6G星地融合网络资源管理关键技术*

亚森江·阿布都热合曼，段卓君，刘向南，管婉青，皇甫伟，张海君

（1.北京科技大学，北京 100083；2.北京市融合网络与泛在业务工程技术研究中心，北京 100083）

0 引言

随着移动通信技术的持续演进及应用需求的不断扩展，传统地面蜂窝网络在覆盖范围和容量上正面临日益凸显的局限性，泛在连接的通信需求使卫星互联网成为了无线通信领域的研究热点[1]。特别是在偏远地区、海洋、航空及紧急救援等特殊场景中，对高速、可靠且无缝覆盖的通信服务的需求愈发迫切。卫星网络因其提供无缝全球覆盖，且相较于地面网络具有较好的鲁棒性和抗毁性等特点，在6G 泛在连接通信场景中将扮演至关重要的角色。但由于现有卫星网络和地面网络独立组网，其各自的通信协议和网络资源储备量存在差异，导致地面移动用户对于卫星网络的实时适配还存在阻碍。因此，为实现6G 网络的泛在连接目标，多网融合成为关键技术路径，即如图1 所示，通过融合天基网络与地基网络基础设施，构建空天地一体化的星地融合网络。星地融合网络的主要思想是通过融合卫星和地面网络，实现卫星网络和地面网络的优势互补，达到更广的网络覆盖范围和更高质量的通信服务[2]。星地融合网络不仅是解决现有通信瓶颈的关键途径，更是6G 发展的重要趋势和核心研究方向。

星地融合网络具有多层立体覆盖、动态时变网络拓扑、跨域协同传输等显著特点，其研究重点集中在以下几个方面：1）弹性可重构的网络架构设计，以适应卫星高速移动导致的网络拓扑结构的动态变化；2）跨域多维资源管理和优化，以提高跨网络多维资源的利用率；3）高效可靠的星间、星地链路的随机接入技术，通过统一的接入标准实现地面网络和卫星网络之间的无缝衔接。其中，为实现融合网络高效互联互通，并打破两者之间的壁垒，迫切需要设计融合资源协调调度方案。实现异构资源的统一调度，并兼顾其高动态性和随机接入特性，最大化资源利用率。

本文分析了星地融合网络资源管理的研究进展，基于此总结了星地融合网络资源管理面临的挑战。并针对这些挑战，从移动性管理、异构网络资源分配、空口统一三个关键研究方向总结了现有技术发展、深入分析总结了在这三个研究方向仍面临的挑战，给出了解决策略和未来发展方向。

1 6G星地融合网络研究现状与挑战

由于现有卫星网络与地面6G 网络在组网结构、空口协议和移动性管理等方面存在显著差异，导致两者的资源互通性差。因此，针对地面网络和卫星网络资源的不均衡分布现状，亟需设计一种能够兼顾地面与卫星网络资源特性的灵活资源管理框架，实现高效的跨网络资源协同调度机制。

1.1 星地融合网络资源管理研究现状

随着用户的海量增长以及场景多样化、设备密集化等形势的出现，且卫星网络所固有的高速移动性挑战，卫星网络现有的信道资源管理、功率资源管理、波束管理等网络无线资源管理方案不能满足下一代通信网络需求[3]。因此，如何在严格受限的资源框架内设计并实施一套兼顾移动性管理、适应统一空口协议要求的灵活资源分配方案，从而提升整体资源利用率，已成为星地融合网络研究的核心议题之一。

