劉家祥，彭碩，蔣崢，佘小明

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

隨著移動通信技術從1G 到5G 的持續(xù)演進，移動通信已滲透到生產(chǎn)生活的方方面面。依托陸地蜂窩網(wǎng)絡的廣泛部署，全球超過80 億移動用戶獲得了方便快捷的通信服務。然而，受限于需求、地形、成本等多方面因素，陸地蜂窩網(wǎng)僅覆蓋了約20%的陸地面積，荒漠、偏遠山區(qū)、海域和空域無法使用陸地蜂窩網(wǎng)絡。與此同時，衛(wèi)星通信由于其覆蓋范圍廣，不受地理空間限制等特點，剛好可以彌補陸地蜂窩網(wǎng)在這方面的不足。但是衛(wèi)星通信也存在明顯的短板，由于衛(wèi)星與地面終端間傳輸距離遠大于陸地蜂窩網(wǎng)絡，導致數(shù)據(jù)速率、頻譜效率、通信時延等關鍵指標遠低于陸地蜂窩網(wǎng)絡。綜上所述，空天地網(wǎng)絡間相互補充可以彌補各自短板，激發(fā)更大的網(wǎng)絡能力。因此，空天地一體化網(wǎng)絡成為未來移動通信技術演進的重要方向，旨在為用戶提供全球無縫覆蓋的泛在連接。

然而，傳統(tǒng)的空、天、地網(wǎng)絡相互獨立，在網(wǎng)絡架構、通信協(xié)議、網(wǎng)絡運營等方面存在差異。空天地一體化網(wǎng)絡需要打破原有異構模式的壁壘，實現(xiàn)網(wǎng)絡的融合發(fā)展、協(xié)作共贏。傳統(tǒng)運營商主要運營經(jīng)驗來自陸地蜂窩網(wǎng)絡，非陸地網(wǎng)絡（例如通信衛(wèi)星、高空通信平臺）的運營經(jīng)驗較少，在空天地一體化的大趨勢下，加強自身對非陸地網(wǎng)絡的運營能力，能夠實現(xiàn)空天地網(wǎng)絡的優(yōu)勢互補，提升市場競爭力，為用戶提供全球覆蓋、萬物互聯(lián)的高質量服務。

1 空天地一體化現(xiàn)狀

移動通信發(fā)展初期，利用衛(wèi)星為用戶提供無線服務就曾被寄予厚望。最著名的當屬摩托羅拉公司“銥星”（Iridium）計劃，通過66 顆低軌衛(wèi)星構建一個全球覆蓋的衛(wèi)星通信網(wǎng)。但是受限于衛(wèi)星通信水平的影響，“銥星”只能提供語音和低速數(shù)據(jù)服務。隨著貝爾實驗室提出的陸地蜂窩網(wǎng)快速發(fā)展，其在通信質量、容量和資費等方面完全優(yōu)于“銥星”，衛(wèi)星通信最終沒有競爭過陸地蜂窩網(wǎng)，以至于移動通信從2G 到5G 都是沿用的陸地蜂窩網(wǎng)絡的部署方式。之后的衛(wèi)星通信，例如“新銥星”（Iridium Next），其定位也僅僅是對地面通信系統(tǒng)的補充和延伸。但是，地面網(wǎng)絡和衛(wèi)星網(wǎng)絡獨立發(fā)展限制了兩者的應用邊界。未來網(wǎng)絡將是空天地一體化的融合網(wǎng)絡，通過打破行業(yè)壁壘，實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡架構、網(wǎng)絡技術的融合統(tǒng)一，進而拓寬通信服務的維度與廣度。在這方面，無論是標準組織還是產(chǎn)業(yè)界都在積極推動。

1.1 標準組織研究

3GPP 作為通信行業(yè)最重要的標準制定組織之一，在R14階段就提出了衛(wèi)星通信作為5G 接入方式的需求與應用前景。在R15、R16 階段主要對非陸地網(wǎng)絡進行全方位的技術討論，R17 階段正式開始對標準協(xié)議進行修改，具體成果如下：

