【中移智库】面向6G的天地一体融合网络技术白皮书2024

中移智库 面向6G的天地一体融合网络技术白皮书 （2024年） 发布单位：中移智库 编制单位：中国移动通信研究院 前言 近年来，全球天地一体技术研究及应用进入全新快速发展阶段。各国卫星和地面移动通信巨头在政策、市场需求推动下开展实质性合作，促进天地产业的快速发展，加速了天地一体融合网络的成熟和商用。我国相继出台相关政策积极推进卫星互联网建设，加快推动地面移动通信与卫星通信向天地一体化发展。 中移智库 本白皮书针对面向6G的天地一体融合网络，提出“一体架构”、“统一高效”、“动态灵活”、“一网多能”四大技术体系，并对天地一体融合组网的应用场景、愿景及目标、挑战和系列创新技术进行了阐述。本白皮书希望联合广大产业合作伙伴，从技术攻关、标准制定、产业推进和生态构建四个方面推进天地一体融合网络技术的发展和成熟。 本白皮书由中国移动通信研究院（新一代移动信息通信技术国家工程研究中心）、中兴通讯股份有限公司、中信科移动通信技术股份有限公司、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、武汉大学共同编制，由清华大学-中国移动联合研究院提供技术指导。未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本建议之部分或全部内容。 联合编写单位及作者 中国移动通信研究院（新一代移动信息通信技术国家工程研究中心）主编 丁海煜、邓伟、程锦霞、张龙、马克、崔诗雨、翁玮文、赵琳、杜琴、刘京、王桂英、邓平科、施南翔 参与编写单位（排名不分先后） 中移智库 中兴通讯股份有限公司：郝瑞晶、朱和合、田开波、亓涓、周晓强中信科移动通信技术股份有限公司：孙韶辉、康绍莉、缪德山、徐晖、汪永明、韩波、侯利明、关鹃 哈尔滨工业大学：王振永、李德志、邱实、周文杰北京航空航天大学：肖振宇、耿宇晖、杨峻一 武汉大学：王密、徐彦彦、仵倩玉 技术指导单位 清华大学-中国移动联合研究院 目录 1天地一体融合网络应用场景6 1.1大众手机直连卫星服务6 1.2行业终端直连卫星服务7 1.3应急救援保障服务7 2天地一体融合网络愿景及目标9 3天地一体融合网络技术挑战11 3.1网络拓扑高速动态变化11 3.2星地信道环境差异巨大11 3.3星地网络各自独立组网11 3.4星上网元平台能力受限12 3.5通感算异构网融合困难12 中移智库 4天地一体融合网络创新技术13 4.1一体架构14 4.1.1集中和分布协同的自治网络架构14 4.1.2智能动态协作的新型无线组网架构15 4.2统一高效16 4.2.1统一空口16 4.2.2统一频率18 4.3动态灵活19 4.3.1灵活波束管理19 4.3.2统一资源调度21 4.3.3弹性多轨组网22 4.4一网多能22 4.4.1感知融合23 4.4.2算力融合23 4.4.3测控融合24 5天地一体融合网络技术发展倡议26 缩略语列表28 参考文献29 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时强调,“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”。“天地一体”成为数字信息技术和网络发展的重要目标。政府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，产业发展迅速。 中移智库 国际上天地一体技术研究及应用也进入了全新快速发展阶段。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。2023年4月，FCC启动了地面频谱共享的提案，为手机直连卫星提供政策支持。二是推进手机直连卫星端到端能力构建和启动商用试点，如泰雷兹、高通、爱立信启动5G太空项目，利用低轨卫星开展NTN试验；SpaceX和T-Mobile成立技术联盟，开展手机直连卫星研究测试。 