面向6G的星地融合一體化組網(wǎng)研究

孫韶輝，戴翠琴，徐 暉，康紹莉，繆德山

(1.電信科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 無線移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;2.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引 言

20世紀(jì)80年代以來，移動(dòng)通信得到快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用[1]。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要傳輸?shù)氖悄M信號(hào)，能夠提供基本語音服務(wù)。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)，相比于1G有更高的傳輸速率，且增加了短信、彩信業(yè)務(wù)。第三代和第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)是基于分組域的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，能夠達(dá)到更快的傳輸速率。3G能夠提供傳輸圖片、視頻的中低速多媒體服務(wù)，以及支持海量APP的使用。4G時(shí)代是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)速度峰值可達(dá)100 Mbit/s。如今第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)則是萬物互聯(lián)的時(shí)代。5G力求實(shí)現(xiàn)高帶寬、高可靠低時(shí)延以及海量設(shè)備連接，同時(shí)保證端到端的服務(wù)質(zhì)量[2-3]。隨著5G系統(tǒng)開始全面商用，人們對(duì)未來第六代移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)想也在逐漸展開，國(guó)際電信聯(lián)盟(international telecommunication union, ITU)也啟動(dòng)了6G的研究工作。業(yè)界認(rèn)為6G時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，將是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)深度融合的一體化網(wǎng)絡(luò)。由于融合了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)且采用了新一代無線技術(shù)，未來6G將具備更廣闊的覆蓋范圍、更大的通信容量、更小的傳輸時(shí)延和更多的用戶連接能力，輔以人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和區(qū)塊鏈等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更加泛在、智能、安全、可信的公共移動(dòng)信息基礎(chǔ)服務(wù)能力[4-6]。

相比地面移動(dòng)通信系統(tǒng)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、通信容量大、地形影響小、靈活性高和能適應(yīng)多種業(yè)務(wù)等不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。5G雖然已開啟全球商用，為用戶提供高比特率、低延遲、高容量、多新業(yè)務(wù)和垂直應(yīng)用的通信服務(wù)[7-9]，但受限于地理環(huán)境和商業(yè)模式，導(dǎo)致其無法保障遠(yuǎn)洋與陸地邊遠(yuǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。為突破地形限制，將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合構(gòu)建全球無縫覆蓋的星地融合立體網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究的熱點(diǎn)。星地融合網(wǎng)絡(luò)，是以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為延伸，覆蓋太空、空中、陸地、海洋等自然空間，為天基、空基、陸基等各類用戶的活動(dòng)提供信息保障的基礎(chǔ)設(shè)施[10-11]。星地融合網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是一個(gè)逐步推進(jìn)、持續(xù)完善的長(zhǎng)期過程，科學(xué)合理的體系架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)是進(jìn)行研究的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)[12-13]。

第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd generation partnership project, 3GPP)和ITU等國(guó)際組織成立了相應(yīng)的工作組開展星地融合的標(biāo)準(zhǔn)化研究，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(China communications standards association, CCSA)也于2019年成立了航天通信技術(shù)工作委員會(huì)開展星地一體化的研究工作。其中3GPP立項(xiàng)的非地面網(wǎng)絡(luò)(non-terrestrial networks, NTN)致力于將衛(wèi)星通信與5G融合，解決新空口(new radio, NR)支持NTN的關(guān)鍵問題[14]。5G標(biāo)準(zhǔn)化持續(xù)演進(jìn)，面向6G的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)也已開展，ITU 6G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃初步成型。這些工作為面向6G的星地融合研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

本文中我們將概述星地融合網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)天地融合網(wǎng)絡(luò)發(fā)展路徑進(jìn)行分析，并就面向6G的星地融合一體化組網(wǎng)采用的多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析展望。

1 星地融合網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 衛(wèi)星通信的崛起

陸地蜂窩網(wǎng)絡(luò)只能在有限的地區(qū)鋪設(shè)基站，一些自然條件惡劣、經(jīng)濟(jì)成本高的地區(qū)(如荒漠、海洋)很難鋪設(shè)基站。因此，受制于經(jīng)濟(jì)成本和技術(shù)因素，現(xiàn)有地面蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)僅僅覆蓋了地球表面陸地約20%的地區(qū)，覆蓋面積小于地球表面積的6%，覆蓋人口約占總?cè)丝诘?0%。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)因廣闊的覆蓋面積、大容量高速率的數(shù)據(jù)傳輸以及不受地理因素影響等優(yōu)點(diǎn)可以很好填補(bǔ)地面網(wǎng)絡(luò)的不足。

