天地一体化信息网络技术研究白皮书 2023

术 (2023)前言作为未来6G关键技术之一，天地一体化信息网络将在未来6G中将充分发大项目”，以其战略性、基础性、带动性和不位：中通服咨询设计研究院有限公司I(2023)目录1.6G网络研究现状 1 2.天地一体化信息网络应用场景 9 3.天地一体化信息网络组网架构 16 3.2.1物理架构组成 183.2.2功能架构组成 21 4.天地一体化信息网络关键技术方向 28 5.天地一体化信息网络资源管理 35 5.1.1集中式活动基站选址 365.1.2分布式活动基站选址 37 5.2.1高隔离无线频谱资源管理技术 385.2.2跨域边缘计算资源协同管理技术 405.2.3模型与数据联合驱动的资源管理算法 426.天地一体化信息网络发展现状 436.1基于GEO(高轨)星座网络 436.2基于LEO(低轨)星座网络 45天地一体化信息网络技术研究(2023)6.3LEO(低轨)星座发展展望 517.天地一体化信息网络建设探讨 53 8.天地一体化信息网络发展展望 55 1(2023)(1)ITUITURWPDIMTIMT(3G)、 6GIMT愿景建议书在用例、应用趋势、应用场景以及彼此的关系展开广泛2天地一体化信息网络技术研究(2023)(2)3GPP6G设备产品面市。3GPP目前已正在着手制定5GR18标准，是首个定义为GAdvancedG准R21(3)IMT-2030推进6G愿景需求研流及社会经济影响研究等各项工作。天地一体化信息网络技术研究(2023)组。和八大应用需求：(1)超级无线宽带等多个领域，提升人们的生活质量和工作效率。在热点部署的场景下，以人为1)沉浸式云XR34天地一体化信息网络技术研究(2023)2)全息通信全息通信将自然逼真地还原多维度信息，实现人、物及其周边环境的三维动态交互通信，塑造智能沟通、高效学习、协同办公、健康生活、自由娱乐等生活新形态。全息通信将广泛应用于文化娱乐、医疗健康、教育、社会生产等众多领域，使人们不受时间、空间的限制，打通虚拟场景与真实场景的界限，使用户享受身临其境般的极致沉浸感体验。全息通信要求网络支持实现大尺寸、高分辨率的全对峰值速率、低时延等网络指标均提出了较高要求。3)感官互联感官信息(即视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉)的有效传输将成为通信业务(2)超大规模连接C5天地一体化信息网络技术研究(2023)1)数字孪生段采集数据并进行高精度模拟，能够实现对数字城市的监测、诊断、预测，从(3)极其可靠通信功能自动驾驶，精准医疗中的个性化“数字人”及远程医疗手术，以及智慧能源、6天地一体化信息网络技术研究(2023)1)机器控制慧交通、智慧能源等领域，慧交通、智慧能源等领域，从封闭场景、现场局域范围向开放场景、广域覆盖逐各业提升工作效率，确保工作安全。协作式机器控制需要更精准的工作环境及机器动作感知，更智能的精细化控制，更准确的控制指令执行。这需要系统能够提供安全可靠的通信服务，以满足超低时延、超高可靠、超高确定性的控制需求。(4)普惠智能服务GI1)智慧交互未来6G网络有望在情感交互和脑机交互(脑机接口)等全新研究方向上取2)智能互联7天地一体化信息网络技术研究(2023)(5)通信感知融合通信感通信感知融合是6G新增典型场景。感知和通信的集成将提供高精度定位、环境重构、成像、识别等多元化能力，极大促进超高分辨率和精度的应用需求，如超高精度定位、高分辨率实时无线地图构建、基于设备甚至无设备的被动目标外，信的性能和效率，例如，通过考虑用户移动轨迹和环境变化来优化无线资源利用率。通信感知融合可以广泛应用于很多领域，为车联网、智能工厂等提供更好的服务。1)多维感知慧城市、新媒体、工业、农业、珍8天地一体化信息网络技术研究(2023)G移项目”，从而正式启动9天地一体化信息网络技术研究(2023).天地一体化信息网络应用场景海多维度扩展，海多维度扩展，可以为公众和行业客户提供真正无缝泛在的高速业务体验。