（1）RAN 側的研究成果輸出在TR 38.811[1]（R15）和TR 38.821[2]（R16）中。前者研究重點在物理層，包括在不同非陸地網(wǎng)絡部署場景下的信道模型、多普勒頻移、傳輸時延等重要特性的評估，以及對標準的潛在影響；后者更關注網(wǎng)絡整體架構，衛(wèi)星/高空通信平臺可以透明傳輸或再生兩種傳輸模式，以及相應的數(shù)據(jù)面和控制面的劃分。在前兩個版本的TR 基礎上，R17 開始了非陸地網(wǎng)絡的第一個NR NTN WI 立項，為了盡量避免引入過多標準復雜度，3GPP決定從最簡單的透明傳輸架構入手，旨在輸出一個能夠指導NTN 快速落地的標準版本。除此之外，NTN 在IoT 方面進行了SI研究并在RAN#92會議通過了IoT Over NTN WI立項，重點研究LTE 空口下物聯(lián)網(wǎng)設備接入衛(wèi)星的問題，在一些共性問題盡量復用NR NTN 的結論。

（2）SA 側的研究主要體現(xiàn)在需求和場景上面。TS 22.261[3]（R15）中提出了衛(wèi)星融入5G 接入技術的需求和未來市場前景。TR 22.822[4]（R16）進一步提出了衛(wèi)星與5G融合的12 個應用場景，例如：應急通信、廣播多播、核心網(wǎng)回傳等。TR 23.737[5]（R17）更聚焦具體的問題，包括移動性管理、衛(wèi)星接入下的多連接、時延影響、QoS 保障等。

在空天地一體化方面，ITU 研究主要在頻譜方面，明確了在6～84 GHz 范圍內(nèi)探索新的可用頻率，并對衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡的干擾共存進行分析。ITU 規(guī)定占用特定頻率的通信星座必須在14 年內(nèi)完成所有衛(wèi)星發(fā)射，旨在保障稀缺衛(wèi)星頻率資源以及推動相關產(chǎn)業(yè)鏈的快速形成[6]。

1.2 產(chǎn)業(yè)推進

隨著SpaceX、OneWeb 為代表的高科技公司布局低軌衛(wèi)星星座圖計劃，衛(wèi)星通信迎來了寬帶互聯(lián)網(wǎng)通信的新契機。SpaceX 發(fā)布Starlink 計劃，預計發(fā)射約12 000 顆地軌衛(wèi)星，提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務。OneWeb 也預計發(fā)射約7 000 顆衛(wèi)星，以“讓所有人在任何地方都能接入互聯(lián)網(wǎng)”。

中國也在積極推進地軌衛(wèi)星星座建設，有“虹云”和“鴻雁”兩個代表性星座項目?！昂缭乒こ獭笔状螌⒑撩撞ㄏ嗫仃嚰夹g應用于我國低軌寬帶通信衛(wèi)星，能夠利用動態(tài)波束實現(xiàn)更加靈活的業(yè)務模式。該計劃預計共發(fā)射156 顆衛(wèi)星，在距離地面1 000 km 的軌道上組網(wǎng)運行，基本實現(xiàn)覆蓋全球的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入?！傍櫻恪表椖恳跃C合信息服務作為系統(tǒng)的建設目標，由300 多顆衛(wèi)星和數(shù)據(jù)業(yè)務處理中心組成，具有數(shù)據(jù)通信、導航增強等功能，可實現(xiàn)全天候、全時段以及在復雜地形條件下的實時雙向通信能力，為用戶提供全球無縫覆蓋的數(shù)據(jù)通信和綜合信息服務。

除了衛(wèi)星通信，高空通信平臺通過無人機、熱氣球等方式實現(xiàn)通信網(wǎng)絡部署，具有機動靈活、快速部署、低成本等優(yōu)勢。以Google 為代表的熱氣球創(chuàng)造了在平流層停留223天的記錄，我國研發(fā)的彩虹無人機可以在空中停留24小時[7]。

