天地一体化信息网络技术研究白皮书.pdf

天地一体化信息网络技术研究白皮书（2023）天地一体化信息网络技术研究（2023）I 目 录 1.6G 网络研究现状.1 1.1 标准研究进展.1 1.2 业务场景需求.3 1.3 网络构架展望.8 2.天地一体化信息网络应用场景.9 2.1 泛在物联.9 2.2 宽带互联.12 2.3 智能海洋.13 2.4 隐蔽安全.14 2.5 社会治理.15 3.天地一体化信息网络组网架构.16 3.1 组网架构需求.17 3.2 组网架构组成.18 3.2.1 物理架构组成.18 3.2.2 功能架构组成.21 3.3 组网架构优化.27 3.4 组网架构挑战.27 4.天地一体化信息网络关键技术方向.28 4.1 技术架构研究方向.29 4.2 网络管理研究方向.34 5.天地一体化信息网络资源管理.35 5.1 天地一体化网络活动基站节点选址.36 5.1.1 集中式活动基站选址.36 5.1.2 分布式活动基站选址.37 5.2 天地一体化网络资源管理技术.38 5.2.1 高隔离无线频谱资源管理技术.38 5.2.2 跨域边缘计算资源协同管理技术.40 5.2.3 模型与数据联合驱动的资源管理算法.42 6.天地一体化信息网络发展现状.43 6.1 基于 GEO（高轨）星座网络.43 6.2 基于 LEO（低轨）星座网络.45 天地一体化信息网络技术研究（2023）II 6.3 LEO（低轨）星座发展展望.51 7.天地一体化信息网络建设探讨.53 7.1 网络建设难点.53 7.2 网络建设方案.54 8.天地一体化信息网络发展展望.55 8.1 面临挑战.56 8.2 发展建议.57 天地一体化信息网络技术研究（2023）1 1.6G 网络研究现状 1.1 标准研究进展 全球 6G 标准还未制定，但是 6G 研究的序幕已经展开，整体上看，全球 6G研究正在有序推进，预计 2030 年 6G 将实现商用，届时人类将进入 6G 时代。（1）ITU ITU-R WP5D 负责 IMT 无线通信研究和标准化，包含 IMT-2000（3G）、IMT-Advanced（4G）、IMT-2020（5G）以及当前开展的 IMT for 2030 and beyond（6G）。面向新一轮启动的 6G 无线通信系统工作，ITU 已于 2022 年中旬完成了 未来技术趋势报告的编写，除了重点关注 6G 的无线技术外，ITU 在 2021 年分别启动IMT 愿景建议书和100GHz 以上频段的 IMT 技术可行性报告的相关工作，预计都将在 2023 年中旬完成，为最终的ITU-R 关于 IMT-2030 及以后的建议提供总体指导。对于 6G 无线技术，未来技术趋势报告收集了十余个国家、技术与标准化组织等的多轮输入，包含了 AI、通信感知一体化等 8 个主要的新兴技术趋势和使能技术方向，极致 MIMO、新型编码、高精度定位等 8 个用于空口增强的技术方向，新型网络架构与卫星网络互通等 9 个用于无线网络增强的技术方向，以及 2 个面向终端的技术方向，为 6G 整体技术支持因素、概念奠定了基础。6G IMT 愿景建议书在用例、应用趋势、应用场景以及彼此的关系展开广泛的讨论，并将逐步开展 6G 关键能力、演进目标等议题。有关 6G 愿景研究将在2023 年世界无线电通信大会（WRC-23）之前完成，届时由各国、业内组织、企业共同商讨的 6G 愿景建议书，将作为下一代移动通信工作开展的关键指南。无论是未来技术趋势报告，还是愿景建议书，相比于 5G 研究计划，6G 规 天地一体化信息网络技术研究（2023）2 划节奏均有提前，各成员单位及外部组织输入空前踊跃积极。同时 ITU-R WP5D对 6G 关键时间线及工作计划展开热烈的讨论，目前已明确将在 2030 年发布 6G移动通信全球核心标准，6G 总体时间表也计划将于 2023 年 7 月完成。在网络方面，ITU-T 负责电信标准的 SG13 工作组在 2022 年2023 年研究周期开展了多项 IMT-2030 网络架构及关键技术的标准化工作，包括确定性网络技术、天地融合网络技术、算力网络技术、意图网络技术、人工智能技术、区块链安全技术等。ITU-T 已经开始布局算力网络、云网协同、天地一体化等新兴技术方向，提前储备 5G-A 和 6G 关键使能技术。（2）3GPP 2020 年 7 月 3GPP R16 标准冻结后，受全球疫情影响，原计划 2021 年底完成冻结的 R17，推迟到 2022 年 6 月冻结。