空天地海一體化通信組網(wǎng)理論與技術(shù)

空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)是以地基網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，天基網(wǎng)絡(luò)、空基網(wǎng)絡(luò)和?；W(wǎng)絡(luò)為補(bǔ)充和延伸，為廣域空間范圍內(nèi)的各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供泛在、智能、協(xié)同、高效的信息保障基礎(chǔ)設(shè)施。

在空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)中，空基網(wǎng)絡(luò)由高空通信平臺、無人機(jī)自組網(wǎng)絡(luò)等組成，具有覆蓋增強(qiáng)、使能邊緣服務(wù)和靈活網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等作用；天基網(wǎng)絡(luò)由各種衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)成天基骨干網(wǎng)和天基接入網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、泛在連接、 寬帶接入等功能；地基網(wǎng)絡(luò)主要由地面互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)組成，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)密集區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；海基網(wǎng)絡(luò)主要是通過海上無線網(wǎng)絡(luò)、海上衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等滿足海洋活動的通信需求。

通過多維度網(wǎng)絡(luò)的深度融合，空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)可以有效地綜合利用各種資源，進(jìn)行智能網(wǎng)絡(luò)控制和信息處理，從而游刃有余地應(yīng)對需求迥異的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)一體化、功能服務(wù)化、應(yīng)用定制化”的目標(biāo)，在廣域移動覆蓋、物聯(lián)網(wǎng)、智能交通、遙感和監(jiān)控、軍事等領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。天基網(wǎng)絡(luò)——特別是低軌衛(wèi)星星座相關(guān)技術(shù)——處于核心地位，是構(gòu)建無所不在、無所不聯(lián)、無所不知的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵使能技術(shù)。目前，美國SpaceX公司的“Starlink”（星鏈）項(xiàng)目是低軌衛(wèi)星星座競爭中的佼佼者，其計(jì)劃發(fā)射 4.2萬顆衛(wèi)星，構(gòu)成一個可以覆蓋全球的寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。截至2022年8月，已有超過3000顆在軌低軌衛(wèi)星，全球已有超越50萬寬帶接入訂閱用戶?？仗斓睾Ｒ惑w化網(wǎng)絡(luò)同時面臨著高動態(tài)、強(qiáng)異構(gòu)、超復(fù)雜、多需求等挑戰(zhàn)，其主要研究方向包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、通信協(xié)議設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)資源管理與優(yōu)化、高效傳輸技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)安全與隱私等。

然而，由于現(xiàn)有各通信系統(tǒng)機(jī)制不統(tǒng)一，資源分布差異性強(qiáng)，無線信道更加復(fù)雜多變，且網(wǎng)絡(luò)安全性難以保證，空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)亟須在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通信協(xié)議、資源管控和高效傳輸四方面突破，因此對于該領(lǐng)域的技術(shù)前沿解讀也從這四方面展開。

第一，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，主要有兩大趨勢。國際移動通信標(biāo)準(zhǔn)化組織 3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃）力主推進(jìn)非地面網(wǎng)絡(luò)（non-terrestrial network，NTN）（包含衛(wèi)星、無人機(jī)等所有非地面網(wǎng)絡(luò)）與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)融合，使得 NTN 成為 5G 網(wǎng)絡(luò)以及未來 6G 網(wǎng)絡(luò)中的一部分，從而形成互聯(lián)互通的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)。另一個趨勢是以軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)為核心的虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，形成高效、全局可控、低成本的空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)。該方向的主要研究機(jī)構(gòu)包括滑鐵盧大學(xué)、清華大學(xué)、北京交通大學(xué)等。

第二，在通信協(xié)議設(shè)計(jì)方面，CCSDS 協(xié)議通過對相鄰幀的迭代處理，可實(shí)現(xiàn)空天地海網(wǎng)絡(luò)中有效載荷限制下近乎無損的多媒體流傳輸，極大地擴(kuò)展了空間飛行任務(wù)信息系統(tǒng)的配套交換能力；DVB 系列協(xié)議克服了傳統(tǒng)上行鏈路功率控制對射頻前端體積的限制，有效提高了衛(wèi)星通信鏈路的頻譜效率，從而能進(jìn)行空間段的優(yōu)化，并大幅度降低基于衛(wèi)星的 IP 服務(wù)成本。然而，這兩種協(xié)議提出的時間較早，目前包括 3GPP 在內(nèi)的多家組織和機(jī)構(gòu)也在探索新型空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。

