卫星互联网——构建天地一体化网络

序

卫星通信由位于地球静止轨道卫星上的转发器控制，在地球上相距数千千米的地球站间架设通信信道。卫星并不直接连接用户，卫星通信仅起到信道中继作用，或者说只是嵌入地面网络中的一段空中链路。地球静止轨道卫星至少需要3颗才能覆盖全球，这3颗卫星可以各自覆盖一定区域，但要实现全球互通，则需要跨区域的卫星地球站通过地面光纤传输系统互联。从这个意义上说，卫星通信总是需要天地互联的。

低轨道卫星的出现使地面的车载、背负，甚至手持都能直接上星，但这些轨道上的卫星相对于地面是运动的，特定的某颗卫星不会总处于某个地面位置的上空，因此往往需要部署数量较多的卫星才能使特定地区的用户持续地获得服务。这些协作工作的卫星群称为“卫星星座”，其数量取决于轨道的高度。卫星间可以通过地球站和地面链路互联，也可以通过星间激光链路互联，或者通过中轨道卫星或静止轨道卫星桥接。多星互联实现了卫星组网。不过，低轨道卫星目前的工作频段是Ka和Ku频段，未来可能还会使用V频段与地面通信，因卫星通信与Wi-Fi信号及地面移动通信使用不同频段，所以低轨道卫星需要配备相应频段的专用地面才能接收信号。

地面互联网（即传统互联网）的快速发展与普及催生了卫星互联网的概念。现在往往将卫星链路能够连接到地面互联网的系统看作卫星互联网，这一认识相当于把卫星互联网的出现追溯到与地面互联网的诞生几乎同期。美国太空探索技术公司积极推进SpaceX项目，计划发射4.2万颗卫星并组成“星链”系统，据称其平均下载速度可达80 Mbps，借助卫星可将互联网覆盖到全球，为当前地面网络尚未覆盖的区域的消费者、企业和政府提供高速宽带服务，可形成一个与地面互联网重叠的卫星互联网。目前，国内外都有一些类似卫星互联网的项目在规划或实施。卫星互联网中的每颗卫星都相当于一个移动通信基站，除有转发功能外，还可以有路由或交换功能。

近年来，“天空地一体化”或“天地一体化”卫星互联网成为热词，人们对6G设想的主要目标之一也是“天地一体化”，不过人们对卫星互联网一体化内涵的理解尚未取得共识。如果“一体化”要求卫星互联网采用现有地面互联网的协议，则在实现上将面临不少挑战，因为当卫星链路时延较高时，如果仍采用TCP/IP，则效率将受影响，除非开发出一种既适合地面互联网，又能够对卫星互联网优化的通用协议；如果将卫星互联网与地面互联网集中运营管理看作一体化，虽实现难度并不大，但效果并不显著。关于天地一体化的目标与实现方式还需要认真研究。我国《国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中明确提出“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”，可见全球覆盖和高效运行是天地一体化的基本要求之一。

本书虽然对天地一体化的卫星互联网未给出明确的定义，但将卫星互联网放在未来天地一体化网络新时代中研究其技术与应用，研究了卫星互联网与地面网络、4G/5G、云计算、人工智能、区块链、量子计算、无人机、边缘计算等的融合，详细介绍了卫星通信技术与组网技术。本书不仅研究技术，而且讨论了应用领域、行业政策、产业规划、产业模式等，内容涵盖网络研究、设计、开发、建设、运营、服务与业务开发等方面，对卫星互联网进行了较为全面的解读。中国的地面网络相对发达，但在海外可落地的网络是短板，中国卫星互联网的发展在政策与应用模式上都有自身的特点。希望本书的出版能引发更多读者对发展有中国特色的、自主可控的卫星互联网的思考，加大创新力度，推进卫星互联网更好地服务于国民经济、社会生活和国家安全。

