空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展愿景與挑戰(zhàn)

摘要

從未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)的愿景出發(fā)，首先討論了空天地一體化的網(wǎng)絡(luò)愿景，提出了一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在分析了衛(wèi)星通信息和空基通信系統(tǒng)的特點(diǎn)后，給出了未來(lái)空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景。然后從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信設(shè)施與設(shè)備及空口技術(shù)等3個(gè)方面詳細(xì)闡述了當(dāng)前一體化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)挑戰(zhàn)。最后總結(jié)了當(dāng)前地面通信運(yùn)營(yíng)商在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的嘗試，提出非地面網(wǎng)絡(luò)具有明顯的覆蓋優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)距離通信的低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)服務(wù)優(yōu)勢(shì)，可以幫助運(yùn)營(yíng)商提供低成本的普遍服務(wù)及擴(kuò)展現(xiàn)有的通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)收入增長(zhǎng)。

0 引言

2019年3月，芬蘭奧盧大學(xué)邀請(qǐng)70位來(lái)自各國(guó)的頂尖通信專家召開了全球首屆6G峰會(huì)，共同起草世界上第一份6G白皮書，闡明6G發(fā)展的基本方向。2019年11月3日，我國(guó)科技部會(huì)同發(fā)展改革委、教育部、工信部、中科院、自然科學(xué)基金委在北京組織召開6G技術(shù)研發(fā)工作啟動(dòng)會(huì)，成立國(guó)家6G技術(shù)研發(fā)推進(jìn)工作組和總體專家組，標(biāo)志著我國(guó)6G技術(shù)研發(fā)工作正式啟動(dòng)[1]。

全球首份6G白皮書《6G無(wú)線智能世界的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)和研究挑戰(zhàn)》[2]，初步回答了6G的技術(shù)特點(diǎn)和挑戰(zhàn)。認(rèn)為未來(lái)6G的愿景是具備泛在、無(wú)線、智能等特點(diǎn)，能夠提供無(wú)縫覆蓋的泛在無(wú)線連接和情景感知的智能服務(wù)與應(yīng)用。6G將會(huì)突破地面網(wǎng)絡(luò)限制，實(shí)現(xiàn)地面、衛(wèi)星、機(jī)載網(wǎng)絡(luò)和海洋通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫覆蓋，即空天地一體化的通信網(wǎng)絡(luò)。

1 空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)愿景

自1898年馬可尼第一次發(fā)射無(wú)線電信號(hào)起，空基、天基、地基、?；鶡o(wú)線電通信也在持續(xù)地演進(jìn)，但是各通信系統(tǒng)采用不同的技術(shù)體制和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)間獨(dú)立封閉，信息交互能力差，發(fā)展程度不平衡。天基方面，高軌衛(wèi)星與低軌星座相互獨(dú)立，彼此之間無(wú)法通信；海上多采用海事衛(wèi)星、短波/超短波等通信手段；航空方面一開始僅有前艙的制式通信，直到近年來(lái)才通過(guò)利用高軌衛(wèi)星，逐步在后艙開展了有限的公眾娛樂(lè)通信業(yè)務(wù)。

未來(lái)的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)關(guān)注的是融合，典型的一體化網(wǎng)絡(luò)由三部分組成：由各種軌道衛(wèi)星構(gòu)成的天基網(wǎng)絡(luò)，由飛行器構(gòu)成的空基網(wǎng)絡(luò)，以及傳統(tǒng)的地基網(wǎng)絡(luò)，其中地基網(wǎng)絡(luò)又包括蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星地面站和移動(dòng)衛(wèi)星終端以及地面的數(shù)據(jù)與處理中心等[3]。網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)。

a)不同軌道的衛(wèi)星系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)劃。

b)臨近空間和民航飛機(jī)等航空器構(gòu)成空基網(wǎng)絡(luò)，可以與衛(wèi)星和地面通信系統(tǒng)通信。

c)非地面系統(tǒng)與地面網(wǎng)絡(luò)深度融合，采用統(tǒng)一的空口技術(shù)和核心網(wǎng)架構(gòu)，并與MEC和網(wǎng)絡(luò)切片結(jié)合，減少高空通信時(shí)延。

d)多層次覆蓋，提供多重業(yè)務(wù)類型。

2 空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景

空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)將多元的通信平臺(tái)設(shè)施結(jié)合起來(lái)，可以提供更加廣闊和多樣化的無(wú)線通信業(yè)務(wù)。