中国移动积极开展手机直连、天地融合技术攻关、标准推进和产业合作。2022年8月，中国移动率先完成全球首个运营商5GNTN终端直连卫星技术外场验证；2023年5月，完成了我国首款5GNTN手机直连卫星实验室验证。 现有地面网络仅覆盖了地球表面陆地约20%的地区，覆盖面积小于地球表面积的6%，为提供全域无缝覆盖服务，卫星网络需作为地面网络的补充，共同构建涵盖陆海空天的全空间立体通信网络。随着3GPP5G非地面网络技术（NTN）和6G天地一体技术的持续演进，卫星和地面网络正逐步形成深度融合趋势，通过地面网络的先进通信技术、设备研发和产业规模、庞大的用户群体，带动卫星产业快速发展，实现双方价值提升。 为加速天地一体融合网络技术及产业成熟，本白皮书针对6G天地一体融合网络的场景及五大技术挑战，提出天地一体融合网络一体架构和统一高效、动态灵活、一网多能的技术体系，并对创新关键技术进行了详细阐述。最后，面向产业发出面向6G的天地一体融合网络技术发展倡议。 1天地一体融合网络应用场景 中移智库 为实现“任何人，任何时间，任何地点”都可以通信的移动通信目标，为地面网络无法部署或建网维护成本高昂的地点填补覆盖空洞，天地一体融合网络将面向偏远地区、荒漠、海洋、航空等陆海空全域立体空间实现“泛在连接”，提供大众手机直连、行业终端直连卫星和各类应急救援保障等“泛在场景”新服务： 图1-1天地一体融合网络应用场景 1.1大众手机直连卫星服务 全球的移动通信手机用户获得的服务主要来自于地面移动通信网络。随着人类活动空间的拓展，依托于大众手机的高便携性、高移动性以及高普及性，手机直连卫星成为了面向普通大众的天地一体融合网络应用热点。面向人烟稀少的高山、沙漠、极地地区的户外探险、极地科考人员，以及跨国场景下的出国劳务人员和出境旅游人员，对手机直连卫星有迫切的刚性需求，天地一体融合网络能够让他们感受到“处处有、时时有、人人有”的通信福利，并且体验的业务也将从早期的短信、语音等窄带业务发展到后期的高清视频等宽带业务。 天地一体融合网络针对不同业务类型对于服务保障需求（如低时延、确定性、高可靠等）的差异，可通过星地协同管理灵活选择最优的承载网络。面向密集城市及热点地区，优先由地面蜂窝网络为用户提供服务保障，卫星网络辅助支持大连接、分流和非实时业务，缓解地面网络压力；针对高山、沙漠、极地、海岛等低密度业务区或极端环境区域，通过卫星网络提供包括语音、短信、数据、视频 等各类通信业务服务，挖掘星地融合的潜能，提高网络整体服务投入产出比。 1.2行业终端直连卫星服务 中移智库 机载、广域物联、船载等行业市场的卫星通信需求持续高涨。全球航空正逐步推动Wi-Fi覆盖，飞行数据仪、机舱娱乐等空中互联网业务通信需求正盛；全球物联网发展迅速，面向矿产、油气、电网、物流、动保、农业等智慧新兴领域，宽窄带广域物联潜力巨大；面向海洋渔业、沿海运输及远洋客轮等各类船舶、海上油气及风电作业平台等远洋设备，各类宽窄带通信服务需求不断增加，包括全球海上安全系统、商船货物跟踪、远洋捕捞直播、游客上网需求、自动化作业通信需求等等。 单一卫星通信系统带宽能力有限，通过天地一体融合网络面向VSAT终端、物联终端、车载终端、机载终端、船载终端等多种行业终端类型的不同业务场景进行统一资源管理，有效提升业务服务质量。且随地面网络不断向空、天、地、海等空间扩展，部分行业用户可将空中网络作为地面网络的有效补充，形成分层、稳定和可靠的通信网络体系，体验高可靠的垂直行业服务。 1.3应急救援保障服务 在地震、洪水等自然灾害和突发事件中，地面通信网络易遭破坏，且短时间内将难以修复。随着我国卫星通信产业发展逐渐成熟，应急通信逐渐走向卫星化、宽带化。依托于卫星的覆盖广、容灾性强、天然广播能力等特性，天地一体融合网络能够快速、持续地提供极端情况下各类个人、公众及专业等紧急通信和救援服务。 天地一体融合网络充分结合卫星与地面蜂窝网络的优势，还将在支持一带一路、交通强国、乡村振兴等国家战略方面应用广阔，发挥不可比拟的巨大社会价值。 1.4通感融合服务 随着技术的发展，移动通信和微波遥感已形成了双向互动的趋势。