根据 3GPP 2019 年公布的时间表来看，已经于 2023 年开启对于 6G 的研究，并将在 2025 年下半年开始对 6G 技术进行标准化，预计将在 2028 年上半年完成 6G 标准的制定，至 2028 年下半年将会有6G 设备产品面市。3GPP 目前已正在着手制定 5G R18 标准，是首个定义为5G-Advanced 的标准版本，行业内预计从 2026 年开始将启动首个 6G 标准 R21的制定，到 2030 年将冻结 R23 版本。（3）IMT-2030 当前，随着 5G 规模化商用进入快车道，世界主要国家和地区纷纷启动 6G研究。我国高度重视 6G 发展，“十四五”规划纲要明确提出要“前瞻布局 6G 网络技术储备”。2019 年 6 月，IMT-2030(6G)推进组在工业和信息化部等部委指导下成立，超过 70 家国内外企业、高校及科研机构参与，积极推进 6G 愿景需求研究、关键技术研发、标准研制、国际合作交流及社会经济影响研究等各项工作。IMT-2030（6G）推进组于 2021 年 6 月发布 6G 总体愿景与潜在关键技术白皮书，提出沉浸式云 XR、全息通信、感官互联、智慧交互、通信感知、普惠智能、数字孪生、全域覆盖共八大应用场景，展望了内生智能的新型网络、增强 天地一体化信息网络技术研究（2023）3 型无线空口技术、新物理维度无线传输技术、太赫兹与可见光通信技术、通信感知一体化、分布式自治网络架构、确定性网络、算力感知网络、星地一体融合组网、支持多模信任的网络内生安全共十大关键技术方向。2021 年 9 月，IMT-2030 推进组进一步召开了以“6G 愿景展望”为主题的 6G研讨会，围绕 6G 无线融合通信及新频段技术、6G 新物理维度及技术研究、6G网络架构与技术等三个领域进行了 10 场技术主题研讨，并发布了6G 网络架构愿景与关键技术展望白皮书，以及超大规模天线技术等 6 份研究报告。1.2 业务场景需求 2021 年 6 月，IMT-2030(6G)推进组发布6G 总体愿景与潜在关键技术，创新提出 6G 潜在业务应用，呈现沉浸化、智能化和全域化特点，分析总结出 6G网络具有如下业务场景需求，共有五大应用场景和八大应用需求：（1）超级无线宽带 超级无线宽带是增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）的演进和扩展，不仅将极大提升以人为中心的沉浸式通信体验，也将在全球任意地点实现无缝覆盖。超级无线宽带场景将广泛应用于生活、生产、工作、教育、娱乐等 多个领域，提升人们的生活质量和工作效率。在热点部署的场景下，以人为中心的通信和以机器为中心的通信均对峰值速率、用户体验速率、系统容量、频谱效率提出更高的要求。此外，6G 网络还需要提供低时延和高稳定性以保障用户体验。1）沉浸式云 XR XR（extended reality，扩展现实）业务不断向超高清、3D、浸入式、实时交互方向发展。XR 将从信息娱乐、远程教育等切入，替代面对面服务，同时逐步扩展到智慧安防、智慧城市、智慧工厂、数据中心等领域，助力各行业数字化转型。未来云化 XR 系统将实现用户和环境的语音交互、手势交互、头部交互、天地一体化信息网络技术研究（2023）4 眼球交互等复杂业务，需要在相对确定的系统环境下实现低时延与超高带宽，才能为用户带来极致体验。此外，云化 XR 技术中的内容上云、渲染上云、空间计算上云等将显著降低 XR 终端设备的计算负荷和能耗，XR 终端设备将变得更轻便、更智能、更利于商业化。但同时，终端功率受限问题将更加突出，未来终端需要重点研究绿色低功耗方案。2）全息通信 预计未来，随着 6G 网络能力的提升，以及高分辨率终端显示设备的发展，全息通信将自然逼真地还原多维度信息，实现人、物及其周边环境的三维动态交互通信，塑造智能沟通、高效学习、协同办公、健康生活、自由娱乐等生活新形态。全息通信将广泛应用于文化娱乐、医疗健康、教育、社会生产等众多领域，使人们不受时间、空间的限制，打通虚拟场景与真实场景的界限，使用户享受身临其境般的极致沉浸感体验。全息通信要求网络支持实现大尺寸、高分辨率的全息显示数据传输，并行承载上千个并发数据流，同时保证全息交互的实时性，其对峰值速率、低时延等网络指标均提出了较高要求。