面向行业客户，天地一体化通信网络传输覆盖广、不受地理环境限制、时延抖动小、可靠性高的特性可以为行业客户提供专网服务。对于个人用户，天地一体化通信网络扩大了地面通信网络覆盖范围，可以为用户提供多样化的语音和数据业务。会治理。在物联泛在物联泛在物联是指任何时间、任何地点、任何人和物之间的信息连接和交互。主要包括对物品的智能化识别、定位、跟踪监控和管理，保障数据传输的及时性、有效性，保障运输的安全，实现全球范围内全天候万物互联。(1)大时空尺度数据分发 (HAPS)进行实现。卫星和HAPS的覆盖范围大，通过一跳就可为大范围内的天地一体化信息网络技术研究(2023) (2)基于CDN的卫星广播场景 有效节省下行空口带宽。核心网侧将CDN与MEC相结合，在全(3)双连接业务增强场景天地一体化信息网络技术研究(2023)((4)广覆盖能力下沉场景在广覆盖能力下沉场景中，无线网有卫星链路和地面移动网络两条无线接入的差异化空口接入服务，又可以采用卫星网络提供底层接入覆盖与地面移动网络提供热点服务相结合的模式，充分利用卫星网络覆盖范围广和地面移动网络带宽时延的优势，实现无缝覆盖、泛在接入。为了进一步降低地面核心网传输时延，本，提供低时延保障的算力能力。(5)本地分流与中继回传融合组网场景天地一体化信息网络技术研究(2023)带互联(1)低成本广覆盖接入(2)专网业务对于一些有建设专网需求、且分支机构分散的企业，特别是跨国/跨地区的(3)泛在接入本地分流场景天地一体化信息网络技术研究(2023)智能海洋可靠、全覆盖的需求。(1)基础立体通信通过两个气球的中继，可以覆盖近海200km范围内的船只和飞机。按照我国大天地一体化信息网络技术研究(2023)(2)机载云服务F(3)船载云服务EC隐蔽安全器和，更难截获。因此可以构建隐蔽安全的通信链路。天地一体化信息网络技术研究(2023)(1)证券金融领域s(2)区块链安全加固会治理天地一体化信息网络技术研究(2023)现高效的社会治理。(1)应急通信3.天地一体化信息网络组网架构天地一体化信息网络技术研究(2023)(lridium)运营中(提供语音m(86度)(Teledesic)划后)ceX部署中(初步商用4408颗(部署中)mkmkmkm(OneWeb)最648颗(已规划，伯236颗m(多层)S“TheOther3Bil-lion”(指地球上还未接人互联网的规划中20颗组网架构需求连接RAN、核心网，甚至整个互联网，也就是和地面网络互联互通天地一体化信息网络技术研究(2023)该如此，具体如下：(1)以应用为牵引、以技术为主导构建网络。天地一体化网络架构必须以。(2)需从物理与功能两个逻辑概念出发对网络进行设计。在现有的文献研组网架构组成。3.2.1物理架构组成天地一体化信息网络技术研究(2023)在全球使用的海事卫星属于高轨卫星系统。海基网络：由海洋水下无线通信、近海沿岸无线网络、远洋船只/悬浮岛屿(1)空基网络天地一体化信息网络技术研究(2023)公共通信服务领域应用较少。典型的空基网络(卫星通信系统)由空间段、地面间段：主要包含一颗或几颗卫星，在空中对信号起中继放大和转发作，3)控制段：由所有地面控制和管理设施组成，包括用于监测和控制卫星的高轨卫星：轨道高度一般3000km左右，而地球同步卫星，其轨道高度2)中轨卫星：轨道高度在2000km以上，单颗星覆盖面积与高轨卫星相比3)低轨卫星：轨道高度在200~2000km左右，单颗卫星成本低，覆盖范围(2)天基网络天地一体化信息网络技术研究(2023)5G等等，其技术原理与陆地蜂窝移动通信网类似，最大的区别在于将基站设备(3)地基网络。(4)海基网络。3.2.2功能架构组成天地一体化信息网络技术研究(2023)(1)一体化通信系统功能的统称，参考地面移动通信网络，主要包括终端(space-groundintegratedinformationnetworknodeB，sNodeB)、一体化核心网(space-groundintegrated1)终端主要负责用户侧业务的承载以及与sNodeB之间的无线连接。