黄宇红：面向6G天地一体的路径思考和核心技术攻关

面向6G天地一体的路径思考和核心技术攻关 黄宇红 中国移动研究院院长、中关村泛联院常务副院长 2023.05 党和国家高度重视，密集出台政策推进卫星互联网发展，产学研用各方积极投入，技术产业发展迅速 面向天地一体，国家大力推进卫星互联网发展 中央指示 中央部委及各地政府 •习近平总书记在2021年十九届中央政治局第三十四次集体学习讲话强调,“加快建设高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性数字信息基础设施” •2020年4月，发改委首次明确将卫星互联网纳入新基建设施范畴 •2021年，工信部“十四五”信息通信行业发展规划“完善高中低轨卫星网络协调布局，实现5G地面蜂窝通信和卫星通信融合，初步建成覆盖全球的卫星信息网络，开展卫星通信应用开发和试点示范” •北京、上海、雄安等多地出台政策支持卫星互联网相关产业的发展 •IMT-2020(5G)工作组：2023年4月成立NTN工作组，加强卫星互联网技术和标准研究，推进卫星互联网产业发展 •运营商：2022年中国移动、中国电信先后完成5GNTN外场测试，全面验证手机直连卫星能力;中国移动联合兵器集团完成5G与北斗短报文融合互通 •网络设备：中兴、华为、中信科积极支持NTN，并完成NTN基站样机研制与外场测试 •芯片终端：联发科、展锐完成NTN芯片研制，OPPO、VIVO完成测试终端研制 •卫星公司：开展大规模相控阵天线、激光星间链路研究，支撑卫星互联网发展 全球天地一体进入全新快速发展阶段，管制机构、卫星及地面设备厂商和运营商巨头纷纷入场。一是加速制定天地频率共享政策，二是推进手机直连卫星端到端能力构建和启动商用 全球高度关注基于手机直连、星地融合的天地一体 卫星频率补充地面网络： •2023年2月，西班牙授权Globalstar基于其卫星移动通信频谱提供互补的地面服务； 地面频率补充卫星网络： •2023年3月，FCC通过地面频谱共享的提案，为手机直连卫星提供政策支持 国际试点进展： 基于卫星私有协议： •泰雷兹、高通、爱立信启动5G太空项目，利用低轨卫星开展NTN试验 •西班牙公司Sateliot成功完成基于R17标准IOTNTN测试，并获得欧洲航天局认可 •SpaceX和T-Mobile成立技术联盟，开展“手机直连卫星”研究测试 •AST与AT&T合作，完成基于存量手机直连卫星的双向语音通话测试 •高通与荣耀、OPPO、vivo和小米合作，支持手机厂商开发具备卫星 通信功能的智能手机 基于3GPPNTN协议： •英国手机公司Bullitt推出IoTNTN智能手机 •华为、苹果手机支持卫星通信功能 蜂窝终端 蜂窝核心网 卫星终端 地球站 互通网关 组网架构 天地互联 阶段 GEOMEO LEO 透明转发基站+核心网基站+核心网 上星上星 NTN基站 手机终端 大网基站 星间链路 中国移动积极开展天地一体技术攻关、标准推进和产业合作（1/3） 天地融合一体 卫星与地面网络互通，或卫星网络作为地面网络回传通道 关键特征 卫星与地面网络在架构、空口、频率、多轨等方面融合，最终实现空天地一体， 为用户提供终端无感知服务 主导北斗短报文与地面网互通系列行标立项与制定 标准推进 依托3GPP/ITU-T/CCSA国际国内标准，主导天地一体化标准体系建设 •主导3GPP/CCSANTN标准制定：240+3GPP提案，10+CCSA行标立项 •牵头构建ITU全球首个“固定、移动、卫星融合”国际标准体系 •联合中国兵器工业集团完成5G与北斗短报文融合，实现天地互通 •依托清华-中国移动联合研究院，创新研发天地一体化智能活动基站 技术创新 面向星地大时空尺度多层异构网络，加速星地资源协调和管控能力深度融合攻关 •无线空口：超远距离和超高速移动传输增强、移动性管理增强、跳波束覆盖增强、空时频资源调度、星地融合组网、基站上星架构 •网络架构：分布式自治架构、算力融合网络、基于统一IP基座的组网路由 中国移动积极承担国家任务，加强与高校、企业联合攻关，并通过协同创新基地建设，深化创新联盟建设，攻关天地一体“硬骨头”，提升产业协同力，加速打造开放健壮生态 中国移动积极开展天地一体技术攻关、标准推进和产业合作（2/3） 高校载体 协同创新基地 国家平台 ++ 聚力攻关，加速技术突破 积厚成势，铸造“国之重器” 融通带动，引领产业发展 •目标：打造面向未来的“中轨+低轨 +地面3in1”天地一体网络 网、资源、系统和设备等五大融合创新，攻关一批核心技术，引领一批产品，打造一套中低轨协同技术创新实验平台 •举措：联合清华等高校聚焦协议、组 •目标：搭建空天地一体化网络实验室，为产业提供重大科学试验装置和联合创新平台 •举措：构建空天地一体化实验室与在轨测试环境，协同产、学、研、用合作伙伴打造空天地一体化重大技术策源之地、科技成果转化之地 •目标：构建畅通高效、协作共享、融合开放的NTN合作链，加快NTN技术及产业成熟 •举措：集聚产业力量，加快NTN性能提升、产品研制、试点验证、提供商用组网解决方案，构建开放共荣生态 中国移动积极开展天地一体技术攻关、标准推进和产业合作（3/3） 中国移动率先完成全球首个运营商5GNTN技术外场验证以及我国首款5GNTN手机终端直连卫星实验室验证， 2022.8 运营商5GIoTNTN终端直连卫星技术外场验证 2023.5 5GIoTNTN手机直连卫星实验室验证 率先开展5G手机直连高轨卫星能力验证 扩容量 •上行极致子载波（3.75kHz） •终端高功率（26dBm） 上行容量~2倍 降时延 •定制化SPS上行预调度 消息时延3.5s@60字节降低~0.5秒 提速率 •TBSize增强 •定制化HARQ反馈关闭 上行速率~1.3kbps 20%提升 下行速率~2.2kbps 100%提升 同步准备手机直连低轨卫星能力验证 卫星 NRNTNR17端到端实验室测试 构建产业生态，加速NRNTN产品研发 NTN终端 信关站天线 NTN基站地面核心网业务服务器 6G天地一体愿景目标、关键技术及路径 6G天地一体服务目标：终端融合一体，连接全球无缝 天地一体网络将面向偏远地区、海洋、航空等泛在立体空间提供全场景融合的新服务： 大众手机直连服务、行业终端直接物联服务和各类应急保连接服务 连接泛在场景泛在 实现偏远地区、海洋、航空等陆海空全域立体覆盖服务 大众市场：短信、语音、上网、感知等手机直连卫星服务 行业市场：窄带、宽带物联网等终端直连卫星服务 应急市场：个人、公众、专业应急等极端情况下的保连接服务 海面通信 民航 应急通信 卫星物联网 偏远地区 跨国通信 手机直连 6G天地一体将实现卫星和地面在技术、标准、产业和应用的全方位融合，使得客户可以在使用同一个应用时，通过同一部终端，在全球任何地方都能够获得服务，最大化客户利益， 提高卫星互联网价值，做大卫星互联网产业 6G天地一体目标：技术融合、标准融合、产业融合、应用融合 GEO 四大融合关键技术 架构融合 四大核心能力 统一终端、一体服务赋能千行百业 个人通信 智慧交通 空MEO 间 段 LEO 地UE 面 段 空口融合立体 泛在通信 感知 算力协同 导航定位 频率融合 航空互联网 海洋互联网 智慧农业 蜂窝网络 卫星网络 多轨融合 一带一路 智慧教育 智慧工业 架构融合：高效协同，锻造动态实时、无缝切换的一体化网络 通过架构融合，实现星地覆盖、资源、调度等高效协同，最大化网络效率，降低网络成本，同时实现无缝的星地切换能力，保障业务连续性和用户体验 飞机 无 轮船缝 ... 