0 引言
近年来，随着新一代信息技术的快速发展和全球数字化转型的加速，卫星通信正经历从传统静止轨道（geostationary earth orbit, GEO）系统向低轨道（low earth orbit, LEO）大规模星座的深刻演进，如图1所示。相比GEO卫星系统在广播电视和固定通信中的稳定应用，LEO星座凭借更低的通信延迟、更高的频谱利用率和更灵活的部署能力，已成为满足未来全球广域接入需求的重要技术路径[1~3]。与此同时，卫星通信的应用边界不断拓展，不再局限于传统广播和回传链路，而是日益融入5G/6G移动通信体系、物联网（internet of things, IoT）大规模接入场景以及复杂高动态的海空地一体化通信需求中。
图1 移动通信和卫星通信技术的演进
这一变革受益于多个关键技术的协同突破，包括新型星座架构与轨道规划、高性能星上处理平台（如再生式载荷与高性能处理器）、星间链路与多波束成形技术的广泛应用，以及人工智能（artificial intelligence, AI）在资源调度、链路优化与系统自适应方面的深入融合[4]。同时，商业航天力量的崛起加速了卫星部署节奏，推动卫星通信地位的转变[5]。
尽管如此，当前卫星通信系统仍面临诸多挑战，例如频谱资源的高度拥塞、大规模星座通信资源高效管理问题、海量空间信息增长带来的超高速激光星间链路技术以及复杂系统的网络管控及鲁棒性技术等。如何实现可持续、高效、智能、可靠的卫星通信网络，成为全球研究与产业界共同关注的核心课题。本文聚焦卫星通信的3大关键方向——卫星宽带通信、卫星移动通信与卫星物联网通信，系统梳理其发展现状以及关键技术，并进一步分析未来发展趋势与融合方向。通过深入探讨上述3类系统的异同与协同潜力，旨在为构建面向6G的空天地海一体化卫星通信网络提供理论依据与工程参考。
1 卫星宽带通信技术
卫星宽带通信作为天地一体化网络架构中的核心支柱，正在实现从传统高轨通信系统向新一代高容量、低延迟、智能调度的多层次卫星网络演进，如图2所示。面对全球互联网接入不均、边远地区连接成本高昂、地面设施建设滞后的现实挑战，基于LEO星座与高通量卫星（high throughput satellites, HTS）的宽带卫星通信系统，凭借其广覆盖、快部署、高带宽等优势，为构建全球无缝连接提供了关键技术路径。当前，国际商业航天力量的迅速崛起（如SpaceX的Starlink系统、OneWeb、Amazon的Kuiper系统）更推动了以“卫星即服务”为代表的产业生态形成[6]。实现高性能卫星宽带通信依赖于多项核心技术的协同突破。本文从高通量卫星通信和低轨互联网卫星通信两大方面分析国内外相关系统建设和关键技术的发展情况。
图2 多层次卫星通信网络架构
1.1 高通量卫星及其技术发展
高通量通信卫星是在使用相同频率资源的条件下通信容量比常规通信卫星高数倍甚至数十倍的通信卫星，其主要特点是采用了频率复用、多点波束等先进技术[7]。如图3所示，给出了高通量卫星和传统卫星区别的示意图。
图3 高通量卫星与传统卫星区别
从2004年首颗高通量卫星发射以来，GEO轨道高通量卫星呈逐年增长态势。结合业内相关研究成果以及总结，按照高通量卫星通信容量等核心指标以及典型技术特点，高通量卫星的发展历程大致可划分为四代[7]，第一代高通量卫星采用宽波束，系统吞吐量在1～3 Gbit/s之间，以加拿大Anik-F2卫星为代表，使用Ka和Ku通信频段；第二代高通量卫星开始使用宽点波束和频率复用技术，吞吐量在5～10 Gbit/s，主要出现在2006—2007年前后，以美国WildBlue-1卫星和Spaceway-3卫星（配置星上处理载荷）为代表，使用Ka频段；第三代高通量卫星大量使用窄点波束和频率复用技术（小于100个），吞吐量在100 Gbit/s左右，主要出现在2010年以后，以欧洲的Ka-SAT卫星和美国的ViaSat-1卫星为代表，主要使用Ka频段；第四代（新一代）高通量卫星采用更窄的点波束，吞吐量超过300 Gbit/s，最高可达1 Tbit/s，以美国的ViaSat-2卫星和ViaSat-3卫星为代表。如图4所示为国外典型高通量卫星在轨示意图。
图4 国外典型高通量卫星在轨示意图
2017年4月12日，我国成功发射了首颗Ka频段高通量卫星——中星16号，标志着我国卫星互联网应用进入了新的时代。2019年12月27日，新技术试验卫星“实践二十号”顺利升空，首次在轨实现了卫星超高速激光通信、超大容量Q/V频段关口站、宽带柔性转发、灵活载荷跳波束通信以及太赫兹通信五项关键核心技术的验证，为未来高通量通信卫星在提升通信容量和灵活性方面奠定了坚实的技术基础。2020年7月9日，我国首颗Ku频段高通量宽带通信卫星——亚太6D成功发射，标志着高通量卫星能力实现了新的飞跃，通信容量提升至50 Gbps[8]。2024年2月23日，我国发射了首颗容量超过百Gbps的高通量卫星中星26号，该卫星拥有目前国内最大通信容量、最多波束数量及最复杂的民商用通信系统[9]。如图5所示为我国实践二十高通量卫星在轨示意图。
