6G星地融合網絡應用場景、架構與關鍵技術挑戰

劉哲銘，吳云飛，魏 肖，張 景，陸 洲

(中國電子科學研究院，北京100041)

0 引言

隨著社會的發展和科學技術的進步，通信網絡發展已經歷經四代，見證了人們日常生活的巨大變化。目前，第五代(5G)通信網絡發展正如火如荼地進行中，2022年3月下旬，全球5G標準第三個版本——3GPP Release 17完成第三階段的功能性凍結，標志著5G技術演進第一階段的圓滿結束。5G的目標是為了滿足高帶寬、大連接和低時延場景下的通信需求[1]，基于大規模多天線、全雙工等技術實現5G峰值速率、頻譜效率、時延、移動性等性能的全方位提升[2]。然而，5G網絡信號覆蓋仍以基站為中心，覆蓋范圍小，預計在5G時代仍將有80%以上的陸地和95%以上的海洋沒有網絡信號覆蓋，高度集中在陸地地表10 km以內[3]。除廣覆蓋外，全息通信、增強擴展現實、數字孿生社會等6G展望的典型應用場景都需要在性能指標上相對5G有進一步提升[4]。5G商用伊始，6G研究已悄然開啟，通過新技術開發應用實現“智慧連接”“深度連接”“全息連接”“泛在連接”，真正實現“空天地海”一體化連接的愿景[5]，應用場景也擴展到增強型移動帶寬、增強型超可靠低延遲通信、超大規模機器通信、遠距離高移動性通信和超低功率通信五大應用場景[6]。

在6G愿景中，相對于5G更突出的特點是網絡覆蓋范圍，而不僅僅是通信性能的提升。在通信網絡幾十年的發展過程中，由于經濟效益限制，山區、叢林、戈壁灘等地區難以通過部署基站的方式實現網絡通信，同時由于地理環境的限制，廣闊的空域和海洋也不能被陸地網絡覆蓋。衛星通信則為實現通信網絡全球覆蓋提供了最佳的解決方案，這也成為6G通信網絡研究的重點內容之一[7]。與地面通信網絡相比，衛星通信網絡除支持全球覆蓋外，還具有不受氣候、天氣的影響和系統抗毀能力強的優勢，同時還能進行靈活的信號配置，易于實現多種服務[8]。這些優勢進一步提升了未來6G的應用范圍和服務能力，例如：海洋、森林等資源監視和災害監測，大范圍交通物流等監控管理,無人機、艦船、車輛等的協同控制[9]，充分體現出衛星通信網絡的連續性、泛在性與擴展性。

如今，已有多個組織、機構將衛星通信網絡納入未來通信網絡的發展規劃及標準中，ITU、3GPP、SaT5G等主要標準化組織或研究機構已經開始對衛星通信網絡與5G融合研究[10]，在6G與衛星通信網絡融合方面，ITU在2020年正式啟動面向2030及6G的研究工作，明確提出將衛星通信網絡納入6G網絡中[11-12]。3GPP組織于2020年5月成功通過由中國電信牽頭的“R19 Study on Satellite Access-Phase 3(SAT-Ph3衛星接入研究階段三,R19)”立項審議，推進3GPP衛星標準研究，進一步推動衛星通信與地面移動通信融合。IMT-2030推進組發布《6G總體愿景與潛在關鍵技術》白皮書中提到“星地一體融合組網”關鍵技術，實現空基、天基、地基網絡的深度融合[13]。同時，技術的進步及衛星通信網絡發展的顯著優勢推動許多國家持續投入大規模衛星星座的建設，尤其是2014年以來支持高頻段、大帶寬的衛星通信系統的建設，例如：美國SpaceX公司推出的Starlink與OneWeb公司推出的OneWeb星座、中國航天科技集團公司推出的“鴻雁星座”與航天科工集團公司推出的“虹云工程”，為未來衛星通信網絡與6G融合奠定了堅實的基礎。