首先，移 中移智库 动通信频谱与微波遥感在频谱资源有了一定的趋同性；其次，基于移动通信大流量和微波遥感分辨率的提高，均提出大规模阵列天线、高精度信号同步等技术要求，从而造就了移动通信和感知两大功能的基础条件，移动通信和感知存在一体化设计的可能性。在垂直行业应用需求的驱动下，“通、导、遥”融合成为近年业界探讨和探索热门方向。从天基信息实时服务系统的角度提出定位、导航、授时、遥感、通信（PNTRC,Positioning,Navigation,Timing,Remotesensing,Communication）五位一体的融合构想，并进一步提出建议加速构建“通、导、遥”融合服务基础设施与平台的期望。国家也从顶层设计的角度出发，提出“打造全球覆盖、高效运行的通信、导航、遥感空间基础设施体系”导向，从而为“通、导、遥”融合提供了政策可行性支撑。随着通感一体能力的构建，将面向政府、企业用户提供大范围微波遥感服务，如大范围风场预报、湿地面积监控、冰层监控、航空监视、自动驾驶等等服务。 1.5通算融合服务 随着国家“东数西算”战略及“碳达峰、碳中和”的日益临近，我国呈现出算力紧缺与严格控制碳排放之间的矛盾。可以充分利用卫星在轨运行仅利用再生能源、无污染、零排放以及覆盖范围大的优势和特点，通过星地、星间链路提供天基云服务，承担通信、计算、模型训练、内容分发等方面的功能。对于地面中心来说，天基算力节点可以充当移动边缘服务器，汇总终端的感知数据信息，进行初步数据处理和模型运算。与此同时，卫星也是广域感知数据的采集和发送者，可以为广域物联网系统提供信息采集、处理与输入。随着通算一体能力的构建，既可以为政府、企业等用户提供高性能的实时网络接入和数据处理业务，如遥感数据的实时处理与高效分发、大范围态势感知情报分发、企业用户的大范围实时交易等应用，也可以为个人用户提供实时交互式娱乐服务，XR等应用。 2天地一体融合网络愿景及目标 中移智库 移动通信系统由5G向6G逐步演进，将充分结合社会发展的新需求和新场景打造6G全新技术生态。6G的愿景是助力人类社会实现“万物智联、数字孪生”，空天地一体化作为6G核心基础技术之一，目标是支持终端融合一体、连接全球无缝的信息服务能力。移动通信运营商基于天地一体化网络可为公众和企业、政府提供全球覆盖和泛在连接的高可靠、高速率、低延迟空天地一体化移动通信服务。为最大化产业规模、最高效网络组织，这要求天地一体支持以架构、空口、频率、多轨四大融合关键技术为基础的“一体架构”、“统一高效”、“动态灵活”、“一网多能”四大技术体系，构建泛在通信、立体感知、导航定位、算力协同四大核心业务能力，最终实现卫星和地面网络在技术、标准、产业和应用的全方位融合，为大众客户和千行百业提供统一终端、一体服务。 图2-1面向6G的天地一体融合网络技术愿景 面向个人通信场景，个人智能终端基于手机直连卫星技术具备地面网络与卫星网络接入能力，无需专用卫星终端即可实现个人通信的全球无缝覆盖与按需接入；面向航空互联网场景，实现地空通信（ATG）技术与卫星机载通信（ATS）技术融合，在地面ATG网络覆盖区，提供低延时、高带宽服务，在跨洋航线等ATG难以覆盖区域，切换为由卫星提供网络服务，实现航空互联网的低成本建设与全球无缝覆盖；面向海洋互联网场景，实现岸基对海覆盖蜂窝网络与卫星网络协同组网，船只、渔场、风电、油气平台等根据网络情况实现岸基网络与卫星网络无缝切换；面向智慧交通、智慧农业、智慧工业等场景，天地一体融合网络可以作为地面网络的备份或为无地面网络覆盖区域提供卫星通信连接，为行业应 中移智库 用提供差异化网络服务，构建智能应用信息新底座；面向紧急救援场景，在海事、航空遇险应急通信，以及在地震、洪水等自然灾害和突发事件中，依托于卫星的覆盖广、容灾性强等特性，能够快速、持续地提供极端情况下各类个人、公众及专业等紧急通信和救援服务，满足用户应急通信需求。 3天地一体融合网络技术挑战 3.1网络拓扑高速动态变化 中移智库 由于低轨卫星的快速移动，导致卫星网络拓扑高速动态变化，