|1.2 发展历程|

1.2.1 卫星通信网

1.国外卫星通信网络

（1）早期探索和实验

卫星通信的概念最早可追溯到英国空军雷达军官阿瑟·C·克拉克于1945年10月在《无线世界》杂志上发表的《地球以外的中继站》，首次论述了利用人造地球卫星作为中继站实现远距离微波通信的可行性，提出了著名的基于3颗地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit,GEO）卫星实现全球通信覆盖的设想。

1958年美国国家航空航天局（NASA）发射了“斯科尔（SCORE）”广播试验卫星，进行了磁带录音的传输。1963年，美国发射了第一颗GEO通信卫星Syncom-3号，成功向美国提供了1964年东京奥运会电视实况转播，标志着卫星通信的早期实验工作基本完成，奠定了未来商业化发展的技术基础。

（2）模拟卫星通信

1965年，国际通信卫星组织（International Telecommunications Satellite Organization,INTELSAT）将Intelsat-1卫星送入静止轨道，开通了欧美大陆间国际商业通信业务，标志着采用模拟通信技术的第一代卫星通信进入大规模应用阶段。1976年，由3颗GEO卫星构成的MARISAT系统成为第一个提供海事卫星移动通信服务的卫星系统。随后，1979年成立了国际海事卫星组织（International Maritime Satellite Organization, INMARSAT）,1982年海事卫星INMARSAT-A开始提供移动电话服务。

（3）数字卫星通信

20世纪80年代，数字传输技术开始大规模应用在卫星通信中。面向固定卫星业务（Fixed Satellite Service,FSS）甚小口径无线终端（Very Small Aperture Terminal, VSAT）的出现，为卫星通信专网发展提供了条件，开拓了卫星通信应用的新局面。1989年发射的Intelsat VI系列卫星采用数字调制技术、Ku频段可控点波束设计，总容量达到了36000个话路，并首次采用了星载交换时分多址（SS-TDMA）技术，强化了波束间的交链能力。1992年发射的国际通信卫星VII号，采用了可变点波束技术，其4个业务波束可根据地面指令进行指向调整，全球波束和点波束实现了频率的二重复用，同时运用空间波束隔离和极化隔离技术保障干扰在可控范围。

同期，基于数字通信技术的移动卫星业务（Mobile Satellite Service, MSS）能力得到了拓展。1993年，Inmarsat-C卫星成为第一个陆地卫星移动数据通信系统。1996年，Inmarsat-3卫星开始支持便携型电话终端。

（4）第一次低轨卫星通信热潮：窄带星座组网

20世纪90年代，由多颗低地球轨道（Low Earth Orbit,LEO）卫星构成的通信星座迎来了第一个发展的高潮。针对当时第一代地面模拟移动通信系统标准林立、难以实现国际漫游、信号质量差的缺点，Motorola（摩托罗拉）公司于1990年6月宣布提供全球移动通信服务的铱星计划，其星座示意图如图1-1所示。

铱星系统由运行在780km的6个轨道面上的66颗卫星构成，采用近极轨道构型，轨道倾角86.4°。每颗铱星采用48个L频段波束实现对地覆盖，技术体制上参考了GSM，并采用了Ka频段星间链路和星上处理技术实现天基组网。铱星系统在全球设立12个信关站实现业务落地，系统网络控制中心位于美国华盛顿州。但在地面移动通信迅猛发展的态势下，Motorola公司没有及时调整系统的定位和运营策略，加上系统初期话务质量难以令人满意、用户使用成本高等因素影响，铱星公司于2000年3月正式宣布破产。然而，商业上的失败不能掩盖其技术上的成功，经过重组后，铱星依靠军事、政府等大客户采购扭转了经营局面，并在近期顺利完成了其二代铱星Next系统的升级改造。升级改造后的铱星Next星座仍然采用了一代星座构型，卫星上搭载了L频段数字相控阵天线，对地形成48个波束、蜂窝状的覆盖区，覆盖区直径约为4700km，采用时分双工（Time-Division Duplex,TDD）。用户语音业务速率可达到2.4kbit/s，手持型终端数据业务速率可达到64kbit/s，其载体型终端Iridium Port终端速率最高可达到1.5Mbit/s。

