空天地一體化通信網絡中地面運營商的挑戰與機遇

裴郁杉 苗守野 張忠皓 李福昌

【摘 ?要】

詳細分析了天基網絡和空基網絡的網絡特性、產業發展情況。衛星與HAPS通信具有傳輸覆蓋廣、不受地理環境限制、時延抖動小、可靠性高等特性。根據不同網絡的能力特性，提出了未來空天地一體化網絡在應急保障通信、立體化移動通信、偏遠地區公眾業務和大時空尺度下的通信業務等4種場景下的應用，最后闡述了為地面運營商在未來空天地一體化通信發展進程中的挑戰和機遇。

【關鍵詞】空天地一體化通信;天基網絡;空基網絡;地面運營商

0 ? 引言

未來的空天地一體化網絡關注的是不同網絡架構的融合，實現為用戶提供真正無縫的鏈接。典型的一體化網絡由三部分組成：由各種軌道衛星構成的天基網絡，由飛行器構成的空基網絡，以及傳統的地基網絡，其中地基網絡又包括蜂窩無線網絡、衛星地面站和移動衛星終端以及地面的數據與處理中心等[1]。

對于傳統地面運營商而言，一方面空天地一體化網絡可以幫助其真正地提供泛在網絡服務，擴展覆蓋空間和業務種類，降低整體網絡成本;另一方面隨著OneWeb、StarLink等低軌衛星的發展，傳統地面移動業務也可能會受到有力競爭，然而，傳統地面運營商通常不具備獨立發展非地面網絡的能力與政策許可。因此，在面向未來的空天地一體化通信網絡，地面運營商需要考慮非地面網絡在其網絡中的地位、未來的發展方向、以及在發展過程中的困難與機遇。

本文將詳細研究衛星網絡和HAPS/HIBS網絡的網絡特性、產業發展及業務應用場景，分析空天地一體化通信網絡中地面運營商的挑戰，探討地面運營商在后續空天地一體化通信網絡中的機遇與可能的發展方式。

1 ? 衛星通信網絡

根據軌道高低，衛星通信網絡可以分為高軌、中軌和低軌三種衛星系統。隨著軌道高度的降低，系統中衛星的數量將增加，其系統總容量也會隨之增加。

1.1 ?網絡特性

高中低軌衛星網絡特性對比如表1所示：

此外，由于受限于較大的傳輸鏈路損耗，衛星系統無法與蜂窩終端進行直接通信。但由于衛星的覆蓋范圍大，所覆蓋范圍內的用戶的距離相近，避免了地面蜂窩小區中的“遠近”效應。因此，波束覆蓋范圍內的用戶可以獲得相近的業務體驗。

1.2 ?產業發展

高軌衛星通信系統方面已經成熟，高通量是其技術發展的主要趨勢之一[3];中軌衛星通信系統方面有以O3b為典型代表的成功商業運營案例[4];大規模低軌衛星通信系統方面是當前衛星系統中最受矚目的發展趨勢[5]。

目前，低軌衛星通信系統已經成為國內外航天領域的研究重點。美國的SpaceX公司[6]、OneWeb公司、加拿大TeleSat公司等均是以低軌衛星為主的衛星通信系統。對于衛星技術而言，低軌衛星的研制與衛星發射技術都已經趨于成熟。制約低軌衛星發展的關鍵性因素包括衛星星座設計、頻率資源協調、與高軌衛星干擾協調等幾方面。對于低軌衛星通信標準，目前國內外成熟的衛星系統均采用DVB/DVB-2標準，這一標準主要適用于傳統衛星服務的廣播業務、多播業務、數據分配/中繼，及較低速Internet接入等交互式業務。采用DVB/DVB-2標準的情況下，衛星通信用戶需要專用的手持式終端或固定式終端接入衛星網絡，且無法和地面移動通信系統交互。

為了進一步挖掘衛星通信的潛力，國內外標準化組織陸續針對非地面網絡展開了標準化制定工作。3GPP在Rel 14～Rel 16中針對非地面網絡開啟立項研究，對非地面網絡的信道建模、典型場景和應用案例，對3GPP技術的影響與候選方案、網絡管理等方面進行研究，已經完成了5個研究報告和1個技術標準。在2019年12月，3GPP通過了一個SI和WI立項，接下來將針對衛星與IoT的適配、移動性管理、QoS管理等方面進行深入的研究。與此同時，ITU-R也正在開展針對低軌衛星關鍵技術的研究工作。