2.1 衛(wèi)星通信特點(diǎn)分析

根據(jù)軌位、高度不同，衛(wèi)星通信系統(tǒng)分為高軌同步衛(wèi)星、中軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星3種。以下是高軌同步衛(wèi)星、中軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的通信能力與成本的比較

從表1可以看到，軌道越高，單星的覆蓋能力越大，單星成本越高，時(shí)延越大。而隨著軌道高度的下降，單顆衛(wèi)星的能力下降，單星成本下降，但是由于需要多顆衛(wèi)星形成星座，因此星座系統(tǒng)的成本急劇上升。圖2是OneWeb系統(tǒng)與5G系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比，其中容量成本和覆蓋成本采用歸一化的比較方法。

從圖2可以看出，與5G相比，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)。

a)衛(wèi)星通信的時(shí)延較高，端到端時(shí)延可能達(dá)到幾十至百ms級(jí)別。

b)單用戶和單星峰值速率均小于地面5G網(wǎng)絡(luò)，容量成本遠(yuǎn)大于5G。

c)受限于不同的技術(shù)體制和較大的傳輸鏈路損耗，衛(wèi)星系統(tǒng)無(wú)法與蜂窩終端直接通信，而衛(wèi)星終端的成本與能耗也相對(duì)較高。

d)衛(wèi)星的覆蓋不受地形限制，覆蓋成本低。

e)衛(wèi)星具有天然的廣播性，可以在很大的地理范圍內(nèi)向大量終端廣播數(shù)據(jù)，節(jié)省傳輸帶寬并且各終端之間收到廣播信息的時(shí)延差很小。

2.2 空基通信系統(tǒng)特點(diǎn)分析

根據(jù)通信載體位于空間的高度，空基網(wǎng)絡(luò)包含臨近空間的高空通信平臺(tái)（HAPS——high Altitude Platform Station）/高空基站（HIBS——HAPS IMT BS）、民航客機(jī)和泛在低空無(wú)人機(jī)等類型，圖3為空基通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。其中HAPS的高度最高，可達(dá)到20~30 km，覆蓋范圍最廣，可以達(dá)到50 km的覆蓋半徑。相比衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，空基網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)。

a)相比衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，空基網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路大大縮短，能夠與地面終端直接通信。

b)與地面蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)相比，空基網(wǎng)絡(luò)覆蓋不受地形限制，覆蓋成本小。

c)HAPS/HIBS目前受限于浮空器，通信載荷受限，供電困難，容量成本高。

d)民航客機(jī)的通信載荷大，規(guī)律巡航，時(shí)間成本可控，但不能提供實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)。

e)低空無(wú)人機(jī)可作為基站或終端。

2.3 空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)上述分析，可以得出如下結(jié)論。

a)覆蓋方面：高通量衛(wèi)星、中低軌衛(wèi)星星座及HAPS/HIBS等非地面網(wǎng)絡(luò)具有較低的覆蓋成本，且對(duì)地面的覆蓋不受地形限制。

b)容量方面：中、低軌衛(wèi)星星座具有龐大數(shù)量的衛(wèi)星，而HAPS/HIBS的載荷受限，因此中低軌衛(wèi)星具有更大的容量能力。

c)與地面通信方面：衛(wèi)星通信空—地鏈路傳輸損耗大，因此衛(wèi)星無(wú)法與地面移動(dòng)終端直接通信；衛(wèi)星終端復(fù)雜度高、成本高、能耗大、體積大，無(wú)法在廣覆蓋中有效地實(shí)現(xiàn)低能耗、低成本的部署；衛(wèi)星在大范圍內(nèi)的時(shí)延同步性較好，在廣覆蓋范圍內(nèi)的時(shí)延差別很小。HAPS可以搭載IMT基站，且空—地鏈路傳輸損耗小，可以與地面IMT終端直接通信；也可以搭載任意的固定微波設(shè)備，與地面關(guān)口站或CPE通信；因此，空基網(wǎng)絡(luò)可作為地面網(wǎng)絡(luò)的有效延伸，快速低成本的實(shí)現(xiàn)廣覆蓋；并且可作為面向衛(wèi)星的匯聚節(jié)點(diǎn)。