与此同时，美国劳拉和高通公司建设了全球星（Global-Star）系统。全球星系统由位于轨道高度1414km、8个轨道面内的48颗卫星构成，采用倾角52°的倾斜圆轨道星座构型。全球星系统每颗卫星采用透明转发器方案，利用16个L/S频段点波束形成对地覆盖，在体制上采用扩频技术，参考了 IS-95标准。全球星系统同样经历了经营困境，于2004年4月破产重组后运营至今。

（5）高通量卫星通信

进入2000年，高通量卫星（High Throughput Satellite,HTS）成为卫星通信发展的热点。HTS是指使用相同带宽的频率资源，而数据吞吐量是传统卫星固定通信数十倍甚至数百倍的通信卫星。目前主流的GEO-HTS通过采用Ku、Ka等高频段传输，密集多点波束，大口径星载天线等技术，通信容量可达数百Gbit/s乃至Tbit/s量级，每比特成本大幅降低，逐渐逼近地面网络，显著地提升了卫星通信的竞争力。2004年，世界首颗HTS Thaicom 4 （IPSTAR 1）发射入轨道，提供87个Ku转发器以及10个Ka转发器，设计容量约为45Gbit/s。2011年10月发射的ViaSat-1是全球首颗总吞吐量超过100Gbit/s的Ka频段宽带通信卫星，采用72个Ka频段点波束覆盖美国和加拿大地区，总容量达到140Gbit/s。2017年2月发射的ViaSat-2卫星（如图1-2（a）所示），总容量提升至300Gbit/s。ViaSat-3卫星预计在2022年完成部署，共计划发射3颗GEO卫星，每颗卫星预计可提供1Tbit/s容量。2015年7月，欧洲航天局与欧洲通信卫星（Eutelsat）公司签署合同，共同研制“Eutelsat-Quantum （量子）”卫星（如图1-2（b）所示），拟形成由3颗GEO卫星构成的通信网络。“量子”卫星作为全球首颗采用软件定义载荷的卫星，更强调服务的灵活性，可实现覆盖区域、频段、带宽和功率的在轨重新配置。

（6）第二次低轨卫星热潮：宽带星座组网（卫星互联网）

GEO-HTS虽然在带宽成本上有了显著改善，但GEO-HTS传输时延大，不能服务高纬度地区和极地。2019年，全球互联网渗透率超过了50%，但增长已经乏力，进入了平台期。为了争夺剩下一半人口的互联网市场，自2007年开始，随着 O3b等计划的提出，中低轨卫星星座迎来了新一轮发展高潮。

O3b系统目标是让全球缺乏上网条件的“另外30亿人”能够通过卫星接入互联网。O3b的初始星座包括12颗卫星（其中3颗作为备份），于2014年12月底发射完毕。卫星运行在轨道高度8062km的赤道面中地球轨道（Medium Earth Orbit,MEO）上，传输端到端时延约为150ms。卫星采用Ka频段，提供10个用户波束和2个馈电波束，波束指向随着卫星运动可调整，用户在多个卫星/波束中切换。单个用户波束传输速率可达到1.6Gbit/s、系统总设计容量达到84Gbit/s。O3b的卫星采用透明转发器，无星间链路，业务交换在地面信关站进行。2017年11月，O3b公司向美国联邦通信委员会（FCC）提出申请新增了30颗MEO卫星，将运行在两种轨道上。其中，20颗卫星运行于赤道轨道，被称为 O3bN，采用 Ka和 V频段。O3bN星座中8颗卫星已获批，并已有4颗卫星于2018年3月发射，这4颗卫星运行频率与初始星座的12颗卫星相同。O3bI的10颗卫星运行于倾斜轨道，即高度8062km、倾斜角度为70°的两个圆形轨道面上，用于支持纬度更高地区的用户。除8颗已获批的卫星O3bN以外，剩余12颗O3bN和10颗O3bI卫星属于第二代O3b卫星星座，采用了更先进的卫星平台技术，采用全电推进，搭载数字信道化器，有灵活的波束成形能力，单星容量相较一代提升10倍。

