2023星地融合通信白皮书.pdf

第一章：引言第二章：驱动力、需求与应用场景第三章：关键指标和技术挑战 第四章：发展路径 第五章：星地融合通信关键技术 CONTENTS目 录第六章：标准和技术验证推进 总结与展望 缩略语参考文献 5.3 移动性管理5.3.1 星间切换 5.3.2 终端位置管理与寻呼 5.3.3 漫游5.4 网络与安全技术5.4.1 网络功能的柔性部署 5.4.2 切片技术 5.4.3 网络虚拟化 5.4.4 边缘计算5.4.5 广播和组播技术 5.4.6 安全 5.4.7 路由 5.5 星地频谱共享及干扰规避5.6 实现优化技术 5.1 网络架构与组网方式 5.2 星地融合通信空口 5.2.1 双工方式 5.2.2 波形与多址技术 5.2.3 波束管理 5.2.4 链路与覆盖增强 5.2.5 终端定位 2.1 星地融合通信驱动力 2.2 星地融合通信的典型应用场景 2.3 星地融合通信愿景17181819192020020405060713163.1 关键技术指标 3.2 主要技术挑战 3.3 手机直连卫星的关键指标和主要挑战 21212122232323232425262628282930313308091112引 言FOREWORD03星地融合通信近年来，低轨（LEO）卫星互联网成为无线通信领域新的竞争赛道和焦点，并对传统地面移动通信技术提出巨大挑战。第 3 代合作伙伴组织（3GPP）在 5G 非地面网络（NTN）及未来 6G 协议中，从无线传输技术、网络架构与安全、终端接入与认证等方面融合卫星通信和地面移动通信，为构建天地一体、全球立体无缝覆盖的星地融合通信系统创造条件，以满足万物互联、无限沟通的需要。星地融合通信也是国家战略需要，在中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要中，明确指出“要建设高速泛在、天地一体、集成互联、安全高效的信息基础设施”。卫星互联网在国内外发展迅猛。美国“星链”（Starlink）是目前最大的低轨宽带卫星通信系统，已拥有 100 万以上的 VSAT 用户，并在汤加火山救援、俄乌战争战场通信中发挥了重要作用，其潜在的军事价值也在不断地体现出来。在手机直连卫星方面，AST Space Mobile 公司正在积极开展存量手机直连卫星的技术试验，SpaceX 和 T-mobile表示将合作建设可支持手机直连的卫星通信系统，爱立信、泰雷兹、高通联合声明将共同研制基于5G NTN 的卫星通信系统，苹果公司也表示 APPLE Watch、iPhone14 等产品将支持卫星通信。此外，国内的卫星运营商、移动通信运营商、系统设备厂商和终端厂商也在积极关注手机直连卫星的需求与技术发展。中国信科以及国内相关企业、研究机构和大学也在持续开展 5G/6G 星地融合通信技术的研究与验证。本白皮书主要从驱动力、需求与应用场景、关键技术指标与技术挑战、技术发展路径、关键技术、标准推进与技术验证等方面对星地融合通信技术进行了探究，重点剖析手机直连卫星模式的关键技术，为业界更深入了解星地融合通信提供参考。驱动力、需求与应用场景DRIVING FORCE,REQUIREMENTS AND APPLICATION SCENARIOS205星地融合通信过去数十年内，在人们不断地追求“更高频谱效率”和“更高传输速率”的过程中，移动通信系统被优化成为一个越来越适于“地面通信信道模型和业务模型”的“地面”通信系统，为个人移动用户和物联网用户提供移动通信服务；而在不断地追求“更高功率效率”和“更高通量”的过程中，卫星通信系统被优化成为一个越来越适于“卫星通信信道模型和业务模型”的“卫星”通信系统，为专业移动用户和专业VSAT用户提供卫星通信服务。因用户群、应用场景、信道环境等方面的不同，它们的技术演进相对独立。虽然，在目前已部署的卫星通信系统中，有部分系统的协议（如：GMR、S-UMTS）是基于地面移动通信系统协议做适应性修改而成的，但因协议和具体实现上的差异，导致星、地通信系统间的融合仍然困难重重。随着无线通信技术的发展，特别是 6G 技术需求的逐渐清晰，无论是从用户需求，还是从运营商期望或者从产业发展的角度，对星地融合通信的需求越来越强烈，在所有的驱动力中，以下四个方面尤为突出：卫星通信用户的大众化传统的卫星通信用户是政府、军队、专业机构和专业人员。