通向移动卫星互联网之路——星地无线传输的基础制约与使能技术

王闻今 ,  朱一鸣 ,  王亚飞 ,  丁睿 ,  Symeon Chatzinotas

工程（英文） ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (11) : 45 -54.

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工程（英文） ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (11) : 45 -54. DOI: 10.1016/j.eng.2025.07.007
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通向移动卫星互联网之路——星地无线传输的基础制约与使能技术

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Toward Mobile Satellite Internet: The Fundamental Limitation of Wireless Transmission and Enabling Technologies

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王闻今,朱一鸣,王亚飞,丁睿,Symeon Chatzinotas. 通向移动卫星互联网之路——星地无线传输的基础制约与使能技术[J]. 工程（英文）, 2025, 54(11): 45-54 DOI:10.1016/j.eng.2025.07.007

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1 引言

全球首个商用卫星通信系统Intelsat-I问世至今已近60年，数十年间技术迭代与应用需求增长共同驱动卫星通信演进，逐步形成三类核心服务：卫星广播服务、固定卫星服务及移动卫星服务[1]。卫星广播服务（如DirecTV和Dish Network所提供服务）面向多终端实现单向信息传输，具备广覆盖优势。Thaicom-4、Viasat-3等卫星提供固定卫星服务，通过便携式终端与小型地面站，为缺乏宽带接入基础设施的区域提供宽带服务。移动卫星服务（如Inmarsat、Iridium等运营商服务）则依托卫星广域覆盖特性，为手持终端提供语音及低速数据业务，填补蜂窝网络覆盖空白。

当前，第五代（5G）蜂窝移动通信基站已大规模部署，标志着移动通信迈入后5G时代。但蜂窝网络覆盖范围不足地表面积的40% [2]，且仅少数区域可通过5G基站提供宽带接入。因此，卫星移动通信有望在第六代（6G）网络发展中发挥核心作用，与地面网络互补实现全球泛在连接。为达成此愿景，移动卫星互联网通过为手持终端等便携设备提供宽带接入，推动地面与非地面网络在终端层面深度融合。6G愿景加速了卫星载荷部署蜂窝无线接入网（RAN）的进程，为构建星地统一协议框架奠定基础。该框架可充分复用蜂窝通信先进技术以满足移动卫星互联网性能需求，同时借助现有蜂窝基础设施及规模效应降低产业总成本。但蜂窝协议框架源于地面网络设计，其在非地面网络中的适用性仍需深入探究，相关技术方案处于持续优化阶段。

星地网络融合背景下，卫星类型选择对实现泛在连接至关重要。低轨（LEO）卫星凭借低轨道特性，兼具发射成本低、传输时延小、路径损耗低等优势，成为移动卫星互联网的核心候选方案。但低轨道导致单星覆盖范围有限、可见时长短，须部署超高密度星座实现全球无缝覆盖。近年来，LEO卫星制造与可重复使用运载火箭技术的快速发展，催生了LEO巨型星座，推动移动卫星互联网工程实现与商业模式创新[3]。SpaceX的Starlink项目是典型代表，其计划在多轨道高度部署超4.2万颗LEO卫星，提供全球宽带服务[1]；2024年12月，该项目部署完成首个直连蜂窝（DTC）LEO星座，使未改装的第四代（4G）长期演进（LTE）手持终端可在偏远地区接入互联网[4]。

卫星通信的工程化与商业化，除受需求与技术驱动外，还受制造能力及成本约束，此类约束源于星地传播距离长、星载功率有限等固有特性。从星地无线传输数学本质出发开展研究，可深化对传输能力基础制约与提升路径的认知；通过综合评估技术性能增益、工程可行性与商业成本的权衡关系，可精准审视现有研究，并进一步构想移动卫星互联网的关键使能技术。

2 基础制约

在地面蜂窝通信中，无线电传播距离通常小于10 km，而星地链路距离则可达300~36 000 km，导致星地无线传播中存在显著的路径损耗。从工程化及商业部署角度考量，发射能力和系统成本对卫星的太阳能电池板尺寸、星载电池容量以及载荷天线口径等设计形成了严格约束。同时，移动卫星互联网的用户终端（UT）的电池和天线也必须满足便携性要求。如图1所示，上述移动卫星通信系统固有特性对星地下行链路和上行链路无线传输性能均产生显著影响。本文重点分析下行链路传输，其性能可由以下链路预算公式[5‒6]表示：

