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面向 6G 的星地一体化网络通过卫星网络与地面网络的优势互补、紧密融合，将扩大网络覆盖范围，提升网络整体效率，从而实现全球立体无缝覆盖网络。概述了星地融合网络发展现状及趋势。分析了星地融合网络发展路径，从过去的业务融合到现在的体制融合再到未来的系统融合。指出了面向 6G 的星地融合一体化组网中网络架构、空口传输、组网方式以及频率管理方面存在的挑战以及未来可能的发展方向。   20 世纪 80 年代以来，移动通信得到快速发展及广泛应用［1］。第一代移动通信系统主要传输的是模拟信号，能够提供基本语音服务。第二代移动通信系统采用数字调制技术，相比于 1G 有更高的传输速率，且增加了短信、彩信业务。第三代和第四代移动通信系统是基于分组域的移动网络，能够达到更快的传输速率。3G 能够提供传输图片、视频的中低速多媒体服务，以及支持海量 APP 的使用。4G 时代是移动互联网时代，此时网络速度峰值可达100 Mbit /s。如今第五代移动通信系统则是万物互联的时代。5G 力求实现高带宽、高可靠低时延以及海量设备连接，同时保证端到端的服务质量［2-3］。 随着 5G 系统开始全面商用，人们对未来第六代移动通信系统的设想也在逐渐展开，国际电信联盟( international telecommunication union，ITU) 也启动了 6G 的研究工作。业界认为 6G 时代的网络场景，将是卫星网络与地面网络深度融合的一体化网络。 由于融合了卫星网络且采用了新一代无线技术，未 来 6G 将具备更广阔的覆盖范围、更大的通信容量、更小的传输时延和更多的用户连接能力，辅以人工智能、大数据、云计算和区块链等技术，实现更加泛在、智能、安全、可信的公共移动信息基础服务能力［4-6］。 相比地面移动通信系统，卫星通信系统具有覆盖范围广、通信容量大、地形影响小、灵活性高和能适应多种业务等不可比拟的优点。5G 虽然已开启全球商用，为用户提供高比特率、低延迟、高容量、多新业务和垂直应用的通信服务［7-9］，但受限于地理环境和商业模式，导致其无法保障远洋与陆地边远地区的网络覆盖。 为突破地形限制，将卫星网络与地面网络融合构建全球无缝覆盖的星地融合立体网络，已经成为当前学术界和产业界研究的热点。星地融合网络，是以地面网络为基础、以卫星网络为延伸，覆盖太空、空中、陆地、海洋等自然空间，为天基、空基、陆基等各类用户的活动提供信息保障的基础设施［10-11］。星地融合网络的建设是一个逐步推进、持续完善的长期过程，科学合理的体系架构和网络模型设计是进行研究的基础和出发点［12-13］。 第三代合作伙伴计划( 3rd generation partnership project，3GPP) 和 ITU 等国际组织成立了相应的工作组开展星地融合的标准化研究，中国通信标准化协 会 ( China communications standards association， CCSA) 也于 2019 年成立了航天通信技术工作委员会开展星地一体化的研究工作。其中 3GPP 立项的非地面网络( non-terrestrial networks，NTN) 致力于将卫星 通 信 与 5G 融 合，解 决 新 空 口 ( new radio， NR) 支持 NTN 的关键问题［14］。5G 标准化持续演进，面向 6G 的关键技术攻关也已开展，ITU 6G 标准规划初步成型。这些工作为面向 6G 的星地融合研究奠定了技术基础。 本文中我们将概述星地融合网络发展现状，对天地融合网络发展路径进行分析，并就面向 6G 的星地融合一体化组网采用的多个关键技术进行分析展望。  陆地蜂窝网络只能在有限的地区铺设基站，一些自然条件恶劣、经济成本高的地区( 如荒漠、海洋) 很难铺设基站。因此，受制于经济成本和技术因素，现有地面蜂窝通信网络仅仅覆盖了地球表面陆地约 20% 的地区，覆盖面积小于地球表面积的6%，覆盖人口约占总人口的 70%。卫星网络因广阔的覆盖面积、大容量高速率的数据传输以及不受地理因素影响等优点可以很好填补地面网络的不足。经历了 2000 年后十多年的低潮，卫星通信系统随着移动互联网的快速发展也取得了一定的进步。 如今以宽带互联为主要特征的新一代卫星通信系统已经逐渐发展起来并有加速趋势。新一代卫星移动通信系统有如下特点。
