空天地海協(xié)同應(yīng)用綜述

朱斌，胡悅，王光全

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

2020 年國(guó)家將5G 網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)共同納入“新基建”范圍，天地一體化（星地）網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)融合成為趨勢(shì)；2017-2020 年移動(dòng)通信衛(wèi)星（天通一號(hào)等）、高通量衛(wèi)星（中星16 號(hào)等）、低軌衛(wèi)星（虹云/鴻雁）陸續(xù)投入使用，同時(shí)面向行業(yè)5G 網(wǎng)絡(luò)（基于微服務(wù)化架構(gòu)）陸續(xù)投入商用。不同軌道衛(wèi)星具備不同特點(diǎn)，在時(shí)延、資費(fèi)、傳輸能力等方面提供差異化服務(wù)，高通量解決帶寬受限問(wèn)題，低軌進(jìn)一步解決低時(shí)延低成本問(wèn)題（約占高軌1/5）。

隨著5G 和衛(wèi)星新技術(shù)的不斷發(fā)展成熟和國(guó)家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略布局，以及一帶一路戰(zhàn)略對(duì)于海洋需求的增加，如何融合高中低軌及運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)資源并充分利用新型衛(wèi)星高帶寬/ 低時(shí)延優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮中國(guó)海洋大國(guó)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于海上漁船、離岸海島與地面網(wǎng)絡(luò)互通并形成有機(jī)一體成為目前關(guān)注熱點(diǎn)和研究趨勢(shì)。

1 星地融合發(fā)展趨勢(shì)

1.1 星地融合發(fā)展趨勢(shì)概述

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，特別是低軌衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信在速率和時(shí)延上已可以滿(mǎn)足大多數(shù)5G 業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求[1-2]，同時(shí)5G 網(wǎng)絡(luò)Rel-16 完整版標(biāo)準(zhǔn)已凍結(jié)。因此，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與5G 地面通信網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)上已具備融合的基本條件[3-4]。通過(guò)構(gòu)建架構(gòu)、功能、接口、流程一體化的天地一體5G 網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋融合、系統(tǒng)融合、網(wǎng)絡(luò)融合和業(yè)務(wù)融合，在提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率的同時(shí)，為用戶(hù)提供全球全域無(wú)縫連接、業(yè)務(wù)連續(xù)性和通信服務(wù)保障，使能豐富多樣的通信業(yè)務(wù)和應(yīng)用，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)天地一體5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均已在初期的討論制定中[5-6]，3GPP、ITU 在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化組織專(zhuān)門(mén)成立工作組來(lái)推動(dòng)星地業(yè)務(wù)的融合[7-8]，國(guó)內(nèi)CCSA 組織新成立TC12 工作對(duì)空天地一體網(wǎng)絡(luò)從需求、業(yè)務(wù)及融合及方面的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究。隨著標(biāo)準(zhǔn)制定的成熟，能夠?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商、科研機(jī)構(gòu)等相關(guān)單位構(gòu)建天地一體5G試驗(yàn)和商用網(wǎng)絡(luò)提供重要的技術(shù)指導(dǎo)和參考，有利于衛(wèi)星通信、天地一體相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[9]。

1.2 空天地海一體化架構(gòu)

空天地海一體化總體架構(gòu)[10-11]，滿(mǎn)足未來(lái)多層次泛在接入需求，網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 空天地一體化網(wǎng)組織架構(gòu)圖

具體由以下系統(tǒng)構(gòu)成：

（1）“通導(dǎo)遙”感知系統(tǒng)

1）遙感衛(wèi)星：空間信息；

2）導(dǎo)航衛(wèi)星：動(dòng)態(tài)信息；

3）通信衛(wèi)星：通信信息。

（2）網(wǎng)絡(luò)（傳輸）系統(tǒng)

1）天基衛(wèi)星+空中平臺(tái)+地面網(wǎng)絡(luò)：空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)；

2）互通（接入/ 融合）網(wǎng)關(guān)：天基通導(dǎo)遙信關(guān)站與地基網(wǎng)關(guān)。

（3）智慧（運(yùn)營(yíng)控制）平臺(tái)系統(tǒng)