信道资源作为网络无线资源的重要部分，设计灵活可扩展的信道分配策略一直以来都是无线通信的研究重点，传统的信道分配策略采取的是固定分配的方式，这种方式对于动态变化的卫星网络而言，信道利用率极低。随着动态信道分配方式的提出，不仅显著减少了用户因资源争用而排队等待通信的频次，而且特别针对卫星网络中用户的高移动性特性，有效提升了通信服务的稳定性和质量。此外，动态信道分配在多波束卫星提高频谱资源利用率和减少信道干扰等方面也具有优秀的表现。近些年来，随着人工智能技术的快速发展，深度强化学习的方式被应用在了信道资源的分配策略中，基于深度强化学习的动态信道分配算法能够显著地降低阻塞概率，提高频谱效率和网络承载流量[4]。另有Zhang[5]等，同样采用深度强化学习的方式，但考虑到了LEO 卫星的约束能量等问题，提出了新的基于强化学习的节能信道分配方案，大量节省了卫星网络能耗，缓解了卫星网络中信道资源紧张的问题。

卫星网络由于其信号传输跨越地空距离，因此相较于地面无线通信系统，需要采用更高的发射功率以克服沿传播路径的显著损耗效应。鉴于此，设计并实现一套精密且高效的功率管理策略，在确保卫星通信网络性能优化及资源有效利用方面显得尤为关键和迫切。传统的功率分配算法包括固定功率分配、动态功率分配以及混合功率分配等，但这些算法在功率利用率和功率干扰方面均存在一定问题。而人工智能在解决复杂资源管理问题上具有显著优势，Xu[6]等比较了五种不同的动态功率分配人工智能算法，尽管五种算法在鲁棒性、最优解、可使用条件等方面存在差异，但其在功率利用率上相比于传统方式都有更优秀的表现。在未来，可以预见的是利用人工智能技术在多域资源的管理设计上都可以给出更优的解决方案。

1.2 6G星地融合网络资源管理面临的挑战

星地融合网络作为一种集卫星系统和地面通信于一体的网络，与传统的地面或卫星网络相比，受到不同网络平面中有限和不平衡的网络资源的约束。在星地融合网络中，卫星网络和地面通信系统具有不同的资源特性和需求，卫星系统通常覆盖范围广，但数据传输速率较低；地面网络可以在人口稠密地区提供高容量服务，但在偏远地区无法提供足够的覆盖。6G 星地融合网络资源优化管理面临的核心挑战主要包括：针对卫星和地面网络动态移动特性设计高效灵活的移动性管理策略；实现跨网络多维资源的统筹规划与智能调度，以适应卫星广域覆盖但传输速率受限以及地面网络在城市区域高容量服务与偏远地区覆盖不足之间的差异性需求；此外，还需要研究能够兼容星地两种异构网络环境的统一空口协议，以促进不同网络平台间无缝切换与协同工作，确保整个星地融合网络系统的性能最优化及资源利用效率的最大化。

国际标准化组织对新一代星地融合网络提出了全新的通信标准，这对星地融合网络资源管理关键技术提出了更高的要求，例如更灵活的资源调度方案、更有效的业务连续性保障和干扰协调等。6G 星地融合网络架构的设计中需要考虑网络资源部署的灵活性和扩展性，兼容透明转发和星上处理模式，考虑不同的传输条件、不同的传输时延以及链路动态切换等因素，通过网络的柔性适配能力实现星地融合网络的灵活部署、优化和扩展[7]。且目前的卫星网络在通信协议标准化程度上，相较于高速发展的地面网络仍存在较大差距，还无法与地面网络协调调度多维网络资源，所以需要进一步对卫星网络和地面网络使用的移动性管理及空口协议和标准进行统一和协调，确保星地融合网络资源的高效灵活调度。

移动性管理涉及到用户在波束间和卫星间的无缝切换，需要攻克波束间的数据重传机制以及卫星之间的协同性和数据传输的连续性难题。资源管理则需要考虑如何有效利用有限的网络资源，以满足不同服务和应用的需求。此外，针对卫星网络和地面网络使用的通信协议和标准存在差异，且缺乏统一的空口管控标准的问题，亟需研究统一的管控中心和相互兼容的空口协议，设计一种能够协调调度异构网络资源的协议体系，确保通信的顺畅和兼容性。因此，在未来的星地融合网络研究中，需要进一步探索这些关键研究方向，以推动卫星与地面系统的有效集成、协议优化、资源协同管理和分配。