各科技大国都开始着手自己的卫星发射计划，目前国外已公布的星座规划有 14 项，其中美国 9 项、俄罗斯、加拿大、印度、韩国、荷兰各一项。国际典型低轨卫星计划有美国的 OneWeb、Starlink 和 Kuiper、法国的 LeoSat、加拿大的 Telesat。中国也紧跟步伐，开始建设鸿雁星座和虹云工程并发射了部分主干网卫星。鸿雁星座预计于 2024 年部署完成，并向用户提供窄带通信、物联网和宽带互联网等业务。虹云星座于 2022 年完成星座部署后，可提供全球无缝覆盖的宽带移动通信服务，为各类用户构建“通导遥”一体化的综合信息平台［15］。中国在近期也组建了卫星通信网络集团，从国家层面统筹卫星互联网的发展。 现有卫星通信系统体制标准协议标准化程度低，协议标准滞后于通信系统的发展建设，导致卫星通信系统应用范围小。其中，窄带卫星通信系统体制标准通常借鉴地面通信系统标准; 宽带卫星通信系统体制标准以原有宽带多媒体标准协议进行修改，主要应用于卫星互联网业务。 目前，宽带卫星通信系统存在以下几点不足: ①现有协议无法支持多种不同业务共存，卫星系统通信协议容易发展成“烟囱”式协议，产业规模小，设备价格高; ②已有的协议虽然实现了空口基本传输的底层协议标准化，但是系统上层协议标准、系统构建、测试等方面都极少涉及，也缺乏支持网络切换、灵活传输架构、星间接口、网络安全等组网必要的能力; ③现有协议的空口设计资源调度灵活性不足，资源调度效率和可靠性低，业务质量控制较弱，服务质量( quality of serv- ice，QoS) 得不到保障，无法支持复杂业务传输。 低轨卫星因其低成本、低延迟、高速率、大容量等优势，在构建卫星互联网中起到了重要作用。低轨卫星网络作为对地面 5G/6G 网络的补充有着巨大优势，是业内对卫星通信产业 5G/6G 时代的主流展望。以低轨卫星为主要卫星类的星地融合网络的展望可以概括为以下几点。
卫星将成为 5G 系统中一个重要组成部分并发挥着重要的作用，已得到业界广泛认可。ITU 开展了 NGAT SAT( key elements for integration of satellite systems into next generation access technologies) 立项， 在 ITU-RM．2083 中提出了“下一代移动通信网应满足用户能随时随地访问服务的需求”。在 ITU-RM． 2460 中分析了卫星系统整合到下一代接入技术中的关键因素，并提出卫星网络典型应用场景: 中继宽带传输业务，数据回传与分发业，宽带移动通信业务，混合多媒体业务。 2017 年 6 月，欧洲成立 Sat5G 联盟，探索将卫星集成到 5G 网络中的可行性方案，主要工作包括: ①在卫星 5G 网络中实施网络功能虚拟化( network functions virtualization，NFV) 和软件定义网络( soft- ware defined network，SDN) 技术; ②研究卫星/5G 多链路和异构传输技术; ③融合卫星网络和 5G 网络的控制面与数据面; ④卫星/5G 网络一体化的管理与运维技术。3GPP 从 R14 已经开始对卫星通信进行研究，旨在通过卫星与地面移动网络的优势互补实现更广阔的覆盖满足用户接入服务需求。 在 2016 年 1 月开始的 TR38．913“下一代接入技术的场景和需求” 中，3GPP 把卫星接入技术纳为 5G 网络的基本接入技术之一。在 2018 年开始的“TR22．822 卫星接入 5G 的研究”报告中给出了 5G 中使用卫星接入的一些研究结果。3GPP 于 2017 年 3 月启动了新计划，旨在研究卫星在 5G 中的作用，并且已经完成了两个研究项目( study item，SI) 。经过两年的研究阶段，3GPP 已批准 NTN 成为 5G 新的关键特性，并且工作项目( work item，WI) 已从 2020 年 1 月开始运行［17］。同时，3GPP 定义了 NTN-5G 系统的 3 个主要服务类别。NTN 的 3 个主要服务类别是服务连续性、服务普遍性和服务可扩展性，总结如下［18］。