中国工程院院士        邬贺铨     

前     言   

卫星互联网主要依托天基卫星星座网络和地基互联网络，不受地形和地域限制，极大地拓展了地面网络覆盖边界，可实现全球范围的互联网无缝连接，向用户直接提供宽带互联网服务，是继有线互联、无线互联之后的第三代互联网基础设施，是新一代通信基础设施发展的必然趋势，将直接影响国家网络发展与应用，直接影响国家战略安全。同时，由于卫星轨道和频谱资源有限，卫星互联网还关乎国家安全和空间主动权，具有重要的战略意义。

2020年4月，卫星互联网成为了国家战略性工程，首次被国家发展和改革委员会（以下简称国家发改委）列入新型基础设施范围，是我国天地一体化信息系统建设的重要组成部分。卫星互联网将与新一代地面通信系统（5G）、人工智能、物联网、工业互联网等深度融合，形成天空地一体化网络体系。目前，国外已进入小卫星密集部署阶段，而中国卫星互联网还处于早期探索阶段，卫星批量化制造、星间组网、星座运营控制、网络协议和星间链路设计等问题还没有完全解决，与国外尚存在一定差距。

卫星互联网面向国家重大战略需求，是未来网络领域的重要发展方向。在国际卫星网络快速发展所带来的激烈竞争情形下，2021年4月28日，中国卫星网络集团有限公司正式成立，这标志着我国要通过中央企业来建设、运营自己的卫星互联网，并以此来牵引整个产业链的整合和发展。本书从全面解读国家相关政策/文件入手，对卫星互联网进行了顶层规划设计，从天基、地基、边缘和安全四个方面深度剖析了卫星互联网所涉及的关键技术，随后给出了对卫星互联网产业发展的思考。

本书由申志伟统筹设计和组织编写，张尼负责总体指导，全书分为4篇，共15章。朱肖曼负责第1篇的编写，申志伟负责第2篇的编写，王翔负责第3篇的主体编写和统稿工作，薛继东负责第3篇的总体指导，许凤凯和吴云峰负责第11章的编写，高松林、郭烁负责第4篇的编写。

第1篇（第1～4章）：卫星互联网政策/文件及发展态势解读，分别从中央、部委、省（直辖市）政府三个层面对政策/文件进行详细解读，阐述卫星互联网产业所面临的发展机遇及与创新技术的融合，总结卫星互联网发展现状。

第2篇（第5～7章）：卫星互联网顶层规划设计，从顶层设计的角度出发，对卫星互联网体系结构设计、通信协议选取和软件、硬件的技术要求提出规划，给出了卫星互联网技术体系的设计发展思路，为卫星互联网系统硬件、软件、协议、存储控制和拓扑设计形式提供参考标准。

第3篇（第8～11章）：卫星互联网关键技术架构剖析，从天基、地基、边缘和安全四个方面，对卫星互联网涉及的关键技术架构进行了详细阐述和方案设计。

第4篇（第12～15章）：卫星互联网产业发展思考，全面分析了卫星互联网上、中、下游产业链发展现状，深入剖析了卫星互联网产业模式和应用前景，后提出了对卫星互联网产业发展的一些思考。

本书的编写得到了国务院政府特殊津贴获得者、载人航天测控通信系统专家祝转民博士的全程指导，在此表示由衷的感谢；参与科技部天地一体化信息网络重大项目的密码专家宋宁宁博士也给本书提出了非常宝贵的建议，在此致以诚挚的谢意。另外，感谢电子工业出版社李树林编辑的大力支持和极其认真、细致的工作。

卫星互联网属于新兴领域且覆盖面非常广泛，所涉及的一些关键技术仍在研发攻关阶段，产业模式还有待进一步明晰，因此书中难免存在不当之处，敬请读者谅解，并给予宝贵意见。

编著者

本书首先介绍我国卫星互联网相关政策及其发展态势，分别从中央、部委、省（直辖市）政府层面解读政策/文件，分析卫星互联网产业所面临的发展机遇；然后对卫星互联网体系结构设计、通信协议选取和软件、硬件的技术要求提出规划，给出了卫星互联网技术体系的设计发展思路，为卫星互联网系统硬件、软件、协议、存储控制和拓扑设计形式提供了标准；接下来，从卫星互联网组网及安全防护关键技术出发，从天基、地基、边缘和安全四个方面对卫星互联网的相关技术进行了详细的介绍；后，从卫星互联网产业链上、中、下游三个层面对产业模式和应用前景进行了深入剖析，探讨了卫星互联网本身存在的安全问题、衍生安全问题，提出了对卫星互联网产业发展的思考。

