面向物聯網業務的空天地一體網絡多層架構研究

張少偉

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

空天地一體化網絡（Space-Air-Ground Integrated Network，SAGIN）利用現代信息網絡技術將空間、天空和地面網絡部件相互連接起來，引起了學術界和工業界的廣泛關注。SAGIN 具有覆蓋范圍大、彈性強、吞吐量高等優勢，能夠用于智能交通系統（Intelligent Transportation Systems，ITS）[1]、軍事任務、救災[2]、地球觀測測繪等實踐領域。特別是衛星可以提供與農村、海洋和山區的無縫連接，空域網絡可以增強服務需求高的地區的覆蓋能力，密集部署的區域系統可以支持高數據速率訪問。這些網段的整合將為未來的5G 乃至6G 通信和業務開展帶來諸多好處。

SAGIN 作為一個多維6G 網絡，集成了多個不同的網段，或者將不同的通信協議用在不同的網段上，以達到高可靠性、高吞吐量的數據傳輸效果。與傳統的衛星或地面網絡不同，SAGIN 同時受到移動性管理、功率控制、流量分配、負載均衡、頻譜分配、路由調度和端到端QoS 要求這3 個限制的影響。因此，考慮到各個網段的各種實際網絡資源約束，網絡設計者需要實現端到端數據傳輸的最佳性能。然而，在由各種通信系統組成的特定異構網絡（Heterogeneous Network，HetNet）中，利用有限的網絡資源很難獲得最佳的信息交換性能，尤其是不同網段之間的互操作性。因此，SAGIN 的網絡設計和系統集成具有重要意義。

1 業務場景

1.1 普遍業務

長期以來，中國政府高度重視農村地區扶貧開發和可持續發展，把電信普遍服務作為打贏脫貧攻堅戰、實施鄉村振興戰略、建設網絡強國的重要舉措之一全力推進。自2015 年底電信普及服務試點實施以來，通過地面網絡實現電信普遍服務顯示出了成本高、收入低的問題，非地面網絡成為提高普遍服務價值、降低建設成本的重要手段。

1.2 應急救援

應急救援是通信網絡中最常用的場景，國內運營商目前都配備大量的衛星應急通信車輛，以用來進行應急救援行動。近些年，隨著無人機的快速發展，在無人機上搭載基站可輕松部署在災區上空，提供應急通信。未來，低軌衛星網絡和高空平臺基站擁有更大的覆蓋范圍，能夠在災后區域快速恢復通信。

1.3 多樣化通信服務

隨著移動通信系統應用的全面普及，手機已經深入人們生活中。由于航班客機和海上游輪離地面基站覆蓋范圍較遠，無法進行通信，目前大多數使用衛星來實現艙內通信。然而，由于目前高軌衛星通信的延遲和速率遠遠不能滿足用戶的需求，用戶無法獲得滿良好的使用體驗。基于邊緣計算的空天地一體網絡與小型基站相結合，將可為機艙和船艙中旅客提供多樣化的通信服務，如視頻點播、游戲等。

2 SAGIN 網絡體系結構

如圖1 所示，SAGIN 主要由空間、天空和地面三部分組成。這3 個網段可以獨立工作，也可以相互操作，通過集成3 個網段之間的異構網絡，可以很容易地構建分層的寬帶無線網絡。

圖1 天地一體化網絡體系結構

2.1 空間網絡:衛星

空間網絡由衛星、衛星系統及其相應的地面基礎設施（如地面站、網絡操作控制中心）組成。這些衛星運行在不同的軌道上，具有不同的特點。根據高度不同，衛星可分為三種：高軌衛星、中軌衛星和低軌衛星[2]。根據衛星網絡的信道帶寬，將其分為窄帶和寬帶。

窄帶衛星網絡是指向全球用戶提供語音和低速率數據服務的MEO/LEO 衛星系統，如irises、Global Star 等。

寬帶衛星網絡可以以寬帶頻率攜帶大量數據。它可以提供高達10 Gb/s 的高速數據傳輸速率[3]，預計到2020年的容量將達到1 000 Gb/s[4]。

多層衛星網絡是由多個衛星網絡集成而成，具有分層結構，MLSNs 是下一代衛星網絡的實用架構[5]。包含多種類型的鏈路，如衛星間鏈路和層間鏈路（Inter-Layer Links，ILL）。

