空天地一体化网络运营方法分析与挑战

刘家祥，彭硕，蒋峥，佘小明

（中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

随着移动通信技术从1G 到5G 的持续演进，移动通信已渗透到生产生活的方方面面。依托陆地蜂窝网络的广泛部署，全球超过80 亿移动用户获得了方便快捷的通信服务。然而，受限于需求、地形、成本等多方面因素，陆地蜂窝网仅覆盖了约20%的陆地面积，荒漠、偏远山区、海域和空域无法使用陆地蜂窝网络。与此同时，卫星通信由于其覆盖范围广，不受地理空间限制等特点，刚好可以弥补陆地蜂窝网在这方面的不足。但是卫星通信也存在明显的短板，由于卫星与地面终端间传输距离远大于陆地蜂窝网络，导致数据速率、频谱效率、通信时延等关键指标远低于陆地蜂窝网络。综上所述，空天地网络间相互补充可以弥补各自短板，激发更大的网络能力。因此，空天地一体化网络成为未来移动通信技术演进的重要方向，旨在为用户提供全球无缝覆盖的泛在连接。

然而，传统的空、天、地网络相互独立，在网络架构、通信协议、网络运营等方面存在差异。空天地一体化网络需要打破原有异构模式的壁垒，实现网络的融合发展、协作共赢。传统运营商主要运营经验来自陆地蜂窝网络，非陆地网络（例如通信卫星、高空通信平台）的运营经验较少，在空天地一体化的大趋势下，加强自身对非陆地网络的运营能力，能够实现空天地网络的优势互补，提升市场竞争力，为用户提供全球覆盖、万物互联的高质量服务。

1 空天地一体化现状

移动通信发展初期，利用卫星为用户提供无线服务就曾被寄予厚望。最著名的当属摩托罗拉公司“铱星”（Iridium）计划，通过66 颗低轨卫星构建一个全球覆盖的卫星通信网。但是受限于卫星通信水平的影响，“铱星”只能提供语音和低速数据服务。随着贝尔实验室提出的陆地蜂窝网快速发展，其在通信质量、容量和资费等方面完全优于“铱星”，卫星通信最终没有竞争过陆地蜂窝网，以至于移动通信从2G 到5G 都是沿用的陆地蜂窝网络的部署方式。之后的卫星通信，例如“新铱星”（Iridium Next），其定位也仅仅是对地面通信系统的补充和延伸。但是，地面网络和卫星网络独立发展限制了两者的应用边界。未来网络将是空天地一体化的融合网络，通过打破行业壁垒，实现网络协议、网络架构、网络技术的融合统一，进而拓宽通信服务的维度与广度。在这方面，无论是标准组织还是产业界都在积极推动。

1.1 标准组织研究

3GPP 作为通信行业最重要的标准制定组织之一，在R14阶段就提出了卫星通信作为5G 接入方式的需求与应用前景。在R15、R16 阶段主要对非陆地网络进行全方位的技术讨论，R17 阶段正式开始对标准协议进行修改，具体成果如下：

（1）RAN 侧的研究成果输出在TR 38.811[1]（R15）和TR 38.821[2]（R16）中。前者研究重点在物理层，包括在不同非陆地网络部署场景下的信道模型、多普勒频移、传输时延等重要特性的评估，以及对标准的潜在影响；后者更关注网络整体架构，卫星/高空通信平台可以透明传输或再生两种传输模式，以及相应的数据面和控制面的划分。在前两个版本的TR 基础上，R17 开始了非陆地网络的第一个NR NTN WI 立项，为了尽量避免引入过多标准复杂度，3GPP决定从最简单的透明传输架构入手，旨在输出一个能够指导NTN 快速落地的标准版本。除此之外，NTN 在IoT 方面进行了SI研究并在RAN#92会议通过了IoT Over NTN WI立项，重点研究LTE 空口下物联网设备接入卫星的问题，在一些共性问题尽量复用NR NTN 的结论。

（2）SA 侧的研究主要体现在需求和场景上面。TS 22.261[3]（R15）中提出了卫星融入5G 接入技术的需求和未来市场前景。TR 22.822[4]（R16）进一步提出了卫星与5G融合的12 个应用场景，例如：应急通信、广播多播、核心网回传等。TR 23.737[5]（R17）更聚焦具体的问题，包括移动性管理、卫星接入下的多连接、时延影响、QoS 保障等。

