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中国卫星应用大会6G网络中的卫星通信Satellite Communications in 6G Network吴晓文2020年10月PAGE 1目录国际6G现状0103卫星与5G的融合026G的需求和愿景046G卫星通信关键技术PAGE 2目录国际6G现状0103卫星与5G的融合026G的需求和愿景046G卫星通信关键技术PAGE 35G网络无法实现“全球全域”、“万物互联”5G 仍以基站为中心覆盖全球人口分布密集区域（约占全球的5%），约有80%以上的陆地区域和 95%以上的海洋区域无地面移动网络信号。在基站所未覆盖的沙漠、无人区、海洋等区域内将形成通信盲区 更大的连接数密度、更大的传输带宽、更低的端到端时延、更高的可靠性和确定性以及更智能化的网络特性，是移动通信网络与垂直行业融合应用得以快速推广和长远发展的必然需要。5G的通信对象集中在陆地地表10km以内高度的有限空间范围，无法实现“空天海地”无缝覆盖的通信愿景。现状问题与需求方案更全面更先进的6G移动通信PAGE 46G将有效弥补5G不足，满足需求 6G将向数字化和全连接的方向发展，真正实现随遇接入，万物互联。全新频谱、颠覆性的技术、无小区网络、网络虚拟化、高能效和人工智能将成为6G驱动力和主要特征。PAGE 5ITU已启动6G研究 2020年2月，ITU正式启动面向2030及6G的研究工作；ITU-T 2030网络技术焦点组(FG NET-2030)，旨在探索面向2030年及以后的新兴ICT部门网络需求，包括：新的媒体数据传输技术 新的网络服务和应用及其使能技术 新的网络架构及其演进 根据ITU-T 2030网络焦点组提出的6G网络三个目标，明确了6G将包含卫星网络。面向2030网络的机会和挑战潜在价值移动互联网带来了视频时代eMBB/uRLLC/mMTC保障了新服务&垂直行业解决互联网连接的主要缺点依靠现有僵化的网络技术过时新兴全息PAGE 6ITU提出6G将融合卫星网络6G网络三个目标甚大容量与极小距离通信（VLC&TIC）无间隔的VR/AR体验全息网络高吞吐量（Tbps）全息传送数字感知模拟/非量化的通信协同流媒体超越尽力而为与高精度通信（VLC&TIC）高精度通信 无损网络 吞吐量保证 时延保证 及时保证 准时保证 协同保证用户-网络接口融合多类通信（ManyNet）因特网规模的专用网络多接入边缘计算专用网络/特殊用途网络密集网络网络-网络接口运营商-运营商接口PAGE 7全球已掀起6G研究热潮美国中国日本韩国芬兰 6G进入多国创新战略，成为大国科技博弈高精尖领域；中、美、日、韩、欧洲等纷纷启动6G研究；目前6G正处于“场景挖掘”和“技术寻找”阶段。芬兰奥鲁大学韩国三星中国东南大学中国电子科技大学中国北京邮电大学日本NTT DoCoMoPAGE 86G研发上升为国家战略-美国美国ATIS于2020年5月发布6G报告，欲将美国确立为6G理念、开发、采用和快速商业化的全球领导者。很明显，这是属于未来的东西，我希望美国可以通过竞争取胜，而不是通过封杀现阶段更为先进的技术，我们必须在任何方面都要做领导者，特别是令人兴奋的技术方面。我希望5G，甚至6G技术可以在美国尽快实现。它比现有的标准更加强大，速度更快，而且更智能。美国公民必须努力奋斗，不然就要掉队了。我们没有理由在这种很明显属于未来的东西方面落后PAGE 96G研发上升为国家战略-中国 中国于2019年11月成立国家6G技术研发推进工作组和总体专家组，正式启动6G技术研发，科技部等单位启动了对6G关键技术开展研究的相关项目。6G研发符合习主席提出的四个面向，特别是“面向世界科技前沿”、“面向国家重大需求”。四个面向两个更加2020年9月11日，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平在京主持召开科学家座谈会并发表重要讲话，就“十四五”时期我国科技事业发展听取意见，强调“四个面向”，指出“两个更加”。PAGE 10目录国际6G现状0103卫星与5G的融合026G的需求和愿景046G卫星通信关键技术PAGE 116G愿景：打通虚实空间泛在智联的统一网络接入方式6G将包含多样化的接入网，如移动蜂窝、卫星通信、无人机通信、水声通信、可见光通信等多种接入方式。覆盖范围6G愿景下将构建跨地域、跨空域、跨海域的空天海地一体化网络，实现真正意义上的全球无缝覆盖。