中国联通天地一体融合通信愿景白皮书

中国联通天地一体融合通信愿景白皮书 1 中国联通2023年10月 目录 1发展需求与现状分析2 1.1天地一体发展需求2 1.2天地一体化的发展现状2 1.3应用场景和发展预测3 1.3.1深井型价值应用场景3 1.3.2海量型价值应用场景4 1.4标准研究现状5 2发展路径与愿景目标8 2.1天地一体融合通信发展路径8 2.2天地一体融合通信愿景8 3关键技术问题分析12 3.1网络架构与组网模式12 3.2频率规则及频谱方案研究14 3.2.1手机直连的频率14 3.2.2频谱方案研究15 3.3无线技术16 3.3.1信道模型16 3.3.2链路预算16 3.3.3关键技术17 3.4终端技术18 3.5QoS保障20 3.6跨国业务实现21 4总结与展望22 1发展需求与现状分析 1.1天地一体发展需求 近年来，低轨（LEO）卫星互联网的迅猛发展，不仅对传统卫星通信产生了巨大的冲击，还对传统地面移动通信技术的发展提出了新的挑战。宽带卫星互联网融合卫星网络和地面网络，已经成为无线通信领域的新焦点和新赛道。为了应对低轨宽带卫星互联网的国际竞争，也为了在后续卫星互联网发展占频保轨，我国在积极推动天地一体加速发展。 国家政策上，国务院立足国际竞争和国家安全，在“十四五”系列规划中提出建设高速泛在、天地一体网络，加速构建天地一体基础设施；发改委从战略新兴产业发展的角度，将卫星互联网纳入“新基建”；工信部则强调天地一体深度融合，推进卫星通信系统与地面信息通信系统深度融合。地方政府层面，国内多个省份10 余个地方政府将空天信息产业、卫星应用及卫星互联网产业划为重点，提出了具体的发展目标及相关政策举措。 从技术发展上看，卫星制造、卫星发射和卫星通信技术的迅速发展，为天地一体的发展准备了条件。首先，卫星制造技术和卫星发射技术，如一箭多星、火箭回收等，极大降低了卫星制造和卫星发射技术的成本，为建设大规模低轨卫星星座提供了有力支撑。其次，星上处理、星间链路和相控阵等先进的卫星通信技术则为终端直联卫星实现宽带通信提供了技术基础。最后，3GPP等标准组织针对卫星通信特点进行了时频同步和移动性等研究，制定了一系列的解决方案逐步推进地面网络和卫星网络形成深度融合。 从通信市场与业务发展看，大众用户 和行业用户对星地融合的天地一体通信需求也越来越强烈。大众用户面向个人移动通信需求不断演进，期待实现无缝覆盖与随时随地接入；行业用户面向应急、交通、海洋覆盖、泛在低空等场景，也需要通过天地一体化的网络提供泛在连接。 1.2天地一体化的发展现状 海外低轨卫星互联网应用已初具规模。当前以SpaceX、ASTSpaceMobile和Lynk为代表的卫星公司，纷纷部署低轨卫星互联网建设，并积极探索手机直连，与多个国家和地区的移动运营商建立合作伙伴关 系。SpaceX与美国的T-Mobile、澳大利亚Optus等运营商合作，推出星链直连手机业务；ASTSpaceMobile公司与美国AT&T运营商合作，通过使用BlueWalker3卫星，实现双向语音通话；Lynk已与全球30多个移动通信运营商签订了手机直连卫星服务商业协议。 除运营商以外，地面终端产业链也在积极推动卫星应用。苹果公司与GlobalStar合作，为iPhone14系列、15系列提供紧急SOS技术；高通也宣布与铱星合作，为智能手机提供卫星服务。 我国尽管是世界第二大在轨有效卫星的拥有国，但低轨通信卫星和国际一流水平尚有差距，处在积极发展、积极追赶的阶段。在卫星星座建设方面，当前已有多家卫星公司提出低轨星座计划；地面运营商积极开展天地一体关键技术研究及技术验证，探索演进方向；终端产业链也在积极寻求卫星通信解决方案，目前华为Mate60系列手机已基于高轨卫星实现卫星短报文/语音业务。 1.3应用场景和发展预测 借鉴顾客价值定位理论，从市场规模和对卫星的需求刚性两个维度对天地一体各类应用场景进行评估，将其分为浅层型、海量型、深井型、低储量四个类型价值业务。