經(jīng)歷了2000年后十多年的低潮，衛(wèi)星通信系統(tǒng)隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展也取得了一定的進(jìn)步。如今以寬帶互聯(lián)為主要特征的新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)逐漸發(fā)展起來并有加速趨勢(shì)。新一代衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)有如下特點(diǎn)。

1)由窄帶話音向?qū)拵г捯魯?shù)據(jù)傳輸發(fā)展，從管道服務(wù)向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)，從行業(yè)應(yīng)用向普遍服務(wù)轉(zhuǎn)變。

2)以低軌衛(wèi)星為代表，數(shù)千顆至數(shù)萬顆的巨型星座進(jìn)入規(guī)劃和建設(shè)階段。

3)通過衛(wèi)星鏈路互聯(lián)，形成全球覆蓋的互聯(lián)互通的空間網(wǎng)絡(luò)。

4)批量化、工廠化的低成本衛(wèi)星、終端以及火線發(fā)射技術(shù)，使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部署成本大幅度降低。

各科技大國(guó)都開始著手自己的衛(wèi)星發(fā)射計(jì)劃，目前國(guó)外已公布的星座規(guī)劃有14項(xiàng)，其中美國(guó)9項(xiàng)、俄羅斯、加拿大、印度、韓國(guó)、荷蘭各一項(xiàng)。國(guó)際典型低軌衛(wèi)星計(jì)劃有美國(guó)的OneWeb、Starlink和Kuiper、法國(guó)的LeoSat、加拿大的Telesat。中國(guó)也緊跟步伐，開始建設(shè)鴻雁星座和虹云工程并發(fā)射了部分主干網(wǎng)衛(wèi)星。鴻雁星座預(yù)計(jì)于2024年部署完成，并向用戶提供窄帶通信、物聯(lián)網(wǎng)和寬帶互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)。虹云星座于2022年完成星座部署后，可提供全球無縫覆蓋的寬帶移動(dòng)通信服務(wù)，為各類用戶構(gòu)建“通導(dǎo)遙”一體化的綜合信息平臺(tái)[15]。中國(guó)在近期也組建了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)，從國(guó)家層面統(tǒng)籌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

1.2 衛(wèi)星通信的體制標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)體制標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化程度低，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)滯后于通信系統(tǒng)的發(fā)展建設(shè)，導(dǎo)致衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用范圍小。其中，窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)體制標(biāo)準(zhǔn)通常借鑒地面通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)；寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)體制標(biāo)準(zhǔn)以原有寬帶多媒體標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行修改，主要應(yīng)用于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。目前，寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)存在以下幾點(diǎn)不足：①現(xiàn)有協(xié)議無法支持多種不同業(yè)務(wù)共存，衛(wèi)星系統(tǒng)通信協(xié)議容易發(fā)展成“煙囪”式協(xié)議，產(chǎn)業(yè)規(guī)模小，設(shè)備價(jià)格高；②已有的協(xié)議雖然實(shí)現(xiàn)了空口基本傳輸?shù)牡讓訁f(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，但是系統(tǒng)上層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)構(gòu)建、測(cè)試等方面都極少涉及，也缺乏支持網(wǎng)絡(luò)切換、靈活傳輸架構(gòu)、星間接口、網(wǎng)絡(luò)安全等組網(wǎng)必要的能力；③現(xiàn)有協(xié)議的空口設(shè)計(jì)資源調(diào)度靈活性不足，資源調(diào)度效率和可靠性低，業(yè)務(wù)質(zhì)量控制較弱，服務(wù)質(zhì)量(quality of service, QoS)得不到保障，無法支持復(fù)雜業(yè)務(wù)傳輸。

1.3 星地融合發(fā)展新趨勢(shì)

低軌衛(wèi)星因其低成本、低延遲、高速率、大容量等優(yōu)勢(shì)，在構(gòu)建衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中起到了重要作用。低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為對(duì)地面5G/6G網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充有著巨大優(yōu)勢(shì)，是業(yè)內(nèi)對(duì)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)5G/6G時(shí)代的主流展望。以低軌衛(wèi)星為主要衛(wèi)星類的星地融合網(wǎng)絡(luò)的展望可以概括為以下幾點(diǎn)。