1）網(wǎng)絡(luò)中臺(tái)：數(shù)據(jù)分析、計(jì)算能力，大數(shù)據(jù)，區(qū)塊鏈，通感遙融合；

2）控制融合：“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+地面運(yùn)營(yíng)商”融合聯(lián)動(dòng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)。

（4）業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)（終端及平臺(tái)）

1）智慧城市（導(dǎo)航+交通+氣象+安防+醫(yī)療等）及行業(yè)應(yīng)用（航空航海+應(yīng)急通信+物聯(lián)網(wǎng)）及聯(lián)接（外部行業(yè)系統(tǒng)計(jì)算中心）平臺(tái)；

2）數(shù)字化支撐平臺(tái)（大數(shù)據(jù)處理+AI 輔助仿真增強(qiáng)（星上星下+數(shù)字孿生））；

3）泛接入終端：支持星載、機(jī)載、地面網(wǎng)絡(luò)等多種接入模式。

通過(guò)構(gòu)建架構(gòu)、功能、接口、流程一體化的天地一體網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)覆蓋融合、系統(tǒng)融合、業(yè)務(wù)融合，在提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率的同時(shí)，為用戶(hù)提供全球全域無(wú)縫連接、業(yè)務(wù)連續(xù)性和通信服務(wù)保障，使能豐富多樣的通信業(yè)務(wù)和應(yīng)用，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2 空天地海協(xié)同架構(gòu)

2.1 海上通信需求

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)前景廣闊，目前已有海上衛(wèi)星通信資費(fèi)高，帶寬受限，難以滿(mǎn)足如離岸海島和遠(yuǎn)海漁船等短時(shí)間內(nèi)大量數(shù)據(jù)傳輸訪問(wèn)需求，而傳統(tǒng)衛(wèi)星手持終端造價(jià)高，操作不便，可用業(yè)務(wù)較少，用戶(hù)實(shí)際使用體驗(yàn)較差，手機(jī)APP 方式用戶(hù)操作體驗(yàn)差，語(yǔ)音質(zhì)量難保障[12]。

漁船雷達(dá)、北斗導(dǎo)航、避碰系統(tǒng)（AIS）、電子海圖等終端各自獨(dú)立，自成體系，缺乏集成融合，智能化水平低，誤報(bào)率較高，容易引起漁民麻痹思想。漁船進(jìn)入國(guó)際航道以及商漁船碰撞事故多發(fā)區(qū)域，沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)備提醒預(yù)警。

因此，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)上需滿(mǎn)足海上目前“船聯(lián)網(wǎng)”“一張屏”“集成融合”“接口開(kāi)放”“智能應(yīng)急分析”等迫切需求，建設(shè)接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，多終端融合，智能分析開(kāi)放預(yù)警監(jiān)測(cè)接入接口，充分發(fā)揮5G 網(wǎng)絡(luò)、中高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特性及優(yōu)勢(shì)以及泛接入及平臺(tái)開(kāi)放能力，打通產(chǎn)業(yè)鏈各方資源。

2.2 空天地海協(xié)同架構(gòu)

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，特別是低軌衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信在速率和時(shí)延上已可以滿(mǎn)足大多數(shù)5G 業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與5G 地面通信網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)上已具備融合的基本條件。針對(duì)海上業(yè)務(wù)需求，基于運(yùn)營(yíng)商5G 網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放優(yōu)勢(shì)，結(jié)合衛(wèi)星資源，空天地海的星地融合船載移動(dòng)通信業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)及方案應(yīng)用目標(biāo)考慮如下：

（1）業(yè)務(wù)體驗(yàn)方面：支持基礎(chǔ)通信及物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的方便使用，能夠?qū)崿F(xiàn)普通移動(dòng)用戶(hù)終端直接通過(guò)運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，使用語(yǔ)音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，相比于APP 客戶(hù)端，客戶(hù)使用感知體驗(yàn)好，安全可靠強(qiáng)。

