6G星地融合网络应用场景、架构与关键技术挑战

刘哲铭，吴云飞，魏 肖，张 景，陆 洲

(中国电子科学研究院，北京100041)

随着社会的发展和科学技术的进步，通信网络发展已经历经四代，见证了人们日常生活的巨大变化。目前，第五代(5G)通信网络发展正如火如荼地进行中，2022年3月下旬，全球5G标准第三个版本——3GPP Release 17完成第三阶段的功能性冻结，标志着5G技术演进第一阶段的圆满结束。5G的目标是为了满足高带宽、大连接和低时延场景下的通信需求[1]，基于大规模多天线、全双工等技术实现5G峰值速率、频谱效率、时延、移动性等性能的全方位提升[2]。然而，5G网络信号覆盖仍以基站为中心，覆盖范围小，预计在5G时代仍将有80%以上的陆地和95%以上的海洋没有网络信号覆盖，高度集中在陆地地表10 km以内[3]。除广覆盖外，全息通信、增强扩展现实、数字孪生社会等6G展望的典型应用场景都需要在性能指标上相对5G有进一步提升[4]。5G商用伊始，6G研究已悄然开启，通过新技术开发应用实现“智慧连接”“深度连接”“全息连接”“泛在连接”，真正实现“空天地海”一体化连接的愿景[5]，应用场景也扩展到增强型移动带宽、增强型超可靠低延迟通信、超大规模机器通信、远距离高移动性通信和超低功率通信五大应用场景[6]。

在6G愿景中，相对于5G更突出的特点是网络覆盖范围，而不仅仅是通信性能的提升。在通信网络几十年的发展过程中，由于经济效益限制，山区、丛林、戈壁滩等地区难以通过部署基站的方式实现网络通信，同时由于地理环境的限制，广阔的空域和海洋也不能被陆地网络覆盖。卫星通信则为实现通信网络全球覆盖提供了最佳的解决方案，这也成为6G通信网络研究的重点内容之一[7]。与地面通信网络相比，卫星通信网络除支持全球覆盖外，还具有不受气候、天气的影响和系统抗毁能力强的优势，同时还能进行灵活的信号配置，易于实现多种服务[8]。这些优势进一步提升了未来6G的应用范围和服务能力，例如：海洋、森林等资源监视和灾害监测，大范围交通物流等监控管理,无人机、舰船、车辆等的协同控制[9]，充分体现出卫星通信网络的连续性、泛在性与扩展性。

如今，已有多个组织、机构将卫星通信网络纳入未来通信网络的发展规划及标准中，ITU、3GPP、SaT5G等主要标准化组织或研究机构已经开始对卫星通信网络与5G融合研究[10]，在6G与卫星通信网络融合方面，ITU在2020年正式启动面向2030及6G的研究工作，明确提出将卫星通信网络纳入6G网络中[11-12]。3GPP组织于2020年5月成功通过由中国电信牵头的“R19 Study on Satellite Access-Phase 3(SAT-Ph3卫星接入研究阶段三,R19)”立项审议，推进3GPP卫星标准研究，进一步推动卫星通信与地面移动通信融合。IMT-2030推进组发布《6G总体愿景与潜在关键技术》白皮书中提到“星地一体融合组网”关键技术，实现空基、天基、地基网络的深度融合[13]。同时，技术的进步及卫星通信网络发展的显著优势推动许多国家持续投入大规模卫星星座的建设，尤其是2014年以来支持高频段、大带宽的卫星通信系统的建设，例如：美国SpaceX公司推出的Starlink与OneWeb公司推出的OneWeb星座、中国航天科技集团公司推出的“鸿雁星座”与航天科工集团公司推出的“虹云工程”，为未来卫星通信网络与6G融合奠定了坚实的基础。

本文总结了未来6G网络三大应用场景及典型应用，并重点参考热点技术对星地融合网络架构进行设计，最后提出未来需克服的三大关键技术及星地融合网络尤其是卫星网络所面对的挑战，以此对未来6G网络的发展趋势进行总结与探索。

星地网络融合将是未来6G发展的趋势，打破卫星与地面相互独立的现状。6G时代不仅体现在地面网络性能的提升，星地融合所展现的新特性也将进一步拓展通信网络的应用场景，同时也将呈现新的典型应用。

1.1 应用场景

卫星通信网络可视为地面通信网络向高空的延伸，极大地弥补了地面通信网络的劣势，同时也是未来更加丰富的应用场景所需具备的最优网络拓展部署的方式，卫星通信广域覆盖使以下更多应用场景的实现成为了可能[14]。