随着人类活动空间的拓展，卫星通信逐渐走向普通个人，以手机为中心的个人移动通信业务与应用越来越需要“手机直连卫星”，以避免专用卫星通信终端引起的各种问题与不便。手机能灵活地接入星、地网络，省去卫星专用终端，可降低用户使用成本，并能提升手机用户体验，这无疑是星地融合通信的重要市场驱动力。无缝覆盖与随时随地接入需求1地面移动通信系统虽然可以在陆地上为所有的人和物提供宽带移动接入服务，却难以覆盖海洋、高山、森林、沙漠、中高空域和临近空间。卫星通信系统虽然可以覆盖整个地球表面、中高空域和临近空间，却难以为手机用户提供宽带卫星接入服务。因此，需要二者相互配合、互为补充，提供无缝覆盖，才能为用户提供随时随地的接入服务和融合业务。万物智联的需求以信息传递和应用处理为中心的万物智联不仅需要低成本局域物联网连接，也需要经济的广域物联网连接，以支持信息的快速交互与共享，实现融合的业务与应用。星地融合通信为地面偏远地区、中高空域和临近空间的万物智联提供了更加便捷和经济的技术手段。2.1 星地融合通信驱动力06星地融合通信在个人移动通信、交通运输、航空航海、电信、物联网、航天、应急救灾等领域都有广泛的应用场景。个人移动通信场景手机是目前最为常用的个人通信工具，在有地面移动网络覆盖的情况下，可以通过地面移动网络接入；在没有地面移动网络信号的地方，或者因不可抗力导致地面移动网络失效时，手机可以通过卫星接入到网络，实现真正意义上的无缝覆盖和随时随地接入。交通运输场景无论是行驶在陆地上的专业车辆、火车，还是航行在江海湖泊上的船只，都有专业通信、数据回传、或向乘客提供网络接入的需求。当有地面移动网络或专用网络覆盖时，可以通过地面网络接入；当进入到沙漠、无人区、江海湖泊中心时，可以通过卫星接入。航空航海场景当飞机停在机场、舰船泊在码头时，飞机和舰船可以通过地面移动通信系统实现专业通信、数据回传；而在航行的过程中，则需要通过卫星通信系统实现专业通信、数据回传，或向乘客提供网络接入服务。电信场景星地融合通信系统可以以较低成本为边远地区、海岛、海上平台、移动平台提供基站回传业务、宽带接入业务和卫星中继业务，可在不改造存量通信网络条件下提供卫星连接和数据中继服务。物联网智联场景在固定平台或移动平台上，为物联网终端提供“直接连接”业务或“间接连接”业务，进而提供电网监控检修、地质监测、森林监测、无人机数传与控制、海上浮标信息收集、远洋集装箱信息收集、农作物监控、珍稀动物无人区监控等服务，以及相应的应急处理。星地融合通信可满足大规模、低成本终端接入的需要。导航与航天场景星地融合通信的卫星网络支持更为强大的导航功能，为个人和专业用户提供定位与导航增强业务；同时，星地融合通信可以支撑航天相关信息传输业务，例如：高速数传业务、IP 测控业务。应急救灾场景利用星地融合通信系统，可以通过手机向普通个人用户预报各种自然灾害，如：地震、洪水、台风、海啸、森林火灾、火山等。在灾害发生后，灾民可以利用手机通过卫星通信保持与救灾人员的必要联系，救灾人员也可以通过卫星通信来实现应急指挥。此外，在日常的应急通信中，如没有地面应急通信网络或地面移动网络覆盖时，也可以通过卫星来实现应急通信。2.2 星地融合通信的典型应用场景卫星通信和地面移动通信产业链共享地面移动通信拥有数十亿的用户、强大的技术队伍和完备的产业链。但卫星通信目前只有百万级的用户量，并且其参与人员与产业规模也远远低于地面移动通信，这也是卫星通信设备和运营成本高、技术更新慢的一个重要原因。如何充分利用地面移动通信的产业链，如何把普通移动通信用户发展为卫星通信用户，是运营商面临的两个重要问题，而“星地融合通信”则为这两个问题的解决提供了技术路径。07星地融合通信手机直连卫星是星地融合通信的一个重要方面，使得应用最广泛的移动通信终端与覆盖范围最大的卫星网络紧密结合，是增强终端能力与网络覆盖广度的重要途径，是对基于专用终端、提供话音及低速率数据业务的传统卫星通信的重新定义，是面向 6G 真正实现随遇接入、无缝覆盖的重要举措。手机直连卫星的星地融合通信系统的基本愿景为：系统在全球范围内提供无缝覆盖及不间断服务，手机用户可以随时随地接入地面移动网络或/和卫星网络，并能在它们之间无感知地切换。低轨卫星节点智能网络管理与编排系统图1-星地融合的立体网络地面蜂窝网络卫星互联网地面网络临空网络节点高轨卫星节点2.3 星地融合通信愿景星地融合通信网络，是一个星地立体通信网络，由地面网络、临近空间网络和天基网络组成2（如图 1）。