（2）資源調(diào)度方面：支持高中低軌衛(wèi)星資源靈活接入無(wú)縫切換，由于高軌衛(wèi)星時(shí)延及帶寬方面受限，同時(shí)低軌星座形成規(guī)模之前，在逐步完善過(guò)渡階段中，覆蓋區(qū)域范圍/ 有效使用時(shí)間等面臨資源從受限到逐步豐富的現(xiàn)狀，通過(guò)在運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)側(cè)協(xié)同調(diào)度，實(shí)現(xiàn)低軌和中高軌衛(wèi)星資源的按需合理分配使用的目標(biāo)。

（3）接口開(kāi)放方面：利用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)特別是5G 網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算及能力開(kāi)放內(nèi)生的特點(diǎn)，可在船段接入側(cè)部署輕量化開(kāi)放平臺(tái)（UPF/MEC 融合平臺(tái)），提供API 接口方便AI 及大數(shù)據(jù)應(yīng)用預(yù)處理及船載其它終端數(shù)據(jù)訪問(wèn)接入，便于船側(cè)數(shù)字化數(shù)據(jù)“一張屏”信息存儲(chǔ)及調(diào)度。

空天地海協(xié)同架構(gòu)如圖2 所示，整體架構(gòu)分為船載設(shè)備、天基網(wǎng)絡(luò)、陸基網(wǎng)絡(luò)、用戶(hù)終端。

圖2 空天地海協(xié)同架構(gòu)示意圖

（1）船載設(shè)備：部署5G 無(wú)線基站及船載衛(wèi)星用戶(hù)站及協(xié)同網(wǎng)關(guān)，同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求部署邊緣平臺(tái)進(jìn)行業(yè)務(wù)本地開(kāi)放訪問(wèn)及上傳接口，提升業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

（2）天基網(wǎng)絡(luò)：中高軌衛(wèi)星天基回傳網(wǎng)絡(luò)及低軌天基回傳網(wǎng)絡(luò)形成異構(gòu)分層。

（3）陸基網(wǎng)絡(luò)：部署5G 網(wǎng)絡(luò)（公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)）及近端業(yè)務(wù)開(kāi)放平臺(tái)，可同時(shí)對(duì)接多家運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)及信關(guān)站。

（4）終端：5G 用戶(hù)終端在船上接入船載5G 網(wǎng)絡(luò)，在陸基上接入公網(wǎng)核心網(wǎng)。

通過(guò)以上的協(xié)同架構(gòu)具備如下優(yōu)勢(shì)：

（1）系統(tǒng)化解決方案：針對(duì)智能船舶數(shù)字化需求以及5G、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源現(xiàn)狀，針對(duì)目前船聯(lián)網(wǎng)目前整體需求，提供一整套系統(tǒng)化解決方案。

（2）船聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化改造：作為數(shù)字化改革中船聯(lián)網(wǎng)可選方案之一，將5G+衛(wèi)星深度融合在船聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，利用船載設(shè)備開(kāi)放模塊以及陸地設(shè)備開(kāi)放模塊，與現(xiàn)有數(shù)字化智慧城市各模塊結(jié)合兼容。

3 產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用模式

星地網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用場(chǎng)景前景廣闊，在遠(yuǎn)海5G 無(wú)信號(hào)覆蓋的區(qū)域，高速移動(dòng)的遠(yuǎn)洋漁政船上部署輕量船載衛(wèi)星用戶(hù)站、輕量5G 基站及邊緣核心網(wǎng)元，通過(guò)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的天基寬帶通信鏈路，實(shí)現(xiàn)漁政船上的普通手機(jī)用戶(hù)通過(guò)衛(wèi)星成功訪問(wèn)聯(lián)通業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，完成視頻瀏覽及下載業(yè)務(wù)，并能夠與其他4G/5G 手機(jī)用戶(hù)進(jìn)行正常撥打通話業(yè)務(wù)、發(fā)消息等移動(dòng)5G 業(yè)務(wù)。可以應(yīng)用于船載（機(jī)載）通信、離岸島嶼的5G 基站回傳，及物聯(lián)網(wǎng)非實(shí)時(shí)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)中。