Rb=α(EIRP)sat ⋅ (G/T)uef2⋅d2⋅(Eb/N0)req

式中，Rb表示下行传输速率；EIRPsat表示卫星载荷的等效全向辐射功率（EIRP）；G/Tue表示UT天线增益与噪声温度比；f和d分别为载波频率与星地距离；Eb/N0req表示在给定误码率下完成解调所需的最小单位比特能量与噪声功率谱密度比，其中Eb和N0分别代表单位比特能量和噪声功率谱密度。此外，常数α=c2/16π2⋅k⋅M，其中k为玻尔兹曼常数，c为光速，M为链路余量。在实际系统部署中，根据星地无线信道特性，需要预留链路余量M，以抵消大气吸收、雨云衰减、闪烁衰落、收发机与天线间的馈线损耗、天线指向损耗以及各类干扰等损耗[5‒6]。其中，大气吸收、雨云衰减与对流层闪烁在高频段更加显著，而电离层闪烁主要影响sub-6 GHz频段。值得注意的是，链路余量的取值在通信的频谱效率与可靠性的权衡中发挥重要作用。

因此，星地无线传输速率由载荷的EIRPsat、终端的G/Tue、载波频率f 、星地距离d以及解调门限Eb/N0req共同决定。需要注意的是，由于星地链路传播时延较大，在地面网络中普遍采用的自动重传机制难以在非地面网络中有效应用。因此，非地面网络通常需要预留更高的链路余量，以确保通信的可靠性。上述简洁的链路预算公式阐明了星地下行理论速率与工程设计之间的基本关系，同样适用于星地通信上行链路。

2.1 载荷

卫星载荷的EIRP定义为发射功率与天线增益的乘积。发射功率受卫星的电源系统限制，该系统通常由太阳能电池板（用于将太阳能转化为电能）和星载电池（用于在无日照时段储能并保证连续供电）组成。此外，载荷发射天线增益与天线口径尺寸成正比，口径越大，辐射能量在特定方向上的集中程度越高。

得益于工业制造能力的持续发展，EIRP能力逐步提升。与此同时，多波束技术的不断创新也成为推动载荷容量显著增长的主要动力，从而促进高通量卫星（HTS）快速发展与广泛应用。载荷通过配备多馈源反射面天线或模拟/数字波束成形的相控阵天线，能够在单个天线口径上生成大量高增益波束[7]。尽管发射功率在多个波束上的分配可能导致单波束的EIRP改善有限甚至低于单宽波束，但整体卫星载荷容量仍可以依托空分复用和频谱重用技术实现数量级增长。

然而，在制造能力和工艺受限的条件下，提高卫星EIRP或增加波束数量必然导致卫星体积、重量及成本的上升，一旦超出工业制造能力临界值，成本将会急剧攀升至难以承受的水平。此外，为减轻非地球同步轨道卫星网络对其他系统的干扰，国际电信联盟（ITU）等监管机构制定了最大功率通量密度（PFD）限制，以约束EIRP提升的上限[8]。

2.2 UT

星地下行传输速率与G/Tue呈线性关系，G/Tue主要由噪声系数和接收天线增益共同决定。具体而言，通过集成高性能低噪声器件可以最大限度降低噪声对后续接收处理的影响，并且使用更大口径的天线能够提高天线增益。接收系统的整体噪声水平主要由第一个有源模块（即低噪声放大器）决定，随着半导体材料和制造工艺的持续进步，终端低噪声放大器的噪声系数已大幅降低，其最低值可小于1 dB [9]，进一步降低的空间十分有限。与此同时，市场对便携性的持续需求推动终端天线向小型化和内部集成化演进：其形态已从早期专用卫星电话的外置线性极化天线，演变为如今智能手机内部集成的多天线系统[10]。因此，终端尺寸对天线口径的严格约束，使得进一步提升G/Tue变得愈发困难，从而对更先进的终端天线设计方案提出了迫切需求。对于配备多天线的卫星终端，需要专门设计波束管理策略，例如，采用方向性接收波束指向服务卫星。

2.3 频段

如公式（1）所示，高工作频率会导致用户数据传输速率下降。为了在高频段（如Ka频段）中利用大带宽资源实现宽带接入，必须显著提升EIRP和G/Tue，以减轻高载波频率对数据传输的负面影响。因此，Ka/Ku频段卫星终端通常采用抛物面天线或相控阵天线。然而，这类大尺寸终端的成本和便携性限制了其在用户侧的广泛部署，使其难以普及成为移动卫星互联网的UT。

