空天地海協(xié)同應用綜述

朱斌，胡悅，王光全

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

2020 年國家將5G 網(wǎng)絡和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)共同納入“新基建”范圍，天地一體化（星地）網(wǎng)絡及業(yè)務融合成為趨勢；2017-2020 年移動通信衛(wèi)星（天通一號等）、高通量衛(wèi)星（中星16 號等）、低軌衛(wèi)星（虹云/鴻雁）陸續(xù)投入使用，同時面向行業(yè)5G 網(wǎng)絡（基于微服務化架構(gòu)）陸續(xù)投入商用。不同軌道衛(wèi)星具備不同特點，在時延、資費、傳輸能力等方面提供差異化服務，高通量解決帶寬受限問題，低軌進一步解決低時延低成本問題（約占高軌1/5）。

隨著5G 和衛(wèi)星新技術(shù)的不斷發(fā)展成熟和國家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略布局，以及一帶一路戰(zhàn)略對于海洋需求的增加，如何融合高中低軌及運營商網(wǎng)絡資源并充分利用新型衛(wèi)星高帶寬/ 低時延優(yōu)勢，發(fā)揮中國海洋大國優(yōu)勢，對于海上漁船、離岸海島與地面網(wǎng)絡互通并形成有機一體成為目前關(guān)注熱點和研究趨勢。

1 星地融合發(fā)展趨勢

1.1 星地融合發(fā)展趨勢概述

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，特別是低軌衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信在速率和時延上已可以滿足大多數(shù)5G 業(yè)務場景的需求[1-2]，同時5G 網(wǎng)絡Rel-16 完整版標準已凍結(jié)。因此，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡與5G 地面通信網(wǎng)絡在技術(shù)上已具備融合的基本條件[3-4]。通過構(gòu)建架構(gòu)、功能、接口、流程一體化的天地一體5G 網(wǎng)絡，能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋融合、系統(tǒng)融合、網(wǎng)絡融合和業(yè)務融合，在提高網(wǎng)絡資源利用率的同時，為用戶提供全球全域無縫連接、業(yè)務連續(xù)性和通信服務保障，使能豐富多樣的通信業(yè)務和應用，具有重要的經(jīng)濟和社會效益。目前國內(nèi)外針對天地一體5G 網(wǎng)絡架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)要求的相關(guān)標準均已在初期的討論制定中[5-6]，3GPP、ITU 在內(nèi)的標準化組織專門成立工作組來推動星地業(yè)務的融合[7-8]，國內(nèi)CCSA 組織新成立TC12 工作對空天地一體網(wǎng)絡從需求、業(yè)務及融合及方面的標準化進行專項研究。隨著標準制定的成熟，能夠為運營商、設備商、科研機構(gòu)等相關(guān)單位構(gòu)建天地一體5G試驗和商用網(wǎng)絡提供重要的技術(shù)指導和參考，有利于衛(wèi)星通信、天地一體相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[9]。

1.2 空天地海一體化架構(gòu)

空天地海一體化總體架構(gòu)[10-11]，滿足未來多層次泛在接入需求，網(wǎng)絡組織架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 空天地一體化網(wǎng)組織架構(gòu)圖

具體由以下系統(tǒng)構(gòu)成：

（1）“通導遙”感知系統(tǒng)

1）遙感衛(wèi)星：空間信息；

2）導航衛(wèi)星：動態(tài)信息；

3）通信衛(wèi)星：通信信息。

（2）網(wǎng)絡（傳輸）系統(tǒng)

1）天基衛(wèi)星+空中平臺+地面網(wǎng)絡：空天地海一體化網(wǎng)絡；

2）互通（接入/ 融合）網(wǎng)關(guān)：天基通導遙信關(guān)站與地基網(wǎng)關(guān)。

（3）智慧（運營控制）平臺系統(tǒng)

1）網(wǎng)絡中臺：數(shù)據(jù)分析、計算能力，大數(shù)據(jù)，區(qū)塊鏈，通感遙融合；

2）控制融合：“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+地面運營商”融合聯(lián)動運營系統(tǒng)。

（4）業(yè)務應用服務（終端及平臺）

1）智慧城市（導航+交通+氣象+安防+醫(yī)療等）及行業(yè)應用（航空航海+應急通信+物聯(lián)網(wǎng)）及聯(lián)接（外部行業(yè)系統(tǒng)計算中心）平臺；

