關于快速形成我國天地一體通信運營能力的思考

楊嶺才

（中國電信集團衛(wèi)星通信有限公司，北京 100035）

0 引言

天地一體通信能力是深入貫徹總體國家安全觀、積極建設數字中國、全面落實網絡強國的必然要求。2021年10月18日，習近平總書記在中央政治局第三十四次集體學習時強調，要加快建設高速泛在、天地一體、云網融合、智能敏捷、綠色低碳、安全可控的智能化綜合性數字信息基礎設施[1]。《“十四五”國家信息化規(guī)劃》中提出，要加快地面無線與衛(wèi)星通信融合、太赫茲通信等關鍵技術研發(fā)[2]。《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中也提出，要推進衛(wèi)星通信系統(tǒng)與地面信息通信系統(tǒng)深度融合，初步形成覆蓋全球、天地一體的信息網絡，為陸海空天各類用戶提供全球信息網絡服務[3-4]。

本文立足運營網絡與業(yè)務、服務經濟社會發(fā)展，結合我國衛(wèi)星、地面通信網絡發(fā)展現狀，提出基于樞紐港的天地一體通信網絡架構，并據此系統(tǒng)規(guī)劃天地一體通信運營能力發(fā)展路徑，梳理其中需要解決的關鍵技術，從而為我國天地一體通信運營能力的快速形成提供建議，以期逐步實現天地一體通信網絡的產業(yè)應用。

1 天地一體通信能力現狀與瓶頸

天地一體通信網絡以地面網絡為依托、衛(wèi)星通信網絡為拓展，由地面網絡和衛(wèi)星通信網絡相互融合而成。目前，地面移動通信5G系統(tǒng)、6G系統(tǒng)都已考慮充分融合衛(wèi)星通信，共同構建廣域覆蓋的天地一體通信網絡，以滿足用戶無處不在的通信需求[5]。國內外研究機構和學者對天地一體通信網絡開展了大量的研究和探索，得到了很多有意義的成果，但當前天地一體通信網絡整體上仍然處于起步階段，距離產業(yè)化應用還有較大差距。

1.1 發(fā)展現狀

國際上，國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）、第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）、歐洲電信標準學會（European Telecommunication Standards Institute，ETSI）、SaT5G聯盟等組織和相關單位已從系統(tǒng)架構、標準體系、演示驗證等方面對衛(wèi)星通信與5G融合的關鍵技術開展了研究，兩者融合的標準制訂工作也在穩(wěn)步推進。

（1）ITU

針對衛(wèi)星與地面5G融合，ITU提出了中繼到站、小區(qū)回傳、動中通、混合多播共4種場景，并對支持這些場景的關鍵技術進行了研究，包括智能路由支持、自適應流支持、網絡功能虛擬化（network functions virtualization，NFV）/軟件定義網絡（software defined network，SDN）兼容等[6]。針對面向6G的星地融合，ITU重點關注衛(wèi)星與地面網絡空口設計的融合統(tǒng)一，相應的關鍵技術攻關已經開展，技術標準制訂也在推進中[7]。

（2）3GPP

3GPP從3GPP Release 14（Rel-14）開始研究衛(wèi)星與地面5G融合的問題，旨在通過衛(wèi)星與地面移動網絡的優(yōu)勢互補實現更泛在的覆蓋。其中，3GPP TR 38.913提出了將衛(wèi)星網絡作為地面網絡擴展的場景[8]；3GPP TS 22.261將衛(wèi)星接入技術作為5G網絡的基本接入技術之一，研究了5G網絡系統(tǒng)必需的性能指標和基本功能要求[9]。3GPP Release 15（Rel-15）非地面網絡研究項目（NTN SI）研究了NTN部署場景和信道模型，發(fā)布了3GPP TR 38.811，在引入新空口技術后對衛(wèi)星網絡的潛在應用進行了分析[10]。3GPP Release 16（Rel-16）NTN SI提出了基于5G空口支持NTN的技術方案，開展了鏈路與系統(tǒng)級性能評估。3GPP Release 17（Rel-17）開展了3個NTN項目的標準化制訂工作，包括NR over NTN、IoT over NTN、5G ARCH_SAT，將完成第一個基于5G的衛(wèi)星彎管透明轉發(fā)技術標準[11-13]。2021年年底，3GPP Release 18（Rel-18）首批立項27個項目，其中之一便是繼續(xù)開展天地一體增強研究，利用衛(wèi)星的廣覆蓋特性輔助地面通信，3GPP在3GPP Rel-17基礎上進一步研究衛(wèi)星通信和地面通信之間的移動性、業(yè)務連續(xù)性增強和高頻段部署等問題。3GPP標準演進計劃如圖1所示。