一個典型的衛星通信系統主要包括3 部分：地面、空間段和空間對地面鏈路[6]，如圖2 所示。地面部分一般包括各種信息站、衛星測控中心，以及相應的衛星測控網、測控網、測控中心。

圖2 衛星通信網絡圖

目前，衛星主要有高軌道衛星、中軌道衛星、低軌道衛星3 種類型。高軌道衛星單星覆蓋，覆蓋范圍相對于地面固定，一顆單星可以覆蓋多達42%的地球面積，一般來說，3～4 顆衛星就可以完成對極地地區的全球覆蓋。高軌道衛星正在向高通量發展，利用Ka 頻段豐富的頻譜資源和多波束倍頻技術，提高衛星頻率利用的數據吞吐量。

中軌道衛星的單星覆蓋面積比高軌道衛星小得多，軌道高度為2 000 公里～20 000 公里的中軌道衛星約占地球表面積的12%～38%。需要十幾顆到幾十顆衛星組成星座，才能完成全球覆蓋。中軌衛星的設計旨在提供高帶寬、低成本、低延遲的衛星互聯網接入，費用為12億美元，傳輸延遲約為150 ms，系統容量高達15 Gb/s。

低軌道衛星成本低、覆蓋范圍小，需要多顆衛星組成大型衛星星座，才能完成全球覆蓋。星座設計的總容量為幾十Tb/s。低軌道衛星的軌道高度低于2 000 公里，由于軌道高度較低，傳輸延遲較小，通常約為30 ms。

2.2 近地空間網絡：HAPS

航空網絡是以飛機為載體進行信息獲取、傳輸和處理的航空移動系統。船舶和氣球是高空平臺系統（High-Altitude Platform Systems，HAPS）的主要基礎設施，提供寬帶無線通信以補充地面網絡。與地面網絡基站（BSs）相比，航空網絡成本低、易于部署、覆蓋范圍廣，提供區域性的無線接入。

近年來，許多研究成果證明在未來的無線通信網絡中，HAPS 技術具有可行性。盡管能量供給被認為是HAPS 研究中的一個關鍵問題，太陽能與儲能相結合方式被認為是為HAPS 系統提供能量的主要手段，因為它們具有適于固定太陽能電池板膜的大表面特點。此外，與新興的衛星網絡相比，HAPS 具有低延遲的特點，可以直接向地面網絡用戶提供無線服務。

HAPS 系統因其潛在的優勢而越來越受到人們的青睞。便攜式數據中心、智能信號增強器、機載宏基站和機器學習平臺的時代已經到來，這些平臺可以為大量貨運無人機和飛行汽車做出智能決策。在郊區以及人口密集的城市，這些設備具備一定的通用性。相應的框架總結如下：

（1）作為一個大型的智能實體，HAPS 層可以實現衛星之間快速、可靠、高效的長距離通信，而無需安裝數百萬個地面和海上中繼站。它還可以作為分布式數據中心，記錄衛星的軌道路徑，監測聯合預警，計算衛星之間的碰撞可能性。及時向不同的衛星公司提供這些信息，對于維持衛星巨星座的功能至關重要。同時，衛星還有助于HAPS 層提升切換性能。

（2）HAPS 層通過提供邊緣智能、卸載繁重計算、處理大規模傳感和監視來管理無人機（Unmanned Aerial Vehicles，UAV）群體的機動性，以利于貨物交付和監視系統等應用場景。該通信平臺有望順利處理各種通信需求，如超可靠低延遲通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communication，URLLC）和增強的移動寬帶通信。

HAPS 層為城市、郊區和偏遠地區提供快速互聯網接入和無線通信服務，如物聯網和分布式機器學習，從而減少對地面和衛星網絡的依賴。

2.3 空中網絡：中低空無人機

單無人機網絡已經廣泛應用于軍事、民用和公共領域[7]。一個單一的衛星通信跳（或雙跳）提供在前向鏈路上的命令和控制，同時監視產品和無人機參數（例如，使用壽命、剩余燃料供應、位置和高度）在返回鏈路上同時交付。單無人機網絡拓撲結構簡單，僅由一個無人機和一個/多個地面節點組成。此外，單無人機網絡由于其通信拓撲結構簡單而得到了廣泛的應用。