因此，借助非地面網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)可以突破地形限制，為公眾和行業(yè)提供真正無(wú)縫泛在的高速業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

(1)公眾服務(wù)。

（a）普遍服務(wù)。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)政府高度重視農(nóng)村地區(qū)脫貧致富和可持續(xù)發(fā)展，將電信普遍服務(wù)作為打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)、實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)的重大舉措之一全力推進(jìn)。自2015年底實(shí)施電信普遍服務(wù)試點(diǎn)以來(lái)，國(guó)內(nèi)三大電信運(yùn)營(yíng)商已累計(jì)投入400多億元實(shí)施電信普遍服務(wù)，支持13萬(wàn)個(gè)行政村通光纖和4G建設(shè)，其中包含4.3萬(wàn)個(gè)貧困村[4]。但是普遍服務(wù)的代價(jià)是高成本、低收入，利用非地面網(wǎng)絡(luò)有助于實(shí)現(xiàn)低成本的普遍服務(wù)。

（b）應(yīng)急救災(zāi)。應(yīng)急救災(zāi)是非地面通信網(wǎng)絡(luò)最為常用的場(chǎng)景，目前三大運(yùn)營(yíng)商都具有大量的衛(wèi)星應(yīng)急通信車。近幾年來(lái)隨著無(wú)人機(jī)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)基站在災(zāi)后應(yīng)急通信中發(fā)揮了重要作用 [5]。而在未來(lái)的空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)中，低軌衛(wèi)星和HAPS/HIBS的覆蓋范圍更大，并且有望成為不受地面災(zāi)害限制的、“一直在線”的網(wǎng)絡(luò)，從而能夠更快地恢復(fù)通信。

（c）大型交通工具上的通信服務(wù)。隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)用的全面普及，人們?cè)絹?lái)越離不開手機(jī)這一便捷的通信工具，它具有良好的話音質(zhì)量、快速接通、隨時(shí)接入等特點(diǎn)，使得人們時(shí)時(shí)刻刻都依賴著它。而民航客機(jī)和游輪遠(yuǎn)離地面基站的覆蓋范圍，目前大都采用衛(wèi)星通信+wifi的方式實(shí)現(xiàn)通信。但受限于當(dāng)前高軌衛(wèi)星的通信能力，這種方式的時(shí)延和速率都遠(yuǎn)不能達(dá)到用戶的需求。并且存在wifi安全性較差、不能無(wú)感知接入以及無(wú)法接收短信驗(yàn)證碼等問(wèn)題，使得用戶無(wú)法獲得滿意的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。基于邊緣計(jì)算將非地面網(wǎng)絡(luò)和小基站相結(jié)合，可以為民航后艙和游輪旅客提供低時(shí)延、多樣化的綜合通信業(yè)務(wù)，如視頻點(diǎn)播、游戲?qū)?zhàn)等。

(2)行業(yè)服務(wù)。

（a）全球化低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在普通的eMBB體驗(yàn)中，用戶對(duì)低時(shí)延沒(méi)有太大的感覺(jué)，但是在金融業(yè)和網(wǎng)絡(luò)游戲?qū)?zhàn)中，全球化的低時(shí)延服務(wù)至關(guān)重要?，F(xiàn)有的高軌衛(wèi)星通常會(huì)有幾百ms的時(shí)延，但在未來(lái)的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，長(zhǎng)距離的通信時(shí)延有可能甚至?xí)陀诘孛婀饫w。倫敦大學(xué)學(xué)院的 Mark Handley 教授對(duì)starlink低軌衛(wèi)星星座的長(zhǎng)距離通信時(shí)延進(jìn)行了模擬分析[6]，“倫敦—紐約”線路采用starlink衛(wèi)星比地面光纖快了15 ms（51 ms VS 76 ms），“倫敦—約翰內(nèi)斯堡（南非）”快了100 ms（90 ms VS 190 ms），而這十幾一百ms的通信時(shí)延領(lǐng)先將會(huì)為金融從業(yè)者帶來(lái)豐厚利潤(rùn)。此外，由于衛(wèi)星和HAPS的覆蓋范圍大，在單設(shè)備覆蓋范圍內(nèi)的時(shí)延差相同，因此非地面網(wǎng)絡(luò)也適用于對(duì)于差分時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)。

