未來不是夢“空天地一體化”網(wǎng)絡(luò)融合提速

齊旭

當(dāng)前，個(gè)人、行業(yè)、政府等越來越多類型的用戶正在深度接入互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，引發(fā)互聯(lián)網(wǎng)流量爆發(fā)式增長的同時(shí)，也對互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)質(zhì)量提出了更高要求。面對用戶愈發(fā)旺盛的用網(wǎng)需求，運(yùn)營商需要提供突破地形地表限制的高速率、低延時(shí)、廣覆蓋的“大時(shí)空尺度”寬帶互聯(lián)網(wǎng)。

日前，中國聯(lián)通分別與華為和銀河航天簽署了“空天地一體化戰(zhàn)略合作伙伴協(xié)議”，計(jì)劃分階段突破地表地形的束縛，開展地面通信系統(tǒng)與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的互補(bǔ)合作和融合發(fā)展，使用戶逐步進(jìn)入“全球全域的寬帶互聯(lián)網(wǎng)”時(shí)期。這一聽起來如此宏大的概念性網(wǎng)絡(luò)建設(shè)究竟如何實(shí)現(xiàn)？落地后將賦能多少應(yīng)用場景？目前面臨著哪些技術(shù)困境？

“空天地一體化”并不是新概念

非地面網(wǎng)絡(luò)和地面移動網(wǎng)絡(luò)相互賦能，有助于運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)低成本的全域泛在覆蓋，挖掘全新應(yīng)用市場。

根據(jù)世界銀行發(fā)布的數(shù)據(jù)，全球仍有超過三十億人口尚未接人互聯(lián)網(wǎng)，由于成本和鋪設(shè)難度等原因，傳統(tǒng)的地面通信骨干網(wǎng)在海洋、山區(qū)、沙漠、極地等苛刻環(huán)境下的覆蓋率極低。因此，能夠建設(shè)突破地形地表限制的高速率、低延時(shí)、廣覆蓋的“大時(shí)空尺度”寬帶互聯(lián)網(wǎng)具有重要價(jià)值。

賽迪智庫無線電管理研究所副研究員周鈺哲向《中國電子報(bào)》記者表示，實(shí)施“空天地一體化融合組網(wǎng)”是5G和后5G時(shí)代天地一體化通信的必然要求，5G空天地一體化網(wǎng)絡(luò)將成為未來我國通信網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展趨勢。

實(shí)現(xiàn)5G空天地一體化網(wǎng)絡(luò)融合需要結(jié)合地面通信和衛(wèi)星通信等多種手段，來為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，將二維地面網(wǎng)絡(luò)與近地三維衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合與升級。近地衛(wèi)星和各種飛行器組成的非地面網(wǎng)絡(luò)提供偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋、空域等立體的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力，協(xié)助地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全域泛在化覆蓋;地面移動網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)的大數(shù)據(jù)存儲與處理能力，并利用高數(shù)據(jù)傳輸速率提升大部分陸地區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸效率。二者相互賦能，有助于運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)低成本的全域泛在化覆蓋，挖掘全新應(yīng)用市場。

中國聯(lián)通作為我國三大電信運(yùn)營商之一和重要的衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)運(yùn)營商，日前展開了和華為和銀河航天的戰(zhàn)略合作。對于此次合作，賽迪顧問物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究中心高級分析師劉暾表示，三方的合作可謂是強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，預(yù)計(jì)中國聯(lián)通將在地面通信網(wǎng)絡(luò)和行業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮牽引作用;通信設(shè)備商華為將憑借自身在終端、物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中的固有優(yōu)勢，成為空天地一體化網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先落地的應(yīng)用場景;銀河航天作為我國民營航天的優(yōu)秀企業(yè)，將發(fā)揮在衛(wèi)星平臺、有效載荷研制及地面系統(tǒng)建設(shè)等方面的優(yōu)勢?！斑@種以央企帶頭拉動民營企業(yè)參與的合作模式十分明智，且將成為行業(yè)內(nèi)的信號?！眲㈥照f。

