻找路径，并

依据不同的切换标准设置链路权重，利用最短距离策略确

定切换目标卫星。参考文献[36]针对大量用户同时切换且

同时有多颗卫星提供接入的场景，使用博弈论进行星间切

换，其根据用户的网络满意度、带宽满意度和所需带宽对

所有用户进行分簇，由簇头决定接入卫星，卫星也会根据

负载能力动态调整带宽价格，实现用户与卫星效用的最大

化。然而基于图论和博弈论的策略均需要大量数据支持，

目前大量获取卫星数据还较为困难，因此参考文献[37]使

用一种基于启发式超时策略的软件定义网络（Software

Defined Networking, SDN）进行星间切换，并通过动态调

整卫星空闲时间进行切换管理。此外，由于高铁和卫星运

动轨迹是确定的，也可以通过预测波束切换小区与目标卫

星的方式提前对信道资源进行分配，保障切换的无缝进行。

综上所述，LEO 与高铁的高速双移动以及大规模

MIMO 在卫星侧的应用会导致频繁的波束切换，采取高效

的信道分配策略与基于运动轨迹的星间切换预测可以有

效改善其造成的影响。通过与 5G-R 的融合，可以在有地

面网络覆盖的区域使用地面网络，在地面网络缺乏或薄弱

的区段使用 LEO 接入，进一步降低频繁切换带来的开销

影响。

3.4 星上资源管理

智能高铁自身及铁路沿线设施业务需求量大、种类繁

多，而 LEO 卫星资源有限，覆盖范围内业务分布存在时

空不均衡的特点，这就使得星上资源管理与多波束负载均

衡成为一个亟待解决的问题。

卫星和高铁双移动性的特点导致铁路低轨卫星通信

与地面蜂窝通信相比，有两个显著特征：

（1）LEO 卫星在星上采用频率复用技术提升系统容

量，而铁路沿线的监测节点、传感器节点等终端设备的部

署密度与业务种类均存在差异，且列车的高速移动造成的

频繁波束切换使得每个波束内的负载变化更加快速，导致

单星下各个波束的负载存在不均匀与时变的特征，即“一

对多”特点；

（2）高铁列车顶部的相控阵天线在任意时刻都可观测

到多颗卫星，不同卫星覆盖该列车终端的波束负载又不尽

相同，且随着列车的移动可视卫星也在变化，因此如何选

择合适的卫星进行通信也是一个重要问题，即“多对一”

特点。

针对“一对多”特点，可以通过快速调整波束指向、

进行波束赋形、预测卫星和列车运动轨迹等方式均衡负

载，参考文献[38]使用“跳波束”技术将总覆盖区域预

先设置为多个小区，在同一时刻仅对单个或多个小区服

务，并通过对业务需求量大的小区倾斜更多资源来提高

资源利用率。针对“多对一”特点，可以通过感知信道

资源、多因素联合优化等方式选择合适的卫星，避免资

源碰撞。

为了应对卫星互联网的资源管理问题，参考文献[39]

