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专题丨面向6G的空天地一体化系统设计和关键技术

信息通信技术与政策

2022-10-13

导读：康绍莉，缪德山，索士强，孙韶辉

作者简介

康绍莉

电信科学技术研究院无线移动通信国家重点实验室、中信科移动系统研究高级技术专家，长期从事移动通信新技术研究，主要研究方向包括频谱共享、多址接入、卫星通信及6G等。

缪德山

电信科学技术研究院无线移动通信国家重点实验室、中信科移动高级工程师，主要从事3GPP NTN、卫星通信以及星地融合空口传输方面的研究工作。

索士强

电信科学技术研究院无线移动通信国家重点实验室、中信科移动创新中心副总经理，长期从事移动通信新技术研究与标准制定工作，主要研究方向包括通信感知融合、多天线技术、卫星通信等。

孙韶辉

电信科学技术研究院无线移动通信国家重点实验室、中信科移动副总经理，长期从事移动通信新技术研究与标准制定工作，主要研究方向包括移动通信系统设计及多天线技术、卫星通信、定位等。

论文引用格式：

康绍莉, 缪德山, 索士强, 等. 面向6G的空天地一体化系统设计和关键技术[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(9):18-26.

∗基金项目：国家重点研发计划项目（No.2020YFB1807900）资助

面向6G的空天地一体化系统设计和关键技术^∗

康绍莉^1,2 缪德山^1,2 索士强^1,2 孙韶辉^1,2

（1.电信科学技术研究院有限公司无线移动通信国家重点实验室，北京 100083；2. 中信科移动通信技术股份有限公司，北京 100083）

摘要：随着5G走向商用，6G日益成为业界研究的热点。空天地一体化具有扩展覆盖、节省成本等多种优势，被业界当作6G的重要关键技术。对6G的空天地一体化系统设计和关键技术进行研究，首先分析了空天地一体化系统设计的驱动力，探讨了空天地一体化系统设计的基本理念，剖析了空天地一体化系统设计面临的问题和挑战，最后提出了空天地一体化系统设计的系列关键技术并进行了深入研究，为后续6G的关键技术研究、系统设计与标准推进，以及6G的产业化提供参考和借鉴。

关键词：6G；空天地一体化；多波束协同传输

中图分类号：TN927.2；TN918 文献标志码：A

引用格式：康绍莉, 缪德山, 索士强, 等. 面向6G的空天地一体化系统设计和关键技术[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(9):18-26.

DOI：10.12267/j.issn.2096-5931.2022.09.003

0 引言

地面移动通信以10年一代的规律进行交替，已经从20世纪80年代的第1代移动通信（简称“1G”）发展到了第5代移动通信（简称“5G”）。以5G为代表的地面移动通信能够提供丰富的业务支撑能力和良好的用户体验，但地面移动通信整体上存在覆盖范围受限的问题。此外，传统上地面移动通信网络和卫星通信网络独立发展和建设部署，无法提供空天地一体的资源管控和业务连续性服务能力。面向第6代移动通信（简称“6G”），移动通信网络覆盖范围有望极大扩展，不局限于地面移动通信所覆盖的约20%的陆地面积和6%的地球表面积，还将涉及海洋、山川、森林、沙漠等无法通过地面蜂窝基站提供信号覆盖的更广袤区域。因此，地面移动通信与卫星通信应互为补充、相辅相成，两者共同构建覆盖全球的星地融合网络是大势所趋。其中，内陆人口稠密区域用地面移动通信网络覆盖，发挥容量优势，满足海量连接需求；而对于地面移动通信无法覆盖的偏远地区与海洋等区域采用卫星通信覆盖，可以充分发挥卫星通信的覆盖优势，节省地面基站建设和运维成本。可以预期，6G移动通信将以地面蜂窝通信为依托、卫星天基网络和高空平台等空基网络为拓展，构建空天地一体化的立体覆盖网络^[1]。

针对空天地一体化的应用需求，6G系统的设计需要开展满足空天地融合的系统架构、空口技术和关键流程等方面的技术研究，主要目标是确定6G空天地一体化的设计理念，并对具体的关键技术和系统设计提供系统化的设计方案。本文对6G的空天地一体化系统设计和关键技术进行研究，具体章节安排如下：第1章分析了空天地一体化系统设计的驱动力，第2章探讨了空天地一体化系统设计的基本理念，第3章剖析了空天地一体化系统设计面临的问题和挑战，第4章提出了空天地一体化系统设计的系列关键技术并进行了深入研究，第5章对全文进行总结并对6G空天地一体化未来发展进行展望。