對于產業界，國外SpaceX公司、OneWeb公司均開始了低軌衛星星座組網試驗，發射了先導衛星進行技術驗證，但距離完成組網還需要2～4年時間。低軌衛星的發展趨勢具有以下特點：小型化、低成本、更密集組網、單獨成形可控制的波束。衛星的小型化、輕量化有利于降低制造和發射成本，更密集的組網可以提供更大的系統吞吐量，單獨成形可控制的波束意味著低軌衛星具有波束成形和波束調形功能，其功率、帶寬、大小和視軸可動態地分配給每個波束，以最大限度地提高性能并減少對高軌衛星的干擾。

典型的低軌衛星系統包括Space X的星鏈計劃、OneWeb的低軌衛星系統和Iridium第二代。

星鏈計劃總計部署約12 000顆衛星，其中包括4 425顆軌道高度1 100～1 300 km的中軌道衛星，以及7 518顆高度低于346 km的近地軌道衛星。在2018年3月初，發射的測試衛星屬于近地軌道衛星。SpaceX預計2025年完成12 000顆衛星部署，為地球用戶提供1～23 Gbit/s的超高速寬帶網絡[7]。

2019年5月24日，60顆星鏈星座試驗衛星成功發射，該部分衛星將與2018年2月發射的兩顆試驗衛星配合，進一步測試星載天線和電推進系統。目前星鏈已有422顆在軌衛星[8]。

OneWeb公司的Ku+Ka波段星座包括在18個圓形軌道平面上的720顆衛星[9]，軌道高度為1200 km，軌道傾角87°。OneWeb的系統使用Ku波段進行用戶通信，10.7—12.7 GHz和12.75—14.5 GHz頻帶將分別用于用戶下行鏈路和用戶上行鏈路通信;使用Ka波段進行關口站通信，17.8—20.2 GHz和27.5—30.0 GHz頻帶將分別用于饋線下行鏈路和饋線上行鏈路。

OneWeb的低軌衛星系統預計需要50個或更多的地面站，每個地面站最多配備10個口徑2.4 m的天線。在用戶側，OneWeb的系統支持使用30～75 cm拋物面天線、相控陣天線和其他電調向天線[10]。

2 ? ?HAPS/HIBS

含臨近空間的高空通信平臺（HAPS， High Altitude Platform Station）/高空基站（HIBS）是指將無線基站安放在長時間停留于高空的飛行器上以提供電信業務的通信網絡[12]，它使用已有的通信技術，以較低的成本覆蓋大面積區域，如偏遠的農村、海岸線、山脈、沙漠等地區。HAPS停留在距地面20～50 km高度，并且相對于地球在一個特定的標稱固定點的某個物體上的平臺。高空通信平臺部署位置較高，因此覆蓋范圍廣。目前HIBS已成為WRC-23新議題[13]。本節將針對HAPS/HIBS的網絡特性和產業發展分別展開詳細的介紹。

2.1 ?網絡特性

（1）網絡容量

HAPS/HIBS的網絡容量主要由平臺的載荷決定，其中系留式氣球和飛艇的載荷比較大，通常為幾百千克，預計可以搭載1個宏站設備。以3.5GHz 5G NR宏小區（100 MHz帶寬）基站，采用4/5面臺天線估算，系留氣球或飛艇上的HIBS單小區峰值速率可達5 Gbit/s，單基站峰值速率可達20/25 Gbit/s。

（2）覆蓋能力

HAPS/HIBS的目標覆蓋半徑為50 km，當工作頻率分別為900 MHz、1 800 MHz和3.5 GHz，采用2T4R的普通手機終端，小區邊緣用戶的上下行速率估算如表2所示。若采用更高能力的CPE或Gateway，HAPS/HIBS的單終端速率會有更大提升。

（3）時延

HAPS/HIBS的目標升空高度20 km，HAPS/HIBS小區邊緣傳播空口時延約為180 μs，覆蓋范圍內的時延差為12.8 μs。

（4）HAPS/HIBS部署

HAPS/HIBS相比衛星通信，HAPS/HIBS可以直接采用地面成熟的IMT技術，且鏈路的傳播損耗小，可以與地面終端直接通信，是地面IMT網絡的有效延伸。

2.2 ?產業發展

（1）通信技術發展

為了推動HAPS技術的研究與發展，世界無線電通信大會在1997年便啟動了HAPS相關頻率的研究與劃分工作。對于HAPS固定業務，WRC-97會議對47.2—47.5 GHz頻段上做了HAPS的標識。WRC-2000會議形成第221號決議，指出HAPS可以在以下頻段提供移動通信業務：1區和3區的1 885—1 980 MHz、2 010—2 025 MHz和2 110—2 170 MHz頻段，2區的1 885—1 980和2 110—2 160 MHz頻段。