3）感官互联 感官信息（即视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉）的有效传输将成为通信业务的重要组成部分，感官互联有可能成为未来通信的重要方式之一，将广泛应用于医疗健康、技能学习、娱乐生活、工业机械、道路交通、办公生产和情感交互等领域。用于工业场景的远程操控需要非常精确的动作控制，对时延有较高要求。触觉反馈的交互式 VR、UAV 遥控等应用需要与目标物体之间实现频繁交互并同步反馈多感官信息，6G 网络需要为多感官交互应用提供平滑、可靠的连接。（2）超大规模连接 超 大 规 模 连 接 将 在 5G 海 量 物 联 网 通 信（massive Machine Type Communication，mMTC）基础上，拓展全新的应用领域和能力边界。超大规模 天地一体化信息网络技术研究（2023）5 连接的对象将包括部署在智慧城市、智慧生活、智慧交通、智慧农业、智能制造等场景的各类设备，典型应用包括远程抄表、环境监测、智能灯杆互连等。此外，未来数字孪生世界将通过部署大量传感器，实现对日常生活中各类设备的数据采集及传输，并通过建模、推演、决策等环节与物理世界交互。超大规模连接的场景特点是连网设备数量巨大，但其中大部分可能仅产生零星散发的流量。与 5G 中仅支持大规模设备的低速率传输相比，6G 超大规模连接设备的传输速率将从低到高不等。数据包的传递频次根据具体应用也存在较大差异，例如从一天一次到几毫秒一次不等。此外，具备不同采集能力的传感器其寿命也存在较大差异。这一场景在某些用例下也需要支持高精度定位、高可靠性和低时延能力。1）数字孪生 随着感知、通信和人工智能技术的不断发展，物理世界中的实体或过程将在数字世界中得到数字化镜像复制，人与人、人与物、物与物之间可以凭借数字世界中的映射实现智能交互。未来 6G 时代将进入虚拟化的孪生数字世界，应用领域包括：工业领域的数字域优化产品设计，城市领域的城市数据大脑建设，医疗领域的数字孪生人，农业领域的生产过程模拟和推演，网络管理领域的数字孪生网管等。以数字孪生城市为例，基于海量传感器、高清视频监控、无线感知等手段采集数据并进 行高精度模拟，能够实现对数字城市的监测、诊断、预测，从而辅助对物理城市的精细化管控，助力构建新型智慧城市。（3）极其可靠通信 极其可靠通信将在低时延高可靠通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC）的基础上进一步增强能力。典型应用包括智能化工业领域的机器人协作、无人机群和各种人机实时交互操作，智能交通系统中的全功能自动驾驶，精准医疗中的个性化“数字人”及远程医疗手术，以及智慧能源、智能家居领域的应用等。除更低时延和更高可靠性要求外，机器协同交互类应用 天地一体化信息网络技术研究（2023）6 对抖动、时间同步、稳定性等确定性指标也提出了极高需求，同时需要具备中高速数据传输和超高精度定位的能力。为此，6G 网络设计需要考虑多维度性能需求。1）机器控制 未来协作式机器控制系统将基于生产作业流程，实现人机物与环境的多维度协作。协作式机器控制将从智慧工厂切入，逐步扩展到智慧农业、智慧城市、智慧交通、智慧能源等领域，从封闭场景、现场局域范围向开放场景、广域覆盖逐步拓展，助力各行各业提升工作效率，确保工作安全。协作式机器控制需要更精准的工作环境及机器动作感知，更智能的精细化控制，更准确的控制指令执行。这需要系统能够提供安全可靠的通信服务，以满足超低时延、超高可靠、超高确定性的控制需求。（4）普惠智能服务 普惠智能服务是 6G 的新增典型场景，依托网络对需要进行高效分布式智能学习或推理的智能化服务提供集成化的通信和 AI 算力。它不仅服务于特定应用服务，还将服务于未来整个通信系统，提高网络整体的性能和效率。在这个典型场景中，网络中的大量智能体将联合执行复杂的 AI 训练和推理任务，从而充分利用移动边缘侧（包括设备中）的智能算力，使快捷和灵活的智能服务覆盖社会各领域。1）智慧交互 未来 6G 网络有望在情感交互和脑机交互（脑机接口）等全新研究方向上取得突破性进展。具有感知能力、认知能力、甚至会思考的智能体将彻底取代传统智能交互设备，人与智能体之间的支配关系将开始向着有情感、有温度、更加平等的类人交互转化。在智慧交互场景中，智能体将产生主动的智慧交互行为，同时可以实现情感判断与反馈智能，因此，数据处理量将会大幅增加。