其中，地面网络主要包括地面蜂窝基站、卫星信关站和核心网；临近空间网络包括无人机和临空接入平台；天基网络主要包括高中低轨卫星通信载荷与平台。星地融合通信网络使用统一的网络架构和标准体制，使用一体化的无线接入、传输和网络技术，使用一体化的星地协同无线资源分配与业务管理，为多种通信设备提供宽带或窄带接入服务，满足天基、空基、海基和陆基用户随时随地通信需要3。星地融合通信使得卫星通信和地面移动通信在通信技术、元器件、通信设备、通信网络、通信系统、通信业务与应用方面得以深度融合，极大地降低成本，提升用户体验，促进整个产业的良性发展4。08关键技术指标和技术挑战KEY PERFORMANCE INDICATORS AND TECHNICAL CHALLENGES09星地融合通信基于用户与业务的需要，结合典型的卫星星座、频率资源和载荷配置，并考虑到卫星通信技术、器件和组件发展水平，本文初步估算星地融合通信系统中卫星通信需要满足的技术指标567，具体分析如下：峰值速率未来星地融合通信系统的卫星应具有部分或全部基站功能，每颗卫星支持数十至数百个波束。对于为低增益（几分贝以内）天线的终端（如手机、物联网终端）提供接入服务的波束来说，单波束下行峰值速率可设在 1050Mbps 之间；对于为高增益（30dB 以上）天线的终端（如 VSAT 终端）提供接入服务的波束来说，单波束下行峰值速率可设在 501000Mbps 之间；每颗卫星的容量可设定在10 100Gbps 之间。空口时延空口时延包括传播时延、处理时延、跳波束调度时延和重传引入的时延，它与“接入网-核心网”间的时延、核心网内时延之和应满足所支持的通信业务的包时延预算8的要求。传播时延是由轨道高度和最低仰角决定的，对于星上处理和透明转发的LEO卫星通信系统来说，传播时延分别在1.111ms和 2.323ms 之间；对于地球静止轨道（GEO）卫星来说，传播时延则超过百毫秒。处理时延相对较小，一般单侧在 12ms 之间。跳波束调度时延的最大值与平均值分别是实际回跳周期的一倍和一半，受跳波束同步时间的约束，跳波束周期一般设在 80ms以内，应根据业务的包时延预算和其它时延情况设置实际回跳周期。重传引入的时延由重传次数、传播时延、处理时延和跳波束调度时延等因素共同决定，当传播时延或跳波束调度时延比较大时，或在传输实时交互业务时，应尽量减少重传次数或避免使用重传机制。多普勒频移多普勒频移由信号频率、卫星与终端/信关站之间的相对径向速度决定，对于常用的 Ku 和 Ka 频段的低轨卫星通信系统来说，多普勒频移可高达数百千赫兹；对于常用的 C 和 X 频段的低轨卫星通信系统来说，多普勒频移也可超过 100 千赫兹；对于常用的 L 和 S 频段的低轨卫星通信系统来说，多普勒频移也有数十千赫兹。在低轨卫星通信系统中，不仅多普勒频移绝对值很大，而且多普勒频移的变化率也比较大，因此，多普勒频移对同步、随机接入、信号检测等有明显的影响，星地融合通信系统应具有容忍大多普勒频移的特性。终端移动速度卫星通信系统支撑的典型终端类型为手持终端、固定终端、车载终端、船载终端和机载终端等。对于机载终端，其移动速度可高达 1000km/h，会影响对星、同步和移动管理等方案的设计，对波束宽度和波控也有一定的约束。频谱效率卫星通信系统因功率受限，功率回退不宜太多，因此，线性度、调制阶数（特别是用户链路）和频谱效率不会太高。一般而言，对于低增益天线的终端来说，用户链路调制阶数在 4 以内；对于高增益天线的终端来说，用户链路调制阶数在5或者6以内，最高频谱效率应大于 3bit/s/Hz。频段与频率复用地面移动通信系统一般使用 Sub-6GHz 低频段，多采用同频复用。卫星通信系统部分采用 L、S、C、X低中频段的频率，部分采用Ku、Ka高频段的频率，3.1 关键技术指标10通常基于波束空分及多色复用频分来组网。此外，原来用于馈电链路或星间链路的 Q/V 频段也开始用于用户链路。在星地融合通信网络中，不仅需要支持星内和星间的频率复用，也需要支持星地频率复用，频率复用因子不超过 4。对于宽带卫星通信系统来说，每颗卫星的波束数与频点数之比一般在 2至 8 之间，这也是频率复用的一个重要指标，会从多个方面影响卫星通信系统的设计。链路可用度卫星通信无线链路的可用性会受到电离层、大气、云、雨等无线环境的影响。在做链路预算时，需要根据使用的频率考虑上述因素的影响。一般而言，在没有异地链路备份机制的条件下，用户链路的可用度应不低于 98%，馈电链路的可用度应不低于 99%。