2017年6月，美国FCC批准了卫星互联网创业公司“一网（OneWeb）”提出的星座计划。OneWeb规划了三代星座。第一代星座于2018年启动部署，采用近极轨道构型，共发射882颗（648颗在轨，234颗备份）LEO卫星，轨道高度1200km，分布在18个圆轨道面上，每个轨道面49颗卫星，倾角87.9°。OneWeb采用简单的透明转发器和固定波束天线，每颗卫星提供16个 Ku 频段用户波束，单星容量约8Gbit/s，整个系统容量达到7Tbit/s，无星间链路和星上处理，业务就近落地到地面信关站进行处理。OneWeb 较好地融合了卫星通信和地面移动通信的研究成果，在用户下行链路采用数字视频广播（Digital Video Broadcasting,DVB）-S2波形，而在上行采用了类似LTE的DFT-S-OFDM波形。OneWeb第一代星座计划为0.36m口径天线终端提供50Mbit/s 的互联网接入服务。OneWeb 第二代星座原计划于2021年启动，将直接向使用轻便小型天线的农村家庭提供高达2.5Gbit/s 的超高速宽带服务，整个系统容量提升至120Tbit/s。第三代星座计划于2023年启动，目标是到2025年为全球超过10亿用户提供宽带服务，整个系统容量达到1000Tbit/s。由于融资受挫、竞争加剧等一系列原因，2020年3月，OneWeb公司在发射第三批（1箭34星）后宣布了破产保护。

“星链（Starlink）计划”是由SpaceX公司于2015年提出的下一代卫星互联网，是一个多个轨道高度混合、近极轨道和倾斜轨道混合的星座系统。Starlink计划建设分三步走：首先发射1600颗卫星完成初步的全球覆盖，其中前800颗卫星满足美国及北美洲的天基高速互联网需求；接着用2825颗卫星完成全球组网，Starlink计划前两步的卫星采用Ku和Ka频段；最后用7518颗采用Q/V频段的卫星组成甚低地球轨道（Very Low Earth Orbit,VLEO）星座。Starlink卫星采用了有源相控阵天线、数字处理转发、氪工质全电推进等关键技术，后期将进一步支持星间链和空间组网。1.0版本的Starlink卫星上下行均可提供8个用户点波束，单星设计容量超过20Gbit/s。SpaceX宣称Starlink 星座的定位为地面网络的补充者而非竞争者，主要为全球几乎无法获取网络连接的人群提供快速、可靠的互联网服务，包括农村地区及现有网络服务过于昂贵或不可靠的地区，服务人群规模为全球人口的3%～5%（2.3亿～3.8亿）。国外主要低轨道星座系统的卫星如图1-3所示。

加拿大“Telesat”公司提出的星座计划包含117颗卫星，分布在两组轨道面上：第一组轨道面为近极轨道，由6个轨道面组成，轨道倾角99.5°，高度1000km，每个平面12颗卫星；第二组轨道面为倾斜轨道，由不少于5个轨道面组成，轨道倾角37.4°，高度1200km，每个平面10颗卫星。Telesat卫星搭载数字直接辐射阵列（Direct Radiating Array, DRA）和数字通信处理载荷，具有调制、解调和路由功能。DRA在上/下行均能实现16个波束，具有波束成形（Beam-Forming）和波束调形（Beam-Shaping）功能，其波束功率、带宽、大小和指向可动态调整，具有很强的灵活性。Telesat卫星搭载激光星间链，倾斜轨道和近极轨道星座内和星座间均可组网。采用“近极+倾斜”混合构型轨道的Telesat星座示意图如图1-4所示。

