2020空天地一体化通信网络报告.docx

2020空天地一体化通信网络 报告 目录 1 空 天 地 一 体 化 通 信 网 络 概述 . 3 2 非 地 面 网 络 与 地 面 移 动 网络 相 互 赋 能 . 5 2.1 卫 星 网 络 . 5 2.2 HAPS/HIBS 网络 . 7 2.3 非 地 面 网 络 与 地 面 移 动网 络 相 互 赋能 . 8 3 MEC 与 区 块 链 在 空 天地 一体 化 通 信 网 络 中 的 应用 . 10 3.1 空 天 地 一 体 化 组 网与 MEC 相 互 赋能 . 10 3.2 基 于 MEC 的 卫 星 与地 面网 络 融 合 组 网 架构 . 12 3.2.1 地面 MEC 融 合 组网 架构 . 12 3.2.2 星上 MEC 融 合 组网 架构 . 14 3.2.3 机载 MEC 融 合 组网 架构 . 15 3.2.4 船载 MEC 融 合 组网 架构 . 16 3.2.5 区 块 链 +MEC 融 合 组 网架构 . 17 4 空 天 地 一 体 化 通 信 网 络 典型 应 用 场 景 . 17 4.1 大 时 空 尺 度 确 定 性 业 务 . 17 4.2 泛 在 接 入 . 19 4.3 海 洋 与 空 间 立 体 通信 . 20 4.4 业 务 增 强 与 优化 . 21 5 中 国 联 通 空 天 地 一 体 化 网络 发 展 挑 战 与 推 进 计划 . 25 5.1 挑战 . 25 5.1.1 网 络 结构 . 25 5.1.2 通 信 设 施 与 设 备 . 25 5.1.3 空 口 与 网 络 管 理 技 术 . 25 5.2 空 天 地 一 体 化 通 信 网 络发 展 建议 . 26 5.3 中 国 联 通 空 天 地 一 体 化通 信 网 络 推 进 计划 . 27 5.3.1 中 国 联通空 天 地 一体 化通 信 网 络 愿景 . 27 5.3.2 推 进 计 划 及 工 作 进 展 . 28 1 空天地一体化通信网络概述 互联网流量的爆炸式增长、海量终端的接入需求，以及工业控制、远程医疗对时延和可靠性的高要求，催生了 5G 通信技术，也将通信能力从移动性、时延、用户感知速率、峰值速率、连接数密度、流量密度、能源效率等七个方面带来了质的飞跃。在全球 5G 如火如荼地发展的同时， 6G 也悄然来临。 6G 的驱动力来源于商业需求和社会需求，涉及政治、经济、法律、环境、教育、医疗等多个方面，促使 6G 在更复杂多样的应用场景中，提供更极致的性能体验。 未来 6G 移动通信系统的特点将是智联万物。 6G 网络将突破地形地表的限制，扩展到太空、空中、陆地、海洋等自然空间，真正实现全球全域的“泛在连接”。并通过多种接入方式的协同传输、对多个系统资源的统一管理，提高整体资源的利用效率。 6G 将为人类和万物提供情景感知的智能服务。 6G 的服务对象将从人类、机器、物体扩展至虚拟世界，实现实际物理世界与虚拟世界的连接与协作，利用 AI 技术感知用户需求，提升用户体验，形成认知增强与决策演进的智能网络，满足人类精神与物质的全方位需求。 6G 网络的极致性能体验，一方面迫切需要新的无线关键技术，采用新型编码技术、超大规模天线、太赫兹和可见光通信技术，从信道编码机制、天线阵列设计、天线架构与系统集成、频谱资源与光学领域等多个角度进行探索、创新与 优化，不断提高无线空口的性能指标。 另一方面， 6G 需要构建跨地域、跨空域、跨海域的空天地一体化网络，实现真正意义上的全球无缝覆盖。未来的空天地一体化网络关注的是融合，典型的一体化网络由三部分组成：由各种 轨道卫星构成的天基网络，由飞行器构成的空基网络，以及传统的地基网络，其中地基网络又包括蜂窝无线网络、卫星地面站 和移动卫星终端以及地面的数据与处理中心等。网络的整体愿景结构如图 1 所 示，并具有如下特点： 不同轨道的卫星系统统一规划 多网络深度融合，采用统一的空口技术和核心网架构，并与 MEC 和网络 切片结合，减少高空通信时延 多层次覆盖，提供多重业务类型 海量用户无感知、极简的泛在接入 端到端统一编排调度，实现智能的业务体验 图 1.1 空天地一体化通信网络 ISL 服务 链路 反馈 链路 反馈 链路 网关 数据网络 2 非地面网络与地面移动网络相互赋能 天基通信网络（卫星通信网络）和空基通信网络（ HAPS/HIBS 等） 构成了目前主要的非地面网络。 