图5 实践二十高通量卫星在轨示意图
新一代高通量卫星载荷主要特点是通信频率越来越高，单个波束覆盖范围越来越小，单星的波束个数越来越多，单星通信容量越来越大。此外，新一代的高通量卫星也逐渐开始向更高灵活性的方向发展，从系统的角度高效地满足灵活的业务需求，如图6所示。
图6 新一代高通量灵活通信卫星
1.1.1 超大规模高性能多波束天线技术
为了实现高通量卫星的多波束覆盖，需要产生多个高增益的点波束；考虑到相控阵天线产生的波束数量有限，载荷代价大等不足，现阶段的高通量卫星天线主要采用大口径反射面天线结合多馈源实现高增益低旁瓣多波束。这类天线因其重量轻、结构简洁且设计技术成熟，已在多颗已发射的高通量卫星系统中被广泛采用[10]。
采用反射面+馈源阵列形式的星载Ka频段多波束天线能够有效优化天线的载荷代价[7]。由于使用了反射面的高增益优势，降低了对馈源阵的要求，因而能够用较小的阵列馈源满足高增益多波束的需求，降低了多波束天线系统的复杂程度。在反射面+馈源阵列形式的星载Ka频段多波束天线的技术途径中，多口径多馈源多波束天线是超大容量卫星发展的主要技术方向，如图7所示。其特点是多个馈源产生一个波束，能够很好的优化平衡波束总体覆盖特性以及邻近波束间的隔离等指标。另外，针对窄波束的高精度校准技术也是超大规模高性能多波束天线技术研究的重要内容之一。
图7 高通量卫星多波束天线馈源阵及多波束示意图
如图8所示，Viasat-1高通量卫星多波束天线主反射面口径均为 2.6m ，副反射面口径约为 0.7× 1.2m ，天线采用双圆极化馈源阵，收发共用，一共92个馈源被分成了4组，分别照射到4副反射面天线上[11]。4副反射面天线结合92个馈源阵列共形成了72个 0.5° 的用户波束和20个 0.15° 的信关站波束。HTS系统容量提升的最有效的方法是增加波束数量、减小波束宽度。新一代HTS系统的容量提升对单个波束宽度的需求进一步缩小，由常规的 0.8° 波束宽度向 0.5° 波束宽度甚至 0.2° 波束宽度发展，如图9所示，给出了vasat-3卫星的在轨展开后的大天线及高频段密集波束覆盖示意图。
图8 viasat-1 卫星多波束天线实物图
图9 卫星高性能天线及全球波束覆盖示意图
1.1.2 基于微波光子的通信载荷技术
传统高通量卫星通常采用微波技术进行星上转发处理，但由于微波器件自身的物理特性和性能限制，在满足系统需求的同时，载荷在重量、体积和功耗方面难以实现优化，导致工程设计面临瓶颈[12]。微波光子技术将光学技术引入微波系统，借助光学系统的低损耗和大带宽优势，实现微波信号的高效传输与处理，从而支持高通量卫星在体积小、重量轻和抗电磁干扰等方面表现出显著优势。采用微波光子的卫星通信载荷能够借助光学手段突破微波电子技术的限制，为高通量卫星载荷设计开辟了新的方向。如图10所示，给出了基于微波光子技术的卫星通信技术转发示意图。与微波转发器相比，该类型转发器在保证系统功能和规模的前提下，可大大节省卫星载荷的质量，提高系统联通性[13]。
图10 基于微波光子技术的卫星通信转发示意图[12]
国际上，欧洲空中客车公司（Airbus）开展了一系列基于微波光子的卫星载荷技术研究，如图11所示。所构建的光载荷具有宽带宽、大容量、高灵活性、强抗干扰性、可实现大规模路由及包括Ku、Ka和V波段在内的多路信号的转发处理[14]，技术已达到6级技术成熟度。此外，Airbus还针对宽带通信卫星中波束形成、阵列变频和光放大需求，开展了相关的微波光子集成芯片设计和研制。
图11 国际上微波光子验证系统及典型样机产品
国内方面，多个高校及科研院所开展了微波光子技术的研究工作，在空间微波光子技术研究及应用探索方面，中国空间技术研究院西安分院开展了系统级的微波光子与高通量相结合的技术研究及产品开发工作，突破了微波光子阵列变频以及芯片化微波光子射频通道等多项关键技术，构建了微波光子高通量交换转发系统[15]，为新一代高通量卫星的研制积累了良好的技术储备。
1.1.3 通信灵活处理载荷技术
通信卫星的长寿命、通信技术的快速发展以及卫星通信的商业化运营对通信卫星载荷的灵活性提出了新的要求。如图12所示，给出了高通量卫星灵活载荷的需求构成。
图12 高通量卫星系统灵活载荷的需求
波束覆盖的灵活性主要体现在卫星波束的形状、宽度、数量及使用模式上，能够根据运营商业务需求的变化进行动态调整。频谱使用的灵活性主要是指通信卫星转发器相关波束对应的频率带宽、子带数量、保护间隔等都是可变的，也包括频率与在各波束内的使用占比等。功率使用的灵活性是指对应不同的需求变化，整星的功率放大器可在不同波束间以及同一波束内不同频率间能够灵活调配；同时也包括功率放大设备最佳工作点的灵活调整。如图13所示为波束、频率及功率之间的灵活使用。
图13 波束、频率及功率使用灵活性示意图
