2021空天地一体化通信系统.pdf

空天地一体化通信系统WHITE PAPER V7.0 H2020.11 空天地一体化通信系统 编制单位：紫光展锐（上海）科技有限公司、中山大学、中兴通讯股份有限公司、中国空间技术研究院、北京邮电大学、北京小米移动软件有限公司、天津大学、中国移动通信有限公司、中国电信集团有限公司、中国联合网络通信有限公司、大唐移动通信设备有限公司、成都天锐星通科技有限公司、东南大学、西安空间无线电技术研究所、电子科技大学、三星通信研究院、北京中科晶上科技股份有限公司、北京信息科技大学、现代测控技术教育部重点实验室 20202020年年1111月月2727日日 空天地一体化通信系统 摘要摘要 在过往的数十年中，由于技术和市场等因素，地面蜂窝通信系统和卫星通信系统各自独立发展，都取得了辉煌的业绩，促进了人类社会的巨大进步。在 5G时代，通过网关连接，卫星通信与地面通信实现了业务层面的互联互通，相互补充。但是，面向未来广域万物智联与全球随遇接入等迫切需求，地面蜂窝通信系统和卫星通信系统继续独立发展都将面临极大挑战。在新兴技术快速发展的驱动下，构建空间网络与地面网络相融合的空天地一体化通信系统，实现统一高效的资源调度与网络管控，已成为未来通信网络的发展趋势。本白皮书主要从这四个角度阐述了我们对空天地一体化通信系统的思考，包括发展驱动与愿景、需求与挑战、立体融合网络架构以及潜在的关键技术。首先分析了推动空天地一体化通信系统发展的双重驱动力，并描绘了未来的愿景，提出空天地一体化通信系统的两大核心要素和三大典型特征，然后梳理了网络能力需求和面临的挑战，最后探讨了空天地一体化通信系统的网络架构和未来潜在的关键技术。1.1.发展驱动 空天地一体化通信系统发展受到业务需求和技术发展的双重驱动。业务需求主要体现在广域万物智联和全球随遇接入两方面。卫星技术和运载技术的创新发展为未来建设大规模卫星网络提供了有力支撑。AI 技术与通信将会更加深度融合，解决复杂的异构通信系统问题。区块链作为一种极具潜力的安全技术，为开放融合、异构共存的空天地一体化通信系统中的数据传输安全问题提供了解决途径。2.发展愿景 空天地一体化通信系统是 6G 的一种典型体系架构，其愿景是满足十年后的广域智慧连接和全球泛在无缝接入需求，为广域的对象建立智能连接，提供智慧服务，为人类提供全球无间断且一致性的信息服务。空天地一体化通信系统具有三大典型特征：统一的空口技术、统一的网络架构和统一的智能管控。3.3.网络能力需求 相对于传统卫星通信系统，空天地一体化通信系统需要具备更全面的能力，不仅需要传统的通信能力，还需要计算能力、AI 能力和安全能力。其中，通信能空天地一体化通信系统 力是未来 6G 空天地一体化通信系统发展的基本需求，AI 能力则是空天地一体化通信系统的核心能力，包括感知、学习、推理、预测和决策五大能力。4.4.面临的挑战 空天地一体化通信系统具有网络异质异构、空间节点高度动态、拓扑结构时变、极大的时空尺度、空间节点资源受限、卫星广播传输链路易受攻击等特点，这些特点对网络架构、星地融合通信制式、星间组网协议等方面的设计提出了更高的要求。5.5.立体融合网络架构 未来的空天地一体化通信网络，是以地面网络为依托、以天基网络和空基网络为拓展的立体分层、融合协作的网络，各星座卫星（包括高、中、低轨）、临近空间平台（如热气球、无人机等）和地面节点共同形成多重覆盖。网络总体架构包含物理架构、逻辑架构、实现架构三层含义。在实现架构上，借鉴微服务思想，空天地一体化通信网络采用资源虚拟化技术，实现接入网、承载网和核心网的星地一体虚拟化。6.6.关键技术方向 本白皮书从五个方向探讨了空天地一体化通信系统的关键技术。（1）无线传输技术 在空天地一体化通信系统中，必须发展新型的载波调制技术，以对抗卫星载荷中大功率射频器件的非线性特性以及星地链路传输的非理想特性。相比较而言，SCMA 和 MUSA 将是适用于空天地一体化系统的潜在多址技术。大规模星座卫星的部署模式将为应用 MIMO 技术提供基础，通过星间协作，建立虚拟多天线系统，实现多星多波束协作传输。（2）网络技术 空天地一体化通信系统组网协议的发展趋势是借鉴地面成熟的 TCP/IP 互联网协议体系，将 DTN 和 CCSDS 等各协议体系逐渐统一到 TCP/IP 为核心的组网体系中(IP over X)。认知干扰协调技术和动态频谱共享技术是解决空天地一体化通信系统中频率资源稀缺与低利用率矛盾的有效手段。实现空天地端到端一体化网络切片需在网络拓扑结构预测、人工智能 SLA 保障、接入网和核心网一体虚拟化等方面展开研究。空天地一体化通信系统（3）新型星上载荷技术 面对未来空天地通信高度一体化的挑战，星载多波束天线技术在未来通信卫星系统中将与系统工作模式紧密联系在一起，不再是“独立”的天线分系统。智能化卫星载荷将以软件定义的计算能力和重构能力为基础，结合 AI 技术，完成频谱认知和网络认知，进行业务预测和资源分配，使载荷具备自主应对业务和流量变化的能力。未来，星上容错设计应采取功能模块高效容错与系统级故障恢复相结合的技术路线。（4）智能化融合化终端 泛在化和智能化是空天地一体化终端的关键特征。适应终端芯片异构计算能力的开源深度学习框架和轻量化的边缘人工智能算法是终端智能化的基础。低成本的平板相控阵天线作为终端核心部件，对空天地一体化通信系统能否成功商业应用有直接影响。终端相控阵天线的成本与芯片工艺技术密切相关。（5）业务与应用技术 空天地一体化通信系统中存在大量多方协作的场景。未来的多方协作服务与资源共享将朝着去中心化、智能化的方向发展。目前存在通导系统分立、融合程度低的问题，通过低轨通信星座载荷搭载、通导一体化设计、建设低轨导航增强专用星座等手段，可实现精密单点定位、安全定位授时、天基监测、抗干扰定位等功能。空天地一体化通信系统 Executive Summary In the past decades,due to factors such as technology and market,ground cellular communication system and satellite communication system have developed independently,and have made brilliant achievements,which has promoted the great progress of human society.In the 5g era,through the gateway connection,the satellite communication and the ground communication realize the interconnection and intercommunication at the business level and complement each other.However,in the face of the urgent needs of future wide area