2 6G星地融合网络高动态移动性管理

现有地面网络的移动性管理已经发展得较为成熟，能够为在地面高速移动的用户提供稳定的通信保障[8]。但针对星地融合网络的高动态特性，需要聚焦用户无缝切换的需求，进一步探索符合融合网络特性的移动性管理技术，确保在扩展网络覆盖范围的同时，优化资源适配，提供稳定、高质量的通信服务，进而充分挖掘和发挥星地融合网络的潜力和优势。

2.1 近地轨道卫星的切换技术

LEO 卫星凭借着更低的发射成本、更短的信号往返时延和更高的通信质量，相较于中轨卫星和地球同步轨道卫星成为了近年来学术界研究的重点。而低轨卫星物联网也是空天地海一体化网络的重要组成部分，是延伸地面网络的关键[9]。因此，对于LEO 卫星网络的移动性管理研究是星地融合网络的重要挑战之一。用户对网络随机接入、切换的需求同LEO 卫星高速运动的特点是移动性管理的主要考量因素。如图2 所示，目前常见的LEO移动性管理的卫星切换策略可分为两种，分别为波束间切换和卫星间切换。

（1）波束间切换

波束切换是指用户在接收同一颗卫星的服务时，可能会在该卫星提供的不同波束间进行通信链路的变化。对于波束间切换主要是将实现信道的合理分配作为主要目标，例如提供预留信道的方式完成新用户在该波束下的接入，但由于信道资源紧张，该低信道利用率的方式早已不适用。随着LEO 卫星互联网的快速发展，高速频繁的切换使卫星的移动性管理需要考虑的因素越来越多，因此设计高性能的多因素决策切换方案也是该领域上的挑战。如Wang[10]等在考虑剩余空闲信道之外，还综合考虑了平均接收功率、卫星剩余服务时间、用户偏好等因素，设计的切换模型在星间切换次数和平均信道利用率等方面都优于传统切换方案。此外，由于新无线电（NR,New Radio）接入LEO 卫星网络，对以往的切换方案提出了更大挑战，例如高切换频率、长通信距离以及同一卫星发射多个高增益波束导致的终端经历的下行链路干扰增加[11]。且考虑到LEO 卫星数量正大幅增长，单一用户将同时位于多个卫星波束覆盖范围内，因此相较于考虑单一卫星波束下的切换，综合考虑多卫星、多波束间的切换问题是6G 星地融合网络移动性管理策略中保障用户通信连续性的研究切入点。

（2）卫星间切换

随着大规模多输入多输出技术的成熟，将采用信道预编码的多输入多输出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）技术应用于LEO 卫星通信，使用户波束间切换的问题得到了一定的改善。由Sun[12]等提出的基于LEO的非地面网络多属性条件切换方案，通过计算终端在卫星的停留时间以及测量参考信号接收功率等信号强度，构建出效用函数选取最佳接收方案。还有将用户和卫星的关系构建成图提出的基于图论的管理框架，根据不同的切换准则配置链路权重，利用最短路径算法计算出最优的卫星接入方案[13]。在未来，卫星的超密集部署将为成为LEO 卫星星座的重要特征，只通过接收单一卫星服务造成的频繁星间切换可能会导致卫星资源的浪费，对此可以考虑将多个卫星进行分组，同组卫星下实现用户信息共享来减少切换负担、优化星间切换。例如，Abdelsadek[14]等则考虑将地面用户终端接入一组卫星中，提出了基于分布式MIMO 技术的新型LEO 卫星结构。利用人工智能的移动预测，综合考虑网络流量热点分布、流量预测以及切换决策对未来环境的影响等多个因素，实现出基于深度强化学习的智能切换方案将会是未来移动性管理设计的重要方向。