2）智能互联 天地一体化信息网络技术研究（2023）7 在未来 6G 网络中，个人和家用设备、各种城市传感器、无人驾驶车辆、智能机器人等新型智能终端将不仅可以支持高速数据传输，还能够实现智能设备间的协作与学习。6G 将利用智能泛在的网络设计，通过有效连接局部数据，实现特定环境下不同智能终端之间可靠、低时延的通信和协作，并通过大数据学习持续提升工作效率与质量。6G 网络拥有原生智能架构，将 ICDT 技术以及工业智能深度集成到无线网络，具备大规模分布式训练、实时边缘推理和本地数据脱敏等能力。为此，6G 在性能指标上需要重点考虑传输、分布式连接、智能服务精度、高效算力等方面的能力。（5）通信感知融合 通信感知融合是 6G 新增典型场景。感知和通信的集成将提供高精度定位、环境重构、成像、识别等多元化能力，极大促进超高分辨率和精度的应用需求，如超高精度定位、高分辨率实时无线地图构建、基于设备甚至无设备的被动目标定位、环境重建和监控、手势和动作识别、产品缺陷监控、访客识别等。此外，通信感知融合也将有助于提高通信的性能和效率，例如，通过考虑用户移动轨迹和环境变化来优化无线资源利用率。通信感知融合可以广泛应用于很多领域，为车联网、智能工厂等提供更好的服务。1）多维感知 未来移动通信网络需要满足农村和偏远地区、无人区、远洋海域等 5G 无法满足的地区的覆盖需求。地球表面以上，无人机、飞机等飞行器也需要无线宽带连接服务。随着业务的逐渐融合和部署场景的不断扩展，6G 移动通信网络将实现地面蜂窝网络与非地面网络的融合，构建起全球广域覆盖的天地一体化信息网络，为各类用户提供无盲区的宽带移动通信服务。全域覆盖业务和场景将呈现出多样性，与智慧城市、新媒体、工业、农业、医疗、教育和能源等各行各业紧密结合。全时全地域的无缝立体宽带接入将为全球非地面网络覆盖地区提供广域物联网接入，提供 应急通信、农作物监控、珍 天地一体化信息网络技术研究（2023）8 稀动物无人区监控、海上浮标信息收集、远洋集装箱信息收集等服务，支持厘米级高精度定位与导航。此外，通过高精度地球表面成像，可实现应急救援、交通调度等服务。1.3 网络构架展望 为全面满足 1.2 小节所述的 6G 的新业务新场景，6G 网络架构需要从地面接入向天地一体化泛在接入的转变。6G 网络架构需要支持空基、天基、地基、海基等多种接入方式，固定、移动、卫星多种连接类型，个人、家庭、行业多种服务类型，并实现网络侧的多接入、多连接、多服务融合。固定、移动、卫星多种连接类型，个人、家庭、行业多种服务类型，并实现网络侧的多接入、多连接、多服务融合。在习近平总书记的亲自关心和指导下，新时代国家在“十三五”规划中将天地一体化信息网络列入了国家首个“面向 2030 科技创新重大项目”，从而正式启动了我国天地一体化信息网络的建设工作。天地一体以其战略性、基础性、带动性和不可替代性的重要意义，成为国家基础性的战略资源，对社会的经济发展有着不可替代的重要作用，是关乎国家安全和国民经济的重大基础设施。未来的 6G 网络将采用多系统、大融合的天地一体化网络架构，将突破地形地表限制，覆盖扩展到太空、天空、陆地、海洋等自然空间。天地一体化网络将采用统一的架构、统一的技术体制、统一的标准规范通过空、天、地、海等多维信息的有效获取、协同、传输和汇聚，以及资源的统筹处理、任务的分发、动作的组织和管理，充分发挥空、天、地、海信息技术的各自优势，实现时空复杂网络的一体化综合处理和最大有效利用，为各类不同用户提供实时、可靠、按需服务的泛在、机动、高效、智能、协作的信息基础设施和决策支持系统。天地一体化信息网络技术研究（2023）9 相较于传统的卫星或地面移动通信网络，空天地一体化的网络结构和节点能力（传输、移动、路由和覆盖能力等）都发生了根本性的变化，也面临着诸多网络建设、网络运营等方面的挑战。2.天地一体化信息网络应用场景 借助非地面网络，天地一体化信息网络可以突破地形限制，向空、天、地、海多维度扩展，可以为公众和行业客户提供真正无缝泛在的高速业务体验。面向行业客户，天地一体化通信网络传输覆盖广、不受地理环境限制、时延抖动小、可靠性高的特性可以为行业客户提供专网服务。对于个人用户，天地一体化通信网络扩大了地面通信网络覆盖范围，可以为用户提供多样化的语音和数据业务。天地一体化信息网络的应用场景主要包括五个方面，分别为泛在物联、宽带互联、智能海洋、隐蔽安全、社会治理。2.1 泛在物联 泛在物联是指任何时间、任何地点、任何人和物之间的信息连接和交互。