2）數(shù)字化支撐平臺（大數(shù)據(jù)處理+AI 輔助仿真增強（星上星下+數(shù)字孿生））；

3）泛接入終端：支持星載、機載、地面網(wǎng)絡等多種接入模式。

通過構(gòu)建架構(gòu)、功能、接口、流程一體化的天地一體網(wǎng)絡，實現(xiàn)覆蓋融合、系統(tǒng)融合、業(yè)務融合，在提高網(wǎng)絡資源利用率的同時，為用戶提供全球全域無縫連接、業(yè)務連續(xù)性和通信服務保障，使能豐富多樣的通信業(yè)務和應用，具有重要的經(jīng)濟和社會效益。

2 空天地海協(xié)同架構(gòu)

2.1 海上通信需求

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)前景廣闊，目前已有海上衛(wèi)星通信資費高，帶寬受限，難以滿足如離岸海島和遠海漁船等短時間內(nèi)大量數(shù)據(jù)傳輸訪問需求，而傳統(tǒng)衛(wèi)星手持終端造價高，操作不便，可用業(yè)務較少，用戶實際使用體驗較差，手機APP 方式用戶操作體驗差，語音質(zhì)量難保障[12]。

漁船雷達、北斗導航、避碰系統(tǒng)（AIS）、電子海圖等終端各自獨立，自成體系，缺乏集成融合，智能化水平低，誤報率較高，容易引起漁民麻痹思想。漁船進入國際航道以及商漁船碰撞事故多發(fā)區(qū)域，沒有相應的設備提醒預警。

因此，在網(wǎng)絡架構(gòu)設計上需滿足海上目前“船聯(lián)網(wǎng)”“一張屏”“集成融合”“接口開放”“智能應急分析”等迫切需求，建設接口標準統(tǒng)一，多終端融合，智能分析開放預警監(jiān)測接入接口，充分發(fā)揮5G 網(wǎng)絡、中高低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡特性及優(yōu)勢以及泛接入及平臺開放能力，打通產(chǎn)業(yè)鏈各方資源。

2.2 空天地海協(xié)同架構(gòu)

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，特別是低軌衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信在速率和時延上已可以滿足大多數(shù)5G 業(yè)務場景的需求，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡與5G 地面通信網(wǎng)絡在技術(shù)上已具備融合的基本條件。針對海上業(yè)務需求，基于運營商5G 網(wǎng)絡開放優(yōu)勢，結(jié)合衛(wèi)星資源，空天地海的星地融合船載移動通信業(yè)務架構(gòu)設計及方案應用目標考慮如下：

（1）業(yè)務體驗方面：支持基礎通信及物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的方便使用，能夠?qū)崿F(xiàn)普通移動用戶終端直接通過運營商移動網(wǎng)絡訪問衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，使用語音及數(shù)據(jù)業(yè)務，相比于APP 客戶端，客戶使用感知體驗好，安全可靠強。

（2）資源調(diào)度方面：支持高中低軌衛(wèi)星資源靈活接入無縫切換，由于高軌衛(wèi)星時延及帶寬方面受限，同時低軌星座形成規(guī)模之前，在逐步完善過渡階段中，覆蓋區(qū)域范圍/ 有效使用時間等面臨資源從受限到逐步豐富的現(xiàn)狀，通過在運營商移動無線網(wǎng)絡側(cè)協(xié)同調(diào)度，實現(xiàn)低軌和中高軌衛(wèi)星資源的按需合理分配使用的目標。

（3）接口開放方面：利用運營商網(wǎng)絡特別是5G 網(wǎng)絡邊緣計算及能力開放內(nèi)生的特點，可在船段接入側(cè)部署輕量化開放平臺（UPF/MEC 融合平臺），提供API 接口方便AI 及大數(shù)據(jù)應用預處理及船載其它終端數(shù)據(jù)訪問接入，便于船側(cè)數(shù)字化數(shù)據(jù)“一張屏”信息存儲及調(diào)度。

空天地海協(xié)同架構(gòu)如圖2 所示，整體架構(gòu)分為船載設備、天基網(wǎng)絡、陸基網(wǎng)絡、用戶終端。

圖2 空天地海協(xié)同架構(gòu)示意圖

（1）船載設備：部署5G 無線基站及船載衛(wèi)星用戶站及協(xié)同網(wǎng)關(guān)，同時可以根據(jù)實際業(yè)務需求部署邊緣平臺進行業(yè)務本地開放訪問及上傳接口，提升業(yè)務體驗。

