天地一体化信息网络技术研究白皮书 2023

天地一体化信息网络技术

研究白皮书

（2023）

中通服咨询设计研究院有限公司

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

挥空、天、地、海信息技术的各自优势，实现时空复杂网络的一体化综合处理和

最大有效利用，为各类不同用户提供实时、可靠、按需服务的泛在、机动、高效、

智能、协作的信息基础设施和决策支持系统。与此同时，天地一体化信息网络作

为国家首个“面向2030科技创新重大项目”，以其战略性、基础性、带动性和不

可替代性，成为国家国民经济和国家安全的重大基础设施，其所具有的信息服务

能力，将不断地带动我国新兴产业的发展，形成具有巨大潜力的核心竞争力和民

族创造力。

编制单位：中通服咨询设计研究院有限公司

编写人员：王强、李新、贝斐峰、刘超凡、彭雄根

天地一体化信息网络技术研究（2023）

1.6G网络研究现状

1.1标准研究进展

全球6G标准还未制定，但是6G研究的序幕已经展开，整体上看，全球6G

研究正在有序推进，预计2030年6G将实现商用，届时人类将进入6G时代。

（1）ITU

ITU-RWP5D负责IMT无线通信研究和标准化，包含IMT-2000（3G）、

IMT-Advanced（4G）、IMT-2020（5G）以及当前开展的IMTfor2030andbeyond

（6G）。

面向新一轮启动的6G无线通信系统工作，ITU已于2022年中旬完成了《未

来技术趋势》报告的编写，除了重点关注6G的无线技术外，ITU在2021年分

别启动《IMT愿景》建议书和《100GHz以上频段的IMT技术可行性》报告的相

关工作，预计都将在2023年中旬完成，为最终的《ITU-R关于IMT-2030及以后

的建议》提供总体指导。

对于6G无线技术，《未来技术趋势》报告收集了十余个国家、技术与标准

化组织等的多轮输入，包含了AI、通信感知一体化等8个主要的新兴技术趋势

和使能技术方向，极致MIMO、新型编码、高精度定位等8个用于空口增强的技

术方向，新型网络架构与卫星网络互通等9个用于无线网络增强的技术方向，以

及2个面向终端的技术方向，为6G整体技术支持因素、概念奠定了基础。

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

的讨论，并将逐步开展6G关键能力、演进目标等议题。有关6G愿景研究将在

2023年世界无线电通信大会（WRC-23）之前完成，届时由各国、业内组织、企

业共同商讨的6G愿景建议书，将作为下一代移动通信工作开展的关键指南。

无论是未来技术趋势报告，还是愿景建议书，相比于5G研究计划，6G规

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

划节奏均有提前，各成员单位及外部组织输入空前踊跃积极。同时ITU-RWP5D

对6G关键时间线及工作计划展开热烈的讨论，目前已明确将在2030年发布6G

移动通信全球核心标准，6G总体时间表也计划将于2023年7月完成。

在网络方面，ITU-T负责电信标准的SG13工作组在2022年~2023年研究周

期开展了多项IMT-2030网络架构及关键技术的标准化工作，包括确定性网络技

术、天地融合网络技术、算力网络技术、意图网络技术、人工智能技术、区块链

安全技术等。ITU-T已经开始布局算力网络、云网协同、天地一体化等新兴技术

方向，提前储备5G-A和6G关键使能技术。

（2）3GPP

2020年7月3GPPR16标准冻结后，受全球疫情影响，原计划2021年底完

成冻结的R17，推迟到2022年6月冻结。根据3GPP2019年公布的时间表来看，

已经于2023年开启对于6G的研究，并将在2025年下半年开始对6G技术进行

标准化，预计将在2028年上半年完成6G标准的制定，至2028年下半年将会有

6G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

5G-Advanced的标准版本，行业内预计从2026年开始将启动首个6G标准R21

的制定，到2030年将冻结R23版本。

（3）IMT-2030

当前，随着5G规模化商用进入快车道，世界主要国家和地区纷纷启动6G

研究。我国高度重视6G发展，“十四五”规划纲要明确提出要“前瞻布局6G网络

技术储备”。2019年6月，IMT-2030(6G)推进组在工业和信息化部等部委指导下

成立，超过70家国内外企业、高校及科研机构参与，积极推进6G愿景需求研

究、关键技术研发、标准研制、国际合作交流及社会经济影响研究等各项工作。

IMT-2030（6G）推进组于2021年6月发布《6G总体愿景与潜在关键技术》

白皮书，提出沉浸式云XR、全息通信、感官互联、智慧交互、通信感知、普惠

智能、数字孪生、全域覆盖共八大应用场景，展望了内生智能的新型网络、增强

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型无线空口技术、新物理维度无线传输技术、太赫兹与可见光通信技术、通信感