2.2 面向星地融合网络的移动性管理

由于星地融合网络中融合组网的结构，使其在进行移动性管理研究时需要针对网络中卫星和用户的双重移动性进行综合考虑。LEO 作为星地融合网络中卫星网络的重要组成部分，因其密集部署和快速移动特性导致的频繁链路切换，对现有的移动性管理机制设计中的通信、存储、计算等网络资源提出了更大挑战。设计更优化的移动性管理方案提高用户切换成功率和减少不必要的网络开销是目前亟待解决的问题。

综合学者目前针对星地融合网络提出的卫星移动性管理方案，其研究方向可大致分为两类。首先是对于星地融合网络下的卫星切换决策进行考虑，例如综合考虑卫星仰角、空闲信道数、剩余服务时间等指标，选取合适的目标卫星进行切换以实现对切换成功率、切换开销、切换时延等性能的优化。基于以上考虑，王汝言 [15]等提出了基于多目标优化的星间切换决策，在该方案中考虑了多用户和业务切换时的星上传输资源不足的问题，同时对平均数据速率和网络负载目标进行优化处理，降低切换请求次数并提升了切换成功率。此外，将地面通信网向LEO 卫星网的业务分流概率等多个影响因素考虑在内，构建多属性动态优化深度学习模型，也是以后优化星地融合网络移动性管理的重要方向[16]。另一个星地融合网络移动性管理的研究方向则是优化星间切换方式，通过减少信令回传次数与网络流量开销来降低卫星切换时延[17]。例如，如图3 所示，通过将网元功能部署到卫星中，构建空中移动网络，避免了切换请求在卫星和地面站之前的发送和回传，可以有效地降低切换过程的耗时。另外，构建新的卫星切换机制也是这一方向下的解决办法之一。例如，Ji[18]等主要关注星地融合网络中的卫星高速移动属性，将地面用户的低速移动视作相对静止，并提出在当前时刻同一颗卫星下服务的大多数用户将移动到下一卫星的策略，提出了一种用户聚合的切换策略。在这种策略下，将用户适当分组，使多次的星间切换转变为单次的聚合切换，减少了大规模用户切换带来的网络压力。未来，进一步将用户的移动预测等多种动态因素考虑在内，是设计适合星地融合网络动态性特点的移动性管理方案的重要方向。

图3 LEO卫星网络星间切换过程

3 6G星地融合网络跨域多维资源管理关键技术

星地融合网络具有广域覆盖的特点，需要为大量地面用户提供服务，满足大规模用户接入和高速率通信的需求，亟需提高资源利用率、系统通信容量。如何实现通信、感知、计算、存储、导航、遥感等资源的灵活分配及高效利用，从而提高资源利用率成为面向6G 的星地融合网络亟待解决的难题。针对图4 所示的星地融合网络资源架构，本文通过通信域多维资源管控和感知、计算、存储、导航、遥感等资源高效融合两个方面对资源管控技术进行阐述。

图4 6G网络与卫星网络融合资源架构图

3.1 星地融合网络通信域多维资源管理

随着移动通信业务广度和深度的快速发展，全球互联网终端爆发式增长，导致无线网路频谱资源的紧缺。为了满足不断增长的移动终端的高性能通信需求，ITU 指出需要将现有无线网络频谱使用效率提高十倍左右[19]。而目前根据FCC 的调研结果表明，现已固定分配的频谱资源利用效率低于15.2%[20]。因此，在现有水平上频谱资源利用效率有较大的提升空间。

卫星网络中由于链路预算不足和波束间的同频干扰问题，其频谱效率目前远低于地面网络。针对此问题，通过灵活跳波束方案，可以根据星地融合网络中的业务和通信容量需求，实现网络中资源的动态按需调度。

针对星地融合网络由于地面网络与卫星网络共享频率带来的频谱资源紧张问题，在考虑到卫星网络高速移动性的前提下，一种基于非稳态多臂老虎机（MAB,Multiarmed Bandit）的LEO 卫星跳波束时隙分配方案被引入卫星网络[21]。基于非稳态MAB 模型，采用波束等级划分技术对传统的BH 技术进行了改进，实现了卫星网络在高速时变的前提下不依赖于较高计算资源的动态波束时隙分配，有效提高了卫星系统的频谱效率。

