6G空天地一体化网络架构及其构建-刁兆坤

DOI:10.13571/j.cnki.cww.2024.04.011 6G空天地一体化网络架构及其构建 ⬛中国移动通信集团设计院有限公司刁兆坤杨丽王振章 6G 空天地一体化网络（Space-Air-GroundIntegratedNetwork，SAGIN）是指将卫星通信 网络作为地面通信网络的重要补充和延伸，通过深度融合空基、天基和地基网络资源，构建一个覆盖全球、无处不在、高速智能、安全可靠的通信网络。该网络具有覆盖范围广、可灵活部署、超低功耗、超高精度和不易受地面灾害影响等特点，能够为用户提供优质、高效、智能的通信服务。 6G空天地一体化网络将充分利用不同轨道卫星、无人机、高空平台等空中资源，以及地面蜂窝移动网络、物联网、云计算等技术，实现多层次、多连接、多接入的新型融合架构。该网络将支持高速移动、大容量、低时延、高可靠性的通信需求，满足物联网、工业互联网、智能制造、智能交通等领域对通信网络的要求。 同时，6G空天地一体化网络还将注重网络安全、隐私保护等方面的问题，确保网络的安全性和可靠性。通过星地资源协作调度、星地无缝漫游等技术手段，6G空天地一体化网络将为用户提供接入无感知的一致性服务，实现网络鲁棒性以及资源绿色集约。 6G空天地一体化网络架构 6G空天地一体化网络架构是一种新型的通信网络架构，它将卫星通信网络作为地面通信网络的重要补充和延伸，通过深度融合空基、天基和地基网络资源，构建一个覆盖全球、无处不在、高速智能、安全可靠的通信网络，如图1所示。 6G空天地一体化网络架构主要包含以下几个部分。 天基网络：由多颗卫星组成，包括同步卫星、中轨/低轨卫 图16G空天地一体化网络架构 星、中继卫星等。这些卫星将形成一个多层次、多连接的多源数据传输和处理系统，为全球用户提供高速、可靠、连续的通信服务。 空基网络：由无人机、高空平台等设备组成，这些设备可以部署在空中，为地面用户提供灵活、高效的通信服务。同时，空基网络还可以与天基网络进行协同，实现更广泛的覆盖和更高的通信性能。 地基网络：由地面基站、物联网设备等组成，这些设备可实现与用户的直接连接和数据传输。地基网络将与天基网络和空基网络协同工作，形成一个覆盖全球的无缝通信网络。 在6G空天地一体化网络架构中，天基、空基和地基网络将深度融合，形成一个统一的通信网络。这个网络将支持多种接入方式、多种业务类型和多种应用场景，为用户提供极致、可靠、连续的通信服务。同时，该架构还将注重网络安全、隐私保护等方面的问题，确保网络的安全性和可靠性。 6G空天地一体化网络的内涵、关键技术和网络优势 6G空天地一体化网络的内涵 空天地一体化是一种新兴的网络架构，它将不同轨道上多种类型的卫星、临近空间的各类飞行器（如无人机），以及陆、海、空基的应用终端与地面终端系统相互连接，形成一个智能化的通信网络。这个网络通过星间、星地链路，将地面、海上、空中、深空中的用户、飞行器以及各种通信平台密集联合，实现信息的准确获取、快速处理和高效传输。 空天地一体化网络可以分为三层，即天基网络、空基网络和地基网络。每一层网络既相互独立又相辅相成，采用统一的技术体制和标准规范，共同构成网络整体，实现网络信息的实时接收和转发。其中，具有高吞吐量的卫星能够面向全球提供无缝无线接入服务，空中网络能为其所覆盖的区域提供高质量的服务，而密集部署的地面网络基础设施支持高速的数据访问。 总之，空天地一体化是一种具有广阔应用前景的新兴网络架构，它将不同类型的卫星系统、飞行器和地面终端系统相互连接，形成一个智能化的通信网络，为未来的无线通信系统带来更多的应用和服务。 6G空天地一体化网络采用的关键技术 6G空天地一体化网络的关键技术主要包括以下几个方面。 1.空口传输波形与多址复用技术：该技术可以实现快速接入和可靠数据传输，是空天地一体化网络的基础。 2.