卫星网络跨层技术与6G通信探究

张 尧

（滨州医学院 山东烟台 264003）

随着移动通信技术的发展，数字化和信息化水平不断影响着人们的生活方式，2019年我国启动了5G网络的商用，5G网络逐步融入人们的生活方式，高性能、低时延、大容量是5G的突出特点，5G融入了人工智能、大数据等多项技术推动医疗、交通、传统制造业等向智能化、网络化方向变革，进一步推动了物联网时代的发展。根据移动通信“使用一代、建设一代、研发一代”的发展理念，业界普遍认为6G将会在2030年开始商用。虽然各个国家对6G网络的研发才刚刚开始，很多的关键技术和组网方式未达成一致，但是未来要满足超高的网络性能要求，及无人不联、无处不联、无事不联、无时不联的特点[1]，卫星网络在万物互联及地面基站无法覆盖的范围都会扮演至关重要的角色，卫星网络必然是中6G网络中重要的组网方式之一。然而卫星网络中存在高时延、高误码率、吞吐量低等问题会，如何在现有资源的基础上提升卫星网络的性能是各方研究的方向。

一、6G组网方式中的卫星网络

（一）移动通信组网发展历程

1974年贝尔实验室提出了蜂窝移动网概念，蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的革命，第一代移动通信信号为模拟调制，弊端非常明显。随着数字蜂窝语音通信系统的出现，TDMA及CDMA技术的应用，在抗干扰和多径衰落等方面较第一代有了显著提高。虽然2G通信技术有着很多优点，但是随着移动用户数量的快速增长及对带宽需求的不断增加，3G和4G网络在地面基站大量部署的同时，也通过微基站的灵活应用缓解网络覆盖能力不足的问题。2019年我国启动5G网络商用以来，各大运营商加快了5G基站的大规模部署。从目前的布网方式不难看出，为了满足不断提高的网络带宽、更低的传出时延及更高的通信可靠性要求，都是通过地面基建及微基站“补盲补强”的方式。

（二）6G组网方式探究

随着网络用户的不断增加和业务要求的提高，必然会带来基站规模的扩大和部署站点成本的增加。仅靠基站的方式难以满足6G网络中无所不在、无所不连、无所不能的天地一体化的网络性能，立体组网方式成为必然，而卫星通信可以实现陆、海、空、天的全面覆盖是实现6G的重要一环[2]，在2020中国卫星随着我国第一颗6G试验卫星（星时代-12）的发射及SpaceX公司星链计划的实施，卫星网络将会是6G的重要组网方式。随着低轨卫星通信技术的发展和推广以及卫星互联网产业的逐步应用，卫星网络模式下的6G通信将会加速实现。由于在5G时代仍然有80%以上的陆地和95%以上的海洋区域无法被网络信号覆盖，而这些区域在6G时代将实现全覆盖，因此具有广覆盖、大容量和不受地理条件限制等优点的卫星网络有望成为6G通信的重要补充[3]。其网络组网架构如图所示。

图1 6G组网架构设想

二、卫星网络跨层协议技术在6G网络中的应用

（一）未来6G网络性能要求

在5G网络时代，地面基站基本可以满足我们对物物相连的性能要求，5G网络的峰值速率能达到10-20Gbit/s,时延<1ms。6G网络与5G网络相比将会在大带宽、大连接和低时延三个引用场景的指标要求有更大的提升，例如6G峰值速率会达到100-200Gbit/s,时延达到0.1ms量级[4]。6G未来的应用场景会达到全球覆盖的要求。然而传统的卫星网络协议是基于地面的协议优化，无法满足6G的高性能要求。

（二）卫星网络跨层协议在6G中的探索

为了满足卫星网络高效运行，克服由于高动态、长时延、带宽非对称和高误码等特点带来的问题，满足快速业务QoS需求，人们提出了跨层协议设计的思想[5-6]。跨层设计的思想是利用各层之间的参数进行直接的信息交互，这样可以全局的方式对无线资源作出更合理的分配来适应网络通信的动态变化和更高的服务质量。传统的基于IP地址的卫星协议栈结构如下图2所示，跨层协议栈结构如下图3所示。

图2 传统卫星协议结构

图3 跨层交互结构

随着LEO卫星蜂窝网的飞速发展，通信容量及可靠性方面也有了显著提高；但是在6G无人不联、无处不联、无事不联、无时不联的要求下，卫星网络的综合业务会持续增多，传统卫星网络协议难以支撑6G的高性能要求。跨层协议技术主要通过不同层之间参数的互相传递、优化，达到全局最优。应用层的跨层设计可以将业务QoS要求传输到物理层、网络层，物理层根据不同需求选择合适调制方式，网络层可根据需求进行优先级的划分；传输层跨层设计可以结合MAC层的带宽等参数控制数据流的发送速率以防止网络发生拥塞；网络层跨层设计可以与物理层和应用层的参数相关联，提高路由转发效率；数据链路层可以通过物理层的信道状态和应用层业务QoS的需求进行联合优化，完成数据包的调度选择；物理层跨层设计可根据应用层的要求，自适应调整编码策略和相应的调制方。卫星网络跨层协议技术以全局方式甚至结合6G意境概念实现网络资源的有效分配，通过各层之间的信息交互，更快满足6G的时延要求；跨层技术可根据物理层信道环境的反馈，选择更优的编码及路由路径，进一步提高6G网络的可靠性；跨层技术在卫星网络中的应用对6G网络的各项指标参数提供了有效的支撑。

三、结束语

6G技术研究已经开启，空天地海一体化的网络覆盖将在6G时代实现。传统的地面基站已经无法满足6G网络万物互联的要求，卫星网络的组网方式将是实现6G的重要补充。如果所有卫星重新发射布局6G网络的话势必会造成频谱资源、空间资源等的紧缺，在有限资源节约成本的情况下，卫星网络跨层协议技术打破分层协议的明显界限，全局优化；为实现6G的各项高性能指标提供了重要的技术支撑。