intelligent connection and global random access,the continuous independent development of terrestrial cellular communication system and satellite communication system will face great challenges.Driven by the rapid development of emerging technologies,building a comprehensive space-air-ground integrated communication system integrating space networks and terrestrial networks to achieve unified and efficient resource scheduling and network management and control has become the development trend of future communications networks.This white paper mainly elaborates our thinking on space-air-ground integrated communication system from these four perspectives,including development drive and the vision,demand and challenges,three-dimensional integration network architecture and potential key technologies.Firstly,this paper analyzes the dual driving forces to promote the development of space-air-ground integrated communication system,and describes the future vision.It puts forward two core elements and three typical characteristics of space-air-ground integrated communication system.Then it combs the network capability requirements and challenges faced.Finally,it discusses the network architecture and potential key technologies of space-air-ground integrated communication system.1.The dual driving forces The development of integrated air-space-ground communication systems is driven by both business needs and technological development.Business needs are mainly reflected in two aspects:wide-area intelligent connection of all things and global 空天地一体化通信系统 ubiquitous seamless access.The innovative development of satellite technology and delivery technology provides strong support for the construction of large-scale satellite networks in the future.AI technology and communication will be more deeply integrated to solve complex heterogeneous communication system problems.Block-chain,as a highly potential security technology,provides a solution to the data transmission security problem in an open,integrated,heterogeneous air-space-ground integrated communication system.2.The vision The air-space-ground integrated communication system is a typical 6G architecture.Its vision is to meet the needs of wide-area smart connections and global ubiquitous seamless access ten years later,establish smart connections and provide smart services for wide-area objects.Provide mankind with global uninterrupted and consistent information services.The air-space-ground integrated communication system has three typical characteristics:unified air interface technology,unified network architecture,and unified intelligent management and control.3.Capability requirements Compared with traditional satellite communication systems,air-space-ground integrated communication systems need to have more comprehensive capabilities,not only traditional communication capabilities,but also computing capabilities,AI capabilities,and security capabilities.Among them,communication capabilities are the basic