在实际中，可以从用户群、频率、覆盖区域和代价等方面综合考虑链路的可用度指标，并与用户签订适合的服务水平协议。小区半径卫星通信系统的单波束对应的小区半径从数十公里到上千公里，其覆盖范围可为数万平方公里，比地面移动通信系统小区覆盖范围高出多个数量级。单波束服务的用户数虽然城市区域人口稠密，但是真正使用卫星通信系统的用户还是少数。对于无地面网络覆盖或者覆盖不足、主要由卫星网络覆盖的区域，例如海洋、森林、沙漠等地广人稀的偏远区域，用户密度也不会太大。参照典型场景中用户分布情况和已有卫星通信系统的设计目标，未来的卫星通信系统的每颗卫星和每个波束支持的激活用户数将分别超过 5000和 500 个。11星地融合通信为满足上述关键技术指标要求，星地融合通信系统面临着众多挑战，主要包括：同一通信体制对多种迥异部署环境的适应性对于卫星通信而言，信道环境受轨道、频率、终端天线类型等方面的影响，信道以强莱斯信道为主。对于高轨卫星通信系统来说，传播时延和信道衰减问题突出；对于中低轨卫星通信系统来说，多普勒频移、信道衰减、传播时延和时间漂移问题突出。卫星通信虽然传输路损很大，但同一卫星覆盖范围内的终端间的信号强度差异比较小，通常只有十分贝左右。此外，对于采用全向天线或低增益天线的低频段卫星通信终端来说，多径效应的影响不容忽视。而对于地面移动通信而言，信道环境明显不同于卫星通信系统，其典型特征包括：较强的多径衰落、微秒级的传播时延、线性射频通道（含功放）、终端到基站之间信号强度差异可达数十分贝。上述差异对统一空口设计带来巨大挑战。有限数量波束与充分覆盖需求之间的差距跳变波束虽然能够按照业务需求动态调整卫星覆盖、增加系统容量，但因跳变波束数量有限，系统往往需要在波束效率与覆盖率之间寻求折中方案。如何利用有限的波束覆盖更广阔的区域，将是卫星星座设计和通信体制设计需要面对的一个重大挑战。复杂而动态的干扰管理在星地融合通信系统中，需要处理同一卫星通信系统内的干扰问题、不同卫星通信系统间干扰问题，以及卫星通信系统与地面移动通信系统之间的干扰问题。在与 GEO 卫星系统共用频率时，非对地静止卫星（NGSO）系统还需要实现规避对 GEO 系统干扰的功能。同时，还要防止卫星通信系统对地球探测、气象卫星等系统的干扰。更为复杂的是，上述问题的处理需要随着卫星的运动、波束指向变化等动态调整。轻量化的协议受载荷能力的限制和空间环境的约束，星地融合通信系统应该保证星上处理的各层协议简洁、轻量化，并便于软件/固件空间防护措施的实现。多样化的终端在星地融合通信系统中需要支持多种类型终端。因终端的部署及使用场景不同，不同终端在能力上也存在巨大差异，这将导致终端在工作频段、工作带宽、峰值速率、动态适应性、业务类型、能耗等方面可能存在较大的差异。因此，需要在通信协议、资源调度编排、移动性管理、业务管理等方面适应多样化终端的需求，这可能提高星载通信设备的复杂度。高动态巨型空间承载网络在星地融合通信系统中，低轨卫星数量可达数千至上万颗，卫星间将通过星间链路组网，形成巨大的空间承载网，典型跳数可达数十跳，且难以用简单的方法把它分成多个固定的路由域。空间承载网拓扑动态变化，缺少链路级弹性机制，设备级弹性机制也很弱，而且激光星间链路的稳定性较弱。因此，空间承载网络远比地面移动通信系统的承载网络复杂，如何在这样的网络上实现满足服务质量（QoS）要求的承载网将是一个巨大的挑战。3.2 主要技术挑战12对于手机直连卫星模式来说，因手机采用全向天线、发射功率较小、频率资源有限，其关键技术指标取值有别于 VSAT 终端，也不同于手机接入地面移动通信网络时的情况。手机直连卫星的关键技术指标如下：峰值速率手机直连卫星系统受终端天线增益、发射功率等因素的影响，造成上下行速率受限，其峰值速率相比 VSAT 终端或接入传统地面移动网络的终端而言有较大的降低。频段带宽手机直连卫星系统，受无线传播特性以及终端天线形式等因素的影响，一般工作在低频段，如1GHz以下频段、L或S频段。按照国际电信联盟（ITU）的规划，在 1GHz 以下频段、L 波段和 S 波段，为卫星移动业务分配的频段带宽分别在 6MHz、41MHz和 50MHz 以 内（除 在 2 区 内 的 21202220MHz频段外）；在 C 波段内，没有为普通卫星移动业务（不包含卫星水上移动业务和卫星航空移动业务）分配频率。对于运营商来说，可用于卫星移动业务的低频段的带宽更低，远低于为 5G 新空口（NR）以及传统高通量卫星通信分配的频段带宽。