1)低軌衛(wèi)星運(yùn)行在500～1 500 km的低空軌道中，質(zhì)量輕，體積小，制造成本低。傳統(tǒng)的高軌衛(wèi)星造價(jià)約10.4億元/顆，而低軌衛(wèi)星僅是它的百分之一。同時(shí)，低軌衛(wèi)星進(jìn)行星座組網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋。低軌衛(wèi)星可以較低的發(fā)射成本和較高的使用價(jià)值投入商業(yè)使用中。

2)衛(wèi)星以其廣闊的覆蓋面積對(duì)地面移動(dòng)蜂窩網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充；即：內(nèi)陸人口稠密區(qū)域用基站覆蓋，發(fā)揮容量?jī)?yōu)勢(shì)，滿足多用戶的連接。基站無法覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)采用衛(wèi)星覆蓋，可以發(fā)揮衛(wèi)星的覆蓋優(yōu)勢(shì)，節(jié)省基站建設(shè)成本。

3)在5G、6G時(shí)代，業(yè)界期望通過大容量、高帶寬衛(wèi)星與地面互補(bǔ)，支撐起三大應(yīng)用場(chǎng)景中的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(enhanced mobile broadband, eMBB)和海量機(jī)器類通信(massive machine type communication, mMTC)相關(guān)應(yīng)用。

4)以星地融合方式擴(kuò)展無線覆蓋路徑，衛(wèi)星部署高增益的天線，地面部署移動(dòng)通信系統(tǒng)兼容的基站處理裝置，可以在中低頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)地面終端直接與低軌衛(wèi)星進(jìn)行通信[16]。

1.4 星地融合標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及趨勢(shì)

衛(wèi)星將成為5G系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分并發(fā)揮著重要的作用，已得到業(yè)界廣泛認(rèn)可。ITU開展了NGAT SAT(key elements for integration of satellite systems into next generation access technologies)立項(xiàng)，在ITU-RM.2083中提出了“下一代移動(dòng)通信網(wǎng)應(yīng)滿足用戶能隨時(shí)隨地訪問服務(wù)的需求”。在ITU-RM.2460中分析了衛(wèi)星系統(tǒng)整合到下一代接入技術(shù)中的關(guān)鍵因素，并提出衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)典型應(yīng)用場(chǎng)景：中繼寬帶傳輸業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)回傳與分發(fā)業(yè)，寬帶移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，混合多媒體業(yè)務(wù)。

2017年6月，歐洲成立Sat5G聯(lián)盟，探索將衛(wèi)星集成到5G網(wǎng)絡(luò)中的可行性方案，主要工作包括：①在衛(wèi)星5G網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network functions virtualization, NFV)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined network, SDN)技術(shù)；②研究衛(wèi)星/5G多鏈路和異構(gòu)傳輸技術(shù)；③融合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)的控制面與數(shù)據(jù)面；④衛(wèi)星/5G網(wǎng)絡(luò)一體化的管理與運(yùn)維技術(shù)。

3GPP從R14已經(jīng)開始對(duì)衛(wèi)星通信進(jìn)行研究，旨在通過衛(wèi)星與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)更廣闊的覆蓋滿足用戶接入服務(wù)需求。在2016年1月開始的TR38.913“下一代接入技術(shù)的場(chǎng)景和需求”中，3GPP把衛(wèi)星接入技術(shù)納為5G網(wǎng)絡(luò)的基本接入技術(shù)之一。在2018年開始的“TR22.822衛(wèi)星接入5G的研究”報(bào)告中給出了5G中使用衛(wèi)星接入的一些研究結(jié)果。3GPP于2017年3月啟動(dòng)了新計(jì)劃，旨在研究衛(wèi)星在5G中的作用，并且已經(jīng)完成了兩個(gè)研究項(xiàng)目(study item, SI)。經(jīng)過兩年的研究階段，3GPP已批準(zhǔn)NTN成為5G新的關(guān)鍵特性，并且工作項(xiàng)目(work item, WI)已從2020年1月開始運(yùn)行[17]。同時(shí)，3GPP定義了NTN-5G系統(tǒng)的3個(gè)主要服務(wù)類別。NTN的3個(gè)主要服務(wù)類別是服務(wù)連續(xù)性、服務(wù)普遍性和服務(wù)可擴(kuò)展性，總結(jié)如下[18]。

