1 引言
按照卫星运行的轨道高度，卫星通信系统可分为高、中、低轨道三种类型。其中，低轨道（LEO）卫星由于相对较低的时延、路径损耗以及开发成本，对卫星通信行业非常有吸引力
[1]。
随着太空空间探索的逐步深入，国内外纷纷在卫星通信领域展开部署。国外方面，2013年，O3b开始运用星座部署卫星通信系统，正式拉开了全球卫星互联网发展的序幕。随后，全球范围内兴起了研究部署低轨道卫星星座的热潮，美国SpaceX、英国OneWeb、加拿大Telesat等企业相继启动Starlink、OneWeb、Telesat星座计划。目前，Starlink已经支持WiFi信号与卫星信号的相互转换，用户可以通过WiFi路由器接入互联网。OneWeb卫星采用“天星地网”组网方式，通过全球分布的地面基站实现整个系统的全球服务
[2]。国内方面，近年来我国颁发了多项国家层面政策鼓励卫星通信发展，包括国务院印发的《国家创新驱动发展战略纲要》、全国人大表决通过的《中华人民共和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》等。工业和信息化部发布的《“十四五”信息通信行业发展规划》将卫星通信作为重点发展方向之一进行部署，明确要加强卫星通信顶层设计和统筹布局，推动高轨卫星与中低轨卫星协调发展，推进卫星通信系统与地面信息通信系统深度融合，并鼓励卫星通信应用创新。目前我国已启动“鸿雁”“虹云”等星座计划。
卫星通信凭借网络覆盖范围广、通信距离远、灵活性强、通信性能好等优点，被广泛应用于应急通信等通信技术中，并日渐成为推动通信网络发展的重要引擎之一。为深入了解卫星通信领域的研究发展现状，本文基于科技论文，综合分析研究现状和研究前沿，挖掘技术领域部署的前沿方向，以期为该领域的未来发展提供决策参考。
2 数据来源及分析方法
本文文献来源于Science Citation Index Expanded（SCI-E）、Essential Science Indicators（ESI）数据库。研究态势分析方面，基于卫星通信领域的关键技术要素（
表1），在SCI-E数据库中制定检索式，时间跨度限定在2013－2022年，检索时间为2023年1月17日。研究前沿方面，在ESI数据库的12 432个研究前沿中，以
表1中的关键技术要素作为关键词检索并筛选相关研究前沿方向，检索时间为2023年1月11日。
本文运用的数据清洗与分析工具主要有Derwent Data Analyzer（DDA）和Gephi。首先借助DDA进行数据清洗并构建关键词共现矩阵，随后应用Gephi软件，运用OpenOrd大规模图布局算法对共现网络进行聚类，绘制可视化共现图谱。Gephi借助度、模块（聚类）等指标来分类，模块化根据图的连接关系对节点归类，类型相同的节点用相同颜色表示，可用于聚类分析。文中所使用的计量指标包括：
（1）篇均被引频次：SCI论文总被引频次除以SCI论文篇数。
（2）H指数：发表的论文中至多有h篇分别被引用了至少h次。
（3）ESI高被引论文占比：ESI高被引论文是指按照同一年同一个ESI学科发表论文的被引用次数由高到低进行排序，排在世界前1%的论文。ESI高被引论文占比为ESI高被引论文数量与发文量的比值。
（4）核心论文：来自于ESI数据库的高被引论文。
（5）研究前沿：由一组高被引的核心论文和一组共同引用核心论文的施引文献组成。
（6）年篇均被引频次
[3]：研究前沿的平均引文影响力和施引文献发生年数的比值，即
$年篇均被引频次=\frac{核心论文的总被引频次}{核心论文数×施引文献所发生的年数}$