知一体化、分布式自治网络架构、确定性网络、算力感知网络、星地一体融合组

网、支持多模信任的网络内生安全共十大关键技术方向。

2021年9月，IMT-2030推进组进一步召开了以“6G愿景展望”为主题的6G

研讨会，围绕6G无线融合通信及新频段技术、6G新物理维度及技术研究、6G

网络架构与技术等三个领域进行了10场技术主题研讨，并发布了《6G网络架构

愿景与关键技术展望》白皮书，以及《超大规模天线技术》等6份研究报告。

1.2业务场景需求

2021年6月，IMT-2030(6G)推进组发布《6G总体愿景与潜在关键技术》，

创新提出6G潜在业务应用，呈现沉浸化、智能化和全域化特点，分析总结出6G

网络具有如下业务场景需求，共有五大应用场景和八大应用需求：

（1）超级无线宽带

超级无线宽带是增强移动宽带（enhancedMobileBroadband，eMBB）的演

进和扩展，不仅将极大提升以人为中心的沉浸式通信体验，也将在全球任意地点

实现无缝覆盖。超级无线宽带场景将广泛应用于生活、生产、工作、教育、娱乐

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

中心的通信和以机器为中心的通信均对峰值速率、用户体验速率、系统容量、频

谱效率提出更高的要求。此外，6G网络还需要提供低时延和高稳定性以保障用

户体验。

1）沉浸式云XR

XR（extendedreality，扩展现实）业务不断向超高清、3D、浸入式、实时

交互方向发展。XR将从信息娱乐、远程教育等切入，替代面对面服务，同时逐

步扩展到智慧安防、智慧城市、智慧工厂、数据中心等领域，助力各行业数字化

转型。未来云化XR系统将实现用户和环境的语音交互、手势交互、头部交互、

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眼球交互等复杂业务，需要在相对确定的系统环境下实现低时延与超高带宽，才