性能指标6G无论是传输速率、端到端时延、可靠性、连接数密度、频谱效率、网络能效等方面都会有大的提升，从而满足各种垂直行业多样化的网络需求。智能化程度6G愿景下网络和用户将作为统一整体，AI在赋能6G网络的同时，更重要的是深入挖掘用户的智能需求，每个用户都将通过AI助理(AIA，AI assistant)提升用户体验。服务边界6G的服务对象将从物理世界的人、机、物拓展至虚拟世界的境，通过物理世界和虚拟世界的连接，实现人机物境的协作，满足人类精神和物质的全方位需求。PAGE 126G愿景：打通虚实空间泛在智联的统一网络PAGE 13陆地6G网络指标预测指标6G5G6G提升效率速率指标峰值速率：100Gbps-1Tbps用户体验速率：10Gbps-100Gbps峰值速率：10Gbps-20Gbps用户体验速率：0.1Gbps-1Gbps10-100倍时延指标0.1ms，接近实时处理海量数据时延1ms10倍流量密度100-10000Tbps/平方公里10Tbps/平方公里10-1000倍连接数密度最大连接密度可达1亿个连接/平方公里100万个/平方公里100倍定位能力室外1米，室内10厘米室外十米，室内几米甚至1米以下10倍频谱支持能力常用载波带宽可达20GHz，多波载聚合可能实现100GHzSub-6G常载波带宽可达100MHz，多载波聚合可能实现200MHz；毫米波频段常载波带宽可达400MHz，多载波聚合可能实现800MHz50-100倍网络能效可达到200bits/J可达到100bits/J2倍PAGE 14陆地6G网络指标预测用户体验速率（Gbps）峰值数据速率（Gbps）可靠性连接密度（装置/km2）空口时延（ms）频谱效率能量效率11,00010-710710610.12x2x10-610-5100201x1x0.16G5GPAGE 156G卫星关键指标预测地面：10100Gbps卫星：1Gbps地面：0.1ms卫星：10ms5G：地面覆盖，2D网6G：全球全域，3D网网络形态用户速率通信时延5G：3大类型6G：5大类型应用场景ELPC极低功率通信植入式生物纳米互联网FeMBB未来增强移动宽带ERLLC（eURLLC）极可靠低延时通信umMTC超大规模机器类通信LDHMC广覆盖高延时高移动性通信网络能效100 x空口时延地面10-100s 卫星 10ms全感官感知和实现UHD/SHD/EHD视频全息垂直行业全息社会触觉互联网全自动驾驶工业互联网IoE高速超高速AI赋能PAGE 16目录国际6G现状0103卫星与5G的融合026G的需求和愿景046G卫星通信关键技术PAGE 17卫星通信技术发展趋势020406080100010000001G2040608010010002G3G4G5G6G资费/元速率/Mbps020海事卫星10资费/万元速率/Mbps铱星卫星传统C波段传统Ku波段HTS LEO星座0陆地移动通信发展卫星通信发展4020803010040100050L波段卫星S波段卫星传统C波段卫星传统Ku波段卫星高通量卫星卫星星座卫星通信发展地面移动通信发展1G2G3G4G5G6G0 中国航天科技“鸿雁”计划 航天科工集团“虹云工程”卫星物联网“行云工程”天地一体化信息通信网络 国网卫星星座 SpaceX 星链计划：42000颗星 OneWeb星座互联网：4800颗星 亚马逊Kuiper星座：3236颗卫星 Facebook卫星星座Athena卫星通信的发展趋势：GEO高通量卫星、LEO/MEO卫星星座卫星星座计划GEO卫星发展趋势GEO高通量卫星：采用点波束，频率复用率高，卫星容量大大增加PAGE 183GPP、ITU、SaT5G的研究情况PAGE 19ITU提出的卫星与5G融合应用场景主要为偏远或者地面通信难以到达的地方提供通信服务卫星可以为无线塔、接入点和云提供高速多播回传通信服务为移动用户包括飞机、火车、轮船和车辆等提供直接或补充通信连接服务能作为地面宽带的补充，为一个区域例如家庭或办公区域提供多播服务。多播内容包括视频、高清电视和非视频类内容。