空天地海協同應用綜述

朱斌，胡悅，王光全

（中國聯合網絡通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

2020 年國家將5G 網絡和衛星互聯網共同納入“新基建”范圍，天地一體化（星地）網絡及業務融合成為趨勢；2017-2020 年移動通信衛星（天通一號等）、高通量衛星（中星16 號等）、低軌衛星（虹云/鴻雁）陸續投入使用，同時面向行業5G 網絡（基于微服務化架構）陸續投入商用。不同軌道衛星具備不同特點，在時延、資費、傳輸能力等方面提供差異化服務，高通量解決帶寬受限問題，低軌進一步解決低時延低成本問題（約占高軌1/5）。

隨著5G 和衛星新技術的不斷發展成熟和國家衛星互聯網戰略布局，以及一帶一路戰略對于海洋需求的增加，如何融合高中低軌及運營商網絡資源并充分利用新型衛星高帶寬/ 低時延優勢，發揮中國海洋大國優勢，對于海上漁船、離岸海島與地面網絡互通并形成有機一體成為目前關注熱點和研究趨勢。

1 星地融合發展趨勢

1.1 星地融合發展趨勢概述

隨著衛星通信技術的發展，特別是低軌衛星通信技術的發展，衛星通信在速率和時延上已可以滿足大多數5G 業務場景的需求[1-2]，同時5G 網絡Rel-16 完整版標準已凍結。因此，衛星通信網絡與5G 地面通信網絡在技術上已具備融合的基本條件[3-4]。通過構建架構、功能、接口、流程一體化的天地一體5G 網絡，能夠實現覆蓋融合、系統融合、網絡融合和業務融合，在提高網絡資源利用率的同時，為用戶提供全球全域無縫連接、業務連續性和通信服務保障，使能豐富多樣的通信業務和應用，具有重要的經濟和社會效益。目前國內外針對天地一體5G 網絡架構及關鍵技術要求的相關標準均已在初期的討論制定中[5-6]，3GPP、ITU 在內的標準化組織專門成立工作組來推動星地業務的融合[7-8]，國內CCSA 組織新成立TC12 工作對空天地一體網絡從需求、業務及融合及方面的標準化進行專項研究。隨著標準制定的成熟，能夠為運營商、設備商、科研機構等相關單位構建天地一體5G試驗和商用網絡提供重要的技術指導和參考，有利于衛星通信、天地一體相關產業的發展[9]。

1.2 空天地海一體化架構

空天地海一體化總體架構[10-11]，滿足未來多層次泛在接入需求，網絡組織架構如圖1 所示。

圖1 空天地一體化網組織架構圖

具體由以下系統構成：

（1）“通導遙”感知系統

1）遙感衛星：空間信息；

2）導航衛星：動態信息；

3）通信衛星：通信信息。

（2）網絡（傳輸）系統

1）天基衛星+空中平臺+地面網絡：空天地海一體化網絡；

2）互通（接入/ 融合）網關：天基通導遙信關站與地基網關。

（3）智慧（運營控制）平臺系統

1）網絡中臺：數據分析、計算能力，大數據，區塊鏈，通感遙融合；

2）控制融合：“衛星互聯網+地面運營商”融合聯動運營系統。

（4）業務應用服務（終端及平臺）

1）智慧城市（導航+交通+氣象+安防+醫療等）及行業應用（航空航海+應急通信+物聯網）及聯接（外部行業系統計算中心）平臺；

2）數字化支撐平臺（大數據處理+AI 輔助仿真增強（星上星下+數字孿生））；

3）泛接入終端：支持星載、機載、地面網絡等多種接入模式。

通過構建架構、功能、接口、流程一體化的天地一體網絡，實現覆蓋融合、系統融合、業務融合，在提高網絡資源利用率的同時，為用戶提供全球全域無縫連接、業務連續性和通信服務保障，使能豐富多樣的通信業務和應用，具有重要的經濟和社會效益。

2 空天地海協同架構

2.1 海上通信需求

衛星互聯網前景廣闊，目前已有海上衛星通信資費高，帶寬受限，難以滿足如離岸海島和遠海漁船等短時間內大量數據傳輸訪問需求，而傳統衛星手持終端造價高，操作不便，可用業務較少，用戶實際使用體驗較差，手機APP 方式用戶操作體驗差，語音質量難保障[12]。

漁船雷達、北斗導航、避碰系統（AIS）、電子海圖等終端各自獨立，自成體系，缺乏集成融合，智能化水平低，誤報率較高，容易引起漁民麻痹思想。漁船進入國際航道以及商漁船碰撞事故多發區域，沒有相應的設備提醒預警。

