空天地一體化網(wǎng)絡技術(shù)展望

田開波/TIAN Kaibo，楊振/YANG Zhen，張楠/ZHANG Nan

（1.移動網(wǎng)絡和移動多媒體技術(shù)國家重點實驗室，中國 深圳 518057；2.中興通訊股份有限公司，中國 深圳 518057）

(1.State Key Laboratory of Mobile Network and Mobile Multimedia Technology, Shenzhen 518057, China;2.ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China)

1 空天地一體化網(wǎng)絡發(fā)展背景

19世紀30年代以來，隨著法拉第電磁感應、電磁場理論等物理基礎理論研究的出現(xiàn)，科學先驅(qū)們發(fā)明了電報、電話等通信方式，這使得人與人之間的溝通方式發(fā)生了根本性的變革。此后，隨著陸地無線移動通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，無線通信也逐步應用于人類生產(chǎn)、生活的各個方面。多年來，兩類系統(tǒng)各自發(fā)展，雖然取得了巨大的成功，但面對愈加復雜多樣的通信場景和需求，也遇到了發(fā)展瓶頸。因此，空天地一體化融合通信成為了未來網(wǎng)絡發(fā)展和應用的重要趨勢之一。

1.1 無線移動通信

陸地無線移動通信主要以蜂窩移動通信系統(tǒng)為代表。從20世紀80年代開始，該技術(shù)至今已經(jīng)發(fā)展到第5代，也就是5G。如圖1所示，1G采用模擬語音調(diào)制技術(shù)和頻分多址技術(shù)，能夠提供語言通信，但由于無法漫游，只能作為區(qū)域性的通信系統(tǒng)。從2G開始，通信系統(tǒng)中不斷采用更加先進的數(shù)字通信技術(shù)，在為個人提供語音通信的同時，提升了服務數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務的能力。其中，4G系統(tǒng)隨著正交頻分復用（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)的引入，網(wǎng)絡提供數(shù)據(jù)、視頻等高速率的移動寬帶業(yè)務的能力得到大幅提升。與此同時，前4代移動通信系統(tǒng)主要是面向以人為中心的場景，解決人與人之間的通信；而5G系統(tǒng)的發(fā)展，則是將網(wǎng)絡應用從面向人擴展到面向人和物，從而實現(xiàn)了萬物互聯(lián)，成為促進經(jīng)濟社會數(shù)字化的重要引擎。

▲圖1 無線移動系統(tǒng)的發(fā)展過程

1.2 衛(wèi)星通信

從概念上來看，衛(wèi)星通信指地球上（包括地面和低層大氣中）的無線電通信設備利用衛(wèi)星作為中繼而進行的通信。衛(wèi)星通信的起源可以追溯至1945年英國科學家提出的利用同步衛(wèi)星進行全球無線通信的設想。直到1958年，人們才將第一顆通信試驗衛(wèi)星“斯科爾”號送入太空。衛(wèi)星通信雖然具有通信覆蓋范圍大、部署機動靈活、不受地形地貌災害的影響等優(yōu)點，但其技術(shù)門檻很高，因此全球僅有少數(shù)國家開展該類系統(tǒng)的研究，且各自保持技術(shù)獨立。傳統(tǒng)衛(wèi)星通信由于其較高的成本和受限的能力，導致商用市場規(guī)模相對較小，網(wǎng)絡的發(fā)展更迭相對緩慢。在此過程中，傳統(tǒng)衛(wèi)星通信也借鑒了地面移動通信的經(jīng)驗和技術(shù)，通過歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）制定了3種衛(wèi)星通信標準（如表1所示），但仍未能改變其以私有的技術(shù)體制為主的特點，現(xiàn)有的衛(wèi)星系統(tǒng)仍然無法通用。