能为用户带来极致体验。

此外，云化XR技术中的内容上云、渲染上云、空间计算上云等将显著降低

XR终端设备的计算负荷和能耗，XR终端设备将变得更轻便、更智能、更利于

商业化。但同时，终端功率受限问题将更加突出，未来终端需要重点研究绿色低

功耗方案。

2）全息通信

预计未来，随着6G网络能力的提升，以及高分辨率终端显示设备的发展，

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

息显示数据传输，并行承载上千个并发数据流，同时保证全息交互的实时性，其

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

的重要组成部分，感官互联有可能成为未来通信的重要方式之一，将广泛应用于

医疗健康、技能学习、娱乐生活、工业机械、道路交通、办公生产和情感交互等

领域。用于工业场景的远程操控需要非常精确的动作控制，对时延有较高要求。

触觉反馈的交互式VR、UAV遥控等应用需要与目标物体之间实现频繁交互并

同步反馈多感官信息，6G网络需要为多感官交互应用提供平滑、可靠的连接。

（2）超大规模连接

超大规模连接将在5G海量物联网通信（massiveMachineType

Communication，mMTC）基础上，拓展全新的应用领域和能力边界。超大规模

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

连接的对象将包括部署在智慧城市、智慧生活、智慧交通、智慧农业、智能制造

等场景的各类设备，典型应用包括远程抄表、环境监测、智能灯杆互连等。此外，

未来数字孪生世界将通过部署大量传感器，实现对日常生活中各类设备的数据采

集及传输，并通过建模、推演、决策等环节与物理世界交互。

超大规模连接的场景特点是连网设备数量巨大，但其中大部分可能仅产生零

星散发的流量。与5G中仅支持大规模设备的低速率传输相比，6G超大规模连

接设备的传输速率将从低到高不等。数据包的传递频次根据具体应用也存在较大

差异，例如从一天一次到几毫秒一次不等。此外，具备不同采集能力的传感器其

寿命也存在较大差异。这一场景在某些用例下也需要支持高精度定位、高可靠性

和低时延能力。

1）数字孪生

随着感知、通信和人工智能技术的不断发展，物理世界中的实体或过程将在

数字世界中得到数字化镜像复制，人与人、人与物、物与物之间可以凭借数字世

界中的映射实现智能交互。未来6G时代将进入虚拟化的孪生数字世界，应用领

域包括：工业领域的数字域优化产品设计，城市领域的城市数据大脑建设，医疗

领域的数字孪生人，农业领域的生产过程模拟和推演，网络管理领域的数字孪生

网管等。以数字孪生城市为例，基于海量传感器、高清视频监控、无线感知等手

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

而辅助对物理城市的精细化管控，助力构建新型智慧城市。

（3）极其可靠通信

极其可靠通信将在低时延高可靠通信（UltraReliableLowLatency

Communication，URLLC）的基础上进一步增强能力。典型应用包括智能化工

业领域的机器人协作、无人机群和各种人机实时交互操作，智能交通系统中的全

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、

智能家居领域的应用等。除更低时延和更高可靠性要求外，机器协同交互类应用

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

对抖动、时间同步、稳定性等确定性指标也提出了极高需求，同时需要具备中高

速数据传输和超高精度定位的能力。为此，6G网络设计需要考虑多维度性能需

求。

1）机器控制

未来协作式机器控制系统将基于生产作业流程，实现人机物与环境的多维度

协作。协作式机器控制将从智慧工厂切入，逐步扩展到智慧农业、智慧城市、智

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

步拓展，助力各行各业提升工作效率，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

普惠智能服务是6G的新增典型场景，依托网络对需要进行高效分布式智能

学习或推理的智能化服务提供集成化的通信和AI算力。它不仅服务于特定应用

服务，还将服务于未来整个通信系统，提高网络整体的性能和效率。在这个典型

场景中，网络中的大量智能体将联合执行复杂的AI训练和推理任务，从而充分

利用移动边缘侧（包括设备中）的智能算力，使快捷和灵活的智能服务覆盖社会

各领域。

1）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

得突破性进展。具有感知能力、认知能力、甚至会思考的智能体将彻底取代传统

智能交互设备，人与智能体之间的支配关系将开始向着有情感、有温度、更加平

等的类人交互转化。在智慧交互场景中，智能体将产生主动的智慧交互行为，同

时可以实现情感判断与反馈智能，因此，数据处理量将会大幅增加。

2）智能互联

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

在未来6G网络中，个人和家用设备、各种城市传感器、无人驾驶车辆、智

能机器人等新型智能终端将不仅可以支持高速数据传输，还能够实现智能设备间

的协作与学习。6G将利用智能泛在的网络设计，通过有效连接局部数据，实现