因此，在網絡架構設計上需滿足海上目前“船聯網”“一張屏”“集成融合”“接口開放”“智能應急分析”等迫切需求，建設接口標準統一，多終端融合，智能分析開放預警監測接入接口，充分發揮5G 網絡、中高低軌衛星網絡特性及優勢以及泛接入及平臺開放能力，打通產業鏈各方資源。

2.2 空天地海協同架構

隨著衛星通信技術的發展，特別是低軌衛星通信技術的發展，衛星通信在速率和時延上已可以滿足大多數5G 業務場景的需求，衛星通信網絡與5G 地面通信網絡在技術上已具備融合的基本條件。針對海上業務需求，基于運營商5G 網絡開放優勢，結合衛星資源，空天地海的星地融合船載移動通信業務架構設計及方案應用目標考慮如下：

（1）業務體驗方面：支持基礎通信及物聯網業務的方便使用，能夠實現普通移動用戶終端直接通過運營商移動網絡訪問衛星互聯網，使用語音及數據業務，相比于APP 客戶端，客戶使用感知體驗好，安全可靠強。

（2）資源調度方面：支持高中低軌衛星資源靈活接入無縫切換，由于高軌衛星時延及帶寬方面受限，同時低軌星座形成規模之前，在逐步完善過渡階段中，覆蓋區域范圍/ 有效使用時間等面臨資源從受限到逐步豐富的現狀，通過在運營商移動無線網絡側協同調度，實現低軌和中高軌衛星資源的按需合理分配使用的目標。

（3）接口開放方面：利用運營商網絡特別是5G 網絡邊緣計算及能力開放內生的特點，可在船段接入側部署輕量化開放平臺（UPF/MEC 融合平臺），提供API 接口方便AI 及大數據應用預處理及船載其它終端數據訪問接入，便于船側數字化數據“一張屏”信息存儲及調度。

空天地海協同架構如圖2 所示，整體架構分為船載設備、天基網絡、陸基網絡、用戶終端。

圖2 空天地海協同架構示意圖

（1）船載設備：部署5G 無線基站及船載衛星用戶站及協同網關，同時可以根據實際業務需求部署邊緣平臺進行業務本地開放訪問及上傳接口，提升業務體驗。

（2）天基網絡：中高軌衛星天基回傳網絡及低軌天基回傳網絡形成異構分層。

（3）陸基網絡：部署5G 網絡（公網或專網）及近端業務開放平臺，可同時對接多家運營商網絡及信關站。

（4）終端：5G 用戶終端在船上接入船載5G 網絡，在陸基上接入公網核心網。

通過以上的協同架構具備如下優勢：

（1）系統化解決方案：針對智能船舶數字化需求以及5G、衛星網絡資源現狀，針對目前船聯網目前整體需求，提供一整套系統化解決方案。

（2）船聯網數字化改造：作為數字化改革中船聯網可選方案之一，將5G+衛星深度融合在船聯網應用，利用船載設備開放模塊以及陸地設備開放模塊，與現有數字化智慧城市各模塊結合兼容。

3 產業化應用模式

星地網絡融合應用場景前景廣闊，在遠海5G 無信號覆蓋的區域，高速移動的遠洋漁政船上部署輕量船載衛星用戶站、輕量5G 基站及邊緣核心網元，通過衛星互聯網構建的天基寬帶通信鏈路，實現漁政船上的普通手機用戶通過衛星成功訪問聯通業務網絡，完成視頻瀏覽及下載業務，并能夠與其他4G/5G 手機用戶進行正常撥打通話業務、發消息等移動5G 業務。可以應用于船載（機載）通信、離岸島嶼的5G 基站回傳，及物聯網非實時傳輸等業務中。

（1）典型業務場景一：船載個人通信業務

如圖3 所示，船載個人通信業務場景將5G 技術和衛星通信融合，為離岸船舶提供連續不間斷的5G 網絡連接、百兆以上的高速率互聯網業務和增值業務服務，實現海上船只與地面通信網絡的互聯互通，滿足船載設備、科考設備、乘客等的數據上網、語音等基礎通信需求，同時依據客戶需求可以設置船載控制及乘客娛樂網絡獨立切片。