在空天地一体化方面，ITU 研究主要在频谱方面，明确了在6～84 GHz 范围内探索新的可用频率，并对卫星和地面网络的干扰共存进行分析。ITU 规定占用特定频率的通信星座必须在14 年内完成所有卫星发射，旨在保障稀缺卫星频率资源以及推动相关产业链的快速形成[6]。

1.2 产业推进

随着SpaceX、OneWeb 为代表的高科技公司布局低轨卫星星座图计划，卫星通信迎来了宽带互联网通信的新契机。SpaceX 发布Starlink 计划，预计发射约12 000 颗地轨卫星，提供覆盖全球的高速互联网接入服务。OneWeb 也预计发射约7 000 颗卫星，以“让所有人在任何地方都能接入互联网”。

中国也在积极推进地轨卫星星座建设，有“虹云”和“鸿雁”两个代表性星座项目。“虹云工程”首次将毫米波相控阵技术应用于我国低轨宽带通信卫星，能够利用动态波束实现更加灵活的业务模式。该计划预计共发射156 颗卫星，在距离地面1 000 km 的轨道上组网运行，基本实现覆盖全球的宽带互联网接入。“鸿雁”项目以综合信息服务作为系统的建设目标，由300 多颗卫星和数据业务处理中心组成，具有数据通信、导航增强等功能，可实现全天候、全时段以及在复杂地形条件下的实时双向通信能力，为用户提供全球无缝覆盖的数据通信和综合信息服务。

除了卫星通信，高空通信平台通过无人机、热气球等方式实现通信网络部署，具有机动灵活、快速部署、低成本等优势。以Google 为代表的热气球创造了在平流层停留223天的记录，我国研发的彩虹无人机可以在空中停留24小时[7]。

2 面向空天地一体化运营新模式

在空天地一体化背景下，移动通信关键技术在演进方向具备了全新的维度。网络更加关注地面网络和空中网络的协同发展，实现二者的优势互补。在这些关键技术的背后，也对网络运营提出了更高的要求。首先，需要全新的网络管理架构以适应空天地一体化网络多空域网络节点部署，网络功能、网络资源和网络拓扑的编排和管理体现出立体式特点。本文提出了立体式网络管理架构，为空天地一体化运营提供了新的模式，拓宽了运营商在网络功能编排、网络资源分配和构建网络拓扑能力。该架构为运营商解决其核心利益相关的“降本增收”问题提供了基础能力，实现了陆地蜂窝网和空中网络的优势互补和相互赋能。在降低运营成本方面，陆地蜂窝网的组网技术和运营经验可以在空中网络进行延伸，例如共建共享技术可以实现多个运营商共享同一张卫星网络，降低运营商空中网络部署成本。在提高收入方面，空中网络也可以赋能陆地蜂窝网，解决专网地理区域受限的问题，并在时延、灵活性等指标上表现出优异的性能，更好地为专网客户提供优质服务。

2.1 立体式网络管理架构

空天地一体化网络中的网络节点可能是地面基站、无人机、卫星等。与陆地上平面化的网络结构不同，这些异构节点构成了三维立体的网络空间。这些节点在通信能力、运动范围、链路质量等方面存在显著差异，如何将这些节点有机结合，形成优势互补是网络运营商需要考虑的核心问题。如图1 所示的立体式网络管理架构，可以将网络功能、网络资源和网络拓扑在空天地一体化立体网络空间进行立体式部署，提高网络的灵活性和可拓展性，以适应不同应用场景需求。

图1 立体式网络管理架构

（1）网络功能

空天地一体化网络将集成多种功能类型的网络节点，卫星和无人机可以简单地对数据信号进行透明传输，也可以具备基站相同的处理功能。透明传输对设备复杂度和成本要求低，但是由于所有数据都需要回传给地面基站，引入的时延相对较大。根据3GPP 的评估，透明传输的地球同步轨道卫星引入的最大时延为541.46 ms，星上处理可以将时延缩减到270.73 ms[2]。因此，空天地一体化网络中不同的网络功能分布对应不同的业务服务时延，其中陆地蜂窝网络功能最全，业务时延最低；将网络功能分布在卫星业务时延次之，但网络功能受限；卫星透明传输仅实现射频功能，但业务时延最高。