2.1 卫星网络 典型的卫星通信系统由地面部分、空间段和空地间链路三个主要部分构成。地面部分一般包括各类信关站、卫星测控中心及相应的卫星测控网络、网络控制中心。空间段由一颗或多颗卫星及其星间链路（ ISL）组成，负责信息的接收、 转发，部分卫星具备信号的再处理能力。用户段由各种用户终端构成，包括了手 持终端、IOT 终端，以及可以固定或车载船载的甚小口径终端 （ VSAT）。 卫 星 （或 无 人机）平台 卫 星 （或 无 人机）平台 图 2.1 卫星通信网络图示 目前主要有高轨卫星、中轨卫星、低轨卫星三类，典型高、中、低轨卫星通信系统的特征如下表 1 所示。高轨卫星单颗星覆盖范围广，覆盖范围相对地面固定，单颗星最大可覆盖地球 42%的面积，一般 3-4 颗卫星即可完成除极地地区的全球覆盖。高轨卫星正在向高通量方向发展，利用 Ka 频段丰富的频谱资源及多波束和频率复用技术，提高了卫星频率利用率好数据吞吐量。目前高轨卫星系统容量可达 50Gbps，系统成本为 30 亿美元，卫星技术和通信体制较为成熟。但高 轨卫星的传输时延大，时延超过 500ms，卫星设计、制造和发射的门槛高，系统容量低，适合传统卫星广播业务。 中轨道卫星单颗星覆盖面积与高轨卫星相比要小很多，轨道高度 2000km- 20000km 的中轨卫星，覆盖面积约为地球表面积的 12%-38%，需要十几颗到几十颗卫星构成星座，完成全球覆盖。中轨卫星定位于提供高带宽、低成本、低延迟的卫星互联网接入服务，造价成本为 12 亿美元，传输时延约为 150ms，系统容量可达 15Gbps。 低轨卫星单颗卫星成本低，覆盖范围较小，需要多颗卫星组成大型卫星星座 完成全球的覆盖。星座设计总容量可达几十 Tbps。低轨卫星轨道高度小于 2000km， 由于轨道高度低，低轨卫星传输时延也较小，通常在 30ms 左右。目前低轨卫星的 发展趋势为：小型化、低成本、更密集组网、单独成形可控制波束，采用小型 化、轻量化设计降低制造和发射成本，组网更加密集以提供更大的系统吞吐量， 并 采用波束成形和波束调形功能将功率、带宽、大小和视轴动态地分配给每个波 束，最大限度地提高性能并最大限度地减少对高轨卫星的干扰。 大型低轨卫星星座是当前卫星通信系统的重要发展趋势，通过增加卫星数量可以大幅提升系统容量。目前多个国家提出了低轨卫星计划，频轨资源竞争激烈。 软银、沃达丰、乐天等地面 运营商也直接投资了低轨卫星星座。 表 1 为典型卫星通信系统的网络能力特征，相比 5G 网络： 低轨卫星的总容量低于地面 IMT 系统； 低轨卫星可提供的容量密度低于 5G NR 城区宏站，与广覆盖宏站相当； 按照峰值容量计算，低轨卫星的容量成本大于地面 IMT 系统。 可见卫星覆盖不受地形束缚，覆盖成本低，未来低轨卫星网络可能在地面网络覆盖不足的区域有较大竞争力。 表 2.1 典型卫星通信系统特征 高轨卫星 1 中轨卫星 低轨星座 11 轨道高度 35860km 8062km 1110-1325km 320-580km 卫星数量 4 12 4409 系统通信容量 50Gbps 16Gbps 350Tbps 端到端时延 500ms 约 150ms 约 30ms 系统容量密度 23.24bps/km2 26.14 bps/km2 17M bps/km2 容量成本 6 千万美元/Gbit 1375 万美元/Gbit 1.84 万美元/Gbit 2.2HAPS/HIBS 网络 空基通信高空通信平台 （ HAPS/HIBS） 将无线基站安放在长时间停留在高空 的飞行器上来提供电信业务，它使用已有的通信技术，可以与地面终端直接通信。HAPS/HIBS 具有服务覆盖范围广、受地面因素影响小、布设机动灵活等优势， 可有效弥补地面网络的不足。 HAPS/HIBS 升空高度为 20km 时，覆盖范围半径可达约 50km，采用 4 面台或 5 面台天线，将其覆盖范围划分为 45 个小区，小区边缘传播空口时延约为 180us，覆盖范围内的时延差为 12.8us。 