运营商可重点挖掘需求刚性高、市场空间大的深井型和海量型两大类应用场景，在高价值领域打造高品质的天地一体融合 通信业务。 图1-1天地一体融合业务场景分类 1.3.1深井型价值应用场景 深井型价值应用场景对卫星通信依赖性较高，属于天地一体融合通信业务的刚需型场景，主要应用场景包括： 应急救灾场景 应急救灾是最为刚性的应用场景之一。天地一体网络利用空天的独立通信和抗毁能力，不依赖地面通信网络和电力系统而独立工作，在应急救灾领域具有不可替代的独特优势。传统应急救灾场景主要包括为应急部门提供应急通信、灾害预警、救援等。随着低轨星座部署及终端直连技术的发展，应急通信服务对象有望从B端转向C端用户，网络通信容量的不断提升将更好的支持高并发场景的个人应急通信场景实现。2022年全国受灾1.12亿人次，约占总人口的10%，按应急通信服务费和渗透率估算，个人客户应急通信市场规模可达140亿元/年。 大型交通工具场景 大型交通工具场景主要是在民航客机、远洋游轮、国际列车等交通工具上借助天 地一体网络的全球无缝覆盖特性，让舱内用户无论在天上、海里、深山中都能随时随地通过WiFi接入享受通信服务，保障用户服务连续性；随着手机直连卫星技术的成熟，实现舱内与地面通信一样的服务体验。数据显示，目前我国民航机载WIFI普及率仅为5%，商业化运营大有可为。2022年底，我国民航飞机架数为4165架，预计到2030年以机载WiFi渗透率和每架飞机流量费估算，机载通信费用规模有望超20亿元/年。再加上远洋游轮、国际列车等卫星通信场景，大型交通工具通信需求有望为运营商带来约百亿级市场增量。 海洋覆盖场景 海洋覆盖场景将是未来天地一体业务的广阔蓝海市场。当前中远海网络覆盖不足是制约智慧海洋发展的瓶颈，随着天地一体网络的成熟中远海覆盖盲区消弭，智慧海洋应用将加速普及。海洋覆盖场景涉及渔业、能源、旅游、执法、观测等多个垂直行业领域。其中近海旅游、海水养殖、海洋执法多为高并发、大带宽常态连接业务需求，而中远海风电场、油气平台、海上牧场多为基础语音和数据通信需求。在政企端市场空间最大的场景为海洋渔业及海洋能源，据估算ICT信息化市场规模可达百亿级。在个人客户端市场空间较大的场景主要有滨海旅游、渔民、船员通信等，这些领域也有望带来百亿级的市场增长空间。 偏远陆地场景 偏远陆地覆盖主要针对沙漠、森林、草原、高山等野外无人区域进行补盲，面向野外施工的工人、草原放牧的牧民、喜好户外旅行的深度驴友等对野外通信需求较高的个人用户群体，提供“无所不在”的泛在通信服务。据有关数据测算，目前野外施工人群约500万，牧民约800万， 深度驴友约600万，天地一体个人通信刚 需群体规模约2000万，按卫星通信流量费 估算刚需群体的市场规模约为120亿元/年。随着技术的不断发展，卫星通信功能将融入更多的智能手机中，为更多公众客户在偏远场景提供更广泛的通信选择，将有望为运营商带来新增长级。 1.3.2海量型价值应用场景 海量型价值应用场景属于新兴市场，可扩展空间规模大，有望带来较可观的收益，主要应用场景包括： 车联网场景 卫星车联网主要可应用在无人驾驶、房车旅行、部件远程管理等民用场景及战车、指挥车等军用场景。由于车联网包括车与人、路、网络等多要素的有机联系，对数据管理和网络的复杂性、灵活性、健壮性要求更高。天地一体网络广覆盖、低时延、高可靠等特点可高效无缝为车联网处理海量数据、提供高精度定位、全自动化保障，提升复杂环境的感知能力。数据显示，未来10年我国低轨星座+车联网的设备和运营市场整体行业规模预计可达近 三千亿元，其中运营服务超1600亿元。截 至今年6月底我国汽车保有量3.28亿辆， 预估到2030年以卫星车载通信渗透率和车载套餐费用估算，车联网通信费用规模可达230亿元/年。 泛在低空网联场景 泛在低空网联场景主要包括无人机物流、娱乐直播等商业应用场景和应急指挥调度、信息采集报送等救灾民生场景。