① 广域物联通信。万物互联作为未来发展的趋势，具有分布范围广、终端数量多的特点。卫星通信网络的发展为大跨度的陆海空客货运输监控、森林海洋等自然资源监测提供了更加便利的服务，弥补了地面通信网络的不足。

② 广域宽带通信。卫星通信网络与地面通信网络相结合实现地面热点区域的强化覆盖，并补足网络未覆盖区域，实现具有广泛覆盖能力的大带宽、高速率的网络通信能力。为全球地面网络覆盖受限区域及贫困地区提供更加便捷、低成本及有效的网络通信服务。

③ 广域可靠通信。超远距离通信，例如：跨国企业、金融等数据不仅需要能够稳定地传输，更需要高可靠性和安全性。目前，超远距离跨国数据传输通过地面网络-海底光缆-地面网络的过程来传输，传输过程需要多次转发，降低了时延稳定性和安全性。卫星通信则可在未来实现互补甚至替代的传输方式，使稳定性和安全性得到进一步提升。

1.2 典型应用

应用场景的拓展为实践中的典型业务应用提供了先决条件。6G时代，卫星地面一张网，它们之间的差异也逐渐融合与适配，优势互补成为卫星与地面网络融合的显著特征，其催生出的典型应用也带给人们更便捷的生活体验，例如：物联网、用户终端直连卫星、应急通信等。

① 物联网。物联网的发展使人们能够对物体的控制不受距离的限制，同时物与物之间也能够进行信息交互。卫星通信的加入使通信距离进一步拉远，通过传感器与卫星连接能够对森林、河流、海洋等自然资源进行远距离监测及灾害预警，也为无人汽车、无人机等超远距离运行提供了可能。

② 用户终端直连卫星。星地之间的网络融合不仅是二者之间的互联，更是二者之间标准协议的融合，使日常使用的终端设备能够任意直连、切换地面网络与卫星网络。用户终端直连卫星能够有效地增强热点区域的网络覆盖及在无地面网络基础设施区域实现网络覆盖。

③ 应急保障。地面通信网络易受天气及地质灾害的影响，在灾害来临时极大可能造成通信中断，通信可靠性较差。卫星通信网络的运行则不受影响，可在紧急情况下提供通信保障。

基于以上6G应用场景及典型应用的举例分析，6G的一些关键性能指标与5G相比也有了极大地提高，结合一些组织机构[15-18]对6G预期的指标要求和卫星通信网络的相关指标要求与5G指标进行对比总结，如表1所示。

表1 5G与6G关键性能指标对比Tab.1 Comparison of 5G and 6G key performance indicators

2.1 星地融合通信网络架构设计

星地通信网络融合作为6G时代发展的趋势，两种网络融合后的集成架构也是未来研究的重点方向之一，并从宏观角度突显星地融合通信网络的优势。6G将把地面移动通信与高、中、低轨卫星通信和谐地集成在一起，形成统一的同时支持卫星通信和地面通信的标准、统一的终端身份认证机制、统一的网络架构和控制管理机制，并整合通信、计算、导航、AI等，实现对空、天、地、海三维立体网络信号全球覆盖。

面对未来6G通信业务及应用场景需求，结合现有的地面网络与卫星网络架构，设计更加灵活、更加智能的星地融合通信网络架构，如图1所示。整个架构从上到下分为3层：高轨卫星、中低轨卫星、地面节点。部署过程实现接入网、核心网网元灵活弹性部署，用户面功能与控制面板功能分离，AI全网深入智能化赋能，支持软件定义网络(Software Defined Network,SDN)和网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization,NFV)技术[19]，实现网络切片来满足多场景差异化的业务需求，并结合分布式移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)平台，有效实现将算力从中心延伸到边缘。

高轨卫星：部署轻量化核心网(包括控制面功能网元和用户面功能网元)、接入网、边缘计算服务单元、AI赋能平台及SDN/NFV功能。

中低轨卫星：部署核心网用户面功能网元、接入网、边缘计算服务单元、AI赋能平台。

地面节点：部署地面全功能核心网、地面网关、地面移动基站。

图1 星地融合通信网络架构图Fig.1 Satellite-terrestrial converged communication network architecture diagram