圖1 3GPP標準演進計劃

（3）ETSI

ETSI提出了衛(wèi)星網絡和地面網絡融合的相關標準。ETSI TR 103.124明確了衛(wèi)星網絡和地面網絡融合應用的場景[14]。ETSI TR 103.263確定了衛(wèi)星通信引入認知無線電技術時應遵守的規(guī)則[15]。ETSI TR 103.351解決了偏遠地區(qū)利用衛(wèi)星網絡回傳時的無線接入流量分配問題[16]。ETSI TS 102.357則規(guī)范了衛(wèi)星網絡和地面網絡共同提供寬帶服務時的空中物理接口[17]。

（4）SaT5G聯盟

SaT5G聯盟是由SES、Avanti Communications、British Telecom、Thales Alenia Space、University of Surrey等16家企業(yè)及研究機構組成的聯盟，主要研究將衛(wèi)星集成至5G網絡的可行性方案，重點針對星地5G融合的網絡架構研究、關鍵技術突破、實驗室環(huán)境測試驗證、標準制定等多個方面開展了工作。此外，SaT5G項目利用由SDN、NFV、移動邊緣計算（mobile edge computing，MEC）和地球靜止軌道（geostationary earth orbit，GEO）衛(wèi)星組成的Pre-5G測試平臺，演示了衛(wèi)星與3GPP網絡架構的融合，以及衛(wèi)星回程功能、多媒體內容邊緣分發(fā)功能等[18]。

（5）其他

除了上述組織，還有其他組織也在推動衛(wèi)星和地面網絡的融合，包括歐洲郵電管理委員會（Confederation of European Posts and Telecommunications，CEPT）、電子通信委員會（Electronic Communications Committee，ECC）、數字視頻廣播（Digital Video Broadcast，DVB）組織和空間數據系統(tǒng)協(xié)商委員會（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）等[7]。

我國相關單位也開展了一系列天地一體通信網絡研究和試驗工作。2016年，科技部啟動天地一體化信息網絡重大項目研制，該項目同時列入國家“十三五”規(guī)劃綱要以及《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，并于2019年通過“天象”試驗衛(wèi)星，在軌驗證了地面5G的SDN等關鍵技術[18]。2019年，中國通信標準化協(xié)會成立了航天通信技術工作委員會，開展星地一體化的研究工作。2021年，中國衛(wèi)通集團股份有限公司聯合中國信息通信研究院開展了5G信號體制在Ka高通量衛(wèi)星中的傳輸試驗，銀河航天與中國信息通信研究院聯合開展了基于5G信號體制的低軌衛(wèi)星星座技術體制試驗，驗證了衛(wèi)星與5G在通信體制方面融合的可能性。此外，北京郵電大學聯合運營商、設備研制單位和高校共同成立“天算聯盟”，擬通過“天算星座”開展星載5G核心網、云原生衛(wèi)星計算平臺和星地組網等試驗。

1.2 能力瓶頸

由于技術和市場等因素，過往數十年，地面通信系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)按照各自的使用場景和網絡特點，采用不同的系統(tǒng)設計、技術體制和運營模式，形成了相對獨立的發(fā)展路徑，這客觀上決定了建設、運營天地一體通信網絡的復雜性。雖然國內外開展了大量的星地融合研究，但距離具備運營能力還有較大差距。