本书主要面向卫星通信、卫星网络组网、空间信息网络、卫星互联网等产业的从业者和分析师，也适合高等院校电子、通信专业的师生阅读和参考。

申志伟，中国电子信息产业集团有限公司第六研究所规划科技处副处长（主持工作），工学博士，正高级工程师，高级经济师，北大核心期刊计算机及通信类评审专家，重庆邮电大学、燕山大学硕士研究生企业导师。多次获得省部级奖项，曾担任联通云公司中心主任，政务云团队负责人，主要研究方向为云计算、网络安全、人工智能、大数据应用、移动互联网产品研发等。

张尼，中国电子信息产业集团有限公司第六研究所所长，博士后，正高级工程师，多次获得省部级奖励、入选2014 年工信部“软件与集成电路人才”计划，获2017年度军工行业信息安全工作先进个人；同时担任中国工业互联网联盟副组长，中国电子信息产业集团科技委专家。

王翔，中国电子信息产业集团有限公司第六研究所规划科技处项目主管，工学博士，清华大学博士后，主要研究内容为新一代通信和信息技术领域研究，推动国家、省市重大科研项目申报。

薛继东，中国电子信息产业集团有限公司第六研究所网络安全所所长，工程硕士，高级工程师，曾长期在某部队服役，主要研究方向为信息处理、高性能计算、网络安全等，获得军队级科技进步成果一等奖项3项。

