2024 IMT-2030（6G）推进组白皮书 -6G天地一体化网络的场景与需求研究报告

一、天地一体化网络的场景与需求研究现状 5 5 5 6 7 8 8 9 10二、6G天地一体化网络的用例研究 2.用例2多 16 2.用例2针 三、6G天地一体化网络的需求定义 四、6G天地一体化网络的关键KPI定义 39 40参考文献 贡献单位 图1卫星网络为IAB组网提供回传 图2卫星网络为固定基站提供回传 图3多媒体内容的边缘分发和卸载 图4临空通信网络示意图 图5移动算力网络业务示意图 图6突发短包业务场景图 图7IoT偏远地区数据采集场景 图8天地一体化医疗体系 图9天地一体化网络保障企业私有网络的高可靠通信 图10天地一体化网络保障工业互联网高可靠通信 图11卫星通信与无人机部署方式 图12应急通信协同指挥系统网络设计 图13卫星公共安全通信部署方式 30表1集群语音业务性能指标 表2QoS保障需求 32表3确定性通信需求 表4大连接需求 表5高可靠通信需求 表6高精度定位需求 表7动态业务调度需求 34表8架构需求 表9非地面网络作为回传组网需求 35表10非地面网络作为部分/全部接入网组网需求 表11非地面网络作为接入网+部分/全部核心网组网需求 36 表13认证鉴权和加密需求 表14多重安全防御需求 38 39一、天地一体化网络的场景与需求研究现状随着5G从标准走向大规模商用，全球都已经启动了关于6G的研究[1,2]。星地融合是6G网络的一个主要特征，通过高轨卫星网络、中低轨卫星网络和地面移动通信网络等共同组成立体覆盖移动通信网络，从体制、协议、网络、业务、终端等方面实现天基网络和地面移动通信网络的深度融合，满足地面和立体空间的全域、全天候的泛在覆盖需求，从而实现用户随时随地按需接入[3]。6G网络通过星地融合网络的多接入融合，为用户业务提供较好的服务质量(OoS)和较高的可靠性，为用户提供可靠、连续的通信服务和更高的用户体验[4,5]。6G的总体愿景是基于5G的进一步扩展和升级，进一步融合卫星通信、人将是卫星网络与地面网络深度融合的一体化网联网与地面移动通信网络充分融合。6G将实现地面网络、不同轨道高度上的卫6G天地一体化网络是由多颗不同轨道上、不同种类、不同性能的卫星形成5（2）传输时延大。天地一体化网络的延时受多种因素影响。骨干节点距离同时，网络带宽资源差异性大，高带宽链路（星地、星间）和窄带链路（星地、（4）支撑业务多样。在天地一体化网络中，传输的业务类型多样，不同类（7）网络建设是逐步扩展、补充的过程。天地一体化网络对系统的可扩展6其作为异构的通信子网接入，这就要求天地一体化（9）多元信息传输共享。天地一体化网络结构复杂，网内传输的信息呈现的趋势。为此，包括欧盟委员会在内的许多组织都认识到卫星网络将成为5G基础设施的一个组成部分[9]。其中，卫星在5G中的作用已经在欧盟技术平台SANSA，VITAL，RIFE和SCORSESE等相关研发项目中进行了研究。此外，EMEA卫星运营商协会(ESOA)发布了一份关于卫星通信(SatCom)服务作为5G7国内，国家发改委2020年明确把卫星互联网纳入新基建范畴，“十四五”规2023年发布的《星地融合通信白皮书》中分析了地面移动通信和卫星通信的融章节主要介绍面向B5G以及6G关于天地一体化需求和场景的相关标准进展，述场景时需要考虑以下技术要素：多播/单播支持、智能路由、动态缓存管理及中天地一体化网络被称为固移卫融合（Fixed,MobileandSatelliteConvergence,8持分布式账本技术，并且建议融合网络在认证和授权方面支卫融合多接入边缘计算》研究了面向固移卫融合网络的多接入边缘计算的概念、3GPP研究的5G系统融合卫星场景与需求可分为以下几类：3GPP在Rel-16和Rel-17阶段研究了5G系统融合卫星接入的主要用例场景。9安全、监管、终端要求等多个维度进行了需求定义并写入了3GPPTS22.261。3GPP在5G融合卫星接入相关关键技术的研究中，发现在国家边境提供卫星接态卫星回传的场景，从卫星回传时延的动态变化角度定义了QoS与策略控制相关的需求。