考虑到星地融合网络频谱资源分布不均且时变的环境，一种结合认知无线电和跳波束技术的波束调度方案被引入星地融合网络，实现灵活适应融合网络下终端数量和可用频谱资源的动态变化，提高系统的频谱效率和能效效率[22]。基于CR 和非正交多址（NOMA,Non Orthogonal Multiple Access）技术，可以进一步研究自适应动态多址（ADMA,Adaptive Dynamic Multiple Access）方案，提高星地融合网络频谱资源的动态自适应性，最大限度地利用系统频谱资源。

为了提高星地融合网络中频谱资源的利用率，一种基于深度强化学习的动态波束方向图和带宽分配方案被引入星地融合网络[23]，通过灵活利用频率资源，高效处理时变业务需求，同时考虑到动作空间的爆炸问题，基于多智能体合作的深度强化学习框架可以实现非均匀时变的业务请求与星地融合网络频谱资源的高效匹配。此外，在基于认知无线电的跳波束和ADMA 技术下，共同设计波束调度和多址，进一步发展频谱效率，提高系统接入能力是未来提高星地融合网络频谱效率的重点关注和研究方向。

3.2 星地融合网络的通感算存导遥融合资源管理

日趋丰富的星地融合网络应用场景对网络资源交叠融合提出了更高的要求。星地融合网络中如何有效地分配和调度网络资源，以应对复杂和多变的服务需求是亟待解决的难题。通过在星地融合网络边缘部署具有通信、感知、计算、存储、导航、遥感等多维资源的节点，研究分布式计算和路由控制技术，基于非监督学习设计通感算存导遥多维资源的动态管控策略，构建多维资源融合的网络虚拟化架构，可以实现星地融合网络中通感算存导遥资源的高效利用。

星地融合网络中，根据是否需要中心节点收集全局信息，通感算存导遥资源的融合管控机制可以分为集中式和分布式两种。集中式方法的主要解决方案包括凸优化、近似算法、启发式算法以及机器学习算法；分布式方法的主要解决方案包括博弈论、匹配论、拍卖、联邦学习以及区块链。而随着星地融合网络规模的快速扩大，集中式联合管控机制已无法适应面向6G 的星地融合网络业务需求。因此，研究基于分布式的通感算存导遥资源联合管控技术是未来重点关注的研究方向。

通过构建基于多维资源相融合的分布式虚拟网络架构，可以实现3C 资源的高效融合以及联合分配优化。星地融合网络中的计算资源包括星上计算资源和地面计算资源，地面网络借助于云边协同的分布式计算等方案，具有更强大的计算能力，但其服务范围受限。星上计算资源服务范围更广，但由于卫星网络中缺乏部署轻量化的高性能计算资源组件，其计算能力相对较弱。在星地融合网络中的存储和计算资源辅助通信，存储和通信资源辅助计算以及通信和计算资源辅助存储场景中，3C 资源的优化存在动态自适应性。

针对星地融合网络中通感算存导遥资源的联合调度问题，分布式计算被视为缓解星地网络资源紧张的有效方案。通过对系统中不同类型的业务进行编排和调度，并根据业务属性，将计算任务卸载到多个计算节点上进行并行计算，可以实现通感算存导遥资源的按需灵活调动，降低对计算节点的算力资源要求。一种基于协同缓存的虚拟LEO 星地网络中缓存布局和功率分配的联合优化策略被引入星地融合网络[24]，在考虑到计算资源和存储资源计算梯度的前提下，实现了分布传输的同时进行计算，并基于蜉蝣算法的智能优化算法，在有效提高系统性能的同时进一步降低了功耗。此外，考虑到云、边缘和本地计算资源的高效融合，基于分布式深度学习的计算卸载方案可以获得灵活高效的卸载决策和资源分配结果[25]。该方案在适应时变的服务需求的同时，有效降低了卸载决策和资源分配的系统功耗，有助于实现星地融合网络通感算存导遥多维资源的有效联合管控。