（1）典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景一：船載個(gè)人通信業(yè)務(wù)

如圖3 所示，船載個(gè)人通信業(yè)務(wù)場(chǎng)景將5G 技術(shù)和衛(wèi)星通信融合，為離岸船舶提供連續(xù)不間斷的5G 網(wǎng)絡(luò)連接、百兆以上的高速率互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和增值業(yè)務(wù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)海上船只與地面通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，滿(mǎn)足船載設(shè)備、科考設(shè)備、乘客等的數(shù)據(jù)上網(wǎng)、語(yǔ)音等基礎(chǔ)通信需求，同時(shí)依據(jù)客戶(hù)需求可以設(shè)置船載控制及乘客娛樂(lè)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立切片。

圖3 船載個(gè)人通信業(yè)務(wù)場(chǎng)景示意圖

1）典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景

◆船舶客戶(hù)本地局域網(wǎng)業(yè)務(wù)；

◆運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)業(yè)務(wù)；提供如網(wǎng)頁(yè)瀏覽、視頻觀看、數(shù)據(jù)上傳與下載以及與陸地終端進(jìn)行移動(dòng)語(yǔ)音通話等。

2）技術(shù)方案

◆船上：部署5G 基站（運(yùn)營(yíng)商頻段）及衛(wèi)星用戶(hù)站（船載），同時(shí)可根據(jù)實(shí)際需求部署MEC 設(shè)備本地分流；

◆陸基：部署5GC 及IMS 網(wǎng)絡(luò)（可利舊大網(wǎng)或獨(dú)立專(zhuān)網(wǎng)），專(zhuān)網(wǎng)方式需對(duì)接大網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資源；

◆終端：客戶(hù)網(wǎng)絡(luò)選擇自由切換，使用終端在船上接入船載5G 網(wǎng)絡(luò)資源，在陸基上接入大網(wǎng)5G 網(wǎng)絡(luò)資源。

（2）典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景二：物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)

如圖4 所示，船載等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景利用衛(wèi)星和5G融合提供物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的典型應(yīng)用，支持海量連接，提供深度覆蓋能力。作為地面物聯(lián)網(wǎng)的補(bǔ)充和延伸，在衛(wèi)星覆蓋的區(qū)域，物聯(lián)網(wǎng)終端采集對(duì)象的信息，然后通過(guò)衛(wèi)星通信把信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的5GC 和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

圖4 船載等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景示意圖

1）典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景

◆海洋、森林、礦產(chǎn)等資源的監(jiān)視和管理；

◆森林、山體、河流、海洋等地區(qū)災(zāi)害的檢測(cè)、預(yù)報(bào)；

◆深海、遠(yuǎn)海的海洋檢測(cè)管理，海上浮標(biāo)、海上救生等；

◆交通、物流、輸油管道、電網(wǎng)等健康管理；

◆野外環(huán)境下珍稀動(dòng)物的跟蹤監(jiān)控。

2）技術(shù)方案

◆IoT 需求接入側(cè)：部署5G 基站（運(yùn)營(yíng)商）及船載衛(wèi)星用戶(hù)站；

◆運(yùn)營(yíng)商平臺(tái)側(cè)：部署5GC 及IMS 網(wǎng)絡(luò)（可利舊大網(wǎng)或獨(dú)立專(zhuān)網(wǎng)），需對(duì)接大網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)及物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺(tái)等資源。

（3）協(xié)同應(yīng)用的運(yùn)營(yíng)模式建議

空天地海需要產(chǎn)業(yè)鏈各方充分參與，包括合作伙伴、衛(wèi)星公司、運(yùn)營(yíng)商、政企客戶(hù)以及最終用戶(hù)多個(gè)角色，如圖5 所示。

圖5 船聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)模式示意圖

運(yùn)營(yíng)模式如下：

◆合作伙伴：提供微基站、專(zhuān)網(wǎng)設(shè)備以及系統(tǒng)集成能力；

◆衛(wèi)星公司：提供國(guó)內(nèi)外高中低軌衛(wèi)星資源以及中繼服務(wù)；

◆運(yùn)營(yíng)商：提供網(wǎng)絡(luò)集成、衛(wèi)星租賃服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)軟件定制服務(wù)及計(jì)費(fèi)等能力；