（2）天基網(wǎng)絡：中高軌衛(wèi)星天基回傳網(wǎng)絡及低軌天基回傳網(wǎng)絡形成異構(gòu)分層。

（3）陸基網(wǎng)絡：部署5G 網(wǎng)絡（公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)）及近端業(yè)務開放平臺，可同時對接多家運營商網(wǎng)絡及信關(guān)站。

（4）終端：5G 用戶終端在船上接入船載5G 網(wǎng)絡，在陸基上接入公網(wǎng)核心網(wǎng)。

通過以上的協(xié)同架構(gòu)具備如下優(yōu)勢：

（1）系統(tǒng)化解決方案：針對智能船舶數(shù)字化需求以及5G、衛(wèi)星網(wǎng)絡資源現(xiàn)狀，針對目前船聯(lián)網(wǎng)目前整體需求，提供一整套系統(tǒng)化解決方案。

（2）船聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化改造：作為數(shù)字化改革中船聯(lián)網(wǎng)可選方案之一，將5G+衛(wèi)星深度融合在船聯(lián)網(wǎng)應用，利用船載設備開放模塊以及陸地設備開放模塊，與現(xiàn)有數(shù)字化智慧城市各模塊結(jié)合兼容。

3 產(chǎn)業(yè)化應用模式

星地網(wǎng)絡融合應用場景前景廣闊，在遠海5G 無信號覆蓋的區(qū)域，高速移動的遠洋漁政船上部署輕量船載衛(wèi)星用戶站、輕量5G 基站及邊緣核心網(wǎng)元，通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的天基寬帶通信鏈路，實現(xiàn)漁政船上的普通手機用戶通過衛(wèi)星成功訪問聯(lián)通業(yè)務網(wǎng)絡，完成視頻瀏覽及下載業(yè)務，并能夠與其他4G/5G 手機用戶進行正常撥打通話業(yè)務、發(fā)消息等移動5G 業(yè)務?？梢詰糜诖d（機載）通信、離岸島嶼的5G 基站回傳，及物聯(lián)網(wǎng)非實時傳輸?shù)葮I(yè)務中。

（1）典型業(yè)務場景一：船載個人通信業(yè)務

如圖3 所示，船載個人通信業(yè)務場景將5G 技術(shù)和衛(wèi)星通信融合，為離岸船舶提供連續(xù)不間斷的5G 網(wǎng)絡連接、百兆以上的高速率互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務和增值業(yè)務服務，實現(xiàn)海上船只與地面通信網(wǎng)絡的互聯(lián)互通，滿足船載設備、科考設備、乘客等的數(shù)據(jù)上網(wǎng)、語音等基礎通信需求，同時依據(jù)客戶需求可以設置船載控制及乘客娛樂網(wǎng)絡獨立切片。

圖3 船載個人通信業(yè)務場景示意圖

1）典型業(yè)務場景

◆船舶客戶本地局域網(wǎng)業(yè)務；

◆運營商移動業(yè)務；提供如網(wǎng)頁瀏覽、視頻觀看、數(shù)據(jù)上傳與下載以及與陸地終端進行移動語音通話等。

2）技術(shù)方案

◆船上：部署5G 基站（運營商頻段）及衛(wèi)星用戶站（船載），同時可根據(jù)實際需求部署MEC 設備本地分流；

◆陸基：部署5GC 及IMS 網(wǎng)絡（可利舊大網(wǎng)或獨立專網(wǎng)），專網(wǎng)方式需對接大網(wǎng)網(wǎng)絡資源；

◆終端：客戶網(wǎng)絡選擇自由切換，使用終端在船上接入船載5G 網(wǎng)絡資源，在陸基上接入大網(wǎng)5G 網(wǎng)絡資源。

（2）典型業(yè)務場景二：物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務

如圖4 所示，船載等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務場景利用衛(wèi)星和5G融合提供物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的典型應用，支持海量連接，提供深度覆蓋能力。作為地面物聯(lián)網(wǎng)的補充和延伸，在衛(wèi)星覆蓋的區(qū)域，物聯(lián)網(wǎng)終端采集對象的信息，然后通過衛(wèi)星通信把信息傳輸?shù)竭h端的5GC 和物聯(lián)網(wǎng)平臺。