4 星地融合策略下的空口传输技术

在面向6G 的星地融合网络中，统一的空口协议栈设计是实现异构网络的深度融合、网络资源协调调度的关键，也是实现终端在波束间及星间切换时的随机接入和全球无缝覆盖的重要方式。传统的组网设计中，卫星网络和地面网络组成相互独立，两者的信道特性有着较大差异，空口标准并不统一。考虑到星地融合网络具有动态性和非均匀时变的特点，简单的统一标准已不能满足新型网络架构下的通信需求[26]。如图5 所示，面向地面接入节点、关口节点等星地接入差异，需要采用统一的管控中心和相互兼容的空中接口，设计灵活的星地融合网络统一空口协议栈，实现星地空口兼容，满足海量终端接入星地融合网络需求的同时实现网络资源的灵活适配是未来空口传输技术的研究重点。

图5 6G星地融合网络下统一空口协议栈示意图

4.1 卫星网络与6G移动网络的空口协议适配技术

在面向6G 的星地融合网络的背景下，将会实现空、天、地、海的泛在连接，其实现统一空口设计的关键则是在于采用参数可变的空口配置技术，以达到用户可灵活自匹配接入的目的[27]。随着卫星网络与地面通信网络的融合发展，6G 网络中统一空中接口已成必然趋势，这使得卫星通信和地面通信可以采用相同的空口设计方案。这种统一的空中接口有助于实现地面网络和卫星网络之间的无缝衔接，实现网络资源的按需调度以提供高质量的通信服务[28]。在统一的空口设计中需要配置不同的参数，使得星地融合的同时能够适合各自的网络特性。这其中的参数包括波形、编码和调制方式、多址接入方式等。

在设计新的波形时，应考虑到卫星通信与地面通信系统的差异性，卫星通信具有时延大、信道容量小、传输功率受限等特点。在卫星通信系统中，由于射频信号需要经过大气层的传播，信号传输路径相对较长，导致传输时间增加，从而产生较大的时延。设计的新波形应该能够有效地减少传输时延，以确保实时应用的顺畅进行。其次，由于卫星频谱资源有限，而且受干扰影响较大，卫星通信系统的信道容量通常比地面通信系统低。因此，在设计新的波形时，应考虑如何利用有限的频谱资源来提供更高的信道容量。此外，由于在卫星通信系统中卫星距离地面较远，信号传输过程中会经历较大的衰减。为了保证信号的可靠接收，需要提供足够的传输功率。然而，卫星的功率是有限的，因此新的波形方案应充分利用有限的功率资源，实现更高的功率效率。

根据ITU NET-2030 重点小组白皮书，至少在初期阶段6G 非地面网络（NTN,Non Terrestrial Network）将由5G NTN 演变而来[29]。目前移动网络中NR 是以多载波波形循环前缀正交频分复用（CP-OFDM,Cycle Prefix Orthogonal Frequency Division-multiplexing Modulation）波形为核心，其具有高频谱效率的特点，且可以与MIMO 技术结合使用，以实现更高的系统容量和频谱效率[30]。在考虑高频谱和功率效率或低信号峰均比的条件下，一种基于离散傅里叶变换扩频正交频分复用（DFT-s-OFDM,Discrete Fourier Transform spreading Orthogonal Frequency Division Multiplexing）时域压缩扩展增强（TD-CE,Time-domain Compression and Expansion）和频域频谱整形（FDSS,Frequency-domain Spectral Shaping）的统一非正交波形（uNOW,Unified Nonorthogonal Waveform）在上行覆盖有限的环境下表现出了良好的性能，uNOW 同时将TD-CE 和FDSS 纳入考虑，很好地改善了信号峰均比和吞吐量增益。