主要包括对物品的智能化识别、定位、跟踪监控和管理，保障数据传输的及时性、有效性，保障运输的安全，实现全球范围内全天候万物互联。（1）大时空尺度数据分发 车联网、物联网场景中需要大量广播数据分发适合采用卫星和高空平台系统（HAPS）进行实现。卫星和 HAPS 的覆盖范围大，通过一跳就可为大范围内的通信节点提供信息传输，相比地面多跳传输更具优势。可用于远距离实时通信及大范围的信息同步和数据分发。天地一体化信息网络技术研究（2023）10 图 2-1 基于天地一体化的大时空尺度信息同步场景 （2）基于 CDN 的卫星广播场景 在基于 CDN 的卫星广播场景中，RAN 侧发挥卫星网络覆盖范围广的广播业务优势，可以有效节省下行空口带宽。核心网侧将 CDN 与 MEC 相结合，在全网范围内基于 CDN 技术按内容分发业务数据，并缓存在网络边缘 MEC 平台，有效缓解网络侧拥塞和业务响应速度，改善用户体验质量。图 2-2 基于 CDN 的卫星广播场景 （3）双连接业务增强场景 通过业务多路合并充分利用卫星链路和地面移动网络的互补性增益。以视频业务为例，视频文件基本帧是视频业务的基础数据，编解码压缩较大，传输带宽需求较高，而视频文件增强帧是提升视频业务质量的增强数据，编解码压缩比较小，传输带宽需求较小。依据业务需求特性和 MEC 平台业务数据缓存状态，系统将决策仅采用地面移动网络传输视频业务基础数据，还是将地面移动网络传输 天地一体化信息网络技术研究（2023）11 视频业务基础数据与卫星链路传输视频业务增强数据进行合并，以便提供时延、带宽和用户体验最优的 RAN 侧双连接业务增强合并策略。图 2-3 RAN 侧双连接业务增强场景 （4）广覆盖能力下沉场景 在广覆盖能力下沉场景中，无线网有卫星链路和地面移动网络两条无线接入方式，在无线接入侧，既可以依据业务 QoS 需求和两条无线链路质量，提供 QoS的差异化空口接入服务，又可以采用卫星网络提供底层接入覆盖与地面移动网络提供热点服务相结合的模式，充分利用卫星网络覆盖范围广和地面移动网络带宽时延的优势，实现无缝覆盖、泛在接入。为了进一步降低地面核心网传输时延，可以将核心网算力下沉到网络边缘，丰富本地业务算力资源，降低终端硬件成本，提供低时延保障的算力能力。（5）本地分流与中继回传融合组网场景 在本地分流和中继回传融合组网场景，UPF 作为用户平面功能的关键节点，具备对地面移动网络终端业务本地分流的能力，如果网络边缘的 MEC 能够满足终端业务要求，UPF 则将业务请求分流到 MEC；如果 MEC 不能满足终端业务要求，UPF 可以通过地面核心网和卫星链路两种方案连接远端业务服务器。天地一体化信息网络技术研究（2023）12 图 2-4 本地分流与中继回传融合组网场景 2.2 宽带互联 宽带互联可以提高道路特征和交通设施的清晰度。在沙漠、山路、乡路等没有普通信号的地方，实现随时随地联网。增强移动终端导航能力，为机载、车载定位终端提供精准可靠的位置服务。同时可以为交通物流、跨境电商、海洋、能源、旅游、农牧业等多个领域提供实时信息，为国家的“一带一路”建设做出贡献。（1）低成本广覆盖接入 随着电信普遍服务工作不断深入，需要解决边疆、深山、海岛等低成本通信服务需求。而卫星、HAPS 通信可以作为地面网络的补充和低成本的广域覆盖，作为语音和物联网基础覆盖网络，解决偏远地区用户的宽带上网和位置导航服务需求。（2）专网业务 对于一些有建设专网需求、且分支机构分散的企业，特别是跨国/跨地区的头部企业，采用天地一体化通信网络构建专网，有利于打破地理限制，统筹业务，提供高可靠性网络保障，实现集团公司的全球业务管理。（3）泛在接入本地分流场景 基于 MEC 的天地一体化通信网络可以为海岛、沙漠、高山、港口等偏远地 天地一体化信息网络技术研究（2023）13 区提供泛在接入能力，将视频监控等业务数据上传到网络边缘 MEC。依据业务需求，MEC 平台为边缘用户提供本地业务分流能力。MEC 平台直接部署在网络边缘，大大降低了网络传输时延。综合视频自动化分析、集装箱自动化调度、安防监控等相关应用，为吊桥、集装箱、运输车辆、园区安防、环境数据采集等提供高清视频监控。图 2-5 泛在接入本地分流场景 2.3 智能海洋 在智能海洋通信方面，空天信息网络面对海上环境情况复杂、海事业务异构等问题，提出了智能化、协同化和信息化的发展，克服海洋复杂环境对传播的影响，满足海事安全通信、海况通报、导航避障、海事紧急救援、公共通信服务等多种异构业务的低延迟、高可靠、全覆盖的需求。