特定环境下不同智能终端之间可靠、低时延的通信和协作，并通过大数据学习持

续提升工作效率与质量。6G网络拥有原生智能架构，将ICDT技术以及工业智

能深度集成到无线网络，具备大规模分布式训练、实时边缘推理和本地数据脱敏

等能力。为此，6G在性能指标上需要重点考虑传输、分布式连接、智能服务精

度、高效算力等方面的能力。

（5）通信感知融合

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

定位、环境重建和监控、手势和动作识别、产品缺陷监控、访客识别等。此外，

通信感知融合也将有助于提高通信的性能和效率，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

未来移动通信网络需要满足农村和偏远地区、无人区、远洋海域等5G无法

满足的地区的覆盖需求。地球表面以上，无人机、飞机等飞行器也需要无线宽带

连接服务。随着业务的逐渐融合和部署场景的不断扩展，6G移动通信网络将实

现地面蜂窝网络与非地面网络的融合，构建起全球广域覆盖的天地一体化信息网

络，为各类用户提供无盲区的宽带移动通信服务。

全域覆盖业务和场景将呈现出多样性，与智慧城市、新媒体、工业、农业、

医疗、教育和能源等各行各业紧密结合。全时全地域的无缝立体宽带接入将为全

球非地面网络覆盖地区提供广域物联网接入，提供应急通信、农作物监控、珍

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稀动物无人区监控、海上浮标信息收集、远洋集装箱信息收集等服务，支持厘米

级高精度定位与导航。此外，通过高精度地球表面成像，可实现应急救援、交通

调度等服务。

1.3网络构架展望

为全面满足1.2小节所述的6G的新业务新场景，6G网络架构需要从地面接

入向天地一体化泛在接入的转变。

6G网络架构需要支持空基、天基、地基、海基等多种接入方式，固定、移

动、卫星多种连接类型，个人、家庭、行业多种服务类型，并实现网络侧的多接

入、多连接、多服务融合。固定、移动、卫星多种连接类型，个人、家庭、行业

多种服务类型，并实现网络侧的多接入、多连接、多服务融合。

在习近平总书记的亲自关心和指导下，新时代国家在“十三五”规划中将天地

一体化信息网络列入了国家首个“面向2030科技创新重大项目”，从而正式启动

了我国天地一体化信息网络的建设工作。天地一体以其战略性、基础性、带动性

和不可替代性的重要意义，成为国家基础性的战略资源，对社会的经济发展有着

不可替代的重要作用，是关乎国家安全和国民经济的重大基础设施。

未来的6G网络将采用多系统、大融合的天地一体化网络架构，将突破地形

地表限制，覆盖扩展到太空、天空、陆地、海洋等自然空间。天地一体化网络将

采用统一的架构、统一的技术体制、统一的标准规范通过空、天、地、海等多维

信息的有效获取、协同、传输和汇聚，以及资源的统筹处理、任务的分发、动作

的组织和管理，充分发挥空、天、地、海信息技术的各自优势，实现时空复杂网

络的一体化综合处理和最大有效利用，为各类不同用户提供实时、可靠、按需服

务的泛在、机动、高效、智能、协作的信息基础设施和决策支持系统。

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

相较于传统的卫星或地面移动通信网络，空天地一体化的网络结构和节点能

力（传输、移动、路由和覆盖能力等）都发生了根本性的变化，也面临着诸多网

络建设、网络运营等方面的挑战。

2.天地一体化信息网络应用场景

借助非地面网络，天地一体化信息网络可以突破地形限制，向空、天、地、

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。

天地一体化信息网络的应用场景主要包括五个方面，分别为泛在物联、宽带

互联、智能海洋、隐蔽安全、社会治理。

2.1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

车联网、物联网场景中需要大量广播数据分发适合采用卫星和高空平台系统

（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

通信节点提供信息传输，相比地面多跳传输更具优势。可用于远距离实时通信及

大范围的信息同步和数据分发。

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

图2-1基于天地一体化的大时空尺度信息同步场景

（2）基于CDN的卫星广播场景

在基于CDN的卫星广播场景中，RAN侧发挥卫星网络覆盖范围广的广播业

务优势，可以有效节省下行空口带宽。核心网侧将CDN与MEC相结合，在全

网范围内基于CDN技术按内容分发业务数据，并缓存在网络边缘MEC平台，

有效缓解网络侧拥塞和业务响应速度，改善用户体验质量。

图2-2基于CDN的卫星广播场景

（3）双连接业务增强场景

通过业务多路合并充分利用卫星链路和地面移动网络的互补性增益。以视频

业务为例，视频文件基本帧是视频业务的基础数据，编解码压缩较大，传输带宽

需求较高，而视频文件增强帧是提升视频业务质量的增强数据，编解码压缩比较

小，传输带宽需求较小。依据业务需求特性和MEC平台业务数据缓存状态，系

统将决策仅采用地面移动网络传输视频业务基础数据，还是将地面移动网络传输

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视频业务基础数据与卫星链路传输视频业务增强数据进行合并，以便提供时延、