朱肖曼，中国电子信息产业集团有限公司第六研究所规划科技处处长助理，工学硕士，高级工程师，主要研究方向为网络安全、通信网络等，获省部级奖项7项。

高松林，中国电子信息产业集团有限公司第六研究所规划科技处项目主管，法学博士，主要研究方向为通信网络技术发展及产业应用。

许凤凯，中国电子信息产业集团有限公司第六研究所网络安全所副所长，工学博士，高级工程师。

吴云峰，中国电子信息产业集团有限公司第六研究所副总工程师，工程硕士，正高级工程师，中国能源研究会智能发电专业委员会委员，曾被评为第二十届北京市优秀青年工程师。

郭烁，中国电子信息产业集团有限公司第六研究所规划科技处市场主管。

第1篇 导论篇 
第1章 卫星互联网与新型基础设施建设融合的政策/文件解析 2 
1.1 新基建的沿革 2 
1.2 新基建的政策/文件解析 6 
1.2.1 中央层面政策/文件解析 6 
1.2.2 部委层面政策/文件解析 8 
1.2.3 省（直辖市）政府层面政策/文件解析 11 
1.3 新基建的分类 13 
1.3.1 信息基础设施 13 
1.3.2 融合基础设施 14 
1.3.3 创新基础设施 14 
1.4 新基建的意义 14 
1.5 新基建的实践推进 16 
1.6 本章小结 20 
本章参考文献 20 
第2章 卫星网络 22 
2.1 卫星网络概念 22 
2.2 卫星分类及发展历程 23 
2.2.1 卫星轨道分类 24 
2.2.2 卫星功能分类 28 
2.2.3 卫星网络发展历程 35 
2.3 卫星网络分类 48 
2.3.1 卫星移动通信网络 48 
2.3.2 卫星宽带通信网络 49 
2.3.3 广播卫星通信网络 49 
2.3.4 VSAT卫星通信网络 50 
2.4 卫星网络发展趋势 51 
2.5 本章小结 52 
本章参考文献 53 
第3章 互联网与移动互联网 55 
3.1 互联网发展与演进 55 
3.1.1 互联网发展沿革 55 
3.1.2 互联网组网演进 59 
3.1.3 互联网业务应用 64 
3.2 移动互联网发展与演进 68 
3.2.1 移动互联网发展沿革 68 
3.2.2 移动互联网组网演进 70 
3.2.3 移动互联网业务应用 74 
3.3 本章小结 76 
本章参考文献 76 
第4章 卫星互联网创新与融合 77 
4.1 卫星互联网发展现状 77 
4.1.1 卫星互联网发展必要性 77 
4.1.2 国外卫星互联网发展现状 78 
4.1.3 国内卫星互联网发展现状 81 
4.2 卫星互联网与5G/6G的融合 84 
4.2.1 卫星互联网与5G的融合关系 84 
4.2.2 卫星互联网与5G融合的优势 84 
4.2.3 卫星互联网与5G融合的研究现状 85 
4.2.4 卫星互联网与6G融合的展望 86 
4.3 卫星互联网与云计算的融合 88 
4.3.1 卫星互联网与云计算的融合关系 88 
4.3.2 卫星互联网与云计算融合的优势 88 
4.3.3 卫星互联网与云计算融合的研究现状 89 
4.4 卫星互联网与人工智能的融合 90 
4.4.1 卫星互联网与人工智能的融合关系 90 
4.4.2 卫星互联网与人工智能融合的优势 92 
4.4.3 卫星互联网与人工智能融合的研究现状 93 
4.5 卫星互联网与区块链的融合 95 
4.5.1 卫星互联网与区块链的融合关系 95 
4.5.2 卫星互联网与区块链融合的优势 95 
4.5.3 卫星互联网与区块链融合的研究现状 96 
4.6 卫星互联网与量子计算的融合 97 
4.6.1 卫星互联网与量子计算的融合关系 97 
4.6.2 卫星互联网与量子计算融合的优势 97 
4.6.3 卫星互联网与量子计算融合的研究现状 98 
4.7 卫星互联网与无人机的融合 99 
4.7.1 卫星互联网与无人机的融合关系 100 
4.7.2 卫星互联网与无人机融合的优势 100 
4.7.3 卫星互联网与无人机融合的研究现状 101 
4.8 本章小结 102 
本章参考文献 102 
第2篇 规划篇 
第5章 卫星互联网规划 106 
5.1 卫星互联网星间组网 106 
5.1.1 单层星间组网 106 
5.1.2 多层星间组网 107 
5.2 卫星互联网星间链路 110 
5.2.1 微波链路 111 
5.2.2 激光链路 112 
5.3 卫星互联网星地连接 113 
5.4 卫星互联网架构 114 
5.4.1 总体架构 114 
5.4.2 组网方式 116 
5.4.3 星间链路 117 
5.4.4 星间通信 118 
5.5 卫星互联网资源管控 120 
5.5.1 卫星互联网资源管理 120 
5.5.2 卫星互联网资源调度 120 
5.6 本章小结 122 
本章参考文献 122 
第6章 卫星互联网协议 125 
6.1 地面网络协议 125 
6.2 空间网络协议 128 
6.2.1 CCSDS协议 129 
6.2.2 SCPS协议 131 
6.2.3 CFDP 133 
6.2.4 DTN协议 133 
6.3 本章小结 135 
本章参考文献 135 
第7章 卫星互联网技术要求 137 
7.1 硬件要求 137 
7.1.1 天基卫星网络硬件要求 137 