（b）光纖不可達(dá)地區(qū)的生產(chǎn)管控。如海上鉆井平臺(tái)、遠(yuǎn)洋貨船、邊緣地區(qū)的礦區(qū)等光纖不可達(dá)的地區(qū)，生產(chǎn)企業(yè)具有生產(chǎn)管控的需求，運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)為生產(chǎn)企業(yè)提供整體的網(wǎng)絡(luò)解決方案。

（c）運(yùn)營(yíng)商境外業(yè)務(wù)拓展。當(dāng)前我國(guó)很多跨國(guó)生產(chǎn)企業(yè)在境外都有生產(chǎn)基地，并有管控境外生產(chǎn)基地的需求，將境外生產(chǎn)基地的必要數(shù)據(jù)回傳到國(guó)內(nèi)集團(tuán)統(tǒng)一管理。地面運(yùn)營(yíng)商可以借助空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)為跨國(guó)企業(yè)提供低延遲的境外數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)以及集團(tuán)化的網(wǎng)絡(luò)解決方案。此外，我國(guó)地面運(yùn)營(yíng)商“走出去”也成為增加收入的手段，在境外地面移動(dòng)蜂窩通信業(yè)務(wù)擴(kuò)展初期，可以采用非地面網(wǎng)絡(luò)快速完成廣覆蓋網(wǎng)絡(luò)部署和業(yè)務(wù)發(fā)展。

3 空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)挑戰(zhàn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)涉及多個(gè)通信系統(tǒng)，包括：

a)天基通信系統(tǒng)，主要有高軌衛(wèi)星、中低軌衛(wèi)星星座。

b)空基通信系統(tǒng)，有HAPS/HIBS、民航客機(jī)、低空無(wú)人機(jī)等飛行器通信平臺(tái)。

c)非地面網(wǎng)絡(luò)地面段，主要有衛(wèi)星地面信關(guān)站、衛(wèi)星終端、HAPS信關(guān)站等。

d)地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，計(jì)算與處理節(jié)點(diǎn)，如地面網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)中心、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)等。

與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)相比，空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的部分接入節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的移動(dòng)性，如低軌衛(wèi)星的過(guò)頂時(shí)間只有幾到幾十min，因此需要低時(shí)延、高效率、健壯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和靈活的功能節(jié)點(diǎn)部署方案以應(yīng)對(duì)接入節(jié)點(diǎn)的頻繁切換。同時(shí)由于多個(gè)通信系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)者不同，因此需要設(shè)計(jì)安全、可靠、高效的網(wǎng)絡(luò)接口，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的深度、安全融合。

3.2 通信設(shè)施與設(shè)備

普遍認(rèn)為當(dāng)前的地面移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)先于衛(wèi)星通信技術(shù)，因此在未來(lái)空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)中最為關(guān)鍵的是非地面網(wǎng)絡(luò)等通信設(shè)施的發(fā)展。

3.2.1 通信設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀

3.2.1.1 衛(wèi)星

衛(wèi)星近年來(lái)最主要的發(fā)展趨勢(shì)是高通量和低軌衛(wèi)星星座。

高通量衛(wèi)星（HTS——High Traffic Satellite）是指使用相同帶寬的頻率資源，而數(shù)據(jù)吞吐量是傳統(tǒng)通信衛(wèi)星數(shù)倍甚至數(shù)十倍的通信衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)通信容量達(dá)數(shù)百Gbps甚至Tbps量級(jí)[7]。根據(jù)歐洲咨詢公司于2017年6月發(fā)布的《高通量衛(wèi)星：垂直市場(chǎng)分析與預(yù)測(cè)》[8]，全球30家衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商在高通量衛(wèi)星系統(tǒng)方面的總承諾投資額已達(dá)到近190億美元。2017—2025年預(yù)計(jì)將有大約100次GEO-HTS發(fā)射，平均每年發(fā)射11次，并將至少發(fā)射1個(gè)LEO-HTS星座。我國(guó)的中星16號(hào)衛(wèi)星和發(fā)射失敗的中星18號(hào)衛(wèi)星均是GEO-HTS，其中中星16號(hào)衛(wèi)星總?cè)萘繛?0Gbps，可為單用戶提供150Mbps的通信速率，單用戶速率已經(jīng)達(dá)到一個(gè)Release 8 20MHz載波LTE基站的吞吐量能力。國(guó)際上高通量衛(wèi)星單星最大可提供超過(guò)4000個(gè)波束，總?cè)萘?00Gbps+的能力，未來(lái)容量可提升至1T bps（ViaSat-3）[9]。

