5G&6G天地一体化技术探索与实践2024

摘要 随着地面蜂窝通信技术蓬勃发展，从4G改变生活，到5G改变社会，地面移动通信取得丰硕成果。但受限于建设难度和建设成本，仍有80%的陆地面积和95%以上的海洋面积，未实现地面移动通信网络覆盖。卫星通信具有覆盖范围广、不受地形环境限制等优点，可为边远地区提供通信服务，有效弥补地面蜂窝网络覆盖的不足。研究卫星与地面融合通信技术，形成天地一体化通信体制，是卫星通信和地面蜂窝通信的共同需求。第三代合作伙伴计划（3rdGenerationPartnershipProject，3GPP）在Release17正式引入非地面网络(Non-TerrestrialNetworks,NTN)作为地面网络的补充，并对5GNTN展开了更进一步的研究及标准化工作。5GNTNR17标准的冻结引发了全球产业界的高度关注，各研究院所、运营商、设备、终端和芯片等公司针对5GNTN技术积极开展研发与验证工作。此外，天地一体化作为6G支柱性技术之一以及基本网络形态，其目标是满足十年后的广域智慧连接和全球泛在无缝接入需求，为广域对象建立智能连接，提供智慧服务，为人类提供全球无间断且一致性的信息服务。 本白皮书主要从六个方面阐述了我们对天地一体化通信系统的探索与实践思考，包括需求与愿景、天地网络发展现状、基于5GNTN的天地一体化关键技术、基于5GNTN的天地一体化产业发展与实践、天地一体化工程实践难题以及面向6G天地一体化发展预见。 （1）天地一体化需求与愿景 卫星通信具有覆盖范围广、抗干扰能力强、部署灵活等特点，可以弥补地面网络在覆盖上的不足。因此，将地面网络和卫星通信融合，可以实现天地一体化的通信系统，为用户提供更优质、更可靠、更智能的服务。在行业需求和技术发展的双重驱动下，卫星通信与地面通信一体化发展也成为未来移动通信系统演进的主流方向。未来移动通信系统将从业务、体制、频谱、系统等不同层次进行融合，构建天地一体化通信系统，实现全球无缝立体覆盖。 （2）天地网络发展现状 卫星通信先后经历卫星试验、模拟通信、数字通信、宽带卫星通信四个发展阶段。多波束天线、星上处理、星间链路等卫星通信新技术快速发展，高通量、低轨卫星巨型星座相继出现，卫星通信已进入新时代。对于地面蜂窝通信，经历 了四十多年的爆发式增长，目前已经渗透到了人们生活的各个领域，并成为推动社会发展的重要动力之一。 （3）基于5GNTN的天地一体化关键技术 基于5GNTN的天地一体化关键技术主要涉及网络架构、无线传输技术、卫星实现技术、终端实现技术以及测试技术等。对于网络架构，通信节点不仅局限在陆地，卫星节点将会扮演越来越重要的角色，卫星的载荷和信号处理能力将逐步提升，除了实现透明转发功能与地面基站形成天地一体化组网，还将增加基站和核心网等星上处理功能；无线传输技术主要包括：时频同步技术、时序管理技术以及移动性管理技术等；卫星实现技术主要包括：星载多波束天线技术、星载功放技术、星间链路技术等；终端实现技术主要包括天线技术以及射频前端集成技术。 （4）5G天地一体化产业发展与实践 基于5GNTN的天地一体化产业发展与实践涉及到天地一体化产业链、标准制定、应用场景以及实践活动等。其中，产业链包括：卫星平台、网络设备、终端与应用、测试仪器以及服务与运营等；对于标准制定，当前主要有3GPP、中国通信标准化协会（ChinaCommunicationsStandardsAssociation,CCSA）从标准层面推动5G天地一体化技术的演进。应用场景主要包括手机直连卫星、物联网、车联网以及宽带接入等；对于实践活动，国内外各大运营商、研究院、网络设备厂商和芯片终端厂商相继开展NTN产品研发和试验工作，以加速NTN产品落地，促进天地一体化技术与产业融合。 （5）天地一体化工程实践难题 天地一体化工程实践是天地一化落地商用的前提，考虑到天地一体化网络系统的特点，例如，网络节点动态变化、传输时延大等，天地一体化工程实践面临诸多难题与挑战，主要包括： -通信场景丰富、模型复杂、规模测试难度大； -卫星通信与地面通信体系迥异、互通难度大； -业务管理运营机制差异，融合运营挑战大。 （6）6G天地一体化技术发展预见 5GNTN能够充分利用地面网络丰富的产业链基础以提升研发效率，但仍然存在互联互通和网络协同效率低等缺点，未能真正实现NTN与TN的一体化设计。未来6G天地一体化需要从硬件技术、网络技术、新型接入技术、网路安全技术等方面开展研究工作以满足6G天地一体化的需求与愿景。硬件技术主要包括：卫星天线技术、卫星处理能力，终端天线与射频技术等；网络技术主要包括新型网络架构以及组网技术；新型接入技术主要包括：波形/调制/多址技术、波束管理技术、星间协作技术、星地协同传输技术、移动性增强等。 目录 摘要1 1.前言6 2.天地一体化需求与愿景7 2.1.需求7 2.2.愿景8 3.天地网络发展现状9 3.1.卫星通信9 3.1.1卫星通信系统9 3.1.2标准体系15 3.1.3卫星通信系统技术路线16 3.1.4卫星系统业务运营18 3.2.地面通信19 4.基于5GNTN的天地一体化关键技术21 4.1.网络架构21 4.2.空口传输技术22 4.2.1同步技术22 4.2.2时序管理23 4.2.3覆盖24 4.2.4系统吞吐量提升技术25 4.2.5波束管理26 4.2.6移动性28 4.3.安全技术29 4.4.卫星实现技术30 4.5.终端实现技术33 4.6.测试技术36 5.基于5GNTN的天地一体化产业发展与实践38 5.1.5G天地一体化产业链38 5.1.1卫星平台38 5.1.2网络设备39 5.1.3终端及应用41 5.1.4测试仪器43 5.1.55G天地一体化服务与运营45 5.2.5G天地一体化标准制定46 5.3.5G天地一体化应用场景/实例48 5.3.1手机直连卫星49 5.3.2物联网49 5.3.3车联网50 5.3.4宽带接入50 5.4.5G天地一体化实践大事件51 6.天地一体化工程实践难题55 6.1.卫星通信与地面通信体系迥异、互通难度大55 6.2.通信场景丰富、模型复杂、规模测试难度大55 6.3.业务管理运营机制差异，融合运营挑战大55 7.面向6G天地一体化发展预见56 7.1.5GNTN局限性57 7.2.6G天地一体化核心问题58 7.3.6G天地一体化关键技术59 7.3.1新型网络架构59 7.3.2新型接入技术60 7.3.2.1波形设计60 7.3.2.2多址技术60 7.3.2.3波束管理61 7.3.2.4星间协作传输62 7.3.2.5星地协同传输64 7.3.2.6星地资源共享65 7.3.2.7移动性增强66 7.3.3边缘协同计算技术67 7.3.4通信感知融合70 7.3.5网络安全71 7.3.6卫星技术72 7.3.7终端技术73 7.3.8测试技术73 7.4.6G天地一体化技术演进路线预见75 7.5.6G天地一体化商业模式预见77 8.总结78 缩略语79 参考文献81 致谢85 1.前言 目前，业界已展开关于天地一体化融合通信相关技术研究。3GPP5G网络标准已将非地面网络（NTN）作为地面网络的补充，积极推进5GNTN网络架构、空口传输技术、安全技术等相关领域技术规范制定，并于2022年发布第一个3GPPNTN标准版本。卫星方面，星载相控阵多波束天线、星载功放、星间链路、星上容错冗余等技术正逐步成熟。终端方面，低成本终端相控阵天线技术、射频集成技术、节能技术正在密集攻关。 产业界各研究院所、运营商、设备公司、芯片公司、终端公司等积极开展5GNTN相关外场测试验证。目前，已基于R17IOT-NTN技术，开展多次IOT-NTN卫星通信外场验证，从架构、协议、设备等各方面验证了技术落地能力，验证业务包括短消息、语音对讲等。NR-NTN相关技术验证预计在2024年规模开展。天地一体化融合通信进展迅速的同时，也面临着一系列工程实现问题。