统一的帧结构和物理信道设计：这种设计可以支持不同类型的用户服务和高效传输，是实现空天地一体化网络的关键。 3.空口协议栈和网络架构：支持按需配置的协议裁剪和优化，以实现天地协同传输和无缝切换。 4.频谱分配和管理策略：面向卫星通信、低空通信和地面通信等多种场景，采用统一的频谱分配和管理策略，实现频率资源共享和干扰规避。 5.太赫兹通信技术：这是6G超宽带通信系统的重要组成部分，包括6G信道仿真技术以及射线跟踪、超大带宽、全频谱协作等关键技术。 6.轨道角动量调制技术：这是一种新型无线传输技术，可以提高通信系统的容量和频谱利用率。 7.宽带太赫兹硬件元器件技术：这是实现太赫兹通信的关键，包括太赫兹天线技术、太赫兹射频技术等。 8.大容量基带数字信号处理技术：这是处理6G网络中海量数据的关键技术，可以实现高效、准确的信号处理。 上述关键技术共同构成了6G空天地一体化网络的核心，为实现全球范围内的无缝覆盖、高速智能、安全可靠的通信服务，提供了坚实的技术支撑。 6G空天地一体化网络的优势 6G空天地一体化网络具有多种优势，包括不受地理条件限制、覆盖范围广、组网方式多样和带宽资源丰富等，可以广泛应用于地球观测与测绘、智能交通、军事任务、灾难救援等领域。因此，空天地一体化网络的发展受到了国内外学术界的广泛关注，以期能够为未来6G无线通信系统带来更多的应用和服务。6G空天地一体化网络的优势主要体现在以下几个方面。 全域覆盖：6G空天地一体化网络通过整合卫星、无人机、高空平台等空中资源，以及地面蜂窝移动网络等技术，实现全球范围内通信网络的无缝覆盖。这种全域覆盖包括了偏远地区、海洋、空中等网络难以覆盖的区域，消除了“数字鸿沟”，为全球用户提供更加公平、便捷、高效的通信服务。 高速智能：6G空天地一体化网络支持高速移动、大容量、低时延、高可靠性的通信需求，可以满足物联网、工业互联网、智能制造、智能交通等领域对通信网络的要求。同时，该网络还具备智能化管理和调度能力，可以根据不同业务场景的需求，动态调整网络资源，实现最优的网络性能和服务质量。 安全可靠：6G空天地一体化网络注重网络安全和隐私保护等方面的问题，采用了多种安全技术和手段，确保网络的安 全性和可靠性。同时，该网络还具备抗毁性、鲁棒性和自适应性等特点，可以在复杂多变的环境及场景下稳定运行，保障通信服务的连续性和稳定性。 灵活部署：6G空天地一体化网络采用模块化、标准化的设计理念，可以根据不同的业务场景和需求，快速、灵活地部署并扩展网络资源及设备，降低建设和运营成本，提高网络效益和效率。 综上所述，6G空天地一体化网络具有全域覆盖、高速智能、安全可靠、灵活部署等优势，可以为未来的数字化社会提供更加坚实的技术支撑和服务保障。 6G空天地一体化网络与5G网络的性能对比 6G空天地一体化网络在覆盖范围、传输速率、网络容量、网络架构和智能化程度等方面相比5G都有显著的提升，能够为用户提供更加优质、高效、智能的通信服务。6G空天地一体化网络与5G网络相比主要有以下几个方面的优势。 覆盖范围：6G空天地一体化网络通过整合卫星、无人机、高空平台等空中资源，实现了全球范围内的无缝覆盖；而5G则主要依赖于地面基站进行通信，覆盖范围相对有限。这意味着6G网络可以覆盖偏远地区、海洋、沙漠、空中等区域，为用户提供更加公平、便捷、高效的通信服务。 传输速率：6G网络的传输速率比5G更快，预计峰值传输速率将达到100Gbit/s~1Tbit/s，是5G的10~100倍。这将使用户能够更快地下载、上传文件，并且支持更高清晰度的视频传输和更复杂的虚拟现实应用。 网络容量：6G空天地一体化网络将具有更高的网络容量，可以同时连接更多的设备，并支持更高的数据密度和更低的时延。这将使6G网络能够更好地满足未来物联网、工业互联网等领域对通信网络的需求。 网络架构：6G空天地一体化网络将采用全新的网络架构，实现空基、天基、地基网络资源的深度融合与协同调度。