天地一体化信息网络技术研究白皮书（2023）

天地一体化信息网络技术 研究白皮书 （2023） 中通服咨询设计研究院有限公司 前言 作为未来6G关键技术之一，天地一体化信息网络将在未来6G中将充分发挥空、天、地、海信息技术的各自优势，实现时空复杂网络的一体化综合处理和最大有效利用，为各类不同用户提供实时、可靠、按需服务的泛在、机动、高效、智能、协作的信息基础设施和决策支持系统。与此同时，天地一体化信息网络作为国家首个“面向2030科技创新重大项目”，以其战略性、基础性、带动性和不可替代性，成为国家国民经济和国家安全的重大基础设施，其所具有的信息服务能力，将不断地带动我国新兴产业的发展，形成具有巨大潜力的核心竞争力和民族创造力。 编制单位：中通服咨询设计研究院有限公司 编写人员：王强、李新、贝斐峰、刘超凡、彭雄根 目录 1.6G网络研究现状1 1.1标准研究进展1 1.2业务场景需求3 1.3网络构架展望8 2.天地一体化信息网络应用场景9 2.1泛在物联9 2.2宽带互联12 2.3智能海洋13 2.4隐蔽安全14 2.5社会治理15 3.天地一体化信息网络组网架构16 3.1组网架构需求17 3.2组网架构组成18 3.2.1物理架构组成18 3.2.2功能架构组成21 3.3组网架构优化27 3.4组网架构挑战27 4.天地一体化信息网络关键技术方向28 4.1技术架构研究方向29 4.2网络管理研究方向34 5.天地一体化信息网络资源管理35 5.1天地一体化网络活动基站节点选址36 5.1.1集中式活动基站选址36 5.1.2分布式活动基站选址37 5.2天地一体化网络资源管理技术38 5.2.1高隔离无线频谱资源管理技术38 5.2.2跨域边缘计算资源协同管理技术40 5.2.3模型与数据联合驱动的资源管理算法42 6.天地一体化信息网络发展现状43 6.1基于GEO（高轨）星座网络43 6.2基于LEO（低轨）星座网络45 I 6.3LEO（低轨）星座发展展望51 7.天地一体化信息网络建设探讨53 7.1网络建设难点53 7.2网络建设方案54 8.天地一体化信息网络发展展望55 8.1面临挑战56 8.2发展建议57 II 1.6G网络研究现状 1.1标准研究进展 全球6G标准还未制定，但是6G研究的序幕已经展开，整体上看，全球6G 研究正在有序推进，预计2030年6G将实现商用，届时人类将进入6G时代。 （1）ITU ITU-RWP5D负责IMT无线通信研究和标准化，包含IMT-2000（3G）、IMT-Advanced（4G）、IMT-2020（5G）以及当前开展的IMTfor2030andbeyond （6G）。 面向新一轮启动的6G无线通信系统工作，ITU已于2022年中旬完成了《未来技术趋势》报告的编写，除了重点关注6G的无线技术外，ITU在2021年分别启动《IMT愿景》建议书和《100GHz以上频段的IMT技术可行性》报告的相关工作，预计都将在2023年中旬完成，为最终的《ITU-R关于IMT-2030及以后的建议》提供总体指导。 对于6G无线技术，《未来技术趋势》报告收集了十余个国家、技术与标准化组织等的多轮输入，包含了AI、通信感知一体化等8个主要的新兴技术趋势和使能技术方向，极致MIMO、新型编码、高精度定位等8个用于空口增强的技术方向，新型网络架构与卫星网络互通等9个用于无线网络增强的技术方向，以及2个面向终端的技术方向，为6G整体技术支持因素、概念奠定了基础。 6GIMT愿景建议书在用例、应用趋势、应用场景以及彼此的关系展开广泛的讨论，并将逐步开展6G关键能力、演进目标等议题。有关6G愿景研究将在2023年世界无线电通信大会（WRC-23）之前完成，届时由各国、业内组织、企业共同商讨的6G愿景建议书，将作为下一代移动通信工作开展的关键指南。 无论是未来技术趋势报告，还是愿景建议书，相比于5G研究计划，6G规 划节奏均有提前，各成员单位及外部组织输入空前踊跃积极。