7.1.2 地基互联网硬件要求 139 
7.2 网络能力要求 141 
7.2.1 天基卫星网络能力要求 141 
7.2.2 地基互联网网络能力要求 141 
7.3 计算能力要求 144 
7.3.1 天基计算能力要求 144 
7.3.2 地基计算能力要求 145 
7.3.3 边缘计算能力要求 146 
7.4 存储能力要求 147 
7.4.1 天基存储能力要求 147 
7.4.2 地基存储能力要求 148 
7.4.3 边缘存储能力要求 149 
7.5 安全能力总体要求 151 
7.5.1 物理安全要求 152 
7.5.2 网络安全要求 152 
7.5.3 通信安全要求 153 
7.5.4 数据安全要求 154 
7.5.5 边缘安全要求 154 
7.6 资源调度与管理能力要求 155 
7.7 本章小结 156 
本章参考文献 156 
第3篇 技术篇 
第8章 卫星互联网空间技术体系 158 
8.1 火箭发射技术 158 
8.1.1 弹道技术 159 
8.1.2 定位定姿技术 160 
8.1.3 制导技术 161 
8.1.4 姿态控制技术 163 
8.1.5 运载技术 165 
8.1.6 火箭发射技术应用 166 
8.2 卫星制造技术 168 
8.2.1 卫星通用平台系统技术 168 
8.2.2 有效载荷系统技术 170 
8.3 卫星互联网接入技术 170 
8.3.1 同步类随机多址接入 171 
8.3.2 异步类随机多址接入 173 
8.3.3 卫星互联网接入技术发展方向 176 
8.4 卫星互联网空间组网技术 176 
8.4.1 分布式空间系统组网技术 177 
8.4.2 空间组网形式 184 
8.4.3 星间链路技术 185 
8.5 卫星应用技术 188 
8.5.1 卫星通信技术 188 
8.5.2 卫星导航技术 198 
8.5.3 卫星遥感技术 200 
8.5.4 无人机技术 205 
8.6 本章小结 208 
本章参考文献 208 
第9章 卫星互联网地面技术体系 212 
9.1 卫星互联网地面系统构成 212 
9.1.1 信关站系统 214 
9.1.2 用户终端系统 217 
9.1.3 网络运控系统 218 
9.2 卫星互联网地面传输技术 218 
9.2.1 5G 218 
9.2.2 高速光互联网通信技术 221 
9.3 卫星互联网地面组网技术 224 
9.3.1 超密集组网技术 224 
9.3.2 SDN/NFV组网技术 226 
9.4 卫星互联网地面计算技术 229 
9.4.1 云计算技术 229 
9.4.2 量子计算技术 229 
9.5 卫星互联网地面存储技术 231 
9.6 本章小结 235 
本章参考文献 235 
第10章 卫星互联网边缘计算技术体系 237 
10.1 卫星互联网边缘计算核心技术 237 
10.1.1 边缘计算 238 
10.1.2 移动边缘计算 239 
10.1.3 微云边缘计算 240 
10.1.4 雾计算 241 
10.1.5 海计算 242 
10.1.6 认知计算 246 
10.1.7 霾计算 247 
10.2 卫星互联网边缘计算体系架构与技术 248 
10.2.1 宽带网络边缘计算体系架构 248 
10.2.2 卫星互联网边缘计算体系架构 249 
10.3 卫星互联网边缘存储技术 252 
10.3.1 边缘存储的层次结构 252 
10.3.2 边缘存储的特点和优势 253 
10.4 本章小结 255 
本章参考文献 255 
第11章 卫星互联网安全技术体系 256 
11.1 卫星互联网安全挑战 256 
11.1.1 卫星节点暴露且信道开放 256 
11.1.2 异构网络互联且网络拓扑高度动态变化 257 
11.1.3 时延方差大且具有间歇链路 257 
11.1.4 卫星节点处理能力受限 257 
11.2 卫星互联网安全防护技术 258 
11.2.1 物理安全技术 258 
11.2.2 运行安全技术 259 
11.2.3 数据安全技术 261 
11.3 卫星互联网安全防护方案 262 
11.3.1 卫星互联网安全体系架构 262 
11.3.2 卫星互联网天基安全防护方案 264 
11.3.3 卫星互联网地基安全防护方案 267 
11.3.4 卫星互联网边缘安全防护方案 280 
11.4 本章小结 284 
本章参考文献 284 
第4篇 产业篇 
第12章 卫星互联网产业链 286 
12.1 产业发展现状及趋势 286 
12.2 卫星互联网产业链 289 
12.2.1 上游产业 289 
12.2.2 中游产业 290 
12.2.3 下游产业 293 
12.2.4 产业链重点企业 293 
12.3 本章小结 294 
本章参考文献 294 
第13章 卫星互联网产业模式 296 
13.1 卫星互联网投资模式 296 
13.1.1 美国商业航天投资模式 297 
13.1.2 中国商业航天投资模式 298 
13.1.3 世界卫星经营公司的产业发展模式 299 
13.2 卫星互联网建设模式 299 
13.3 卫星互联网运营模式 300 
13.4 卫星互联网盈利模式 300 
13.5 本章小结 302