带宽和用户体验最优的RAN侧双连接业务增强合并策略。

图2-3RAN侧双连接业务增强场景

（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

方式，在无线接入侧，既可以依据业务QoS需求和两条无线链路质量，提供QoS

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，

可以将核心网算力下沉到网络边缘，丰富本地业务算力资源，降低终端硬件成本，

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

在本地分流和中继回传融合组网场景，UPF作为用户平面功能的关键节点，

具备对地面移动网络终端业务本地分流的能力，如果网络边缘的MEC能够满足

终端业务要求，UPF则将业务请求分流到MEC；如果MEC不能满足终端业务

要求，UPF可以通过地面核心网和卫星链路两种方案连接远端业务服务器。

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图2-4本地分流与中继回传融合组网场景

2.2宽带互联

宽带互联可以提高道路特征和交通设施的清晰度。在沙漠、山路、乡路等没

有普通信号的地方，实现随时随地联网。增强移动终端导航能力，为机载、车载

定位终端提供精准可靠的位置服务。同时可以为交通物流、跨境电商、海洋、能

源、旅游、农牧业等多个领域提供实时信息，为国家的“一带一路”建设做出贡献。

（1）低成本广覆盖接入

随着电信普遍服务工作不断深入，需要解决边疆、深山、海岛等低成本通信

服务需求。而卫星、HAPS通信可以作为地面网络的补充和低成本的广域覆盖，

作为语音和物联网基础覆盖网络，解决偏远地区用户的宽带上网和位置导航服务

需求。

（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

头部企业，采用天地一体化通信网络构建专网，有利于打破地理限制，统筹业务，

提供高可靠性网络保障，实现集团公司的全球业务管理。

（3）泛在接入本地分流场景

基于MEC的天地一体化通信网络可以为海岛、沙漠、高山、港口等偏远地

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

区提供泛在接入能力，将视频监控等业务数据上传到网络边缘MEC。依据业务

需求，MEC平台为边缘用户提供本地业务分流能力。MEC平台直接部署在网络

边缘，大大降低了网络传输时延。综合视频自动化分析、集装箱自动化调度、安

防监控等相关应用，为吊桥、集装箱、运输车辆、园区安防、环境数据采集等提

供高清视频监控。

图2-5泛在接入本地分流场景

2.3智能海洋

在智能海洋通信方面，空天信息网络面对海上环境情况复杂、海事业务异构

等问题，提出了智能化、协同化和信息化的发展，克服海洋复杂环境对传播的影

响，满足海事安全通信、海况通报、导航避障、海事紧急救援、公共通信服务等

多种异构业务的低延迟、高可靠、全覆盖的需求。

（1）基础立体通信

在全球大力推进海洋经济发展、加大航运背景下，海上通信，将可能是未来

潜在的新兴通信市场。通过在近海区域及飞机航线沿线部署建设费地面网络，可

有效实现近海区域船只和飞机上终端设备的通信。HAPS气球的覆盖半径为50km，

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

陆海岸线长度18000km估算，360个气球即可实现我国整体海岸线近海200km

范围内船只和科技的通信。

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

图2-6海洋与空间立体通信场景

（2）机载云服务

在机载服务器上部署轻量化的MEC和vUPF，与机上用户在相同的局域网

络中。基于机载MEC平台预存储的业务可以为机上用户提供局域网络范围的云

点播服务，并建立机上局域网络云社交服务，为机上用户提供内部社交支撑能力。

基于机载MEC下沉的计算能力，可以为机上用户提供云视频渲染和云游戏交互

等业务。若机载轻量化MEC平台能力不足以满足用户业务需求，机载vUPF通

过卫星链路向地面网络远端服务器请求业务支撑能力。

（3）船载云服务

与机载服务场景类似，在船载服务器上部署MEC和vUPF，实现云点播、

社交、视频渲染及云游戏交互等业务。与机载MEC平台轻量化部署策略不同，

船上可以配置更多硬件资源部署MEC平台，MEC平台的能力也可以更全面。

2.4隐蔽安全

空天通信网可以保证数据传输的隐蔽性。传统地面网络，基站数目过多，任

一基站发生故障或被安装窃听设备，都会导致秘密信息的泄露。而采用空天通信

网，加密数据可以通过天基骨干网和天基接入网进行直接传输。而高空飞行器和

卫星的数据链路更为安全，更难截获。因此可以构建隐蔽安全的通信链路。

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

（1）证券金融领域

证券金融等行业，交易场所分散，对通信保密要求高，同时一些结算类业务

对时延抖动敏感。针对大宗货物交易会证券交易中高频电子交易场景，采用低轨

卫星进行直线传播将有效降低时延，例如纽约和上海之间的长距离传输，理论上

采用卫星轨道高度500km左右的低轨卫星，时延可以控制在100ms之内，而目

前通过海底电缆的传输时延约120ms~150ms。对于金融电子交易，1ms的时延可

能会影响上百亿美元的交易。此外海底光缆非常脆弱，容易遭到地震、海啸、船

只甚至鱼类的破坏。

（2）区块链安全加固

作为一种分布式架构技术体系，区块链以牺牲存储效率为代价保证链上数据

可信防篡改，同一跳链上的所有节点存储相同的账本数据。不同节点之间为了达

成有效的共识，需要通过多次广播机制传递交易数据和验证消息。目前，链上节

点间数据同步是通过将逻辑广播消息向邻居节点随机转发的模式实现的，但是，

消息数据的广播仍然需要占用多个物理信道，因此，消息数据同步的带宽资源消

耗和链上节点间同步时延抖动是衡量区块链数据同步性能的关键指标。因此，利

用卫星广播链路实现链上节点消息数据广播可显著降低网络带宽需求，减小节点

间数据同步时延抖动。

2.5社会治理

在社会治理方面，当面对重大安全事件，如自然灾害，社恐暴乱等，国家需

要对大规模人群或地区进行实时监管这暴露出在面对重大事件时，采用普通的模

式将不再适用。我们必须提升监管效率，加大监管强度。尤其是在面对重点防控

地区，更要实现全方位无死角的人员流动监控以及实时周边环境信息的采集。这

需要技术的支持，而要对如此海量的数据实现实时监测、流量监管。空天通信网

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

可以凭借三层异构网络实现全方位无死角的地区覆盖，并可以对热点地区进行灵