2019年11月24日，WRC-19審議1.14議題并做出決議，在全球范圍內，在固定業務劃分下新增38—39.5 GHz頻段，擴展31—31.3 GHz頻段標識用于高空平臺站（HAPS）固定通信（雙向使用），在滿足HAPS應用需求的同時，對HAPS下行方向使用提出了具體限制以保護現有的固定、移動和衛星固定業務臺站不受影響[14]。此外，我國根據自身需要，以次要業務加入了現有的27.9—28.2 GHz頻段HAPS標識的腳注，為我國HAPS現有應用獲得了國際規則地位。此外，日本也推動HAPS用于IMT移動業務成為WRC-23 1.4議題，研究在全球或區域內將2.7 GHz以下標識給IMT的某些頻段，并在移動服務中使用高空平臺站作為IMT基站（HIBS）。

3GPP 5G非地面網絡項目也對HAPS/HIBS系統展開了研究，其中規定用戶終端的仰角需超過10°，高空平臺在給定區域產生多個波束，波束footprint直徑為5～200 km，并給出了HAPS/HIBS接入網的典型波束模式。接下來，3GPP將對HAPS/HIBS系統上行調度的TA（定時提前量）、設備環境（溫度、濕度、設備壓強）等技術展開研究。

（2）通信平臺發展

國外對高空通信平臺研究起步較早，美國、日本、韓國、德國、法國、英國、以色列等國家在2000年左右均已啟動國家級預研計劃，以Google、Facebook為代表的科技公司也啟動了高空平流層電臺的研發工作，有力推動了該技術的研究與實現[15]。在國內，一些企業、高校及研究院所也對高空通信平臺開展了研究，并取得了一定突破。表3為高空平臺系統實現情況，總的來說，目前臨近空間的高空平臺技術并不成熟，僅有Google的熱氣球曾在平流層停留223天[16]，而我國的彩虹無人機僅能滯空24小時。

3 ? 空天地一體化業務應用場景

衛星與HAPS通信具有傳輸覆蓋廣、不受地理環境限制、時延抖動小、可靠性高等特性，可以為多種行業和用戶提供服務。下文從應急保障通信、立體化移動通信、偏遠地區公眾業務通信以及大時空尺度下的通信業務等四個方面討論衛星與HAPS通信的應用前景。

3.1 ?應急保障通信

我國是世界上自然災害最嚴重的國家之一，災害種類多，分布地域廣，發生頻率高。衛星通信覆蓋面廣，不受地理環境和自然災害等影響，十分適合作為應急保障通信網絡。特別是在地震、洪澇等自然災害導致地面網絡阻斷情況下，通過快速部署衛星通信地面站與終端，可以較短時間內打通通信鏈路，為搶險救災構建高效可靠的指揮調度及信息傳輸通道。

同樣地，HAPS/HIBS平臺的部署受地理、天氣等外部環境因素影響較小，可在發生自然災害后為災區提供通信覆蓋，提供可靠的通信保障。只需HAPS/HIBS系統將搭載IMT基站的平臺部署在災區上空，即可恢復災區通信。此外，在高空平臺上裝載軍事通信系統，可以實現戰區通信的快速組網，達到抗截獲、抗干擾、抗摧毀等軍事通信目的。

3.2 ?立體化移動通信

衛星通信可以為飛機、船舶等無地面網絡覆蓋的載體提供廣域寬帶通信服務。飛機，船舶載體上的用戶有使用視頻、游戲、社交網絡等應用需求，利用中低軌衛星通信系統可以為用戶提供大吞吐量和低時延的網絡服務，滿足用戶的應用需求[17-18]。

同樣地，將HAPS/HIBS基站部署于20～50 km的高空，可以為近海船只提供通信服務。一個HAPS氣球的覆蓋半徑為50 km，通過兩個氣球的中繼，可以覆蓋近海200 km范圍內的船只。按照中國大陸海岸線長度為18 000 km估算，360個氣球即可實現中國整體海岸線近海200 km范圍內船只的通信。

HAPS/HIBS基站還可與飛機進行通信等[19]。按照客機飛行高度10 km，飛行速度1 000 km/h進行計算，客機3分鐘通過一個HAPS/HIBS小區，因此飛機每3分鐘進行一次小區切換。以北京到深圳的航班為例，航程2 162 km，覆蓋整個航線需要217個HAPS/HIBS基站。我國東部地區航線較為密集，當兩條航線距離較近時，可以通過一個HAPS/HIBS基站實現兩條或多條航線的覆蓋，部署密度與ATG相近[20]。

