空天地一体化通信系统

空天地一体化通信系统WHITE PAPER V7.0 H2020.11 空天地一体化通信系统 编制单位：紫光展锐（上海）科技有限公司、中山大学、中兴通讯股份有限公司、中国空间技术研究院、北京邮电大学、北京小米移动软件有限公司、天津大学、中国移动通信有限公司、中国电信集团有限公司、中国联合网络通信有限公司、大唐移动通信设备有限公司、成都天锐星通科技有限公司、东南大学、西安空间无线电技术研究所、电子科技大学、三星通信研究院、北京中科晶上科技股份有限公司、北京信息科技大学、现代测控技术教育部重点实验室 2020年11月27日 空天地一体化通信系统 摘要 在过往的数十年中，由于技术和市场等因素，地面蜂窝通信系统和卫星通信系统各自独立发展，都取得了辉煌的业绩，促进了人类社会的巨大进步。在 5G时代，通过网关连接，卫星通信与地面通信实现了业务层面的互联互通，相互补充。但是，面向未来广域万物智联与全球随遇接入等迫切需求，地面蜂窝通信系统和卫星通信系统继续独立发展都将面临极大挑战。在新兴技术快速发展的驱动下，构建空间网络与地面网络相融合的空天地一体化通信系统，实现统一高效的资源调度与网络管控，已成为未来通信网络的发展趋势。 本白皮书主要从这四个角度阐述了我们对空天地一体化通信系统的思考，包括发展驱动与愿景、需求与挑战、立体融合网络架构以及潜在的关键技术。首先分析了推动空天地一体化通信系统发展的双重驱动力，并描绘了未来的愿景，提出空天地一体化通信系统的两大核心要素和三大典型特征，然后梳理了网络能力需求和面临的挑战，最后探讨了空天地一体化通信系统的网络架构和未来潜在的关键技术。 1. 发展驱动 空天地一体化通信系统发展受到业务需求和技术发展的双重驱动。业务需求主要体现在广域万物智联和全球随遇接入两方面。卫星技术和运载技术的创新发展为未来建设大规模卫星网络提供了有力支撑。AI 技术与通信将会更加深度融合，解决复杂的异构通信系统问题。区块链作为一种极具潜力的安全技术，为开放融合、异构共存的空天地一体化通信系统中的数据传输安全问题提供了解决途径。 2. 发展愿景 空天地一体化通信系统是 6G 的一种典型体系架构，其愿景是满足十年后的广域智慧连接和全球泛在无缝接入需求，为广域的对象建立智能连接，提供智慧服务，为人类提供全球无间断且一致性的信息服务。空天地一体化通信系统具有三大典型特征：统一的空口技术、统一的网络架构和统一的智能管控。 3. 网络能力需求 相对于传统卫星通信系统，空天地一体化通信系统需要具备更全面的能力，不仅需要传统的通信能力，还需要计算能力、AI 能力和安全能力。其中，通信能空天地一体化通信系统 力是未来 6G 空天地一体化通信系统发展的基本需求，AI 能力则是空天地一体化通信系统的核心能力，包括感知、学习、推理、预测和决策五大能力。 4. 面临的挑战 空天地一体化通信系统具有网络异质异构、空间节点高度动态、拓扑结构时变、极大的时空尺度、空间节点资源受限、卫星广播传输链路易受攻击等特点，这些特点对网络架构、星地融合通信制式、星间组网协议等方面的设计提出了更高的要求。 5. 立体融合网络架构 未来的空天地一体化通信网络，是以地面网络为依托、以天基网络和空基网络为拓展的立体分层、融合协作的网络，各星座卫星（包括高、中、低轨）、临近空间平台（如热气球、无人机等）和地面节点共同形成多重覆盖。网络总体架构包含物理架构、逻辑架构、实现架构三层含义。在实现架构上，借鉴微服务思想，空天地一体化通信网络采用资源虚拟化技术，实现接入网、承载网和核心网的星地一体虚拟化。 6. 关键技术方向 本白皮书从五个方向探讨了空天地一体化通信系统的关键技术。 （1） 无线传输技术 在空天地一体化通信系统中，必须发展新型的载波调制技术，以对抗卫星载荷中大功率射频器件的非线性特性以及星地链路传输的非理想特性。相比较而言，SCMA 和 MUSA 将是适用于空天地一体化系统的潜在多址技术。大规模星座卫星的部署模式将为应用 MIMO 技术提供基础，通过星间协作，建立虚拟多天线系统，实现多星多波束协作传输。 （2）网络技术 空天地一体化通信系统组网协议的发展趋势是借鉴地面成熟的 TCP/IP 互联网协议体系，将 DTN 和 CCSDS 等各协议体系逐渐统一到 TCP/IP 为核心的组网体系中(IP over X)。认知干扰协调技术和动态频谱共享技术是解决空天地一体化通信系统中频率资源稀缺与低利用率矛盾的有效手段。实现空天地端到端一体化网络切片需在网络拓扑结构预测、人工智能 SLA 保障、接入网和核心网一体虚拟化等方面展开研究。 空天地一体化通信系统 （3）新型星上载荷技术 面对未来空天地通信高度一体化的挑战，星载多波束天线技术在未来通信卫星系统中将与系统工作模式紧密联系在一起，不再是“独立”的天线分系统。智能化卫星载荷将以软件定义的计算能力和重构能力为基础，结合 AI 技术，完成频谱认知和网络认知，进行业务预测和资源分配，使载荷具备自主应对业务和流量变化的能力。未来，星上容错设计应采取功能模块高效容错与系统级故障恢复相结合的技术路线。 （4）智能化融合化终端 泛在化和智能化是空天地一体化终端的关键特征。适应终端芯片异构计算能力的开源深度学习框架和轻量化的边缘人工智能算法是终端智能化的基础。低成本的平板相控阵天线作为终端核心部件，对空天地一体化通信系统能否成功商业应用有直接影响。终端相控阵天线的成本与芯片工艺技术密切相关。 （5）业务与应用技术 空天地一体化通信系统中存在大量多方协作的场景。未来的多方协作服务与资源共享将朝着去中心化、智能化的方向发展。目前存在通导系统分立、融合程度低的问题，通过低轨通信星座载荷搭载、通导一体化设计、建设低轨导航增强专用星座等手段，可实现精密单点定位、安全定位授时、天基监测、抗干扰定位等功能。 空天地一体化通信系统 Executive Summary In the past decades, due to factors such as technology and market, ground cellular communication system and satellite communication system have developed independently, and have made brilliant achievements, which has promoted the great progress of human society. In the 5g era, through the gateway connection, the satellite communication and the ground communication realize the interconnection and intercommunication at the business level and complement each other. However, in the face of the urgent needs of future wid