与sNodeB之间协作完成用户广播寻呼以及连接建立、切换和功率控制以及无线资台之上，天地一体化信息网络技术研究(2023)资源分配、调度、管理接入策略等功能。3)一体化核心网主要负责用户鉴权、移动性管理、业务传输、位置服务以及策略计费等功能，是一体化通信系统的控制“大脑”，通过一体化网络系统与sNodeB进行互连，共同完成与用户相关的管理功能。可以部署在地面段，通过GG又兼容传统卫星通信透明转发、信道GSaTGsatelliteandterrestrialnetworkforG6G)等新型接入体制提供开放的环境，导致天地一体化信息网络的核心网功能及卫星通信网络等多种接入方式的综合化接入系统。一方面支持全轨道(高轨、统(2)一体化网络系统天地一体化信息网络技术研究(2023)括分组路由器(space-groundintegratedinformationnetworkrouter，sRouter)、透明转发器(space-groundintegratedinformationnetworktrans-parenttransponders，sTransPonder)、信道化交换器(space-groundintegratedinformationnetworkinformationnetworkopticalswitcher，sOpticalswitcher)或者光电混合交换器 (space-groundintegratedinformationnetworkO/Eswitcher，sO/Eswitcher)以及一体化网络控制器(space-groundintegratedinformationnetworkcon-troller，sController)等网络功能。1)分组路由设备与其他分组路由设备构建一张天地一体化的分组网络，主星。2)透明转发设备与传统卫星通信系统中的透明转发器相同，即仅对接收的3)信道化交换设备与传统卫星通信系统的信道化交换设备相同，是一种半天地一体化信息网络技术研究(2023)光交换器与激光交换器之间通过星间/星地/地面光链路可以构成一张一体化光交5)光电混合交换设备主要为支持分组交换、光交换、信道化交换等各类交6)一体化网络控制器是一体化网络系统中分组路由设备、透明转发设备、部署在卫星节点(即星载网络控制器)，可以支持地面控制器不可见场景下网络的控制与调度；也可以将部分或全部部署在地面节点(即地面控制器)，运行模(3)一体化信息系统天地一体化信息网络技术研究(2023)化应用系统(space-groundintegratedinformationnetworkapplication，sApp)参考于)：传统应用服务系统，如移动通信网络的IP多媒体系统(space-ground如时空信息服务(space-timeinformationservice，sTIS)。天地一体化信息网络技术研究(2023)组网架构优化方面的因素：点为例，无论是计算、问题。组网架构挑战(1)整体结构复杂天地一体化信息网络技术研究(2023)(2)业务连续能力(3)服务保障能力.天地一体化信息网络关键技术方向天地一体化信息网络技术研究(2023)术架构研究方向(1)高效联合传输机制(2)多波束天线多波束天线技术利用星载多波束天线可实现有限频率资源的高效空间复用性能优良等优点，常用于满足实现较大电口径、来实天地一体化信息网络技术研究(2023)成形(GroundBasedBeamForming，GBBF)技术将波束形成的大部分功能模块(3)新波形与多址接入(4)用户接入控制(5)网络安全防护天地一体化信息网络技术研究(2023)天地一体化信息网络中卫星节点和星间/星地链路暴露在空间，更加容易受安全功能内嵌问题，业界提出了可基于“拟态防御”的思想，采用“动态异构冗余知”风险或“未知的未知”威胁实施可度量的安全防护。