卫星灵活通信中典型关键技术包括数字波束形成技术、数字透明转发技术以及卫星跳波束通信技术。
(1) 数字波束形成技术
数字波束形成（digital beamforming, DBF）技术不同于传统模拟波束形成在模拟域中进行波束处理，它通过模数/数模转换器实现模数与数模转换，在数字域内对阵列信号进行加权，从而形成波束。DBF 具备多波束实现简单、可按带宽灵活形成波束、能够快速响应覆盖区域变化进行波束重构、支持较大扫描角度范围内灵活跳变、实现波束间功率分配，并且便于通道幅相误差校正和自适应干扰抑制等诸多优势。
数字波束形成技术需要关注及重点解决的问题包括波束形成与信道化处理一体化设计技术、高效精准的快速校准技术以及宽带波束形成处理等。
(2) 数字透明转发处理技术
如图14所示，数字透明转发本质是将传统的微波模拟域透明转发载荷进行数字化，借助数字信号强大的处理能力实现对微波信号的灵活精细化分解与合并处理，具备通信带宽内任意子带信号之间的交互以及波束内、波束间的灵活铰链，可大大提高系统的应用灵活性[16]。
图14 数字透明转发原理示意图
数字透明转发处理技术典型的技术特点如下，1）频率资源池化：以子带为单位进行频率资源的灵活分配；2）功率按需可调：以子带为单位进行功率动态灵活调整；3）路由交换灵活：任意波束、任意频段、任意带宽信号的交换；4）应用模式多样：支持点对点、组播、广播等通信模式。数字透明转发处理技术在高通量卫星系统中，可动态调整用户波束与信关站的链接关系，大大提高信关站的使用效率；同时支持星状网、网状网以及混合网的灵活组网应用。（3）卫星跳波束通信技术与传统高通量系统固定波束通信方式不同，跳波束通信采用时分通信体制，在卫星覆盖区内按照规则调整波束指向，可以根据不同服务区的业务需求情况，灵活分配波束资源，达到高效实用系统资源的目的。基于跳波束通信的高通量卫星系统组成如图15所示。
图15 高通量卫星前向跳波束通信示意图
实际高通量系统在运营时，每个波束下的用户容量随着时间变化以及空间分布呈现动态变化的特点；传统高通量系统采用固定的波束覆盖方式，每个波束的容量一般是固定的，无法做到灵活的容量调节；跳波束通信能够根据业务需求动态改变每个波束下的通信时间占比，提升卫星资源的使用灵活性。图16给出了采用跳波束通信技术后资源利用与业务需求匹配示意图。
图16 跳波束系统业务匹配示意图
通信灵活处理载荷逐步成为了高通量卫星的标配载荷，例如2019年发射的下一代铱星L频段通信载荷、2021年发射的欧洲量子通信卫星，图17所示，2023年发射的O3B-Mpower通信载荷以及后续多个OneSat、Space Inspire等软件化载荷灵活通信卫星都采用了先进的灵活通信处理载荷实现高效的波束覆盖、频率分配以及功率调配。
图17欧洲量子通信卫星及其灵活应用示意图
此外，灵活的中小型卫星持续引领高轨通信卫星领域新发展方向。麦克萨公司研制的1500 kg级瑞典奥夫宗-3卫星已正式投入使用并获得美国国防部授出的服务合同。阿斯特拉尼斯公司新发4颗一代小GEO平台“微型静止轨道卫星”，后续推出性能更强的二代平台“欧米伽”，如图18所示，有望通过参与美军防护战术通信卫星项目建设。
图18 欧米伽卫星平台
1.2 低轨互联网星座通信技术
近年来，低轨星座与高通量卫星的协同发展成为卫星通信体系演进的重要方向。在传统高轨卫星系统面临容量瓶颈、时延过高以及部署与维护成本持续上升的背景下，低轨通信卫星星座系统凭借其轨道高度低、传输延迟小和覆盖灵活的特点，正逐步成为满足未来全球高速接入与宽带通信需求的主导方案。低轨星座的核心目标是通过大规模组网实现全球无缝覆盖与广域实时接入。如图19所示，与高轨道相比，LEO星座具有更短的信号往返时间，通常可将单跳时延控制在20至40毫秒之间，这对于时延敏感型业务（如语音通话、高清视频会议和低延迟控制）具有显著优势。此外，LEO卫星由于距离地面更近，在相同发射功率下具备更高的链路预算，从而可使用更小型、低功耗的用户终端，降低终端接入门槛。
图19 低轨星座系统组成示意图
然而，低轨系统在获取覆盖优势的同时，也带来了诸如频繁切换、链路不连续性与资源调度复杂度提升等问题。为此，现代低轨星座普遍采用星间链路（inter-satellite links, ISLs）构建网状自组织网络，并通过激光自由空间通信提高星间数据转发速率，确保在地面网关稀疏区域也能实现数据快速转移与全局路径优化。例如，Starlink 计划通过部署超过四万颗低轨卫星，构建由星间光链路互联的分布式宽带网络，实现高密度用户覆盖与区域带宽聚焦能力,如图20 所示。
图20 典型低轨星座卫星示意图
低轨大规模星座是一个极其复杂的系统，构建一个稳定工作的低轨通信系统需要突破多项关键技术，简要分析如下。
1.2.1 高速激光星间链路技术