2019年4月，美国亚马逊公司（Amazon）首次向国际电信联盟提交柯伊伯（Kuiper）低轨星座部署申请，旨在为当前无法接入基本宽带互联网的用户提供服务，包括向农村和难以到达的地区提供固定宽带通信服务以及为飞机、船舶和地面车辆提供高通量移动宽带服务。Kuiper计划在3个轨道高度一共部署3236颗Ka频段NGSO卫星，服务赤道南北纬56°之间的区域。其星座建设分为5个阶段，在578颗卫星部署完成之后开始商业运营，实现39°N～56°N和39°S～56°S区域范围内的全时服务。Kuiper星座的用户链路采用多波束相控阵列天线，可通过软件定义指令进行控制，实现基于用户需求和业务类型的灵活频率与容量分配，但其卫星暂不支持星上处理。亚马逊将“地面站即服务”纳入亚马逊Web服务（Amazon Web Services, AWS），推出托管地面站（AWS Ground Station）服务。作为全球首例全托管的地面站服务，AWS Ground Station集成天线、地面调制解调等地面站设备，支持卫星运营商获取卫星数据、监控卫星运行状态及通过软件控制卫星的运行。卫星数据将传输到AWS服务器，用户可直接使用AWS的其他云服务对数据进行处理分析，包括数据存储、数据处理等PaaS及天气预测、自然灾害图像分析等SaaS。卫星运营商无须耗费大量成本建设地面站及服务器、数据存储设施，可按照自身需要使用AWS Ground Station，按使用时间付费即可。

2.国内卫星通信网络

1958年5月17日毛泽东主席提出“我们也要搞人造卫星”。中国科学院制订了一个分三步走的发展规划：第一步，实现卫星上天；第二步，研制回收型卫星；第三步，发射静止轨道通信卫星。

1970年4月24日，我国成功发射了“东方红1号”卫星，卫星重约173kg，外形为直径1m的类球形多面体，运行在近地点441km、远地点2368km的轨道上，进行了《东方红》乐曲广播等实验，为我国后继卫星设计和研制奠定了坚实的基础。为了纪念这一时刻，2016年，我国正式将4月24日定为“中国航天日”。

1975年3月31日，毛泽东主席批准了国家计划委员会（2003年改组为国家发展和改革委员会）等8个部委联合起草的《关于发展我国通信卫星问题的报告》，我国卫星通信工程由此正式启动，工程代号为331。该工程包含通信卫星、地球站、火箭、测控系统及发射场五大系统。

1984年4月，我国成功发射了第一颗静止轨道试验通信卫星“东方红2号”，配置4个C波段转发器，可转发电视、广播、数据、传真等模拟和数字通信信号，揭开了我国自主卫星通信的序幕。1984年4月17日，北京、石家庄、乌鲁木齐、昆明和南京等地球站通过卫星成功地进行了电视、电话和广播节目等传输试验，标志着中国成为世界上第五个能够独立研制、发射静止通信卫星并完成通信任务的国家。在此基础上，我国又进一步研制了四颗“东方红2号甲”卫星，这是我国首批实用的同步轨道通信卫星。该系列第一颗卫星于1988年3月7日发射，不久相继发射了第二、第三颗卫星，分别位于东经87.5°、110.5°、98°。第四颗卫星由于火箭第三级故障未能进入预定轨道。

1986年我国启动了第二代自主通信卫星“东方红3号”研制工作，1997年成功发射了采用东方红3B平台的“中星6号”卫星。该卫星具有24个C波段转发器，采用了当时许多先进技术。该卫星的成功投入使用，使我国卫星通信实现了跨越式发展，并带动了中继卫星的发展。以此为依托，我国形成了型谱化的卫星平台，此后发射的“中星22号”“鑫诺三号”“嫦娥一号”、北斗导航卫星等也都采用了“东方红3号”卫星平台。

