空間信息資源已成為各個國家的重要戰(zhàn)略資源，天地一體化網絡正在成為發(fā)達國家國民經濟和國家安全的重大基礎設施，可實現(xiàn)對空、天、地、海等多維信息的有效獲取、協(xié)同、傳輸和匯聚。2024年4月18日，6G技術大會也就空天地一體化主題召開了專門的論壇，并就未來衛(wèi)星互聯(lián)網大規(guī)模發(fā)展、平流層通信新基礎設施形態(tài)、天地一體網絡架構及技術等方向開展了熱烈的討論。
隨著衛(wèi)星成本下降，衛(wèi)星互聯(lián)網成為新型基礎設施的熱門話題，但其性能、成本與管理仍是值得學術界和產業(yè)界共同探索的重要問題
衛(wèi)星成本持續(xù)下降，提升產業(yè)熱度。以高軌高通量星為例，在經歷漫長的發(fā)展后，容量得到了大幅提升（Viasat3已經實現(xiàn)了1Tbps容量），成本也在持續(xù)下降（目前已經達到了3.5美元/Gbps）。帶動相關公司紛紛入局部署，目前國內以上海垣信為代表的低軌衛(wèi)星公司正在積極布局，包括全自動化的生產流水線、激光通信/白盒化等新技術研究、波束賦形相關芯片的設計等，以便提供更加智能、豐富的衛(wèi)星商業(yè)服務，匯集地理、海事、環(huán)境、水文、車聯(lián)網、航空等種類豐富的海量數據。
圖1 衛(wèi)星通信成本變化圖
來源：英國薩里大學孫智立教授《Future visions for Satellite systems in 5G/6G and beyond》
衛(wèi)星互聯(lián)網發(fā)展面臨性能評估、成本、管理等問題。與此同時，全球低軌衛(wèi)星不斷發(fā)射，在軌星座規(guī)模持續(xù)擴大，帶來了性能評估、成本、管理的相關問題。性能方面，西安電子科技大學李建東教授提出，單位面積內覆蓋的衛(wèi)星數量、業(yè)務密度、容量等指標是需要關注的重點。成本方面，目前低軌衛(wèi)星用戶的服務費約是5G的6倍，未來可以通過星間鏈路的選型、中低軌結合等方式降低成本。此外關于管理方面，與會專家均認可通過引入人工智能的方式，應對頻率干擾、空間碰撞、空間路由等一系列挑戰(zhàn)。
圖2 在非對稱2D-Torus拓撲中刪除冗余星間鏈路（ISL）可以降低成本
來源：西安電子科技大學李建東教授《Evaluation and Design of Mega Satellite Constellations》
手機直連是空天地一體融合的重要標志，是拓展信息消費新空間的有力手段，2024年將進入競爭期，未來將進一步帶動6G星地融合。2022年產業(yè)及學術界關注衛(wèi)星與地面關口站的聯(lián)合，并宣布開始進行手機直連衛(wèi)星的研究。2023年則展開了各類技術驗證，同年我國天通一號手機直連衛(wèi)星服務在全球率先商用落地。2024年，星鏈開始提供手機直連的短信服務、AST開始提供間歇性連接服務；中國移動開始發(fā)星驗證NTN的相關標準。據TrendForce預測，2026年全球NTN市場預計可達88億美元�？梢娢磥鞱TN類業(yè)務（如手機直連等）將帶動6G向星地融合方向持續(xù)發(fā)展，未來為了實現(xiàn)更靈活的網絡覆蓋以及性能，還需要持續(xù)關注網絡架構演變、空口傳輸、頻率共享以及資源管理等方面。
圖3 全球NTN市場預估
來源：中國信科康紹莉《Technology Trend of Integrated Terrestrial-Satellite Mobile communication》
天空平流層通信在技術優(yōu)化下，或為6G提供更為豐富的空中通信解決方案