10年來(lái)，星座內(nèi)衛(wèi)星數(shù)量大幅增加。2000年和2010年，銥星和全球星的相繼隕落，低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃被地面蜂窩移動(dòng)通信打敗。但是，近年來(lái)小衛(wèi)星技術(shù)長(zhǎng)足發(fā)展，百公斤級(jí)及以下的小衛(wèi)星訂單顯著增多。新生代批量化入軌的全球互聯(lián)網(wǎng)小衛(wèi)星星座，如Starlink、OneWeb等規(guī)劃了上千顆甚至上萬(wàn)顆衛(wèi)星。表2為主要的中低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃。我國(guó)也相繼發(fā)布了“虹云”、“鴻雁”等低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃[10]。

3.2.1.2 HAPS/HIBS

HAPS是將無(wú)線基站安放在長(zhǎng)時(shí)間停留在高空的飛行器上來(lái)提供電信業(yè)務(wù)，覆蓋范圍廣，在20 km的高空，覆蓋范圍半徑最大可達(dá)約500 km。為了推動(dòng)HAPS 技術(shù)的研究與發(fā)展，ITU在1997 年便啟動(dòng)了HAPS 相關(guān)頻率的研究與劃分工作。在ITU研究中，共有2種HAPS應(yīng)用場(chǎng)景。

a)HAPS平臺(tái)通過(guò)固定鏈路與地面網(wǎng)關(guān)、家庭網(wǎng)關(guān)、CPE等進(jìn)行通信，從而向各個(gè)服務(wù)地區(qū)提供大容量的寬帶業(yè)務(wù)。

b)HAPS平臺(tái)通過(guò)移動(dòng)鏈路與地面的海量移動(dòng)終端通信，提供移動(dòng)無(wú)線接入。

軟銀提出采用高空基站（HIBS）實(shí)現(xiàn)低成本的普遍服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，軟銀旗下企業(yè)HAPSMobile將與Alphabet子公司Loon共同開發(fā)這個(gè)項(xiàng)目。目前HAPS、HIBS的應(yīng)用主要受限于高空飛行器的成熟度，高空平臺(tái)設(shè)備的供電能力和載荷能力尚不足以在平流層長(zhǎng)時(shí)間提供通信服務(wù)。至今相對(duì)成功的項(xiàng)目主要是Google的Project Loon，最長(zhǎng)可在空中漂浮100多天時(shí)間。目前該項(xiàng)目已完成在新西蘭、巴西、美國(guó)加州等地的部署測(cè)試。2017年9月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)給Project Loon頒發(fā)了一張有效期為2017年10月6日—2018年4月4日的臨時(shí)許可證，允許30個(gè)谷歌熱氣球在波多黎各和美屬維爾京群島升空，為這些遭遇颶風(fēng)破壞的地方提供移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接[11]。

3.2.2 技術(shù)挑戰(zhàn)

非地面網(wǎng)絡(luò)的通信設(shè)施目前尚未成熟，可以預(yù)見到未來(lái)的通信設(shè)備將面臨以下挑戰(zhàn)。

a)需要適應(yīng)空天地海復(fù)雜的通信環(huán)境。

b)支持多頻多模。

c)由于受到衛(wèi)星和浮空器的載荷限制，非地面網(wǎng)絡(luò)的通信設(shè)備需要控制尺寸和能耗等。

d)終端側(cè)考慮便攜性，也需要控制尺寸。

e)廣域物聯(lián)網(wǎng)的終端需要考量待機(jī)時(shí)間，從而進(jìn)一步降低成本等。

為了應(yīng)對(duì)以上挑戰(zhàn)，空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)需要共享的產(chǎn)業(yè)鏈，設(shè)計(jì)模塊化、靈活可變的設(shè)備結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境和功能要求，并且需要研發(fā)高能效和小型化的設(shè)備形態(tài)。

3.3 空口技術(shù)