（7）介数中心性（betweeness centrality，CB）：节点对网络的控制能力指标，其公式为
$C_B(i)=\frac{\sum_{j=1, k=1\ j \neq k \neq i}^N N_{j k}(i)}{N_{j k}}$
其中
Njk(
i)，表示节点
i通过节点
j和
k之间的最短路径数量，
Njk则是节点
j和
k之间的最短路径条数
[4]。
3 卫星通信领域研究态势分析
3.1 活跃度分析
检索获得2013－2022年卫星通信领域SCI论文5 706篇，其发文趋势如
图1所示。2013－2016年期间，SCI发文量稳步增长，自2017年起，发文量呈快速增长趋势，年均增长率达19.57%。
3.2 地域布局分析
2013－2022年卫星通信领域的SCI发文地域分布情况如
表2所示。从发文量来看，排名前10的国家主要聚集在欧美地区和亚洲，TOP 10国家发文量占全球发文总量的八成，其中，中国位居榜首，占比高达37.33%，遥遥领先于其他国家，位列第二、第三的分别是美国和印度。从发文质量来看，篇均被引频次指标位居前三的国家依次为加拿大、英国和美国，均高于21.9；中国、美国、英国和加拿大的H指数均大于40；ESI高被引论文占比排名前三的国家分别是加拿大、日本和英国。综合对比篇均被引频次、H指数、ESI高被引论文占比三项指标，发现加拿大和英国虽然发文量不大，但发文质量较高；美国则发文量和引用情况均排名靠前；而中国虽然发文量大，但篇均被引频次、ESI高被引论文占比两项指标排名靠后，发文质量亟需进一步提高。
3.3 研究热点分析
对全球近五年（2018－2022年）发表的4 002篇卫星通信SCI论文关键词进行聚类分析，挖掘目前卫星通信领域的技术布局。观察
图2可以看出全球学术成果主要围绕以下技术展开研究：（1）低轨道卫星等卫星系统及其在卫星广播、5G、无线通信、物联网、卫星-无人机-地面融合通信网络中的应用；（2）卫星导航，包括全球卫星导航系统（GNSS）、全球卫星定位系统（GPS）；（3）天线类，研究内容包含卫星天线、天线阵列、多路输入多路输出（MIMO）、天线测量、宽带天线等；（4）毫米波卫星通信、用于卫星通信的波束成形技术、机器学习在卫星通信中的应用以及Ka/Ku频段卫星通信；（5）大气干扰影响下的信号误码率、加密技术与量子密钥分发。
图3是中国近五年发表的1 660篇卫星通信SCI论文的关键词聚类图谱。分析发现中国的研究成果主要涵盖以下方向：（1）低轨道卫星等卫星系统及其在卫星广播、5G、无线通信、物联网中的应用；（2）卫星通信系统，包括中继设备、接收器等；（3）天线类，研究内容包含天线阵列、卫星天线、MIMO、宽带天线等；（4）全球卫星导航系统。
对比分析全球与中国近五年的研究热点发现，我国在卫星-无人机-地面融合通信网络、全球卫星定位系统、卫星通信用波束成形技术、机器学习在卫星通信中的应用、Ka/Ku频段卫星通信、加密技术等方面的研究相对欠缺。
4 卫星通信研究前沿分析
在ESI数据库中共检索、筛选出5个卫星通信相关的研究前沿，涵盖空天地一体化通信网络及其应用、波束成形优化设计、多波束卫星工业物联网、低轨道卫星通信面临的挑战等方向，具体如
表3所示。
4.1 创新主体合作网络
以
表3中5个研究前沿的核心论文及其施引文献为数据集，分析创新主体的合作网络。分析
图4发现，国内研究机构与国外机构已有一定的合作基础。