频谱效率由于手机直连卫星系统功率受限，低信噪比导致高阶调制难以应用。同时卫星距离地面较远，传统的多输入多输出（MIMO）系统难以用于单星增加容量，因此这些因素都会限制手机直连卫星系统的频谱效率。多普勒频偏LEO 卫星由于运动速度快，因此会带来较大的动态特性。即便是在较低的 L 和 S 频段，低轨卫星带来的多普勒频偏也有数十千赫兹。受手机天线增益、手机发射功率、频率资源和通信监管的约束，手机直连卫星面临如下主要挑战：低信噪比对速率影响低信噪比造成传输速率低、可靠性差，需要每个物理信道都能适应低信噪比场景。高动态对时频同步影响卫星的高速运动带来较大的多普勒频偏和多普勒变化率；星地间长距离造成较大的传输时延，而且时延随着卫星运动快速变化；上述因素均对时频同步产生影响，需要手机具备高动态时频同步能力。星地间频率协调问题目前可用于卫星移动通信的业务的频率资源受限，特别是 L、S 频段，几乎没有新的可用于卫星移动通信的频率资源。地面移动网络占用了大量的Sub-6GHz 频段。手机直连卫星的星地融合通信需要在低频段为地面通信和卫星通信划分相关频带，通常有两种方式：一种方式是地面通信和卫星通信各自沿用目前 ITU 划分的频段，避免相互干扰，但是这种方式未必现实，因为现有可用于卫星通信的低频段几乎已全部被占用，很难挪用出来用于星地融合通信；另一种方式是卫星移动通信借用地面蜂窝网的频段，在星地融合通信网络部署方面根据干扰准则统一规划、统一部署、统一管理，但这种方式存在频段使用合规性问题，需要 ITU 各参与单位形成共识，可能存在共识难以达成的风险，造成星地融合通信频段共享仅在某些特定区域可以实施的局面。移动性管理方面挑战手机直连卫星在扩展网络覆盖范围及服务空间的同时，也带来了服务地域区分、法规约束等新问题。需要网络侧精准地获取手机的位置，并据此选择对应的、合法的核心网为之服务，以满足当地的法律法规及监管的要求。3.3 手机直连卫星的关键指标和主要挑战发展路径ROADMAP FOR INTEGRATED TERRESTRIAL-SATELLITE COMMUNICATION414在学术界和产业界的推动下，星地融合通信正朝着“5G 体制兼容”到“6G 系统融合”的技术路径进行发展。5G 在设计之初并没有考虑卫星通信，3GPP R15是 5G 第一个商用版本。3GPP 对卫星通信的研究在R15 NTN 启动，在 R17 完成第一个版本的标准规范制定，主要在定时关系、时间和频率的补偿、混合自动重传请求（HARQ）机制、移动性管理与切换等方面做了技术优化，以适应卫星通信场景。这就决定了星地融合通信在 5G 阶段是体制兼容，即在已有地面 5G 标准的整体技术框架下通过优化的方式实现星地融合通信。5G NTN 使得卫星通信能够利用并分享 5G 的产业链和规模经济效应。5G NTN 支持 GEO、中轨道（MEO）和 LEO 场景，目前支持Sub-6GHz 频段，未来将支持更多频段，能适应透明转发和星上处理两种部署场景，支持 VSAT 终端、手持终端和物联网终端，支持卫星固定、“静中通”、“动中通”和卫星移动通信业务。基于 5G NTN 的手机直连卫星方案，既契合手机更迭周期短的特点，又能满足行业应用需求，也为 6G 星地融合通信奠定了坚实的基础。4.1 5G NTN与地面网络（TN）在标准体制的兼容，为星地融合通信奠定了初步基础15星地融合通信在 6G 时代，从标准制定之初，就充分考虑了地面与卫星两种不同类型的接入方式，地面移动通信将与 GEO、MEO、LEO 卫星通信充分融合，实现全球无缝覆盖，使得任何人或物在任何地点和任何时间都可以接入到网络。6G 星地融合通信网络是一个多维复杂的“巨系统”，是多个异构接入网络的融合，具有多层立体、空间大尺度、动态时变的特点，在网络架构设计、传输效率提升、网络拓扑维护、移动性管理、以及服务质量与业务连续性保障等方面都面临巨大的挑战，这些都将在 6G 网络中予以充分考虑，并在网络初始设计中予以解决，实现星地网络充分融合。4.2 6G星地融合通信将是全面的系统融合4.3 手机直连卫星是星地融合通信网络发展的重要阶段5G NTN 星地体制兼容阶段，已就手持终端接入 LEO 卫星和 GEO 卫星的关键技术及解决方案进行了讨论，并将在 R18 阶段不断完善 5G NR 手机接入透明转发模式的卫星网络的技术方案和标准，为初步的星地融合通信提供解决方案和标准支撑。