中继到站小区回传动中通混合多播PAGE 20SaT5G确定的卫星融入5G使用情形边缘交付&多媒体内容和NFV软件减负5G 楼宇覆盖5G固定回传5G移动平台回传边缘多播/广播交付，MEC部署于乡村等覆盖能力不足区域双连接，与地面网络互补移动平台的宽带连接PAGE 213GPP输出的5G NTN技术报告TR 38.811Study on New Radio(NR)to support non-terrestrial networksTR 38.821Solutions for NR to support non-terrestrial networks(NTN)TR 38.822Study on New Radio(NR)to support non-terrestrial networks 明确了卫星在5G中的三类使用情形 业务连续性：为高速移动平台提供支持，如飞机、导弹；业务泛在性：补盲、补热；业务扩展性：充分利用卫星多播、广播提供数据分发业务。在TR38.811的成果基础上，重点关注5G中使用卫星接入的研究 针对典型场景的性能仿真验证，包括：链路级 系统级 研究NTN对5G物理层的影响 研究和定义层2和层3的可选解决方案 研究无线接入网框架和对应接口协议 列出卫星融入5G的12个具体的用例星地网络间漫游卫星广播和多播卫星loT卫星组件的临时使用最优路由和指向卫星交界的业务连续性全球卫星覆盖通过5G卫星的非直连NR和5G核心网间的5G固定回程链路5G移动平台的回程链路5G to Premises连接远端业务中心和离岸风场。提出了适用于非地面网络的信道模型、传播模型、移动性管理等PAGE 223GPP TR38.821提出的基于NTN的多连接架构基于弯管NTN和地面小区基站的多连接网络架构基于弯管NTN的地面基站多连接网络架构PAGE 233GPP TR38.821提出的基于NTN的多连接架构基于再生NTN（DU）和地面小区基站的多连接网络架构基于再生NTN（完整基站）的多连接网络架构PAGE 24目录国际6G现状0103卫星与5G的融合026G的需求和愿景046G卫星通信关键技术PAGE 256G中的卫星通信网络演进过程UE卫星(透明转发)关口站星载核心网(6G CN Lite)6G NR Uu6G NR Uu接入网终端核心网UE星载基站(AAU+DU)关口站6G NR UuF1 over SRIUE星载基站(AAU+DU+CU)关口站6G NR UuNG over SRI地面基站（CU）F1UE地面基站(AAU+DU+CU)关口站6G NR UuNGNG over SRIUE地面基站(AAU+DU)卫星(透明转发)6G NR UuF1 over SRIF1 over SRI关口站卫星(透明转发)NG over SRIUE星载基站(AAU+DU+CU)6G NR Uu阶段三：阶段二：阶段一：地面核心网(6G CN)F16G NR UuNGNG地面基站(AAU+DU+CU)NG地面基站（CU）NG关口站PAGE 26卫星通信在6G中的角色UELEO/MEO基站6G空口卫星接入UELEO/MEO6G空口卫星中继UE基站卫星卫星回传卫星非6G空口地面接入网卫星接入/中继/传输网基站天地一体核心网PAGE 276G卫星通信关键技术基于6G网络架构及对卫星通信的应用需求，有关大学和科研机构已经开始对6G卫星通信关键技术进行研究，主要包括如下一些方面：AI赋能的卫星网络架构 卫星网络的韧性鲁棒 多址接入 极简接入 极智接入 泛在覆盖网络移动性管理 新型高效传输 按需确定性服务 高效天基计算 卫星通信面临的挑战功率受限算力受限多普勒频移大大时延 卫星通信的特色全球覆盖超远距离通信广播组播生存能力强PAGE 28(1)6G网络架构设想6G接入物理资源6G虚拟接入云6G转发物理资源6G虚拟转发云6G控制物理资源网络控制器传统网元4G/5G接入集中控制软件策略控制软件路径管理软件信息中心卫星基站C-RAND-RANWiFi6G交换机6G交换机6G交换机6G交换机6G交换机业务使能业务使能Internet/PDN本地控制内容macro多跳多连接D2D车联网物联网超密集未来天地融合6G网络将是基于SDN、NFV和云计算技术的更加灵活、智能、高效和开放的网络系统PAGE 29(1)AI全面赋能6G卫星通信网络 与1G至5G不同，6G将经历一场前所未有的变革，支持从核心网、传输网及网络终端设备的无处不在的人工智能服务。在6G卫星通信网络架构中，AI将在网络设计、网络赋能工具和操作及运维方面都将发挥关键性作用。PAGE 30(1)新增AI平面，AI全面赋能6G卫星通信网络PAGE 31(1)AI功能在6G卫星通信网络中的实现 计算资源面临挑战 卫星数量多 星上载荷受限 星间链路交互量大 网络算力保障 引入卫星星座动态分簇和分层管理机制 利用GEO卫星广覆盖和大载荷优势，作为天基AI控制节点 对NGEO进行动态分簇，NGEO同轨道数颗卫星形成簇，分担通信、计算、训练和内容分发等AI赋能功能 通过星间链路实现星间高速数据交换PAGE 32(2)6G卫星网络韧性鲁棒技术 6G卫星通信网络架构需增强网络的韧性鲁棒，由于天基计算能力有限，轻量化、弱中心的空间区块链技术是一种技术路线；研究采用区块链的智能合约和数据一致性算法；设计天地协同的容错和智能重构机制，实现高效的容错控制和网络智能自愈，提升网络的整体韧性鲁棒指标。