此外，由于卫星回传资源的稀缺性，3GPP还从基于回传类/语音的本地路由，实现数据/语音不落地，避免冗余路径、减少馈电资源消耗、统服务物联网终端的能力；提升卫星定位精度来进一步满足监管需求。目前，包括场景和需求、体系架构、关键技术、系统接口等多方面的课题，总结3GPP、ETSI等组织已经开展的空、天、地通信网络应用场景的研一体5G网络业务要求6）天地一体5G网络安全要求。并已于2023年在TC12WG12工作组启动相应的行业标HAPS/HIBS的平台结构、技术水平及发展现状研究2）主要空天平台的特点面系统构成的各种融合网络架构研究5）不同融合网络架构中各实体的功能划分6）地面IMT运营商在应用非地面网络以及与非地面网络融合时面临的潜统研究》课题，是对口ITU-RSG4WP4B工作组而设立的对应研统需要构建的标准体系以及开展卫星与5G融合的通信系统需要考虑的需求与技启动的《基于5G的卫星互联网第1部分：总体要求》标准项目，将以地接入网、业务模型，以及操作维护系统等在内的总体技术规范，在已的业务支撑能力基础之上，描述面向QoS保障的卫星互联网业务模型和端到端二、6G天地一体化网络的用例研究6G天地一体化网络的应用场景可从非地面网络（天基网络）引入后，整体图1卫星网络为IAB组网提供回传图2卫星网络为固定基站提供回传感知中继或回传连接的天基网络类型，根据其QoS支持能力作出接入控制或相随着新业务内容的丰富和用户服务体验要求的不断提高，CDN（ContentCDN通常使用组播技术等，将源站点的内容推送到网络边缘缓存，使用户可以和传输路径上的资源挤占问题，提高了用户访问业务的响应速图3多媒体内容的边缘分发和卸载核心网需要将热点内容相关的业务流重定向到边缘网络以在覆盖面积超过30000km2的服务区域提供低延迟的移动连接。作为部分并作为其补充，因此HIBS可以使用与地面IMT基站相同的频段与用户终端连接，从而扩展了有效覆盖区域。此外，地面IMT基站服务的现有用户终端也将由HIBS服务，而不需要HIBS独立的用户终端。图4临空通信网络示意图帆板转换效率30%计算，一颗卫星可以产生4158W功率。按为载荷提供50%功图5移动算力网络业务示意图-服务需求：高达TB级别的数据采集量，通过星上边缘算力，可满足设-运营需求：为了应对超大数据存储及超高计算负载，卫星需部-运营需求：为了能够在更短时间内给用户反馈且防止数据丢失6G互联网技术将开始允许使用强大的传感器，根据现实生活中导致数据量大幅度增长，因此，XR业务的网络需求具有高带宽的特点，此外，在3GPP,CCSA等对XR应用的研究中，共识的端到端时延一般为10ms或者是抖动，传输时延需求可以放宽到30ms，此时针对某些对时延不敏感的业务可以考虑通过低轨卫星节点或HAPS空基网络为XR业务提供一定的服务支撑。服务需求：LEO单星的数据传输速率可达20Gbps，端到端传输时延低于图6突发短包业务场景图和低功耗的特点，终端需要采用电池供电，且需要长时间工作，寿命保持为10图7IoT偏远地区数据采集场景架构需求：接入网和核心网用户面上星部署，以支持物联网小数据包在星上存储转发。同时核心网控制面需要在星上部署，以支持对接入的物联网配置与存储转发相关的参数。在QoS策略制定方面，需要为存储转发配置特定健康的应用场景，使高清视频远程会诊、生命体征监护、紧急救援、A图8天地一体化医疗体系服务需求（高可靠要求远程医疗过程不可中断种情况下，可以利用卫星通信建立企业私有图9天地一体化网络保障企业私有网络的高可靠通信备份机制,在出现故障时能够快速接替，确保网络的持续稳定运行。重要业务需针对网络应用对高可靠传送需求的日益增加，已有5G技术中定义了低时延设备通信需求中，6G天地一体化网络成为现有地面网络技术的重要补充，为全图10天地一体化网络保障工业互联网高可靠通信6G天地一体化网络利用低轨卫星网络作为地面网络的补充，在大时空空间范围内需要实现数据的高可靠传输。考虑到低轨卫星网络固有的传播时延，挥重要作用，为工业自动化等场景提供重要传统互联网。针对设备制造等具体场景，设备连接密度可达100连接/立方米。因此，对于未来天地一体化网络，需要针对超大连接和可靠性做针暴雨灾害会导致通信基站大面积退服、通信光缆与通信基础设施受损，甚至可能导致严重受灾区域发生通信阻断、发生地面公网通信瘫痪，在这种情况下，地面通信网络无法满足应急通信的保障需求。