空天地一體化通信網絡發(fā)展愿景與挑戰(zhàn)

摘要

從未來6G網絡的愿景出發(fā)，首先討論了空天地一體化的網絡愿景，提出了一體化的網絡架構。在分析了衛(wèi)星通信息和空基通信系統(tǒng)的特點后，給出了未來空天地一體化通信網絡的應用場景。然后從網絡結構、通信設施與設備及空口技術等3個方面詳細闡述了當前一體化網絡的發(fā)展現狀與技術挑戰(zhàn)。最后總結了當前地面通信運營商在空天地一體化網絡中的嘗試，提出非地面網絡具有明顯的覆蓋優(yōu)勢和長距離通信的低時延網絡服務優(yōu)勢，可以幫助運營商提供低成本的普遍服務及擴展現有的通信服務，實現收入增長。

0 引言

2019年3月，芬蘭奧盧大學邀請70位來自各國的頂尖通信專家召開了全球首屆6G峰會，共同起草世界上第一份6G白皮書，闡明6G發(fā)展的基本方向。2019年11月3日，我國科技部會同發(fā)展改革委、教育部、工信部、中科院、自然科學基金委在北京組織召開6G技術研發(fā)工作啟動會，成立國家6G技術研發(fā)推進工作組和總體專家組，標志著我國6G技術研發(fā)工作正式啟動[1]。

全球首份6G白皮書《6G無線智能世界的關鍵驅動和研究挑戰(zhàn)》[2]，初步回答了6G的技術特點和挑戰(zhàn)。認為未來6G的愿景是具備泛在、無線、智能等特點，能夠提供無縫覆蓋的泛在無線連接和情景感知的智能服務與應用。6G將會突破地面網絡限制，實現地面、衛(wèi)星、機載網絡和海洋通信網絡的無縫覆蓋，即空天地一體化的通信網絡。

1 空天地一體化通信網絡愿景

自1898年馬可尼第一次發(fā)射無線電信號起，空基、天基、地基、海基無線電通信也在持續(xù)地演進，但是各通信系統(tǒng)采用不同的技術體制和網絡結構、系統(tǒng)間獨立封閉，信息交互能力差，發(fā)展程度不平衡。天基方面，高軌衛(wèi)星與低軌星座相互獨立，彼此之間無法通信；海上多采用海事衛(wèi)星、短波/超短波等通信手段；航空方面一開始僅有前艙的制式通信，直到近年來才通過利用高軌衛(wèi)星，逐步在后艙開展了有限的公眾娛樂通信業(yè)務。

未來的空天地一體化網絡關注的是融合，典型的一體化網絡由三部分組成：由各種軌道衛(wèi)星構成的天基網絡，由飛行器構成的空基網絡，以及傳統(tǒng)的地基網絡，其中地基網絡又包括蜂窩無線網絡、衛(wèi)星地面站和移動衛(wèi)星終端以及地面的數據與處理中心等[3]。網絡的整體結構如圖1所示，可以發(fā)現該網絡具有如下特點。

a)不同軌道的衛(wèi)星系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃。

b)臨近空間和民航飛機等航空器構成空基網絡，可以與衛(wèi)星和地面通信系統(tǒng)通信。

c)非地面系統(tǒng)與地面網絡深度融合，采用統(tǒng)一的空口技術和核心網架構，并與MEC和網絡切片結合，減少高空通信時延。

d)多層次覆蓋，提供多重業(yè)務類型。

2 空天地一體化通信網絡的應用前景

空天地一體化通信網絡將多元的通信平臺設施結合起來，可以提供更加廣闊和多樣化的無線通信業(yè)務。

2.1 衛(wèi)星通信特點分析

根據軌位、高度不同，衛(wèi)星通信系統(tǒng)分為高軌同步衛(wèi)星、中軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星3種。以下是高軌同步衛(wèi)星、中軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的通信能力與成本的比較

從表1可以看到，軌道越高，單星的覆蓋能力越大，單星成本越高，時延越大。而隨著軌道高度的下降，單顆衛(wèi)星的能力下降，單星成本下降，但是由于需要多顆衛(wèi)星形成星座，因此星座系統(tǒng)的成本急劇上升。圖2是OneWeb系統(tǒng)與5G系統(tǒng)的各項指標對比，其中容量成本和覆蓋成本采用歸一化的比較方法。