传统微波星间通信存在通信速率低、载荷重量及功耗大等制约因素，不能满足低轨大规模星座高速星间组网的发展需求。星间激光通信具有通信速率高、终端体积小、指向性高等优点，可实现卫星间高速的数据传输及互联[17]。星间激光通信利用激光在两个终端之间传输数据，相较于射频通信更加安全，且能够减轻地面基础设施的压力，提升全球网络的安全性和自主可控能力。在目前国内外大规模低轨星座系统中，已经在工程上开展了激光高速互联的大规模应用工作，如图21所示。从2021年1月开始，Starlink卫星都配备了激光链路，实现星间互联。2021年12月20消息，美国国防高级研究计划局选中Mynaric公司参与“天基自适应通信节点”计划，旨在开发下一代激光通信终端，以连接政府和商业卫星。新的激光终端更小、更廉价，可达到100 Gbps的通信速率，同时兼容多种星座。
图21 低轨激光高速通信示意图
另外，新一代卫星互联网需要承载的数据量巨大，实现数据的传输、处理以及协同计算对星间高速互联技术提出了挑战。发展数百Gbps量级的超高速星载激光通信终端成为了关键，与之相关联的激光通信产业及稳定建链等关键技术需要重点发展。
1.2.2 高可靠大规模星座组网技术
基于低轨星座的卫星互联网由于卫星星座多轨道以及周期运动的特点，其互联网络呈现出拓扑动态变化的典型特征；另外，考虑到星座内单星载荷功率及计算能力有限的现实制约，现有地面通信网的组网方式及路由策略无法直接应用于低轨互联网通信网中[18]。因此，研究大规模星座在动态拓扑环境下的可靠组网技术成为了星座系统建设和研究的重点工作。另外，近年来，卫星互联网的空间节点规模呈现出多层次且大规模部署的趋势，卫星星座数量从几十颗扩展到数万颗不等。巨型星座系统的出现显著提升了空间网络的能力，能够为用户提供媲美地面网络的服务体验。然而，庞大的节点规模也给星座组网带来了极为严峻的挑战。如图22所示，在大规模星座系统的组网中，学术界采用“管、控、转”分离的总体设计思路，将网络划分为管理平面、控制平面和转发平面3个平面功能定义明确、逻辑独立。
图22 大规模星座组网架构示意图
转发平面功能部署在卫星载荷的星载组网路由模块中，由其通过星间链路构建面向各类业务的统一承载与转发平面，负责完成各类业务数据的交换与转发，转发所需的表项由控制平面生成[19]。
控制平面负责实现大规模星座的组网控制功能，控制平面功能由部署在星载组网路由模块中的管理控制单元和部署在地面网络分管中心的网络控制系统共同实现。
管理平面与控制平面的部署方式类同，由地面网络管理中心和星载组网路由模块共同构成一个可靠安全的管理平面，主要实现对星座网络的拓扑管理、配置管理、故障管理、性能管理以及安全管理等功能[20]。
另外，国内外学者将人工智能技术引入到大规模星座复杂系统组网的研究中，利用机器学习等人工智能技术开展网络流量预测、波束使用策略生成以及频谱态势监测和使用预测等方面的应用研究，在解决大规模星座组网通信方面开辟了新的道路。
1.3 小结
综上所述，卫星宽带通信技术正朝着高容量、低延迟、智能化方向快速演进。以LEO星座为基础的多波束高通量系统结合激光星间链路通信等前沿技术，已构建起具备全球广域接入能力的天基通信网络雏形。未来，随着新一代高通量和低轨互联网系统的逐步部署、AI与边缘计算技术的深度融合、以及星间协同调度能力的不断增强，卫星宽带通信将在支撑全球互联、边缘智能、泛在计算等关键任务中发挥不可替代的作用，为6G及更远期的信息基础设施构建提供坚实支撑。
2 卫星移动通信技术
随着全球通信服务向 “无处不在、始终在线” 演进，移动场景下的广域、高可靠通信需求日益增长。相比固定或半固定用户环境，移动用户常处于高动态、高多普勒频移、遮挡复杂的通信环境中，如航空、航海、铁路运输、远洋渔业以及应急救援任务区域。传统地面蜂窝网络在覆盖广度与部署灵活性方面存在先天局限，难以满足这些场景对连续连接、低时延和高吞吐的通信要求。
2.1 卫星移动通信总体发展情况
20 世纪90 年代中期，区域卫星移动通信卫星已经发展了3 代，与4G/5G 融合发展不断研究和演进。1G 主要用于传输模拟话音，如Inmarsat 1-3、MSAT-1 等卫星，随着半导体及微波技术的发展，促进了数字传输在移动通信中的应用，提高了传输质量、系统容量及覆盖区域[21]。2G 主要用于语音、传真、短信及数据传输，如ACeS-1、Thuraya-1 等卫星，GMR-1 和GMR-2 标准相继诞生，2.5G 是在2G 的基础上增加了通用分组无线业务、增强型数据速率全球移动通信系统演进技术，以提升业务传输，如INMARSAT-4 卫星等。3G 时代的移动通信卫星采用了宽带码分多址等体制，主要应用在MUOS 军用卫星系统上。