1 6G空天地一体化系统设计的驱动力分析

卫星通信与地面网络的融合已成为通信网络的重要发展趋势，两者将从覆盖融合、业务融合走向体制融合，并最终实现系统融合。当前，以第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）、国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）、中国通信标准化协会（China Communications Standards Association，CCSA）为代表的多个国际组织正在持续开展基于5G及演进的卫星互联网体制融合研究。例如，ITU-R WP4B自2021年成立了卫星无线空口研究项目（Satellite Radio Interface of IMT-2020）^[2]，计划2025年完成 5G卫星的应用场景、关键性能指标及评估标准；3GPP在R15阶段定义5G卫星网络架构和场景^[3]，在R16阶段初步研究了星地融合技术^[4-5]，在R17阶段形成了第一个融合标准，R18阶段将继续在移动性管理、终端增强等方面开展研究；中国通信标准化协会的TC5WG10（卫星与微波通信工作组）及TC12（航天通信技术工作委员会），均开展了5G卫星网络接入、传输协议、协同组网和应用等方面的研究。

然而，卫星通信与地面移动通信尚未形成深度融合的一个整体，无法实现星地一体的资源协同调度和协同接入与传输。面向6G，空天地一体化将会成为技术发展的必然趋势，已经受到国内外标准组织和产业界的高度关注，多个公司或组织的6G白皮书和6G相关书籍均提到了空天地一体相关技术愿景。例如，韩国电子通信研究院（Electronics and Telecommunications Research Institute，ETRI）在其6G愿景白皮书中提出了3D立体覆盖的需求和关键技术，日本NTT Docomo 在其5G演进和6G白皮书中提出了高空平台和卫星的空间覆盖需求，瑞典爱立信在其6G白皮书中提到非地面接入是6G的重要组成部分，国内未来移动通信论坛在2020年发布了《空天地一体通信系统》白皮书^[6]，系统性地介绍了空天地一体通信的需求和愿景以及关键技术。此外，国内IMT-2030（6G）推进组在网络工作组下面成立了天地一体化任务组，主要探讨天地一体化对6G网络架构的影响。

总体来看，6G的空天地一体化系统设计至少来源于下述3个方面的驱动力^[7-9]。

（1）覆盖驱动：地面移动通信服务的人口覆盖率约为70%，但仅覆盖了约20%的陆地面积，小于6%的地球表面积，难以实现全球无缝覆盖。与地面移动通信相比，卫星通信具有覆盖范围广、传输容量大、不受地形环境限制等优点，因此，卫星通信日益成为丰富地面移动通信应用场景的重要手段。

（2）技术驱动：传统上卫星通信和地面通信采用不同的技术体制，卫星通信多以数字广播制式为主。随着地面移动通信的快速发展，越来越多的卫星通信在借鉴地面移动通信的先进技术和标准体制。卫星通信和地面移动通信采用统一空口传输技术，能够支持空天地一体化网络建设和运维，避免传统卫星通信“烟囱式”的网络发展。

（3）产业驱动：已有卫星通信网络和地面移动通信网络采用不同标准体制、独立组网的方式，形成一种竞争关系，造成产业链割裂。空天地一体化网络将能够为卫星通信和地面移动通信建立统一的产业链（含终端、网络与测试设备等）、统一的资源管控和系统运维需求、统一的业务服务管理和用户体验管理，从而使得卫星通信充分利用地面的成熟产业链来发展，极大地降低卫星通信的建设与运维成本。

可以预期，随着6G的发展，卫星通信和地面移动通信将向全方面、深度融合方向发展，从网络架构、空口技术、网络管理、频率复用等方面进行统一设计，形成真正空天地一体的6G网络。

2 6G空天地一体化系统设计的基本理念

针对6G空天地一体化的技术需求，6G系统设计既要满足整体设计的一致性，以防止卫星通信和地面通信的产业链的割裂，又要允许空天通信和地面通信的差异，能针对特定需求进行技术增强。6G空天地一体化系统设计遵循四大原则。