從圖2可以看出，與5G相比，衛(wèi)星網絡具有以下特點。

a)衛(wèi)星通信的時延較高，端到端時延可能達到幾十至百ms級別。

b)單用戶和單星峰值速率均小于地面5G網絡，容量成本遠大于5G。

c)受限于不同的技術體制和較大的傳輸鏈路損耗，衛(wèi)星系統(tǒng)無法與蜂窩終端直接通信，而衛(wèi)星終端的成本與能耗也相對較高。

d)衛(wèi)星的覆蓋不受地形限制，覆蓋成本低。

e)衛(wèi)星具有天然的廣播性，可以在很大的地理范圍內向大量終端廣播數據，節(jié)省傳輸帶寬并且各終端之間收到廣播信息的時延差很小。

2.2 空基通信系統(tǒng)特點分析

根據通信載體位于空間的高度，空基網絡包含臨近空間的高空通信平臺（HAPS——high Altitude Platform Station）/高空基站（HIBS——HAPS IMT BS）、民航客機和泛在低空無人機等類型，圖3為空基通信網絡結構示意圖。其中HAPS的高度最高，可達到20~30 km，覆蓋范圍最廣，可以達到50 km的覆蓋半徑。相比衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面移動網絡，空基網絡具有以下特點。

a)相比衛(wèi)星通信網絡，空基網絡傳輸鏈路大大縮短，能夠與地面終端直接通信。

b)與地面蜂窩通信網絡相比，空基網絡覆蓋不受地形限制，覆蓋成本小。

c)HAPS/HIBS目前受限于浮空器，通信載荷受限，供電困難，容量成本高。

d)民航客機的通信載荷大，規(guī)律巡航，時間成本可控，但不能提供實時業(yè)務。

e)低空無人機可作為基站或終端。

2.3 空天地一體化通信網絡的應用場景

根據上述分析，可以得出如下結論。

a)覆蓋方面：高通量衛(wèi)星、中低軌衛(wèi)星星座及HAPS/HIBS等非地面網絡具有較低的覆蓋成本，且對地面的覆蓋不受地形限制。

b)容量方面：中、低軌衛(wèi)星星座具有龐大數量的衛(wèi)星，而HAPS/HIBS的載荷受限，因此中低軌衛(wèi)星具有更大的容量能力。

c)與地面通信方面：衛(wèi)星通信空—地鏈路傳輸損耗大，因此衛(wèi)星無法與地面移動終端直接通信；衛(wèi)星終端復雜度高、成本高、能耗大、體積大，無法在廣覆蓋中有效地實現低能耗、低成本的部署；衛(wèi)星在大范圍內的時延同步性較好，在廣覆蓋范圍內的時延差別很小。HAPS可以搭載IMT基站，且空—地鏈路傳輸損耗小，可以與地面IMT終端直接通信；也可以搭載任意的固定微波設備，與地面關口站或CPE通信；因此，空基網絡可作為地面網絡的有效延伸，快速低成本的實現廣覆蓋；并且可作為面向衛(wèi)星的匯聚節(jié)點。

因此，借助非地面網絡的特點，空天地一體化通信網絡可以突破地形限制，為公眾和行業(yè)提供真正無縫泛在的高速業(yè)務體驗。

(1)公眾服務。

（a）普遍服務。長期以來，我國政府高度重視農村地區(qū)脫貧致富和可持續(xù)發(fā)展，將電信普遍服務作為打贏脫貧攻堅戰(zhàn)、實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、建設網絡強國的重大舉措之一全力推進。自2015年底實施電信普遍服務試點以來，國內三大電信運營商已累計投入400多億元實施電信普遍服務，支持13萬個行政村通光纖和4G建設，其中包含4.3萬個貧困村[4]。但是普遍服務的代價是高成本、低收入，利用非地面網絡有助于實現低成本的普遍服務。