1)服務(wù)連續(xù)性：服務(wù)的連續(xù)性旨在通過為5G用戶(例如汽車、火車、機(jī)載平臺(tái)、海上船舶)提供持續(xù)訪問5G系統(tǒng)授予的服務(wù)來提高5G服務(wù)可靠性。雖然地面網(wǎng)絡(luò)可以給城市地區(qū)提供可靠的覆蓋，但在某些高山、沙漠、海洋等特殊地理區(qū)域則無法滿足覆蓋需求，此時(shí)通過衛(wèi)星接入來保障用戶全球范圍內(nèi)的服務(wù)連續(xù)性。

2)服務(wù)普遍性：此類服務(wù)旨在通過衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)，在沒有服務(wù)或服務(wù)不足的地區(qū)給用戶提供5G服務(wù)。例如某些農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)可能無法提供地面覆蓋，或者地面網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可能會(huì)被自然災(zāi)害暫時(shí)中斷甚至完全破壞。

3)服務(wù)可擴(kuò)展性：此類服務(wù)將有效利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)多播和廣播功能(例如超高清電視內(nèi)容的分發(fā)來支持5G網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性)。

R15 NTN SI中研究了NTN部署場(chǎng)景和信道模型，分析了5G空口影響因素，發(fā)布了TR38.811。R16 NTN SI提出了基于5G空口支持NTN網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)解決方案，開展鏈路與系統(tǒng)級(jí)性能評(píng)估。目前3GPP Release 17已經(jīng)開始了3個(gè)NTN項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)化制定，包括NR over NTN、IoT(internet of things) over NTN、5G ARCH_SAT。預(yù)計(jì)R17將完成第一個(gè)基于5G的衛(wèi)星彎管透明轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。5G標(biāo)準(zhǔn)仍在持續(xù)演進(jìn)中，目前已經(jīng)開始5G Pro的標(biāo)準(zhǔn)化工作。隨著release更高版標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，5G在繼續(xù)提升現(xiàn)有性能特性的同時(shí)，也引入一些新的特性。同時(shí)，6G空口技術(shù)需滿足6G的能力需求，6G需要提升其在空口接入和立體覆蓋上的能力。目前，面向6G的星地融合正關(guān)注于衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)空口設(shè)計(jì)方案的融合統(tǒng)一，面向6G的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)已經(jīng)開展，ITU 6G的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也已初步成型[19]。

2 星地融合網(wǎng)絡(luò)發(fā)展路徑

星地融合網(wǎng)絡(luò)具有多層立體、動(dòng)態(tài)時(shí)變的特點(diǎn)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性、復(fù)雜性和可擴(kuò)展性，空間節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)性和有限的存儲(chǔ)及處理能力，使得現(xiàn)有空間信息傳輸技術(shù)不能很好地滿足新型空間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的通信需求。下面將從業(yè)務(wù)、體制和系統(tǒng)融合三階段技術(shù)發(fā)展路徑分析星地融合網(wǎng)絡(luò)。

2.1 過去：業(yè)務(wù)融合

傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟、資源豐富，但受地理環(huán)境影響較大。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星中繼節(jié)點(diǎn)分布于太空，有更高的靈活性和更大的覆蓋范圍。因此，人們很早就開始嘗試衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，即初步的融合：星地融合通過中間網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，使得業(yè)務(wù)相互增強(qiáng)，但衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)各自獨(dú)立。

業(yè)務(wù)量和多樣化需求的增加給傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)帶來了問題。第一，移動(dòng)業(yè)務(wù)量的激增和新一代無線接入技術(shù)的發(fā)展，使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸從無線電接口轉(zhuǎn)向了回傳和核心網(wǎng)絡(luò)[20]。第二，網(wǎng)絡(luò)間相互獨(dú)立，技術(shù)體制不兼容。第三，通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)互聯(lián)互通，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)類型單一。第四，資源無法統(tǒng)一協(xié)調(diào)，網(wǎng)絡(luò)效率低。

2.2 現(xiàn)在(5G)：體制融合

由于衛(wèi)星通信與地面無線通信在部署環(huán)境、覆蓋范圍、信道傳輸特征等方面存在很多差異，實(shí)現(xiàn)兩者的深度融合面臨著一些挑戰(zhàn)第二階段是體制融合，衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用與地面相同或相似的通信體制，頻譜資源與地面系統(tǒng)協(xié)同服用[23]。