与Ku/Ka频段相比，L/S频段具有更优良的信号穿透能力和更广的覆盖范围，可显著降低对UT的硬件要求。这些传播特性不仅使非地面网络能够提供可靠的户外连接，还使得在车辆内部或临近窗户位置等场景下实现轻量级连接成为可能。由于语音通信等业务对频谱资源需求有限但要求终端小型化，L/S频段已成为窄带卫星移动通信业务的首选频段。鉴于L/S频段与地面蜂窝网络常用频段具有较高的相似性，因此更易部署星地融合终端，从而可采用统一的通信协议框架[11]，显著提升了用户规模扩展的潜力。然而，除已分配给卫星运营商的少量sub-6 GHz频谱外，大部分sub-6 GHz频谱资源已被地面运营商占用，难以满足未来移动卫星互联网日益增长的频谱需求。由于卫星通常面向蜂窝网络未覆盖区域提供服务，因此在不引入有害干扰的前提下重用地面网络频段，有望在一定程度上缓解低频段带宽短缺问题。因此，在sub-6 GHz频段实现地面与非地面网络之间的频谱共享，成为未来移动卫星网络的一条潜在发展路径。

在5G/6G时代星地网络深度融合趋势以及卫星面临频谱带宽限制的双重背景下，地面和非地面网络共存场景下的频谱共享已成为一个重要且值得关注的研究方向。当地面和非地面网络的服务区域在地理上相互分离时，双方互扰可以近似忽略。因此，现有研究多聚焦地面和非地面网络覆盖区域相互重叠的情形。多数卫星系统采用频分双工（FDD）模式，此时非地面网络的上行或下行链路可以与地面网络的FDD上行链路、FDD下行链路或时分双工（TDD）频段共享频谱。

从上/下行链路的角度[12]分析，不同的共享模式会产生不同的干扰模式。当非地面网络的下行链路与地面网络的下行链路共享频谱时，由于非地面网络用户通常位于地面基站覆盖区域之外，因此主要需要抑制卫星对地面用户的干扰；当非地面网络的下行链路与地面网络的上行链路共享频谱时，则可通过卫星侧的频谱感知识别地面网络上行链路的频谱可用机会，从而避免过度干扰；当非地面网络上行链路与地面网络下行链路频段重叠时，由于地面基站下行链路波束高度定向性，对卫星的干扰通常可以忽略不计；然而，当非地面网络上行链路与地面网络上行链路共用同一频段时，由于两套系统中终端天线均存在较宽的旁瓣，将产生严重的双向干扰，因此此类共享方式通常难以实现。

从TDD/FDD [13]的角度分析，非地面网络与基于FDD的地面网络之间的频谱共享可以配置为常规配对模式和反向配对模式。在反向配对模式下，非地面网络的上行和下行链路分别与地面网络的下行和上行链路共享频谱；而在常规配对模式下，非地面与地面网络都使用相同的上行和下行链路频段。与常规配对相比，反向配对由于非地面和地面网络的下行与上行波束方向相反，在干扰抑制方面更具优势。对于非地面网络和基于TDD的地面网络之间的频谱共享，尽管地面网络的上行和下行链路复用同一频段，非地面网络的上行和下行链路仍可以在地面网络中的不同TDD载波上以FDD模式工作，从而实现频谱共享。结合前述上/下行链路干扰模式的分析结论，且考虑地面网络上/下行频段一致的特性，在基于TDD的地面网络中，须采用更为精细化的干扰抑制技术，以保障通信的可靠实现。

为应对上述地面/非地面网络共存场景下的技术挑战，频谱共享策略主要划分为静态与动态两类。其中，静态共享方案（如七色复用方法）通过预定义频率划分策略，在频域上实现重叠覆盖区域内地面与非地面网络用户的隔离。该类方案在工程化部署中具备实操性优势，但难以实现频谱资源的实时、高效调度与利用。更为优化的静态共享方案为基于保护区的保护机制，可从频带、地理空间及空间角度等多维度划定专用保护区域[14]。与之相对，覆盖式（overlay）、叠加式（underlay）及混合共享方法[15]等动态频谱共享方案以频谱感知与认知无线电技术为基础，实现对共享频带的自适应接入控制。同时，结合用户调度[16]、波束成形及波形设计[17]等互补性技术手段，可进一步提升地面与非地面网络的共存通信性能。值得注意的是，除传统静态频谱共享方案外，多数先进频谱共享方案均须对现有协议框架进行大幅修改，且高度依赖跨网络的大规模信息交互与协同，这在很大程度上限制了其在实际工程系统中的落地部署和规模化应用。