为应对暴雨灾害造成的通信中断，构筑天地一体化保障体系是强有力的应急通信方案。天地一体化应急通信保障体系是在原有的地基蜂窝通信网络基础上叠加天基、空基技术，为特殊情况和环境下的应急通信提供了补充和完善。信不受地形地貌限制，因此容灾性高，且具有广覆盖、机动机搭载临近空间层高空基站，为覆盖区域提供务。低空飞行器应急通信目前主要利用无人机搭载基站设备为通信中断区域提供应急补盲，通。其中，无人机应急通信方案主要包含两种信车通信保障方式和部署超级基站方式。应急通信车内集成信基站等装置，可提供长时间的应急通信保障能力，但受到图11卫星通信与无人机部署方式通信在自然灾害面前就是生命线，通信的畅通是至关重要的。为了应对自然灾害对通信网络造成的破坏和影响，需要构建天地一体化应急通信保障体系。在暴雨灾害中，保障体系本身仍面临一些挑战。架构需求：需要具备快速部署、灵活组网和自适应调整等能力。运营需求：需要统一协议标准，需要定义应急指挥无线宽带自组网系统组成、功能要求、性能要求、窄带无线自组网节点设备一般要求等标准。服务需求：为了应对暴雨灾害造成的通信设施损坏和干扰，需要提高通信链路的抗干扰能力和容错能力，保证通信可靠性达到99.99%。服务需求：为了支持灾民和救援人员的大量通话和数据传输，需要提供很高的通信容量，即应急通信能够支持的同时通话数或数据传输量，需满足灾区人口的99.99%的通信需求。图12应急通信协同指挥系统网络设计架构需求：为了适应复杂多变的山岳环境，需要6G天地一体化速部署的能力，即能够在短时间内建立起覆运营需求：为了实现不同网络段的互操作性和兼容性，需要6G天地一体化队等提供实时的信息传输、指挥协调和物资调度能力，提高应急服务需求（高精度定位在城市突发事件应对中，天信系统需要具备精确定位能力，以便于救援队伍迅速找到事发我国地形复杂多样，包括山地、丘陵、高原的山区面积广大，约占国土总面积的2/3。其中的很多区域没有公共安全地面专网覆盖，通过卫星通信系统对这些地区进行覆盖具有明显的技术优势和成本优势。在很多情况下边境管理或公安人员，需要在执行任务时和哨所或后方指挥中心进行实时的集群通信、交换共享高清图像或高清视频。但是在边境、海防人烟稀少地区通常无法做到公共安全地面专网的连续覆盖。如下图图13卫星公共安全通信部署方式网络架构：支持数字集群通信服务需求：（2）定位功能：集群终端在地面无线通信无覆盖区域内应能准确定位；涉及到公共安全的联合行动中，国内指挥部能够实时跟踪跨域人员的位置、分布和移动轨迹，结合区域态势进行研判；（4）提供数字集群集群业务，包括登记鉴权类业务、集群语音类业务、集群数据类业务、集群调度类业务以及集群补充类业务。其中集群语音业务指标应该满足下表要求：表1集群语音业务性能指标指标要求语音组呼的呼叫建立时间不超过300ms话权申请时间不超过200ms全双工集群单呼建立时间不超过500ms半双工集群单呼建立时间不超过500ms注：以上指标均仅针对组内用户全部在低轨卫星覆盖下的场景三、6G天地一体化网络的需求定义一方面对6G天地一体化网络架构、功能、部署方式提出了要求，另一作性和兼容性。-运营需求：6G的应用场景和需求还处于不断演变的过程中，运营商和技术公司需要基于当前的存量网络情况，不断探索和创新的运营模式，说明：下表中需求编号格式为X-y，其中X代表应用场景类别，取值为：A在无人区及偏远地区通信场景中，6G系统需要考虑卫星表2QoS保障需求服务需求描述用例编号说明务服务需求A-1：支持根据卫星回传的动态高延迟来确定端到端QoS参数，支持感知根据其QoS支持能力作出接入控制或相应—服务需求A-2：网络需支持根据内容分发的目标确定使用卫星网络或地面网络；需要将热点内容相关的业务流重定向到边缘网络处理以获取本地服务—入服务需求B-1：LEO单星的数据传输速率可达20Gbps，端到端传输时延低于30ms—服务相关的参数，需要为存储转发配置特定的—秒之间—靠网络服务需求D-1：支持远程手术和诊断的时延要求为5ms卫星无法满足该时延需求卫星无法满足该时延需求表3确定性通信需求服务需求描述用例编号说明D.