表4列出了介数中心性排名前20的创新主体，分析可知主要为高校。其中，卢森堡大学、电子科技大学、西安电子科技大学、东南大学、北京邮电大学、清华大学、哈尔滨工业大学等机构拥有相对较高的介数中心性，表明他们在合作关系网络中占据流通的关键位置。
凝聚子群分析主要用于研究网络图谱中各个团簇的内部成员
[5]。如
表5所示，卫星通信领域共有10个成分，同一成分内部成员间关系紧密。分析
表5可知，该领域主要为高校间合作，仅包含鹏城实验室、华为、中国科学院、中国空间技术研究院、欧洲太空总署5家非高校机构。可见该领域的产学研合作相对欠缺。
4.2 研究前沿解读
4.2.1 6G空天地一体化网络中的星地协同架构
空天地一体化网络是以地基网络为基础，天基网络和空基网络为补充和延伸，为广域空间范围内的各种网络应用提供协同、高效信息保障的基础设施
[6]。卫星通信网络的加入，尤其是6G与机器学习算法的结合，使得真正的空天地一体化网络成为可能。针对6G空域环境对服务异常动态和延迟非常敏感，而传统联邦学习收敛速度慢的问题，该前沿方向提出了6G环境下基于空天地一体化网络的多层次星地协同架构，该架构由轨道边缘计算节点、异构数据节点和地面远程云中心三部分组成，并在传统联邦聚合算法的基础上构建出适合该架构的卫星非同步自适应联邦学习聚合算法（AFLS）。此外，还结合轨道边缘计算和地面远程云中心的优势，针对空域网络中飞行器实现分布式机器学习和动态加入联邦学习的问题提出了解决方案
[2]。
4.2.2 星地融合网络的波束成形设计和优化
星地融合网络通常使用全频率复用技术来缓解频谱资源短缺，但这会带来严重的网络间干扰问题
[7]，同时卫星通信的广播特性决定了其信息极易被窃听
[8]。而近几年的研究表明，采用多天线波束成形技术可降低同频干扰并提高信息传输的安全性能。该前沿方向提出了用于星地融合网络、空天一体化网络的波束成形优化设计方案，包括基于折射智能超表面（RIS）、速率分拆多址接入（RSMA）、非正交多址（NOMA）等技术。研究内容涵盖：（1）针对卫星和基站优化的波束成形权重向量与RIS移相器存在耦合问题，提出了一种新颖的交替优化方案，其中奇异值分解（SVD）和上行链路-下行链路对偶性用于优化波束成形权重向量，泰勒展开和惩罚函数方法用于优化移相器，能够迭代、高效地获得解决方案
[9]；（2）设计了基于RSMA的波束成形方案，联合应用凸逼近法、泰勒展开法和迭代惩罚函数法，将非凸目标和约束转化为凸目标，从而可以迭代计算波束成形权重向量
[10,11]；（3）研究了基于下行链路NOMA的波束成形和功率分配联合优化设计，提出基于迭代惩罚函数快速收敛算法的波束成形方案，以获得波束成形权重向量和功率系数，提高了迭代算法的计算效率
[12]；（4）提出的波束成形方案是为了降低私有信号波束模式区域中可能存在的窃听信道，首先使用离散方法将涉及非完美通道的约束转化为易于处理的约束，然后，引导人工噪声和协同干扰波束形成器到专用信号波束模式区域以抑制拦截
[13]。
4.2.3 用于6G广域物联网、海上通信的卫星-无人机-地面一体化通信网络
6G广域物联网方面，在5G和即将到来的6G网络中，对拥有大量设备的广域物联网的需求持续增长。因此，支持新兴地面和卫星网络的大规模接入至关重要。但物联网设备通常稀疏且不均匀地分布在广阔区域，而且频谱稀缺问题凸显，卫星-无人机网络的机会频谱共享需要全局优化来解决广域耦合干扰问题。为此，该方向研究了由一颗卫星和一群无人机组成的面向广域物联网的认知卫星-无人机网络，针对无人机飞行全过程的多域资源配置问题，提出了面向过程的优化框架；同时为了提高网络效率，在优化框架下提出数据传输效率最大化问题，采用松弛法联合分配频域子信道、发射功率和悬停时间，建立频谱高效的无蜂窝认知卫星-无人机网络，支持地面蜂窝网络以外物联网设备的大规模接入。此外，还在无人机机载能量约束和无人机群对卫星用户的干扰温度约束下，提出了迭代多域资源配置算法，以在保证用户公平性的前提下提高网络效率