此外，在HAPS/HIBS組網時可以將空中飛機與近海船只結合起來，合理部署基站，在覆蓋飛機與船只的前提上，盡量減少HIBS基站的數量，以降低覆蓋成本。

3.3 ?偏遠地區公眾業務

衛星通信可以為地面網絡覆蓋不足的區域提供網絡服務，解決偏遠地區用戶寬帶上網問題。對于偏遠地區有寬帶網絡需求的用戶，例如偏遠地區用戶有使用視頻等應用需求，可選用中低軌衛星為用戶提供服務[21]。

HAPS/HIBS搭載IMT基站或微波/FWA設備，使用地面無線通信技術，可以作為地面網絡的補充，覆蓋地面基站無法覆蓋的區域，如青海西藏等地廣人稀的省份，也可以作為語音和物聯網的打底網。

下面，以青海省為例進行分析。2018年青海省人口為603萬，按照用戶激活率20%，并發率10%計算，則青海省全省激活用戶總數為120.6萬，并發數為12.06萬。按照一個HAPS/HIBS基站的覆蓋半徑為50 km計算，每個基站的覆蓋面積為7 850 km2，通過92個HAPS/HIBS基站即可覆蓋青海省72.23萬平方公里的面積。按照一個HAPS搭載一個基站，基站采用五面臺天線估算，一個HAPS平臺可提供五個小區。每個小區支持800個RRC連接數，同時可調度400個用戶，則一個HAPS平臺可支持4 000個RRC連接數，同時調度2 000個用戶。92個HAPS/HIBS基站可支持的RRC連接數為36.8萬，同時可調度18.4萬用戶，基本滿足全省人民的通信業務需求。而按照4G LTE基站的覆蓋半徑為2 km，則覆蓋青海省需要建設約57 507個4G LTE基站。

3.4 ?大時空尺度下的通信業務

衛星通信可以用于構建低成本的企業專網。一些企業分支機構地理位置分散，但要求不同分支機構之間的信息同步。若采用傳統地面網絡建設大型企業專網，成本較高。若采用衛星通信構建企業專網，有利于打破地理限制，并且實現在企業不同分支機構間的信息同步，從而提供高可靠的網絡保障，統籌各分支機構業務。

在證券金融領域，衛星通信可能改變證券交易中高頻電子交易的格局[22]。利用低軌衛星系統，信號可以沿直線傳播，對于長距離的信息傳輸，例如紐約-上海之間的信息傳輸，采用衛星軌道高度500 km左右的低軌衛星，其理論時延可以控制在100 ms之內。而目前各證券交易所之間的信息傳輸，通常采用海底電纜，其傳輸時延高達120 ms-150 ms。對于中高頻金融電子交易，1 ms的時延可能會影響上百億美元的交易。而且，海底光纜非常脆弱，容易遭到地震、海嘯、船只甚至魚類的破壞。因此，與現有的海底電纜傳輸方案相比，在中高頻電子交易中利用低軌衛星傳輸可以使得電子交易更加高效，穩定。

車聯網中要求在較大范圍內進行高可靠，低時延的通信，遠程駕駛端到端時延要求為5 ms，智能運輸系統、無線路邊基礎設施回傳時延要求最大為30 ms[23]。HAPS/HIBS的覆蓋半徑約為50 km，小區邊緣用戶的空口時延為180 μs，LTE基站處理時間通常為4 ms，再通過利用減少TTI、HARQ、網絡下沉等方法，部署的HAPS/HIBS基站基本可以滿足車輛網對時延的要求。尤其值得注意的是，HAPS的覆蓋范圍大，通過一跳就可為100 km范圍內的道路設施及車輛提供信息傳輸。相比于地面多跳傳輸更具優勢，部署HAPS/HIBS基站能夠更好地為道路和車輛提供遠距離大范圍的實時通信。

4 ? 地面運營商的挑戰與機遇

4.1 ?挑戰

隨著空天地一體化網絡業務業務場景的逐步確定，衛星通信系統和HAPS/HIBS作為5G地面網絡的補充網絡，可以為邊遠地區提供公共通信和補充網絡、為高空以及船只提供無線通信網絡覆蓋、為應急通信和專網業務提供可靠的通信保障。但是，目前運營商在布局空天地一體化網絡時仍面臨著許多挑戰。

