王葆葆 張秋旋 任曉航 王潑 朱榮臻

摘要：基于全球移動通信系統(tǒng)“使用一代、建設(shè)一代、研發(fā)一代”的發(fā)展思路，6G的研究已啟航3年。本文針對6G網(wǎng)絡(luò)中融合地面網(wǎng)絡(luò)（TN）和非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）展開研究，分析了6G移動通信網(wǎng)絡(luò)愿景與衛(wèi)星通信特點(diǎn)，探討了星地一體化的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究方向，簡要介紹了星地一體化的潛在技術(shù)。

關(guān)鍵詞：TN；NTN；星地一體化；衛(wèi)星

一、引言

自20世紀(jì)80年代第一代移動通信系統(tǒng)商用以來，全球移動通信網(wǎng)絡(luò)按照每十年一代的速度快速發(fā)展，在近40年里，我國移動通信技術(shù)從1G至5G經(jīng)歷了“空白、跟隨、突破、并跑、引領(lǐng)”的發(fā)展歷程，2020年大規(guī)模商用的5G網(wǎng)絡(luò)，正在實(shí)現(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò)“服務(wù)于人”至“服務(wù)垂直行業(yè)”的應(yīng)用轉(zhuǎn)變，與醫(yī)療、交通、教育、娛樂、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、電力、城市管理與服務(wù)等社會各行業(yè)相融合，大幅提升各行業(yè)數(shù)字化升級轉(zhuǎn)型[1]。在5G商用如火如荼之際，6G移動通信技術(shù)已吸引世界各國學(xué)者、研究人員的關(guān)注[2]，我國由工信部牽頭的IMT2030（6G）推進(jìn)組于2022年7月發(fā)布的《6G典型場景和關(guān)鍵能力白皮書》指出了6G發(fā)展的四大驅(qū)動力，分別為經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展及技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，這四大驅(qū)動力將為5G向6G的迭代升級提供源源不斷的靈感與動力，推動人們走進(jìn)“泛在互聯(lián)、普惠智能、多維感知、全域覆蓋、綠色低碳、內(nèi)生安全”等特征于一體的智能化未來社會。其中全域覆蓋是本文關(guān)注的重點(diǎn)，指的是6G將融合地面網(wǎng)絡(luò)（TN）和非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN），將地面基站、中高空飛行器、衛(wèi)星等各類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行星地一體化組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)空、天、海、地網(wǎng)絡(luò)融合，以達(dá)到全球無縫地理覆蓋的通信服務(wù)。

二、6G移動通信網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信

現(xiàn)有5G移動通信網(wǎng)絡(luò)以TN為主，針對eMBB、mMTC、URLLC三種典型場景，采用獨(dú)立組網(wǎng)、非獨(dú)立組網(wǎng)并行發(fā)展體系架構(gòu)，利用人工智能、SDN、NFV、大規(guī)模天線、非正交頻分多址、移動邊緣計(jì)算等技術(shù)，為人與人、人與物、物與物的海量連接提供了強(qiáng)大的通信支撐。未來6G網(wǎng)絡(luò)需要具備比5G更高的性能，用戶體驗(yàn)速率可達(dá)到幾十Gbps，相對5G有數(shù)十倍的提升；實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的超高連接數(shù)密度及流量密度，每平方公里千萬至上億連接數(shù)、每平方米可達(dá)數(shù)十Gbps的流量密度；極小的空口時延，達(dá)亞毫秒級，是5G時延的十分之一；還可支持1000km/h以上的移動性，最高峰值速率達(dá)1Tbps。此外，6G將延伸通信觸角，實(shí)現(xiàn)空、天、地、海領(lǐng)域的全域覆蓋，為全球任意地點(diǎn)提供通信服務(wù)。但是，受地貌影響，TN在海洋、荒漠、山區(qū)、森林等地難以實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋，使得對移動通信的服務(wù)需求逐漸加深的航空、林業(yè)、礦業(yè)、邊防、應(yīng)急通信等行業(yè)的發(fā)展受到較大限制，為解決此問題，各國普遍將研究方向?qū)?zhǔn)以高空飛行器、中低軌衛(wèi)星為代表的NTN。在1G移動通信時期，第一代TNT由摩托羅拉公司成功部署，名為“銥星”全球移動通信網(wǎng)絡(luò)，可提供包括南北極在內(nèi)的全球任意地點(diǎn)的電話通信業(yè)務(wù)。但是由于技術(shù)、成本、市場等因素影響，在全球通信標(biāo)準(zhǔn)競爭中，未能贏得以GSM為代表的2G通信系統(tǒng)，退出了民用移動通信市場。在之后的三十多年，TN與NTN各自獨(dú)立發(fā)展，直至6G全域覆蓋需求的愿景提出，人們開始探索TN與NTN融合發(fā)展的技術(shù)路線，其中，衛(wèi)星通信系統(tǒng)在NTN中的地位至關(guān)重要。