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的核心是原有多種制式網(wǎng)絡(luò)的融合，其中一種觀點(diǎn)是將地面移動(dòng)技術(shù)應(yīng)用在非地面網(wǎng)絡(luò)中，此時(shí)空口上將會(huì)面臨以下關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)。

a)頻率共享與干擾消除。相比現(xiàn)有獨(dú)立的各個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，未來(lái)一體化的通信網(wǎng)絡(luò)空口鏈路更為復(fù)雜多樣，每條鏈路上都有很大的數(shù)據(jù)速率需求，而無(wú)線電頻率資源是有限的[12]。因此需要考慮智能、高效的頻率共享與干擾消除方法。

b)天線與射頻。將地面移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用到非地面網(wǎng)絡(luò)，需要適應(yīng)高空、太空向地面的覆蓋需求；同時(shí)與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，高通量衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星的覆蓋方式也發(fā)生了變化，采用點(diǎn)波束復(fù)用的方式進(jìn)行覆蓋，因此非地面網(wǎng)絡(luò)接入站點(diǎn)的天線波束賦形與射頻技術(shù)都需要重新設(shè)計(jì)。

c)接入和切換。與地面通信網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)整體容量較小，單星容量有限，為保證用戶體驗(yàn)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)需設(shè)計(jì)適宜的用戶接入和切換策略。這包括為用戶選擇合適的衛(wèi)星波束及適宜的衛(wèi)星信道。同時(shí)，由于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星相對(duì)于地面高速移動(dòng)，每顆衛(wèi)星服務(wù)的時(shí)長(zhǎng)可能只有數(shù)十秒，一次業(yè)務(wù)中可能包括多次衛(wèi)星切換。衛(wèi)星系統(tǒng)切換可分為同一衛(wèi)星內(nèi)波束間的切換和不同衛(wèi)星的波束間的切換，以及跨地面站之間的切換。此外，還可能會(huì)涉及空、天、地不同通信系統(tǒng)間的切換。

d)高時(shí)延、高多普勒頻移?？铡劓溌吩趲资辽锨琢考?jí)，遠(yuǎn)超過(guò)地面蜂窩移動(dòng)通信的站間距，帶來(lái)了無(wú)法避免的高時(shí)延；接入節(jié)點(diǎn)的快速移動(dòng)（包括低軌衛(wèi)星和飛行器），導(dǎo)致多普勒頻移會(huì)更加嚴(yán)重。因此需要攻克很多空口技術(shù)難題從而解決上述問(wèn)題，如定時(shí)提前量調(diào)整、下行初始同步、參考信號(hào)設(shè)計(jì)、HARQ、MAC/RLC層流程、功率控制、循環(huán)前綴、雙工問(wèn)題、相位跟蹤參考信號(hào)、峰值平均功率比問(wèn)題等。

4 總結(jié)

業(yè)界對(duì)于未來(lái)6G定義的討論才剛剛開始，但是6G網(wǎng)絡(luò)將突破地面限制向空、天、地、海多維擴(kuò)展已基本成為共識(shí)。非地面網(wǎng)絡(luò)具有明顯的覆蓋優(yōu)勢(shì)和長(zhǎng)距離通信的低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)服務(wù)優(yōu)勢(shì)，可以幫助運(yùn)營(yíng)商提供低成本的普遍服務(wù)及擴(kuò)展現(xiàn)有的通信服務(wù)，實(shí)現(xiàn)收入增長(zhǎng)；但另一方面空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)尚有待攻克的關(guān)鍵技術(shù)和硬件通信設(shè)施部署等問(wèn)題。

目前除軟銀已經(jīng)正式投資OneWeb外，沃達(dá)豐、BT、樂(lè)天等公司也在考慮地面網(wǎng)絡(luò)與低軌衛(wèi)星的結(jié)合[13-15]；此外，軟銀也在積極開展HIBS項(xiàng)目的研發(fā)?？梢钥吹皆诿嫦?G的研究中，傳統(tǒng)地面運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開始積極思考如何充分借助非地面網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)、規(guī)避其時(shí)延高、容量成本高的缺點(diǎn)，結(jié)合自身強(qiáng)大的地面網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算能力，為用戶提供真正無(wú)縫的高速率低時(shí)延通信服務(wù)。

審核編輯 ：李倩