requirements for the future development of 6G air-space-ground integrated communication systems,and AI capabilities are the core capabilities of air-space-ground integrated communication systems,including five abilities of perception,learning,reasoning,prediction and decision-making.4.The challenges The air-space-ground integrated communication system has the characteristics of heterogeneous network,highly dynamic space nodes,time-varying topological structure,extremely large time and space scale,limited space node resources,and vulnerability of satellite broadcast transmission links.The design of the architecture,satellite-to-ground integrated communication system,and inter-satellite networking 空天地一体化通信系统 protocols put forward higher requirements.5.Network Architecture The future air-space-ground integrated communication network is a three-dimensional hierarchical network based on the ground network and expanded by the space-based network.Each constellation satellite,adjacent space platform and ground node jointly form multiple coverage.The overall network architecture includes three meanings:physical architecture,logical architecture,and implementation architecture.In terms of the implementation architecture,drawing on the idea of micro-services,the air-space-ground integrated communication network adopts resource virtualization technology to realize the satellite-ground integrated virtualization of the access network,the bearer network and the core network.6.Key Technologies This white paper discusses the key technologies of the air-space-ground integrated communication system from five directions.（1）Wireless transmission technologies In the air-space-ground integrated communication system,a new type of carrier modulation technology must be developed to counter the nonlinear characteristics of high-power radio frequency devices in the satellite payload and the non-ideal characteristics of satellite-to-ground link transmission.In comparison,SCMA and MUSA will be potential multiple access technologies suitable for integrated air-space-ground systems.The deployment mode of large-scale constellation satellites will provide the basis for the application of MIMO technology.Through inter-satellite cooperation,a virtual multi-antenna system can be established to realize multi-satellite multi-beam cooperative transmission.（2）Network technologies The development trend of the networking protocol of the air-space-ground integrated communication system is to learn from the mature TCP/IP Internet protocol system on the ground,and gradually unify the various protocol systems such as DTN and CCSDS into the TCP/IP-core networking system(IP over X).Cognitive interference coordination technology and dynamic spectrum sharing technology are 空天地一体化通信系统 effective means to solve the contradiction between the frequency resource gap and low utilization in the air-space-ground integrated communication system.Realizing the end-to-end integrated air-space-ground network slicing requires research in the areas of network topology prediction,artificial intelligence SLA guarantee,and integrated virtualization of the access network and core network.