（1）衛(wèi)星系統(tǒng)的異構性決定了其相互融合的復雜性

長期以來，各個衛(wèi)星通信系統(tǒng)分別發(fā)展，形成了“煙囪式”結構，根據功能屬性、應用模式、軌道高度、工作頻率、服務帶寬和轉發(fā)器類型等不同，采用不同的技術體系架構，系統(tǒng)之間相互獨立，所屬地面網絡和終端設備不能互聯互通，所屬用戶終端不能在不同的衛(wèi)星系統(tǒng)間漫游遷徙、交互通信。以網絡協(xié)議為例，對于基于透明轉發(fā)器的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，發(fā)展之初針對物理層與鏈路層采用專用協(xié)議，隨著業(yè)務IP化發(fā)展，逐漸形成了適應空間特點的基于TCP/IP的演進協(xié)議體系；而對于具備星上處理轉發(fā)功能的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，則增加了與星載交換、衛(wèi)星網絡路由優(yōu)化等相關的協(xié)議內容[19]。因此，不同衛(wèi)星通信網絡的異構性決定了其相互融合的復雜性，實現完全一體融合必須在論證階段體系設計時統(tǒng)籌考慮，對于已經建成運營的系統(tǒng)，只能從地面網絡側互聯、終端側聚合等角度研究具體的融合方法。

（2）衛(wèi)星通信網絡與地面移動通信網絡技術標準化程度的差異性決定了天地一體網絡融合的復雜性

長期以來，衛(wèi)星通信和地面移動通信相對隔離、分別發(fā)展，二者由于屬性特點的差異采用不同的技術體制、協(xié)議體系，導致系統(tǒng)間獨立封閉、信息交互融通能力差、發(fā)展程度不平衡[20]。目前，地面移動通信網絡已經形成了完備、規(guī)范的通信體制與協(xié)議體系，而衛(wèi)星通信網絡則差距較大。以衛(wèi)星通信與5G網絡融合為例，目前的5G商用網絡以3GPP Rel-15/Rel-16版本為主，并不支持與衛(wèi)星通信的融合，后續(xù)3GPP Rel-17版本也僅將衛(wèi)星作為地面基站功能的延伸，工作在透明轉發(fā)模式，或作為承載網提供回傳服務，衛(wèi)星通信網絡和5G系統(tǒng)之間仍相對獨立，遠未達到系統(tǒng)層面深度融合的要求。

（3）衛(wèi)星通信網絡與地面移動通信網絡相對分離的現實決定了天地一體通信網絡運營、業(yè)務開通的復雜性

衛(wèi)星通信網絡之間、衛(wèi)星通信網絡與地面移動通信網絡之間，網絡資源管理相互獨立，業(yè)務系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、終端方案和接口規(guī)范等各不相同，卡號、賬號統(tǒng)一認證鑒權困難，端到端業(yè)務難以保證敏捷開通、柔性提供，遠未達到系統(tǒng)層面深度融合、為用戶提供無感的一致服務的要求[21]。

2 基于樞紐港的天地一體通信網絡

基于各類衛(wèi)星均需要接入調用地面云網資源的現實需要，以及B5G、6G時代衛(wèi)星作為中繼和MEC節(jié)點的技術、業(yè)務演進趨勢，本文提出一種基于樞紐港的天地一體通信網絡架構，并據此實現天地一體通信業(yè)務、用戶、終端和云網，最終實現全系統(tǒng)融合的發(fā)展路徑。

2.1 系統(tǒng)組成

基于樞紐港的天地一體通信網絡架構如圖2所示，由空間段、地面段、用戶段共同構建“天星、地網、樞紐港、云資源池”的天地云網融合能力體系，提供廣域寬帶接入、廣域時敏連接、廣域海量物聯和廣域高精度定位的服務。其中，樞紐港作為連接衛(wèi)星云網與地面云網的關鍵，是在衛(wèi)星網絡接入地面網絡地球站的基礎上順應天基計算、云網融合等技術發(fā)展趨勢配套算力建設升級形成的，是打通因“天星”“地網”分離割裂而制約“天地一體”能力的關鍵設施。

圖2 基于樞紐港的天地一體通信網絡架構

（1）空間段

空間段提供衛(wèi)星資源池功能，整合自有、租用的各類GEO、中地球軌道（medium earth orbit，MEO）、低地球軌道（low earth orbit，LEO）通信衛(wèi)星資源形成資源池并對其進行統(tǒng)一管理，從而為陸海空天各類用戶使用提供資源保障。衛(wèi)星資源池采用L、S、C、Ku、Ka等頻譜資源，規(guī)模可根據需要擴充或縮減，并通過多點波束天線對地覆蓋提供移動或寬帶服務。