在 6G 标准研究之初,业界就非常重视手机 这种应用最广泛、数量最多的移动终端类型 接入星地融合通信网络的问题。6G 以统一网络架构、统一空口协议以及统一频谱规划管理为基本技术途径，力图解决手机直连星地融合通信网络的问题，以确保在 6G 阶段，手机用户能够在地面接入和卫星接入之间无感知切换。16星地融合通信关键技术KEY TECHNOLOGIES OF INTEGRATED TERRESTRIAL-SATELLITE COMMUNICATION517星地融合通信低轨卫星-OBP星载基站星载路由器星载激光转发器低轨卫星-TPNF轻量化云化平台低轨卫星-OBP为应对在构建星地融合通信系统时所面临的挑战，需要在网络架构与组网方式、星地融合通信空口、移动性管理、网络与安全、星地频谱共享及干扰规避、工程实现等多个方向开展关键技术攻关。图 2 是星地融合通信系统网络架构，支持基于TN 和 NTN 的多种通信接入方式，可支持手机直连或者 VSAT 终端接入。对于 NTN 来说，星上处理（OBP）模式和星间链路的使用可以大幅度降低信关站布站的数量和难度、提高覆盖度，是星地融合通信系统发展的趋势。受技术条件、发射能力和成本的约束，以及实际需要，透明转发（TP）模式也是星地融合通信系统可能采用的一种模式。此外，由于星地融合通信系统需要在全球运营，出于通信监管的需要，各个国家监管机构可能要求在其国家内建立独立的信关站和核心网，甚至要求使用透明转发模式。因此，星地融合通信系统应支持基于多运营商核心网（MOCN）的接入网共享方式，多个核心网共享接入网，支持 TN、NTN-OBP 和 NTN-TP 混合组网的方式8910。5.1 网络架构与组网方式图2-星地融合通信网络架构NF1NF3NF2NF4接入网设备接入网设备承载网设备承载网设备轻量化云化平台同步卫星智能网络管控功能NF1NF3NF2轻量化云化平台低轨卫星-OBP网络感知功能空间承载网NF6NF1NF2NF3NF4NF5Nnf6核心网地基路由器路由器路由器信关站基站信关站-馈电地面承载网Nnf7Nnf8NnfnNnf4Nnf2Nnf3Nnf1Nnf5NnfnSCPNnf8Nnf7智能网络管控平台通用计算设备通用存储设备通用交换设备VNF云OSVNFVNF地面网络基站185.2.1 双工方式地面移动通信系统中通常采用频分双工（FDD）模式和时分双工（TDD）模式，传统的卫星通信系统多采用 FDD 模式，目前 3GPP NTN 主要研究的双工模式也是 FDD 模式。对于星地融合通信来说，双工方式既是频率使用的问题，也是系统实现上的折中选择。FDD模式是星地融合通信的一种主要双工方式。其主要优势有：1）同步设计和定时关系简单；2）传输效率较高。其主要不足有：1）可用的频率资源较少；2）上下行频率之间需要有足够的保护间隔，当收发频率相差太远，或无法实现足够高的频率隔在星地融合通信系统架构中，主要包括终端、无线接入网、承载网、核心网四个部分，此外，还有应用系统和运营支撑系统。无线接入网的主要功能是为终端提供卫星或地面无线接入以及数据传输的功能，支持不同速率、不同移动速度的终端接入，并提供低时延切换和连续性服务。无线接入网由星载基站、转发器、信关站基站和通常的地面蜂窝基站构成，支持随遇波束接入和业务波束接入，支持单星或多星组网应用。承载网的主要功能是承载无线接入网及其他载荷、平台的数据（业务流、控制流、管理流和 IP 测控流），支持网络互联和高效可靠传输。承载网包括空间承载网和地面承载网，空间承载网包括星载路由器、星载激光/微波终端、馈电载荷和星载馈电控制功能；地面承载网包括馈电地基单元、地基路由器、承载网网络控制器和传统的 IP 设备。核心网包括5G核心网（5GC）/6G核心网（6GC）离度时，就需要采用分离的接收阵和发送阵，增大了天线面积、重量和成本。在频率资源丰富的情况下，手机直连卫星通信首选 FDD 制式11 12。TDD 模式是星地融合通信的一个重要的发展方向。其主要优势有：1）频率资源相对丰富；2）便于实现收发共阵。其主要不足在于：1）对时间同步要求高；2）复杂的上下行链路干扰问题；3）更长的物理帧长度。半双工 FDD 也是星地融合通信的一种重要的双工方式。其主要优点是：便于实现单端收发共阵，解决收发隔离问题。其主要不足在于：对时间同步要求高，传输效率较低。和 IP 多媒体子系统（IMS），支持用户面与控制面分离。5GC/6GC 为用户提供认证鉴权、会话管理、移动性管理、用户管理、计费等功能，为系统运营提供基础能力开放接口。