2 面向空天地一體化運營新模式

在空天地一體化背景下，移動通信關鍵技術在演進方向具備了全新的維度。網(wǎng)絡更加關注地面網(wǎng)絡和空中網(wǎng)絡的協(xié)同發(fā)展，實現(xiàn)二者的優(yōu)勢互補。在這些關鍵技術的背后，也對網(wǎng)絡運營提出了更高的要求。首先，需要全新的網(wǎng)絡管理架構以適應空天地一體化網(wǎng)絡多空域網(wǎng)絡節(jié)點部署，網(wǎng)絡功能、網(wǎng)絡資源和網(wǎng)絡拓撲的編排和管理體現(xiàn)出立體式特點。本文提出了立體式網(wǎng)絡管理架構，為空天地一體化運營提供了新的模式，拓寬了運營商在網(wǎng)絡功能編排、網(wǎng)絡資源分配和構建網(wǎng)絡拓撲能力。該架構為運營商解決其核心利益相關的“降本增收”問題提供了基礎能力，實現(xiàn)了陸地蜂窩網(wǎng)和空中網(wǎng)絡的優(yōu)勢互補和相互賦能。在降低運營成本方面，陸地蜂窩網(wǎng)的組網(wǎng)技術和運營經(jīng)驗可以在空中網(wǎng)絡進行延伸，例如共建共享技術可以實現(xiàn)多個運營商共享同一張衛(wèi)星網(wǎng)絡，降低運營商空中網(wǎng)絡部署成本。在提高收入方面，空中網(wǎng)絡也可以賦能陸地蜂窩網(wǎng)，解決專網(wǎng)地理區(qū)域受限的問題，并在時延、靈活性等指標上表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，更好地為專網(wǎng)客戶提供優(yōu)質服務。

2.1 立體式網(wǎng)絡管理架構

空天地一體化網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡節(jié)點可能是地面基站、無人機、衛(wèi)星等。與陸地上平面化的網(wǎng)絡結構不同，這些異構節(jié)點構成了三維立體的網(wǎng)絡空間。這些節(jié)點在通信能力、運動范圍、鏈路質量等方面存在顯著差異，如何將這些節(jié)點有機結合，形成優(yōu)勢互補是網(wǎng)絡運營商需要考慮的核心問題。如圖1 所示的立體式網(wǎng)絡管理架構，可以將網(wǎng)絡功能、網(wǎng)絡資源和網(wǎng)絡拓撲在空天地一體化立體網(wǎng)絡空間進行立體式部署，提高網(wǎng)絡的靈活性和可拓展性，以適應不同應用場景需求。

圖1 立體式網(wǎng)絡管理架構

（1）網(wǎng)絡功能

空天地一體化網(wǎng)絡將集成多種功能類型的網(wǎng)絡節(jié)點，衛(wèi)星和無人機可以簡單地對數(shù)據(jù)信號進行透明傳輸，也可以具備基站相同的處理功能。透明傳輸對設備復雜度和成本要求低，但是由于所有數(shù)據(jù)都需要回傳給地面基站，引入的時延相對較大。根據(jù)3GPP 的評估，透明傳輸?shù)牡厍蛲杰壍佬l(wèi)星引入的最大時延為541.46 ms，星上處理可以將時延縮減到270.73 ms[2]。因此，空天地一體化網(wǎng)絡中不同的網(wǎng)絡功能分布對應不同的業(yè)務服務時延，其中陸地蜂窩網(wǎng)絡功能最全，業(yè)務時延最低；將網(wǎng)絡功能分布在衛(wèi)星業(yè)務時延次之，但網(wǎng)絡功能受限；衛(wèi)星透明傳輸僅實現(xiàn)射頻功能，但業(yè)務時延最高。

除了時延因素，網(wǎng)絡功能的立體分布可以更好地實現(xiàn)CU-DU 分離的架構，利用衛(wèi)星和無人機覆蓋廣、地域跨度大的特點，提高了CU 的管轄范圍和效率。最后，通過控制功能和數(shù)據(jù)功能的合理分布，可以構建天地協(xié)同的運營架構。在文獻[8] 中提出了一種基于SDN 的系統(tǒng)架構，地面部署能力強大的主控制器，負責全網(wǎng)視圖并根據(jù)業(yè)務需求進行資源編排。高軌衛(wèi)星作為天基網(wǎng)絡的骨干節(jié)點，既可以將其自治域下的地軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息發(fā)送給地面主控制器，也可以對低軌衛(wèi)星進行控制。低軌衛(wèi)星主要提供高速率低時延的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，并執(zhí)行高軌衛(wèi)星的控制指令和路由策略。文獻[9] 進一步提出了以業(yè)務為中心的按需自適應網(wǎng)絡架構，支持在衛(wèi)星部署核心網(wǎng)功能，地面信關站與核心網(wǎng)和因特網(wǎng)相連。該架構可以更好地為用戶提供按需的服務，空中網(wǎng)絡不僅可以提供數(shù)據(jù)接入，還可以直接提供用戶所需業(yè)務，極大地減少了服務時延。