多無人機網絡的分布式處理能力是利用多無人機網絡的主要原因之一。具體來說，它們將分別搜索一些可疑目標，并通過協作通信共享信息。此外，配備收發器的無人機可以作為一個空中基站，以擴大通信覆蓋和提高網絡容量。除了作為移動中繼或飛行基站，無人機可以作為移動云和霧計算系統，無人機安裝的云/霧為移動終端提供低延遲應用卸載機會[8]。無人機還可以使霧計算提供高質量的流媒體，通過附近的無線代理和接入點移動用戶。同時，多無人機網絡在生存性和可靠性方面都具有優勢。盡管多無人機網絡在許多方面具有優勢，但它增加了無人機通信網絡的復雜性。

2.4 地面網絡：蜂窩網絡

地面網絡主要由地面通信系統組成，如蜂窩網絡、移動自組織網絡（Mobile Ad Hoc Networks，MANET）[9]、全球互操作性微波接入（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）[10]、無線局域網（Wireless Local Area Networks，WLAN）等。特別是蜂窩網絡已經從第一代（1G）發展到第二代（2G）和第三代（3G），在第四代（4G）或高級長期演進（Advanced Long-Term Evolution，LTE-A）[11]之后，現在正發展到5G 無線網絡，以支持各種業務。在標準化方面，第三代合作伙伴項目（the Third Generation Partnership Project，3GPP）已經制定了一套蜂窩/移動網絡的規范。

3 關鍵技術難題

一體化網絡的核心是對原有多系統網絡的融合。其中一個想法是將地面移動技術應用于非地面網絡中，屆時空口將面臨以下關鍵技術挑戰。

3.1 頻譜管理

天地一體化網絡頻譜工程方面有：為MSS 尋找新的頻譜、在FSS 頻段為NGSO/ESIM 新增劃分、為HAPS 進行頻率擴展（從2.7 GHz 以下擴展到7 GHz）、為WRC-27尋找ATG 議題等研究。

（1）頻率共享和干擾消除。與現有的獨立通信網絡相比，未來通信網絡空中鏈路會更加復雜多樣化，同時每條鏈路對數據速率擁有較大的需求，對頻譜資源的需求也隨之增加。面對有限的頻譜資源，需要考慮智能高效的頻率共享和干擾消除方法。

（2）高延遲和高多普勒頻移。空間地面通信鏈路距離長達數千至數萬公里量級，遠超地面蜂窩移動通信基站的間距，導致不可避免的高時延[12]。此外，如低軌衛星和飛機等接入節點的快速移動，會導致更嚴重的多普勒頻移。因此，要解決上述問題，必須克服許多短線技術問題，如雙工問題、功率控制、參考信號設計、定時提前調整、相位跟蹤參考信號、下行初始同步、周期前綴、峰值平均功率比、HARQ、MAC/RLC 層處理等問題。

3.2 網絡接入與交換

與地面通信網相比，衛星通信網絡單星容量小，總體容量有限。由于低軌衛星運動速度塊，每顆衛星的服務時間只有幾十秒，在一次操作中可能還包括多顆衛星的切換。衛星系統的切換分為同一衛星內波束之間的切換和不同衛星波束之間的切換以及地面站之間的切換。此外，還涉及空中、天空和地面等不同通信系統之間的切換。為了保證用戶通信體驗，需要設計合適的用戶接入和切換策略，包括為用戶選擇合適的衛星波束和合適的衛星信道。

3.3 無線信道傳輸

地面移動通信技術應用于非地面網絡需要滿足高海拔和空間對地面的覆蓋需求。與傳統衛星相比，大容量衛星和低軌衛星的覆蓋范圍也發生了變化，采用點波束多路覆蓋，非地面網絡接入站點的天線波束分配和射頻技術需要重新設計。此外，還需要考慮多普勒頻移補償、同步、調制、編碼、多址、射頻性能和多天線/多波束天線等問題。

3.4 網絡相關技術

網絡方面，需要考慮天基網絡協議、星對地融合（隨機接入管理、星對地交換）、移動性管理（星內波束交換、星間交換、星間交換）等相關技術。

4 結論

SAGIN 是一種能夠很好地滿足未來通信需求的網絡結構，它集空間衛星網絡、近空間網絡、空中網絡、地面網絡于一體，未來還將與海洋網絡集成。本文詳細介紹了SAGIN 的網絡結構，并對每一層網絡組件進行了分析。然后，研究了SAGIN 網絡實現的一些關鍵技術。這些關鍵技術包括無線頻譜管理、網絡接入和交換、無線信道傳輸和網絡相關技術。SAGIN 網絡具有明顯的覆蓋優勢和遠程通信優勢，可以擴大通信網絡的業務范圍和運營商的通信業務領域。