高服务需求D-3：对于传输医疗影像、生命—体征实时监测等数据，支持误码率在10-4以下，确定性达到99.99%以上表4大连接需求服务需求描述用例编号说明E.高安全高服务需求E-1：支持提供高容量通信—可用网络能力以支持救援人员和灾民的大量通服务需求E-2：支持高密度用户通信—表5高可靠通信需求服务需求描述用例编号说明D.高可靠网络服务需求D-4：要求网络中断或发生故障后，系统能够快速恢复正常运行，对于支持实时远程手术的高清视100ms—服务需求D-5：工业PLC场景中，要求可靠性要达到99.999%卫星通信不适用该场景服务需求D-6：应对暴雨、山岳救援场景，保证通信可靠性达到99.99%—表6高精度定位需求服务需求描述用例编号说明E.高安全高可用网络服务需求E-3：精确定位能力—表7动态业务调度需求服务需求描述用例编号说明E.高安全高可用服务需求E-4：网络优先级调度能力和动态调度能力—服务需求E-5：提供数字集群业务 6G天地一体化网络架构应当具备在地面网络与非地面网络间弹性重构、按表8架构需求架构需求描述用例编号说明架构需求D-1：弹性可扩展的网络架构，随业务快速增加网络节点与覆盖范围—架构需求D-2：网络架构具备兼容性与互操作性，形成一个多层次、多维度—络架构需求E-1：网络架构需要具备快速部署、灵活组网和自适应调整等能力—架构需求E-2：支持统一的接口协议，使不同类型和厂商的通信设备和用户之间能够无缝连接和交互，实现不同网络段的互操作性和兼容性—6G天地一体化网络可以有以下组网关系：非地面网络作为回传、非地面网需要支持与地面移动/固定基站连接，为地面接入网和远端地面核心网之间提供表9非地面网络作为回传组网需求架构需求描述用例编号说明A.高效回传服务架构需求A-1：支持地面移动/固定基—要支持用户终端以直连或非直连的方式接入，支持与地面接入网的CU功能/地表10非地面网络作为部分/全部接入网组网需求架构需求描述用例编号说明接入架构需求B-1：高空平台站支持与地面关口站进行连接，地面CPE能够接入—可用网络架构需求E-3：支持数字集群通信—表11非地面网络作为接入网+部分/全部核心网组网需求架构需求描述用例编号说明C.泛在物联架构需求C-1：接入网和核心网用户面上星部署，以支持物联网小数据包在星上存储转发—架构需求C-2：核心网控制面上星部署，以支持对接入的物联网终端进—表12运营需求运营需求描述用例编号说明B.泛在宽带接入运营需求B-1：为应对超大数据存储及超高计算负载，卫星需部署更多的力运营需求B-2：为能够在更短时间内给用户反馈且防止数据丢失，需要在多颗卫星上部署服务器并进行数据备—C.泛在物联运营需求C-1：星上部署核心网用户 D.高可靠网络运营需求D-1：需要实现网络状态的实时监测与故障预警，快速定位并修—运营需求D-2：需要一个统一的网络运维平台，整合地面与天基网络，实—运营需求D-3：需要选择高可靠的网—络设备与通信手段，具备设备与链路的冗余备份机制，在出现故障时能够重要业务需要具备2条以上的热备份路由，在主链路故障时可快速切换，恢复业务，备份路径启用时间小于运营需求D-4：时延需要可预测、可调度，并且控制报文需要在规定时间 可用网络运营需求E-2：提供99.99%的故障率，故障恢复时间降低到10s以下—运营需求E-3：在跨境联合行动中，需要为两国（或多国）参与行动人员—表13认证鉴权和加密需求安全需求描述用例编号说明安全需求C-1：支持对物联网终端的认证鉴权—络安全需求D-1：较高的安全机制与协议保证数据与信息的机密性与完整性—安全需求D-2：加强密码强度和用户权限管理二四）.1—安全需求E-1：安全鉴权、语音和—可用网络数据加密能力表14多重安全防御需求安全需求描述用例编号说明D.高可靠网络安全需求D-3：建立多重安全防御机制—安全需求D-4：具备高效的入侵检测与响应机制，发现网络攻击后10秒内进行隔离与防护，并进行全面审计与跟踪—可用网络安全需求E-2：隐蔽通信能力—四、6G天地一体化网络的关键KPI定义安全高可用网络，通过用例研究和需求分析，明确了用例相关的关键性能指标（KPI包括端到端时延、确定性、误码率、可靠性、数据速率、连接密度、表15关键KPI定义