本文總結了未來6G網絡三大應用場景及典型應用，并重點參考熱點技術對星地融合網絡架構進行設計，最后提出未來需克服的三大關鍵技術及星地融合網絡尤其是衛星網絡所面對的挑戰，以此對未來6G網絡的發展趨勢進行總結與探索。

1 應用場景與典型應用

星地網絡融合將是未來6G發展的趨勢，打破衛星與地面相互獨立的現狀。6G時代不僅體現在地面網絡性能的提升，星地融合所展現的新特性也將進一步拓展通信網絡的應用場景，同時也將呈現新的典型應用。

1.1 應用場景

衛星通信網絡可視為地面通信網絡向高空的延伸，極大地彌補了地面通信網絡的劣勢，同時也是未來更加豐富的應用場景所需具備的最優網絡拓展部署的方式，衛星通信廣域覆蓋使以下更多應用場景的實現成為了可能[14]。

① 廣域物聯通信。萬物互聯作為未來發展的趨勢，具有分布范圍廣、終端數量多的特點。衛星通信網絡的發展為大跨度的陸海空客貨運輸監控、森林海洋等自然資源監測提供了更加便利的服務，彌補了地面通信網絡的不足。

② 廣域寬帶通信。衛星通信網絡與地面通信網絡相結合實現地面熱點區域的強化覆蓋，并補足網絡未覆蓋區域，實現具有廣泛覆蓋能力的大帶寬、高速率的網絡通信能力。為全球地面網絡覆蓋受限區域及貧困地區提供更加便捷、低成本及有效的網絡通信服務。

③ 廣域可靠通信。超遠距離通信，例如：跨國企業、金融等數據不僅需要能夠穩定地傳輸，更需要高可靠性和安全性。目前，超遠距離跨國數據傳輸通過地面網絡-海底光纜-地面網絡的過程來傳輸，傳輸過程需要多次轉發，降低了時延穩定性和安全性。衛星通信則可在未來實現互補甚至替代的傳輸方式，使穩定性和安全性得到進一步提升。

1.2 典型應用

應用場景的拓展為實踐中的典型業務應用提供了先決條件。6G時代，衛星地面一張網，它們之間的差異也逐漸融合與適配，優勢互補成為衛星與地面網絡融合的顯著特征，其催生出的典型應用也帶給人們更便捷的生活體驗，例如：物聯網、用戶終端直連衛星、應急通信等。

① 物聯網。物聯網的發展使人們能夠對物體的控制不受距離的限制，同時物與物之間也能夠進行信息交互。衛星通信的加入使通信距離進一步拉遠，通過傳感器與衛星連接能夠對森林、河流、海洋等自然資源進行遠距離監測及災害預警，也為無人汽車、無人機等超遠距離運行提供了可能。

② 用戶終端直連衛星。星地之間的網絡融合不僅是二者之間的互聯，更是二者之間標準協議的融合，使日常使用的終端設備能夠任意直連、切換地面網絡與衛星網絡。用戶終端直連衛星能夠有效地增強熱點區域的網絡覆蓋及在無地面網絡基礎設施區域實現網絡覆蓋。

③ 應急保障。地面通信網絡易受天氣及地質災害的影響，在災害來臨時極大可能造成通信中斷，通信可靠性較差。衛星通信網絡的運行則不受影響，可在緊急情況下提供通信保障。

基于以上6G應用場景及典型應用的舉例分析，6G的一些關鍵性能指標與5G相比也有了極大地提高，結合一些組織機構[15-18]對6G預期的指標要求和衛星通信網絡的相關指標要求與5G指標進行對比總結，如表1所示。