圖4 船載等物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務場景示意圖

1）典型業(yè)務場景

◆海洋、森林、礦產(chǎn)等資源的監(jiān)視和管理；

◆森林、山體、河流、海洋等地區(qū)災害的檢測、預報；

◆深海、遠海的海洋檢測管理，海上浮標、海上救生等；

◆交通、物流、輸油管道、電網(wǎng)等健康管理；

◆野外環(huán)境下珍稀動物的跟蹤監(jiān)控。

2）技術(shù)方案

◆IoT 需求接入側(cè)：部署5G 基站（運營商）及船載衛(wèi)星用戶站；

◆運營商平臺側(cè)：部署5GC 及IMS 網(wǎng)絡（可利舊大網(wǎng)或獨立專網(wǎng)），需對接大網(wǎng)網(wǎng)絡及物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務平臺等資源。

（3）協(xié)同應用的運營模式建議

空天地海需要產(chǎn)業(yè)鏈各方充分參與，包括合作伙伴、衛(wèi)星公司、運營商、政企客戶以及最終用戶多個角色，如圖5 所示。

圖5 船聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星業(yè)務運營模式示意圖

運營模式如下：

◆合作伙伴：提供微基站、專網(wǎng)設備以及系統(tǒng)集成能力；

◆衛(wèi)星公司：提供國內(nèi)外高中低軌衛(wèi)星資源以及中繼服務；

◆運營商：提供網(wǎng)絡集成、衛(wèi)星租賃服務、網(wǎng)絡軟件定制服務及計費等能力；

◆政企客戶：租用服務的調(diào)用、人工管理等；

◆最終用戶：獲取全天候無縫業(yè)務體驗。

4 結(jié)束語

隨著人民生活水平的提高，傳統(tǒng)漁民及海洋監(jiān)測人員對于語音及數(shù)據(jù)信息業(yè)務服務的要求越來越高，傳統(tǒng)方式已經(jīng)不能滿足用戶多樣性、多媒體及個性化的需求，本文提出的空天地海協(xié)同架構(gòu)具有如下前景優(yōu)勢：

（1）優(yōu)點一：業(yè)務體驗好

1）無需客戶安裝APP：船載用戶無需安裝APP 客戶端，即可利用現(xiàn)有手機終端撥打語音電話、訪問數(shù)據(jù)業(yè)務，做到用戶無感知。

2）船載設備接入靈活：船載無線設備可提供5G、Wi-Fi 等多種接入方式，同時疊加部署的本地模塊，具備標準化API 接口及PaaS 平臺能力，可部署輕量化本地應用，對語音、視頻監(jiān)控等做輕量化的預處理。

（2）優(yōu)點二：衛(wèi)星資源兼容

1）用戶無感知：客戶可實現(xiàn)無感知的獨立或同時接入高、中、低軌衛(wèi)星資源，減少船載用戶側(cè)復雜的組網(wǎng)配置。

2）設備兼容性：數(shù)據(jù)業(yè)務與衛(wèi)星用戶站設備解耦，無需衛(wèi)星用戶站定制開發(fā)兼容不同制式（Ka、Ku）融合設備，即可同時或擇優(yōu)使用。

（3）優(yōu)點三：政府管控數(shù)字化推進

1）不單一依賴運營商：運營商基站可進而由政府牽頭采用共建共享方式，與三家運營商接口標準化。

2）不單一依賴衛(wèi)星資源：不依賴衛(wèi)星不同制式（Ka、Ku）和不同軌道（高中低）資源，無需在衛(wèi)星用戶端制定標準推進融合衛(wèi)星用戶站設備開發(fā)，可靈活接入。

3）資費靈活：可以依據(jù)時間段、業(yè)務類型、資費條件等參數(shù)，靈活選擇不同衛(wèi)星接入方式以及媒體出口。

總之，通過空天地?？傮w架構(gòu)以及船聯(lián)網(wǎng)協(xié)同架構(gòu)設計，實現(xiàn)高中低軌衛(wèi)星與通信網(wǎng)絡協(xié)同可靠的“岸+島+船”和“星網(wǎng)云端”的融合通信網(wǎng)絡業(yè)務，該融合應用本質(zhì)上優(yōu)化了海洋漁業(yè)信息化的溝通方式，將先進地面移動業(yè)務從陸地通信服務全面向“海、陸、空”通信服務領(lǐng)域與市場拓展。隨著5G 網(wǎng)絡演進及低軌衛(wèi)星的全面覆蓋，未來還將可廣泛用于鉆井平臺及遠洋船舶、海外基地及勘察車輛等各類場景，真正實現(xiàn)“廣域萬物智聯(lián)”和“全球隨遇接入”，潛在社會意義重大。