另外针对密码按需服务和(6)星座设计与优化轨道/频率、星间/星地互联链路等的总体设计，其目标是用最少的卫星节点和最空间卫星节点的轨位和频率等实际情况反复做“安置性”的优化。从网络中卫星节点所处轨道位置来看，由于GEO卫星节点对络的首要选择；而在非GEO卫星节点网络方面，由于不同轨道的卫星节点提供要进行优化设计。(7)多级池化分流算存技术天地一体化信息网络技术研究(2023)算存一体技术可以消除传统的数据中心集中式存储产生的“存储墙”瓶颈的(8)基于区块链的可信传输技术保证在传输过程的信息有效性和准确性。天地一体化信息网络技术研究(2023)(9)新型编址寻址技术迹、递归可扩展的层次化IP编址方案可能成为解决此类(10)新型路由技术天地一体化信息网络技术研究(2023)网络管理研究方向(1)移动性管理几十秒，这将会导致频繁的波束切换。之(2)频谱管理(3)网络运维管理天地一体化信息网络技术研究(2023)络管理体系架构和服务资源优化问题，可基于面向服务的框架体系(SOA)，采，(4)仿真验证及评估网络体系结构设计形成反馈迭代优化。一体化信息网络资源管理天地一体化信息网络技术研究(2023)化网络活动基站节点选址集中式活动基站选址(1)水平面的活动基站选址。活动基站的水平面选址问题可以建模为在各(2)垂直面的活动基站选址。在固定各活动基站的水平面坐标和覆盖半径天地一体化信息网络技术研究(2023)分布式活动基站选址，以最大化活动基站能够提供的总传输速率。该问题可以进一步分解为水平面的(1)水平面的活动基站选址。首先，随机初始化各个活动基站的水平面坐标更新为活动基站所服务用户的重心位置坐标；最后，重复活动基站与用户之(2)垂直面的活动基站选址。首先固定各活动基站的水平位置坐标，以及线资源管理、计算资源管理、天地一体化信息网络技术研究(2023)化网络资源管理技术1高隔离无线频谱资源管理技术源对于隔离性能的评估而言，根据中国移动2020年3月发布的《网络切片分级公众网与行业网既有共享又有隔离，为应对这两大类5G网络切片的需求，综合天地一体化信息网络技术研究(2023)切片隔离性能的评估要求。起多网切片实例、承载网切片实例、核心网切片实例3个子网切片实例组成，根据业与激活、运行和停运4个阶段。准备阶段主要负责将业务的服务需求抽象为网络，天地一体化信息网络技术研究(2023)为多个静态网络拓扑的集合(例如，将一段连续的时间分割为多个时段，在各个时段内，对应的网络拓扑不会发生变化)，然后分别在每个静态网络拓扑上进行解决方案是采用虚拟小区的方式，地球表面被划分为多个Voronoi形状(泰森多2跨域边缘计算资源协同管理技术在在天地一体信息化网络中引入多接入边缘计算(Multi-accessEdgeCom-puting，简称MEC)可以为网络在降低传输时延、优化缓存资源及节省回(1)降低网络传输时延路流天地一体化信息网络技术研究(2023)(2)优化缓存资源容需求部署到空天地一体化网络的用户侧。当终端发起内容请求指令时，容需求部署到空天地一体化网络的用户侧。当终端发起内容请求指令时，网络能够从边缘计算服务器的缓存空间中快速读取请求内容，提高了终端用户的体验，还可以缓解回传链路在高峰通信时段的数据传输负担。(3)节省网络回传带宽如原始森林的防火视频是将本地采集的视频业务数据先上传到云数据中心进行存储，当本时，再下发数据，此种数据流往往需要占用大量的地面有线或者无线的回传带宽，甚至是卫星中继链路。而将多接入边缘计算技术应用在空天地一体化网络的服务器上，可以有效满足这类大码流数据传输对带宽的需求，大幅度降低了视频业务的传输时延以及带宽成本，解决了空天地一体化网络中卫星与地面传输链路在物理上的带宽受限以及传输时延大等痛点。本(CAPEX和OPEX)，提高网络部署的灵活性及业务传输的质量。