日本NTT DOCOMO公司介紹了低成本、低時延、管理簡單的平流層通信（HAPS）。在成本方面，以日本為例，相較低軌衛(wèi)星需要大規(guī)模的星座組網才能夠實現(xiàn)全域覆蓋，采用HIBS的方式覆蓋僅需50個高空平臺即可實現(xiàn)全域接入。在時延方面，高空平臺距離地面20Km的高度，是低軌衛(wèi)星高度的近1/25，擁有更低的延時和更高的服務體驗。在網絡架構方面，HAPS相對地面靜止，且覆蓋半徑大（約50Km），對于移動性管理的要求不高。
平流層通信的概念雖然已有近20年的歷史，一直以來HAPS的發(fā)展存在三大挑戰(zhàn)：一是如何實現(xiàn)遠距離的空口的設計；二是如何跟地面網絡做好頻率高效共享；三是如何做好互聯(lián)互通。隨著非對稱的 DFT、虛擬孔徑技術等技術的引入，將HAPS的覆蓋范圍由 5 km提升至50km、目標的分辨率由 500m提升到300m。 目前HAPS已經來到了商用的前夜，日本Space Compass 公司以及法國空客公司均有計劃在 2025 年前后開展提供 HIBS商用服務。
圖4 HAPS與LEO、GEO的性能對比
來源：DOCOMO（北京）通信技術研究中心陳嵐
星地融合是6G發(fā)展的必然趨勢，NTN成為天地一體網絡架構的關注重點，通信技術與元器件亟待攻克
與會專家基本一致認可未來星地融合是必然趨勢。衛(wèi)星服務逐步由電視廣播向4G/5G移動通信方式靠攏，如何實現(xiàn)地面與衛(wèi)星服務的一致性體驗成為了業(yè)界思考的重點，架構與技術是天地一體化落地商用的前提。
圖5 衛(wèi)星通信服務與地面通信服務走向一致
來源：英國薩里大學孫智立教授《Future visions for Satellite systems in 5G/6G and beyond》
中國信科康紹莉《Technology Trend of Integrated Terrestrial-Satellite Mobile communication》
據6G大會同步發(fā)布的《天地一體化技術探索與實踐》白皮書顯示，在架構方面，基于3GPP的5G NTN技術被寄予厚望。尤其是再生模式的網絡架構，將通過在衛(wèi)星上部署 NG-RAN（+5GC），實現(xiàn)控制面/數據面的延遲降低、并為未部署NTN網關的區(qū)域提供低延時業(yè)務、服務鏈路與饋線鏈路的頻譜效率提升。
圖6 再生模式網絡架構
來源：未來移動通信論壇《天地一體化技術探索與實踐》
在技術方面，基礎通信技術與專用設備有待進一步研究攻克。天地終端間的相對運動速度高，會帶來傳輸時延和多普勒偏移，同時遠距離通信也會造成偏移等問題，需要加強對于空口同步、時序管理、波束管理、移動性等基礎通信技術的研究。此外，衛(wèi)星互聯(lián)網配套的專用的相控陣天線、轉發(fā)器、星間鏈路、終端、星載無線設備、星載核心網設備等，在面向低軌、手機直連等新興場景中也有待進一步研發(fā)。
展望
據GSMA數據顯示，目前全球地面移動網的人口覆蓋率69%，地表覆蓋率不足10%，全球80%的陸地，95%的海洋還未覆蓋。地面網絡結合衛(wèi)星通信的廣覆蓋優(yōu)勢，將持續(xù)擴展應用場景，其中手機直連衛(wèi)星、物聯(lián)網、車聯(lián)網、海運、航空等將成為未來天地一體的實用性場景，國內有望實現(xiàn)近千億級的市場空間。
本文作者
韓琳
戰(zhàn)略發(fā)展研究所
副主任分析師
碩士，就職于中國電信研究院，長期從事天地一體、云網融合相關技術及行業(yè)研究，包括網絡云化、網絡開放等。
鄒昭
戰(zhàn)略發(fā)展研究所
二級分析師
碩士，就職于中國電信研究院，從事通信行業(yè)研究，專注于人工智能及安全戰(zhàn)略研究。 