在6G NTN網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星通信系統(tǒng)以軌道高度為300km的低軌地球衛(wèi)星星座（LEO）為主，以中軌地球衛(wèi)星（MEO）、地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）為輔。這是綜合考慮時延、傳輸損耗、頻率復(fù)用率、衛(wèi)星使用壽命等參數(shù)得出的結(jié)論。受無線電波傳播速度限制，使用較大的衛(wèi)星通信距離時，衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸時長遠(yuǎn)大于地面系統(tǒng)。如表1所示，衛(wèi)星軌道高度越低，信號傳輸時延越小、傳輸損耗越小、實(shí)現(xiàn)全球覆蓋所需衛(wèi)星數(shù)量越多，相應(yīng)地對實(shí)時業(yè)務(wù)保障能力越強(qiáng)、同等傳輸功率下可提供更高速率業(yè)務(wù)服務(wù)、多顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)較高頻率復(fù)用增大系統(tǒng)容量。但是軌道過低時，受大氣阻力影響，衛(wèi)星使用壽命縮短，增加衛(wèi)星系統(tǒng)建設(shè)成本，而低軌衛(wèi)星所處高度可基本忽略大氣阻力影響，故低軌衛(wèi)星將在6G網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重大作用，但是中高軌衛(wèi)星的作用也不容忽視，對于實(shí)時性要求不高的如語言視頻流媒體（時延約為10s）通信業(yè)務(wù)，中高軌衛(wèi)星具有一席之地。基于時延、覆蓋參數(shù)，第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）為基于GEO、MEO或LEO集成基礎(chǔ)設(shè)施的衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)制定了具體的QoS參數(shù)，見表1[1-3]。

三、星地一體融合的智能異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

國內(nèi)外普遍認(rèn)為6G網(wǎng)絡(luò)將會是星地一體融合架構(gòu)，通過人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)宏蜂窩、微蜂窩、Wi-Fi、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、高空平臺、無人機(jī)、氣球等為一體的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)深度融合，打造具有固移融合、云網(wǎng)邊端協(xié)同、智能內(nèi)生特征的智能化、綠色、可持續(xù)的安全網(wǎng)絡(luò)[4]。為了實(shí)現(xiàn)空、天、地、海的全域無縫覆蓋的同時，充分利用現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，星地一體融合網(wǎng)絡(luò)將以傳統(tǒng)陸地5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以衛(wèi)星通信、水下無線通信網(wǎng)絡(luò)等為補(bǔ)充，為太空、空中、陸地、海洋等自然空間提供任意位置的通信覆蓋及業(yè)務(wù)支撐[5]。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為三維連接技術(shù)將由TN和NTN獨(dú)立發(fā)展踏入融合發(fā)展新階段，通過連接任意部署位置的無線站點(diǎn)/天線，實(shí)現(xiàn)不受時間、地點(diǎn)、對象限制的通信，成為6G融合組網(wǎng)的關(guān)鍵使能技術(shù)。文獻(xiàn)[7]中將復(fù)雜星地一體融合網(wǎng)絡(luò)分解為三種基本合作模型的多種組合，這三種模型可以用最少的無線鏈路描述衛(wèi)星通信與地面通信間的基本協(xié)作行為，展示了一個無蜂窩、分層、解耦的星地融合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，并探討了關(guān)于為6G中無處不在的物聯(lián)網(wǎng)，建設(shè)一個敏捷、智能、安全的星地一體網(wǎng)絡(luò)的問題。3GPP關(guān)于NTN的標(biāo)準(zhǔn)化工作側(cè)重于透明的有效載荷架構(gòu)，為了向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供衛(wèi)星接入服務(wù)，衛(wèi)星平臺必須連接到地面站網(wǎng)關(guān)，因此為了實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，在LEO星座部署中需要復(fù)雜的地面段基礎(chǔ)設(shè)施。文獻(xiàn)[8]指出，對于交付延遲容忍的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部署可以從基于衛(wèi)星再生有效負(fù)載使用的架構(gòu)中受益，并且即使在衛(wèi)星未連接到地面站的情況下，仍可支持存儲轉(zhuǎn)發(fā)操作，該篇文章將服務(wù)的不連續(xù)性納入考量，提出一種使用新型代理函數(shù)的再生衛(wèi)星有效載荷的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

針對云計(jì)算、區(qū)塊鏈等新技術(shù)的蓬勃發(fā)展，文章[9]中提出“三層三扇”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，繼續(xù)沿著服務(wù)化架構(gòu)演進(jìn)的同時滿足人們對定制化服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)泛在、高速高效、安全可信等要求。根據(jù)預(yù)測，與2022年相比，到2040年時6G各類終端連接數(shù)增長將超過30倍，月均流量增長超過130倍，使得6G網(wǎng)絡(luò)中具有“千億級終端連接數(shù)，萬億級GB月均流量”的超大規(guī)模數(shù)據(jù)[10]，這為AI等深度學(xué)習(xí)技術(shù)提供了充足的訓(xùn)練量，原生AI促進(jìn)6G網(wǎng)絡(luò)智慧內(nèi)生是未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展重要愿景之一，ITU-T也在報(bào)告中指出，AI將在未來復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上發(fā)揮重大作用[11]。通信感知的一體化建設(shè)也是星地一體融合架構(gòu)的研究熱點(diǎn)，文獻(xiàn)[12]中認(rèn)為通信感知的一體化建設(shè)將歷經(jīng)賦能、平衡、互惠的三個發(fā)展階段，逐步實(shí)現(xiàn)通信和感知能力的功能初步具備、性能平衡發(fā)展、深度融合互惠，統(tǒng)一編排和管理網(wǎng)絡(luò)中的物理基礎(chǔ)設(shè)施層、邏輯功能層和應(yīng)用層，構(gòu)建全域高精度協(xié)同感知體系。