鉴于现有全球移动用户数量便呈不可抑制的爆发式增长趋势，在未来的星地一体融合网络下，用户数量将会更多，终端设备类型更加复杂。非正交多址技术凭借相比于传统正交多址技术具有的低延时、高频谱效率、可支持数量大的特点，将会成为6G 网络多址技术的基础或者过渡[31]。针对扩大星地一体化网络覆盖范围并提高频谱效率的需求，通过智能反射面（IRS,Intelligent Reflecting Surface）辅助上行传输方案，地面站通过非正交多址技术与卫星通信，直接用户和阻塞用户则各自通过空分多址和IRS 辅助非正交多址技术接入蜂窝网络，可以实现在低复杂度算法下星地融合网络的遍历和速率最大化[32]。此外，面向6G 的星地融合网络，通过将AI 引擎融入移动通信网络架构中，可以有效满足大规模用户高效、灵活接入并支持星地融合网络多元化服务场景的需求[33]。

同时，考虑到星地一体化网络中包揽不同高度轨道的卫星以及其高速移动的问题，在设计融合网络资源协调适配方案时，统一的空口设计需要着重于提升频谱效率和适应网络的灵活性，以解决时频同步和低时延快速接入的问题。

4.2 6G星地融合网络下的统一空口协议设计

面向6G 的星地融合网络中，一体化网络所面临的挑战之一是卫星网络和地面蜂窝网络之间的空口协议不统一问题。针对地面蜂窝网络接入节点和卫星关口节点接入协议中存在的差异，需要设计灵活统一的终端和空口协议，通过无线接入网（RAN,Radio Access Network）和核心网（CN,Core Network）的有效集成，基于控制网元智能部署技术和智能移动管理技术可以构建统一的控制平面和用户平面。由此实现星地融合网络的空口兼容，海量终端的无缝切换。

在现有的星地融合网络架构中，CN 与RAN 完全分离且置于地面，这大大增加了往返时间。从而导致现有的星地融合网络体系结构无法满足延迟敏感服务需求。此外，不同的星地融合网络组件使用差异化的空口协议，这增加了协议栈的复杂度。为了满足6G 数字孪生、智慧泛在等新型应用需求，需要对网元接口进行重构，定义新的用户平面和数据平面接口，并为宽窄带通信和物联网等应用针对性地设计空中接口各层协议。

在星地融合网络架构中，对网元进行虚拟化和软件化处理技术的引入使得传统的地面蜂窝网络与卫星网络的融合变得更为灵活和可实现。通过高度虚拟化，网络功能能够以软件的形式部署和管理，这为星地融合网络的灵活性和可扩展性提供了新的研究方向。这种新型架构的出现，也意味着对网络设备和资源的更为智能化的管理，能够更加灵活地适应不同的通信需求和场景。在现有非地面网络架构的基础上，一种灵活、扁平化的星地融合网络架构被提出[34]。该网络架构中，通过对网元进行高度虚拟化和软件化，重新定义了用户与控制平面之间的接口，并将CN 必要的核心功能部署于卫星网络中，达到CN 和RAN 有效集成的目标，简化了信令交互过程，实现了空口的兼容和数据的高速传输。

在设计星地融合网络中统一空口协议的过程中，时间绝对同步是实现无缝接入的一个关键问题。随着6G 技术的不断推进，许多新兴的垂直行业应用都对空中接口的授时精度提出了要求。在考虑星地融合网络中卫星高速移动性的前提下，一种基于物理层信号的空口高精度定时方法被引入移动网络[35]。通过在空口层对地面网络和卫星网络的空口进行集成，终端设备使用相同的物理层协议实现对卫星网络或地面蜂窝网络的低时延无缝接入。与现有全球导航卫星系统（GNSS,Global Navigation Satellite System）、网络时间协议（NTP,Network Time Protocol）以及精确时间协议（PTP,Precision Time Protocol）等授时方法相比，该方法以相对较低的成本实现了微秒级授时精度，有效减少了空口协议的运行耗时。