第三，在網(wǎng)絡(luò)資源管控方面，目前主要有兩個研究趨勢：一是 AI 驅(qū)動的資源管控技術(shù)，它能適應(yīng)傳統(tǒng)空天地海融合網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、決策空間大、資源異構(gòu)的特點(diǎn)，從而有效提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率；二是以服務(wù)功能鏈或者網(wǎng)絡(luò)切片為載體的資源調(diào)度技術(shù)，它通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)將全網(wǎng)資源切片化，在保障用戶之間業(yè)務(wù)隔離性的同時，亦能保障多維需求指標(biāo)的滿足，從而實(shí)現(xiàn)未來網(wǎng)絡(luò)服務(wù)定制化的關(guān)鍵目標(biāo)。該方向的主要研究機(jī)構(gòu)包括清華大學(xué)、滑鐵盧大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、中國人民解放軍國防科技大學(xué)等。

第四，在高效傳輸技術(shù)方面，星間激光通信被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高速星間鏈路的潛在技術(shù)，相比于基于射頻的星間通信，其可通過更小的天線尺寸實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。同時，由于激光光束的特性，星間激光鏈路具有更窄的波束和更高的指向性，從而能在消除干擾的同時提供更高的安全性。目前，工程應(yīng)用中主要的星間鏈路通信方式仍然是微波通信，預(yù)計(jì)將于 2023 年年底實(shí)現(xiàn)初步的星間激光通信測試及部署。該方向的主要研究機(jī)構(gòu)有北京航空航天大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、東南大學(xué)、北京交通大學(xué)和美國東北大學(xué)等。

此外，低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)建設(shè)也是空天地海一體化通信組網(wǎng)的重要發(fā)展方向。銥星移動通信系統(tǒng)是目前最早計(jì)劃實(shí)施并部署的全球覆蓋衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，提出于 20 世紀(jì) 90 年代。但由于資金和技術(shù)等原因，美國銥星公司破產(chǎn)重組，逐漸淡出人們的視野。2015年，美國SpaceX公司提出的“Starlink”讓低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的熱點(diǎn)，其宣布將發(fā)射上萬顆低軌衛(wèi)星為全球提供高速帶寬接入。截至目前，“Starlink”已經(jīng)完成初步部署，下載速度最高可達(dá) 301 Mbps，并向幾十個歐美國家提供了網(wǎng)絡(luò)接入。除此之外，中國也有多個預(yù)備建設(shè)的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，包括“天啟”“鴻雁”“蔚星”“星網(wǎng)巨型星座”等，其中最早的預(yù)計(jì)能于 2023 年年底完成部署。

“空天地海一體化通信組網(wǎng)理論與技術(shù)”工程研究前沿中核心論文的主要產(chǎn)出國家分布情況見表1.2.1。

中國的優(yōu)勢明顯，核心論文數(shù)排名世界第一，約為第二名加拿大的 3 倍。中國的國際合作對象主要是加拿大，并與英國、美國和日本等都有一定程度的合作（圖 1.2.1）。

排名前十的核心論文主要產(chǎn)出機(jī)構(gòu)（表 1.2.2）中，滑鐵盧大學(xué)產(chǎn)出的論文最多。

另外，有 6 家機(jī)構(gòu)來自中國，其余分布在日本、挪威和英國。在機(jī)構(gòu)合作（圖 1.2.2）方面，中國的 5 家機(jī)構(gòu)與滑鐵盧大學(xué)、2 家機(jī)構(gòu)與薩里大學(xué)的合作較為密切，北京理工大學(xué)與挪威奧斯陸大學(xué)也有部分合作。