根据计算天地一体化信息网络技术研究(2023)而且提供了改善QoS服务质量的全球多媒体服务，确定了有关移动性管理、资面向天地一体、多场景多业务背景，广泛地理位置分布的卫星MEC系统与多类型地面MEC系统的多维跨域计算资源需要协同处理的需求，联合考虑低轨虑天地一体多场景多业务地理分布情况，跨域地面节点、信关站、卫星MEC资然后根据差异化业务的QoS需求以及星间、星地、地面MEC计算资源的状态，通过设计高效的MEC计算任务卸载与迁移方案，降低任务传输与处理时延，满能力需求、内存需求、网络需求、镜像需求等，需要统一多域的需求并能灵活态，3模型与数据联合驱动的资源管理算法业天地一体化信息网络技术研究(2023)差异化业务需求的复杂网络的QoS保障。相较于其他研究领域，无线系统经过5QoS态分配与调度的可行方案。一体化信息网络发展现状6.1基于GEO(高轨)星座网络EOGEO卫星节点来构建天地一体化信息网络是一种最简单的模式。下面介绍两个天地一体化信息网络技术研究(2023)(1)国际移动卫星(Inmarsat)系统Inmarsat是国际上最早提供覆盖全球的商用卫星移动通信业务的运营商。Inmarsat始建立于1979年，早期主要从事全球海事卫星通信服务，后来其运营范围逐渐扩展到了航空通信和陆地移动通信，1994年“国际海事卫星组织”改名卫星组织”，但其英文缩写不变，仍为“Inmarsat”。Inmarsat系统是典型的“天星地网”形态，由空间段、地面段和用户段组成。频段的Inmarsat第四代(I4)卫星节点，5个使用Ka频段的第五代(GX)卫星节点(GX5卫星于2019年11月26发射升空)，以及其他一些用于局部区域增强的卫星节点(例如，服务于欧洲航空网络EAN的S频段卫星I-S节点，覆盖欧洲、中东和非洲的L频段卫星Alphasat节点)。Inmarsat空间段的这些卫星节Inmarsat的地面段由网络运维中心(NOC)、汇接点(MMP)中心和分布在署于美洲的美国和加拿大(2个)，欧洲的意大利、荷兰和希腊，大洋洲的澳大利亚(2个)和新西兰(2个)，以及太平洋上的夏威夷(美)。(2)美军先进极高频(AEHF)卫星通信系统天地一体化信息网络技术研究(2023)FAEHF卫星节点具有星上处理和星间链路能力，其上行链路采用EHF频段 6.2基于LEO(低轨)星座网络LEO低轨星座采用运行在低地球轨道(距离地球表面200km~2000km)的卫天地一体化信息网络技术研究(2023)(1)“铱星”(Iridium)二代系统投入运营并提供宽带服务日，75个“铱星”二代卫星节点(66个在轨工作卫星节点和9个在轨备份(2)“一网”(OneWeb)发射3批共74个卫星节点星m天地一体化信息网络技术研究(2023)bGlobal成功联合竞购了卫星运营商OneWeb，以帮助重组其星座业务。目前(3)“星链”(Starlink)进入大规模部署阶段，已发射3500多颗卫星美国SpaceX公司的卫星互联网项目“星链”(Starlink)于2018年3月得到天地一体化信息网络技术研究(2023)kkg同年7月SpaceX开始推广用于海上船舶使用的可为客户提供350Mbps下行速(4)电信卫星(TeleSat)公司星座已于2022年开始部署TeleSat营商之一。倾斜轨道更关注全球大部分人口集中区域覆盖。TeleSat的星座将在Ka频段(17.8GHz~20.2GHz)的较低频谱中使用1.8GHz的带宽用于下行链路，而在上天地一体化信息网络技术研究(2023)kg座极地卫星运载火箭(PSLV)发射入轨，用于验证低地球轨道星座的低时延宽带的使能技术已足够成熟，将选择一家主要承包商研制低地球轨道卫星。TeleSat球(5)亚马逊柯伊伯(Kuiper)星座计划Ka段射运输成本最低、发射可用的火箭也最广泛。标区域(南北纬56°之间)。伊伯”卫星的发射时间节点，但需要在2026年年天地一体化信息网络技术研究(2023)7月，亚马逊对FCC表示，它打算分五个阶段发射柯伊伯项目卫星节点，卫星(6)我国LEO星座计划星座“虹云”星座是由中国航天科工集团第二研究院规划发布的LEO星座，设计“天象”星座是中国电子科技集团公司按照“天地一体化信息网络”实施方案NB天基航空航海监视等技术试验。天地一体化信息网络技术研究(2023)6.3LEO(低轨)星座发展展望最初的伤