（3）New satellite payload technology Faced with the challenge of highly integrated space,air and ground communications in the future,space-borne multi-beam antenna technology will be closely linked to the system working mode in future communication satellite systems,and will no longer be an independent antenna sub-system.The intelligent satellite load will be based on the computing power and reconstruction ability of the software-defined load,combined with AI technology,complete spectrum cognition and network cognition,perform business prediction and resource allocation,so that the load has the ability to independently respond to business and traffic.In the future,on-board fault-tolerant design should adopt a technical route that combines high-efficiency fault tolerance of functional modules with system-level fault recovery.（4）Converged terminals Ubiquity and intelligence are the key features of the air-space-ground integrated terminal.The open source deep learning framework that adapts to the heterogeneous computing capabilities of terminal chips and lightweight edge artificial intelligence algorithms are the basis for terminal intelligence.As the core component of the terminal,the low-cost flat-panel phased array antenna has a direct impact on the successful commercial application of the air-space-ground integrated communication system.The cost of the terminal phased array antenna is closely related to the chip process technology.（5）Application Technologies There are a lot of multi-party collaboration scenarios in the air-space-ground integrated communication system.In the future,multi-party collaborative services and resource sharing will develop in the direction of decentralization and intelligence.At present,there are problems of separation and insufficient degree of integration of 空天地一体化通信系统 communication and navigation systems.By means of low-orbit communication constellation load carrying,integrated communication and navigation design,and construction of low-orbit navigation enhanced special constellations,precise single-point positioning,safe positioning and timing,and anti-interference can be achieved Positioning and other functions.空天地一体化通信系统 目 录 1.1.前言前言 .1 1 2.2.发展驱动与愿景发展驱动与愿景 .3 3 2.1.2.1.驱动力驱动力.3 2.2.2.2.发展愿景发展愿景.4 3.3.需求与挑战需求与挑战 .6 6 3.1.3.1.网络能力需求网络能力需求.6 3.2.3.2.面临的挑战面临的挑战.6 4.4.立体融合网络架构立体融合网络架构 .9 9 4.1.4.1.网络总体架构网络总体架构.9 4.2.4.2.MSBMSB 接入网架构接入网架构.10 4.3.4.3.分布式核心网架构分布式核心网架构.11 5.5.关键技术方向关键技术方向 .1515 5.1.5.1.无线传输技术无线传输技术.15 5.2.5.2.网络技术网络技术.24 5.3.5.3.新型星上载荷技术新型星上载荷技术.34 5.4.5.4.智能化融合化终端智能化融合化终端.39 5.5.5.5.业务与应用技术业务与应用技术.43 6.6.总结总结 .5151 空天地一体化通信系统 参考文献参考文献 .5252 致谢致谢 .5656 空天地一体化通信系统 1 1.1.前言前言 站在 2020 年，回望过去数十年，地面蜂窝通信系统和卫星通信系统都取得了辉煌业绩，促进了人类社会前所未有的加速发展。20 世纪 70 年代中期，美国贝尔实验室提出了具有里程碑意义的蜂窝概念。从此，地面蜂窝移动通信飞跃发展，大约每十年完成一次标志性的技术革新，短短四十余年，从 1G 模拟语音通信发展到 5G 高速宽带通信。2020 年，是 5G 商用元年。