原则1：支持全球立体广域覆盖，提供业务服务连续性和QoS保障。

原则2：采用统一的网络架构和接口协议，支持空、天、地、海等各种场景的部署。

原则3：基于空口技术一体化设计，支持星地终端单模设计。

原则4：针对空天地网元节点功能、场景、器件的差异，支持技术特性裁剪和优化设计。

基于该原则设计的6G空天地一体化系统具有下述基本特征。

（1）采用一体化、场景可配置的空口传输波形与多址复用技术，实现快速接入和可靠数据传输。

（2）基于统一的帧结构和物理信道设计，结合特定场景的优化技术，支持不同类型的用户服务和高效传输。

（3）在空天地统一的空口协议栈和网络架构基础上，支持按需配置的协议裁剪和优化，支持天地协同传输和无缝切换。

（4）面向卫星通信、低空通信和地面通信等多种场景，采用统一频谱分配和管理策略，实现频率资源共享和干扰规避。

从应用场景和业务类型来看，6G空天地一体化系统能够面向空天地海等泛在连接场景，支持多样化的业务类型（见表1）。

表1 6G空天地一体化系统的业务支撑能力

从技术指标需求来看，6G空天地一体化系统具有比以往移动通信系统更强的能力，例如卫星通信可以进行更大的覆盖、支持高速移动终端的接入、对卫星波束切换的可靠性要求更高；但有些性能指标可能比地面弱，例如由于卫星功率的限制，传输速率和频谱效率并不是太高，但比已有卫星通信系统仍有明显的提升。按照业界讨论，6G空天地一体化相关的技术指标要求如图1所示，具体体现在以下方面：支持更大小区覆盖能力，小区半径可达500 km以上；支持用户在空间上的动态分布，立体高度可达10~20 km；支持终端的移动速度最大可达1 000 km/h以上；切换可靠性大于99%（星间、星地等）；支持链路的可用度为90%以上，全球覆盖率为100%；用户的体验速率不小于1 Mbit/s；最大频谱效率大于3 bit/s/Hz。

图1 6G天地一体化系统能够满足的关键技术需求

3 6G空天地一体化系统设计的问题与挑战

考虑到卫星通信和地面移动通信在链路传输上的巨大差异，6G空天地一体化系统设计存在着星地链路传输、卫星平台和环境限制、星地协同的接入和传输、承载网和部署的限制等问题，各问题也面临着相应的技术挑战，具体分析如表2所示。

表2 6G空天地一体化系统设计的问题与挑战

4 6G空天地一体化系统设计的关键技术

为应对6G空天地一体化系统设计存在的技术挑战，本文提出系列关键技术，使得6G空天地一体化系统能够满足对应的技术指标需求。这些技术可大致分为3类：基本无线技术、融合网络技术、功能扩展技术，如图2所示。基本无线技术侧重于无线空口物理层传输技术，为空天地融合奠定技术基础；融合网络技术侧重于空口高层、网络接口和协议设计，要求空天地融合网络能适配地面通信和空间通信的联合需求，并提供一体化的设计框架；而对于功能扩展技术则是6G系统新增的需求，是在星地系统融合的基础上进一步满足频率融合和通信导航融合。

图2 6G空天地一体化系统设计需要考虑的关键技术

4.1 基本无线技术

基本无线技术具体包括统一的帧结构和物理信道设计、星地融合的波形与多址接入、星地融合的时频同步和可靠传输技术、星地融合的波束增强技术等^[10-11]。

4.1.1 统一的帧结构和物理信道设计

针对空天地等多种场景,采用统一的帧结构设计，可参数化自适应形成无线帧、子帧、时隙等时域颗粒度。通过设计灵活可配的上下行控制信道，实现动态调度、半持续调度、多时隙调度等多种调度技术。针对星地传输的大时延、大多普勒偏移、链路预算差等特点，支持时频补偿增强技术、HARQ技术和覆盖增强技术，实现可靠接入和高效传输。

4.1.2 星地融合的波形与多址接入

为支持统一的波形设计，通过基于软件参数自适应配置实现卫星通信和地面移动通信的融合空口波形。以CP-OFDM和DFT-s-OFDM波形为基础技术，研究其他波形在卫星场景的适用性。