由于衛星通信的特殊性，目前運營商在考慮衛星網絡時主要存在兩個問題。第一，現階段地面運營商通常不具備獨立獲取運營衛星空間段頻譜資源的能力。低頻衛星頻譜資源的使用規則是誰先申請誰先用、后入保護先入、次要業務保護主要業務，衛星頻譜資源的競爭變得異常激烈。未來能夠用于衛星通信的頻譜申請將呈現加速趨勢，已規劃的大規模星座將重點聚焦在Ku/Ka頻段，儲備的頻段布局將在Q/V等更高頻段，大規模的衛星頻率協調工作變得更加的復雜。第二，衛星制造、發射、完成組網等都需要大量的資金投入，且投資回報周期長、風險大。

運營商在考慮應用HAPS/HIBS時主要存在三個問題，第一，平臺的供電及載荷問題。無人機的電池容量小、載荷能力低，導致平臺滯空時間短、距離短;飛艇的續航能力和載荷能力較強，但是目前的技術難以對飛艇進行有效的控制。第二，平臺建設、維護與存放問題。運營商選擇自建平臺還是租賃第三方平臺、平臺是否由運營商進行維護、平臺閑置時的存放方式以及存放成本分配等方面都是未來運營商可能面臨的問題。第三，空域管理問題。平臺升空需滿足我國的空域管理要求，并向空域管理部門提出申請。當平臺升空高度在10 km以下時，運營者需要與民航進行協調。因此如何制定HAPS/HIBS平臺日常升空路線，需要運營商結合自身的業務需求進行更深入的摸索。

此外，空天地一體化網絡布局中，傳統地面運營商還將面臨網絡運維和用戶體驗的保障問題。傳統地面運營商在自身網絡服務框架下可以實現整體網絡的運維管理和資源管理，為業務提供端到端的QoS與安全保障。但空天地一體化網絡中可能涉及多個不同的運營商和復雜的異構網絡機構，因此如何在多家運營商的體制下實現網絡互聯互通，網絡能力與資源的統一映射，保證用戶的極簡接入、業務的端到端QoS保障將成為重要挑戰。

4.2 ?機遇

空天地一體化網絡中的有效部署也將為地面運營商帶來新的機遇。一方面，可以擴展地面運營商的業務空間，提升業務收入：將原有受限于地表的二維網絡服務擴展到空天地海的三維全連接，并可在此基礎上引入多種新業務，提升業務收入。另一方面，借助非地面網絡，傳統地面運營商可以實現低成本的廣覆蓋，從而為邊遠地區提供低成本的無線寬帶服務和物聯網業務，消彌數字鴻溝。

在空間地一體化網絡布局中，傳統地面運營商具有以下優勢：

第一、地面運營商憑借多年的網絡運營，已經具有豐富的地面接入、傳輸網絡、大數據處理與用戶運營經驗。通過將地面網絡與非地面網絡的深入融合，將非地面網絡能力整合并增入到地面網絡運營能力中，可以有效地拓展運營商現階段地面網絡的業務和市場，為發展用戶、增進網絡能力提供更有力的支持。

第二、地面運營商具有多年共享共用產業鏈的經驗與優勢。自3GPP成立起，地面IMT運營商和設備商一直致力于建立共享的產業鏈，充分發揮規模經濟優勢，降低網絡建設、運維和用戶的通信成本，推動更新的技術演進。

第三、地面運營商具有豐富的傳輸、基帶處理、數據計算和存儲資源，以及網絡配套資源。

5 ? 結束語

本文通過對空天系統的網絡特性和產業發展進行詳細的分析，探索了未來空天地一體化業務應用場景，并探討了在未來空天地一體化網絡中傳統地面運營商的挑戰與機遇。根據上述分析，傳統地面運營商可以嘗試在空天地一體化布局中嘗試以下方向：

第一、以用戶為中心，充分發揮終端和用戶運營優勢，擴展業務空間，實現多方共贏。

第二、推動空天地同體制網絡和共享產業鏈，有助于地面運營商發揮技術儲備和資源儲備優勢，同時降低空天地一體化通信網絡的建設和運維難度及成本。

第三、需要繼續充分發揮共建共享的優勢與作用。繼在4G網絡建設中嘗試共建共享之后，中國電信和中國聯通已經決定在5G的全生命周期內進行共建共享，在提升兩家運營商網絡能力的同時，極大地降低了網絡建設成本。在未來空天地一體化網絡進程中，地面運營商與非地面網絡運營商也可以考慮共建共享的方式，通過模塊化的設備、云化的計算處理能力以及區塊鏈技術的引用，實現空-天-地網絡設備和計算處理能力的復用共享，進一步降低網絡部署與運營成本，從而實現綠色、集約、健壯的空天地一體化網絡部署。

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