2.4 轨道

公式（1）还揭示了轨道高度对数据传输速率的影响。具体来说，当轨道高度减半时，为了实现相同的数据传输速率，所需的天线口径可以缩小至原来的四分之一，从而显著降低制造和发射成本。然而，轨道高度的降低也会减小单星覆盖面积，因此需要部署更大规模的卫星星座才能实现全球覆盖。此外，较低的轨道高度对应更高的卫星运行速度，这会导致卫星过顶时间缩短，并需要更频繁地执行链路切换。由此可见，轨道高度的选择本质上是在单星成本与星座规模之间进行权衡，不同卫星运营商会根据其技术能力和商业考量做出不同的选择。例如，Starlink卫星位于约350 km的轨道高度，通过使用相对较小天线口径的超大规模星座提供DTC服务。相比之下，AST SpaceMobile则在约700 km的轨道高度上采用天线口径更大的小规模星座。

2.5 波形

公式（1）中的解调门限Eb/N0req体现了物理层波形设计对星地传输速率的影响。由于不同波形对应的Eb/N0误码率曲线各不相同，因此给定频谱效率和可靠性要求时对应的最小解调门限Eb/N0req亦不相同。尽管蜂窝移动通信系统的协议和物理层波形已在地面网络中得到充分验证，由于星地信道的固有特性，这些波形技术并不一定能直接迁移至卫星通信场景，需要在现有协议框架的基础上进行针对性修改，并研究面向移动卫星互联网的非地面网络物理层技术。

移动卫星互联网的星地信道受大气吸收、闪烁扰动、干扰以及卫星与地面终端间相对运动等因素共同影响而动态变化[5]，呈现为大尺度衰落特性。同时，蜂窝终端通常仅配备有限数量全向天线，天线指向性较差，因此当移动卫星互联网为蜂窝终端提供宽带接入时，地面及周围障碍物反射引发的多径效应不可忽视[5]。大尺度衰落和多径衰落的叠加进一步加剧了接收信号衰落，导致链路稳定性降低、频谱效率下降。为应对上述问题，可采用自适应调制编码（AMC）技术，依据实时信道状态信息自适应调整调制和编码方案（MCS），实现可靠性和频谱效率的平衡。具体而言，UT基于Eb/N0估算结果选择对应解调门限Eb/N0req适配的MCS等级[18]，并通过信道质量指示（CQI）将其反馈至卫星，使发送端据此调整MCS。未采用AMC时，卫星须基于最差信道条件保守地选择低解调门限的MCS等级，以保障链路可靠性。该保守策略虽鲁棒性较强，但在信道条件良好时会造成功率利用效率低下，并制约可达数据速率的上限。

除了大尺度衰落和多径效应，卫星与UT间的相对高速运动还会引入显著的动态多普勒频移，而星地间较长的传输距离则会产生明显的动态传播时延。例如，600 km高度的LEO卫星在2.6 GHz频段下，单程传播时延至少达2 ms，多普勒频移峰值可超50 kHz。较长的动态传播时延会导致定时与重传机制效率大幅降低甚至失效，现有蜂窝系统的定时机制未考虑该显著动态传播时延，易加剧系统干扰，甚至造成随机接入或上行传输失败。对此，须结合导频序列设计、星历数据及全球导航卫星系统（GNSS）信息重新设计定时机制，以保障移动卫星互联网的可靠同步[19]。在重传机制层面，长传播时延会显著延长混合自动重传请求（HARQ）的处理过程，误码发生时更易造成HARQ资源耗尽，降低传输效率。受限于HARQ进程数量，一种可行方案是禁用HARQ反馈，消除停等（stop-and-wait）策略引入的额外时延[11]，但该方式会牺牲链路可靠性，且要求解调门限Eb/N0req高于蜂窝移动通信系统。此外，大动态多普勒频移会严重劣化正交频分复用（OFDM）波形的传输性能，构成另一关键挑战：其不仅会破坏子载波间的正交性，甚至会引发子载波失配，进而产生载波间干扰并大幅降低解调精度。因此，在大动态多普勒频移场景[20]下，基于下行同步信号实现高精度的定时与频偏估计，对提升移动卫星互联网接收端的解调性能具有关键意义。

3 使能技术

3.1 超大规模天线阵列

移动卫星互联网的用户链路中，超大规模天线阵列（ELAA）是提升星地传输性能的极具潜力技术之一[7]，如图2所示。通过波束成形技术，ELAA可动态生成大量高增益窄波束，从而提高EIRP并强化空分复用能力。卫星天线增益（Gsat）可以通过Gsat=η4πAf2/c2定量表示[21]，式中η表示孔径效率，A表示物理孔径面积。该式表明，天线增益随孔径面积和工作频率的平方递增。实际系统中，卫星平台体积对天线孔径尺寸构成严格限制，该约束体现了性能、体积与成本间的权衡关系，从而限制了通过单纯增大孔径面积提升最大可达天线增益的空间。在此背景下，提高工作频率便成为增大天线尺寸之外提升天线增益的有效途径。例如，AST SpaceMobile公司的实验卫星BlueWalker 3须配备约64 m2的ELAA，方可为工作于800 MHz频段的手持终端提供DTC服务[22]。相比之下，若将工作频率提升至2 GHz，获得同等天线增益所需的孔径面积可缩减至约10.24 m2，凸显了高频段的尺寸优化优势。但须注意，由于自由空间路径损耗与频率的平方成正比，上述增益优势会被相应增加的自由空间路径损耗完全抵消。这表明，在卫星天线物理孔径受限的前提下，仅依靠提高工作频率无法提升接收信号的功率。