圖3 船載個人通信業務場景示意圖

1）典型業務場景

◆船舶客戶本地局域網業務；

◆運營商移動業務；提供如網頁瀏覽、視頻觀看、數據上傳與下載以及與陸地終端進行移動語音通話等。

2）技術方案

◆船上：部署5G 基站（運營商頻段）及衛星用戶站（船載），同時可根據實際需求部署MEC 設備本地分流；

◆陸基：部署5GC 及IMS 網絡（可利舊大網或獨立專網），專網方式需對接大網網絡資源；

◆終端：客戶網絡選擇自由切換，使用終端在船上接入船載5G 網絡資源，在陸基上接入大網5G 網絡資源。

（2）典型業務場景二：物聯網業務

如圖4 所示，船載等物聯網業務場景利用衛星和5G融合提供物聯網業務的典型應用，支持海量連接，提供深度覆蓋能力。作為地面物聯網的補充和延伸，在衛星覆蓋的區域，物聯網終端采集對象的信息，然后通過衛星通信把信息傳輸到遠端的5GC 和物聯網平臺。

圖4 船載等物聯網業務場景示意圖

1）典型業務場景

◆海洋、森林、礦產等資源的監視和管理；

◆森林、山體、河流、海洋等地區災害的檢測、預報；

◆深海、遠海的海洋檢測管理，海上浮標、海上救生等；

◆交通、物流、輸油管道、電網等健康管理；

◆野外環境下珍稀動物的跟蹤監控。

2）技術方案

◆IoT 需求接入側：部署5G 基站（運營商）及船載衛星用戶站；

◆運營商平臺側：部署5GC 及IMS 網絡（可利舊大網或獨立專網），需對接大網網絡及物聯網業務平臺等資源。

（3）協同應用的運營模式建議

空天地海需要產業鏈各方充分參與，包括合作伙伴、衛星公司、運營商、政企客戶以及最終用戶多個角色，如圖5 所示。

圖5 船聯網衛星業務運營模式示意圖

運營模式如下：

◆合作伙伴：提供微基站、專網設備以及系統集成能力；

◆衛星公司：提供國內外高中低軌衛星資源以及中繼服務；

◆運營商：提供網絡集成、衛星租賃服務、網絡軟件定制服務及計費等能力；

◆政企客戶：租用服務的調用、人工管理等；

◆最終用戶：獲取全天候無縫業務體驗。

4 結束語

隨著人民生活水平的提高，傳統漁民及海洋監測人員對于語音及數據信息業務服務的要求越來越高，傳統方式已經不能滿足用戶多樣性、多媒體及個性化的需求，本文提出的空天地海協同架構具有如下前景優勢：

（1）優點一：業務體驗好

1）無需客戶安裝APP：船載用戶無需安裝APP 客戶端，即可利用現有手機終端撥打語音電話、訪問數據業務，做到用戶無感知。

2）船載設備接入靈活：船載無線設備可提供5G、Wi-Fi 等多種接入方式，同時疊加部署的本地模塊，具備標準化API 接口及PaaS 平臺能力，可部署輕量化本地應用，對語音、視頻監控等做輕量化的預處理。

（2）優點二：衛星資源兼容

1）用戶無感知：客戶可實現無感知的獨立或同時接入高、中、低軌衛星資源，減少船載用戶側復雜的組網配置。

2）設備兼容性：數據業務與衛星用戶站設備解耦，無需衛星用戶站定制開發兼容不同制式（Ka、Ku）融合設備，即可同時或擇優使用。

（3）優點三：政府管控數字化推進

1）不單一依賴運營商：運營商基站可進而由政府牽頭采用共建共享方式，與三家運營商接口標準化。

2）不單一依賴衛星資源：不依賴衛星不同制式（Ka、Ku）和不同軌道（高中低）資源，無需在衛星用戶端制定標準推進融合衛星用戶站設備開發，可靈活接入。

3）資費靈活：可以依據時間段、業務類型、資費條件等參數，靈活選擇不同衛星接入方式以及媒體出口。

總之，通過空天地海總體架構以及船聯網協同架構設計，實現高中低軌衛星與通信網絡協同可靠的“岸+島+船”和“星網云端”的融合通信網絡業務，該融合應用本質上優化了海洋漁業信息化的溝通方式，將先進地面移動業務從陸地通信服務全面向“海、陸、空”通信服務領域與市場拓展。隨著5G 網絡演進及低軌衛星的全面覆蓋，未來還將可廣泛用于鉆井平臺及遠洋船舶、海外基地及勘察車輛等各類場景，真正實現“廣域萬物智聯”和“全球隨遇接入”，潛在社會意義重大。