▼表1 ETSI的衛(wèi)星通信標準

1.3 星地融合

陸地無線通信經(jīng)過近30年的發(fā)展，已在全球大多數(shù)地區(qū)形成了較為完善的網(wǎng)絡覆蓋，為全球80%的人口提供移動通信服務；但受制于經(jīng)濟成本、技術(shù)、自然條件等因素，在人口密度低的偏遠地區(qū)以及沙漠、森林、海洋等區(qū)域，地面無線和有線網(wǎng)絡目前無法進行有效覆蓋。而這些問題恰恰是衛(wèi)星通信的優(yōu)勢所在，因此，星地融合發(fā)展可以有效解決陸地無線移動通信所面臨的瓶頸。與此同時，衛(wèi)星通信又可以解決傳統(tǒng)衛(wèi)星通信中由技術(shù)體制不同和系統(tǒng)封閉性所帶來的研發(fā)和使用成本居高不下、市場推廣難等問題。尤其是隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星的單星服務能力和數(shù)量得以有效提高，服務的業(yè)務場景和部分技術(shù)指標也與地面移動通信越來越接近。這些均使星地深度融合的緊迫性進一步加強。

現(xiàn)階段，傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信已經(jīng)可以為地面網(wǎng)絡提供干線傳輸和回程業(yè)務，如圖2所示。隨著技術(shù)的發(fā)展，未來星地融合將會分為不同的融合層次（具體如圖3所示），并最終實現(xiàn)體制和系統(tǒng)的融合。近年來，為了推動這一目標，第3代合作伙伴計劃（3GPP）等國際組織基于5G，從應用場景、網(wǎng)絡以及空口技術(shù)等維度展開了相關工作[1]。例如，以Thales為代表的衛(wèi)星制造商積極參與3GPP的標準工作[2]，在Rel-15階段，成功推動了非地面網(wǎng)絡（NTN）的研究立項[3]，并在Rel-16/17階段持續(xù)進行研究。與此同時，2019年芯片廠商MediaTek也推動Rel-17 中窄帶物聯(lián)網(wǎng)NTN（IoTNTN）相關技術(shù)標準的研究[4]。按照計劃，3GPP將于2022年發(fā)布第1版的NTN通信標準。

▲圖2 淺層次的融合模式

▲圖3 星地融合層次

總體來看，當前關于星地融合標準化研究主要是以地面通信標準為基礎，并結(jié)合衛(wèi)星通信傳播的技術(shù)特點做出適應性改進。但隨著未來網(wǎng)絡的演進，為了能夠更好地實現(xiàn)深度融合，進一步的增強設計是不可或缺的。

2 空天地一體化系統(tǒng)側(cè)演進

空天地一體化是未來網(wǎng)絡實現(xiàn)全球無縫覆蓋的必由之路，也將會是由多種異構(gòu)網(wǎng)絡混合而成的復雜網(wǎng)絡。本章中，我們將主要從系統(tǒng)側(cè)來介紹空天地一體化在網(wǎng)絡架構(gòu)和關鍵技術(shù)兩方面的演進方向。

2.1 網(wǎng)絡架構(gòu)演進

在現(xiàn)階段的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中，星側(cè)的通信功能相對比較簡單，比如缺乏基帶信號處理能力或不具備星間鏈路。因此，在未來的網(wǎng)絡建設中，如果衛(wèi)星仍然只采用透明轉(zhuǎn)發(fā)模式，將導致系統(tǒng)嚴重依賴地面信關站的建設，無法有效構(gòu)成支撐廣域高效通信的多層網(wǎng)絡。