2016年8月16日，中国空间技术研究院西安分院研制的天通一号卫星有效载荷正式开通，标志着中国具备了高轨移动通信卫星的研制能力，填补了我国在卫星移动通信领域的空白[22]。2020年11月12日，天通一号02星成功发射，2021年1月20日，天通一号03星成功发射。中国空间技术研究院西安分院研制了两颗卫星所有通信载荷，核心部组件和核心技术均已实现自主可控，解决了幅相一致性、超低无源互调和可展开天线驱动组件国产化等技术难题；创新性的提出了信道化抗干扰及柔性转发方法，研制的信道化处理载荷有效提升了卫星应对复杂电磁干扰的能力。如图23所示，天通一号01星、天通一号02星和天通一号03星实现了联合组网，我国自主可控的卫星移动通信系统将实现亚太区域覆盖，大幅拓展天通家族的通信服务范围。
随着5G及未来6G网络演进，天地融合架构成为提升系统灵活性与服务能力的重要方向。基于3GPP提出的非地面网络（non-terrestrial network, NTN）架构，卫星不仅承担用户接入功能，更可作为地面基站的回程链路节点，在地面网络受限区域（如山区、海洋、灾区）提供替代性连接服务。
图23天通移动卫星通信系统示意图
近几年，华为Mate 60与天通卫星实现通信，苹果iphone 14支持卫星系统短消息；AST Space Mobile的Blue Walker 3卫星实现了手机直连卫星的语音通话；SpaceX加速建设手机直连卫星星座。手机直连卫星重新成为公众及行业关注的热点。
2.2 手机直连卫星技术发展历程
手机直连卫星是随卫星移动通信发展一直存在，采用的技术方法以及手机形态逐步演进，大致可分为4个发展阶段和3条技术路线。第一阶段，特点是通信频率与地面频率独立，采用卫星专用通信协议标准及专用通信终端。由于当时技术能力限制，一般仅支持语音和低速数据业务，手机配置专用高增益天线实现星地通信，手机需要定制，无法迅速做大生态链。第一阶段典型的代表系统是低轨的铱星系统（如图24所示）、Globalstar系统以及高轨的Inmarsat-4、ACeS等系统。
图24 铱星L频段低轨移动通信系统示意图
天通一号卫星是我国自主研发的第一代移动通信卫星，采用两跳透明转发模式，配置大口径S频段多波束天线与手持终端进行通信。通过余量挖掘、体制优化，天通一号卫星实现了与华为mate60手机的直连通信。如图25所示为手机直连天通卫星。
图25 天通卫星支持手机直连示意图
第二阶段，如图26所示，基于高轨卫星系统强大的载荷能力实现与地面网络手持机的中速通信，是卫星系统向地面系统的延伸。以Skyterra、Terrestar卫星为代表，基于地面辅助部件支持的卫星移动系统，手机可与地面蜂窝手机一体化设计。
图26 Terrestar 卫星系统示意图
美国的Terrestar卫星载荷配置 22m 口径天线，采用地基波束形成技术，可产生500个以上L/S频段点波束；地面辅助部件技术最大特点在于卫星和地面两个网络共用同一频段，能够直接支持广泛应用于地面的全球移动通信系统、码分多址以及其他个人无线通信终端，可支持到4G业务[23]。第三阶段，如图27所示，主要在低轨卫星上采用大规模天线实现高增益波束，支持现有地面4G/5G网络的存量手持机与卫星系统实现直接互联，成为目前的热点，是地面系统向卫星系统的延伸。其优点是海量存量手机用户不用换手机即可享受手机直连卫星服务；但面对网络拓扑快速变化的星地场景的适应能力也有限，开展全球业务需要做跨国频率协调，难度较大。
图27 基于大规模星载天线的手机直连系统示意图
第四阶段，如图28所示，基于3GPP-NTN标准方案的星地一体融合的手机直连技术，从卫星和手机两个方向来协同优化星地难题，此阶段手机和卫星联合优化设计，实现内生的融合。
图28 基于NTN 的手机直连示意图
伴随着手机直连技术的不同阶段，在系统层面、终端层面以及卫星层面都体现着不同的技术特点。
2.3 手机直连系统侧关键技术
如图29所示，在系统侧，高轨手机直连系统需要解决超远距离带来的高传输时延（几百ms 量级）及低信号强度（-120 dBm 量级）带来的协议适配及高性能接收问题，低轨手机直连系统需要解决高动态、巨型组网带来的网络管控复杂性难题。基于此，需要重点关注星地频率协同使用、高动态时频同步及体制优化、卫星网络多用户接入控制技术以及大规模星座资源智能管理等关键技术方向。
图29 星地协同的频率资源管控
采用空间隔离、角度隔离、干扰协调以及频谱共享等方法提升星地频率资源的使用效率。由于星地多普勒频移大、传输时间长，需要通过动态补偿、接收算法适配、通信体制优化等适应卫星场景，重点解决高动态时频同步及体制优化技术。采用自适应分布队列、大容量序列集冲突检测方法解决并发随机接入难题。基于海量业务多维度不均衡特征，采用智能管理技术提升系统资源使用效率。
2.4 手机直连终端侧关键技术
手机直连卫星系统的终端具备地面网络和手机网络的使用场景，通信模式多、星地链路余量低，需要从终端天线、芯片以及散热等方面提升手机终端的性能。行业重点关注小型化内置手机卫星天线技术、软件可重构多功能芯片技术、高集成度手机散热技术以及手机终端功率优化使用技术等方向。图30给出了星地协同频率资源管控示意图。
图30 高性能手机直连终端示意图