（b）應急救災。應急救災是非地面通信網絡最為常用的場景，目前三大運營商都具有大量的衛(wèi)星應急通信車。近幾年來隨著無人機的發(fā)展，無人機基站在災后應急通信中發(fā)揮了重要作用 [5]。而在未來的空天地一體化通信網絡中，低軌衛(wèi)星和HAPS/HIBS的覆蓋范圍更大，并且有望成為不受地面災害限制的、“一直在線”的網絡，從而能夠更快地恢復通信。

（c）大型交通工具上的通信服務。隨著移動通信系統(tǒng)應用的全面普及，人們越來越離不開手機這一便捷的通信工具，它具有良好的話音質量、快速接通、隨時接入等特點，使得人們時時刻刻都依賴著它。而民航客機和游輪遠離地面基站的覆蓋范圍，目前大都采用衛(wèi)星通信+wifi的方式實現通信。但受限于當前高軌衛(wèi)星的通信能力，這種方式的時延和速率都遠不能達到用戶的需求。并且存在wifi安全性較差、不能無感知接入以及無法接收短信驗證碼等問題，使得用戶無法獲得滿意的業(yè)務體驗。基于邊緣計算將非地面網絡和小基站相結合，可以為民航后艙和游輪旅客提供低時延、多樣化的綜合通信業(yè)務，如視頻點播、游戲對戰(zhàn)等。

(2)行業(yè)服務。

（a）全球化低時延網絡服務。在普通的eMBB體驗中，用戶對低時延沒有太大的感覺，但是在金融業(yè)和網絡游戲對戰(zhàn)中，全球化的低時延服務至關重要?，F有的高軌衛(wèi)星通常會有幾百ms的時延，但在未來的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，長距離的通信時延有可能甚至會低于地面光纖。倫敦大學學院的 Mark Handley 教授對starlink低軌衛(wèi)星星座的長距離通信時延進行了模擬分析[6]，“倫敦—紐約”線路采用starlink衛(wèi)星比地面光纖快了15 ms（51 ms VS 76 ms），“倫敦—約翰內斯堡（南非）”快了100 ms（90 ms VS 190 ms），而這十幾一百ms的通信時延領先將會為金融從業(yè)者帶來豐厚利潤。此外，由于衛(wèi)星和HAPS的覆蓋范圍大，在單設備覆蓋范圍內的時延差相同，因此非地面網絡也適用于對于差分時延敏感的業(yè)務。

（b）光纖不可達地區(qū)的生產管控。如海上鉆井平臺、遠洋貨船、邊緣地區(qū)的礦區(qū)等光纖不可達的地區(qū)，生產企業(yè)具有生產管控的需求，運營商可以通過空天地一體化通信網絡為生產企業(yè)提供整體的網絡解決方案。

（c）運營商境外業(yè)務拓展。當前我國很多跨國生產企業(yè)在境外都有生產基地，并有管控境外生產基地的需求，將境外生產基地的必要數據回傳到國內集團統(tǒng)一管理。地面運營商可以借助空天地一體化通信網絡為跨國企業(yè)提供低延遲的境外數據通信業(yè)務以及集團化的網絡解決方案。此外，我國地面運營商“走出去”也成為增加收入的手段，在境外地面移動蜂窩通信業(yè)務擴展初期，可以采用非地面網絡快速完成廣覆蓋網絡部署和業(yè)務發(fā)展。

3 空天地一體化通信網絡發(fā)展現狀與技術挑戰(zhàn)

3.1 網絡結構

空天地一體化網絡涉及多個通信系統(tǒng)，包括：

a)天基通信系統(tǒng)，主要有高軌衛(wèi)星、中低軌衛(wèi)星星座。

b)空基通信系統(tǒng)，有HAPS/HIBS、民航客機、低空無人機等飛行器通信平臺。

c)非地面網絡地面段，主要有衛(wèi)星地面信關站、衛(wèi)星終端、HAPS信關站等。

d)地面蜂窩移動通信系統(tǒng)，計算與處理節(jié)點，如地面網關、數據中心、邊緣計算節(jié)點等。

與傳統(tǒng)的通信網絡相比，空天地一體化網絡中的部分接入節(jié)點具有很強的移動性，如低軌衛(wèi)星的過頂時間只有幾到幾十min，因此需要低時延、高效率、健壯的網絡結構和靈活的功能節(jié)點部署方案以應對接入節(jié)點的頻繁切換。同時由于多個通信系統(tǒng)的運營者不同，因此需要設計安全、可靠、高效的網絡接口，以實現網絡的深度、安全融合。