除了时延因素，网络功能的立体分布可以更好地实现CU-DU 分离的架构，利用卫星和无人机覆盖广、地域跨度大的特点，提高了CU 的管辖范围和效率。最后，通过控制功能和数据功能的合理分布，可以构建天地协同的运营架构。在文献[8] 中提出了一种基于SDN 的系统架构，地面部署能力强大的主控制器，负责全网视图并根据业务需求进行资源编排。高轨卫星作为天基网络的骨干节点，既可以将其自治域下的地轨卫星数据信息发送给地面主控制器，也可以对低轨卫星进行控制。低轨卫星主要提供高速率低时延的数据传输业务，并执行高轨卫星的控制指令和路由策略。文献[9] 进一步提出了以业务为中心的按需自适应网络架构，支持在卫星部署核心网功能，地面信关站与核心网和因特网相连。该架构可以更好地为用户提供按需的服务，空中网络不仅可以提供数据接入，还可以直接提供用户所需业务，极大地减少了服务时延。

（2）网络资源

空天地一体化网络打破异构网络资源独立分配的局面，实现三维立体空间的统一分配。通信资源方面，在偏远地区可以将陆地蜂窝网络频谱资源分配给卫星或无人机使用，既能提高频谱利用率也不会对陆地蜂窝网造成干扰；对于时域资源分配，可以根据业务QoS 实现空天地网络间的协调和灵活分配，优化全网调度能力，提高整个空天地一体化网络的容量；在功率方面，空天地网络间的负载均衡可以实现异构网络间的优势互补，避免单一网络负载过高，并且可以在重叠覆盖区域选择合适的网络进行传输，优化全网能量消耗。随着移动边缘计算（MEC,Mobile Edge Computing）技术的发展，计算和存储资源成为了与通信资源同样重要的资源，并且下沉到网络边缘，降低时延的同时有效缓解数据回传压力。在卫星和飞行器上部署MEC 服务器可以为偏远地区用户或物联网设备提供计算卸载、缓存分发等服务。由于卫星和飞行器的载荷能力有限，通常采用轻量化的MEC 部署，并和地面基站、核心网和MEC 服务器互联互通。通过计算、存储资源的广泛分布有利于人工智能技术与通信技术的紧密结合。空天地一体化网络可以在广域对终端、传感器等无线设备进行数据信息收集，并上传到附近的MEC 服务器，为人工智能算法提供大量数据。MEC 服务器利用人工智能算法对数据进行分析，输出的结果可以通过空天地一体化网络下发，指导终端、传感器的行为策略。

（3）网络拓扑

陆地网络的网络拓扑结构是静止的，但由于卫星、飞行器的灵活移动，空天地一体化网络拓扑具有时变性和不确定性。从网络运营的角度，仍需抽象出相对稳定的拓扑结构以便进行网络的编排管理。网络功能虚拟化（NFV,Network Function Virtualization）技术能够在同一张物理网络上抽象出多个不同的逻辑网络，这个优势也可以拓展到空天地一体化网络的拓扑管理上面[10]。通过NFV 技术屏蔽底层网络节点动态变化，即使网络节点移动，也能够及时寻找到其他替代节点，对上层抽象出稳定的逻辑拓扑结构。

2.2 共建共享

随着5G 商用步伐的加快以及站址需求的大量增加，共建共享成为了运营商降本增效的重要手段。共建共享的优势在于通过多家运营商共同承建、共同运营一张网络，节省了网络重复建设的成本，提高了建网速率和运营效率。现有陆地蜂窝网络共建共享可以实现站址、基带、射频单元、频谱和部分核心网元等不同层面的共享形式。随着空天地一体化网络的建设，卫星和飞行器的部署将大大提高网络建设的成本。例如，O3b 建设的中轨卫星星座，总共容量10 Tbps，能够为单用户提供最大500 Mbps 的速率，其成本为65 亿美元；OneWeb 建设的低轨卫星星座，总容量5.4 Tbps，能够为单用户提供最大上行400 Mbps、下行500 Mbps 的速率，其成本高达300 亿美元[7]。现有卫星公司面临的困境是产业链涉及卫星制造、火箭发射、终端研发、网络运营等多个环节。如果全程参与资金需求巨大，商用周期长；如果仅从事卫星运营，其他环节从外部采购，行业客户触达能力较差，且供应链议价能力较低。2020 年1～4 月，OneWeb 等4 家卫星通信企业进入破产保护状态，也印证了以上两类模式在可持续运营上存在问题[11]。