小型化内置手机卫星天线技术考虑天线共形设计，甚至天线与手机边框结构共形，提升卫星天线的性能；软件可重构多功能芯片技术通过提高工艺制程，将基带、射频、存储等集成到一个片上系统上，提升芯片的集成度[24]；高集成度手机散热技术采用更加先进、高效、稳定的均热板液冷散热等技术实现快速高效散热；手机终端功率优化使用技术通过软件使用策略、面向场景的参数优化，精细化的使用功率，增强待机时间。
2.5 手机直连卫星侧关键技术
卫星载荷是整个系统的关键，是高轨、低轨手机直连系统最为重要的核心节点；涉及到大口径多波束卫星天线、多通道数字透明转发以及星载高性能基站等多项关键技术，如图31所示。
图31 手机直连卫星载荷关键技术
大口径多波束天线是实现高轨手机直连的关键载荷，卫星天线采用大口径多馈源天线形成高增益多波束，涉及大型可展开天线、低无源互调馈源阵技术和波束形成网络技术等关键技术和难点。超大口径相控阵天线采用片式小型化射频前端设计、一体化热控设计等技术实现天线的集成优化设计。
另外，从Rel-14开始对卫星通信进行研究，将卫星网络划入NTN范畴。2024年6月18日，Rel-18协议完成冻结。Rel-18在多个方向上对5G进行持续增强，在传统的宽带业务提升方面精益求精，覆盖能力、系统节能、载波聚合能力等得到持续提升[25]。因此，研制基于标准体制的星载5G/6G基站处理载荷成为了手机直连系统的关键技术和关键产品。
2.6 小结
卫星移动通信作为实现全球无缝覆盖的重要支撑，正从传统静态覆盖模式向面向用户动态行为感知、融合地空网络、智能资源调度的演进路径迈进。通过天地融合网络架构、大口径高性能星载天线、大规模相控阵天线以及面向NTN标准体制的高性能星载基站等关键技术的集成，卫星移动通信的能力将越来越大，实现了与地面网络的融合发展，通过星地融合标准的统一，逐步满足未来6G“广覆盖、低延迟、高移动性”通信需求的能力。
3 卫星物联网通信技术
IoT 的迅猛发展正推动全球迈向全连接时代。然而，广阔的偏远山区、沙漠、海洋和极地等地区由于地面网络覆盖不足，长期处于通信 “盲区”，严重限制了IoT 在农业、能源、海洋、灾害预警等关键行业的深入应用。传统蜂窝网络在基础设施建设与运行成本方面难以满足广域低密度物联网部署的经济性要求。卫星物联网通信（satellite-based IoT, S-IoT）通过天基平台直接或间接与地面 IoT 终端连接，突破地理与基础设施限制，为实现真正意义上的全球物联网提供了关键支撑。S-IoT 系统需具备支持大规模连接、低功耗运行、高可靠性、低成本部署等核心能力，同时应对星地信道复杂性、资源受限性与终端异构性带来的多重挑战。以下将从核心架构、接入机制、节能技术、融合计算以及系统智能管理等方面，系统分析S-IoT 的关键技术支撑体系。
3.1 全球卫星物联网星座发展现状
随着SpaceX星链计划的规模化部署和6G天地一体化网络概念的提出，全球卫星物联网发展进入新阶段。低轨卫星星座因其轨道资源可用性高、信号传输时延短（典型值低于50 ms）、建设迭代速度快等特点，已成为天基物联网的主流解决方案。根据国际电信联盟2023年频谱使用报告，全球已申报的137个非地球同步轨道卫星系统中，约 68% 明确包含物联网业务模块[26]。当前发展呈现3大趋势，一是星座构型从单一轨道平面向三维异构网络演进；二是通信载荷从专用硬件向软件定义无线电转型；三是服务模式从行业定制化向平台化运营转变。如表1所列，Orbcomm系统和远距离广域网（long-range wide area network，LoRaWAN）系统是卫星物联网服务的典型代表。其中，Orbcomm系统投入早、覆盖面广，专注于双向短数据传输，广泛应用于交通运输、水利、环境保护等多个领域。LoRaWAN系统由国际卫星海事组织建立，服务涵盖资产追踪、农业经营、石油以及天然气等领域，由设备制造商Actility公司提供技术支持，实现将物联网引进全球每个角落的发展战略，是首个全球性物联网系统[27]。
此外，加拿大Kepler、俄罗斯SPUTNIX等公司正加紧推进卫星物联网空间基础设施建设部署，美国SpaceX、中国天启、英国OneWeb等正在加速推进其低轨星座的建设，以支撑未来卫星物联网服务的发展，提升全球覆盖能力与服务水平[28]。系统地介绍国内外几种代表性的低轨卫星物联网星座。
3.1.1 Orbcomm 系统
Orbcomm 系统是由美国Orbcomm 公司和加拿大Teleglobe 公司联合运营的低轨卫星移动通信系统。该系统通过低轨卫星星座构建全球卫星移动通信网络，提供卫星移动通信服务，并于1997年开始商业运营。2009年9月，Orbcomm 公司与SpaceX联合宣布发射18颗第二代卫星，目前该系统已经完成了第二代卫星星座的建设。Orbcomm 星座由36颗卫星组成，轨道高度约为800 km，轨道倾角为45°，单颗卫星重量约40 kg。卫星与用户终端之间采用甚高频频段进行通信，提供2.4 kbps 的上行链路和4.8 kbps 的下行链路[29]。Orbcomm 系统主要提供低速、低成本、接近实时的双向数据传输服务。基于机器对机器通信的网络设计，能够实现低速连接并以较低的成本支持卫星和地面蜂窝网络的资产跟踪、管理和远程控制。该系统的应用涵盖交通运输、油气田、水利渔业、水利环保及消防报警等多个领域，具有广泛的工业应用潜力。