衛(wèi)星資源池不僅作為中繼傳輸節(jié)點完成信號處理和業(yè)務、信令的空間路由轉發(fā)；還可以隨著存儲、計算等衛(wèi)星載荷技術提升以及星際互聯發(fā)展，根據需要成為具備計算、存儲等功能的邊緣云節(jié)點；并能夠在軌構建可重構算力單元，通過人工智能（artificial intelligence，AI）和多任務處理能力實現網絡架構的智能自主動態(tài)演進和智能化管控，提升網絡和算力的利用效率。衛(wèi)星系統(tǒng)、地面通信和云計算系統(tǒng)將集成為星地算力網絡，促進空天地海通信網絡全面數字化[22-23]。

（2）地面段

地面段由樞紐港、地球站等基礎設施，以及核心網、IT系統(tǒng)、邊緣云等共同組成。

樞紐港功能示意圖如圖3所示，對現有地球站升級形成連接天地云網、實現異構網絡互聯互通的能力，其主要能力包括以下幾個。

圖3 樞紐港功能示意圖

· MEC算力處理：將云側豐富的計算存儲資

源下沉至距離用戶較近的網絡邊緣，使用戶能夠在邊緣側完成計算存儲任務，降低用戶業(yè)務處理時延[24]。

· 多頻段信號收發(fā)：集成多頻段的射頻模塊以完成與相應頻段用戶終端的信號收發(fā)。

· 多體制基帶處理：采用基帶池的方式完成各種技術體制的調制解調、加密/解密、交換、多路復用等功能。

· 網絡互聯互通：完成不同衛(wèi)星網絡之間及衛(wèi)星網絡與地面網絡之間的協(xié)議轉換、路由交換、信息交換等功能。

· 一體化資源管理：基于一致的資源調度協(xié)議實現衛(wèi)星通信資源的一體化調度、編排、發(fā)送等。

核心網采用一體化方式部署于云計算平臺上，通過天基或地基的不同途徑接入用戶的入網申請、認證、鑒權、業(yè)務尋呼、呼叫建立、無線承載建立和呼叫拆除等信令流程，并實現與其他網絡的互聯，處理網絡邊界上的信令交互、業(yè)務路由、業(yè)務承載建立和管理等；IT系統(tǒng)也部署于云計算平臺上，主要部署完成網絡資源管理、用戶業(yè)務申請受理、用戶和訂單管理和業(yè)務計費等運營支撐功能。

（3）用戶段

用戶段包括陸、海、空、天等多種類型用戶終端，通過集成多種頻段、多種波形的天線和射頻，在系統(tǒng)的統(tǒng)一管理下，實現不同衛(wèi)星網絡之間、星地網絡之間的自動切換和漫游。

2.2 能力特點

基于樞紐港的天地一體通信網絡能夠實現一體化的供給、運營和服務，具有如下天地云網能力[25]。

（1）陸海空天泛在連接

使用樞紐港連接衛(wèi)星與地面云網，能夠全面增強和拓展5G的增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、超可靠低時延通信（ultra-reliable and low-latency communication，URLLC）、大連接物聯網（massive machine-type communication，mMTC）三大應用場景，提升網絡連接的性能質量與覆蓋范圍，具備泛在立體覆蓋的獨特優(yōu)勢。

（2）能力融通雙邊賦能

既可賦能上游衛(wèi)星網絡接入、智能調用地面云網，又可賦能下游融合衛(wèi)星和地面云網資源、DICT的各類產品應用，面向最終用戶提供基于天地云網的廣域立體、隨遇接入、智能敏捷的應用。

（3）云網邊端高效協(xié)同

對天地云網資源統(tǒng)一定義、封裝和編排，實現云側、邊側和終端側資源的高效分布和協(xié)同配合，支撐業(yè)務系統(tǒng)的實時、按需和動態(tài)部署，以及天地一體業(yè)務的統(tǒng)一受理、交付和呈現。