未來空天地一體化網(wǎng)絡架構(gòu)演進的前提是衛(wèi)星平臺能力的增強。例如，當衛(wèi)星具有基帶信號處理能力和星間鏈路時，數(shù)據(jù)可以在衛(wèi)星間傳遞轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡架構(gòu)也將由單層次網(wǎng)絡向多層次網(wǎng)絡演進，如圖4所示。隨著各類平臺的發(fā)展，網(wǎng)絡的系統(tǒng)側(cè)節(jié)點可能會包括不同軌道高度的衛(wèi)星、位于平流層的高空平臺以及地面上的基站。其中，位于不同層次的網(wǎng)絡節(jié)點可以通過標準化的無線空口技術(shù)進行互聯(lián)互通，以承擔不同的網(wǎng)絡功能。例如，低軌道的衛(wèi)星和地面基站分別作為天基和地基的接入網(wǎng)，高軌道的衛(wèi)星作為天基骨干網(wǎng)，兩者共同構(gòu)建一個多層次的融合網(wǎng)絡。根據(jù)網(wǎng)絡中各系統(tǒng)節(jié)點能力及網(wǎng)絡功能的不同，可以構(gòu)成多種不同的接入網(wǎng)絡架構(gòu)，如圖5所示。

▲圖4 多層次網(wǎng)絡架構(gòu)

▲圖5 靈活的接入網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)

未來融合網(wǎng)絡核心網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和部署也是靈活多樣的[5]，如圖6所示。其中，NTN回傳結(jié)構(gòu)是指，NTN網(wǎng)絡作為地面無線接入網(wǎng)到地面核心網(wǎng)的無線回傳網(wǎng)絡；核心網(wǎng)共享結(jié)構(gòu)是指，地面網(wǎng)絡（TN）和NTN各自擁有獨立的接入網(wǎng)，但共享同一個核心網(wǎng)；NTN接入共享結(jié)構(gòu)是指，擁有不同核心網(wǎng)的運營商可以共享NTN無線接入網(wǎng)；漫游與服務連續(xù)性部署結(jié)構(gòu)是指，同一多模終端從TN網(wǎng)絡漫游到NTN網(wǎng)絡或從NTN網(wǎng)絡漫游到TN網(wǎng)絡，可以通過各自核心網(wǎng)之間的N26接口，支持漫游終端的服務連續(xù)性。

▲圖6 靈活的核心網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)

2.2 關鍵技術(shù)演進

地面無線移動通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展了數(shù)十年，其應用環(huán)境和技術(shù)體制各不相同。為了實現(xiàn)統(tǒng)一的技術(shù)體制下的融合系統(tǒng)，我們需要在一些關鍵技術(shù)方面做深入研究。

（1）極簡接入

接入網(wǎng)絡是用戶享受網(wǎng)絡服務的第1步。然而，地面通信場景和衛(wèi)星場景差異大。在衛(wèi)星場景下，星地超遠傳輸鏈路的長延時、衛(wèi)星高速移動導致的大多普勒頻移等因素，對接入和同步設計帶來了很大挑戰(zhàn)。面向天地一體化網(wǎng)絡，為有效降低處理時延，提高用戶體驗，需要進一步優(yōu)化隨機接入過程，設計新的可以抵抗大頻偏的接入序列[6]，并在上行傳輸定時提前機制、時頻偏估計與補償方案等方面進行改進。

（2）高效聯(lián)合傳輸機制

在未來天地一體化網(wǎng)絡中，衛(wèi)星可能是數(shù)千顆甚至數(shù)萬顆，這將會在地面形成多重覆蓋的場景，不同衛(wèi)星之間會相互干擾對方的數(shù)據(jù)傳輸，進而影響系統(tǒng)的能量效率和頻譜效率。這就需要多星協(xié)作或星地協(xié)作下的高效聯(lián)合傳輸機制，以減少多重覆蓋下的干擾問題，提升系統(tǒng)的資源效率。此外，未來的衛(wèi)星將承載地面基站的部分或全部功能，數(shù)據(jù)的處理都在衛(wèi)星側(cè)。這樣可以減少對地面的依賴，縮短調(diào)度的時延，為聯(lián)合傳輸?shù)膶崿F(xiàn)提供了更加有力的條件。