波束成形是发挥ELAA在移动卫星互联网中性能潜力的核心技术。在各类波束成形技术中，基于波束图案的波束成形是当前卫星通信实际系统中应用最广泛的方案。该类方法依赖与信道状态信息（CSI）无关的预定义波束图案，且可在系统设计阶段与波束调度协同优化，以抑制波束间干扰。典型方案分为相对卫星固定与相对地面波位固定两类。相对卫星固定的波束成形采用静态码本（如离散傅里叶变换码本），在卫星坐标系下实现波束指向控制；相对波位固定的波束成形技术则利用实时地理信息，将信号能量动态对准预定义波位[23]。该类方法计算复杂度低、对实时CSI依赖性弱，已成为卫星通信系统的研究重点。

相比之下，用户特定波束成形基于用户CSI动态设计波束成形向量，提升接收功率并抑制用户间干扰。最大比传输（MRT）波束成形为低复杂度方案，迫零（ZF）与最小均方误差（MMSE）波束成形虽需矩阵求逆，但干扰抑制效果更优；加权MMSE（WMMSE）通过迭代优化进一步提升系统和速率。然而，卫星通信场景中，用户特定波束成形面临两大核心挑战：精准CSI获取与计算复杂度控制。为降低对瞬时CSI的依赖，研究人员提出了诸多基于统计信道特性（如平均功率、出射角）的波束成形策略，用于最大化平均信噪比[24]。同时，针对ELAA大规模天线维度引发的计算复杂度问题，将波束域线性预编码应用于相对卫星固定的波束成形，已成为大规模系统中抑制波束间干扰的潜在传输架构[23]。从硬件架构层面分析，鉴于卫星在轨算力有限，模拟波束成形——其具备计算复杂度低、模数/数模转换需求少及数字接口能力要求低的特点——可作为过渡方案。随着卫星算力提升，数字波束成形以更高灵活性成为极具潜力的替代方案，但其实际部署仍受实现全覆盖所需波束数量的制约。

尽管合理设计波束成形能显著提升空分复用增益，但星内及星间同频干扰仍难被彻底消除。此外，移动卫星互联网系统的流量需求常呈现非均匀性及时变性[25]。须说明的是，本文链路预算分析聚焦点对点通信速率；当将其扩展至功率受限多用户传输场景，在时-频-空三维资源调度下，系统总吞吐量对资源分配策略的敏感性将显著提升。在基于ELAA的卫星通信系统中，该敏感性进一步增强，因此高效资源分配至关重要。随着卫星系统向LEO巨型星座演进，资源分配问题的高维性与相互依赖性愈发显著，凸显了低复杂度协同解决方案的重要性。面向业务的跳波束技术是提升资源管理灵活性的核心手段之一，其依据用户分布及业务需求，在不同时隙选择性激活波束。与频率、功率分配联合优化后，该类技术可实现高效多维资源分配，进而满足服务质量、能效等多元服务需求[26]。

3.2 移动性管理

移动性管理是移动卫星互联网的核心环节之一，其面临的难题与地面系统存在显著差异。针对手持终端宽带传输需求，卫星通常配置ELAA生成高增益窄波束以为用户提供服务。但卫星覆盖范围内波位数量远超其可同时激活的波束数，需要通过动态波束调度实现有效覆盖。在密集低轨LEO网络中，因LEO卫星覆盖范围小、运动速度快，用户须在不同卫星窄波束间频繁切换，更凸显高效移动性管理的重要性，且切换策略尤为关键[27]。例如，条件切换与多连接（MC）[28]技术分别通过预配置备用链路和同时维持多条连接提升切换鲁棒性。基于用户分组的切换机制可进一步降低信令开销。移动性管理须兼顾多样化业务需求，且须应对类似资源分配问题中相互耦合的高维优化挑战，使定制化切换策略设计日趋复杂。