中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院戰(zhàn)略規(guī)劃研究部咨詢師劉潔向《中國電子報(bào)》記者指出，空天地一體化網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展并不是一個(gè)新興概念，能打破通信基礎(chǔ)設(shè)施由于空間分布不同帶來的業(yè)務(wù)和服務(wù)的隔閡;如能起到優(yōu)化資源配置的作用，融合服務(wù)還能有效避免天基和地基通信服務(wù)之間由于激烈競爭帶來愈演愈烈的降價(jià)和利潤率降低的問題。

“國際通信衛(wèi)星公司、歐洲衛(wèi)星通信公司、天空完美日星公司等衛(wèi)星運(yùn)營服務(wù)商在融合服務(wù)方面已經(jīng)進(jìn)行多種嘗試并積累了成功的經(jīng)驗(yàn)，向用戶提供融合空天地通信網(wǎng)絡(luò)資源的解決方案。由于融合服務(wù)可以帶來更好的用戶體驗(yàn)、更高的通信設(shè)施使用效率和效益，緊密的協(xié)同合作使衛(wèi)星通信和地面通信運(yùn)營和服務(wù)商的市場競爭力均得到增強(qiáng)?！眲嵳f。

此前，記者在采訪中了解到，有證據(jù)表明SpaceX的低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃STARLink背后有著美國軍方“空天地一體化網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展策略”的目的，美國國防服務(wù)部門明確表示計(jì)劃在三年內(nèi)測試STARLink的衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)，以評估是否符合美軍的數(shù)據(jù)傳輸需求。

邊緣計(jì)算賦能空天地一體化組網(wǎng)

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)對MEC能力的需求主要包括降低時(shí)延、節(jié)省后向帶寬、緩存、內(nèi)容分發(fā)等方面。

在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，低軌衛(wèi)星是技術(shù)門檻較高的部分。根據(jù)中國聯(lián)通發(fā)布的《空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)白皮書》（以下簡稱《白皮書》），大型低軌衛(wèi)星星座是當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢，通過增加衛(wèi)星數(shù)量可以大幅提升系統(tǒng)容量。目前已經(jīng)有多個(gè)國家提出了低軌衛(wèi)星計(jì)劃，頻軌資源競爭激烈。

在打造空天地一體化融合網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星將如何發(fā)揮作用？空天地一體化組網(wǎng)關(guān)鍵部分在于打造基于“5G標(biāo)準(zhǔn)”的低軌寬帶通信星座。銀河航天合伙人、副總裁劉暢在《中國電子報(bào)》記者采訪時(shí)表示，低軌寬帶通信星座一方面作為地面基站和光纖網(wǎng)絡(luò)的融合補(bǔ)充，可以與地面的5G網(wǎng)絡(luò)透明連接，讓用戶無感切換天地5G網(wǎng)絡(luò);另一方面可為地面5G基站提供數(shù)據(jù)回傳等服務(wù)。

然而，劉暾指出，低軌衛(wèi)星在端到端通信時(shí)的時(shí)延高達(dá)30毫秒，雖然遠(yuǎn)小于中軌和高軌衛(wèi)星的時(shí)延，但也無法達(dá)到5G標(biāo)準(zhǔn)，此外衛(wèi)星的容量成本也遠(yuǎn)高于地面網(wǎng)絡(luò)，因此有必要引人多接入邊緣計(jì)算（MEC）技術(shù)。

根據(jù)《白皮書》，空天地一體化網(wǎng)絡(luò)對MEC能力的需求主要包括降低時(shí)延、節(jié)省后向帶寬緩存、內(nèi)容分發(fā)等方面。