[14]。
海上通信方面，随着海洋活动的不断发展，对高速、超可靠海上通信的需求急剧增加。但由于当前5G蜂窝网络主要用于地面场景，加之海上通信基础设施部署困难，现有海上通信网络（MCN）的性能远远落后于5G。目前已有岸上地面基站、海洋卫星、高空空中平台用作通信基础设施的研究报道，大大提高了卫星通信的性能，但仍存在覆盖漏洞、传输时延、资源利用等问题。该方向提出空天地一体化海上通信网络
[15]，使用无人机作为灵活的空中平台，让无人机成为海洋卫星和地面基站的补充，填补常规岸上地面基站和海洋卫星无法覆盖的海上网络盲区，实现所需海域网络覆盖；同时研究了无人机与现有海上通信网络的集成、卫星-无人机-地面一体化网络架构及其用于5G信号海上覆盖的潜在收益。无人机集成到现有海上通信网络存在的新挑战可以概括为以下三方面：（1）复杂的海上环境可能影响无人机的实时部署；（2）混合网络架构需要协调资源配置和干扰，尤其需要协调无人机与现有岸上地面基站/卫星之间的相互干扰问题；（3）动态传播环境和传输时延导致信道状态信息有限，将给系统优化带来新的挑战
[16]。未来的海上通信网络应在复杂多变的海洋环境中提高传输效率，克服不同覆盖方式的不足以扩大网络覆盖范围，发展针对特定业务的传输和覆盖技术，以满足海洋用户独特的业务需求。
4.2.4 采用NOMA的多波束卫星工业物联网以及保证其服务质量的资源配置方法
传统地面工业物联网应用于森林、海洋和偏远地区的工业生产时，由于全球80%以上的土地和95%的海洋未被地面网络覆盖，会出现服务能力与服务质量不匹配的问题。而卫星通信系统可以为地处偏远地区的地面终端提供接入服务，甚至可以实现全球范围内的万物互联
[17]。通过将卫星系统集成到工业物联网中，卫星工业物联网可以实现广域覆盖、远距离传输和偏远地区信息采集，这将在海洋开发、地质勘探等没有地面通信网络支持的工业生产中发挥重要作用。该前沿方向提出了Ka频段多波束卫星工业物联网，为位于偏远地区的节点提供频谱接入，实现广域范围的互连。每个卫星波束采用NOMA，以提高有限频谱资源下工业物联网的传输速率。同时提出了保证卫星工业物联网服务质量的波束和节点功率优化方案，包括所需的传输速率和传输时延等。星地一体化工业物联网被提议利用地面蜂窝网络来补充受阻区域的卫星覆盖范围，可以通过选择传输成本较低的接入网，实现全天候、全区域的无缝频谱接入
[18]。
4.2.5 低轨道卫星通信面临的关键技术挑战
低轨道卫星具有距离近、传输时延小、链路损耗低、发射灵活、应用场景丰富、制造和发射成本低等优势，非常适合卫星通信应用的发展，但目前在覆盖范围、网络之间的干扰协调、资源管理等方面
[1,19]仍存在挑战。未来，卫星通信将面临卫星群协作、分层空中网络、空间物联网、飞行基站、先进卫星资源编制、卫星网络自动化、通过光卫星通信进行量子密钥分发、机器学习应用和卫星系统的数字孪生技术等具有挑战性的研究课题，研究内容主要包括：通过卫星群中卫星节点之间的星间链路来实现卫星群节点的同步、通信和高空平台/无人机飞行的联合设计、网络建模、网络拥塞控制、运用多颗卫星为终端提供服务、通过星间链路为数据包选择适当的路径、功率预算分析、设计网络切片算法、在线网络切片管理背景下的图形动态处理、考虑卫星特性与卫星地面网络的兼容性、以量子密钥分发场景为重点的光卫星通信、混合卫星-地面场景的载波/功率自适应分配、自适应波束成形以提升需求不一的多波束卫星性能、调度和预编码以减轻多波束卫星中的干扰，以及新兴区块链与数字孪生技术融合以保障个人的隐私并防止信息滥用等