隨著星地網(wǎng)絡(luò)的融合與改造，目前關(guān)于星地融合網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)是星地互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)和星地混合網(wǎng)絡(luò)。在星地互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，地面系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)共用網(wǎng)管中心，但各自的接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和所用頻段保持獨(dú)立性。在星地混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，空口部分盡量統(tǒng)一，傳輸與技術(shù)融合設(shè)計(jì)方面，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用相同或近似的體制與關(guān)鍵技術(shù)，充分利用地面網(wǎng)絡(luò)豐富的產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)提升研發(fā)效率。在復(fù)雜的5G場(chǎng)景中，各參與者(地面和衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商、5G垂直行業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施提供商)都參與到一個(gè)由多種資源(地面無線電系統(tǒng)、衛(wèi)星、云/邊緣計(jì)算和傳輸)組成的生態(tài)系統(tǒng)中，中間空中接口統(tǒng)一體制變得更加重要[24-25]，這也是體制融合的關(guān)鍵。

目前，從衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)構(gòu)成來看，與地面網(wǎng)絡(luò)互通仍然占據(jù)主要份額，且衛(wèi)星與5G架構(gòu)的研究實(shí)際仍只是通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)類型單一；資源無法統(tǒng)一協(xié)調(diào)和管理；沒有實(shí)現(xiàn)頻率共享共用和協(xié)調(diào)管理，使得網(wǎng)絡(luò)效率低。

2.3 未來(6G)：系統(tǒng)融合

根據(jù)我國(guó)當(dāng)前空間信息網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃以及國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，未來面向6G的星地融合一體化網(wǎng)絡(luò)如圖1，從衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)走向空間信息網(wǎng)絡(luò)，從天地一體化走向空天地海一體化的空間信息網(wǎng)絡(luò)，以多種空間平臺(tái)(同步衛(wèi)星、中低軌衛(wèi)星、平流層浮空器以及飛機(jī)無人機(jī)等)為載體，使星地構(gòu)成一個(gè)整體，整個(gè)系統(tǒng)的接入點(diǎn)、頻率、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)完全統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)，提供用戶無感知的一致服務(wù)，采用協(xié)同的資源調(diào)度、一致的服務(wù)質(zhì)量、星地?zé)o縫的漫游。與過去和現(xiàn)在(5G)的星地融合網(wǎng)絡(luò)相比，未來面向6G的系統(tǒng)融合過程將劃分為以下7個(gè)層次。

1)體制融合：統(tǒng)一空口體制，在空中接口分層結(jié)構(gòu)上，采用相同的設(shè)計(jì)方案，采用相同的傳輸和交換技術(shù)。

2)網(wǎng)絡(luò)融合：全網(wǎng)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議使各種基于IP的業(yè)務(wù)都能互通，如數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、電話網(wǎng)絡(luò)、視頻網(wǎng)絡(luò)都可融合在一起。

3)管理融合：統(tǒng)一資源調(diào)度與管理。

4)頻譜融合：頻率共享共用，協(xié)調(diào)管理。

5)業(yè)務(wù)融合：統(tǒng)一業(yè)務(wù)支持和調(diào)度。

6)平臺(tái)融合：網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)采用一體化設(shè)計(jì)。

7)終端融合：統(tǒng)一終端標(biāo)識(shí)與接入方式，用戶終端、關(guān)口站或者衛(wèi)星載荷可大量采用地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成果。

圖1 星地融合一體化網(wǎng)絡(luò)組成Fig.1 Composition of satellite-ground integrated network

衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)融合將擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋、提升網(wǎng)絡(luò)頻率資源利用率以及實(shí)現(xiàn)天地頻率共享共用；同時(shí)天地協(xié)作傳輸，來提升業(yè)務(wù)支持能力和傳輸效率，構(gòu)建綠色高效節(jié)能的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境。