2.2 星地融合网络特点及优势

2.2.1 卫星透明转发与处理一体化

针对未来6G通信海量信息传输，对信息传输时延、传输速率、网络容量都提出了更高的要求。面对不同的业务对时延、速率等的差异化需求，通过透明转发的方式可实现低功耗、高速率，再加上星上处理模式时延低的特点，进一步优化了卫星通信网络的性能。此外，通过综合考虑卫星平台资源和功耗限制，根据需求来实现透明转发和星上处理载荷的灵活部署，提高综合效能。

2.2.2 星地管控体制一体化

针对星地通信网络融合后地面网络与卫星网络需要进行动态无缝切换的需求，以及大量用户同时进行信息数据接入传输过程控制问题等，采用AI辅助的智能管控架构[20]以及SDN/NFV支持的软件可编程性属性来管理网络[21]。此外，星地接入与传输网络采用统一的技术体制和网元接口设计，支持星地网络功能的统一管理和互联互通，实现星地网络的系统级深度融合。

2.2.3 按需服务调度一体化

针对通信网络大规模覆盖、应用场景多样化、应用需求多样化的情况，采用按需分配的资源部署方式。传统网络主要采用自上而下的模式实现统一的服务能力，缺点在于功率均匀分布，不能实现资源的充分利用。在未来，随着用户终端数量的急速增加，网络需要以更高效、更绿色的方式进行设计。星地融合使网络覆盖范围得以扩大，其覆盖策略要从统一覆盖转变为由用户需求驱动的按需覆盖[22]，覆盖模式也要从低效率全覆盖转变为高效、智能、精准覆盖。

3.1 关键技术应用

6G通信技术的发展相比5G有着全方位的指标突破，特别是卫星通信技术的融入，一些为传统网络设计的技术不再适用于星地融合通信网络。新的关键技术的应用，对6G网络尤其是卫星通信网络的性能提升起着重要的作用。本节重点介绍6G中卫星通信网络可能采用的技术及未来发展过程中面临的挑战。

3.1.1 星地融合频谱共享与干扰管理

随着全球通信需求的爆炸性增长和终端设备数量的急剧增加，频谱稀缺问题更加突出，地面网络与卫星网络之间同样存在频谱竞争的问题。在6G时代，星地集成网络探索频谱共享技术是一个很有前途的解决方案，一方面减轻了频谱资源稀缺的压力，另一方面也可以提高频谱资源的利用率。

目前，地面网络已经开始使用与卫星通信重叠的更高的频谱；
未来，终端接入网络过程将实现地面卫星统一的接入方式，并实现无缝切换。然而，实现频谱共享功能需要有效的频谱管理技术，避免因频谱共享造成网络拥塞和相互干扰。文献[23]提出了在星地融合通信网络中引入非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)技术和认知无线电(Cognitive Radio,CR)技术两种最优的频谱共享技术，通过两种技术的融合允许多个用户终端同时接入空闲频谱和处于忙碌状态的频谱，从而实现高效的全频谱接入。但依旧面临着因卫星传输能力有限导致的难以精确感知卫星正在使用的频谱，此外还存在着卫星NOMA分组的不公平性和接收机设计的难题。

3.1.2 星地远距离随机接入技术

未来6G通信网络将实现全球全域覆盖，地面、海洋、高空的终端数量将实现爆炸性增长，因此，在如此庞大的全球网络中，必须能够支持近乎无限的无线连接[24]。如今所应用的无线接入技术远不能满足在6G时代支持的全球通信网络中无处不在的设备无缝覆盖需求，必须探索出一种能够实现高动态大规模连接的随机接入技术。

文献[25]提出了一种基于联合聚类算法的无阈值随机接入前导序列检测算法，该算法可以有效地捕获第一个到达路径对应的正确时间指标，最终能够进一步提高检测性能和定时估计性能。但联合聚类算法的复杂度较高，需要进一步优化。文献[26]则研究了一种高效的低轨卫星辅助6G网络的随机接入前导列的设计与检测方法。首先提出了一种增强型的前导序列以避免额外的信号开销与检测过程，在此基础上提出了一种基于长度可变的差分互相关的新型脉冲定时度量方法，该方法既不受载波频率偏移的影响，还能够减轻噪声对定时估计的影响。

3.1.3 星地协同的安全传输技术

卫星通信的大覆盖范围、大连接特性和开放的环境同时面临着星地信息传输易被窃听和干扰，因此，用户的信息安全保障变得更加困难和具有挑战性。在6G时代，卫星地面通信网络已融为一体，可以借助地面网络实现协同安全传输，防止用户信息被窃听。首先可通过信息交换和波束形成技术来控制对卫星用户的干扰，此外，星地频谱共享技术使星地网络信号传输使用相同的频谱，可借用地面安全传输技术用于卫星信息传输的安全防范。通过协同安全传输构建物理层安全，在不使用复杂的加密技术的情况下调高用户的信息安全。

