空天地一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)展望

簡(jiǎn)要回顧了地面無線移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信的發(fā)展歷史，論證了空天地一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的必要性，并首次定義了網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展的不同層次。隨后針對(duì)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、融合終端3個(gè)方面，展望了未來網(wǎng)絡(luò)融合的演進(jìn)。ProspectsfortheAir-Space-Ground1,2網(wǎng)絡(luò)出版日期：2021-09-24收稿日期：2021-08-209世紀(jì)30年代以來，隨著法拉第理論研究的出現(xiàn)，科學(xué)先驅(qū)們發(fā)明了電報(bào)、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?zé)o線移動(dòng)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(yīng)用于人類生產(chǎn)、生活的雖然取得了巨大的成功，但面對(duì)愈加復(fù)雜多樣的通信場(chǎng)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(luò)發(fā)展和應(yīng)用的陸地?zé)o線移動(dòng)通信主要以蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)為代表。從20世紀(jì)80年代開始，該技術(shù)至今已經(jīng)發(fā)展到第5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(jìn)的數(shù)字通信技術(shù)，在為個(gè)人提供語音通信的同時(shí)，提升了服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的能力。其中，4G系統(tǒng)隨著正交頻分復(fù)用（OFDM）和多輸入多輸出視頻等高速率的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)的能力得到大幅提升。與此同時(shí)，前4代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是面向以人為中心的場(chǎng)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(luò)應(yīng)用從面向人擴(kuò)展到面向人和物，從而實(shí)現(xiàn)了萬物互聯(lián)，成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化的重要引擎。ZTETECHNOLOGYJOURNAL全覆蓋、全頻全覆蓋、全頻FDD-LTE和TD-LTEEP-DECT：歐洲數(shù)字無繩通信系統(tǒng)FDD-LTE：頻分雙工長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)JTAGS：日本總訪問通信系統(tǒng)TD-LTE：分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn)TD-SCDMA：時(shí)分同步碼分多址從概念上來看，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(shè)備利用衛(wèi)星作為中繼而進(jìn)行的通信。衛(wèi)星通信的起源可以追溯至1945年英國科學(xué)家提出的利用同步衛(wèi)星進(jìn)行全球無線通信的設(shè)想。直展，已在全球大多數(shù)地區(qū)形成了較為完善的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為全球80%的人口提供移動(dòng)通信服務(wù)；但受制于經(jīng)濟(jì)成本、技術(shù)、自然條件等因素，在人口密度低的偏遠(yuǎn)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(luò)目前無法進(jìn)行有效覆蓋。而這些問題恰恰是衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)所在，因此，星地融合發(fā)展可以有效解決陸地?zé)o線移動(dòng)通信所面臨的瓶頸。與此同時(shí)，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(chǎng)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(wù)能力和數(shù)量得以有效提高，服務(wù)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景和部分技術(shù)指標(biāo)也與地面移動(dòng)通信越來越接近。這些均使星地深度融合的緊迫現(xiàn)階段，傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信已經(jīng)可以為地面網(wǎng)絡(luò)提供干線傳輸和回程業(yè)務(wù)，如圖2所示。隨著技術(shù)的發(fā)展，未來星地融合將會(huì)分為不同的融合層次（具體如圖3所示），并最終實(shí)現(xiàn)體制和系統(tǒng)的融合。近年來，為了推動(dòng)這一目標(biāo)，第3代合作伙伴計(jì)劃場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)以及空口技術(shù)等維度展開表的衛(wèi)星制造商積極參與3GPP的標(biāo)衛(wèi)星“斯科爾”號(hào)送入太空。衛(wèi)星通信雖然具有通信覆蓋范圍大、部署機(jī)動(dòng)靈活、不受地形地貌災(zāi)害的影響等優(yōu)點(diǎn)，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(dú)立。傳統(tǒng)衛(wèi)星通信由于其較高的成本和受限的能力，導(dǎo)致商用市場(chǎng)規(guī)模相對(duì)較小，網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展更迭相對(duì)緩慢。在此過程中，傳統(tǒng)衛(wèi)星通信也借鑒了地面移動(dòng)通信的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，通過歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)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(diǎn)，現(xiàn)有的衛(wèi)星陸地?zé)o線通信經(jīng)過近30年的發(fā)衛(wèi)星數(shù)字視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)，使用單載波通信系統(tǒng)，主要用于GMR-1S-UMTSDVB-S：數(shù)字衛(wèi)星電視系統(tǒng)S-UMTS：衛(wèi)星-通用移動(dòng)通信系統(tǒng)ZTETECHNOLOGYJOURNAL推動(dòng)Rel-17中窄帶物聯(lián)網(wǎng)NTN（I3GPP將于2022年發(fā)布第1版的NTN總體來看，當(dāng)前關(guān)于星地融合標(biāo)準(zhǔn)化研究主要是以地面通信標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，并結(jié)合衛(wèi)星通信傳播的技術(shù)特點(diǎn)做出適應(yīng)性改進(jìn)。