施引核心論文數(shù)量（表1.2.3）方面，中國排名第一（占比為 49.62%），第二名是美國，其余國家的占比均低于 10%；排名前十的施引核心論文產(chǎn)出機(jī)構(gòu)（表 1.2.4）中，除第五名滑鐵盧大學(xué)外，其余都來自中國，體現(xiàn)了中國對該方向較高的關(guān)注度。目前，“空天地海一體化通信組網(wǎng)理論與技術(shù)”在國內(nèi)外處于不同發(fā)展水平，但整體而言，都正處于設(shè)計(jì)和初步部署階段。

圖 1.2.3 為“空天地海一體化通信組網(wǎng)理論與技術(shù)”工程研究前沿的發(fā)展路線。從技術(shù)指標(biāo)來看，到 2025 年，全球低軌衛(wèi)星的星座最大規(guī)模為千顆級別，預(yù)計(jì)到 2030 年，單星座衛(wèi)星規(guī)模將達(dá)到萬顆級別；從傳輸性能來看，未來5 年內(nèi)，低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的測試速率可達(dá) 500 Mbps，延遲最低可實(shí)現(xiàn) 60 ms，而在 2027 年到 2032 年，低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的測試速率將達(dá)到最低 5 Gbps，延遲最低能實(shí)現(xiàn) 20 ms；從全球衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)總吞吐量來看，2022 年到 2024 年將達(dá)到 97 Tbps，而在 2025 年到2028 年將達(dá)到總吞吐量 218 Tbps，并在 2032 年前達(dá)到 820 Tbps。

從發(fā)展方向來說，目前該工程研究前沿主要發(fā)展方向有空天地海組網(wǎng)構(gòu)建、星間通信技術(shù)、空天地海組網(wǎng)通信協(xié)議、衛(wèi)星多模融合終端和潛在應(yīng)用開發(fā)五個主要方面。

其中，在空天地海組網(wǎng)構(gòu)建方面，目前全球正處于初步的低軌衛(wèi)星星座骨干搭建與系統(tǒng)終端測試階段，預(yù)計(jì)到 2025 年年底完成星座骨干的搭建，并在 2032 年之前根據(jù)應(yīng)用需求補(bǔ)充低軌和極低軌衛(wèi)星。

在星間通信技術(shù)方面，當(dāng)前低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)星間通信技術(shù)較為薄弱，所使用的通信技術(shù)主要為微波通信，激光通信尚處研發(fā)階段，預(yù)計(jì)在 2025 年開始激光傳輸技術(shù)的普及和正式使用。

在衛(wèi)星多模融合終端方面，終端對質(zhì)量、體積、異構(gòu)組網(wǎng)兼容、應(yīng)用集成等方面有較高要求，同時需要適應(yīng)于多系統(tǒng)、多頻段、多網(wǎng)絡(luò)和多應(yīng)用等。目前看來，有關(guān)衛(wèi)星多模的技術(shù)只處于初步階段，相關(guān)的產(chǎn)品也局限于網(wǎng)關(guān)與較大型終端，這給野外工作、邊境巡邏、應(yīng)急搶險救援通信及單兵作戰(zhàn)等帶來極大的不便利性，預(yù)計(jì)在 2025—2032 年，便攜終端將能設(shè)計(jì)完成并投入市場。

在潛在應(yīng)用開發(fā)方面，目前空天地海一體化組網(wǎng)與通信的應(yīng)用場景主要集中于廣域?qū)拵Ы尤?、軍事通信、物?lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等方面，應(yīng)用范圍比較狹窄。未來將開始對更多潛在業(yè)務(wù)進(jìn)行探索，以進(jìn)一步發(fā)揮空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)的潛在能力。除此之外，在 3GPP、IMT2030 等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的大力推動下，目前空天地海一體化通信與組網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)正式起步，部分議程正在逐步開展，預(yù)計(jì)在未來 5~10 年中，相關(guān)的技術(shù)、協(xié)議、指標(biāo)要求等都將進(jìn)一步完善。

審核編輯 ：李倩