（3）新波形與多址接入

針對未來星地融合更廣泛的部署場景需求及更高的頻譜效率需求，人們需要研究抗大時延與頻偏的高魯棒性波形設計，并根據(jù)目標場景和業(yè)務的不同，靈活選擇子帶帶寬、子載波間隔、濾波器長度和循環(huán)前綴等系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)統(tǒng)一兼容的波形框架設計。此外，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)也是未來空天地一體化的重要應用場景。需要引入基于非正交的傳輸技術(shù)，同時實現(xiàn)免調(diào)度技術(shù)。也就是說，終端一旦有數(shù)據(jù)傳輸需求，就可以直接將數(shù)據(jù)發(fā)給衛(wèi)星，不需要衛(wèi)星的授權(quán)或調(diào)度，免去了交互流程所致的開銷，從而可以取得非常高的時效和譜效。

（4）移動性管理

低軌道衛(wèi)星是天地一體化網(wǎng)絡的重要節(jié)點。衛(wèi)星移動速度高達7 km/s以上，每個星波束服務用戶的時長可能只有幾十秒，這將會導致頻繁的波束切換。整網(wǎng)用戶的頻繁切換將會給系統(tǒng)帶來無法承受的信令開銷，對用戶服務的連續(xù)性帶來極大影響。因此人們需要研究星地融合統(tǒng)一的移動性管理方案及切換策略，簡化切換流程，降低信令開銷，提高切換可靠性。切換的場景可能包括相同衛(wèi)星的星內(nèi)波束切換、不同衛(wèi)星的星間波束切換或多連接情況下不同星地通信系統(tǒng)之間的切換等。

（5）頻譜管理

頻譜資源是無線通信系統(tǒng)的命脈，而新一代移動通信技術(shù)的產(chǎn)生必然帶來新的頻譜需求。在無線通信系統(tǒng)的演進的過程中，為了維護網(wǎng)絡服務的連續(xù)性和經(jīng)濟性，新舊系統(tǒng)網(wǎng)絡會長期并存，且舊系統(tǒng)的頻譜短時間內(nèi)不會釋放，這就增加了新一代通信網(wǎng)絡頻譜選擇的困難性。為了滿足未來6G通信傳輸速率需求，除了增加新的頻譜（如太赫茲和可見光），還需要在頻譜管理方面進行研究，具體包括：頻譜重耕，為新一代的通信系統(tǒng)提供更多的低頻段可用頻譜資源；動態(tài)頻譜共享技術(shù)[7]，以感知無線電技術(shù)為基礎，使異系統(tǒng)間或同系統(tǒng)異設備間可以共享同一段授權(quán)或非授權(quán)頻譜，以解決固定頻譜分配策略帶來的頻譜閑置和利用率不高的問題；提升頻譜效率的物理層技術(shù)，如能夠減少帶外泄露的新波形調(diào)制技術(shù)、非正交多址技術(shù)、超大規(guī)模智能天線技術(shù)等。

（6）人工智能（AI）

天地一體化網(wǎng)絡是一個多層次的異構(gòu)網(wǎng)絡，網(wǎng)絡節(jié)點多，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)復雜。引入AI可以靈活地規(guī)劃和改變網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的按需部署和優(yōu)化，從而使網(wǎng)絡能夠自我管理、自我演進；更加合理地調(diào)度網(wǎng)絡的軟硬件資源，實現(xiàn)網(wǎng)絡算力高效的利用；提升接入網(wǎng)側(cè)的性能，能夠自主感知學習傳輸環(huán)境的特性和變化，智能地決策不同終端的接入方式；在底層，還可以應用于聯(lián)合參數(shù)優(yōu)化、信道質(zhì)量的預測、智能編解碼方案的選擇、波束間的干擾管理以及波束間的切換策略等。