进入21世纪，我国卫星通信发展进入了快车道。2008年6月，我国发射了第一颗直播卫星——“中星9号”卫星，作为一颗大功率、高可靠、长寿命的广播电视直播卫星，服务于“村村通”工程，可为西部边远地区免费传输47套免费的标清数字电视节目。2016年8月，我国发射了第一颗自主移动通信卫星——“天通1号”，采用S频段、109个波束覆盖我国内陆及沿海区域，支持语音、短信和中低速数据业务。2017年4月，我国发射了首颗高通量通信卫星——“中星16号”，通信总容量达到20Gbit/s，超过了之前我国研制的所有通信卫星容量的总和。其通过26个用户Ka频段点波束和3个馈电波束，能够覆盖我国除西北、东北的大部分陆地和近海约300km海域。2020年7月9日，我国发射了“亚太6D通信卫星”，采用Ku/Ka频段进行传输，共90个用户波束，单波束容量可达到1Gbit/s，通信总容量达到50Gbit/s，可以为用户提供高质量的语音、数据通信服务。亚太6D通信卫星如图1-5所示。

在国际上低轨通信卫星星座井喷式发展的背景下，我国相关企业相继提出了一系列低轨通信星座发展计划。中国航天科技集团公司建设的“鸿雁星座”由324颗卫星构成，2018年12月完成首颗实验星发射。中国航天科工集团有限公司建设的“虹云工程”计划发射156颗卫星，于2018年2月完成首颗实验星发射。银河航天计划在2023年前完成144颗卫星星座建设，其首颗低轨试验卫星于2020年1月搭载发射。除了宽带星座之外，航天科工、九天微星、国电高科和时空道宇等公司纷纷提出了物联网星座系统发展计划。

1.2.2 地面互联网

互联网的历史可追溯到20世纪60年代，美国国防部高等研究计划署创建了ARPANET，实现了多个计算机节点之间的连接。到1971年年底，ARPANET的规模达到了15个节点。1974年，TCP/IP被提出。其提供了点对点链接的机制，将封装、定址、传输、路由和接收加以标准化，是互联网的基础协议。基于TCP/IP，试验人员于1975年实现了美国斯坦福大学和英国伦敦大学两个网络间的通信；1977年完成了美国、英国、挪威3个网络间的测试。最为大众熟知的IPv4于1981年9月发布（IETF的RFC791文件）。IPv4是一种无连接的协议，使用32位地址进行路由寻址。1986年，美国国家科学基金会（NSF）基于 TCP/IP 技术，创建了骨干网络NSFNET。

自 NSFNET 建立后，越来越多的局域网接入 NSFNET,1986—1991年，并入的子网从100个增加到3000余个。1990年3月，NSF在康奈尔大学和欧洲核子研究组织（CERN）之间架设了T1高速连接，并接入了NSFNET。然而，彼时的互联网还仅局限于研究机构间。1995年4月，美国政府机构停止对NSFNET的管理，转由私营企业经营，NSFNET骨干网逐步由若干商用骨干网替代，因特网服务提供者（Internet Service Provider,ISP）逐渐涌现。1998年6月，美国政府发布白皮书，并于10月成立非营利性组织——互联网名称与数字地址分配机构（The Internet Corporation for Assigned Names and Numbers,ICANN），负责互联网的技术管理，全球性质的互联网正式形成并迅速规模化部署。