但隨著未來網(wǎng)絡(luò)的空天地一體化是未來網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋的必由之路，也將會(huì)是由多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)混合而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。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(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)在現(xiàn)階段的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，星側(cè)的通信功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單，比如缺乏基帶信號(hào)處理能力或不具備星間鏈路。因此，在未來的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，如果衛(wèi)星仍然只采用透明轉(zhuǎn)發(fā)模式，將無法有效構(gòu)成支撐廣域高效通信的多未來空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)當(dāng)衛(wèi)星具有基帶信號(hào)處理能力和星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也將由單層次網(wǎng)絡(luò)向多層次網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，如圖4所示。隨著各類平臺(tái)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)側(cè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)包括不同軌道高度的衛(wèi)星、位于平流層的高空平臺(tái)以及地面上的基站。其中，位于不同層次的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以通相互獨(dú)立的兩張網(wǎng)絡(luò)，覆蓋互為補(bǔ)充，業(yè)務(wù)和技術(shù)互不夠提供相同或相似的業(yè)務(wù)質(zhì)使用同一用戶身份（碼號(hào)）提供服務(wù)，用戶身份網(wǎng)絡(luò)按需選擇利用衛(wèi)星或者地面網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)采用相同的架構(gòu)、傳輸和交換技術(shù)，用戶終端、關(guān)口站或者衛(wèi)星載荷可大量采用地面星地構(gòu)成一個(gè)整體，提供用戶無感的一致服務(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過標(biāo)準(zhǔn)化的無線空口技術(shù)進(jìn)行互聯(lián)互通，以承擔(dān)不同的網(wǎng)絡(luò)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(gè)多層次的融合網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)能力及網(wǎng)絡(luò)功能的不同，可以構(gòu)成多種不同的接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖5未來融合網(wǎng)絡(luò)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(luò)作為地面無線接入網(wǎng)到地面核心網(wǎng)的地面網(wǎng)絡(luò)（TN）和NTN各自擁有獨(dú)立的接入網(wǎng)，但共享同一個(gè)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(yùn)營(yíng)商可以共享NTN無線接入同一多模終端從TN網(wǎng)絡(luò)漫游到NTN網(wǎng)絡(luò)或從NTN網(wǎng)絡(luò)漫游到TN網(wǎng)絡(luò)，可以通過各自核心網(wǎng)之間的N26接口，地面無線移動(dòng)通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)發(fā)展了數(shù)十年，其應(yīng)用環(huán)境和技術(shù)體制各不相同。為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的技術(shù)體制下的融合系統(tǒng)，我們需要在ZTETECHNOLOGYJOURNAL（1）極簡(jiǎn)接入接入網(wǎng)絡(luò)是用戶享受網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的第1步。然而，地面通信場(chǎng)景和衛(wèi)星場(chǎng)景差異大。在衛(wèi)星場(chǎng)景下，星地超遠(yuǎn)傳輸鏈路的長(zhǎng)延時(shí)、衛(wèi)星高速移動(dòng)導(dǎo)致的大多普勒頻移等因素，對(duì)接入和同步設(shè)計(jì)帶來了很大挑戰(zhàn)。面向天提高用戶體驗(yàn)，需要進(jìn)一步優(yōu)化隨機(jī)接入過程，設(shè)計(jì)新的可以抵抗大頻偏的接入序列[6]，并在上行傳輸定時(shí)提前機(jī)制、時(shí)頻偏估計(jì)與補(bǔ)償方案等方在未來天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星可能是數(shù)千顆甚至數(shù)萬顆，這將會(huì)在地面形成多重覆蓋的場(chǎng)景，不同衛(wèi)星之間會(huì)相互干擾對(duì)方的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)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(jī)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(duì)地面的依賴，縮短調(diào)度的時(shí)延，為聯(lián)合傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)（3）新波形與多址接入針對(duì)未來星地融合更廣泛的部署場(chǎng)景需求及更高的頻譜效率需求，人們需要研究抗大時(shí)延與頻偏的高魯棒性波形設(shè)計(jì)，并根據(jù)目標(biāo)場(chǎng)景和業(yè)務(wù)的不同，靈活選擇子帶帶寬、子載波間隔、濾波器長(zhǎng)度和循環(huán)前綴等系統(tǒng)此外，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)也是未來空天地一體化的重要應(yīng)用場(chǎng)景。需要引入基于非正交的傳輸技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)免調(diào)度技術(shù)。