最早将 SDN 引入卫星网络，作为一种新型网络架构，SDN

将网络的控制平面与数据平面分离，可以有效提高星地网

络管理的灵活性，实现跨域资源调度。控制平面负责获取

·38· 2023 卫星互联网技术论坛论文集

全局网络状态，依据网络需求下发资源配置以及路由等指

令，一般由地面站或非低轨卫星承载；数据平面则只负责

数据转发操作，一般由 LEO 承载，从而很大程度上降低

星上网络开销，将资源集中于数据转发[40]，适应高铁卫星

通信场景下网络动态性高的特点。

对于大规模空间网络带来的信道占用大、控制成本

高等问题，SDN 中控制器的部署位置对网络性能有重要

影响。地面控制器计算及存储资源丰富，可以应对高动

态场景的复杂计算，但是需要与天基网络频繁交换信息

以获取网络拓扑变化；卫星控制器可以较为容易地获取

网络整体的拓扑变化信息，但星上计算资源紧张，难以

进行复杂场景的实时运算[41]。因此，跨域 SDN 架构是一

种较优的控制器部署形式，其将控制器同时部署于地面

网络以及天基网络，可以利用地面强大的计算能力将控

制成本下沉到地面网络，同时减少了星地网络拓扑信息

交互，实现更高效的网络资源管理。参考文献[42]将控

制器同时部署在地面、高空平台以及高轨卫星，利用其

覆盖范围广的优势对控制信息分层管理，有效提高了对

LEO 的资源管理效率。以上方案中控制器均为静态放置，

这种方案在流量波动剧烈的高动态场景中性能有所限

制。参考文献[43]提出一种动态放置控制器的方案，并

提出一个基于用户时空流量需求的数控平面流量交换模

型，将其转化为整数线性规划问题，而最小化平均流建

立时间。与静态放置控制器相比，当控制器数量大于 6

台时，动态放置控制器会具备更好的性能，但同时需要

考虑控制器移位成本。

基于以上分析，“一对多”“多对一”特点的存在

使得铁路卫星通信系统的资源管理问题相比地面网络更

加复杂，需要针对业务时空分布不均，高铁卫星双移动

的特点合理利用有限的星上资源。地面网络的广泛应用

已经证明 SDN 可以有效促进异构网络融合，进行高效的

资源管理，但同时也要对控制器的部署位置等因素进行

深入研究。

4 结束语

卫星互联网已经成为我国“新基建”的重要组成部分，

研究低轨卫星与铁路专网的互补发展，具有巨大的潜力和

前景，有助于为智能高铁提供低成本、全覆盖、不间断的

通信能力，必将在未来相当长一段时间内成为研究热点。

本文所提技术将具有以下发展趋势。

第一，星地信道的测试与建模。星地信道建模需要综

合考虑传输距离、气候条件、卫星仰角、终端移动性等多

个因素，但是目前还没有对所有因素进行统一考虑的星地

信道模型。特别是高铁卫星通信场景具有收发端双高速移

动的特点，这会导致更大的多普勒频移，并且列车的移动

也会使得卫星通信仰角的变化更加复杂，从而使星地信道

的变化更加复杂。因此，综合考虑列车的移动方向、移动

速度，进行实地信道测量，建立双移动条件下统一的信道

模型非常必要。

第二，卫星互联网与 5G-R 的融合。地面 5G 系统已

经成熟，5G-R作为铁路专网发挥了相比于GSM-R的优势。

在天基网络中复用地面 5G-R 技术，无论在建设成本还是

技术可靠性上都具备优势，因此有必要从物理层到应用层

全协议栈对两种网络进行体制融合，采取统一的空中接口

技术体制，对资源进行统一管理与调度，实现空天地一体

化网络。

第三，波束切换管理。在星上采取大规模 MIMO 时，

高铁的高速移动使其发生波束切换更为频繁，应当基于高

铁与卫星的相对运动关系，建立波束切换预测模型，优化

波束切换策略，使列车合理选择接入的波束。同时卫星侧

也应当研究基于感知的信道、资源负载等信息快速智能地

调整波束指向的方法，保障波束切换的稳定以及波束负载

的均衡。

第四，智能资源管理与调度。为满足智能高铁多样化

的业务需求，需要基于不同业务实施智能高效的资源管理

和调度。如引入 SDN 对异构网络进行统一的资源管理，

动态智能感知网络资源，合理部署控制器位置，利用网络

切片提高网络资源利用率等。

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苏昭阳：面向智能高铁的低轨卫星通信发展综述 ·41·

苏昭阳（1998− ），男，北京交通大学电子信息

工程学院博士生，主要研究方向为卫星通信、

无线信道建模等。

刘留（1981− ），男，博士，北京交通大学电子

信息工程学院教授、博士生导师，主要研究方

向为无线信道测量与建模、时变信道信号处理、

5G 关键技术、高铁宽带接入物理层关键技术

等。

周涛（1988− ），男，博士，北京交通大学电子

信息工程学院教授，主要从事通信信号处理、

无线信道测量与建模研究工作。

蔺伟（1976− ），男，研究员，主要从事铁路通

信研究等工作。

梁轶群（1982− ），男，研究员，主要从事铁路

通信基础理论研究、标准制定、应用业务、检

验检测、工程设计等工作。

张嘉驰（1991− ），男，北京交通大学电子信息

工程学院博士生，主要研究方向为宽带移动通

信技术。

[作者简介]

·42· 2023 卫星互联网技术论坛论文集 天地一体化接入网切片资源管理技术综述

惠　宁1, 2，孙　茜1, 3，王园园1, 2，张宗帅1, 3，田　霖1, 2, 3，张　景4

，魏　肖4

（1. 中国科学院计算技术研究所，北京 100190；

2. 中国科学院大学，北京 100049；

3. 中科南京信息高铁研究院，江苏 南京 211100；

4. 中国电子科学研究院，北京 100041）

摘 要：随着全球广域覆盖的天地一体化信息网络中，差异化业务的爆炸式增长，迫切需要在天地一体化接入网切片中，对

无线与计算资源进行按需、动态管理，实现精细化的业务响应与服务保障。针对天地一体化接入网切片资源管理技术进行综

述，总结天地一体化接入网切片资源管理的研究现状，分析未来天地一体化接入网切片系统的无线频谱资源高隔离、多维跨

域计算资源协同管理、复杂异构网络实时决策需求，进而对相应的关键技术进行展望。

关键词：天地一体化；接入网；网络切片；资源管理

中图分类号：TN929

文献标志码：A

doi: 10.11959/j.issn.2096-8930.2022043

Review of Slice Resource Management Technology in

Space-Integrated-Ground Access Network

HUI Ning1,2, SUN Qian1,3, WANG Yuanyuan1,2, ZHANG Zongshuai1,3, TIAN Lin1,2,3, ZHANG Jing4

, WEI Xiao4

1. Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

3. Institute of Computing Technology (Nanjing), Chinese Academy of Sciences, Nanjing 211100, China

4. China Academic of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China

Abstract: With the explosive growth of diff erentiated services, it is urgent to manage wireless spectrum and computing resources

on demand dynamically in the sliced access network (RAN) of the space-integrated-ground network. Resulting from that, refi ned

and guaranteed qualities of services are achieved. Thus, it is necessary to study the dynamic management of spectrum and

computing resources in the sliced RAN of space-air-ground integrated networks. The resource management technologies in sliced

RAN of the space-integrated-ground were discussed. The current research status of resource management in the space-integratedground access network was summarized. The future demands of resource management in sliced RAN of the space-integratedground system were analyzed, included the high isolation of wireless spectrum resource, the collaboration of computing resources

among space and ground parts, and the real-time heterogeneous resource management in complex sliced RAN of space-air-ground

integrated networks. The corresponding key technologies of the three demands were provided.

Keywords: space-integrated-ground, access network, network slice, resource management

0 引言

随着移动通信技术的高速发展， 5G将为用户提供灵

活、弹性的通信服务，满足大带宽、低时延、大连接多

样化场景的通信需求[1]。虽然如此，移动通信网络在实际

应用中仍存在两方面问题：一是现有地面移动通信基础

设施在地震、海啸、山体滑坡、飓风等严重自然灾害中

收稿日期：2022-07-30；修回日期：2022-11-26

基金项目：国家重点研发计划（No.2021YFB2900504）

Foundation Item: National Key Research and Development Program of China (No.2021YFB2900504)