测量是移动性管理的基础，通常通过周期性估计CSI（含信道增益、衰落特性及干扰水平）与移动性相关指标（如切换频率、切换成功率和时延）实现。鉴于ELAA窄波束特性，测量阶段须设计面向移动性管理的跳波束策略，维持波束与终端对准，保障评估精度。除实时CSI测量外，卫星可结合星历数据与用户上报位置信息，联合跳波束策略构建更高效的移动性测量机制。例如，基于用户地理位置调度波束资源，开展切换等移动性相关任务测量，提升波束资源利用率。

3.3 多星协同传输

高密度LEO巨型星座中，用户常处于多星重叠覆盖区域。借助星间链路（ISL），卫星间可共享信息、实现协同传输与资源聚合，为重叠覆盖区用户提供服务。该机制在流量分配、负载均衡及峰值速率与可靠性提升方面具备显著潜力，是实现移动卫星互联网愿景的核心技术之一。本文从协同模式与计算架构双重视角，研究多星协同传输（MSCT）。具体而言，协同模式分为空域、时频域及多域协同三类，每种模式均具备独特设计特性、优势与局限性。此外，计算架构对MSCT的实现亦至关重要，不同协同方式对计算架构有特定需求，且同一策略下可通过多种架构权衡性能与复杂度。

空域协同通过多星联合波束成形或预编码，提升等效发射功率、抑制干扰或实现空分复用，优化链路预算。较直接的实现方式为多颗卫星对同一数据流执行联合下行波束成形，将多星天线阵列等效聚合为无蜂窝多输入多输出（MIMO）系统[29]。该技术在蜂窝通信中称为分布式波束成形（DB），可提升等效天线增益、发射功率及EIRP，进而提高可达数据速率。但充分获取该性能增益须确保发射端已知所有星地链路的实时信道相位，并精准预补偿各链路时延差，这在高速移动的LEO星座中难以达成。通过增大单星天线孔径提升天线增益面临较大工程挑战，而聚合多颗卫星发射功率可提升整体信号强度，进而提高数据传输速率。因此，有必要在非理想CSI条件下深入分析DB增益的理论极限。

与之相对，接收端空分复用为非相干策略：多星向多天线UT分别发送不同数据流，终端依据到达角分离数据流[30]。该方法可规避严格星间同步需求，同时增加并行传输数据流数量，但会显著提升用户端（尤其是手持终端）的硬件复杂度，且易受数据流间干扰影响。上述两种空域协同策略均需在卫星间交换CSI、联合波束成形设计及资源分配信息，因此既依赖ISL提供物理层支撑，也需依托高层协同机制[如第三代合作伙伴计划（3GPP）非地面网络标准定义的MC机制[11] ]实现。在卫星类型层面，基于swarm的无蜂窝MIMO系统已成为多星协同的另一潜在路径[31]。该方法采用小型卫星组成的星座（而非传统共轨或交叉轨道构型），可通过有线或无线ISL将卫星间距缩减至米级，大幅简化同步与协同过程。但分布式天线阵列各部分物理位置过近，可能限制发射端空分复用增益的获取。

时频域协同通过将用户数据分配或复制至采用正交时频资源的多颗卫星，实现高需求用户吞吐量提升与边缘用户性能改善。其代表性技术为载波聚合（CA）[32]，支持终端同时接入单颗或多颗卫星的多个载波。CA可大幅降低星间信令开销，且能充分复用地面蜂窝系统的成熟技术[33]；但该技术依赖宽频段可用频谱，对接收端硬件要求严苛，这限制了它在资源受限终端中的适用性受限。卫星移动通信下行链路多为功率受限场景，单星难以通过高阶调制与高码率信道编码实现高频谱效率。与单星独占全频带方案相比，频分复用虽不增加总带宽，但多星功率聚合仍可带来一定的传输速率提升。空分复用技术依赖多天线终端的多波束接收能力，相关内容将在下一小节展开。此外，MC亦可归为时频域协同方案，与CA类似且更易工程实现[34]。CA与MC的星间信息交互均依托Xn接口，该接口通过ISL连接卫星，实现控制面与用户面信令的传输。CA中终端仅与主小区建立无线资源控制（RRC）连接，多星系统的数据分流与聚合在媒体接入控制（MAC）层完成。MC中终端则与主、次节点卫星均建立RRC连接[11,34]，数据在分组数据汇聚协议（PDCP）层完成分流与聚合。相较于CA，MC虽信令开销更高，但支持终端预先与多颗卫星建立RRC连接，更易实现无缝切换。而MAC与PDCP层数据分流聚合方式的差异，也导致了CA与MC在资源分配粒度上的区别。