活的资源调配，通过科学手段实现高效的社会治理。

（1）应急通信

由于卫星、HAPS通信具有覆盖面广，不受地理环境和自然灾害等影响，适

合作为应急通信保障通信网络。特别是在地震、洪涝等自然灾害导致地面网络阻

断情况下，卫星、HAPS通信可以快速部署，终端机动灵活，可以第一时间打通

通信链路，为抢险救灾构建高效可靠的指挥调度及信息传输通道。

3.天地一体化信息网络组网架构

针对6G时代天地一体化组网架构讨论中，人们对卫星、HAPS、无人机等

非地面网络系统与地面网络系统融合的方案饶有兴趣。地面与非地面网络系统的

互相补充，有效融合，可以让网络覆盖到目前无法覆盖的地方，从而打造无处不

在的天地一体化立体覆盖网络。

移动通信经过多年的发展和建设，网络覆盖范围越来越广，但是在某些区域

无线网络建设部署仍存在困难，尤其是在光纤传输资源不到位或者建设成本高的

地区，无线网络建设困难重重。

根据统计，目前全球移动通信信号仅覆盖了全球面积的30%左右，同时全球

还有超过30亿人口无宽带覆盖，仅美国就有超过5000万人缺乏宽带覆盖。因此

急需建设天地一体化信息网络，实现不同地域、不同用途、不同行业网络跨界融

合，满足用户全时全域无缝覆盖的高可靠通信需求。

在以往很多时候，人们经常会把非地面组网技术与地面组网技术看作是相互

竞争关系，但他们在网络部署的某些方面，地面网络技术和非地面网络技术是可

以互为补充。对于非地面网络，首先需要考虑是否是基于轨道的网络。例如，从

架构上来看，HAPS、无人机和热气球不是基于轨道的平台，他们的架构通常与

现有网络一致，这类平台专门用于覆盖特定的物理区域，而轨道平台系统则是以

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

星座形式部署，因此可以提供无处不在的连接。

作为构建高性能网络的使能技术，卫星技术吸引了越来越多的目光。为了尽

可能降低卫星通信的时延，需要引入低轨卫星和超低轨卫星。但是，由于这些卫

星的轨道高度相对较低，每颗卫星的覆盖范围有限，这就意味着，需要更大规模

的网络甚至巨型星座。SpaceX的星链（Starlink）以及亚马逊的柯伊伯（Kuiper）

等项目，这些项目的卫星星座都包含了数千颗卫星。

下表为一些目前具有代表性的卫星网络，有的正在规划，有点正在部署，有

的已经开始提供服务。

表3-1卫星网络现状

卫星网络状态卫星数量卫星高度配置

铱星运营中（提供语音极轨道

（lridium）和低速数据服务）66（6条轨道）780km（86度）

泰利迪斯840（最初规划）700km（最初规划）

（Teledesic）已破产288（重新规划后）1400km（重新规划后）极轨道

部署中（初步商用第一代一阶段540km~570km极轨道和

SpaceX星链阶段）4408颗（部署中）328km~640km倾斜轨道

648颗（已规划，

一网部署中（该项目最截至2021年5月

（OneWeb）初由软银支持）已部署218颗）1200km极轨道

亚马逊柯伊倾斜轨道

伯规划中3236颗590km、610km、630km（多层）

“TheOther3

Bil-lion”（指地球上

还未接人互联网的

O3b/SES30亿人口）规划中20颗8062km（中轨）赤道轨道

3.1组网架构需求

在天地一体化组网架构下，首先要保证卫星网络和地面网络的互联互通，使

卫星有能力连接RAN、核心网，甚至整个互联网，也就是和地面网络互联互通

时，卫星网络才能发挥其最大作用。随时随地的连接是卫星网络与地面网络融合

的必要条件，也是构建天地一体化信息网络的必然需求。

纵观地面网络的发展，其始终要处理好“应用”与“技术”两者之间的平衡，而

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

天地一体化网络架构的需求也应该如此，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

满足日益丰富的天地融合网络应用为根本，但同时要根据天、地环境的差异性，

以及空间技术的发展现状，进行针对性的架构优化。

（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

究中，很容易将物理实体与功能实体混淆，在天地一体网络中，一种物理设施可

以配备多种功能，一种功能也可以部署在多个物理设施之中，两者之间既有联系，

又有区别。比如卫星是物理设施，而核心网是功能，核心网功能既可以仅部署在

地面站，也可以将部分功能部署在卫星上，以优化系统流程。

3.2组网架构组成

天地一体化信息网络的组网构架可以从两种不同的逻辑角度进行设计：可以

从物理逻辑角度对天地一体化信息网络架构进行设计，称为天地一体化信息网络

物理架构，还可以按功能类型的不同对天地一体网络架构进行设计，称为天地一

体化信息网络功能架构。

3.2.1物理架构组成

天地一体化信息网络将以陆地蜂窝移动通信网络为基础，融合空基卫星网络、

天基高空平台网络、海基网络，构建多接入的融合网络架构。从物理空间的逻辑

视角出发，未来的天地一体化信息网络架构如下图所示。

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

图3-1天地一体化通信网络组网物理架构图

空基网络：由卫星通信系统构成，其中包括高轨卫星、中轨卫星和低轨卫星

等。我们熟悉的地球同步卫星以及正在全球使用的海事卫星属于高轨卫星系统。

在整个卫星通信系统未来发展来看，由于低轨卫星系统轨道高度相对较低，带来

的明显优势就是网络时延相对较小，无线信号空间传播损耗较小、网络提供的带

宽较大，可以满足移动互联网应用的网络性能需求。低轨卫星系统在未来将是空

基网络的主要发展方向，也是卫星通信系统未来研究的重点。

天基网络：由搭载在各种飞行器（飞机、热气球、无人机等）的通信基站构

成的网络。随着无人机技术的不断发展和成熟，基站体积和功耗越来越低，无人

机的载荷越来越大，未来无人机基站，将可能成为天基网络的主要发展方向。

地基网络：由陆地蜂窝移动通信网络构成，是天地一体化信息网络架构下，

为大量用户提供通信服务的主要网络。

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

等构成的网络。随着全球海洋经济的不断发展，未来海洋通信领域，有可能成为

新的通信市场，值得关注。

（1）空基网络

空基网络的基础和核心是卫星通信网络。卫星通信是现代通信的主要方式之

一，目前已有50多年的历史，主要应用军事和航天领域，而民用领域，尤其是

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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