同时ITU-RWP5D对6G关键时间线及工作计划展开热烈的讨论，目前已明确将在2030年发布6G移动通信全球核心标准，6G总体时间表也计划将于2023年7月完成。 在网络方面，ITU-T负责电信标准的SG13工作组在2022年~2023年研究周期开展了多项IMT-2030网络架构及关键技术的标准化工作，包括确定性网络技术、天地融合网络技术、算力网络技术、意图网络技术、人工智能技术、区块链安全技术等。ITU-T已经开始布局算力网络、云网协同、天地一体化等新兴技术方向，提前储备5G-A和6G关键使能技术。 （2）3GPP 2020年7月3GPPR16标准冻结后，受全球疫情影响，原计划2021年底完 成冻结的R17，推迟到2022年6月冻结。根据3GPP2019年公布的时间表来看，已经于2023年开启对于6G的研究，并将在2025年下半年开始对6G技术进行标准化，预计将在2028年上半年完成6G标准的制定，至2028年下半年将会有6G设备产品面市。3GPP目前已正在着手制定5GR18标准，是首个定义为 5G-Advanced的标准版本，行业内预计从2026年开始将启动首个6G标准R21 的制定，到2030年将冻结R23版本。 （3）IMT-2030 当前，随着5G规模化商用进入快车道，世界主要国家和地区纷纷启动6G研究。我国高度重视6G发展，“十四五”规划纲要明确提出要“前瞻布局6G网络技术储备”。2019年6月，IMT-2030(6G)推进组在工业和信息化部等部委指导下成立，超过70家国内外企业、高校及科研机构参与，积极推进6G愿景需求研究、关键技术研发、标准研制、国际合作交流及社会经济影响研究等各项工作。 IMT-2030（6G）推进组于2021年6月发布《6G总体愿景与潜在关键技术》白皮书，提出沉浸式云XR、全息通信、感官互联、智慧交互、通信感知、普惠智能、数字孪生、全域覆盖共八大应用场景，展望了内生智能的新型网络、增强 型无线空口技术、新物理维度无线传输技术、太赫兹与可见光通信技术、通信感知一体化、分布式自治网络架构、确定性网络、算力感知网络、星地一体融合组网、支持多模信任的网络内生安全共十大关键技术方向。 2021年9月，IMT-2030推进组进一步召开了以“6G愿景展望”为主题的6G研讨会，围绕6G无线融合通信及新频段技术、6G新物理维度及技术研究、6G网络架构与技术等三个领域进行了10场技术主题研讨，并发布了《6G网络架构愿景与关键技术展望》白皮书，以及《超大规模天线技术》等6份研究报告。 1.2业务场景需求 2021年6月，IMT-2030(6G)推进组发布《6G总体愿景与潜在关键技术》， 创新提出6G潜在业务应用，呈现沉浸化、智能化和全域化特点，分析总结出6G 网络具有如下业务场景需求，共有五大应用场景和八大应用需求： （1）超级无线宽带 超级无线宽带是增强移动宽带（enhancedMobileBroadband，eMBB）的演 进和扩展，不仅将极大提升以人为中心的沉浸式通信体验，也将在全球任意地点 实现无缝覆盖。超级无线宽带场景将广泛应用于生活、生产、工作、教育、娱乐 等多个领域，提升人们的生活质量和工作效率。在热点部署的场景下，以人为 中心的通信和以机器为中心的通信均对峰值速率、用户体验速率、系统容量、频 谱效率提出更高的要求。此外，6G网络还需要提供低时延和高稳定性以保障用户体验。 1）沉浸式云XR XR（extendedreality，扩展现实）业务不断向超高清、3D、浸入式、实时交互方向发展。XR将从信息娱乐、远程教育等切入，替代面对面服务，同时逐步扩展到智慧安防、智慧城市、智慧工厂、数据中心等领域，助力各行业数字化 3 转型。未来云化XR系统将实现用户和环境的语音交互、手势交互、头部交互、 眼球交互等复杂业务，需要在相对确定的系统环境下实现低时延与超高带宽，才能为用户带来极致体验。 