随着互联网规模的迅速扩大，IPv4有限的网络地址资源问题日益凸显，新一代互联网协议的部署迫在眉睫。1995年12月，IETF发布了RFC1883，定义了IPv6，后于1998年12月发布RFC2460对其进行了更新。IPv6采用了新的分组格式，最小化路由器需要处理的分组头信息，并支持128位的地址，编码地址空间较 IPv4有了很大的提升。但由于早期路由器、防火墙等系统均采用IPv4,IPv6的替换过程相对缓慢，技术上长时间存在双栈形态。2003年1月，IETF发布了IPv6测试性网络“6bone”，用于测试IPv4网络向IPv6网络迁移的可行性，起初采用IPv6-overIPv4隧道过渡技术，并逐步扩展为纯IPv6连接。2012年6月6日，全球IPv6网络正式启动，Google、Yahoo等网站支持IPv6访问。

随着 IPv6的规模化部署，下一代网络技术的研究在不断推进。2009年，斯坦福大学的科学家提出了软件定义网络（SDN）的概念，通过将控制平面和转发平面分离，网络设备可集中式软件管理及可编程，进而降低了网络运营费用，加快了新业务引入的速度，同时简化了网络的部署。2018年7月，ITU成立网络2030焦点组（Focus Group on Network 2030,FG-NET-2030），旨在探索面向2030年及以后的网络技术发展。2020年年初，华为等向ITU提出“New IP”提案，能够更好地支持VR/AR、全息通信、IoT 网络、卫星网络及新兴网络应用，从根本上支持网络层长度可变、多语义地址以及用户定制网络。

1.2.3 地面移动通信网

自20世纪70年代，贝尔实验室提出蜂窝概念、频率复用和小区分裂等技术以来，地面移动通信从1G演进到了5G，服务能力有了质的飞跃。

1G 蜂窝移动通信系统采用模拟信号频率调制、频分双工（FDD）和频分多址（FDMA），基于电路交换技术，主要提供低速语音业务服务。1G 典型系统如1983年美国推出的高级移动电话系统（Advanced Mobile Phone System,AMPS）、1985年英国开发的全接入通信系统（Total Access Communications System, TACS）。由于各国在开发1G 时只考虑了本国当时可用的频率资源，彼此的频率并不相同，标准也不统一。

为了提升频谱效率以及实现用户漫游，20世纪90年代欧美相继推出了基于数字传输技术的2G移动通信技术，可提供语音、短信和低速数据传输服务。1982年，欧洲邮电行政会议成立了“移动专家组”，并于1990年完成了采用时分多址（TDMA）第一版全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications,GSM）标准制定。同一时期，美国借鉴军事通信技术，由高通公司于1993年提出了基于码分多址（CDMA）的IS-95标准。此后，为了进一步提升数据业务能力，又发展了2.5G的移动通信系统，如GPRS、EDGE和IS-95B，最高速率超过384kbit/s。

3G移动通信技术较2G具有更高的传输速率，并开始支持图片、视频、音乐等多媒体业务，体制上则均采用了扩频传输技术。1998年，日本、欧洲等采用 GSM标准的国家和地区联合成立3GPP组织，制定了WCDMA 标准。1999年，美国联合韩国，成立了3GPP2组织，制订 CDMA-2000标准。同期，我国独立发展了TD-SCDMA标准。3G在网络结构上开始引入承载和控制分离的理念，将用户的实际业务数据和用于管理的信令等数据分开，网元设备功能开始细化，最高下行传输速率可达到14.4Mbit/s（HSDPA）。

2005年10月的ITU-R WP8F第17次会议上给出了4G蜂窝移动通信系统技术第一个正式名称——IMT-Advanced。2012年，正式确定了4G 两大标准，分别为LTE-Advanced和IEEE 802.16m，我国提出的TD-LTE-Advanced成为国际标准。4G采用了正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）、多输入多输出（Multiple Input Multiple Output,MIMO）、基于分组交换的无线接口以及载波聚合等关键技术，R10的最高下行速率可达到1Gbit/s。