天地一体网络可有效弥补地面通信基站覆盖的不足，在偏远地区为低空飞行器提供无缝覆盖的网络，保障更加稳定的飞行服务。随着终端直连技术成熟，通过复用地面终端产业链，可解决当前终端模组成本高、体积大、功耗大的缺点，为小型无人机应用带来新发展空间。据预测，2025年运营商可主导参与的低空市场规模达360亿元。 截至今年8月，国内实名登记的民用无人 机已超110万架，以现阶段蜂窝网物联网产品价格预估，2030年民用无人机终端直连卫星通信费用规模约为6亿元/年。 运营商出海国际业务场景 随着天地一体网络的形成，提供出海国际通信业务可成为运营商的增量应用场景。该场景不仅可面向国外旅行、海外短期工作等高价值用户提供境外漫游服务；同时可面向一带一路、非洲等欠发达地区及国家开展盲区覆盖，提供通信运营服务。2019年出境游人数达1.55亿人次，预计到 2030年按单次出境流量费和手机直连渗透率比例进行估算，市场规模近百亿元。由 于境外卫星业务落地权的获取是运营商出海业务发展的关键，可优先面向一带一路国家与目标落地国协调政策，突破关键环节打造示范后推动大规模应用。当前一带一路国家约44亿人口，以用户渗透率和通信月资费进行估算，则每年通信市场规模将达数千亿元。 1.4标准研究现状 天地一体化网络融合地面网络和卫星通信，能够提供更加广阔和多样化的通信服务。但长期以来，卫星通信与地面移动通信系统独立组网，标准体制、架构协议等方面存在高度差异性，各卫星体系之间间仍保持一定独立性，不利于未来天地一体无缝覆盖网络的建设。ITU、3GPP、CCSA、ETSI、SaT5G等国内外标准组织或联盟纷纷投入空天地一体化网络的研究中，积极推进5G星地融合技术发展和相关标准制定，解决卫星网络与5G点网络融合的标准化问题，为卫星互联网产业的标准演进做出了巨大贡献，也将为6G星地融合研究奠定了技术基础。 ITU 国际电信联盟（ITU）是联合国主管信息通信技术事务的专门机构，主要负责全球卫星轨道和频谱资源的分配和管理，以及卫星业务、场景需求的研究。ITU-RSG1频谱管理组负责无线电频谱资源和卫星轨道的全球资源的研究和管理，探索新的可用频率，进行全球无线电频谱和卫星轨道 划分，规划和协调卫星频轨资源分配。世界无线电通信大会（WRC）由国际电信联盟 （ITU）发起，对频谱分配的引领作用，并为全球的移动通信发展提供基础资源保证。在卫星标准化工作方面，主要在ITU-TSG13和ITU-RSG4两个研究组开展研究工作。ITU-TSG13工作组2020年开面向IMT-2020的固移卫网络融合课题研究，重点研究固移卫网络融合需求、框架、移动性和连接管理等方面；2023年4月，启动面向IMT-2030的6G空天地一体化标准研究。ITU-RSG4（卫星业务研究组）制定卫星网络覆盖的业务类型及典型应用场景、定义卫星通信与5G结合需解决的核心问题等。在2015年发布的5G愿景建议书中明确提出了5G地面网络与卫星网络相互协同合作，为用户提供随时随地服务的愿景；2019年7月发布的ReportITU-RM.2460“卫星系统融入下一代接入技术的关键因素”中阐明了5G卫星网络的常见应用场景包括中继到站、小区回传、动中通或者混合多播；2022年9月，ITU-R发布“5G卫星无线电接口愿景与需求报告书”并制定5G卫星的三大主要应用场景要求：增强移动宽带，海量机器类通信和高可靠通信， 5G卫星标准化相关工作稳步推进。 3GPP 3GPP是5G标准化组织，聚焦于5G地面移动技术和卫星通信系统的融合，开展NTN标准化的研究，把卫星通信纳入5G网络，解决5G空口支持NTN的关键问题。 3GPPR14正式启动对NTN（non-terrestrialnetwork，非地面网络）的研究，R14版本的TS22.261中，将卫星作为5G接入技术的一个分支，探讨卫星在5G系统的应用。R15定义了NTN网络部署场景及信道模型，评