多域协同指多星在空、时、频三维联合协同，融合正交与相干传输的综合方案。该模式理论上可实现接近最优的系统性能，但对节点间同步、星间通信时延与容量及协同算法复杂度提出更严格要求。协同多点（CoMP）传输[35]为典型代表，其源于地面网络，支持协同资源分配、协同波束成形及二者结合等多种工作模式。尽管CoMP在地面网络中研究广泛，但应用于移动卫星互联网时，须结合非地面网络的信道与网络特性进行适配。MC通过更高协议层实现卫星间协同，可作为其他MSCT方法的基础，据此亦可归为多域协同的一种形式。

支持MSCT的计算架构与工程实现高度关联。最基础的为完全集中式架构，由单颗主卫星统一决策所有协同传输任务，其性能接近最优，但会给主节点带来较大计算负载，且需大规模低时延星间数据交互。另一类为分布式架构，将部分任务下放至辅节点，如大尺度衰落预编码/解码[36]或按协同层级划分处理流程[37]。该类架构可缓解主节点计算压力、降低信令开销，同时提升系统可扩展性。不同协同层级对计算能力、实时性及星间数据交互量的需求存在差异，因此计算架构的选择对系统的可行性与整体性能而言至关重要。

3.4 先进UT天线

移动卫星互联网的一个核心技术难题是手持终端的宽带接入。早期专用卫星手持终端多采用线极化或圆极化外置天线，以获取较高天线增益[38]，但此类设计使天线体积偏大、外观突兀，且机械结构易损耗。为克服上述局限，业界形成两类典型设计路径：一是终端内置专用高增益卫星天线；二是复用现有蜂窝MIMO阵列实现波束成形。两种方案均体现了手持终端天线向紧凑化、内置集成化演进的技术趋势，以适配移动卫星互联网需求。

第一类方案通过终端内置单根高增益专用卫星天线，设计高定向方向图，搭配滤波与阻抗匹配网络，在保障紧凑性的同时实现信号有效隔离[39]。例如，华为在2023年发布的Mate 60 Pro智能手机，将高增益专用卫星天线集成于全金属边框内，以实现与地球同步轨道卫星的通信。需要注意的是，该方向图相对终端固定，需用户手动调整姿态对准卫星，限制了操作灵活性。第二类方案利用智能手机现有sub-6 GHz蜂窝MIMO天线，通过波束成形技术支撑卫星通信[30]，契合星地一体化网络发展趋势，可实现蜂窝与卫星系统的硬件复用。相较于专用卫星天线方案，基于MIMO的方法灵活性更高，且与现有大规模商用终端硬件兼容性更优。

综上，两种方案均体现了卫星手持终端天线向高度集成、紧凑化及多天线配置的演进趋势。多天线终端可基于位置信息或参考信号实现精准到达角估计，进而完成接收波束与卫星的自动连续对准。因此，多天线终端可以生成多个接收波束，接收来自多星的相同或不同数据流，从而获得分集增益或复用增益。尽管多天线终端具备上述潜在优势，但仍然面临以下实际挑战：①手持终端姿态动态变化易导致波束对准失效，须研发具备姿态自适应调整能力的实时波束成形算法；② DB场景中，相位预补偿误差会使多星信号存在残余相位差，破坏多星信号的相干叠加特性，显著降低波束成形增益，这凸显了研发空域多天线协同接收技术的必要性。

3.5 定量分析与均衡策略

为达成移动卫星互联网愿景，业界已开展多项工程实践与产业创新。AST SpaceMobile实验卫星BlueWalker 3于2023年9月创下14 Mbps的DTC服务传输速率纪录[22]。此后，SpaceX完成多场景及互联网应用测试，实现了17 Mbps的DTC传输速率[40]。本文基于表1 [41‒43]中AST SpaceMobile与Starlink V2 Mini的DTC参数配置，定量评估关键使能技术对现有智能手机星地链路容量的影响。

鉴于当前移动卫星互联网系统多基于4G/5G蜂窝框架，本文分三步定量评估星地下行传输速率：①基于链路预算计算接收信噪比；②依据协议定义的MCS表，选取满足可靠性要求的最高MCS等级[18]；③针对不同移动卫星互联网系统参数，仿真星地链路下行传输速率。本文采用5G新空口定义的MCS表（参见文献[18]中的表5.1.3.1-1）。考虑到星地链路的额外损耗，本文在链路预算中预留充足链路余量，以抵消大气吸收、降水云雾衰减、闪烁、多径衰落、馈电损耗、天线指向误差等因素引入的损耗[5‒6]。