5G移动通信技术是目前最新一代的移动通信系统，以更高的数据速率、更低的时延、节省能源、降低成本、提高系统容量和支持大规模设备连接为主要发展目标。5G三大场景包括增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband,eMBB）、大连接物联网（massive Machine Type of Communication,mMTC）、低时延高可靠通信（Ultra-Reliable & Low-Latency Communications,URLLC）。3GPP于2017年12月完成了5G非独立（Non-Stand Alone,NSA）组网标准，以支持在现有4G核心网的基础上开展5G业务。2018年6月，3GPP全会（TSG#80）批准了5G R15独立（Stand Alone,SA）组网标准，标志着5G完成了第一阶段全功能标准化的工作。5G在网络架构上通过SDN（Software Defined Network）实现数据面和控制面的分离；利用NFV（Network Functions Virtualization）实现软件和硬件的解耦。在无线传输技术上，5G 采用了大规模 MIMO（Massive MIMO）、Polar 编码、非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple-Access,NOMA）、毫米波通信等关键技术，使传输速率进一步提升至数十Gbit/s。在5G标准化过程中，3GPP在非地面网络（Non-Terrestrial Network,NTN）的部署场景中提出了星地融合的4种网络架构初步模型，包括使用透明转发器以及星上部署基站的方案，将5G延伸到了卫星通信领域。

2019年3月，在IEEE的发起下，全球第一届6G无线峰会在芬兰召开，标志着下一代移动通信的竞争已经启动。预计2030年前后实现商用的6G网络的流量密度和连接密度较5G将提升10～1000倍，支持用户移动速度将大于1000km/h，峰值速率可达到Tbit/s量级，时延进一步下降至0.1ms量级。为了实现上述指标，卫星通信将承担更重要的角色、实现天空地海一体化立体覆盖已成为普遍的共识。2018年7月ITU成立了Network 2030焦点组，将卫星接入作为未来网络的一个重要特征。我国科学技术部于2019年启动的6G专项研究将卫星作为未来网络的重要组成部分，天地融合已成为大势所趋。

1.2.4 天地融合网络

卫星通信业界对天地融合的探索已接近20年。早在21世纪初，为了适应“网络中心战”的要求，美国提出了转型通信体系结构（Transformational Communications Architecture,TCA），拟提供一个受保护的安全通信系统，将天空地海网络整合在一起。TCA的空间段称为转型通信卫星（TSAT），由5颗静止轨道卫星构成。TSAT计划采用星载激光通信、IP路由、大口径天线等一系列先进技术，形成空间高速数据骨干网，从空基和天基情报、侦察和监视信息源头获取数据，实现大容量的信息共享，从而将美国全球信息网格（Global Information Grid,GIG）延伸到缺乏地面基础设施的区域。出于技术、经费等一系列因素的考虑，TSAT计划于2009年搁置。2005年，欧洲成立了一个名为ISI（Integral Satcom Initiative）的技术联盟组，提出了ISICOM（Integrated Space Infrastructure for Global Communication）构想。ISICOM在设计方面不仅瞄准与未来全球通信网络尤其是未来互联网的融合，而且将通过对Galileo 导航系统和 GMES 全球环境安全监测系统提供补充来实现增值服务。ISICOM的空间段以3颗地球静止轨道卫星或地球同步轨道（GEO/GSO）卫星为核心，结合中轨/低轨（MEO/LEO）卫星、高空平台（HAP）、无人机（UAV）等多种节点，通过采用多重及可重配置轨道系统设计、空间激光通信技术、多频段射频接入、对地虚拟波束成形等一系列关键技术，完成天地一体化信息网络构建。与此同时，美国SkyTerra卫星引入了辅助地面组件（Ancillary Terrestrial Component, ATC）概念来解决卫星在城市及室内覆盖不佳的问题，通过共用频率资源和相似的空中接口波形设计，实现天地资源对用户的协同服务。

地面移动通信网络从5G阶段开始探索卫星和地面融合的技术途径。2017年6月，欧洲16家企业及研究机构联合成立了SaT5G（Satellite and Terrestrial Network for 5G）组织，旨在研究与地面5G融合技术，开发具有高经济效益的“即插即用”5G卫星通信解决方案，并推进相关内容的国际标准化工作，使电信运营商和服务提供商能够加速所有区域的5G部署，同时为卫星通信及相关行业创造新的和不断增长的机会。