段和控制段三部分构成。

1）空间段：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

用。

2）地面段：主要由多个业务的地球站组成，将要发射的信号传送给卫星，

同时又从卫星接收信号。

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

地球站，以及用于业务与星上资源管理的地球站。

目前卫星系统中的空间段的卫星，主要有高轨卫星、中轨卫星、低轨卫星等

多种类型。

1）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

在3.6万公里左右。地球同步卫星系统覆盖范围广，覆盖范围相对地面固定，一

般3~4颗卫星即可完成除极地地区外的全球覆盖。

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

要小很多，完成全球覆盖一般需要几十颗卫星。

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

小，需要多颗卫星组成大型星座，以完成全球覆盖。

依托低轨卫星系统可以构建低轨互联网系统，为用户提供互联网宽带接入服

务，这已成为目前卫星通信系统的重要研究方向。借助低轨互联网技术，为全球

用户，尤其是处于边远区域的用户提供互联网接入服务。在低轨互联网中，通过

增加卫星数量，可以有效解决中高轨卫星系统，由于卫星数量少而造成的系统容

量低的问题。卫星系统容量的大幅度提升，能够有效满足用户宽带互联网接入需

求。由于低轨互联网系统，具有巨大的应用前景，因此目前国内外已经开始布局

低轨卫星通信技术和产业。

（2）天基网络

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

天基网络主要借助高空通信平台，将基站安装在长时间停留在高空的飞行器

上，如飞艇，热气球等，提供通信服务。天基网络使用现有的通信技术，如4G、

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

安装在高空飞行平台而非地面上。一方面高空通信平台的高度远高于地面基站，

另一方面，高空基站的信号辐射不受高大建筑物的遮挡，因此覆盖范围较陆地蜂

窝通信网更大。另外，空基网络不需要建设固定的地面基础设施，如机房，铁塔

等，因此其具有受地形地物影响较小，部署机动灵活，可以作为地基网络的延伸

和有效补充。但是同时也要看到，保障空基网络正常工作，需要有效解决高空基

站到核心网的回传问题，以及高空基站设备稳定供电等问题。

（3）地基网络

地基网络，主要由陆地蜂窝移动网络构成。陆地蜂窝移动通信网络，是为用

户提供移动通信服务的主要网络，目前主要为4G、5G网络等。陆地蜂窝移动网

络采用蜂窝结构，可以兼顾网络的覆盖和容量需求，单站覆盖半径一般几百米。

（4）海基网络

海基网络，主要由建立在岛屿和大型远洋轮船上的通信设施构成。在岛屿上

建设基站可以实现周边近百公里内的覆盖。在大型远洋轮船上搭移动通信基础设

施，可以随着大型远洋轮船的移动，可以逐步实现远洋航线周边的覆盖。

3.2.2功能架构组成

除了按物理逻辑方式对天地一体化信息网络架构进行设计，还可以按功能类

型的不同对天地一体网络架构设计。从功能组成的逻辑视角出发，天地一体化信

息网络继承了互联网、移动通信网以及传统卫星通信网等特征，并在此基础上，

进行创新融合和发展，是一个复杂巨系统的典型实例。参考移动通信网络接入、

承载、核心的3层架构以及地面云网融合架构，天地一体化信息网络功能架构可

以划分为一体化通信系统、一体化网络系统和一体化应用系统3部分。其中，一

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

体化网络系统在中间，提供“互联”基座，信息、通信系统均部署或挂在网络系统

之上；一体化信息系统在上，在互联基础上，打造“信息”基座；一体化通信系统

在下，在互联基础上，打造“接入”基座；3个系统联动，实现用户泛在接入、网

络融合互联以及服务随心所致。

图3-2天地一体信息网络功能构架

（1）一体化通信系统

一体化通信系统是天地一体化信息网络的“四肢”，是负责用户接入相关通信

功能的统称，参考地面移动通信网络，主要包括终端（space-groundintegrated

informationnetworkuserequipment，sUE）、基站（space-groundintegrated

informationnetworknodeB，sNodeB）、一体化核心网（space-groundintegrated

informationnetworkcore，sCore）。

1）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

源的管理与控制等功能。天地一体化信息网络中用户终端的类型多样，作为功能

实体可以部署在卫星、飞机、船舰、车辆、便携以及手持终端等各类平台之上，

构成涵盖海陆空天的立体用户空间，是天地一体化信息网络的核心特征之一。

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

2）基站主要负责为用户终端sUE提供空中接口；另外sNodeB与sCore通

过一体化网络系统相连，共同完成无线资源分配、调度、管理接入策略等功能。

作为功能实体，sNodeB可以部署在地面段或者空间段。其中，部署在地面的基

站，即地面基站，与地面移动通信网络基站相同；部署在卫星上的基站，即星载

基站，一方面需要考虑与地面基站类似的功能，即星上全处理场景，此时相当于

地面基站上天；另外一方面还需要考虑卫星通信领域特有的接入方式，比如透明

转发、信道化交换以及光交换等模式。

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

轻量化裁减之后也可以部署在卫星节点。其核心特征包括两个方面：一是核心网

功能按需部署，可以根据应用的时延、带宽等典型特征，在天、地网络之间流动

部署核心网功能，如UPF、AMF等，实现弹性、按需的网络服务。二是核心网

功能一体化统筹，如上文的基站部署所述，天地一体化信息网络支持多样化的接

入方式，既兼容地面4G/5G等接入方式，又兼容传统卫星通信透明转发、信道

化交换以及DVB/S2等接入方式，还要对未来的SaT5G（satelliteandterrestrial

networkfor5G，卫星5G）或SaT6G（satelliteandterrestrialnetworkfor6G，卫星

6G）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

必须是一体化统筹的、能够支持对各类接入方式的一体化统管。

综上所述，一体化通信系统是一个涵盖了地面移动通信网、地面互联网以

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、

中轨、低轨以及地面）、全频谱（L、S、Ku、Ka、激光等卫星常用频段以及地面

网络常用频段）接入，另外一方面支持天、地异构网络中核心网功能的一体化统

筹，实现异构接入体制之间的融合互联互通。

（2）一体化网络系统

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

一体化网络系统是天地一体化信息网络的“脉络”，是负责与网络传输相关的

网络功能的统称。参考地面互联网、移动承载网以及卫星通信系统架构，主要包

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-groundintegratedinformationnetwork

channe-lizedswitcher，sChannelizedswitcher）、激光交换器（space-groundintegrated

informationnetworkopticalswitcher，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