也就是說，終端一旦有數(shù)據(jù)傳不需要衛(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（4）移動(dòng)性管理低軌道衛(wèi)星是天地一體化網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)。衛(wèi)星移動(dòng)速度高達(dá)7km/s以上，每個(gè)星波束服務(wù)用戶的時(shí)長(zhǎng)可能只有幾十秒，這將會(huì)導(dǎo)致頻繁的波束切換。整網(wǎng)用戶的頻繁切換將會(huì)給系統(tǒng)帶來無法承受的信令開銷，對(duì)用戶服務(wù)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(dòng)性降低信令開銷，提高切換可靠性。切換的場(chǎng)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（5）頻譜管理而新一代移動(dòng)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(jìn)的過程中，為了維護(hù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的連續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性，新舊系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)會(huì)長(zhǎng)期并存，且舊系統(tǒng)的頻譜短時(shí)間內(nèi)不會(huì)釋放，這就增加了新一代通信網(wǎng)絡(luò)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(jìn)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(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)[7]，以感知無線電技術(shù)為基礎(chǔ)，使異系統(tǒng)間或同系統(tǒng)異設(shè)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（6）人工智能（AI）天地一體化網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多層次的ZTETECHNOLOGYJOURNAL異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。引入AI可以靈活地規(guī)劃和改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的按需部署和優(yōu)化，從而使網(wǎng)絡(luò)能夠自我管理、自我演進(jìn)；更加合理地調(diào)度網(wǎng)絡(luò)的軟硬件資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(xué)習(xí)傳輸環(huán)境的特性和變信道質(zhì)量的預(yù)測(cè)、智能編解碼方案的選擇、波束間的干擾管理以及波束間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(luò)中，終端的演進(jìn)主要體現(xiàn)在形態(tài)和傳統(tǒng)的無線移動(dòng)通信終端主要是手持式的，最常見的就是手機(jī)；而傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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(wù)類型有著密天線增益以及功率的影響，通常工作在1~2GHz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?dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)；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3GHz以上的頻率，且提供中高速數(shù)據(jù)傳輸和廣播業(yè)務(wù)等移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)和固定衛(wèi)星在未來天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)中，準(zhǔn)化頻段；VSAT式端終以車載、船載：（通信處理能力的增強(qiáng)。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(huì)帶來處理的復(fù)雜度，這需要融合終端能夠處理更復(fù)雜的通信協(xié)議棧，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景接入不同的網(wǎng)絡(luò)。（2）感知能力的增強(qiáng)。未來融合終端不僅僅是用于通話、上網(wǎng)和視頻等消費(fèi)需求，還會(huì)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(luò)，從而進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用；也可以采集個(gè)人的生理信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)身體狀況等。（3）算力能力增強(qiáng)。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(qiáng)，以便能夠及時(shí)有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸、處理海量數(shù)據(jù)的壓力，并能及時(shí)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏玫男畔⒎?wù)于用戶。（4）AI能力的增強(qiáng)。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(shí)別等方面，因而未來的融合終端也當(dāng)前，B5G/6G的研究工作正在如火如荼地進(jìn)行?？仗斓匾惑w化網(wǎng)絡(luò)作為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要特征，已是業(yè)內(nèi)共識(shí)。通過地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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)任何地點(diǎn)與任意一方通信的美好愿景。空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的研究處于初始階段，尚存在許多關(guān)鍵性問題需要解決。本文中，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)以及終端3個(gè)方面，我們提出了技術(shù)演進(jìn)的方向，希望能與學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界一起共同推動(dòng)相關(guān)的技術(shù)本研究得到了中興通訊股份有限公司算法部部長(zhǎng)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/Foru