3 空天地一體化終端側(cè)發(fā)展

終端是無線通信系統(tǒng)中必不可少的一部分。在未來天地一體化通信網(wǎng)絡中，終端的演進主要體現(xiàn)在形態(tài)和平臺能力兩個方面。

傳統(tǒng)的無線移動通信終端主要是手持式的，最常見的就是手機；而傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡的終端形態(tài)通常分為手持式和甚小口徑終端（VSAT）式，且其形態(tài)和終端的能力與業(yè)務類型有著密切的關系。手持式的衛(wèi)星終端受尺寸、天線增益以及功率的影響，通常工作在1～2 GHz的頻段上，僅能提供語音通信和低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫苿有l(wèi)星業(yè)務；VSAT式的衛(wèi)星終端在尺寸功耗等方面受限制較小，能夠使用3 GHz以上的頻率，且提供中高速數(shù)據(jù)傳輸和廣播業(yè)務等移動衛(wèi)星業(yè)務和固定衛(wèi)星業(yè)務。

在未來天地一體化通信網(wǎng)絡中，終端的形態(tài)可能有3種，移動通信手持終端（即傳統(tǒng)移動通信終端和衛(wèi)星手持終端的融合）使用相同的空口技術(shù)及標準化頻段；VSAT式端終以車載、船載和機載模式存在，擁有一體化的設計，可以集成不同的頻段、不同的天線，甚至可以支持多種技術(shù)的協(xié)議棧，因此可以進行靈活的擴展；物聯(lián)網(wǎng)終端的關鍵在于體積和功耗。

終端平臺的能力有4個特點：（1）通信處理能力的增強。一體化終端的通信技術(shù)是與系統(tǒng)的技術(shù)相匹配的，系統(tǒng)新技術(shù)的引入會帶來處理的復雜度，這需要融合終端能夠處理更復雜的通信協(xié)議棧，以適應不同的應用場景接入不同的網(wǎng)絡。（2）感知能力的增強。未來融合終端不僅僅是用于通話、上網(wǎng)和視頻等消費需求，還會集成各種傳感器來采集外部的環(huán)境信息并提供給網(wǎng)絡，從而進行大數(shù)據(jù)分析應用；也可以采集個人的生理信息，實時監(jiān)測身體狀況等。（3）算力能力增強。終端感知能力的引入使得終端可以獲取大量的數(shù)據(jù)，這需要終端在數(shù)據(jù)處理能力有所加強，以便能夠及時有效地進行數(shù)據(jù)分析，減輕網(wǎng)絡傳輸、處理海量數(shù)據(jù)的壓力，并能及時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫男畔⒎沼谟脩?。?）AI能力的增強。終端獲取的數(shù)據(jù)很多是語音、圖像、視頻等，而近年來AI被廣泛用于語音、圖像、視頻識別等方面，因而未來的融合終端也需要具備較強的AI能力。

4 結(jié)束語

當前，B5G/6G的研究工作正在如火如荼地進行?？仗斓匾惑w化網(wǎng)絡作為未來網(wǎng)絡發(fā)展的重要特征，已是業(yè)內(nèi)共識。通過地面網(wǎng)絡和衛(wèi)星網(wǎng)絡的融合發(fā)展，可以解決各自發(fā)展所面臨的瓶頸問題，并完成立體化通信網(wǎng)絡的構(gòu)建，進而真正實現(xiàn)在任何時間、任何地點與任意一方通信的美好愿景。空天地一體化網(wǎng)絡的研究處于初始階段，尚存在許多關鍵性問題需要解決。本文中，針對網(wǎng)絡架構(gòu)、系統(tǒng)關鍵技術(shù)以及終端3個方面，我們提出了技術(shù)演進的方向，希望能與學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界一起共同推動相關的技術(shù)研究。

致謝

本研究得到了中興通訊股份有限公司算法部部長胡留軍、架構(gòu)總經(jīng)理段向陽、技術(shù)總監(jiān)朱清華和方敏博士的技術(shù)指導和幫助，在此謹致謝意！