这种新型的网络架构将为用户提供更加智能、灵活、可靠的通信服务，并支持更加多样化的应用场景。 智能化程度：6G网络将更加注重智能化技术的应用，如人工智能、机器学习等。这将使6G网络具备更强的自适应能力、优化能力和自我修复能力，以此提高网络的效率和用户体验。 6G空天地一体化网络的适用场景 6G空天地一体化网络的应用场景十分丰富，主要包括以下几个方面。 1.全球全域立体覆盖和随时随地的超广域宽带接入： 6G空天地一体化网络实现了“空天地海”全覆盖，因此可以在全球任何地点实现高速宽带接入。这将为偏远地区、海洋、沙漠、空中等前期网络难以覆盖的区域，提供公平、便捷、高效的通信服务，促进全球范围内的信息交流和资源共享。 2.公共安全领域：6G空天地一体化网络可以提供更加可靠、高效的通信服务，支持公共安全领域的各种应用，如灾害预警、应急通信、消防救援等。通过实时传输高清视频、图像、声音等多媒体信息，帮助救援人员更好地了解现场情况，提高救援效率和安全性。 3.全息通信：6G空天地一体化网络的高速率和低时延特性使得全息通信成为可能。全息通信可以将真实或虚拟的3D信息与其他多通道感官信息自然逼真地还原，实现远程面对面交流和虚实融合的全新体验，可广泛应用于未来的文化、教育、医疗、娱乐等不同领域，提升人们的生产生活效率。 4.精准医疗领域：6G空天地一体化网络可以提供更加精准、可靠的通信服务，支持精准医疗中的个性化“数字人”及远程医疗手术。这将有助于提高医疗的普惠性和安全性，改善医疗服务的质量和效率。 5.物联网和工业互联网领域：6G空天地一体化网络将支持更大规模的物联网连接和更高效的数据传输，推动物联网和工业互联网的发展。通过连接各种智能设备和传感器，实现对生产环境、生产设备、产品质量等的实时监控和管理，提升生产效率和产品质量。 6.环境监测和森林防火：6G空天地一体化网络具有海量连接的通信能力，可以有效扩大网络覆盖范围，满足更大连接和更低功耗的通信需求，因此适用于环境监测、森林防火等领域。通过部署无人机、卫星等空中设备，实现对环境参数的实时监测和预警，及时发现并处理异常情况，保障生态安全。7．探险和应急救援：在探险活动中，参与者可能会遇到 身体异常等紧急情况，需要及时通知附近医疗救护人员，并将大量人体数字孪生数据同步给远程会诊的医疗专家。6G空天地一体化网络具有广覆盖的特性，可以通过卫星通信网络等空中资源，实现远程医疗救治和数据传输，为探险活动提供更加全面的保障。 8．车联网和智能交通：车联网业务要求在较大范围内实现高可靠、低时延通信，6G空天地一体化网络的广域覆盖特性可满足数百平方千米范围内车辆、路测系统的信息传输和实时通信需求。同时，6G空天地一体化网络还可以为智能交通系统提供高精度地图、实时路况等信息，提高交通效率和安全性。 总之，6G空天地一体化网络的应用场景非常丰富，必将深刻影响未来社会的方方面面。随着技术的不断发展和进步，相信未来6G网络将为人类带来更多的便利性和可能性。 6G空天地一体化网络的构建方法 构建6G空天地一体化网络架构需要从多个方面入手，包括技术、设备、频谱资源、网络架构设计等方面，以下是一些基本的步骤。 1.技术研发：首先要进行相关技术的研发，包括通信协议、信号处理、编码技术、网络协议等方面的研究，这些技术可实现空天地一体化网络的高速、可靠、安全通信。 2.设备研发：研发适用于6G空天地一体化网络的设备，包括卫星、无人机、高空平台、地面基站等。这些设备需要满足6G网络的要求，具有高性能、低功耗、小型化等特点。 3.频谱资源分配：6G空天地一体化网络将覆盖全球，因此要合理分配频谱资源，以满足不同区域、不同业务的需求。这需要统筹考虑频谱的可用性、共享性、兼容性等因素。 4.网络架构设计：设计6G空天地一体化网络的整体架构，包括网络拓扑、协议栈、接口等方面。该网络架构需要支持多种接入方式、多种业务类型和多种应用场景，同时要保证网络的可扩