[20]。
5 结论与建议
5.1 结论
从科学研究的维度分析了卫星通信领域的发展现状及研究前沿，具体呈现以下特征：（1）2017年起，卫星通信领域SCI发文量呈快速增长态势；（2）加拿大、英国、美国的发文质量处于全球领先水平，而中国在该领域的研究热度较高，发文量远超其他各国，但发文质量亟待提升；（3）近五年的研究重点围绕低轨道卫星、卫星广播、5G、物联网、空天地一体化通信网络、卫星导航、毫米波/Ka/Ku频段卫星通信、卫星通信用波束成形技术、机器学习在卫星通信中的应用、卫星天线等方向展开；（4）挖掘出以东南大学、清华大学、北京邮电大学、电子科技大学等创新机构为中心的10个子群成分；（5）从ESI数据库筛选出的5个卫星通信领域研究前沿涵盖空天地一体化通信网络及其应用、波束成形优化设计、Ka频段多波束卫星工业物联网、低轨道卫星通信面临的关键技术挑战等方向。
5.2 建议
（1）锻长板补短板，强化关键核心技术。
鉴于我国在低轨道卫星及其应用、卫星通信系统、天线类和全球卫星导航系统方向拥有扎实的研究基础，我国应以此为契机，重点围绕低轨道卫星、卫星广播、5G、物联网、中继设备、接收器、卫星天线、MIMO、宽带天线等研究热点，组织开展关键核心技术攻关，巩固并强化现有技术优势，提升我国在该领域的核心竞争力和国际影响力。
同时针对我国当前技术部署的薄弱环节，如空天地一体化通信网络、卫星通信用波束成形技术、机器学习应用、Ka/Ku频段卫星通信、加密技术等方面，加快谋划布局新一轮重点领域研发计划，尤其是加大一体化通信网络、波束成形优化设计、机器学习应用等技术薄弱领域的支持力度，补齐技术“短板”，促进卫星通信领域技术均衡发展。
（2）洞察科技前沿，前瞻布局卫星通信领域。
瞄准空天地一体化通信网络及其在6G广域物联网、海上应急通信领域应用、星地融合网络的波束成形优化设计、采用NOMA的多波束卫星工业物联网，以及卫星系统的数字孪生技术等研究前沿和引领技术创新方向，开展创新性科学研究的前瞻布局，抢占未来卫星通信发展制高点。同时加速推动前沿引领技术，创新突破颠覆性技术，致力攻克制约卫星通信产业发展的前沿技术和“卡脖子”技术，打通卫星通信产业链堵点，着力打造前沿科学策源地，争夺卫星通信行业前沿技术话
语权。
（3）构建雁阵格局，提升卫星通信领域的核心竞争力。
针对我国卫星通信领域发文质量亟待提高的现状，建议通过加强培育科技领军机构和创新团队、壮大一批优势科研院校和龙头企业，加快形成机构及人才发展的“雁阵格局”等措施，提升领域的核心竞争力。基于清华大学、电子科技大学、鹏城实验室、华为等高水平研究型大学、重点实验室、科技龙头企业在卫星通信领域的枢纽地位，鼓励其充分发挥在机构梯次培育中的“头雁作用”，带领行业技术创新；瞄准卫星通信领域的技术薄弱环节，绘制“全球科技人才地图”，摸清人才结构及需求，并以卢森堡大学、曼彻斯特城市大学、卡尔顿大学、庆熙大学等已存在合作关系的国外机构的创新团队为基础，靶向招引一批“鸿雁人才”，为领域创新突破发展注入新动能；鼓励高校和职校以领域发展和龙头企业的人才需求为导向，开设相应专业，培养紧缺人才，培育一批“雏雁人才”。
☆国家社会科学基金青年项目“多链交互的新时期产业技术情报服务方法体系研究”(21CTQ021)
PDF
(8743KB)