IMS 系统可为各类业务建立多媒体通道，提供统一的服务质量和计费策略控制机制，同时，负责语音转码以及不同网络间语音业务的互通。根据监管的需要，星地融合通信系统应该在相应的国家内建立独立的信关站和核心网，这些核心网共享接入网（特别是星载基站）和空间承载网的资源。每个中低轨卫星上的星载基站需要被所有的核心网所共享。对于同一国家内的不同运营商来说，可以通过核心网网络切片的方式组网，也可以通过虚拟运营商的方式共享整个网络，以降低接入网和空间承载网的复杂度。此外，星地融合通信系统的不同核心网之间需要互联，并需要与其它运营商网络的核心网互联，以支持用户在不同核心网之间漫游。5.2 星地融合通信空口19星地融合通信未来，三种双工模式都将有各自的应用场景，建议以 FDD 为主，在特定频段可以考虑 TDD 模式和半双工 FDD 模式。5.2.2 波形与多址技术星地融合通信的基础是一体化空口，其关键是要统一传输波形并构建可配置的空口参数集合，该集合包含卫星和地面网络对应的参数与取值范围。通过灵活的空口参数配置来适应不同应用场景，实现星地空口融合。在星地一体化空口中，TN 和 NTN 的帧结构与波形必须采用统一的配置。在卫星通信场景，应选择低峰均比（PAPR）的波形。下行链路可以采用CP-OFDM 并实施降 PAPR 处理；上行链路可以采用DFT-s-OFDM；这样可以保证与5G NR 的波形一致，有利于系统的平滑演进。同时，也需要继续探索适合卫星通信的低 PAPR 波形和降低 PAPR 的方法，进一步提高系统的功率效率。对于星地融合通信来说，由于卫星传输时延大，可考虑采用非正交多址接入技术增加传输机会，提高支持的用户数，有效降低接入时延和数据传输时延。此外，可采用 2 步快速接入机制降低接入时延：第一步：终端发送 preamble 信号和终端身份信息，也可包括业务请求信息；第二步：网络对终端的接入请求进行确认，终端收到信号完成接入过程。5.2.3 波束管理在卫星通信中，需要通过点波束/窄波束方式，以降低波束宽度为代价来提高天线增益。为了改善使用点波束/窄波束时系统的覆盖能力，通常采用捷变跳波束方式来分时覆盖不同区域。跳波束的驻留时间在毫秒级、回跳周期在十毫秒级，不会对通常业务的服务质量产生明显的影响1314。在波束资源有限的情况下，有两种方法来应对覆盖不足的问题：一是预规划覆盖，即事先规划好波束覆盖区域，并只对规划区域内的用户提供服务；二是使用信令波束为用户提供随遇接入服务，即，信令波束周期性地扫描各个波位，发现有用户需要接入的波位，调用能提供业务的波束（通常称为业务波束）覆盖该波位，服务其中的用户，以最大限度地满足用户接入需要。一般情况下，由于用户分布的非均匀性，业务波束为点波束/窄波束，工作模式是跳波束模式和20提高对终端无线能力的要求对于使用低增益天线终端的系统来说，应提高终端在卫星通信频段内的天线增益和发射功率，特别是对于直连卫星的手机，其天线增益和等效全向辐射功率（EIRP）应高于 Power Class 3 终端。针对卫星通信频段设计的专用天线的增益，可以比普通手机天线的增益高出几个分贝，终端功放模组的功放也可输出高于 23dBm 的功率，这些均可作为卫星通信手机的默认配置。提高对卫星天线能力的要求提高星载基站或转发器EIRP和品质因素（G/T）是解决手机直连卫星链路预算紧张最为重要的途径，而其关键是提高对卫星天线能力的要求。可适当地提高卫星天线阵面尺寸和阵元规模，使用捷变跳波束技术，实现天线增益与覆盖能力之间的平衡；可采用收发共阵、阵元增益最大化、稀疏阵等方法，提升天线的无源增益。降低信号带宽对于手机直连卫星的场景，空口协议应支持更低的信号带宽，以提高功率谱密度、降低噪声带宽，从而提高信噪比。特别是，对于手机直连 GEO 卫星场景中的反向链路来说，应该考虑百 kHz 量级带宽或更低。5.2.5 终端定位在卫星通信中，终端和卫星都需要双方的位置信息，以便于搜星、确定波束指向、调整时间提前量、做频率预补偿、优化发射功率等。此外，为了满足监管的需要，网络通常需要知道并限制终端的使用位置。依靠星地融合通信系统的导航增强功能，即使是没有配置全球导航卫星系统（GNSS）模块的终端，也可以实现定位并接入卫星网络。网络根据终端的凝视模式；当信令波束的宽度与业务波束宽度相当时，可以工作在轮询或者凝视模式；当信令波束的宽度远远大于业务波束宽度时，可以工作在推扫（即：Earth-Moving）模式。