（1）基础立体通信 在全球大力推进海洋经济发展、加大航运背景下，海上通信，将可能是未来潜在的新兴通信市场。通过在近海区域及飞机航线沿线部署建设费地面网络，可有效实现近海区域船只和飞机上终端设备的通信。HAPS气球的覆盖半径为50km，通过两个气球的中继，可以覆盖近海 200km 范围内的船只和飞机。按照我国大陆海岸线长度 18000km 估算，360 个气球即可实现我国整体海岸线近海 200km范围内船只和科技的通信。天地一体化信息网络技术研究（2023）14 图 2-6 海洋与空间立体通信场景（2）机载云服务 在机载服务器上部署轻量化的 MEC 和 vUPF，与机上用户在相同的局域网络中。基于机载 MEC 平台预存储的业务可以为机上用户提供局域网络范围的云点播服务，并建立机上局域网络云社交服务，为机上用户提供内部社交支撑能力。基于机载 MEC 下沉的计算能力，可以为机上用户提供云视频渲染和云游戏交互等业务。若机载轻量化 MEC 平台能力不足以满足用户业务需求，机载 vUPF 通过卫星链路向地面网络远端服务器请求业务支撑能力。（3）船载云服务 与机载服务场景类似，在船载服务器上部署 MEC 和 vUPF，实现云点播、社交、视频渲染及云游戏交互等业务。与机载 MEC 平台轻量化部署策略不同，船上可以配置更多硬件资源部署 MEC 平台，MEC 平台的能力也可以更全面。2.4 隐蔽安全 空天通信网可以保证数据传输的隐蔽性。传统地面网络，基站数目过多，任一基站发生故障或被安装窃听设备，都会导致秘密信息的泄露。而采用空天通信网，加密数据可以通过天基骨干网和天基接入网进行直接传输。而高空飞行器和卫星的数据链路更为安全，更难截获。因此可以构建隐蔽安全的通信链路。天地一体化信息网络技术研究（2023）15 （1）证券金融领域 证券金融等行业，交易场所分散，对通信保密要求高，同时一些结算类业务对时延抖动敏感。针对大宗货物交易会证券交易中高频电子交易场景，采用低轨卫星进行直线传播将有效降低时延，例如纽约和上海之间的长距离传输，理论上采用卫星轨道高度 500km 左右的低轨卫星，时延可以控制在 100ms 之内，而目前通过海底电缆的传输时延约 120ms150ms。对于金融电子交易，1ms 的时延可能会影响上百亿美元的交易。此外海底光缆非常脆弱，容易遭到地震、海啸、船只甚至鱼类的破坏。（2）区块链安全加固 作为一种分布式架构技术体系，区块链以牺牲存储效率为代价保证链上数据可信防篡改，同一跳链上的所有节点存储相同的账本数据。不同节点之间为了达成有效的共识，需要通过多次广播机制传递交易数据和验证消息。目前，链上节点间数据同步是通过将逻辑广播消息向邻居节点随机转发的模式实现的，但是，消息数据的广播仍然需要占用多个物理信道，因此，消息数据同步的带宽资源消耗和链上节点间同步时延抖动是衡量区块链数据同步性能的关键指标。因此，利用卫星广播链路实现链上节点消息数据广播可显著降低网络带宽需求，减小节点间数据同步时延抖动。2.5 社会治理 在社会治理方面，当面对重大安全事件，如自然灾害，社恐暴乱等，国家需要对大规模人群或地区进行实时监管这暴露出在面对重大事件时，采用普通的模式将不再适用。我们必须提升监管效率，加大监管强度。尤其是在面对重点防控地区，更要实现全方位无死角的人员流动监控以及实时周边环境信息的采集。这需要技术的支持，而要对如此海量的数据实现实时监测、流量监管。空天通信网 天地一体化信息网络技术研究（2023）16 可以凭借三层异构网络实现全方位无死角的地区覆盖，并可以对热点地区进行灵活的资源调配，通过科学手段实现高效的社会治理。（1）应急通信 由于卫星、HAPS 通信具有覆盖面广，不受地理环境和自然灾害等影响，适合作为应急通信保障通信网络。特别是在地震、洪涝等自然灾害导致地面网络阻断情况下，卫星、HAPS 通信可以快速部署，终端机动灵活，可以第一时间打通通信链路，为抢险救灾构建高效可靠的指挥调度及信息传输通道。3.天地一体化信息网络组网架构 针对 6G 时代天地一体化组网架构讨论中，人们对卫星、HAPS、无人机等非地面网络系统与地面网络系统融合的方案饶有兴趣。地面与非地面网络系统的互相补充，有效融合，可以让网络覆盖到目前无法覆盖的地方，从而打造无处不在的天地一体化立体覆盖网络。移动通信经过多年的发展和建设，网络覆盖范围越来越广，但是在某些区域无线网络建设部署仍存在困难，尤其是在光纤传输资源不到位或者建设成本高的地区，无线网络建设困难重重。