未来十年，5G 将渗透到各行各业，改变人类社会生产、生活方式。5G 方兴未艾之际，全球产学研已正式启动 6G 的探索研究工作。1962 年 7 月，美国电话电报公司 AT&T 发射第一颗通信卫星 TELESTAR-1，实现跨大西洋电视直播，奠定了商用卫星的技术基础。1965 年，美国发射通信卫星Intelsat-1，标志着通信卫星进入实用阶段。自从 1963 年美国宇航局成功发射第一颗地球同步静止轨道卫星 SYNCOM-II以来，GEO 卫星通信系统凭借其广覆盖、大容量、快部署等优势，得到长足发展。Inmarsat、Thuraya、TerreStar 和 SkyTerra 先后投入商业运营，为全球提供音/视频广播，为偏远陆地、海域、空域提供必要通信。近十年，点波束和高频段得到广泛应用，GEO 通信卫星容量极速提高，正在研制中的 ViaSat-3 星座，每颗卫星有望提供 1000Gbps 的容量。20 世纪 90 年代，摩托罗拉设计的“铱”卫星开始提供移动通信业务，成为世界上第一个投入实用的大型低轨移动通信卫星系统。2014 年以来，随着航天技术的进步，低轨星座的成本大大降低，OneWeb、SpaceX 等新一代商业航天企业快速崛起，加之不断膨胀的全球互联网需求，低轨卫星互联网建设急速升温，成为全球热点。卫星互联网已被规划为“新基建”信息基础设施之一。在过往的数十年中，由于技术和市场等因素，总体而言，地面蜂窝通信系统和卫星通信系统独立发展。未来，面向泛在通信和万物智联的迫切需求，地面蜂窝通信系统和卫星通信系统优势互补，融合发展，资源共享，将会迎来新的机遇。虚拟化、大数据、AI 等技术的成熟，也为空天地一体化发展提供了良好的技术基础。如何构建空天地一体化通信系统，如何在 6G 时代构建服务全人类的网络，空天地一体化通信系统 2 这是两个摆在所有通信人面前的问题，也是是本白皮书讨论的起点。希望我们论述的不只是一个设想，而是一个伟大的开始。空天地一体化通信系统 3 2.2.发展驱动与愿景发展驱动与愿景 2.1.2.1.驱动力驱动力 纵观通信系统的发展历史，无论是地面蜂窝通信系统还是卫星通信系统，无一例外都是在业务需求和技术发展共同驱动下发展的。空天地一体化通信系统发展的驱动力同样来自这两方面。1 1、业务需求、业务需求 （1）广域万物智联 未来，自动驾驶汽车、无人物流系统、远程作业机器人等智能系统，将在全球全域广泛部署，成为人类生产和生活的重要组成部分。届时，这些智能系统之间的信息交互和协同工作将是普遍存在的场景。然而，受制于有限的覆盖能力，地面通信系统难以为广域智能系统协同工作提供有效的网络服务。（2）全球随遇接入 随着信息交互需求在人类社会生产和生活中的渗透，人们对通信服务的要求进一步提高，要求支持全球全域业务连续性，并获得一致性的服务体验。一方面，不管是简单的步行，还是在高速移动的高铁或飞机上，人们都期望能享受到一致性的服务。另一方面，在地面基础设施损坏导致地面网络无法正常使用或没有地面网络覆盖的情况下，也要求能提供不间断的通信服务。2 2、技术发展、技术发展 （1）卫星技术 卫星制造企业通过技术改进、流程优化和理念创新等多种方式大幅提升了卫星制造能力，并通过模块化、通用化（货架模式）、研制并行化、制造先进化等手段，降低了卫星的低成本研制。另一方面，软件定义载荷技术的快速发展，使得卫星载荷的灵活性得到极大的提高，功能按需加载，能够适应未来动态变化的任务需求。（2）运载技术 运载火箭的重复使用技术，大幅降低了空间飞行器的发射成本。另一方面，在充分利用火箭运载能力的前提下，高密度堆叠式设计极大地提高了卫星发射密度，实现一箭多星，降低发射成本，为未来建设大规模的卫星网络提供了有力支空天地一体化通信系统 4 撑。目前，SpaceX 通过多次回收的猎鹰 9 火箭，采用两摞堆叠放入整流罩，可实现一箭 60 星的发射能力。（3）AI 技术 近年来，深度学习算法的快速发展、海量数据获取渠道的增多以及硬件计算和存储能力的显著提升使得 AI 技术呈现爆炸式的发展，并在语音识别、图像识别、情感交流等多个领域取得突破。AI 技术同样在通信领域实现了初步应用，比如通过对业务需求的精准预测来降低网络能耗、优化网络部署等。未来，AI 与通信将会更加深度融合，解决复杂的异构通信系统问题。（4）安全技术 空天地一体化通信系统具备开放融合、异构共存和泛在连接的特征，数据安全是制约其发展的重要瓶颈。区块链是一种极具潜力的安全技术，近年来在金融、医疗、物流供应链等领域得到了快速的发展。区块链由非对称加密、分布式共识、P2P 网络、智能合约、激励机制等组合而成，具有去中心化、不可篡改、可以追溯、公开透明等特点。这些特点使区块链技术能够有效解决数据存储和传输的安全问题。2.2.2.2.发展愿景发展愿景 在业务需求和技术发展的双重驱动下，卫星通信和空间通信将与地面通信一体化发展，从业务、体制、频谱、系统等不同层次进行融合，构建空天地一体化通信系统，实现全球无缝立体覆盖。空天地一体化通信系统是 6G 的一种典型体系架构，其愿景是满足十年后的广域智慧连接和全球泛在无缝接入需求，为广域的对象建立智能连接，提供智慧服务，为人类提供全球无间断且一致性的信息服务。空天地一体化通信系统具有三大典型特征：统一的空口技术、统一的网络架构和统一的智能管控。统一的空口技术是指卫星通信、空间通信和地面通信采用同一框架下的空口传输技术，终端可实现极简极智接入；统一的网络架构是指在统一的逻辑架构和实现架构下将卫星通信、空间通信和地面通信进行一体化设计，网络功能可柔性分割和智能重构，适应卫星载荷资源有限和业务需求动态变化的特点；统一的智能管控是指通过对系统资源等进行统一的调度和控制，实现网络全局优化和资源绿色集约。空天地一体化通信系统 5 空天地一体化通信系统的核心要素是智能化和虚拟化。未来，从终端到网络无处不在的感知能力和计算能力，为 AI 提供了广泛的数据基础和推算基础，AI将渗透到物理层算法、无线资源管理、网络功能编排以及业务增强等各个层次，实现系统智能化；另一方面，通过对时空频无线资源、计算资源、存储资源、接口资源以及网络功能等进行虚拟化，可实现空天地一体化系统的资源统一调度和网络统一管控。空天地一体化通信系统主要有四大类型的应用场景：广域宽带接入、广域大规模连接、广域时敏连接和广域高精度定位。广域宽带接入是指为偏远地区人口、飞机、无人机、汽车等提供宽带接入，缩小数字鸿沟；广域大规模连接是指为农作物监控、珍稀动物无人区监控、海上浮标信息收集、远洋集装箱信息收集、无人区探险/探测等场景提供连接；广域时敏连接是指为远程智能机器（人）作业等时延敏感场景提供网络连接；广域高精度定位是指为远程智能交通提供精确导航，以及为远程作业提供高精度定位。图 1 空天地一体化通信系统愿景 空天地一体化通信系统 6 3.3.需求需求与挑战与挑战 3.1.3.1.网络能力网络能力需求需求 相对于传统卫星通信系统，空天地一体化通信系统需要具备更全面的能力，不仅需要传统的通信能力，还需要计算能力、AI 能力和安全能力。（1 1）通信能力需求通信能力需求 通信能力是未来 6G 空天地一