面向6G 的星地融合网络中，构建一个能够实现卫星网络与地面网络无缝对接、满足海量终端无缝接入需求的融合网络是重要的发展方向。在这个万物互联和日益智能化的时代，构建一个统一的管控中心和相互兼容的空中接口，设计灵活多变的星地融合网络统一空口协议栈，是星地一体化网络空口协议设计的关键焦点。这一策略的实施将不仅为未来通信技术的进步提供新的思路和方向，更将极大地推动6G 时代全新应用场景的实现和发展。

5 结束语

随着移动网络在全场景广域覆盖需求的增加，卫星通信系统与地面蜂窝系统的深度融合已成为必然趋势。面向6G 的星地融合网络中移动性管理、资源管理和空口协议研究是实现网络资源高效融合的关键攻克方向。针对LEO 卫星网络的移动性管理问题，本文阐述了智能化背景下无缝波束间和卫星间切换策略，并总结了未来星地融合网络中切换策略的重点关注和研究方向。此外，考虑到星地融合网络中卫星和地面用户移动特性的差异，基于现有的多目标优化的星间切换方案，展示了未来星地融合网络移动性管理的重要方向；针对星地融合网络中的资源管控方案，本文首先阐述了现有通信域多维资源管控策略及存在的问题，从而引出未来发展方向。其次，阐述了实现融合网络多维资源高效融合的技术基础和原理，这些技术的不断创新和发展将为星地融合网络的进一步完善和未来通信技术的革新发展提供强有力的支持；针对星地融合网络星地接入方式之间存在较大差异的问题，本文围绕核心网与无线接入网有效集成以及统一空口协议中的时间同步策略这两个核心方面展开讨论，讲述了未来星地融合网络中统一空口传输机制的发展方向。

在面向6G 的星地融合网络资源管控技术中，考虑到卫星相对地面用户的高速运动带来频繁的网络切换，波束和卫星间切换成为星地融合网络移动性管理方案中的关键问题。为了实现无缝波束间切换，星地融合中网络需要设计在不同波束间的数据重传机制，确保切换过程中的数据传输连续性和通信质量。针对卫星间切换方案，还需要提高卫星之间的协同性和数据传输的连续性，以确保移动设备在切换过程中不会出现中断或数据丢失。

星地融合网络资源管控方案的设计是构建未来通信体系中的关键环节，涉及通信域频谱、波束、时隙等多维资源管控以及感知、计算、存储、导航、遥感等资源的高效融合。在这个新兴的网络范式中，资源管控技术的发展成为了推动网络性能和效率的关键。通过跳波束技术、非稳态MAB、认知无线电、ADMA 等技术，可以显著提高星地融合网络通信域资源的利用率。基于非监督学习的分布式计算、路由控制技术，可以实现星地融合网络中通感算存导遥资源资源的有效融合，从而达到有效分配和调度网络资源，应对未来融合网络中的复杂和多变的服务需求。

在现有星地融合网络中，星地接入方式之间存在着较大差异，导致整体通信系统缺乏统一的管控中心和相互兼容的空口协议。这种差异性会阻碍星地融合网络资源的高效协调适配，因此需要着重考虑未来星地融合网络中实现统一空口传输机制的设计。

符合星地融合网络高动态特性的资源联合管控方案的实施将极大地促进6G 时代星地融合网络全新应用场景的落地与发展。通过卫星网络和地面网络的协同，将为智能交通、远程医疗、虚拟现实等更广泛领域的应用提供支持。面向6G 的星地融合网络的实现将带来前所未有的通信能力，推动这些领域的技术革新和发展。同时，这也将为数字经济时代的到来奠定基础，提供更为便捷、高效的通信支持。因此，这些研究方向的深入不仅对通信技术本身有所推动，更将对整个社会产生深远的影响，开启一个崭新的天地一体化时代。