R15 NTN SI 中研究了 NTN 部署场景和信道模型，分析了 5G 空口影 响 因 素，发 布 了 TR38． 811。R16 NTN SI 提出了基于 5G 空口支持 NTN 网络的技术解决方案，开展链路与系统级性能评估。目前3GPP Release 17 已经开始了 3 个 NTN 项目的标准化制定，包括 NR over NTN、IoT( internet of things) over NTN、5G ARCH_SAT。预计 R17 将完成第一个基于 5G 的卫星弯管透明转发技术标准。 5G 标准仍在持续演进中，目前已经开始 5G Pro 的标准化工作。随着 release 更高版标准的发布，5G 在继续提升现有性能特性的同时，也引入一些新的特性。同 时，6G 空口技术需满足 6G 的能力需求，6G 需要提升其在空口接入和立体覆盖上的能力。目前，面向 6G 的星地融合正关注于卫星与地面网络空口设计方案的融合统一，面向 6G 的关键技术攻关已经开展，ITU 6G 的技术标准也已初步成型［19］。 星地融合网络具有多层立体、动态时变的特点，其拓扑结构的动态性、复杂性和可扩展性，空间节点的高速移动性和有限的存储及处理能力，使得现有空间信息传输技术不能很好地满足新型空间网络架构下的通信需求。下面将从业务、体制和系统融合三阶段技术发展路径分析星地融合网络。 传统的地面网络技术成熟、资源丰富，但受地理环境影响较大。卫星网络中的卫星中继节点分布于太空，有更高的灵活性和更大的覆盖范围。因此，人们很早就开始尝试卫星与地面网络进行优势互补，即初步的融合: 星地融合通过中间网关实现互联互通，使得业务相互增强，但卫星与地面网络各自独立。 业务量和多样化需求的增加给传统移动网络带来了问题。第一，移动业务量的激增和新一代无线接入技术的发展，使移动网络的瓶颈从无线电接口转向了回传和核心网络［20］。第二，网络间相互独立，技术体制不兼容。第三，通过网关实现卫星与地面网络业务互联互通，卫星网络业务类型单一。第四，资源无法统一协调，网络效率低。 由于卫星通信与地面无线通信在部署环境、覆盖范围、信道传输特征等方面存在很多差异，实现两者的深度融合面临着一些挑战第二阶段是体制融合，卫星通信系统采用与地面相同或相似的通信体制，频谱资源与地面系统协同服用［23］。 随着星地网络的融合与改造，目前关于星地融合网络的架构是星地互补网络和星地混合网络。在星地互补网络架构下，地面系统和卫星系统共用网管中心，但各自的接入网、核心网和所用频段保持独立性。在星地混合网络架构下，空口部分尽量统一，传输与技术融合设计方面，两个网络采用相同或近似的体制与关键技术，充分利用地面网络丰富的产业链基础提升研发效率。在复杂的 5G 场景中，各参与者( 地面和卫星运营商、5G 垂直行业和基础设施提供商) 都参与到一个由多种资源( 地面无线电系统、卫星、云/边缘计算和传输) 组成的生态系统中，中间空中接口统一体制变得更加重要［24-25］，这也是体制融合的关键。 目前，从卫星网络的业务构成来看，与地面网络互通仍然占据主要份额，且卫星与 5G 架构的研究实际仍只是通过网关实现卫星与地面网络业务的互联互通，卫星网络业务类型单一; 资源无法统一协调和管理; 没有实现频率共享共用和协调管理，使得网络效率低。 根据我国当前空间信息网络的规划以及国外相关领域的发展趋势，未来面向 6G 的星地融合一体化网络如图 1，从卫星通信网络走向空间信息网络，从天地一体化走向空天地海一体化的空间信息网络，以多种空间平台( 同步卫星、中低轨卫星、平流层浮空器以及飞机无人机等) 为载体，使星地构成一个整体，整个系统的接入点、频率、接入网、核心网完全统一规划和设计，提供用户无感知的一致服务，采用协同的资源调度、一致的服务质量、星地无缝的漫游。与过去和现在( 5G) 的星地融合网络相比，未来面 向 6G 的系统融合过程将划分为以下 7 个层次。