表1 5G與6G關鍵性能指標對比Tab.1 Comparison of 5G and 6G key performance indicators

2 星地融合網絡架構分析

2.1 星地融合通信網絡架構設計

星地通信網絡融合作為6G時代發展的趨勢，兩種網絡融合后的集成架構也是未來研究的重點方向之一，并從宏觀角度突顯星地融合通信網絡的優勢。6G將把地面移動通信與高、中、低軌衛星通信和諧地集成在一起，形成統一的同時支持衛星通信和地面通信的標準、統一的終端身份認證機制、統一的網絡架構和控制管理機制，并整合通信、計算、導航、AI等，實現對空、天、地、海三維立體網絡信號全球覆蓋。

面對未來6G通信業務及應用場景需求，結合現有的地面網絡與衛星網絡架構，設計更加靈活、更加智能的星地融合通信網絡架構，如圖1所示。整個架構從上到下分為3層：高軌衛星、中低軌衛星、地面節點。部署過程實現接入網、核心網網元靈活彈性部署，用戶面功能與控制面板功能分離，AI全網深入智能化賦能，支持軟件定義網絡(Software Defined Network,SDN)和網絡功能虛擬化(Network Functions Virtualization,NFV)技術[19]，實現網絡切片來滿足多場景差異化的業務需求，并結合分布式移動邊緣計算(Mobile Edge Computing,MEC)平臺，有效實現將算力從中心延伸到邊緣。

高軌衛星：部署輕量化核心網(包括控制面功能網元和用戶面功能網元)、接入網、邊緣計算服務單元、AI賦能平臺及SDN/NFV功能。

中低軌衛星：部署核心網用戶面功能網元、接入網、邊緣計算服務單元、AI賦能平臺。

地面節點：部署地面全功能核心網、地面網關、地面移動基站。

圖1 星地融合通信網絡架構圖Fig.1 Satellite-terrestrial converged communication network architecture diagram

2.2 星地融合網絡特點及優勢

2.2.1 衛星透明轉發與處理一體化

針對未來6G通信海量信息傳輸，對信息傳輸時延、傳輸速率、網絡容量都提出了更高的要求。面對不同的業務對時延、速率等的差異化需求，通過透明轉發的方式可實現低功耗、高速率，再加上星上處理模式時延低的特點，進一步優化了衛星通信網絡的性能。此外，通過綜合考慮衛星平臺資源和功耗限制，根據需求來實現透明轉發和星上處理載荷的靈活部署，提高綜合效能。

2.2.2 星地管控體制一體化

針對星地通信網絡融合后地面網絡與衛星網絡需要進行動態無縫切換的需求，以及大量用戶同時進行信息數據接入傳輸過程控制問題等，采用AI輔助的智能管控架構[20]以及SDN/NFV支持的軟件可編程性屬性來管理網絡[21]。此外，星地接入與傳輸網絡采用統一的技術體制和網元接口設計，支持星地網絡功能的統一管理和互聯互通，實現星地網絡的系統級深度融合。

2.2.3 按需服務調度一體化

針對通信網絡大規模覆蓋、應用場景多樣化、應用需求多樣化的情況，采用按需分配的資源部署方式。傳統網絡主要采用自上而下的模式實現統一的服務能力，缺點在于功率均勻分布，不能實現資源的充分利用。在未來，隨著用戶終端數量的急速增加，網絡需要以更高效、更綠色的方式進行設計。星地融合使網絡覆蓋范圍得以擴大，其覆蓋策略要從統一覆蓋轉變為由用戶需求驅動的按需覆蓋[22]，覆蓋模式也要從低效率全覆蓋轉變為高效、智能、精準覆蓋。

3 關鍵技術應用與面臨的挑戰

3.1 關鍵技術應用

6G通信技術的發展相比5G有著全方位的指標突破，特別是衛星通信技術的融入，一些為傳統網絡設計的技術不再適用于星地融合通信網絡。新的關鍵技術的應用，對6G網絡尤其是衛星通信網絡的性能提升起著重要的作用。本節重點介紹6G中衛星通信網絡可能采用的技術及未來發展過程中面臨的挑戰。