根据统计，目前全球移动通信信号仅覆盖了全球面积的 30%左右，同时全球还有超过 30 亿人口无宽带覆盖，仅美国就有超过 5000 万人缺乏宽带覆盖。因此急需建设天地一体化信息网络，实现不同地域、不同用途、不同行业网络跨界融合，满足用户全时全域无缝覆盖的高可靠通信需求。在以往很多时候，人们经常会把非地面组网技术与地面组网技术看作是相互竞争关系，但他们在网络部署的某些方面，地面网络技术和非地面网络技术是可以互为补充。对于非地面网络，首先需要考虑是否是基于轨道的网络。例如，从架构上来看，HAPS、无人机和热气球不是基于轨道的平台，他们的架构通常与现有网络一致，这类平台专门用于覆盖特定的物理区域，而轨道平台系统则是以 天地一体化信息网络技术研究（2023）17 星座形式部署，因此可以提供无处不在的连接。作为构建高性能网络的使能技术，卫星技术吸引了越来越多的目光。为了尽可能降低卫星通信的时延，需要引入低轨卫星和超低轨卫星。但是，由于这些卫星的轨道高度相对较低，每颗卫星的覆盖范围有限，这就意味着，需要更大规模的网络甚至巨型星座。SpaceX 的星链（Starlink）以及亚马逊的柯伊伯（Kuiper）等项目，这些项目的卫星星座都包含了数千颗卫星。下表为一些目前具有代表性的卫星网络，有的正在规划，有点正在部署，有的已经开始提供服务。表 3-1 卫星网络现状 卫星网络 状态 卫星数量 卫星高度 配置 铱星（lridium）运营中（提供语音和低速数据服务）66（6 条轨道）780km 极轨道（86 度）泰利迪斯（Teledesic）已破产 840（最初规划）288（重新规划后）700km（最初规划）1400km（重新规划后）极轨道 SpaceX 星链 部署中（初步商用阶段）第一代一阶段4408 颗（部署中）540km570km 328km640km 极轨道和倾斜轨道 一网（OneWeb）部署中（该项目最初由软银支持）648 颗（已规划，截至 2021 年 5 月已部署 218 颗）1200km 极轨道 亚马逊柯伊伯 规划中 3236 颗 590km、610km、630km 倾斜轨道（多层）O3b/SES“The Other 3 Bil-lion”（指地球上还未接人互联网的30 亿人口）规划中 20 颗 8062km（中轨）赤道轨道 3.1 组网架构需求 在天地一体化组网架构下，首先要保证卫星网络和地面网络的互联互通，使卫星有能力连接 RAN、核心网，甚至整个互联网，也就是和地面网络互联互通时，卫星网络才能发挥其最大作用。随时随地的连接是卫星网络与地面网络融合的必要条件，也是构建天地一体化信息网络的必然需求。纵观地面网络的发展，其始终要处理好“应用”与“技术”两者之间的平衡，而 天地一体化信息网络技术研究（2023）18 天地一体化网络架构的需求也应该如此，具体如下：（1）以应用为牵引、以技术为主导构建网络。天地一体化网络架构必须以满足日益丰富的天地融合网络应用为根本，但同时要根据天、地环境的差异性，以及空间技术的发展现状，进行针对性的架构优化。（2）需从物理与功能两个逻辑概念出发对网络进行设计。在现有的文献研究中，很容易将物理实体与功能实体混淆，在天地一体网络中，一种物理设施可以配备多种功能，一种功能也可以部署在多个物理设施之中，两者之间既有联系，又有区别。比如卫星是物理设施，而核心网是功能，核心网功能既可以仅部署在地面站，也可以将部分功能部署在卫星上，以优化系统流程。3.2 组网架构组成 天地一体化信息网络的组网构架可以从两种不同的逻辑角度进行设计：可以从物理逻辑角度对天地一体化信息网络架构进行设计，称为天地一体化信息网络物理架构，还可以按功能类型的不同对天地一体网络架构进行设计，称为天地一体化信息网络功能架构。3.2.1 物理架构组成 天地一体化信息网络将以陆地蜂窝移动通信网络为基础，融合空基卫星网络、天基高空平台网络、海基网络，构建多接入的融合网络架构。从物理空间的逻辑视角出发，未来的天地一体化信息网络架构如下图所示。天地一体化信息网络技术研究（2023）19 图 3-1 天地一体化通信网络组网物理架构图 空基网络：由卫星通信系统构成，其中包括高轨卫星、中轨卫星和低轨卫星等。我们熟悉的地球同步卫星以及正在全球使用的海事卫星属于高轨卫星系统。在整个卫星通信系统未来发展来看，由于低轨卫星系统轨道高度相对较低，带来的明显优势就是网络时延相对较小，无线信号空间传播损耗较小、网络提供的带宽较大，可以满足移动互联网应用的网络性能需求。