（2）網(wǎng)絡資源

空天地一體化網(wǎng)絡打破異構網(wǎng)絡資源獨立分配的局面，實現(xiàn)三維立體空間的統(tǒng)一分配。通信資源方面，在偏遠地區(qū)可以將陸地蜂窩網(wǎng)絡頻譜資源分配給衛(wèi)星或無人機使用，既能提高頻譜利用率也不會對陸地蜂窩網(wǎng)造成干擾；對于時域資源分配，可以根據(jù)業(yè)務QoS 實現(xiàn)空天地網(wǎng)絡間的協(xié)調和靈活分配，優(yōu)化全網(wǎng)調度能力，提高整個空天地一體化網(wǎng)絡的容量；在功率方面，空天地網(wǎng)絡間的負載均衡可以實現(xiàn)異構網(wǎng)絡間的優(yōu)勢互補，避免單一網(wǎng)絡負載過高，并且可以在重疊覆蓋區(qū)域選擇合適的網(wǎng)絡進行傳輸，優(yōu)化全網(wǎng)能量消耗。隨著移動邊緣計算（MEC,Mobile Edge Computing）技術的發(fā)展，計算和存儲資源成為了與通信資源同樣重要的資源，并且下沉到網(wǎng)絡邊緣，降低時延的同時有效緩解數(shù)據(jù)回傳壓力。在衛(wèi)星和飛行器上部署MEC 服務器可以為偏遠地區(qū)用戶或物聯(lián)網(wǎng)設備提供計算卸載、緩存分發(fā)等服務。由于衛(wèi)星和飛行器的載荷能力有限，通常采用輕量化的MEC 部署，并和地面基站、核心網(wǎng)和MEC 服務器互聯(lián)互通。通過計算、存儲資源的廣泛分布有利于人工智能技術與通信技術的緊密結合。空天地一體化網(wǎng)絡可以在廣域對終端、傳感器等無線設備進行數(shù)據(jù)信息收集，并上傳到附近的MEC 服務器，為人工智能算法提供大量數(shù)據(jù)。MEC 服務器利用人工智能算法對數(shù)據(jù)進行分析，輸出的結果可以通過空天地一體化網(wǎng)絡下發(fā)，指導終端、傳感器的行為策略。

（3）網(wǎng)絡拓撲

陸地網(wǎng)絡的網(wǎng)絡拓撲結構是靜止的，但由于衛(wèi)星、飛行器的靈活移動，空天地一體化網(wǎng)絡拓撲具有時變性和不確定性。從網(wǎng)絡運營的角度，仍需抽象出相對穩(wěn)定的拓撲結構以便進行網(wǎng)絡的編排管理。網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV,Network Function Virtualization）技術能夠在同一張物理網(wǎng)絡上抽象出多個不同的邏輯網(wǎng)絡，這個優(yōu)勢也可以拓展到空天地一體化網(wǎng)絡的拓撲管理上面[10]。通過NFV 技術屏蔽底層網(wǎng)絡節(jié)點動態(tài)變化，即使網(wǎng)絡節(jié)點移動，也能夠及時尋找到其他替代節(jié)點，對上層抽象出穩(wěn)定的邏輯拓撲結構。

2.2 共建共享

隨著5G 商用步伐的加快以及站址需求的大量增加，共建共享成為了運營商降本增效的重要手段。共建共享的優(yōu)勢在于通過多家運營商共同承建、共同運營一張網(wǎng)絡，節(jié)省了網(wǎng)絡重復建設的成本，提高了建網(wǎng)速率和運營效率?，F(xiàn)有陸地蜂窩網(wǎng)絡共建共享可以實現(xiàn)站址、基帶、射頻單元、頻譜和部分核心網(wǎng)元等不同層面的共享形式。隨著空天地一體化網(wǎng)絡的建設，衛(wèi)星和飛行器的部署將大大提高網(wǎng)絡建設的成本。例如，O3b 建設的中軌衛(wèi)星星座，總共容量10 Tbps，能夠為單用戶提供最大500 Mbps 的速率，其成本為65 億美元；OneWeb 建設的低軌衛(wèi)星星座，總容量5.4 Tbps，能夠為單用戶提供最大上行400 Mbps、下行500 Mbps 的速率，其成本高達300 億美元[7]。現(xiàn)有衛(wèi)星公司面臨的困境是產(chǎn)業(yè)鏈涉及衛(wèi)星制造、火箭發(fā)射、終端研發(fā)、網(wǎng)絡運營等多個環(huán)節(jié)。如果全程參與資金需求巨大，商用周期長；如果僅從事衛(wèi)星運營，其他環(huán)節(jié)從外部采購，行業(yè)客戶觸達能力較差，且供應鏈議價能力較低。2020 年1～4 月，OneWeb 等4 家衛(wèi)星通信企業(yè)進入破產(chǎn)保護狀態(tài)，也印證了以上兩類模式在可持續(xù)運營上存在問題[11]。

