韩琳 邹昭 天翼智库
空间信息资源已成为各个国家的重要战略资源，天地一体化网络正在成为发达国家国民经济和国家安全的重大基础设施，可实现对空、天、地、海等多维信息的有效获取、协同、传输和汇聚。2024年4月18日，6G技术大会也就空天地一体化主题召开了专门的论坛，并就未来卫星互联网大规模发展、平流层通信新基础设施形态、天地一体网络架构及技术等方向开展了热烈的讨论。
随着卫星成本下降，卫星互联网成为新型基础设施的热门话题，但其性能、成本与管理仍是值得学术界和产业界共同探索的重要问题
卫星成本持续下降，提升产业热度。以高轨高通量星为例，在经历漫长的发展后，容量得到了大幅提升（Viasat3已经实现了1Tbps容量），成本也在持续下降（目前已经达到了3.5美元/Gbps）。带动相关公司纷纷入局部署，目前国内以上海垣信为代表的低轨卫星公司正在积极布局，包括全自动化的生产流水线、激光通信/白盒化等新技术研究、波束赋形相关芯片的设计等，以便提供更加智能、丰富的卫星商业服务，汇集地理、海事、环境、水文、车联网、航空等种类丰富的海量数据。
图1 卫星通信成本变化图 来源：英国萨里大学孙智立教授《Future visions for Satellite systems in 5G/6G and beyond》
卫星互联网发展面临性能评估、成本、管理等问题。与此同时，全球低轨卫星不断发射，在轨星座规模持续扩大，带来了性能评估、成本、管理的相关问题。性能方面，西安电子科技大学李建东教授提出，单位面积内覆盖的卫星数量、业务密度、容量等指标是需要关注的重点。成本方面，目前低轨卫星用户的服务费约是5G的6倍，未来可以通过星间链路的选型、中低轨结合等方式降低成本。此外关于管理方面，与会专家均认可通过引入人工智能的方式，应对频率干扰、空间碰撞、空间路由等一系列挑战。
图2 在非对称2D-Torus拓扑中删除冗余星间链路（ISL）可以降低成本 来源：西安电子科技大学李建东教授《Evaluation and Design of Mega Satellite Constellations》
手机直连是空天地一体融合的重要标志，是拓展信息消费新空间的有力手段，2024年将进入竞争期，未来将进一步带动6G星地融合。2022年产业及学术界关注卫星与地面关口站的联合，并宣布开始进行手机直连卫星的研究。2023年则展开了各类技术验证，同年我国天通一号手机直连卫星服务在全球率先商用落地。2024年，星链开始提供手机直连的短信服务、AST开始提供间歇性连接服务；中国移动开始发星验证NTN的相关标准。据TrendForce预测，2026年全球NTN市场预计可达88亿美元。可见未来NTN类业务（如手机直连等）将带动6G向星地融合方向持续发展，未来为了实现更灵活的网络覆盖以及性能，还需要持续关注网络架构演变、空口传输、频率共享以及资源管理等方面。
图3 全球NTN市场预估 来源：中国信科康绍莉《Technology Trend of Integrated Terrestrial-Satellite Mobile communication》
天空平流层通信在技术优化下，或为6G提供更为丰富的空中通信解决方案
日本NTT DOCOMO公司介绍了低成本、低时延、管理简单的平流层通信（HAPS）。在成本方面，以日本为例，相较低轨卫星需要大规模的星座组网才能够实现全域覆盖，采用HIBS的方式覆盖仅需50个高空平台即可实现全域接入。在时延方面，高空平台距离地面20Km的高度，是低轨卫星高度的近1/25，拥有更低的延时和更高的服务体验。在网络架构方面，HAPS相对地面静止，且覆盖半径大（约50Km），对于移动性管理的要求不高。
平流层通信的概念虽然已有近20年的历史，一直以来HAPS的发展存在三大挑战：一是如何实现远距离的空口的设计；二是如何跟地面网络做好频率高效共享；三是如何做好互联互通。随着非对称的 DFT、虚拟孔径技术等技术的引入，将HAPS的覆盖范围由 5 km提升至50km、目标的分辨率由 500m提升到300m。 目前HAPS已经来到了商用的前夜，日本Space Compass 公司以及法国空客公司均有计划在 2025 年前后开展提供 HIBS商用服务。
图4 HAPS与LEO、GEO的性能对比 来源：DOCOMO（北京）通信技术研究中心陈岚
星地融合是6G发展的必然趋势，NTN成为天地一体网络架构的关注重点，通信技术与元器件亟待攻克 与会专家基本一致认可未来星地融合是必然趋势。卫星服务逐步由电视广播向4G/5G移动通信方式靠拢，如何实现地面与卫星服务的一致性体验成为了业界思考的重点，架构与技术是天地一体化落地商用的前提。
图5 卫星通信服务与地面通信服务走向一致 来源：英国萨里大学孙智立教授《Future visions for Satellite systems in 5G/6G and beyond》 中国信科康绍莉《Technology Trend of Integrated Terrestrial-Satellite Mobile communication》
据6G大会同步发布的《天地一体化技术探索与实践》白皮书显示，在架构方面，基于3GPP的5G NTN技术被寄予厚望。尤其是再生模式的网络架构，将通过在卫星上部署 NG-RAN（+5GC），实现控制面/数据面的延迟降低、并为未部署NTN网关的区域提供低延时业务、服务链路与馈线链路的频谱效率提升。
图6 再生模式网络架构 来源：未来移动通信论坛《天地一体化技术探索与实践》
在技术方面，基础通信技术与专用设备有待进一步研究攻克。天地终端间的相对运动速度高，会带来传输时延和多普勒偏移，同时远距离通信也会造成偏移等问题，需要加强对于空口同步、时序管理、波束管理、移动性等基础通信技术的研究。此外，卫星互联网配套的专用的相控阵天线、转发器、星间链路、终端、星载无线设备、星载核心网设备等，在面向低轨、手机直连等新兴场景中也有待进一步研发。
展望
据GSMA数据显示，目前全球地面移动网的人口覆盖率69%，地表覆盖率不足10%，全球80%的陆地，95%的海洋还未覆盖。地面网络结合卫星通信的广覆盖优势，将持续扩展应用场景，其中手机直连卫星、物联网、车联网、海运、航空等将成为未来天地一体的实用性场景，国内有望实现近千亿级的市场空间。
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发表于 2024-5-8 09:44:48