3.1.1 星地融合頻譜共享與干擾管理

隨著全球通信需求的爆炸性增長和終端設備數量的急劇增加，頻譜稀缺問題更加突出，地面網絡與衛星網絡之間同樣存在頻譜競爭的問題。在6G時代，星地集成網絡探索頻譜共享技術是一個很有前途的解決方案，一方面減輕了頻譜資源稀缺的壓力，另一方面也可以提高頻譜資源的利用率。

目前，地面網絡已經開始使用與衛星通信重疊的更高的頻譜；未來，終端接入網絡過程將實現地面衛星統一的接入方式，并實現無縫切換。然而，實現頻譜共享功能需要有效的頻譜管理技術，避免因頻譜共享造成網絡擁塞和相互干擾。文獻[23]提出了在星地融合通信網絡中引入非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)技術和認知無線電(Cognitive Radio,CR)技術兩種最優的頻譜共享技術，通過兩種技術的融合允許多個用戶終端同時接入空閑頻譜和處于忙碌狀態的頻譜，從而實現高效的全頻譜接入。但依舊面臨著因衛星傳輸能力有限導致的難以精確感知衛星正在使用的頻譜，此外還存在著衛星NOMA分組的不公平性和接收機設計的難題。

3.1.2 星地遠距離隨機接入技術

未來6G通信網絡將實現全球全域覆蓋，地面、海洋、高空的終端數量將實現爆炸性增長，因此，在如此龐大的全球網絡中，必須能夠支持近乎無限的無線連接[24]。如今所應用的無線接入技術遠不能滿足在6G時代支持的全球通信網絡中無處不在的設備無縫覆蓋需求，必須探索出一種能夠實現高動態大規模連接的隨機接入技術。

文獻[25]提出了一種基于聯合聚類算法的無閾值隨機接入前導序列檢測算法，該算法可以有效地捕獲第一個到達路徑對應的正確時間指標，最終能夠進一步提高檢測性能和定時估計性能。但聯合聚類算法的復雜度較高，需要進一步優化。文獻[26]則研究了一種高效的低軌衛星輔助6G網絡的隨機接入前導列的設計與檢測方法。首先提出了一種增強型的前導序列以避免額外的信號開銷與檢測過程，在此基礎上提出了一種基于長度可變的差分互相關的新型脈沖定時度量方法，該方法既不受載波頻率偏移的影響，還能夠減輕噪聲對定時估計的影響。

3.1.3 星地協同的安全傳輸技術

衛星通信的大覆蓋范圍、大連接特性和開放的環境同時面臨著星地信息傳輸易被竊聽和干擾，因此，用戶的信息安全保障變得更加困難和具有挑戰性。在6G時代，衛星地面通信網絡已融為一體，可以借助地面網絡實現協同安全傳輸，防止用戶信息被竊聽。首先可通過信息交換和波束形成技術來控制對衛星用戶的干擾，此外，星地頻譜共享技術使星地網絡信號傳輸使用相同的頻譜，可借用地面安全傳輸技術用于衛星信息傳輸的安全防范。通過協同安全傳輸構建物理層安全，在不使用復雜的加密技術的情況下調高用戶的信息安全。

為了進一步提高6G星地融合網絡的安全性，可通過人工噪聲技術來提高信息傳輸的安全性，即通過添加人工噪聲來惡化竊聽者的信道環境，同時控制對合法用戶的干擾。文獻[27]在研究衛星端發送信息的同時，產生合法用戶已知的人工噪聲來實現對發送信息的保密，由于合法用戶已知，因此不會對合法用戶接收信息造成影響。該方法必須告知合法用戶發送的噪聲信息，增加了傳輸信息量。文獻[28]則是在衛星發送信息的同時，產生與發送信息正交的人工噪聲，從而消除對合法用戶的干擾。