（4）數據算力資源融合

將邊緣計算與衛(wèi)星計算平臺融合，使得衛(wèi)星在軌可同時調用邊緣和中心云資源，實現天地云網多層級算力的全域感知、統(tǒng)一管控調度和一致質量保障。

（5）天地一體智能內生

利用AI技術實現天地云網端到端的自主檢測、自主決策和自主優(yōu)化，并針對海量物聯、廣域覆蓋等場景進行適應性改造，構建極簡智能網絡，提供廣域泛在的智能服務。

（6）天星地網安全內生

聚合衛(wèi)星網絡與地面網絡的安全協(xié)議與安全機制，構建全面、可靠和一體化的天地云網專屬安全體系，實現自主驅動的安全防護力。

3 天地一體通信運營能力發(fā)展思路

考慮天地一體通信網絡的復雜性，天地一體通信運營能力的形成不能一蹴而就，需要立足衛(wèi)星、地面通信網絡實際，在搞好體系設計的基礎上分階段逐步實現。基于上述天地一體通信網絡架構，可按照“業(yè)務融合、用戶融合、終端融合、云網融合、全系統(tǒng)融合”的演進路線圖，推進天地一體通信運營能力的發(fā)展[26-27]。

（1）業(yè)務融合

將各類通信衛(wèi)星各自分離的傳輸資源統(tǒng)一整合為衛(wèi)星通信資源池，并充分發(fā)揮衛(wèi)星通信網絡作為地面通信網絡的補充、延伸作用，大力拓展衛(wèi)星通信在全域感知、應急保障通信、立體化移動通信、偏遠地區(qū)公眾業(yè)務等應用場景及大時空尺度下的通信服務等應用，實現衛(wèi)星和地面通信網絡挖潛補全、提質增效，提供全區(qū)域、全維度和全業(yè)務的泛在服務。

（2）用戶融合

用戶融合示意圖如圖4所示，使用同一用戶身份（碼號）提供服務，打通衛(wèi)星、地面通信網絡統(tǒng)一簽約、鑒權、計費的運營通道，按需選擇衛(wèi)星或地面通信網絡，實現用戶不換卡、不換號的方便接入，并為天地一體核心網架構、業(yè)務支撐系統(tǒng)設計及終端和號卡規(guī)范制定、用戶管理等積累經驗。

圖4 用戶融合示意圖

（3）終端融合

終端融合示意圖如圖5所示，按照芯片化、多模化、智能化的發(fā)展思路，突破芯片一體化設計、高性能射頻與天線、小尺寸低功耗快響應相控陣天線等關鍵技術，研制多模多頻用戶終端，實現不同頻段之間、不同衛(wèi)星之間及衛(wèi)星通信與地面通信網絡之間的快速切換，逐步實現用戶終端的通用接入能力，提高天地一體通信網絡使用的便捷性、可靠性和綜合效能。

圖5 終端融合示意圖

（4）云網融合

以構建異構衛(wèi)星和地面網絡“一張網”為目標，升級地球站為樞紐港，實現統(tǒng)一網管、業(yè)務需求自動精準規(guī)劃、網絡資源高效智能一體化動態(tài)管理、移動邊緣計算等關鍵能力，支撐天星、地網資源統(tǒng)一運管，在此基礎上，結合用戶業(yè)務需求和資源池使用情況推動各網絡間的互聯互通，確保用戶在不同系統(tǒng)間的靈活接入、無感漫游。

（5）全系統(tǒng)融合

基于上述不同階段的融合成果，結合B5G、6G天地一體通信網絡標準制定、試驗驗證的進展，進一步優(yōu)化系統(tǒng)網絡架構，逐步形成“天星、地網、樞紐港、云資源池”的天地云網融合能力體系，既可以無縫連接現有網絡、滿足現實的資源綜合應用效益最大化需求，又可以引領未來通信網絡的迭代發(fā)展。

上述路線圖中，業(yè)務融合是天地一體通信網絡發(fā)展的起步階段，是淺層次的融合；用戶融合、終端融合、云網融合是天地一體通信網絡發(fā)展的深化階段，是深層次的融合；全系統(tǒng)融合則是天地一體通信網絡發(fā)展的最終形態(tài)，該階段天地一體通信網絡步入規(guī)范化、標準化建設發(fā)展軌跡。

