加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院与高通研究所的工程师提出了一种更高效、可扩展的卫星通信流量处理方案：通过重新设计地面站，使其与现有在轨卫星协同工作，从而显著提升整体吞吐量。

“当前限制卫星连接扩展的关键瓶颈不在太空，而在地面，”加州大学圣地亚哥分校电气与计算机工程系副教授、加州大学圣地亚哥分校高通研究所成员、论文资深作者 Dinesh Bharadia 指出。“卫星传下来的每一比特数据最终都要通过地面站送达用户，但地面基础设施的建设速度远远落后于卫星数量的增长。”

研究团队提出，不再依赖目前广泛使用的大型抛物面天线，而是采用多个小型、扁平的天线面板。这些面板可以分布安装在屋顶等不同位置，并通过协同工作完成数据接收。这种方式有望成为传统地面站硬件的低成本、易部署替代方案。

“这项研究让行业可以快速、经济地扩展地面站规模，甚至可以通过众包方式部署，”Bharadia 说。“任何屋顶业主或企业都能安装我们的系统，把卫星数据回传到互联网。”

加州大学圣地亚哥分校电气与计算机工程博士生、论文第一作者 Rohith Reddy Vennam 补充说：“单个面板本身功率有限，无法维持与卫星的高速链路。但如果把足够多这种笔记本电脑大小的小阵列组合起来，整体数据速率就能达到甚至超过大型抛物面天线。同时，这套系统成本极具优势，使用的是现成面板，且便于部署在屋顶或其他易达位置。”

相关成果将于 5 月 18 日至 22 日在日本东京举行的 IEEE 国际计算机通信会议（IEEE INFOCOM）上发布。

超越传统抛物面天线

卫星通信已经成为现代社会诸多关键功能的基础，包括电信、导航、安全金融交易、偏远地区互联网接入，以及在紧急情况下支持急救人员通信和远程医疗等。

“卫星数量正在快速增加，”Vennam 说。“仅 SpaceX 就已经在轨部署了数千颗卫星，OneWeb 和亚马逊也即将发射自己的星座。随着制造和发射成本下降，越来越多公司利用卫星开展宽带、卫星直连移动终端、物联网、地球成像等多种应用。然而，地面站基础设施的扩展速度远远跟不上，这将成为下一阶段的主要瓶颈。”

目前的地面站大多依赖大型抛物面天线。这类天线功率强、增益高，但一次只能跟踪一颗卫星，而且必须通过机械转动来追踪快速移动的低轨卫星。机械转向本身速度有限，每次从一颗卫星切换到另一颗卫星时都会损失宝贵的连接时间，使其在面对不断增长的卫星数量时显得笨重而缺乏灵活性。此外，建设和维护地面站所需的场地成本也非常高。

加州大学圣地亚哥分校的研究人员认为，可以用新的架构来突破这些限制。

分布式部署的阵列面板

团队首先考虑的是相控阵列——这是一种由大量小单元组成的扁平天线，可以通过电子方式改变波束方向，无需机械旋转。

但如果要构建一个足够大的相控阵来替代传统地面站，其成本和复杂度都会非常高。为此，研究人员转而采用多个较小的面板，并让它们协同工作。

在设计过程中，团队注意到一个现实约束：当面板数量增加到一定程度后，系统增益会逐渐趋于饱和，继续增加硬件带来的收益远小于成本和复杂度的上升。最终，他们选择在性能和可部署性之间做出折中：不是使用理论上需要的 45 个面板来完全匹配大型抛物面天线，而是采用 16 个面板，在略微牺牲部分信号强度的前提下，仍然接近抛物面天线的性能，同时大幅提升系统的实际可行性。

在这一点上，系统已经具备实用价值，但研究人员仍希望进一步提升整体容量。接下来的突破来自对无线电波物理特性的重新利用。

通过接受轻微的信号强度损失，团队换来了更重要的能力：在卫星与地面之间同时建立多条并行数据通道，使总传输数据量远超单一高功率链路。

这一技术的基础在于无线电波的传播特性。

“在与卫星的视距链路中，如果接收面板彼此距离太近，它们接收到的信号几乎完全相同，就无法区分多条数据流，”Vennam 解释说。“但当面板之间的间距拉大后，每个面板接收到的信号会出现细微差异。如果间距足够大，大约在一公里量级，就会出现物理学家所说的近场效应：每个面板看到的信号版本足够不同，从而可以在卫星尺度的距离上同时接收多条数据流。”

“有趣的是，近场效应通常被认为只与短距离系统相关，”他继续说。“这项工作表明，只要合理控制地面面板的间距，即便是数百公里外的卫星链路，也可以有意设计并利用近场效应。”

基于这一洞见，团队发现，在合适条件下，系统最多可以支持四条同时传输的信息流，其总吞吐量约为传统单一抛物面天线的三倍。

“一个重要点在于，可支持的数据流数量并不是随机的，”Vennam 进一步说明。“通过在地面和卫星上合理布置阵列，并选择合适的工作频率，可以精确控制多条数据流可能出现的位置以及数量。”

研究人员随后在地面环境中对他们称为 ArrayLink（专利申请中）的系统进行了测试，实验结果与理论预测高度吻合。

未来方向

论文第一作者 Vennam 与合著者 Ish Kumar Jain（加州大学圣地亚哥分校雅各布工程学院博士校友，现任伦斯勒理工学院教员）将于 IEEE INFOCOM 会议上展示这项研究。

在此前的会议交流中，他们与卫星行业从业者讨论后发现，行业最看重的是：任何新型地面站技术都必须具备成本优势，并且易于扩展。

“ArrayLink 的一个亮点是可以直接用市售阵列实现，”Vennam 说。“不需要定制硬件。”

Jain 指出，ArrayLink 还可以与现有 5G 系统兼容。

“与其在少数地点部署专用、庞大而笨重的设备，我们的方法可以直接把阵列安装在现有 5G 基站上，用来接收卫星数据，”他说。“5G 基站在地面连接方面已经具备卫星地面站所需的全部条件，而且站点租赁问题也已经解决。这一下子规避了很多传统难题。”

研究团队目前正继续优化 ArrayLink，并计划很快开展与卫星的实际链路测试。

除 Vennam、Jain 和 Bharadia 外，论文《卫星比你想象的更近：一种用于地面站的近场 MIMO 方法》的作者还包括加州大学圣地亚哥分校电气与计算机工程硕士生 Luke Wilson。