图 1 星地融合一体化网络组成 卫星与地面网络融合将扩大网络覆盖、提升网络频率资源利用率以及实现天地频率共享共用; 同时天地协作传输，来提升业务支持能力和传输效率，构建绿色高效节能的网络通信环境。 未来面向 6G 的星地融合互联网络是天基多层子网( 高轨卫星、中低轨卫星以及监控设备) 和地面蜂窝多层子网( 宏峰网、微蜂窝和皮蜂窝) 等多个异构网络的一体融合［26］，如图 2。
图 2 大时空尺度跨域异构的 6G 星地融合组网 然而，多层复杂跨域组网会导致网络架构设计困难，大尺度空间传播环境会导致传输效率低，以及卫星的高速运动会导致网络拓扑高动态变化，进而导致业务质量难以保障，这些都是 6G 星地融合组网所面临的巨大挑战。要解决这些问题，需要从星地融合的网络架构、星地融合的空口传输、星地融合的组网方式以及星地融合的频率管理这 4 个方面实现关键技术突破。  在网络架构方面，研究卫星与地面蜂窝通信架构的统一设计。设计弹性可重构的灵活网络架构和高效的多域多维度网络管理架构，分别实现星地网络节点间网络功能的柔性分割和提高星地融合网络中的资源管理效率。下面分别对弹性可重构星地融合网络架构和高效的多域多维度网络管理架构进行简要介绍。 （1）弹性可重构星地融合网络架构 弹性可重构星地融合网络架构如图 3。在图 3 中，天地融合网络根据卫星处理能力构建分层分域的协同管理架构，通过高轨、低轨、地面三级控制器协同工作，完成端到端的网络和业务管理。 星地融合网络采用服务化的网络架构，网络功能可以根据业务和组网需求进行按需部署，根据不同的部署场景以及网络传输能力灵活适配业务场景和需求，根据业务场景和需求智能地提供弹性可重构的网络服务能力，实现网络功能的按需重构，保证网络按需服务能力［27］。
图 3 弹性可重构星地融合网络架构 核心网功能在地基和天基上进行功能柔性分割。地基实现完整的核心功能，天基实现核心网功能制定，支持灵活路由与业务传输。通过集中单元( centralized unit，CU) 和分布单元( distributed unit， DU) 分离的接入网架构，针对不同的卫星载荷，实现接入网功能的定制化。SDN 技术能够在异构多域网络环境下对全网资源进行统一管理和动态配置，实现灵活高效的资源分配和协同。因此采用基于 SDN 的传输网络架构，高效支持动态拓扑变化带来路由优化［28］。 由于天地融合网络具有全域覆盖、随遇接入和动态变化的特性，因此需要对异构网络资源进行智能化统一管理。通过智能网络管控平台对天地融合网络的虚拟资源统一管控，提高网络资源利用效率，保证网络服务能力。根据业务需求和网络状况进行端到端的网络切片，保证用户的体验质量。 （2）高效的多域多维度网络管理架构 为了满足星地融合网络架构弹性可重构的需求，需要重点从统一移动性管理架构、星地融合网络边缘计算架构、智能端到端全生命周期的切片管理架构、异构跨域网络资源管理架构这 4 个方面来实现融合网络移动性、边缘计算、切片和资源调度的统一管理，提升大时空尺度异构组网端到端管理效率［29］。 在统一性移动管理架构层面，为了实现移动可预测和群组移动，可以引入基于人工智能的按需移动性管理架构和基于群组特征的移动性管理架构。在 6G 星地融合网络边缘计算架构层面，为了解决卫星能力受限和融合网络应用场景多样的问题，可以引入轻量级的边缘计算平台架构和边缘计算功能的柔性分割［30］。 在智能端到端全生命周期的切片管理架构层面，由于 6G 星地融合网络的高动态和多域部署特性，可以引入高动态智能端到端网络切片管理架构和多域网络协同编排技术。在异构跨域网络资源管理架构层面，由于 6G 星地融合网络的资源表征不同以及多域部署，可以引入基于人工智能的异构资源管理架构和跨域的网络资源协同编排。 在空口传输方面，研究卫星与地面蜂窝通信的统一空口设计方案，支持多种业务传输，使得终端接入到最合适的星地融合网络节点。下面分别对多星多波束协同传输和新型调制与接入的关键技术进行简要介绍。 传统的卫星通信一般采用单星单波束服务一个用户，这在一定程度上限制了用户的数据传输速率，卫星资源的使用效率也未能充分利用［31］。为了进一步利用卫星的空间传输特性，可以让一个终端同时连接在编队的多颗卫星上。这些卫星通过协作实现联合数据传输，从而获得发送分集增益或者复用增益。 多星协作传输技术作为提升卫星传输速率的一种候选技术，多个卫星波束或者单个卫星多个极化波束在相同频谱资源中为同一个用户传输数据。多星协作传输技术对系统要求较高，其主要的研究内容与技术挑战包括。