3 星地融合一體化

未來面向6G的星地融合互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是天基多層子網(wǎng)(高軌衛(wèi)星、中低軌衛(wèi)星以及監(jiān)控設(shè)備)和地面蜂窩多層子網(wǎng)(宏峰網(wǎng)、微蜂窩和皮蜂窩)等多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一體融合[26]，如圖2。然而，多層復(fù)雜跨域組網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)困難，大尺度空間傳播環(huán)境會(huì)導(dǎo)致傳輸效率低，以及衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓邉?dòng)態(tài)變化，進(jìn)而導(dǎo)致業(yè)務(wù)質(zhì)量難以保障，這些都是6G星地融合組網(wǎng)所面臨的巨大挑戰(zhàn)。要解決這些問題，需要從星地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、星地融合的空口傳輸、星地融合的組網(wǎng)方式以及星地融合的頻率管理這4個(gè)方面實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破。

3.1 星地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，研究衛(wèi)星與地面蜂窩通信架構(gòu)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)彈性可重構(gòu)的靈活網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和高效的多域多維度網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)功能的柔性分割和提高星地融合網(wǎng)絡(luò)中的資源管理效率。下面分別對(duì)彈性可重構(gòu)星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和高效的多域多維度網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

3.1.1 彈性可重構(gòu)星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

彈性可重構(gòu)星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3。在圖3中，天地融合網(wǎng)絡(luò)根據(jù)衛(wèi)星處理能力構(gòu)建分層分域的協(xié)同管理架構(gòu)，通過高軌、低軌、地面三級(jí)控制器協(xié)同工作，完成端到端的網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)管理。星地融合網(wǎng)絡(luò)采用服務(wù)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)功能可以根據(jù)業(yè)務(wù)和組網(wǎng)需求進(jìn)行按需部署，根據(jù)不同的部署場(chǎng)景以及網(wǎng)絡(luò)傳輸能力靈活適配業(yè)務(wù)場(chǎng)景和需求，根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景和需求智能地提供彈性可重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的按需重構(gòu)，保證網(wǎng)絡(luò)按需服務(wù)能力[27]。

圖2 大時(shí)空尺度跨域異構(gòu)的6G星地融合組網(wǎng)Fig.2 6G satellite-groundintegrated network with large spatial and temporal scales and cross-domain heterogeneity

核心網(wǎng)功能在地基和天基上進(jìn)行功能柔性分割。地基實(shí)現(xiàn)完整的核心功能，天基實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)功能制定，支持靈活路由與業(yè)務(wù)傳輸。通過集中單元(centralized unit, CU)和分布單元(distributed unit, DU)分離的接入網(wǎng)架構(gòu)，針對(duì)不同的衛(wèi)星載荷，實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)功能的定制化。

SDN技術(shù)能夠在異構(gòu)多域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下對(duì)全網(wǎng)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和動(dòng)態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)靈活高效的資源分配和協(xié)同。因此采用基于SDN的傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，高效支持動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓瘞砺酚蓛?yōu)化[28]。

由于天地融合網(wǎng)絡(luò)具有全域覆蓋、隨遇接入和動(dòng)態(tài)變化的特性，因此需要對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行智能化統(tǒng)一管理。通過智能網(wǎng)絡(luò)管控平臺(tái)對(duì)天地融合網(wǎng)絡(luò)的虛擬資源統(tǒng)一管控，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用效率，保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。根據(jù)業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，保證用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。

3.1.2 高效的多域多維度網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)

為了滿足星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)彈性可重構(gòu)的需求，需要重點(diǎn)從統(tǒng)一移動(dòng)性管理架構(gòu)、星地融合網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算架構(gòu)、智能端到端全生命周期的切片管理架構(gòu)、異構(gòu)跨域網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)這4個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)融合網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性、邊緣計(jì)算、切片和資源調(diào)度的統(tǒng)一管理，提升大時(shí)空尺度異構(gòu)組網(wǎng)端到端管理效率[29]。

圖3 彈性可重構(gòu)星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.3 Elastic reconfigurable satellite-groundintegrated network architecture

在統(tǒng)一性移動(dòng)管理架構(gòu)層面，為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)可預(yù)測(cè)和群組移動(dòng)，可以引入基于人工智能的按需移動(dòng)性管理架構(gòu)和基于群組特征的移動(dòng)性管理架構(gòu)。

在6G星地融合網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算架構(gòu)層面，為了解決衛(wèi)星能力受限和融合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景多樣的問題，可以引入輕量級(jí)的邊緣計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)和邊緣計(jì)算功能的柔性分割[30]。