HAPS/HIBS 的网络容量主要由平台的载 荷决定，其中系留式气球和飞艇的载荷比较大，通常为几百千克，预计可以搭载 1 个宏站设备。以 3.5GHz 5G NR 宏小区（ 100MHz 带宽）基站，系留气球或飞艇上的 HIBS 单小区峰值速率可达 5Gbps，单基站峰值速率可达 20/25Gbps。 HAPS/HIBS 可以以较低的成本覆盖大面积区域，以飞行器的制造成本为 2.5 亿人民币，折旧期限为 10 年，每小时维护成本为 500 美元，覆盖半径为 50km 为 假设进行估算， HAPS 单位 G 比特的成本为 132.5w 美元 /年，单位面积的覆盖成 本是 5G 基站的千分之 6.7，覆盖中国全境的成本约为 96 亿美元 /年。HAPS/HIBS 传输链路通常存在视距传输信号，信号能量损耗小，传输质量高，可以与普通手 机终端直接通信，是地面网络的有效延伸。 图 2.2 空基网络结构示意图 2.3 非地面网络与地面移动网络相互赋能 非地面网络与地面移动网络拥有各自的优势和劣势。地面移动网络的优势在于强大计算能力、大数据存储能力、高数据传输速率、低时延、城郊低成本覆盖以及支持海量连接，在人口相对聚集的地区可以有效提升社会与经济的数字化程 度。但是在偏远地区的地面网络铺设困难，成本高昂，且地面网络会受到地形和 地理灾害限制。 而非地面网络可以突破地表限制，实现全球全域的无线覆盖和大时空尺度的快速通信服务。卫星网络具有天然的广播特性，覆盖范围内的链路损耗与时延相 对一致，避免了地面移动蜂窝网络中的“远近”效应，用户具有相近的体验速率。 在偏远地区，非地面网络具有比地面网络更低的覆盖成本与容量成本。但其传播 时延高，并且无法完成深度覆盖和城区容量承载。 空天地一体化的通信网络有助于运营商实现低成本的全域泛在覆盖，挖掘全新应用市场；有助于消弥数字鸿沟，促进数字化社会经济的和谐发展。地面移动 网络提供基础的大数据存储与处理能力，并利用高数据传输速率提升大部分陆地 区域的数据传输的效率；非地面网络提供偏远地区、海洋、空域等立体覆盖能力， 协助地面网络实现全域泛在覆盖。深度融合的空天地一体化网络可以充分利用卫 星、HAPS/HIBS 和地面 5/6G 网络各自的特点与优势，实现用户的极简极智泛在接入和全域时敏服务。 空天地一体化通信网络是未来 6G 网络的重要发展趋势，目前正处于发展初期， 3GPP 与 ITU 等均已开展了相关的研究。 3 MEC 与区块链在空天地一体化通信网 络中的应用 非地面网络引入了高时延特性，且卫星的容量成本远高于地面网络，因此有必要引入 MEC 技术，实现业务的本地分流与处理，从而规避非地面网络的高时 延和高容量成本。此外，由于空天地一体化通信网络包含了卫星、 HAPS/HIBS、 卫星网络地面段、地面蜂窝移动网络等多个网元，地面网关、数据中心、边缘计 算等多样化的计算处理节点，涉及不同运营商之间的能力开放与共享，因此可以 借助区块链技术，建立可靠、高效的网络接口与安全保障机制。 3.1 空天地一体化组网与 MEC 相互赋能 MEC（ Multiple-access Edge Computing/Cloud） ，多接入边缘计算或多接入边 缘云，其概念范畴与集中式部署中心云相对，将云化基础设施和服务能力从中心 云下沉至业务边缘。空天地一体化网络对 MEC 能力需求主要包括降低时延、节 省后向带宽、缓存、内容分发、图像渲染、算力资源和区块链能力等方面。 （ 1） 降低时延 在空天地一体化网络中，相对于地面网络传输距离而言，卫星与地面之间的传输距离要大很多，传输时延也会显著增加。因此，通过引入 MEC 设备减少地面网络传输时延或者避免星地节点间不必要的通信交互，可以在保障业务连续性的同时有效降低业务传输时延。 （ 2） 节省后向带宽 在业务具有较强本地化特色的垂直行业中，如视频监控类业务，数据采集源与数据需求都在相同的地域范围，并且通常具有较高的带宽需求。在空天地一体 网络中，本地采集的大量业务数据先上传到远端云化数据中心集中存储再下发给 本地数据显示终端，需要占用大量的卫星中继或地面回传带宽。如果将远端云化 数据中心能力下沉到数据采集终端、数据显示终端或业务数据流转的本地范围，