在立体式网络管理架构下，共建共享技术可以从陆地网络延伸至空中网络，为未来空天地一体化网络建设提供新的思路。多家运营商共同建设和维护一张卫星网络并将其纳入到地面通信系统，如图2 所示。由于卫星网络主要覆盖陆地蜂窝难以覆盖的偏远地区，用户密度远小于蜂窝小区，多个运营商共建共享可以提高卫星网络的使用效率。卫星网络的建设和运营是个长期且复杂的工程，卫星网络的共享可以减小单一运营商的成本压力，实现多个运营商的合作共赢。参照地面共建共享方案，基站共享可以有独立载波和共享载波两种方式。在独立载波方式下，各地面运营商可以共享卫星上的射频和基带处理资源，但在载波上进行独立配置和管理。因此，在共享卫星内部使用逻辑独立的不同小区提供给不同运营商使用。在共享载波方式下，除了可以复用卫星上的射频和基带处理资源，不同运营商的载波也可以共享，每个载波都需要同时广播多个运营商的PLMN。另一方面，卫星需要通过地面信关站与陆地建立数据通路连接，考虑各国家和地区对于卫星通信经营资质和信关站落地许可方面政策差异及限制，需要因地制宜地探索实施不同的运营策略，积极寻求与本地运营商的合作，同时利用地面信关站的共建共享能进一步提高网络资源利用率。地面信关站的全球部署是一个长期过程，在此期间需要利用星间链路实现卫星间的路由策略，将数据尽快回传到地面站从而接入运营商的核心网。

图2 卫星网络共建共享示意图

共建共享需要多个运营商共享相同的卫星网络资源，如何保证卫星资源分配的公平性是解决各运营商间相互博弈的关键。区块链技术具有分布式链式存储、链上数据不容易被篡改等特点，可以赋能卫星网络的共建共享，为缺乏信任的博弈多方提供分布式的可信任记账功能[12]。卫星在通信、计算和存储资源方面的分配会实时广播给地面区块链节点进行分布式存储，由于区块间的数据存在彼此联系，很难对数据进行非法篡改，共享卫星为各运营商提供的服务质量以及资源分配参数完全透明公开，并且可以和计费规则关联制作成智能合约，在满足运营商业务需求时自动触发智能合约执行。

2.3 专网建设

专网业务作为新的经济增长点，越来越受到运营商的重视。然而，当前地面移动通信专网主要服务的是工厂、仓库、码头等小范围的区域，卫星的引入可以极大提高专网的空间跨度。许多跨国公司的工业园区分布在世界各地，如何打通这些不连续区域成为专网建设的难题。卫星通信提供了高质量低成本的解决方案，参考证券交易所的海底电缆，其传输时延高达120～150 ms，但500 km 低轨卫星可以将时延控制在100 ms 以内，而且不受地震、海啸等自然灾害影响[7]。由此可见，卫星和无人机等空中网络节点的引入为端到端连接提供了新的路由路径，使能专网建设进入全球组网的新阶段。网络可以根据时延需求和不同路径传输的时延，在空天地网络间对数据流量进行数据分流[13]。文献[14]中提到需要根据空天地一体化网络特殊性设计全新的路由策略，考虑因素包括网络节点的处理能力、功率限制、动态拓扑结构、星间接口等。专网用户涉及行业广，用户需求复杂多样，根据目标地址、速率、时延等要求将数据分配到卫星、无人机和陆地蜂窝基站，能够更好地满足客户多样化需求。另外，空天地一体化网络能够提高网络应对自然灾害的能力，在陆地蜂窝网络受到破坏的情况下，通过搭载基站功能的卫星或无人机，可以实现抢险救灾专网的快速部署，构建源节点和目的节点之间的路由路径，当一条路由路径无法满足业务需求时，可以快速切换到其他备选路径进行传输。

未来专网将存在大量分布在偏远地区的物联网设备，由于这些地区难以部署陆地蜂窝网络，卫星和无人机可以提供相应的覆盖服务。物联网设备在电量、处理能力等方面存在明显限制，文献[15] 提出将复杂计算任务卸载到卫星和无人机，将空中网络的计算资源在物联网设备间进行合理分配，能够同时提高计算速率和能量效率。有了更加丰富的计算资源进行支撑，机器学习算法在能够专网中发挥更大价值。文献[16] 就提出了利用深度学习在空天地网络间实现频谱感知和动态频谱共享算法。物联网设备可以通过对其无线环境的感知，优先采用空闲的低频谱以节省发射功率。

陆地蜂窝网络在专网建设上的关键技术也会赋能卫星、无人机等在专网上的应用。由于其覆盖范围更广，覆盖范围内存在大量专网用户和公网用户，陆地专网在接入控制、资源隔离和差异化服务等方面的关键技术可以得到进一步扩展。如果卫星、无人机仅服务于专网，需要在其广播消息中加入相应指示，禁止公网用户接入网络，并标识专网ID 用于服务特定的用户。如果卫星、无人机同时服务专网和公网用户，需要对专网用户和公网用户进行区分，实现差异化的服务，并且要做好数据安全和物理资源的隔离，保证两类用户互不影响。