此外，云化XR技术中的内容上云、渲染上云、空间计算上云等将显著降低XR终端设备的计算负荷和能耗，XR终端设备将变得更轻便、更智能、更利于商业化。但同时，终端功率受限问题将更加突出，未来终端需要重点研究绿色低功耗方案。 2）全息通信 预计未来，随着6G网络能力的提升，以及高分辨率终端显示设备的发展， 全息通信将自然逼真地还原多维度信息，实现人、物及其周边环境的三维动态交 互通信，塑造智能沟通、高效学习、协同办公、健康生活、自由娱乐等生活新形 态。全息通信将广泛应用于文化娱乐、医疗健康、教育、社会生产等众多领域， 使人们不受时间、空间的限制，打通虚拟场景与真实场景的界限，使用户享受身 临其境般的极致沉浸感体验。全息通信要求网络支持实现大尺寸、高分辨率的全 息显示数据传输，并行承载上千个并发数据流，同时保证全息交互的实时性，其 对峰值速率、低时延等网络指标均提出了较高要求。 3）感官互联 感官信息（即视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉）的有效传输将成为通信业务 的重要组成部分，感官互联有可能成为未来通信的重要方式之一，将广泛应用于 医疗健康、技能学习、娱乐生活、工业机械、道路交通、办公生产和情感交互等领域。用于工业场景的远程操控需要非常精确的动作控制，对时延有较高要求。触觉反馈的交互式VR、UAV遥控等应用需要与目标物体之间实现频繁交互并同步反馈多感官信息，6G网络需要为多感官交互应用提供平滑、可靠的连接。 （2）超大规模连接 超大规模连接将在5G海量物联网通信（massiveMachineType Communication，mMTC）基础上，拓展全新的应用领域和能力边界。超大规模 连接的对象将包括部署在智慧城市、智慧生活、智慧交通、智慧农业、智能制造等场景的各类设备，典型应用包括远程抄表、环境监测、智能灯杆互连等。此外，未来数字孪生世界将通过部署大量传感器，实现对日常生活中各类设备的数据采集及传输，并通过建模、推演、决策等环节与物理世界交互。 超大规模连接的场景特点是连网设备数量巨大，但其中大部分可能仅产生零星散发的流量。与5G中仅支持大规模设备的低速率传输相比，6G超大规模连 接设备的传输速率将从低到高不等。数据包的传递频次根据具体应用也存在较大 差异，例如从一天一次到几毫秒一次不等。此外，具备不同采集能力的传感器其 寿命也存在较大差异。这一场景在某些用例下也需要支持高精度定位、高可靠性 和低时延能力。 1）数字孪生 随着感知、通信和人工智能技术的不断发展，物理世界中的实体或过程将在 数字世界中得到数字化镜像复制，人与人、人与物、物与物之间可以凭借数字世 界中的映射实现智能交互。未来6G时代将进入虚拟化的孪生数字世界，应用领 域包括：工业领域的数字域优化产品设计，城市领域的城市数据大脑建设，医疗 领域的数字孪生人，农业领域的生产过程模拟和推演，网络管理领域的数字孪生 网管等。以数字孪生城市为例，基于海量传感器、高清视频监控、无线感知等手 段采集数据并进行高精度模拟，能够实现对数字城市的监测、诊断、预测，从 而辅助对物理城市的精细化管控，助力构建新型智慧城市。 （3）极其可靠通信 极其可靠通信将在低时延高可靠通信（UltraReliableLowLatencyCommunication，URLLC）的基础上进一步增强能力。典型应用包括智能化工业领域的机器人协作、无人机群和各种人机实时交互操作，智能交通系统中的全功能自动驾驶，精准医疗中的个性化“数字人”及远程医疗手术，以及智慧能源、 智能家居领域的应用等。除更低时延和更高可靠性要求外，机器协同交互类应用 对抖动、时间同步、稳定性等确定性指标也提出了极高需求，同时需要具备中高速数据传输和超高精度定位的能力。为此，6G网络设计需要考虑多维度性能需求。 1）机器控制 未来协作式机器控制系统将基于生产作业流程，实现人机物与环境的多维度协作。协作式机器控制将从智慧工厂切入，逐步扩展到智慧农业、智慧城市、智 慧交通、智慧能源等领域，从封闭