切换 透明转发模式 地面NTN基站 波束协同 星间链路 调度协同 星地交 统一核叠 星上网元 •透明转发与再生模式混合组网 •星上网元可包括gNB-DU、gNB、UPF、核心网中的一种或几种 卫星独立覆盖区域 •兼容透明转发与再生模式的星地融合无线组网架构设计 •保障业务连续性的星地融合高效协同技术 •集中和分布协同的自治网络架构设计 •与星座构型解耦的动态新型路由 手机终端 郊区卫星打底网 覆盖协同 大网基站城区地面蜂窝网 地面基站 心网带 星地网络异构且差异大 星地网络架格存在挑战 卫星网络拓扑高速动态变化 星地协同无线组网、动态路由等存在挑战 单星重量、体积、功耗受限 单星通信网元、算力的部署存在挑战 架构融合创新技术：星地智能动态协作的高效新型无线组网架构 提出星地智能动态协作网元，使天地一体网络兼容透明转发与再生模式，并实现动态感知、快速交互、统筹调度、协同控制，在降低星地协同复杂度的同时，保障服务质量 地面基站 星地智能动态协作网元 协同链路 无线连接层 网络动态配置 通过星地智能动态协作网元，梳理星地邻区关系，实现卫星网络节点与地面网络节点间接口按需动态自动配置，实现高效星地协同组网 高效资源调度 通过星地智能动态协作网元，面向业务实现卫星与地面网络的统一资源调度，实现覆盖快速切换、业务负荷均衡、智能干扰规避等 提出天地一体分布式自治网络架构，从“集中”向“集中+分布协同”转变，支持融合动态网络新型路由，奠定未来天地一体化网络部署基础 融合自治网络架构 提出面向分布式自治、弹性可重构的天地一体融合网络架构，完成核心网分布式部署，解决单星受限难题 融合动态网络新型路由: 基于卫星运动轨迹划分地表区块，构造层次化的IPv6编制，实现编址与移动性解耦，避免用户IP地址频繁切换和网关地址转换，保持动态连接下地址的稳定性 架构融合创新技术：集中和分布协同的自治网络架构 空口融合：统一空口，最大化保持技术体系一致 以5G/6G地面网络技术为基础，兼顾卫星和地面传输的差异性，形成统一融合的空口协议设计，满足地面与卫星通信的联合需求，最大化保持技术体系一致，为融合的网络及终端产业生态奠定技术基础 动态波束管理技术 基于业务特征的最优接入及资源管理技术 快速接入技术 终端位置感知技术 高动态拓扑网络移动性管理 馈电链路群切换 符号级波束调度及控制技术 端星地三方时间精准同步技术 面向补充覆盖、业务协同、绿色节能的灵活波束管理技术 星间与星地网络快速切换 多波束扫描场景的快速接入技术 最优资源分配技术 基于QoS的最优接入选择技术 高层关键技术 星地传输信道环境差异大 大时延、多普勒频偏 接入网络拓扑高速动态变化 超远距离和超高速移动传输技术 基本物理层技术 统一波形技术 激光及太赫兹通信技术 统一多址方式 信道测量、设计、建模 统一双工模式 大尺度覆盖增强技术 高动态多普勒频移补偿技术 高精准时频同步技术 物理层关键技术 快速频繁切换 卫星硬件及平台能力限制 天线、功耗、重量受限 超大规模相控阵天线技术 激光星间链路 低成本、小型化地面终端天线 硬件关键技术 手机等终端一体化设计 低成本、低功耗 中国移动重点关注 中国移动提出基于地面控制的卫星波束管理全新技术路径，研究突破星地交互动态关系构建、端星地三方精准波束控制同步等核心技术。该路径具有较大价值：一是通过使能地面网络深度参与卫星资源的管理调度来提高星地协同覆盖效果，二是通过提高透明转发架构的性能降低星上基站的数量，有效降低星座建设成本 空口融合创新技术：地面控制的灵活卫星波束管理技术 波束管理信息交互：星地动态关系构建波束控制：端星地三方精准同步 ：星地间缺乏按需、动态建立的连接能力支持实时、高效波束信息交互 ：提出基于馈电链路的星地Xn动态增强接口，地面基站可以控制卫星波束的指向及覆盖区域 ：实现星地间面向协同覆盖场景需求的实时波 束控制 ：现有3GPPNTN技术基于透明转发架构，只能支持凝视或者平扫波束，无法灵活跳变适应星下动态变化的业务需求，频谱利用率及整星容量较低 ：提出基于轻量化带内接收指令的波束控制机制，与地面基站调度器配合，解决地面发送的波束