4 需要解決的關鍵技術

天地一體通信運營能力形成需要重點突破天地一體用戶統(tǒng)一認證、多模多頻智能終端、網絡智能管理、資源統(tǒng)一編排調度等關鍵技術。（1）天地一體用戶統(tǒng)一認證技術

衛(wèi)星通信網絡和地面通信網絡的業(yè)務系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、終端方案和接口規(guī)范等各不相同，所屬用戶無法實現相互認證，因此，需要研究用戶使用異構網絡時的全球用戶識別卡（universal subscriber identity module，USIM）鑒權信息正確讀取方案、鑒權和入網注冊流程、核心網信令對接方式、簽約和計費統(tǒng)一實施方案等，從而打通衛(wèi)星、地面通信網絡的統(tǒng)一運營通道，為用戶提供無感的一致服務。

（2）天地一體多模多頻智能終端技術

由于衛(wèi)星資源池的軌道特性不同，且其自身及和地面通信網絡采用不同的頻譜資源、體制標準，因此，使用不同的接入資源時，用戶終端的芯片、射頻設備、天線的功能和性能要求均不同。使用同一用戶終端接入天地一體通信網絡時，需要研究多制式終端芯片一體設計、智能接入路由選擇、多頻段自適應射頻與天線設計等關鍵技術，并針對相控陣天線這一主要天線形態(tài)突破毫米波工藝偏差控制、寬帶低噪聲放大器、芯片低成本封裝等關鍵技術，最終實現終端的小型化、低功耗、快響應。

（3）天地一體網絡智能管理技術

天地一體通信網絡采用統(tǒng)一的網絡架構，即在統(tǒng)一的邏輯架構、實現架構下將衛(wèi)星通信和地面通信進行一體化設計，網絡功能可柔性分割和智能重構，以適應衛(wèi)星載荷資源有限和業(yè)務需求動態(tài)變化的特點，因此，需要研究天地一體網絡智能管理技術，主要包括3個方面：移動性管理技術，針對接入低軌衛(wèi)星導致頻繁波束切換的現實問題，研究星地融合統(tǒng)一的移動性管理方案及切換策略，簡化切換流程，降低信令開銷，提高切換可靠性；高效組網機制，針對多重覆蓋下的干擾問題，研究多星協(xié)作或星地協(xié)作下的高效組網機制，提升系統(tǒng)能量和頻譜效率，同時研究衛(wèi)星承載地面基站及核心網功能情況下的網絡管理方式，以縮短系統(tǒng)調度時延；智能化管理技術，針對天地一體通信網絡節(jié)點多、拓撲時變、多層次異構的特點，研究網絡拓撲結構智能規(guī)劃技術，實現網絡拓撲結構的按需部署和優(yōu)化，研究路由策略智能決策技術，實現網絡環(huán)境自主感知學習，提升端到端服務質量。

（4）天地一體資源統(tǒng)一編排調度技術

資源統(tǒng)一編排調度是構建天地一體通信網絡的重要技術保障，通過對系統(tǒng)資源統(tǒng)一調度、控制，能夠實現網絡全局優(yōu)化和資源綠色集約。因此，需要研究統(tǒng)一的資源管理協(xié)議，根據用戶業(yè)務需求和資源池的資源使用情況，為用戶提供按需的通信服務；研究網絡資源智能調度技術，根據忙閑分布、覆蓋分布和容量分布等不同情況進行統(tǒng)籌調度，實現網絡和算力的高效利用；研究一體化資源調度系統(tǒng)部署方案，構建統(tǒng)一的資源管理網，承載資源管理信息，提升資源管理效率。

5 結束語

天地一體通信網絡是我國信息通信網絡實現全球覆蓋、隨遇接入、按需服務、安全可信的必由之路，盡快形成我國天地一體通信運營能力具有重要的現實意義。本文立足我國通信網絡現狀，從運營角度提出“天星、地網、樞紐港、云資源池”的天地云網融合能力體系及分階段演進路線圖，不僅能夠快速突破“天星”“地網”分離割裂的現狀，而且通過關鍵技術的突破，能夠實現6G系統(tǒng)相關研究內容的超前布局和驗證，有效推進B5G、6G技術演進發(fā)展。