为了进一步提高6G星地融合网络的安全性，可通过人工噪声技术来提高信息传输的安全性，即通过添加人工噪声来恶化窃听者的信道环境，同时控制对合法用户的干扰。文献[27]在研究卫星端发送信息的同时，产生合法用户已知的人工噪声来实现对发送信息的保密，由于合法用户已知，因此不会对合法用户接收信息造成影响。该方法必须告知合法用户发送的噪声信息，增加了传输信息量。文献[28]则是在卫星发送信息的同时，产生与发送信息正交的人工噪声，从而消除对合法用户的干扰。

3.2 面临的挑战

6G星地融合网络的发展面临很多挑战，尤其是卫星通信网络的发展。如今，卫星通信网络的发展速度相较于地面通信网络一直处于落后的局面，并且还未进行普及型应用，因此，面临很多挑战需要解决。

3.2.1 星地信息传输长时延挑战

通信延迟是保证用户进行无线通信质量基本的性能指标。星地信息传输距离长，导致路径损耗大、传输延迟大，而除了距离的因素外，还存在用户终端数量的爆炸性增长导致的数据量猛增，也存在着信息排队和处理的延迟。这对满足6G所要求的延迟指标带来巨大的挑战。

由于卫星处于上百千米之外，卫星网络的传播延迟比地面网络长得多，在低时延方面有着天然的劣势，为了提高用户的通信质量，需要努力减少6G时代与地面通信网络集成的卫星通信延迟。对于中、低轨卫星的多跳传输，传输延迟决定于源卫星通过寻找最优的多跳路径最后到达地面网关的路径长度，因此，合理放置网关可有效降低传输延迟[29]。此外，MEC技术的应用可以提高信息处理的速度，进一步降低信息传输延迟。

3.2.2 卫星高速移动带来的挑战

卫星的高速移动对于星地信号传输会带来一系列的挑战，如多普勒效应、频率同步跟踪、接入信号随着卫星的移动频繁切换等问题。

低轨卫星的移动速度每秒能够达到几千千米，多普勒频移相对较大，例如，在距离地面600 km的低轨卫星，信号传输载波频率为30 GHz的情况下，多普勒频移可以达到±720 kHz[30]。卫星的快速移动还存在着接入信号频繁切换的问题，文献[31]将接入信号切换类型分为两种：一种是水平切换，即地面通信网络之间或卫星通信网络之间进行信号切换；
二是垂直切换，即星地网络之间进行传输连接时进行切换。对于水平切换可通过常规切换技术进行实现，然后对于垂直切换则面临着巨大的挑战。

3.2.3 星地协同管理带来的挑战

6G星地融合网络包括高轨卫星网络、中低轨卫星网络和地面网络等多层网络集中形成的一个三维立体广域覆盖的通信网络。此外，还要融入多层统一的通信技术，对各层进行统一管理将是一个非常大的挑战。

在多层网络管理的过程中，不仅要考虑满足6G的各项指标要求，还要按需进行均衡网络的覆盖范围及强度，尽可能避免造成有些区域没有进行网络信号连续覆盖的情况出现。此外，网络管理还会受到不同层之间的切换和负载平衡的问题挑战，地面网络的协调可通过光纤进行实现，但对于卫星网络的协调则需要通过无线通信的方式进行实现，进一步增加了多层网络管理的复杂性。

卫星通信在5G时代的发展与起到的作用越来越受到通信行业的重视，可以视其为未来通信网络发展必争的高地。6G星地融合通信网络的发展代表着未来通信网络发展的趋势，其不仅在各项指标上有量的突破，更在覆盖广度与高度上有进一步的延伸。本文首先探索未来卫星通信网络与地面通信网络融合的发展趋势，并简述各个组织机构对未来卫星通信网络发展的规划，侧面反应卫星通信发展受到广泛关注；
其次通过应用场景及典型应用对6G通信以及卫星通信网络的指标要求进行预测；
然后对星地融合通信网络的架构进行分析，使其更符合未来6G通信网络的发展趋势；
最后对6G时代卫星通信网络可能用到的关键技术进行简述，并就可能遇到的挑战进行分析。

在未来研究过程中，既要重视新技术的应用，也要重视发展过程中所面临的挑战。这些不仅代表着能克服未来6G指标要求的难题，更为今后的研究指明了方向。