SaT5G组织的研究内容包括在卫星5G网络中实施NFV和SDN技术、卫星/5G多链路和异构传输技术、融合卫星/5G网络的控制面与数据面、卫星/5G网络一体化的管理和运维以及5G安全技术在卫星通信中的扩展。以5G的eMBB使用场景为重点，SaT5G组织选择了以下4种eMBB卫星用例作为工作重点：

•多媒体内容和多址接入边缘计算/虚拟网络功能（MEC/VNF）软件的边缘分发与分流，通过多播和缓存来优化5G网络基础设施运行和配置；

•5G固定回传，特别是为难以或无法部署地面通信的地区提供5G服务；

•5G到户，通过地面−卫星混合宽带连接为欠服务地区的家庭/办公场所提供5G服务；

•5G移动平台回传，为移动平台（如飞机、舰船和火车）提供5G服务。

依托SaT5G组织项目研究成果，其成员在3GPP中推动了多项卫星5G融合的标准化工作，其中包括TR38.811、TR22.822等重要报告。3GPP组织从R14阶段开始研究卫星与5G 融合的问题，并在后继 R15、R16研究中进一步深化。TS22.261规范给出了卫星5G 基础功能和性能需求，然后在 TR38.811研究了非地面网络（Non-Terrestrial Network,NTN）信道模型以及对新空口（New Radio,NR）设计的影响，提出了 NTN 部署场景及相关的系统参数，研究了多个可能传输频段上信道模型以及移动性管理问题。TR38.821重点分析了NTN对5G物理层设计的影响，提出了MAC、RLC和RRC层的可选改进方案。

R17作为5G标准的第三阶段，除了对R15、R16特定技术进一步增强外，将基于现有架构与功能从技术层面持续演进，全面支持物联网应用。在2019年12月3GPP公布了 R17阶段的23个标准立项，其中5G 非地面网络 NR 由法国公司泰雷兹（Thales）牵头，而NB-IoT与eMTC的非地面网络由中国联发科公司（MediaTek）和欧洲通信卫星公司（Eutelsat）共同牵头。在R17阶段，3GPP将继续对非地面网络的5G NR增强的标准工作进行研究，以卫星与高空平台和5G的融合探索高精度定位、覆盖增强、多播广播等方向。根据3GPP的时间表，R17 RAN1的工作已经启动，其中“NR over NTN”持续到2021年第一季度，“NB-IoT over NTN（基于非地面网络的窄带物联网）”于2021年年初启动。

表1-1给出了3GPP在TR38.811中定义的5种5G非地面网络典型部署场景，涵盖了GEO卫星、Non-GEO卫星等多种形式的卫星。传输频率考虑了S、Ka等频段，传输带宽可达到800MHz，考虑采用频分双工（FDD）模式，支持固定以及可移动点波束等多种卫星载荷形式，主要支撑室外条件下的 eMBB（场景）。3GPP定义的 NTN 终端包括手持终端等小型终端和甚小口径天线终端（Very Small Aperture Terminal,VSAT）。其中手持终端由窄带或宽带卫星提供接入服务，频率一般在6GHz以下，下行速率为1～2Mbit/s（窄带）。VSAT一般作为中继节点搭载于船舶、列车、飞机等移动平台，由宽带卫星提供接入服务，频率一般在6GHz以上，下行速率约为50Mbit/s。NTN架构中的5G网元映射见表1-2，根据表1-2，在星地功能分割上，3GPP 只考虑了星上搭载完整基站 gNB 或者只有射频拉远头（Remote Radio Head,RRH）两种形式。图1-6和图1-7为3GPP提出的采用透明转发器与再生处理载荷的卫星5G网络架构。