如天 地一体化通信场景丰富、模型复杂，考虑卫星星座发射周期长，进行完整功能的规模测试难度较大；卫星通信与地面通信的技术体制差异较大，实现终端在不同网络间漫游迁徙、交互通信难度较大；卫星通信与地面通信运营体系差别大，业务开通、管理等融合运营支撑体系搭建难度较大。这些都制约着天地一体化融合通信的落地实现。 国际电信联盟无线电通信组（ITU-Radiocommunicationssector,ITU-R）的6G建议书将5G的三大应用场景扩展未6G的六大应用场景，以实现全应用场景覆盖，除了对5G原有的应用场景继续增强和演进，包括沉浸式通信、极可靠低时延通信和大规模通信，还催生出全新的应用场景，包括感知通信一体化、AI通信一体化和泛在连接，提升生产效率，提高生活品质。其中，泛在连接场景需要通过天地一体化技术实现，换而言之，天地一体化技术是未来6G的支柱性技术之一，同时也是6G的特征性技术之一。 2.天地一体化需求与愿景 2.1.需求 5G和卫星通信是当前通信领域的两大热点。5G具有高速率、低时延、大连接密度等特点，可以满足多种应用场景的需求，但受地理环境、基站建设等因素的限制，难以覆盖广阔的地域和海域。未来，自动驾驶汽车、无人物流系统、远程作业机器人等智能系统，将在全球全域广泛部署，成为人类生产和生活的重要组成部分[1]。届时，这些智能系统之间的信息交互和协同工作将是普遍存在的场景。然而，受制于有限的覆盖能力，地面5G通信系统难以为广域智能系统协同工作提供有效的网络服务。卫星通信具有覆盖范围广、抗干扰能力强、部署灵活等特点，可以弥补地面5G在覆盖上的不足。但受轨道高度、频谱资源等因素的限制，卫星通信难以提供高速率、低时延的服务。因此，将5G和卫星通信融合，可以实现天地一体化的通信系统，为用户提供更优质、更可靠、更智能的服务是未来5G与卫星通信技术演进趋势。 普遍预计2030年以后，更多的消费者和更多用途的设备将以一种更加智慧的全新方式连接到信息网络中，地面无线网络、地面有线网络及卫星网络等深度融合，共同构成6G移动信息网络。此前，业界对于6G的典型特征已达成初步共识，提出了诸如泛在互联、多维感知、全域覆盖、绿色低碳、内生安全等典型特征，随着ITU-R的6G建议书的确定，6G的设计原则如可持续性、安全性、隐私性、弹性、泛在化、智能化等被正式提出，从这些典型特征和设计原则可以预言6G将会是5G的一个进化体，继承并发扬5G的优势，同时结合其他技术，打造出一个普适性的网络[2]。 “天地一体化信息网络”作为国家重大科技创新项目，已写入《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》和《“十三五”国家科技创新规划》，是“科技创新2030新重大项目”之一，与量子通信、脑科学、深海空间站一起作为科技部“十三五”首批启动的重大工程。 2.2.愿景 在行业需求和技术发展的双重驱动下，卫星通信与地面通信一体化发展成为未来移动通信系统演进的主流方向。未来移动通信系统将从业务、体制、频谱、系统等不同层次进行融合，构建天地一体化通信系统，实现全球无缝立体覆盖。 天地一体化作为6G网络的一个重要特征，其目标是满足十年后的广域智慧连接和全球泛在无缝接入需求，为广域对象建立智能连接，提供智慧服务，为人类提供全球无间断且一致性的信息服务。 天地一体化通信系统具有三大典型特征[1]： （1）统一的网络架构与接口协议：在统一的逻辑架构和实现架构下将卫星通信、空间通信和地面通信进行一体化设计，网络功能可柔性分割和智能重构，适应卫星载荷资源有限和业务需求动态变化的特点。 （2）统一的空口技术：卫星通信和地面通信采用同一框架下的空口传输技术，终端可实现极简极智接入。 （3）统一的智能管控：通过对系统资源等进行统一的调度和控制，实现网络全局优化和资源绿色集约。 未来的天地一体化通信网络是以地面网络为依托、天基网络和空基网络为拓展的立体分层、融合协作的网络。各星座卫星（包括高