四、影響星地一體融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的潛在技術(shù)

（一）太赫茲通信技術(shù)

頻率資源是一種不可再生的戰(zhàn)略資源，NT網(wǎng)絡(luò)中低頻頻率資源的使用日趨飽和，從5G開始，毫米波通信技術(shù)就吸引了業(yè)界的關(guān)注，隨著技術(shù)的發(fā)展，業(yè)界認(rèn)為6G將利用0.1GHz～10THz的太赫茲頻段來滿足未來超大帶寬容量和超高傳輸速率寬帶無線通信的需求。美國、歐盟、芬蘭、韓國、日本等國家和組織紛紛開展太赫茲無線通信技術(shù)研究，我國運(yùn)營商、研究院也在發(fā)布的白皮書中肯定太赫茲無線通信技術(shù)是6G的關(guān)鍵技術(shù)之一，有望在星地一體融合網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重大作用[13]。眾所周知，隨著電磁波頻率的升高，可利用的頻帶寬度越大，數(shù)據(jù)傳輸速率越快，用戶體驗(yàn)效果越快，太赫茲頻段處于微波和可見光之間，具有豐富的頻率資源，可提供高達(dá)Tbit/s的通信速率。

研究表明[14]，由于太赫茲的高頻特性及分子吸收特性，使得富含雨、霧的大氣環(huán)境對太赫茲通信信道的產(chǎn)生不可忽略的頻率選擇性衰減，故在大氣環(huán)境下太赫茲主要用于地面短距離通信或微觀尺度的通信場景，如無線前傳和回傳、近距離無線下載站、納米級傳感器網(wǎng)絡(luò)等。與微波相比，其具有更窄的波束、更好的波束定向性、更強(qiáng)的抗干擾能力、更優(yōu)的保密性能、更強(qiáng)的穿透性能，且在外太空，不受大氣分子吸收的影響，在多個波長處具備相對透明的大氣窗口，可實(shí)現(xiàn)低功耗無損傳輸，并完成長距離通信。因此，在星地一體融合架構(gòu)中可將太赫茲技術(shù)應(yīng)用于空間通信中，特別是衛(wèi)星星座間以及衛(wèi)星與地球之間的高速無線寬帶通信[15]。

（二）AI技術(shù)

AI技術(shù)在4G、5G中已展開火熱研究并取得一定進(jìn)展，根據(jù)ITU-T將網(wǎng)絡(luò)智能化分成的6個等級及相關(guān)評估方法來看[11]，現(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)處于中級智能向高級智能邁進(jìn)時期，期望在6G實(shí)現(xiàn)智慧內(nèi)生的完全智能網(wǎng)絡(luò)。為了達(dá)到這個目標(biāo)，業(yè)界從各個角度針對AI展開了大量的研究，涵蓋智能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)[16]、智能感知[17]、智能無線資源管理[18]、編解碼模型設(shè)計(jì)[19]、波束空間信道估計(jì)[20]等。此外，通過AI與軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）及邊緣計(jì)算相結(jié)合[21]以解決星地一體化融合網(wǎng)絡(luò)問題是研究的重要方向[22]。文獻(xiàn)[23]利用SDN集中計(jì)算優(yōu)勢，利用AI計(jì)算鏈路權(quán)重，設(shè)計(jì)了星地間的路由選擇方案以降低鏈路負(fù)載，改善了海量信息導(dǎo)致的鏈路擁塞。文獻(xiàn)[24]將知識定義網(wǎng)絡(luò)融入軟件定義的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，提出了基于雙延遲深度確定性策略梯度的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，有效解決了該網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時路由優(yōu)化問題，降低了網(wǎng)絡(luò)平均時延。AI助力智能6G是必然趨勢，與SDN、區(qū)塊鏈、邊緣計(jì)算等技術(shù)相結(jié)合，能為6G提供更加智能的星地一體化融合架構(gòu)解決方案。

五、結(jié)束語

我國移動通信技術(shù)已邁入具有國際競爭力的高科技前沿領(lǐng)域之一，面向未來，人類社會將進(jìn)入智能化時代，太赫茲、AI等技術(shù)將發(fā)揮巨大作用，各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展亟須產(chǎn)業(yè)界各方攜手共進(jìn)，積極探索“重塑智慧未來”的下一代移動通信系統(tǒng)，持續(xù)為全球通信技術(shù)發(fā)展貢獻(xiàn)中國智慧。

作者單位：王葆葆 張秋旋 任曉航 王潑 朱榮臻

航天工程大學(xué)士官學(xué)校

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