3 面临的挑战

空天地一体化网络拥有广泛的应用前景，但也存在“时-频-空”三个维度的巨大挑战，具体体现在：

（1）时域方面，陆地蜂窝网络传播时延通常小于1 ms，明显低于空中通信设备，空中通信设备根据高度的不同存在几毫秒到几百毫秒的传播延时差异。因此，终端需要具备在大范围动态调整上行定时提前（TA,Time Advance）参量的能力。由于地轨卫星的运动速度很快，短时间内就会发生很大的位置移动，这种大范围的TA 调整需要在短时间内完成。该特性对终端能力提出了很高的要求，并且为了提高准确度需要网络侧提供相应的辅助信息，包括星历信息、覆盖信息、候选小区信息等。时延的大范围波动还会影响HARQ-ACK过程，为保证数据速率不受影响，需要在传播时延越大的链路上配置更多的HARQ 进程数。针对可靠性要求低的业务，可以进一步关闭HARQ-ACK 过程以减小时延对数据传输的影响[17]。在随机接入方面，也可以结合星历，业务类型和网络负载等信息辅助用户快速选择和接入网络。

（2）频域方面，由于卫星高速移动产生的多普勒频移高达数十甚至数百kHz，会导致严重的频率偏移。例如轨道高度为600 km 的低轨卫星频偏高达24 ppm（地面蜂窝网络一般不超过0.46 ppm）[2]，需要选择有效的频率预补偿方案。终端可以按照频偏插值预补偿，网络侧补偿公共频偏部分，或统一由终端侧补偿实际频偏。对于不具备GNSS 定位能力的终端，需要进一步研究增强方案以实现上行频率同步。另一方面，空天地一体化网络涉及到多个频段的管理，其复杂程度远高于地面网络[18]。首先在卫星通信发面，已经有多个频段可供使用，例如L 频段（1—2 GHz）、S 频 段（2—4 GHz）、C 频 段（4—8 GHz）、Ku 频段（10.7—13.25、13.75—14.5 GHz）、Ka 频段（17.3—21.2、27.0—31.0 GHz）、Q/V 频段（37.5—51.4 GHz）等。其次，需要考虑卫星通信和地面通信的干扰共存问题，根据ITU 的规则，有的频段是地面通信和卫星通信所共享的，例如1 885—2 025 MHz 及2 110—2 200 MHz。使用传统的硬性频率分割方式会大大降低传输效率，未来空天地一体化网络可以基于立体式网络架构的特点，利用不同接入方式覆盖区域的差异性，实现频率复用。此外，可以利用人工智能等技术来辅助进行干扰预测与资源协调，进一步探索动态频谱共享策略以解决星地间的干扰问题。

（3）空域方面，空天地一体化网络的网络拓扑结构从二维扩展到了三维。无人机可以在低空临时组网提供应急通信，低轨卫星可以提供低时延的卫星宽带业务，地面同步轨道卫星可以提供广域的覆盖，空天地一体化网络存在多层次网络节点部署的特点。与此同时，网络拓扑结构存在时变性和不确定性，空中节点可以随意灵活地移动，即使用户相对地面静止也会产生频繁的网络切换或小区选择/重选，对网络的管理和运营提出了新的挑战。网络协议设计方面应采用智简统一的设计思想，并探索灵活高效的资源调度和路由策略选择方法。在进行测量和小区切换时，在信号质量的基础上，参考终端位置信息和卫星有效服务时间，进而选择最优的目标服务小区，保障业务连续性。

4 结束语

空天地一体化作为未来发展的重要方向，为移动通信提供了全新的领域和视角。本文分析了现有标准化和产业链进展，重点研究了面向空天地一体化场景下的网络运营和关键技术。本文首先提出了立体式网络管理架构，能够在网络功能、网络资源和网络拓扑方面实现三维空间灵活部署。其次，基于该架构重点研究了空天地网络互相赋能，协同发展的技术方向，以共建共享技术为例体现了陆地蜂窝网运营经验对降低非陆地网络建设成本的启发，与此同时，非陆地网络也可以克服陆地专网的空间距离限制，降低网络传输时延，提高专网部署灵活性。最后提出了空天地一体化网络在“时-频-空”三个维度的巨大挑战，并在运营策略上提供了方向。