空天地一体无线网络技术

目前，地面网络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%，为提供全域无缝覆盖服务，卫星网络需作为地面网络的补充，共同构建涵盖陆海空天的全空间立体通信网络。随 着 第 三 代 合 作 伙 伴 计 划 （ 3rd Generation Partnership Project，3GPP） 5G 非地面网络技术（Non Terrestrial Network，NTN）和 6G 天地一体技术的持续演进，卫星和地面网络正逐步形成深度融合趋势，通过地面网络的先进通信技术、设备研发和产业规模、庞大的用户群体，与卫星产业共同构建涵盖陆海空天的全空间立体通信网络，全球天地一体技术研究及应用进入全新快速发展阶段。天地一体网络将为地面网络无法部署或建网维护成本高的区域填补覆盖空洞，实现面向偏远地区、荒漠、海洋、航空等陆海空全域立体空间 “泛在连接”，面向个人、企业及政府提供大众手机直连、广域物联及应急救援保障等“泛在场景”新服务。

天地一体技术研究按近期和中期分为两阶段进行。一方面以 5G 地面移动通信网络技术为基础，通过 3GPP 标准面向天地融合场景进行能力增强，另一方面，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）等国际标准组织面向中期加速 6G 天地一体需求和技术标准的研究。

       与地面移动通信系统不同，6G 天地一体融合无线网络技术将面临更加复杂的挑战，主要包括：

1.网络拓扑高速动态变化

2.星地信道环境差异巨大

3.星地网络组网复杂度高

4.星上网元平台能力受限

关键技术：

首先，如图所示，天地一体网络覆盖场景分为星地协同覆盖区域和卫星独立覆盖区域两种场景。其中，星地协同覆盖区域主要包括地面网络覆盖空洞和星地网络交叠地带。针对该场景，由地面 NTN 基站和地面大网基站共同提供通信服务。卫星独立覆盖区域主要指航空、海洋、森林、沙漠、极地等地面网络难以覆盖的区域，只能通过卫星网络进行覆盖，由星载 NTN 基站为星下可见区域提供覆盖，数据由星间链路回传落地。

         

      为应对天地一体融合中存在的诸多挑战，6G 天地一体网络需要通过智能协作无线组网架构，实现星地覆盖、资源、调度等高效协同，最大化网络效率，降低网络成本，同时实现无缝的星地切换能力，保障业务连续性和用户体验。该架构兼容透明转发卫星和再生卫星，以星地智能动态协作网关及网元为核心，是一种可实现星地智能动态协作的高效新型无线组网架构。其中，星地智能动态协作网关负责面向星地交叠区域地面基站注册、注销及信息更新，信息更新包含地面基站信息及与星上基站关联信息（含地面基站使用频率、地理位置及与卫星基站波位关联信息等）；星地智能动态协作网元作为卫星基站对应锚点，用于汇聚交叠区域地面基站信息与对应卫星基站覆盖区域波位关联及去关联，负责地面基站和卫星基站连接关系建立及去除等功能；地面信关站及地面 NTN 基站属于透明转发卫星通信子系统，负责透明转发卫星馈电及测控链路信号的收发和基带信号的处理。支持星地动态连接的地面大网基站，一方面具有为地面蜂窝用户提供通信服务的能力，另一方面具备通过动态星地连接与星上处理卫星的星载 NTN 基站进行信息交互的能力。基于以上网元，实现星地协同区域的按需接入、资源协调以及卫星测控。

       其次，天地一体融合网络的空口设计总体目标是面向空、天、地、海等泛在连接场景，支持参数化可配置可裁剪的统一空口设计。为了保障终端快速接入与网络可靠传输，需要进一步研究包含波形、多址接入、时频同步、极简接入以及覆盖增强等关键技术，包括：

1.新波形设计：考虑卫星通信时延大、带宽和功率受限、器件非线性程度高等特点，面向 6G 的天地一体融合网络的新波形研究，可从以下两方面考虑：一是增强已有波形，二是设计新型波形。

2.新型多址接入：目前无论 5G NR 还是 3GPP NTN均采用正交多址方式。面向 6G 天地一体融合网络的应用场景更加复杂、终端类型更加多样、用户数量呈级数式增长，传统的正交接入方式难以适应未来发展的需求，需要研究非正交多址接入技术来增强频谱效率、提升接入用户数量、降低高可靠场景的时延等。

3.时频同步：3GPP NTN 在 R17 版本已经初步完成了基于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）信息的星地时频同步补偿方案。但是在面向 6G 的天地一体融合网络中，高、中、低轨道卫星以及高空平台等同时存在，终端需要具备测量、监测、接入到不同的网络的能力，因此需要在时频同步技术方面进一步开展研究，一方面需要增强时频补偿的能力，另一方面需要适应多重异构网络下的不同时序关系，保障星地时频同步、有效调度。

4.极简接入：卫星通信因为传输路径长具有更大的时延，此外卫星的快速运动也会带来很大的多普勒频偏，因此，需要解决随机接入中的上行频率和时间估计问题。

5.覆盖增强：目前 3GPP NTN 虽然已经针对 NTN 场景开展了覆盖增强的研究，但是在未来 6G 天地一体融合网络下，由于实际应用场景的需求变化，可能存在链路预算不足的场景，为了保证正常的接入及数据传输，可以考虑从以下几个方面进行覆盖增强：一是重复传输，通过重复传输可以有效提高增益；二是联合信道估计，在低信噪比场景下，通过适当的联合信道估计可以提升信道估计的可靠性；三是跳波束，通过采用时分的方式覆盖不同区域来保证覆盖范围；四是盲重传，通过盲重传获得分集增益或者冗余版本合并增益。