降低時(shí)延方面，引人MEC設(shè)備將減少地面網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延、避免星地節(jié)點(diǎn)間不必要的通信交互，可以在保障業(yè)務(wù)連續(xù)性的同時(shí)有效降低業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延;節(jié)省后向帶寬方面，在空天地一體網(wǎng)絡(luò)中，本地采集的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要占用大量的衛(wèi)星中繼或地面回傳帶寬，如果將遠(yuǎn)端云化數(shù)據(jù)中心能力下沉到數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)顯示終端或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的本地范圍，可以節(jié)省大量衛(wèi)星中繼或地面回傳帶寬;緩存方面，在空天地一體網(wǎng)絡(luò)邊緣部署MEC緩存能力，不僅可以依據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求對網(wǎng)絡(luò)資源和集中式云化數(shù)據(jù)中心服務(wù)能力進(jìn)行預(yù)判和反饋，還能夠緩解空天地一體網(wǎng)絡(luò)傳輸性能抖動對用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)的影響;CDN內(nèi)容分發(fā)方面，引入MEC之后，CDN能力將進(jìn)一步下沉到空天地一體網(wǎng)絡(luò)邊緣，使能高帶寬內(nèi)容邊緣分布式部署，有效降低空天地一體網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星中繼與地面回傳成本及中心節(jié)點(diǎn)壓力。

機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)涉及到多個(gè)通信系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)繁多復(fù)雜，對整個(gè)通信設(shè)備產(chǎn)業(yè)提出了更高的要求。

未來，隨著非地面網(wǎng)絡(luò)和地面移動網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和設(shè)備的逐步融合、相互賦能，設(shè)備形態(tài)與功能實(shí)體劃分與共享將逐步明確，新的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)有望開拓出更廣闊的應(yīng)用場景，為公眾和行業(yè)提供真正無縫泛在的高速業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

在劉暾看來，面向行業(yè)客戶，空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)將具有傳輸覆蓋廣、不受地理環(huán)境限制、可靠性高等特性，有望為行業(yè)客戶提供更加優(yōu)質(zhì)的專網(wǎng)服務(wù)。

“對于需求市場，行業(yè)用戶是不可忽視的龐大用戶群體之一，涉及到許多跨國跨地區(qū)的行業(yè)，包括證券金融領(lǐng)域、區(qū)塊鏈安全加固場景、應(yīng)急通信、海洋與航空等立體通信。這些場景要么對通信保密性要求高、對時(shí)延抖動敏感，要么則需要避免受到地理環(huán)境和自然災(zāi)害等影響?！眲㈥照f。

根據(jù)《白皮書》，由于空天地一體化網(wǎng)絡(luò)涉及到空天地海復(fù)雜的通信環(huán)境和多個(gè)通信系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)繁多復(fù)雜;同時(shí)，由于多個(gè)通信系統(tǒng)的運(yùn)營者不同，需要設(shè)計(jì)安全、可靠、高效的網(wǎng)絡(luò)接口，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的深度、安全融合。因此對整個(gè)通信設(shè)備產(chǎn)業(yè)提出了更高的要求。

在周鈺哲看來，空天地一體化融合組網(wǎng)還需要攻克技術(shù)和資質(zhì)兩方面的難題。技術(shù)方面，要想做到地面5G網(wǎng)絡(luò)和非地面網(wǎng)絡(luò)信號的無感切換，一是要重新設(shè)計(jì)兼容的星地通信協(xié)議，比如優(yōu)化通信系統(tǒng)間的切換流程;二是要考慮智能、高效的頻率共享與干擾消除方法，以應(yīng)對每條鏈路上都不同的數(shù)據(jù)速率需求;三是要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星等非地面通信設(shè)備小型化和輕量化設(shè)計(jì)，非常容易受到非地面通信網(wǎng)絡(luò)的載荷限制。

“資質(zhì)方面，希望國家能盡快出臺更多優(yōu)惠政策，鼓勵衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)公司和社會資本加入一體化融合組網(wǎng)進(jìn)程中來，這樣將有助于帶動共享基帶、天線、芯片、軟件等各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，完善產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系。”周鈺哲說。