低轨卫星系统在未来将是空基网络的主要发展方向，也是卫星通信系统未来研究的重点。天基网络：由搭载在各种飞行器（飞机、热气球、无人机等）的通信基站构成的网络。随着无人机技术的不断发展和成熟，基站体积和功耗越来越低，无人机的载荷越来越大，未来无人机基站，将可能成为天基网络的主要发展方向。地基网络：由陆地蜂窝移动通信网络构成，是天地一体化信息网络架构下，为大量用户提供通信服务的主要网络。海基网络：由海洋水下无线通信、近海沿岸无线网络、远洋船只/悬浮岛屿等构成的网络。随着全球海洋经济的不断发展，未来海洋通信领域，有可能成为新的通信市场，值得关注。（1）空基网络 空基网络的基础和核心是卫星通信网络。卫星通信是现代通信的主要方式之一，目前已有 50 多年的历史，主要应用军事和航天领域，而民用领域，尤其是 天地一体化信息网络技术研究（2023）20 公共通信服务领域应用较少。典型的空基网络（卫星通信系统）由空间段、地面段和控制段三部分构成。1）空间段：主要包含一颗或几颗卫星，在空中对信号起中继放大和转发作用。2）地面段：主要由多个业务的地球站组成，将要发射的信号传送给卫星，同时又从卫星接收信号。3）控制段：由所有地面控制和管理设施组成，包括用于监测和控制卫星的地球站，以及用于业务与星上资源管理的地球站。目前卫星系统中的空间段的卫星，主要有高轨卫星、中轨卫星、低轨卫星等多种类型。1）高轨卫星：轨道高度一般 3000km 左右，而地球同步卫星，其轨道高度在 3.6 万公里左右。地球同步卫星系统覆盖范围广，覆盖范围相对地面固定，一般 34 颗卫星即可完成除极地地区外的全球覆盖。2）中轨卫星：轨道高度在 2000km 以上，单颗星覆盖面积与高轨卫星相比要小很多，完成全球覆盖一般需要几十颗卫星。3）低轨卫星：轨道高度在 2002000km 左右，单颗卫星成本低，覆盖范围小，需要多颗卫星组成大型星座，以完成全球覆盖。依托低轨卫星系统可以构建低轨互联网系统，为用户提供互联网宽带接入服务，这已成为目前卫星通信系统的重要研究方向。借助低轨互联网技术，为全球用户，尤其是处于边远区域的用户提供互联网接入服务。在低轨互联网中，通过增加卫星数量，可以有效解决中高轨卫星系统，由于卫星数量少而造成的系统容量低的问题。卫星系统容量的大幅度提升，能够有效满足用户宽带互联网接入需求。由于低轨互联网系统，具有巨大的应用前景，因此目前国内外已经开始布局低轨卫星通信技术和产业。（2）天基网络 天地一体化信息网络技术研究（2023）21 天基网络主要借助高空通信平台，将基站安装在长时间停留在高空的飞行器上，如飞艇，热气球等，提供通信服务。天基网络使用现有的通信技术，如 4G、5G 等等，其技术原理与陆地蜂窝移动通信网类似，最大的区别在于将基站设备安装在高空飞行平台而非地面上。一方面高空通信平台的高度远高于地面基站，另一方面，高空基站的信号辐射不受高大建筑物的遮挡，因此覆盖范围较陆地蜂窝通信网更大。另外，空基网络不需要建设固定的地面基础设施，如机房，铁塔等，因此其具有受地形地物影响较小，部署机动灵活，可以作为地基网络的延伸和有效补充。但是同时也要看到，保障空基网络正常工作，需要有效解决高空基站到核心网的回传问题，以及高空基站设备稳定供电等问题。（3）地基网络 地基网络，主要由陆地蜂窝移动网络构成。陆地蜂窝移动通信网络，是为用户提供移动通信服务的主要网络，目前主要为 4G、5G 网络等。陆地蜂窝移动网络采用蜂窝结构，可以兼顾网络的覆盖和容量需求，单站覆盖半径一般几百米。（4）海基网络 海基网络，主要由建立在岛屿和大型远洋轮船上的通信设施构成。在岛屿上建设基站可以实现周边近百公里内的覆盖。在大型远洋轮船上搭移动通信基础设施，可以随着大型远洋轮船的移动，可以逐步实现远洋航线周边的覆盖。3.2.2 功能架构组成 除了按物理逻辑方式对天地一体化信息网络架构进行设计，还可以按功能类型的不同对天地一体网络架构设计。从功能组成的逻辑视角出发，天地一体化信息网络继承了互联网、移动通信网以及传统卫星通信网等特征，并在此基础上，进行创新融合和发展，是一个复杂巨系统的典型实例。参考移动通信网络接入、承载、核心的 3 层架构以及地面云网融合架构，天地一体化信息网络功能架构可以划分为一体化通信系统、一体化网络系统和一体化应用系统 3 部分。其中，一 天地一体化信息网络技术研究（2023）22 体化网络系统在中间，提供“互联”基座，信息、通信系统均部署或挂在网络系统之上；一体化信息