3.2 面臨的挑戰

6G星地融合網絡的發展面臨很多挑戰，尤其是衛星通信網絡的發展。如今，衛星通信網絡的發展速度相較于地面通信網絡一直處于落后的局面，并且還未進行普及型應用，因此，面臨很多挑戰需要解決。

3.2.1 星地信息傳輸長時延挑戰

通信延遲是保證用戶進行無線通信質量基本的性能指標。星地信息傳輸距離長，導致路徑損耗大、傳輸延遲大，而除了距離的因素外，還存在用戶終端數量的爆炸性增長導致的數據量猛增，也存在著信息排隊和處理的延遲。這對滿足6G所要求的延遲指標帶來巨大的挑戰。

由于衛星處于上百千米之外，衛星網絡的傳播延遲比地面網絡長得多，在低時延方面有著天然的劣勢，為了提高用戶的通信質量，需要努力減少6G時代與地面通信網絡集成的衛星通信延遲。對于中、低軌衛星的多跳傳輸，傳輸延遲決定于源衛星通過尋找最優的多跳路徑最后到達地面網關的路徑長度，因此，合理放置網關可有效降低傳輸延遲[29]。此外，MEC技術的應用可以提高信息處理的速度，進一步降低信息傳輸延遲。

3.2.2 衛星高速移動帶來的挑戰

衛星的高速移動對于星地信號傳輸會帶來一系列的挑戰，如多普勒效應、頻率同步跟蹤、接入信號隨著衛星的移動頻繁切換等問題。

低軌衛星的移動速度每秒能夠達到幾千千米，多普勒頻移相對較大，例如，在距離地面600 km的低軌衛星，信號傳輸載波頻率為30 GHz的情況下，多普勒頻移可以達到±720 kHz[30]。衛星的快速移動還存在著接入信號頻繁切換的問題，文獻[31]將接入信號切換類型分為兩種：一種是水平切換，即地面通信網絡之間或衛星通信網絡之間進行信號切換；二是垂直切換，即星地網絡之間進行傳輸連接時進行切換。對于水平切換可通過常規切換技術進行實現，然后對于垂直切換則面臨著巨大的挑戰。

3.2.3 星地協同管理帶來的挑戰

6G星地融合網絡包括高軌衛星網絡、中低軌衛星網絡和地面網絡等多層網絡集中形成的一個三維立體廣域覆蓋的通信網絡。此外，還要融入多層統一的通信技術，對各層進行統一管理將是一個非常大的挑戰。

在多層網絡管理的過程中，不僅要考慮滿足6G的各項指標要求，還要按需進行均衡網絡的覆蓋范圍及強度，盡可能避免造成有些區域沒有進行網絡信號連續覆蓋的情況出現。此外，網絡管理還會受到不同層之間的切換和負載平衡的問題挑戰，地面網絡的協調可通過光纖進行實現，但對于衛星網絡的協調則需要通過無線通信的方式進行實現，進一步增加了多層網絡管理的復雜性。

4 結束語

衛星通信在5G時代的發展與起到的作用越來越受到通信行業的重視，可以視其為未來通信網絡發展必爭的高地。6G星地融合通信網絡的發展代表著未來通信網絡發展的趨勢，其不僅在各項指標上有量的突破，更在覆蓋廣度與高度上有進一步的延伸。本文首先探索未來衛星通信網絡與地面通信網絡融合的發展趨勢，并簡述各個組織機構對未來衛星通信網絡發展的規劃，側面反應衛星通信發展受到廣泛關注；其次通過應用場景及典型應用對6G通信以及衛星通信網絡的指標要求進行預測；然后對星地融合通信網絡的架構進行分析，使其更符合未來6G通信網絡的發展趨勢；最后對6G時代衛星通信網絡可能用到的關鍵技術進行簡述，并就可能遇到的挑戰進行分析。

在未來研究過程中，既要重視新技術的應用，也要重視發展過程中所面臨的挑戰。這些不僅代表著能克服未來6G指標要求的難題，更為今后的研究指明了方向。