面向未来的星地融合场景，除了支持正交多址接入技术以外，可考虑非正交多址接入技术。在星地融合网络中，由于星地传输时延长，采用非正交多址接入技术能增加传输机会，增大支持的用户数，有效降低星地传输的接入时延和数据传输时延。

4.1.3 星地融合的时频同步和可靠传输技术

面对卫星和终端的高速移动，5G系统并未彻底解决非地面通信（Non-Terrestrial Networks，NTN）空口的同步问题。而星地传输时延长，链路预算差，容易遭受天气因素影响。卫星网络对TDD网络的支持也比较困难，存在小区间干扰和上下行定时调度难题。需要研究高动态条件下的终端初始时频同步和时频跟踪，并考虑终端有定位能力和终端无定位能力等多种情况；需要研究天地融合场景下的低时延传输和可靠性增强传输技术，研究TDD系统在空间通信中的干扰规避和时序优化技术。

4.1.4 星地融合的波束增强技术

和地面移动通信的多天线形成的波束相比，卫星通信的波束需要进行增强。一方面因为卫星的覆盖面积大，需要考虑波束数量和功率及复杂度的权衡，另一方面在于卫星通信的无线信道以直射径为主，多流传输比较困难，且通常星上载荷处理能力有限，MIMO预编码技术实施困难。由此，需要研究卫星通信场景的随遇接入方式及多种类型波束的协同，研究卫星通信中的单用户MIMO（SU-MIMO）和多用户MIMO（MU-MIMO）传输方案，研究波束频率复用和波束干扰抑制的机制等。

用户随遇接入的技术方案如图3所示，卫星支持控制波束和业务波束，其中图3（a）表示用户位置未知的情况,用户在控制波束发起接入，控制波束与业务波束进行匹配，其中控制波束承载用户的同步和接入等基本控制信息，业务波束承载用户的数据传输。通常控制波束比业务波束具有更大的覆盖范围，即1个控制波束内可以支持多个业务波束，这样一方面可以减小在控制波束的频繁切换，另一方面可以更灵活精准地为用户调度资源。图3（b）表示用户位置已知的情况，网络基于用户位置信息发送定向业务波束接入，降低用户接入的开销。

图3 用户的随遇接入

图4给出了单星的多波束协同传输示意，通过极化复用形成SU-MIMO传输方案（如图4(a)所示）或者通过预编码技术形成MU-MIMO传输方案（如图4(b)所示），降低波束间干扰，提高单用户传输速率，提高系统传输容量^[12]。

图4 单星多波束协同传输

4.2 融合网络技术

融合网络技术具体包括统一的空口协议栈和网络架构、星地异构协同传输技术、星地融合的移动性管理技术、星地融合的资源管控技术等^[13-14]。无论是地面网元节点还是空间网元节点，都应该在统一的网络架构中定义接口和协议栈，支持用户面和控制面的分离，支持服务化和以用户为中心的网络架构设计。面向卫星平台和临空平台的高速移动，支持基于预测的零时延、高可靠的切换技术。基于星地协同和多连接技术，实现星地协同传输和资源统一管理。支持基于空间环境和星载平台的特点，实现协议的可裁剪性和轻量化设计。

图5提出支持网络功能在天基网络和地基网络间按需、智能部署的空天地融合网络架构，能够根据卫星载荷能力与服务场景，实现星地网络的按需重构；能够通过星地间网络功能的柔性分割，保证网络功能的灵活按需部署；能够通过网络管控功能和网络感知功能的灵活部署，实现星地网络的协同管控。

图5 星地融合网络架构

图6给出了异构多波束协同传输来提升频谱效率和系统容量的技术方案示意，这要求星间、星地异构网络的协同。其中，图6（a）表示多星的多波束协同传输，通过卫星群波束同步传输提升复用能力。图6（b）表示星地的多波束协同传输，通过星地波束间联合控制实现协同传输，传输提升传输速率和覆盖增强^[12]。