3.1.2 LoRaWAN 系统
2017 年，国际卫星公司Inmarsat 与低功耗广域网（low power wide area network, LPWAN）设备制造商Actility 合作开发了基于LoRaWAN 的卫星物联网系统，旨在将物联网技术覆盖全球每个角落。该系统通过卫星与地面连接构建骨干网络，为资产追踪、农业运营、石油天然气等行业提供定制化的物联网解决方案。Inmarsat LoRaWAN 网络是全球首个实现全球覆盖的物联网网络，由Actility 的ThingPark LPWA 平台提供技术支持。该集成平台实现了端到端的数据传输，将采集的数据上传至云端进行分析处理，从而为用户提供行业洞察，助力高效决策制定[27]。LoRaWAN 系统的低功耗特点使其能够在全球范围内高效运行，尤其适合偏远地区的物联网部署，推动了全球物联网解决方案的普及。
3.1.3 Kepler 系统
Kepler 系统由加拿大Kepler Communications 公司开发，旨在通过构建一个低轨卫星星座为全球用户提供宽带通信和物联网连接服务。该星座计划由最多140颗卫星组成，每颗卫星的轨道高度为500 km~650 km，采用极轨道配置，轨道倾角为90°。这种轨道配置不仅能实现全球覆盖，还能保证卫星之间的有效链路和地面终端之间的高效通信[30 – 31]。Kepler
系统的卫星星座分布在七个轨道面上，每个轨道面上部署20颗卫星，确保地球表面几乎每一寸区域都能够获得高质量的服务。如图32、图33所示。
图32 Orbcomm 卫星及物联网终端
(a) 海事卫星在轨示意
(b) 海事卫星LoRaWAN终端实物
图33 基于海事卫星的LoRaWAN 系统及终端
Kepler 系统特别注重低成本、高效能的设计，利用微纳卫星技术降低了卫星的制造和发射成本。其采用 Ku 频段与地面终端进行通信，Ku 频段的高带宽特性使得数据传输更为快速和稳定。与此同时，卫星之间的链路采用 Ka 频段，提供更高的传输能力，使得数据在星座内部的传输更加流畅高效。Kepler 系统的最大亮点是其采用了软件定义无线电技术，这一技术不仅提高了卫星与终端之间的兼容性，还显著降低了硬件配置的成本，极大地提升了物联网通信的灵活性和扩展性，如图34所示。
图34 Kepler 卫星在轨示意图[30]
在实际应用中，Kepler 系统主要服务于物联网、大数据传输、企业级通信以及远程宽带接入等领域。其低轨卫星星座设计使得系统具有较低的通信延迟（典型为20 ms~50 ms），这是传统的高轨道卫星所无法比拟的。对于物联网应用来说，Kepler 系统提供了强大的全球连接能力，特别是在偏远地区、海洋和空中等传统通信网络难以覆盖的地方，Kepler 系统展现出独特的优势。随着星座规模的扩大和技术的不断进步，Kepler 系统不仅将提供更广泛的覆盖，还将在全球互联网基础设施中扮演更加重要的角色，推动全球数字化和信息化进程的发展。
3.1.4 天启系统
天启星座是由北京国电高科科技有限公司建设的低轨卫星物联网系统，旨在实现全球范围内的物联网连接与数据服务。如图35所示，天启星座规划包含36颗轨道高度为900 km、轨道倾角为45°的低轨卫星，以及2颗97°倾角的太阳同步轨道卫星。该星座采用Walker构型设计，在全球范围内实现覆盖，特别是在中低纬度区域具有更优的覆盖性能[32]。
图35 天启星座系统及卫星[33]
自2018年首颗卫星发射以来，天启星座已成功发射21颗卫星，具备全球主要区域30分钟内的重访通信能力，并计划在2024年完成38颗卫星的组网。天启系统广泛应用于应急通信、环境监测、气象监测、智慧城市、危险化学品运输等多个领域，并且随着技术的发展，天启星座将向消费者市场扩展，如手机直连、对讲机等应用场景。综上，当前全球卫星物联网星座已形成”传统系统持续升级、新兴势力快速崛起、中国方案特色发展”的竞争格局，各系统在轨道资源利用、频谱效率提升和终端功耗控制等维度持续开展技术创新。这些系统都在各自领域发挥着重要作用，推动着全球卫星物联网的成熟和发展，为各行业的数字化转型提供了强大的技术支持。
3.2 卫星物联网关键技术
3.2.1 星地协同组网与接入机制