需要说明的是，链路预算公式（1）所得仿真理论速率为含物理层导频及高层协议栈开销的基带速率，而文献[22,40]中的测试速率为剔除该类开销后的净数据速率。故高仰角场景下理论速率高于测试值具有合理性，若测试结果处于仿真速率区间内，即可有效验证所采用链路预算模型的有效性。

为定量评估ELAA对星地链路容量的影响，本文绘制了20°、45°、90°三种仰角下，载荷阵列面积与下行传输速率的关系曲线[图3（a）]。结果显示，ELAA天线孔径面积翻倍时，EIRP提升3 dB，AST SpaceMobile与Starlink V2 Mini DTC下行速率分别增加3 Mbps和4 Mbps。须注意，Starlink V2 Mini DTC阵列面积达14 m2时，受MCS最大频谱效率限制，传输速率趋于饱和。针对MSCT，本文考虑两颗地心夹角为3°的共轨卫星构成双星协同场景。图3（b）为总带宽相同时，不同多星协同方案的下行速率对比。相较于单星基线方案，MC与DB方案使AST SpaceMobile下行速率分别提升49%和76%，使Starlink V2 Mini DTC分别提升44%和69%。需要强调的是，当AST SpaceMobile仰角超40°，或Starlink V2 Mini DTC仰角超30°时，因MCS达最大频谱效率，DB方案下行速率进入平台期。该结果表明，进一步提升DB方案速率须增加带宽或采用更高阶MCS。此外，轨道高度约为350 km的Starlink V2 Mini DTC，主卫星位于天顶时相邻卫星仰角仅44°，故MC方案高仰角下下行速率略有下降。而DB方案凭借更强的功率聚合能力，高仰角下仍可维持最高阶MCS，传输速率更稳定。星地下行速率与UT仰角的关系亦如图3（b）所示：仰角越高，星地距离越短，下行速率提升越显著。图3（c）展示了不同终端天线方案与20°、45°、90°仰角下的下行速率关系。仿真结果显示，利用sub-6 GHz MIMO蜂窝天线波束成形技术并优化单天线方向图，可获得至少6 dB的理论增益，对应AST SpaceMobile、Starlink V2 Mini DTC下行速率最高可分别提升7.2 Mbps和7.5 Mbps。

针对AST SpaceMobile、Starlink V2 Mini DTC等现有移动卫星互联网系统，本文结合当前工程能力，提出基于关键使能技术的分阶段均衡优化策略。从实施成本考量，优化UT能力为技术演进的首要方向。但受手持终端物理尺寸与半波长天线间隔的共同约束，终端内置天线数量存在严格上限，进而限制最大可达阵列增益。星地一体化网络频谱共享框架下，UT可复用现有sub-6 GHz MIMO蜂窝天线，通过波束成形技术提升有效天线增益。该方案与单天线性能持续优化工作形成互补，且可规避集成专用卫星天线可能导致的终端内部空间布局冲突。此外，须研发实时波束校准算法[44]，补偿手持终端姿态变化及卫星高速移动引发的波束失配，保障链路稳定性。

受工程能力约束，增大阵列孔径以提升载荷性能，势必增加卫星体积、重量及成本；超出制造能力上限后，成本将急剧攀升至不可承受水平。此外，为避免干扰地面业务，PFD指标对ELAA的EIRP能力施加严格限制。因此，ELAA设计须以移动卫星互联网传输速率需求为导向，同时满足成本、干扰约束及UT能力等多重边界条件。在此基础上，通过波束成形[23‒24]、资源分配[26]及移动性管理技术[27]等ELAA关键使能技术，可进一步提升其综合效率。

受工程能力与成本双重约束，即便充分优化UT及载荷天线，移动卫星互联网的极致性能目标仍可能无法达成，这就有必要引入MSCT以提升系统能力。但MSCT的实现受限于技术成熟度，鉴于CA [32‒33]与MC [34]技术已在蜂窝移动通信系统中成熟应用，可优先在多星系统中构建基于MC的协同传输方案，实现多星功率资源聚合。待非理想CSI条件下的DB技术成熟后，再将协同框架演进为基于DB的方案，进一步强化功率聚合能力，从而在技术成熟度与性能需求间达成更优折中。

4 总结

本文从星地无线传输基础制约的数学形式出发，系统梳理载荷、终端、工作频段及轨道设计等方面的最新进展，重点分析星地链路容量的提升路径，同时指出当前仍存在的若干基础制约。通过深入探究卫星通信关键参数与传输容量的复杂关联，识别并总结ELAA、移动性管理、MSCT以及终端天线设计等多项关键使能技术，且逐一分析各技术的核心优势与挑战。整体而言，本文回顾了移动卫星通信领域的工程实践，为未来移动卫星通信系统的设计提供参考与启示。

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