PAGE 33(3)动态灵活配置的多址接入技术 针对不同业务到达类型，支持动态配置多址方式，实现用户的无感灵活接入；相对于成熟的正交多址技术，非正交多址接入（NOMA）在提高频谱利用率方面颇具优势；目前主要研究的有多用户共享接入（MUSA）、稀疏码多址接入（SCMA）以及图样分割多址接入（PDMA）等。PAGE 34(4)极简接入技术由于卫星固定有的高延时特性，地面通信网络接入流程和协议不可直接移植到卫星，需要针对不同业务或应用需求进行优化和改造，使之适应卫星传输信道的特点，涉及的关键技术包括：海量传感业务免授权随机接入 传统的接入流程需要多次星地交互，导致接入时间长，严重影响接入效率。免授权随机接入降低星地信令交互开销，适合海量物联场景。面向连接业务的轻量化鉴权接入 传统基于时间戳/序列号的认证鉴权架构引入的较大同步开销，需研究适用于卫星通信的轻量级鉴权认证机制；星上缓存预共享密钥、基于星历位置信息超前定时补偿技术。免授权随机接入过程PAGE 35(5)极智接入技术针对不同业务需求共存、不同轨道链路相互干扰、不同节点资源存在差异的复杂状况，需要在接入与切换过程中采用人工智能方法对空间节点进行高效智能的资源分配和管理，涉及的关键技术包括：基于AI的频谱动态分配和干扰协调技术：利用AI对不同业务QoS要求，在训练、学习的基础上进行处理，采用基于AI的频谱动态接入（DSA）方法，克服GEO、NGEO、地面间的共线干扰；基于业务热力图的资源智能分配技术：设计不同卫星节点协作式的任务分配、分布式资源管理算法、分布式数据存储算法，使多维的资源调度能够最优的匹配业务需求。全球全域的业务分布的不均衡感知业务分布规律提高资源利用率PAGE 36(6)泛在覆盖网络复杂环境下移动性管理卫星通信进行波束切换、星间切换、信关站切换时，移动性带来时延扩展、测量时效性、频繁切换、批量切换等问题，针对6G卫星泛在覆盖网络复杂环境下移动性管理，涉及的关键技术包括：卫星高效跳波束调度方法 高轨跳波束：主要针对星上功率和时隙资源联合优化；低轨跳波束：实时地计算卫星波束的跳变图案；高低轨融合场景的跳波束调度方法。批量用户跨星跨波束柔性切换机制 卫星高速移动带来特有的成批用户并发切换的问题 云通道：信关站天线、射频、基带、协议处理资源云化处理。PAGE 37(7)新型高效传输技术6G时代GEO和NGEO等多种轨道卫星和星座共存，多波束卫星将是未来的发展方向，为有效提高频谱利用效率、提升通信容量，需要研究卫星新型高效传输技术，涉及到的关键技术包括：多星多波束高效传输：频率复用预编码、波束协作波束赋形 新型编码和调制：非正交传输、APSK调制、RC-LDPC编码等 全自由度双工(CCFD)：同频同时进行收发 卫星通信多链路聚合：异质链路聚合 智能无线信道资源管理：基于深度学习方法，充分考虑传输过程中涉及的业务优先级、处理时延、丢包率等约束条件，结合业务QoS指标来实现。S1S2SNU1U2UM11122122MNPAGE 38(8)按需确定性服务技术为支持多样化业务场景并为不同业务提供差异化网络服务，通过研究星地智能网络切片技术，实现6G卫星的按需确定性服务，涉及的关键技术包括：星地多维网络功能虚拟化：软件定义网络，多维资源虚拟化架构 智能切片编排与管理：数据驱动的星地智能切片管理、按需选择星地协议栈功能划分策略 虚拟网络到物理网络的动态映射：映射特性、映射机制实现目标：资源可全局调度 能力可全面开放 容量可弹性伸缩 拓扑可灵活调整PAGE 39(9)高效天基计算技术天基计算：为星上通信协议栈处理、星上数据分析和星上智能等提供算力支撑，涉及的关键技术包括：天基计算架构：云边协同，低轨卫星提供天基边缘计算服务，高轨卫星提供天基云计算服务 基于边缘计算的低轨协同计算：解决低轨卫星存在高移动性、过顶时间有限和广域负载不均衡等问题 一体化异构计算方法：适应多业务特征 星地协同AI架构 服务需求智能预测 星地分布式学习PAGE 406G已在路上，卫星是6G不可缺少的一部分is underway我们的征途我们的征途 是是星辰大海星辰大海！中国卫星应用大会谢谢！谢谢！