在星地融合通信网络中，在用户链路和馈电链路上均可使用多波束协同传输和星地协同传输技术，以获取分集增益或复用增益。5.2.4 链路与覆盖增强在星地融合通信系统中，特别是对于手机直连卫星的通信场景来说，往往存在链路预算紧张或不足的问题，并且反向链路的链路预算通常会更为紧张。为此，需要从空口协议、终端与基站无线能力要求等方面综合考虑 5G NTN 的无线链路与覆盖增强15，也需要在设计 6G 无线链路时候充分考虑这些问题：使用增强的 HARQ 机制由于卫星通信传播时延比较大，需要基于场景动态地开启或关闭 HARQ 功能。对于低信噪比场景和时延不敏感的业务，可以采用盲重传或 HARQ 重传实现信号的分集合并以提升性能；对于时延和抖动敏感的业务、传播时延过大场景（如：高轨卫星通信）和高速传输链路来说，应关闭 HARQ 反馈以避免重传；在其他场景下，通过开启/关闭 HARQ 反馈的方法自适应地应用 HARQ 机制。在卫星网络中应用HARQ 功能，需要配置更多的 HARQ 进程才能满足通信链路的需求。使用信号重复传输机制信号重复传输机制可以有效地改善链路预算，特别是对于手机直连卫星的通信场景来说，重复传输机制是保证其通信可靠性和覆盖能力增强的一种重要手段。当链路预算改善要求为几个分贝时，这种方法的效率比较高；当链路预算改善要求超过10dB 时，这种方法的效率大大降低。21星地融合通信5.3.1 星间切换在星地融合通信的卫星通信场景中，切换包括用户链路切换和馈电链路切换，用户链路切换包括星内波束间切换和星间切换1416。在星地融合通信系统中，每颗卫星需要支持大量激活用户，而且每次切换可能会导致数十至上千毫秒的通信中断（特别是“先断后连”的切换模式），应避免频繁的用户链路切换，以减少信令开销和星上处理器资源的消耗，并降低对用户体验的影响。为此，需要从以下方面来优化用户链路切换：在切换判断条件方面，综合考虑终端与卫星的相对位置关系、干扰规避条件、信号质量（包含是否有遮挡）、目标卫星负载和有效服务时间、终端天线能力、用户服务等级、切换模式（先连后断/先断后连）等因素；在切换模式方面，可使用条件切换和分组切换；在切换预测方面，可以利用地面反馈的辅助信息，并使用基于人工智能的切换预测与判决方法；在目标基站选择策略方面，尽可能选择服务时间最长的卫星；此外，采用凝视波束模式，以减少甚至避免星内波束间切换。信号实现公里级、米级或亚米级等各种定位精度。终端定位方法包含单星定位和多星定位。其中，单星定位是指终端对同一颗卫星的信号进行多次测量，获得空间上的多个样本来完成定位；多星定位是指终端通过对多颗卫星信号采用时分或空分测量来完成定位。同样，网络对终端的定位也包含单星定位和多星定位。其中，单星定位是指同一颗卫星对终端进行多次测量来完成对终端的定位，多星定位是指多颗卫星同时对终端信号测量共同完成对终端的定位。单星定位便于实现，但在定位实时性和定位精度上，还无法同时满足实际监管和定位业务的需要。多星定位可以快速完成定位，但需要星间协同和良好的星间同步。未来的卫星定位技术将从信号体制、定位算法与定位流程等方面进一步改进，优化通信导航的一体化设计。馈电链路切换包括站内馈电链路切换和站间馈电链路切换。馈电链路切换导致承载网拓扑改变，进而会改变业务流的路径。为了降低馈电链路切换对服务质量的影响，一般采用“先连后断”的切换方式，并结合承载网的路由交换机制做进一步的优化，以降低因路径变化引起的拥塞、丢包和时延抖动。在透明转发模式下，馈电链路切换会引起用户的整体切换，此时可采用分组的切换规划，以降低信令风暴的影响。5.3.2 终端位置管理与寻呼地球固定跟踪区（Earth-Fixed TA）管理是目前卫星通信系统常采用的方式。它把跟踪区（TA）绑定到地面区域，但这种方式不仅会带来星载基站的 TA 更新问题，也会消耗大量的信令波束资源。特别是对于星地融合通信系统来说，每颗卫星覆盖区域内的空闲状态终端数量可达数千至上万，而信令波束资源却十分有限，需要优化位置管理方式和寻呼机制。星地融合通信系统可采用基于地理位置的终端位置管理方式，终端向网络上报自己的地理位置，并且只有当地理位置发生大尺度变化（远大于波位5.3 移动性管理22直径）或很长时间没有做位置更新时，空闲态的终端才发起位置更新流程。在网络获得用户的位置后，可采用基于用户地理位置的寻呼机制。空闲态的终端在满足干扰规避的条件下，可按照最近距离原则选择驻留星载基站。核心网在寻呼空闲态终端