多星多波束协同传输示意及仿真结果如图 4。从仿真结果可以看到，通过 4 星多波束协作传输，可实现单用户 150%以上传输速率的提升。
图 4 多星多波束协同传输示意及仿真结果 星地融合新波形与多址接入，重点研究的内容包括: ①星间/星地联合传输信道模型、低峰均比和带外辐射的( 正交频分复用+超奈奎斯特) 高效波形以及因子图高效译码; ②基于用户接入指纹和 AI 的低相关性高容量非正交多址接入方案。 融合网络极简接入与传输过程，对于 6G 卫星通信超大规模机器类通信( umMTC) 业务，终端具有短突发数据、连接数大、功耗低、成本低的特点，这对存在信号损耗大、接入时延长、存在大频偏等固有特性的星载基站来说有很大的挑战性。因此，融合网络极简接入与传输过程如图 5，需要简化 6G 卫星通信接入流程、减小接入时延、减少碰撞几率等技术手段提高接入成功率和接入效率。主要研究的内容包括: ①大多普勒高精度同步、结合非正交多址的简化两步接入和基于预测的低开销定时维护; ②基于边缘计算、网络编码和动态重传控制的耐受高延时混合自动应( hybrid automatic repeat request，HARQ) 。
图 5 融合网络极简接入与传输过程 在组网方式方面，主要研究小区间频率规划、多层网络间自适应路由和无缝切换、星地一体多级边缘计算任务迁移等。下面对星地融合资源智能管控进行简要介绍。 天地跨域异构高效统一资源管理，旨在通过有效联合不同网络系统中的资源以充分发挥网络综合效能，从而更好满足未来复杂多变的任务需求。主要研究的内容包括: ①天地多维资源表征及关联图谱; ②融合网络多级智能协作管控策略; ③天地资源联合协同与部署。 弹性高效动态路由与移动性管理，由于低轨卫星运动速度过快导致网络拓扑高动态变化，因此需要研究的内容包括: ①能力聚合的协作路由和路由重规划; ②分级垂直切换与低时延群切换。 高动态拓扑环境下的按需确定性服务，星地融合网络采用服务化的分层架构，可以根据业务感知和资源感知进行按需部署，如图 6。主要研究的内容包括: ①高确定性按需服务分层架构; ②基于队列调度 的 高 确 定 流 量 控 制; ③ SDN 控制流保护机制［32-33］。
图 6 高动态拓扑环境分层架构 在频率管理方面，基于统一管理的网络频谱资源，来研究星地间频谱的协调管理机制。通过频谱共享和干扰管理方案，提高频谱资源利用率。下面对卫星和地面通信的频率共享进行简要介绍。 随着用户业务需求的增长，频道资源变得越发匮乏，星地融合网络中如果使用传统的频率硬性分割会导致传输效率下降。为了提高频率资源的利用效率，需要研究空间多层网络的信号传输特点，利用波束和覆盖的差异性，探索星地通信的软频率复用方法; 通过干扰预测和资源协调，进一步研究频率动态共享复用的技术和方法，以降低小区边缘干扰，同时提升小区边缘传输效率; 通过引入机器学习，研究基于机器学习的频率态势预测方法，提出星地异构系统动态频率共享策略［34-35］。低频段卫星与地面频谱协调与共享原理如图 7，高频段卫星与地面干扰避免与共享原理如图 8。
图 7 低频段频谱协调与共享
图 8 高频段干扰避免与共享 卫星通信网和地面蜂窝网技术在各自领域快速发展，卫星与地面的深度融合已成为未来 6G 网络技术发展的重要方向，得到业界广泛认可。卫星通信网与地面通信网间通过优势互补、紧密融合，将扩大网络覆盖范围，提升网络整体效率，实现全球立体无缝覆盖网络。天地网络融合将遵循业务、体制和系统融合三阶段技术发展路径的业界共识，在频率使用、网络架构、资源管理、空口体制与业务支持方面进行融合，最终形成天地一体无感知服务的统一网络。 本文转载自“ 重庆邮电大学学报( 自然科学版)” |
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