在星地协同架构下，如图36所示，卫星不仅承担远程连接任务，还与地面网关节点共同完成任务调度与数据传输优化。非正交多址接入（non-orthogonal multiple access, NOMA）作为突破传统正交接入容量瓶颈的核心技术，支持多个设备同时在同一频域上接入，尤其适用于大规模短报文、高接入密度的IoT场景[34]。在星地协同中，功率域NOMA可有效匹配终端距离与功率等级，实现高效资源利用。同时，为降低卫星链路压力与成本，采用混合卫星-地面回程架构成为主流趋势。在该架构中，卫星网络提供回程连接，地面采用4G/5G或远距离（longrange, LoRa）等网络进行前传。通过边缘缓存、热点内容本地化等策略可减少卫星链路传输负载，显著降低服务延迟与系统能耗。例如，欧洲数字议程项目提出的融合模型已在农村部署中取得良好效果。
图36 空间物联网通信生态系统
3.2.2 低功耗广域通信与协议优化
LPWAN 技术，如窄带物联网和LoRaWAN 是S-IoT 的重要接入方案。卫星信道具有长传播时延、高路径损耗与频率偏移等特点，直接影响低功耗广域网协议性能。当前研究聚焦于协议栈适配优化包括,自适应信道接入，动态选择频率、调制方式与传输时机以适应LEO 星座的可见性窗口。异步时隙接入，基于预测的终端上行调度机制，避免与地面站时间对齐的开销。多链路冗余机制，提高抗干扰与容错能力，适应高误码率的星地链路环境。如图37所示。
图37 在距离，传输速率以及功率维度的通信协议[36]
此外，端侧采用睡眠唤醒机制与周期性数据推送相结合的调度策略，有效延长电池寿命，支撑设备运行年限达到10年以上。
3.2.3 星间链路与边缘智能
在LEO星座密集部署背景下，ISLs成为构建分布式物联网覆盖网络的关键。采用混合自由空间光通信与RF链路的星间链路系统，既可实现高速数据中继，又能提高在不同天气条件下的通信可靠性。星间链路支持灵活的数据路由与任务调度，尤其适用于大洋深处、极地探测等极端环境场景。在边缘智能方面，S-IoT网络正逐步引入“通信-感知-计算一体化”机制[37]。卫星搭载智能处理单元可实现对遥感、监测与控制数据的本地初步分析与压缩，减少回传数据量。通过与地面边缘计算节点协同，可在本地完成智能农业、气象预警、环境污染分析等任务，显著提升响应速度与系统可扩展性，如图38所示。
图38 卫星物联网综合通信与计算解决方案
3.3 小结
卫星物联网通信作为构建全球泛在感知系统的重要基础设施，正逐步实现从简单遥测传输系统向智能协同、自主调度的综合网络体系转型。核心关键技术包括星地协同接入机制、功率域NOMA、大规模LPWAN协议适配、混合ISL路由、边缘智能处理与AI驱动资源优化等。S-IoT不仅为农业、林业、水文、交通、环境、灾害预警等领域提供稳定支撑，也为实现真正意义上的“全球感知-智能决策”奠定技术基础。面向未来，随着天地一体化物联网架构（如STEREO）、设备到设备通讯机制以及环境感知驱动的智能通信策略的发展，卫星物联网通信将迈向更高的智能化、自主化与安全性，成为下一代空天地一体6G网络中的关键服务范式。
4 卫星通信技术发展趋势
随着全球通信需求不断升级和6G体系结构的加速演进，卫星通信正由补充型系统转变为新一代全球信息基础设施的重要组成部分。未来的卫星通信网络不仅需满足更高带宽、更低时延和更大连接密度的需求，还要具备智能化、自组织、安全可信等关键特性，以支撑从地面到空天、从静态到动态、从单一服务到多模态协同的多样化应用场景。在此背景下，卫星通信的主要发展趋势与代表性技术路线总结如下。
(1) 超高通量卫星系统
下一代超高通量卫星将引入可编程、再生式有效载荷，通过星载处理单元实现链路解调、中继切换、协议终止等功能，形成自主可控的星上网络逻辑。卫星节点具备按需资源重构能力，可针对热点区域、突发事件或极端灾害自动聚焦带宽与波束资源，从而实现能力动态编排与QoS差异化服务，如图39所示。
图39 未来卫星载荷架构
(2) 多层卫星系统
面向全球广覆盖和多时延等级需求，未来将构建由GEO、MEO、LEO甚至超低轨构成的多层协同通信架构，如图40所示。不同轨道卫星在服务范围、链路特性与部署成本上各有优势，多层卫星系统通过智能路由与资源调度协调不同层间的数据流与链路策略，优化系统性能和用户体验[40]。
图40 多层卫星结构模型
（3）AI 驱动的频谱与波束管理
随着星座密度增长与干扰风险上升，需引入机器学习与深度强化学习算法进行波束指向、频谱分配、拥塞控制等智能化操作。多任务学习框架可根据用户行为、服务质量和星座状态进行预测式资源分配，提升系统整体频谱效率与业务一致性[41]。
(4) 6G 空天地一体化融合
6G 提出以 “空天地海一体化” 为目标构建全球互联网络。未来卫星移动通信将与太赫兹通信、网络切片、数字孪生控制面等6G核心技术深度融合，实现对地面、空中、太空等异构域的资源统一编排和任务协同调度，支持高频宽、低延迟、场景感知的智能终端无缝漫游[37]。
结论
在卫星通信的快速发展中，智能化、融合化和服务多样化正在成为其未来演进的关键特征。随着技术的不断突破，卫星通信在宽带通信、移动通信和物联网领域呈现出深刻的变革，推动了全球通信网络的重构与升级，将成为全球通信的核心基础设施，支撑起更加智能化、可持续的未来社会。