◆政企客戶(hù)：租用服務(wù)的調(diào)用、人工管理等；

◆最終用戶(hù)：獲取全天候無(wú)縫業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著人民生活水平的提高，傳統(tǒng)漁民及海洋監(jiān)測(cè)人員對(duì)于語(yǔ)音及數(shù)據(jù)信息業(yè)務(wù)服務(wù)的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足用戶(hù)多樣性、多媒體及個(gè)性化的需求，本文提出的空天地海協(xié)同架構(gòu)具有如下前景優(yōu)勢(shì)：

（1）優(yōu)點(diǎn)一：業(yè)務(wù)體驗(yàn)好

1）無(wú)需客戶(hù)安裝APP：船載用戶(hù)無(wú)需安裝APP 客戶(hù)端，即可利用現(xiàn)有手機(jī)終端撥打語(yǔ)音電話、訪問(wèn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，做到用戶(hù)無(wú)感知。

2）船載設(shè)備接入靈活：船載無(wú)線設(shè)備可提供5G、Wi-Fi 等多種接入方式，同時(shí)疊加部署的本地模塊，具備標(biāo)準(zhǔn)化API 接口及PaaS 平臺(tái)能力，可部署輕量化本地應(yīng)用，對(duì)語(yǔ)音、視頻監(jiān)控等做輕量化的預(yù)處理。

（2）優(yōu)點(diǎn)二：衛(wèi)星資源兼容

1）用戶(hù)無(wú)感知：客戶(hù)可實(shí)現(xiàn)無(wú)感知的獨(dú)立或同時(shí)接入高、中、低軌衛(wèi)星資源，減少船載用戶(hù)側(cè)復(fù)雜的組網(wǎng)配置。

2）設(shè)備兼容性：數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與衛(wèi)星用戶(hù)站設(shè)備解耦，無(wú)需衛(wèi)星用戶(hù)站定制開(kāi)發(fā)兼容不同制式（Ka、Ku）融合設(shè)備，即可同時(shí)或擇優(yōu)使用。

（3）優(yōu)點(diǎn)三：政府管控?cái)?shù)字化推進(jìn)

1）不單一依賴(lài)運(yùn)營(yíng)商：運(yùn)營(yíng)商基站可進(jìn)而由政府牽頭采用共建共享方式，與三家運(yùn)營(yíng)商接口標(biāo)準(zhǔn)化。

2）不單一依賴(lài)衛(wèi)星資源：不依賴(lài)衛(wèi)星不同制式（Ka、Ku）和不同軌道（高中低）資源，無(wú)需在衛(wèi)星用戶(hù)端制定標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)融合衛(wèi)星用戶(hù)站設(shè)備開(kāi)發(fā)，可靈活接入。

3）資費(fèi)靈活：可以依據(jù)時(shí)間段、業(yè)務(wù)類(lèi)型、資費(fèi)條件等參數(shù)，靈活選擇不同衛(wèi)星接入方式以及媒體出口。

總之，通過(guò)空天地?？傮w架構(gòu)以及船聯(lián)網(wǎng)協(xié)同架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高中低軌衛(wèi)星與通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)同可靠的“岸+島+船”和“星網(wǎng)云端”的融合通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，該融合應(yīng)用本質(zhì)上優(yōu)化了海洋漁業(yè)信息化的溝通方式，將先進(jìn)地面移動(dòng)業(yè)務(wù)從陸地通信服務(wù)全面向“海、陸、空”通信服務(wù)領(lǐng)域與市場(chǎng)拓展。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)及低軌衛(wèi)星的全面覆蓋，未來(lái)還將可廣泛用于鉆井平臺(tái)及遠(yuǎn)洋船舶、海外基地及勘察車(chē)輛等各類(lèi)場(chǎng)景，真正實(shí)現(xiàn)“廣域萬(wàn)物智聯(lián)”和“全球隨遇接入”，潛在社會(huì)意義重大。