3.2 通信設施與設備

普遍認為當前的地面移動蜂窩通信網絡領先于衛(wèi)星通信技術，因此在未來空天地一體化通信網絡的實現中最為關鍵的是非地面網絡等通信設施的發(fā)展。

3.2.1 通信設施發(fā)展現狀

3.2.1.1 衛(wèi)星

衛(wèi)星近年來最主要的發(fā)展趨勢是高通量和低軌衛(wèi)星星座。

高通量衛(wèi)星（HTS——High Traffic Satellite）是指使用相同帶寬的頻率資源，而數據吞吐量是傳統(tǒng)通信衛(wèi)星數倍甚至數十倍的通信衛(wèi)星，實現通信容量達數百Gbps甚至Tbps量級[7]。根據歐洲咨詢公司于2017年6月發(fā)布的《高通量衛(wèi)星：垂直市場分析與預測》[8]，全球30家衛(wèi)星運營商在高通量衛(wèi)星系統(tǒng)方面的總承諾投資額已達到近190億美元。2017—2025年預計將有大約100次GEO-HTS發(fā)射，平均每年發(fā)射11次，并將至少發(fā)射1個LEO-HTS星座。我國的中星16號衛(wèi)星和發(fā)射失敗的中星18號衛(wèi)星均是GEO-HTS，其中中星16號衛(wèi)星總容量為20Gbps，可為單用戶提供150Mbps的通信速率，單用戶速率已經達到一個Release 8 20MHz載波LTE基站的吞吐量能力。國際上高通量衛(wèi)星單星最大可提供超過4000個波束，總容量300Gbps+的能力，未來容量可提升至1T bps（ViaSat-3）[9]。

10年來，星座內衛(wèi)星數量大幅增加。2000年和2010年，銥星和全球星的相繼隕落，低軌衛(wèi)星星座計劃被地面蜂窩移動通信打敗。但是，近年來小衛(wèi)星技術長足發(fā)展，百公斤級及以下的小衛(wèi)星訂單顯著增多。新生代批量化入軌的全球互聯網小衛(wèi)星星座，如Starlink、OneWeb等規(guī)劃了上千顆甚至上萬顆衛(wèi)星。表2為主要的中低軌衛(wèi)星星座計劃。我國也相繼發(fā)布了“虹云”、“鴻雁”等低軌衛(wèi)星星座計劃[10]。

3.2.1.2 HAPS/HIBS

HAPS是將無線基站安放在長時間停留在高空的飛行器上來提供電信業(yè)務，覆蓋范圍廣，在20 km的高空，覆蓋范圍半徑最大可達約500 km。為了推動HAPS 技術的研究與發(fā)展，ITU在1997 年便啟動了HAPS 相關頻率的研究與劃分工作。在ITU研究中，共有2種HAPS應用場景。

a)HAPS平臺通過固定鏈路與地面網關、家庭網關、CPE等進行通信，從而向各個服務地區(qū)提供大容量的寬帶業(yè)務。

b)HAPS平臺通過移動鏈路與地面的海量移動終端通信，提供移動無線接入。

軟銀提出采用高空基站（HIBS）實現低成本的普遍服務和物聯網服務，軟銀旗下企業(yè)HAPSMobile將與Alphabet子公司Loon共同開發(fā)這個項目。目前HAPS、HIBS的應用主要受限于高空飛行器的成熟度，高空平臺設備的供電能力和載荷能力尚不足以在平流層長時間提供通信服務。至今相對成功的項目主要是Google的Project Loon，最長可在空中漂浮100多天時間。目前該項目已完成在新西蘭、巴西、美國加州等地的部署測試。2017年9月，美國聯邦通信委員會給Project Loon頒發(fā)了一張有效期為2017年10月6日—2018年4月4日的臨時許可證，允許30個谷歌熱氣球在波多黎各和美屬維爾京群島升空，為這些遭遇颶風破壞的地方提供移動蜂窩網絡連接[11]。