图6 星地异构协同传输

4.3 功能扩展技术

功能扩展技术具体包括星地频率资源共享技术、卫星通信与导航融合技术等。

4.3.1 星地频率资源共享技术

随着用户业务需求的增长，频谱资源变得越发匮乏，卫星和地面网络如果使用传统的频率硬性分割，将使得传输效率和频率利用率大大下降。面向未来的空天地一体化场景，频率资源可能不再固定地分为卫星通信和地面通信，而是采用统一的资源分配策略。基于地面网元和卫星平台的协同，实现干扰规避和频率动态共享，提高频谱资源利用的效率。需要研究频谱感知技术，实现快速的干扰检测和信号识别，有效对频率干扰进行管控，动态地分配和调度频率资源。

图7给出了卫星通信和地面移动通信的频谱共享与干扰规避示意。针对卫星通信和地面通信都在看好的中高频段，频谱共享能够让卫星通信和地面通信从频率竞争关系转向频率协同关系，极大地提升频谱利用率。同时，因天基和地基在无线传输链路上存在空间分布的差异，通过人工智能（AI）辅助，终端依据信号方向能够更好地区分卫星通信信号和地面通信信号，实现空间复用和干扰规避^[15]。

图7 频率共享与干扰规避

4.3.2 卫星通信与导航融合技术

现有卫星通信和导航定位技术是相对独立的，然而卫星通信对终端的位置信息要求较高，同时地面系统通信和定位技术已经融合，有必要建立通信和导航一体化的技术框架，采用统一的通信和导航信号设计。需要借鉴已有定位技术，设计卫星通信信号与导航信号的融合机制。需要研究导航定位功能和卫星通信功能的协议配置。

卫星通信和定位融合主要体现在终端能基于卫星的通信信号进行测量，从而获得定位所需的技术参数，以完成终端的自定位或者网络对终端的定位。图8给出了卫星通信与导航定位融合示例，其中图8（a）对应单星定位技术，终端基于同一颗卫星的多次测量完成定位，支持终端获得空间上的多个样本，测量信号可基于信号的特征向量，包括时间、功率和多普勒偏移等；图8（b）对应多星定位技术，终端基于多星的测量完成定位，这要求终端能获得多颗卫星信号，采用时分或空分等具体测量机制。

图8 卫星通信与导航定位融合

5 结束语

在“万物互联、全球覆盖、泛在智能”等需求的多重驱动下，6G网络应能在任何地点、任何时间，以任何方式为用户提供服务，实现全场景全域下各类用户的接入。由于卫星移动通信网络在覆盖范围和移动接入等方面与地面移动通信网络具有极强的互补性，构建统一的空天地一体化网络成为6G网络的重要特征。本文对面向6G的空天地一体化网络进行系统设计的驱动力、设计理念、面临问题和技术挑战等多方面的探讨，并提出了系列关键技术来满足系统设计的技术需求。

可以预见，作为支撑6G全域覆盖的典型技术，空天地一体化将在未来十年甚至更长的时期内，成为扩展网络服务广度和深度、改变用户之间时空连接方式的重要技术。同时，作为新型的信息服务基础设施，空天地一体化的6G网络，将全面提升其支撑公共安全、应急通信、社会治理、产业升级等方面的服务能力。

参考文献

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System design and key technologies for the integrated air-space-terrestrial communication toward 6G

KANG Shaoli^1,2, MIAO Deshan^1,2, SUO Shiqiang^1,2, SUN Shaohui^1,2

(1.State Key Laboratory of Wireless Mobile Communications, China Academy of Telecommunications Technology (CATT), Beijing 100083, China; 2.CICT Mobile Communication Equipment Co.,Ltd., Beijing 100083, China)

Abstract: As 5G goes into commercial use, 6G has increasingly become a research hotspot by academics and industries. The integrated air-space-terrestrial communication (IASTC) is regarded as an important key technology of 6G, due to its advantages such as expanding coverage and saving cost. In this paper, the system design and key technologies of 6G IASTC are studied. Firstly, the driving force of 6G IASTC is analyzed, then the basic concept of system design is discussed, and then the difficulties and challenges are analyzed. Finally, a series of key technologies for 6G IASTC are proposed and discussed in depth. The research of this paper will provide reference for future work on 6G, including key technology research, system design, standard promotion and also industrialization.

Keywords: 6G; integrated air-space-terrestrial communication (IASTC); multiple beams coordination

本文刊于《信息通信技术与政策》2022年第9期

主办：中国信息通信研究院

《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。