要为各类业务应用或控制指令提供分组承载服务。分组路由设备可以部署在卫星

上，即星载分路由设备，通过星间链路与其他卫星互联构成空间分组网络；也可

以部署在地面上，即地面路由设备，运行模式与地面网络类似；空间与地面分组

路由设备可一体化组网，构成一体化分组网络系统。

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

物理信号按照规则变频再转发，不进行解调等，主要为单星下两个用户或者地面

站之间提供传输的通道，通常不直接提供跨星的传输通道。

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

透明转发技术，借助非均匀滤波器组可支持任意频段、任意带宽间交互及灵活的

跨波束交互，与透明转发器一样，主要为单星下两个用户或者地面站之间提供传

输的通道，通常不直接提供跨星的传输通道。

4）激光交换设备主要负责提供光交换的功能，可以部署在空间段或地面段：

部署在空间段，即星载激光交换器，是卫星节点以及用户之间实现光交换的核心

设备，目前国内外均开展了星地、星间光交换的试验；部署在地面段，即地面网

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

络常见的光交换机，负责根据所处的位置不同可以分为汇聚型和核心交换机。激

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

换网络。

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

换体制而研制的混合交换设备，可以部署在空间段或地面段：部署在空间段，即

星载光电混合交换器，目前国内部署了相关技术攻关，并取得了显著的进展；部

署在地面段，与现有光电混合交换设备类似，在此不做赘述。光电混合交换器之

间通过星间/星地/地面链路可以构成一张混合的交换网络，其中单颗卫星节点之

间可以形成信道化交换，星间或星地场景可以构建一体化的分组交换网络或者一

体化光交换网络。

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、

光电混合交换设备等各类交换路由设备的“控制中枢”，类似于地面SDN控制器，

负责天、地多网系一体化的路径计算、路径规划与参数配置等功能。一体化网络

控制器可以根据实际情况将功能进行拆分，比如根据星载受限资源情况，将部分

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

式与地面网络类似。综上所述，一体化网络系统是一个涵盖了地面互联网、地面

移动承载网以及卫星通信系统等多种承载功能的一体化承载网络，支持高轨、中

轨、低轨以及地面节点之间的融合组网以及分组、激光、信道化等多种组网方式

之间的互联融合。

（3）一体化信息系统

一体化信息系统是天地一体化信息网络的“血液”，是负责云计算基础设施以

及应用系统功能的统称，是一体化云基础设施与一体化应用系统融合的产物。其

中，一体化云基础设施（space-groundintegratedinformationnetworkcloud，sCloud）

参考地面云网融合网络的架构，主要包括天基云基础设施、地面云基础设施，构

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

成整个天地一体化信息网络中的云基础设施，为应用系统提供“算力”基座。一体

化应用系统（space-groundintegratedinformationnetworkapplication，sApp）参考

地面互联网、移动承载网以及卫星通信系统的应用系统架构，主要包括（但不限

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

integratedinformationnetworkIPmul-timediasubsystem，sIMS），地面互联网视频、

社交游戏、电子邮件、即时消息等互联网应用等业务系统；新型应用服务系统，

如时空信息服务（space-timeinformationservice，sTIS）。

一体化云基础设施主要面向接入、承载、核心以及信息服务等各类功能提供

算力的基础设施，主要由部署在空间段、地面段以及用户段等物理空间的感知、

计算、存储、网络的各类异构资源构成，通过一体化网络系统提供的连接，互联

融合成为一体化的云基础设施，为各类功能提供“算力”基座。一体化应用系统是

在一体化云基础设施基础上，构建各类应用服务系统。其中，sIMS可以为天地

一体化信息网络提供语音服务，sApp可以提供互联网应用，sCloud可以提供云

服务，sTIS提供时空信息服务，目前在地面网络场景均有类似的服务模式。作

为未来天地一体化信息网络的重要组成部分，应用服务功能可以部署在空间段或

地面段：部署在空间段，即星载信息系统，则需要考虑星上功率受限以及星上计

算存储等资源受限的客观实际，进行针对性的裁减和优化，以sCloud服务为例，

部署在卫星上，即天基云服务，一方面可以通过星上实时处理，有效提高服务响

应速度、降低数据回传的压力，另一方面却对星上的计算存储网络等各类资源都

提出了新要求；部署在地面段，在此不赘述。综上所述，一体化云基础设施是

一个布设在天、地网络之间的计算资源，通过多星协同、星地协同等方式，构建

成的空间分布式协同的云基础设施；一体化应用系统是一个继承地面互联网、地

面移动承载网以及卫星通信系统等业务应用功能，并在此基础上创新发展，可以

为新业务新应用提供良好生态的一体化应用系统；一体化云基础设施与一体应用

系统深度融合，共同构成一体化信息服务系统。该系统也是天地一体化信息网络

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天地一体化信息网络技术研究（2023）

中“信息”两字的来源。

3.3组网架构优化

天地一体化信息组网架构的优化，需要综合考虑如下两个方面的因素：

一是物理空间的约束问题。以资源极度受限的卫星节点为例，无论是计算、

存储、网络等资源，还是功率、体积、质量等资源都是严格受限的，因此部署功

能逻辑时必须考虑客观限制条件，可以规约为计算机学科里的“背包”问题。

二是网络的应用需求问题。仍然以卫星节点为例，卫星采用什么样的接入体

制，决定了需要采用什么样功能的基站；卫星之间采用什么样的体制进行组网，

决定了星上是否采用分组交换、光交换；卫星上是否部署核心网功能，决定了业

务流量是否需要绕道地面进行端到端通信。诸如此类问题，本质是组网架构的优

化设计问题，需要面向具体的应用需求，在特定卫星重量、功耗、体积等约束条

件的限制下，以特定的网络系统性能指标（如时延、带宽、丢包、容量、功耗和

成本等）为优化目标，进行优化求解和针对性的设计—如何将合适的网络功能部

署在恰当的物理空间，通常可以归结为多目标优化问题。另外，需要指出的是，

只有面向特定应用、面向特定优化目标（时延、带宽等）的最优化组网架构，通

常难以存在普遍的最优化架构。

3.4组网架构挑战

（1）整体结构复杂

面向未来6G的空天地一体化通信网络，包括高、中和低轨道地球卫星构成

的空基网络，特殊场景应急通信相对静止的高空气球、飞行速度低