在智能端到端全生命周期的切片管理架構(gòu)層面，由于6G星地融合網(wǎng)絡(luò)的高動(dòng)態(tài)和多域部署特性，可以引入高動(dòng)態(tài)智能端到端網(wǎng)絡(luò)切片管理架構(gòu)和多域網(wǎng)絡(luò)協(xié)同編排技術(shù)。

在異構(gòu)跨域網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)層面，由于6G星地融合網(wǎng)絡(luò)的資源表征不同以及多域部署，可以引入基于人工智能的異構(gòu)資源管理架構(gòu)和跨域的網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)同編排。

3.2 星地融合的空口傳輸

在空口傳輸方面，研究衛(wèi)星與地面蜂窩通信的統(tǒng)一空口設(shè)計(jì)方案，支持多種業(yè)務(wù)傳輸，使得終端接入到最合適的星地融合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。下面分別對(duì)多星多波束協(xié)同傳輸和新型調(diào)制與接入的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信一般采用單星單波束服務(wù)一個(gè)用戶，這在一定程度上限制了用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率，衛(wèi)星資源的使用效率也未能充分利用[31]。為了進(jìn)一步利用衛(wèi)星的空間傳輸特性，可以讓一個(gè)終端同時(shí)連接在編隊(duì)的多顆衛(wèi)星上。這些衛(wèi)星通過協(xié)作實(shí)現(xiàn)聯(lián)合數(shù)據(jù)傳輸，從而獲得發(fā)送分集增益或者復(fù)用增益。

多星協(xié)作傳輸技術(shù)作為提升衛(wèi)星傳輸速率的一種候選技術(shù)，多個(gè)衛(wèi)星波束或者單個(gè)衛(wèi)星多個(gè)極化波束在相同頻譜資源中為同一個(gè)用戶傳輸數(shù)據(jù)。多星協(xié)作傳輸技術(shù)對(duì)系統(tǒng)要求較高，其主要的研究?jī)?nèi)容與技術(shù)挑戰(zhàn)包括。

1)研究基于視距多輸入多輸出(multi-input multi-output, MIMO)的多星多波束協(xié)作傳輸理論與模型。

2)研究多星多波束協(xié)作傳輸方案、同步技術(shù)與碼本設(shè)計(jì)。

3)支持星上處理和透明轉(zhuǎn)發(fā)的分布與集中式協(xié)同信號(hào)處理。

多星多波束協(xié)同傳輸示意及仿真結(jié)果如圖4。從仿真結(jié)果可以看到，通過4星多波束協(xié)作傳輸，可實(shí)現(xiàn)單用戶150%以上傳輸速率的提升。

星地融合新波形與多址接入，重點(diǎn)研究的內(nèi)容包括：①星間/星地聯(lián)合傳輸信道模型、低峰均比和帶外輻射的(正交頻分復(fù)用+超奈奎斯特)高效波形以及因子圖高效譯碼；②基于用戶接入指紋和AI的低相關(guān)性高容量非正交多址接入方案。

圖4 多星多波束協(xié)同傳輸示意及仿真結(jié)果Fig.4 Schematic and simulation results of multi-star and multi-beam cooperative transmission

融合網(wǎng)絡(luò)極簡(jiǎn)接入與傳輸過程，對(duì)于6G衛(wèi)星通信超大規(guī)模機(jī)器類通信(umMTC)業(yè)務(wù)，終端具有短突發(fā)數(shù)據(jù)、連接數(shù)大、功耗低、成本低的特點(diǎn)，這對(duì)存在信號(hào)損耗大、接入時(shí)延長(zhǎng)、存在大頻偏等固有特性的星載基站來說有很大的挑戰(zhàn)性。因此，融合網(wǎng)絡(luò)極簡(jiǎn)接入與傳輸過程如圖5，需要簡(jiǎn)化6G衛(wèi)星通信接入流程、減小接入時(shí)延、減少碰撞幾率等技術(shù)手段提高接入成功率和接入效率。主要研究的內(nèi)容包括：①大多普勒高精度同步、結(jié)合非正交多址的簡(jiǎn)化兩步接入和基于預(yù)測(cè)的低開銷定時(shí)維護(hù)；②基于邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)編碼和動(dòng)態(tài)重傳控制的耐受高延時(shí)混合自動(dòng)應(yīng)(hybrid automatic repeat request, HARQ)。

圖5 融合網(wǎng)絡(luò)極簡(jiǎn)接入與傳輸過程Fig.5 Minimalist access and transmission process of integrated network