3.2.2 技術挑戰(zhàn)

非地面網絡的通信設施目前尚未成熟，可以預見到未來的通信設備將面臨以下挑戰(zhàn)。

a)需要適應空天地海復雜的通信環(huán)境。

b)支持多頻多模。

c)由于受到衛(wèi)星和浮空器的載荷限制，非地面網絡的通信設備需要控制尺寸和能耗等。

d)終端側考慮便攜性，也需要控制尺寸。

e)廣域物聯網的終端需要考量待機時間，從而進一步降低成本等。

為了應對以上挑戰(zhàn)，空天地一體化通信網絡需要共享的產業(yè)鏈，設計模塊化、靈活可變的設備結構，以適應不同的應用環(huán)境和功能要求，并且需要研發(fā)高能效和小型化的設備形態(tài)。

3.3 空口技術

空天地一體化網絡的核心是原有多種制式網絡的融合，其中一種觀點是將地面移動技術應用在非地面網絡中，此時空口上將會面臨以下關鍵技術的挑戰(zhàn)。

a)頻率共享與干擾消除。相比現有獨立的各個通信網絡，未來一體化的通信網絡空口鏈路更為復雜多樣，每條鏈路上都有很大的數據速率需求，而無線電頻率資源是有限的[12]。因此需要考慮智能、高效的頻率共享與干擾消除方法。

b)天線與射頻。將地面移動通信技術應用到非地面網絡，需要適應高空、太空向地面的覆蓋需求；同時與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，高通量衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星的覆蓋方式也發(fā)生了變化，采用點波束復用的方式進行覆蓋，因此非地面網絡接入站點的天線波束賦形與射頻技術都需要重新設計。

c)接入和切換。與地面通信網絡相比，衛(wèi)星網絡整體容量較小，單星容量有限，為保證用戶體驗，衛(wèi)星通信系統(tǒng)需設計適宜的用戶接入和切換策略。這包括為用戶選擇合適的衛(wèi)星波束及適宜的衛(wèi)星信道。同時，由于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星相對于地面高速移動，每顆衛(wèi)星服務的時長可能只有數十秒，一次業(yè)務中可能包括多次衛(wèi)星切換。衛(wèi)星系統(tǒng)切換可分為同一衛(wèi)星內波束間的切換和不同衛(wèi)星的波束間的切換，以及跨地面站之間的切換。此外，還可能會涉及空、天、地不同通信系統(tǒng)間的切換。

d)高時延、高多普勒頻移?？铡劓溌吩趲资辽锨琢考?，遠超過地面蜂窩移動通信的站間距，帶來了無法避免的高時延；接入節(jié)點的快速移動（包括低軌衛(wèi)星和飛行器），導致多普勒頻移會更加嚴重。因此需要攻克很多空口技術難題從而解決上述問題，如定時提前量調整、下行初始同步、參考信號設計、HARQ、MAC/RLC層流程、功率控制、循環(huán)前綴、雙工問題、相位跟蹤參考信號、峰值平均功率比問題等。

4 總結

業(yè)界對于未來6G定義的討論才剛剛開始，但是6G網絡將突破地面限制向空、天、地、海多維擴展已基本成為共識。非地面網絡具有明顯的覆蓋優(yōu)勢和長距離通信的低時延網絡服務優(yōu)勢，可以幫助運營商提供低成本的普遍服務及擴展現有的通信服務，實現收入增長；但另一方面空天地一體化通信網絡尚有待攻克的關鍵技術和硬件通信設施部署等問題。

目前除軟銀已經正式投資OneWeb外，沃達豐、BT、樂天等公司也在考慮地面網絡與低軌衛(wèi)星的結合[13-15]；此外，軟銀也在積極開展HIBS項目的研發(fā)?？梢钥吹皆诿嫦?G的研究中，傳統(tǒng)地面運營商已經開始積極思考如何充分借助非地面網絡的優(yōu)勢、規(guī)避其時延高、容量成本高的缺點，結合自身強大的地面網絡和計算能力，為用戶提供真正無縫的高速率低時延通信服務。

審核編輯 ：李倩