2023星地融合通信白皮书

星地白融皮合书通信 本白皮书版权专属中信科移动通信技术股份有限公司（以下简称“中信科移动”）所有，并受法律保护。如需基于非商业目的引用、转载、传播或以其他方式合理使用本白皮书的全部或部分内容，应完整注明来源。违反前述声明者，中信科移动将追究其法律和商业道德之责任。 CONTENTS 目录 第一章：引言02 5.3移动性管理21 第二章：驱动力、需求与应用场景04 2.1星地融合通信驱动力05 2.2星地融合通信的典型应用场景06 2.3星地融合通信愿景07 5.4 5.3.1星间切换21 5.3.2终端位置管理与寻呼21 5.3.3漫游22 网络与安全技术23 5.4.1网络功能的柔性部署23 第三章：关键指标和技术挑战08 5.4.2切片技术23 3.1关键技术指标09 3.2主要技术挑战11 3.3手机直连卫星的关键指标和主要挑战12 5.4.3网络虚拟化23 5.4.4边缘计算24 5.4.5广播和组播技术25 第四章：发展路径13 第五章：星地融合通信关键技术16 5.1网络架构与组网方式17 5.4.6安全26 5.4.7路由26 5.5星地频谱共享及干扰规避28 5.6实现优化技术28 5.2星地融合通信空口 18第六章：标准和技术验证推进29 5.2.1双工方式 1830 5.2.2波形与多址技术 5.2.3波束管理 19总结与展望 19缩略语31 5.2.4链路与覆盖增强 5.2.5终端定位 20参考文献3320 引言 FOREWORD 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 星地融合通信 的军事价值也在不断地体现出来。在手机直连卫星方面，ASTSpaceMobile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5GNTN的卫星通信系统，苹果公司也表示APPLEWatch、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。 03 2 驱动力、需求与应用场景 DRIVINGFORCE,REQUIREMENTSANDAPPLICATIONSCENARIOS 星地融合通信 2.1星地融合通信驱动力 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。 05 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。 2.2星地融合通信的典型应用场景 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。 06 星地融合通信 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]。 高轨 卫星节点 低轨 卫星节点 临空网络节点 智能网络管理 与编排系统 卫星互联网地面网络 图1-星地融合的立体网络 地面蜂窝网络 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。 07 关键技术指标和技术挑战 KEYPERFORMANCEINDICATORSANDTECHNICALCHALLENGES 3.1关键技术指标 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[5][6][7]，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10～50Mbps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50～1000Mbps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1.1～11ms和2.3～23ms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1～2ms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