3.3 星地融合的組網(wǎng)方式

在組網(wǎng)方式方面，主要研究小區(qū)間頻率規(guī)劃、多層網(wǎng)絡(luò)間自適應(yīng)路由和無縫切換、星地一體多級(jí)邊緣計(jì)算任務(wù)遷移等。下面對(duì)星地融合資源智能管控進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

天地跨域異構(gòu)高效統(tǒng)一資源管理，旨在通過有效聯(lián)合不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的資源以充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)綜合效能，從而更好滿足未來復(fù)雜多變的任務(wù)需求。主要研究的內(nèi)容包括：①天地多維資源表征及關(guān)聯(lián)圖譜；②融合網(wǎng)絡(luò)多級(jí)智能協(xié)作管控策略；③天地資源聯(lián)合協(xié)同與部署。

彈性高效動(dòng)態(tài)路由與移動(dòng)性管理，由于低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度過快導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓邉?dòng)態(tài)變化，因此需要研究的內(nèi)容包括：①能力聚合的協(xié)作路由和路由重規(guī)劃；②分級(jí)垂直切換與低時(shí)延群切換。

高動(dòng)態(tài)拓?fù)洵h(huán)境下的按需確定性服務(wù)，星地融合網(wǎng)絡(luò)采用服務(wù)化的分層架構(gòu)，可以根據(jù)業(yè)務(wù)感知和資源感知進(jìn)行按需部署，如圖6。主要研究的內(nèi)容包括：①高確定性按需服務(wù)分層架構(gòu)；②基于隊(duì)列調(diào)度的高確定流量控制；③SDN控制流保護(hù)機(jī)制[32-33]。

3.4 星地融合的頻率管理

在頻率管理方面，基于統(tǒng)一管理的網(wǎng)絡(luò)頻譜資源，來研究星地間頻譜的協(xié)調(diào)管理機(jī)制。通過頻譜共享和干擾管理方案，提高頻譜資源利用率。下面對(duì)衛(wèi)星和地面通信的頻率共享進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

圖6 高動(dòng)態(tài)拓?fù)洵h(huán)境分層架構(gòu)Fig.6 Hierarchical architecture of high dynamic topology environment

隨著用戶業(yè)務(wù)需求的增長(zhǎng)，頻道資源變得越發(fā)匱乏，星地融合網(wǎng)絡(luò)中如果使用傳統(tǒng)的頻率硬性分割會(huì)導(dǎo)致傳輸效率下降。為了提高頻率資源的利用效率，需要研究空間多層網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸特點(diǎn)，利用波束和覆蓋的差異性，探索星地通信的軟頻率復(fù)用方法；通過干擾預(yù)測(cè)和資源協(xié)調(diào)，進(jìn)一步研究頻率動(dòng)態(tài)共享復(fù)用的技術(shù)和方法，以降低小區(qū)邊緣干擾，同時(shí)提升小區(qū)邊緣傳輸效率；通過引入機(jī)器學(xué)習(xí)，研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)的頻率態(tài)勢(shì)預(yù)測(cè)方法，提出星地異構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻率共享策略[34-35]。低頻段衛(wèi)星與地面頻譜協(xié)調(diào)與共享原理如圖7，高頻段衛(wèi)星與地面干擾避免與共享原理如圖8。

圖7 低頻段頻譜協(xié)調(diào)與共享Fig.7 Low-band spectrum coordination and sharing

圖8 高頻段干擾避免與共享Fig.8 High-frequency interference avoidance and sharing

4 結(jié)束語

衛(wèi)星通信網(wǎng)和地面蜂窩網(wǎng)技術(shù)在各自領(lǐng)域快速發(fā)展，衛(wèi)星與地面的深度融合已成為未來6G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重要方向，得到業(yè)界廣泛認(rèn)可。衛(wèi)星通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)間通過優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、緊密融合，將擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，提升網(wǎng)絡(luò)整體效率，實(shí)現(xiàn)全球立體無縫覆蓋網(wǎng)絡(luò)。天地網(wǎng)絡(luò)融合將遵循業(yè)務(wù)、體制和系統(tǒng)融合三階段技術(shù)發(fā)展路徑的業(yè)界共識(shí)，在頻率使用、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、資源管理、空口體制與業(yè)務(wù)支持方面進(jìn)行融合，最終形成天地一體無感知服務(wù)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)。