在立體式網(wǎng)絡管理架構下，共建共享技術可以從陸地網(wǎng)絡延伸至空中網(wǎng)絡，為未來空天地一體化網(wǎng)絡建設提供新的思路。多家運營商共同建設和維護一張衛(wèi)星網(wǎng)絡并將其納入到地面通信系統(tǒng)，如圖2 所示。由于衛(wèi)星網(wǎng)絡主要覆蓋陸地蜂窩難以覆蓋的偏遠地區(qū)，用戶密度遠小于蜂窩小區(qū)，多個運營商共建共享可以提高衛(wèi)星網(wǎng)絡的使用效率。衛(wèi)星網(wǎng)絡的建設和運營是個長期且復雜的工程，衛(wèi)星網(wǎng)絡的共享可以減小單一運營商的成本壓力，實現(xiàn)多個運營商的合作共贏。參照地面共建共享方案，基站共享可以有獨立載波和共享載波兩種方式。在獨立載波方式下，各地面運營商可以共享衛(wèi)星上的射頻和基帶處理資源，但在載波上進行獨立配置和管理。因此，在共享衛(wèi)星內(nèi)部使用邏輯獨立的不同小區(qū)提供給不同運營商使用。在共享載波方式下，除了可以復用衛(wèi)星上的射頻和基帶處理資源，不同運營商的載波也可以共享，每個載波都需要同時廣播多個運營商的PLMN。另一方面，衛(wèi)星需要通過地面信關站與陸地建立數(shù)據(jù)通路連接，考慮各國家和地區(qū)對于衛(wèi)星通信經(jīng)營資質和信關站落地許可方面政策差異及限制，需要因地制宜地探索實施不同的運營策略，積極尋求與本地運營商的合作，同時利用地面信關站的共建共享能進一步提高網(wǎng)絡資源利用率。地面信關站的全球部署是一個長期過程，在此期間需要利用星間鏈路實現(xiàn)衛(wèi)星間的路由策略，將數(shù)據(jù)盡快回傳到地面站從而接入運營商的核心網(wǎng)。

圖2 衛(wèi)星網(wǎng)絡共建共享示意圖

共建共享需要多個運營商共享相同的衛(wèi)星網(wǎng)絡資源，如何保證衛(wèi)星資源分配的公平性是解決各運營商間相互博弈的關鍵。區(qū)塊鏈技術具有分布式鏈式存儲、鏈上數(shù)據(jù)不容易被篡改等特點，可以賦能衛(wèi)星網(wǎng)絡的共建共享，為缺乏信任的博弈多方提供分布式的可信任記賬功能[12]。衛(wèi)星在通信、計算和存儲資源方面的分配會實時廣播給地面區(qū)塊鏈節(jié)點進行分布式存儲，由于區(qū)塊間的數(shù)據(jù)存在彼此聯(lián)系，很難對數(shù)據(jù)進行非法篡改，共享衛(wèi)星為各運營商提供的服務質量以及資源分配參數(shù)完全透明公開，并且可以和計費規(guī)則關聯(lián)制作成智能合約，在滿足運營商業(yè)務需求時自動觸發(fā)智能合約執(zhí)行。

2.3 專網(wǎng)建設

專網(wǎng)業(yè)務作為新的經(jīng)濟增長點，越來越受到運營商的重視。然而，當前地面移動通信專網(wǎng)主要服務的是工廠、倉庫、碼頭等小范圍的區(qū)域，衛(wèi)星的引入可以極大提高專網(wǎng)的空間跨度。許多跨國公司的工業(yè)園區(qū)分布在世界各地，如何打通這些不連續(xù)區(qū)域成為專網(wǎng)建設的難題。衛(wèi)星通信提供了高質量低成本的解決方案，參考證券交易所的海底電纜，其傳輸時延高達120～150 ms，但500 km 低軌衛(wèi)星可以將時延控制在100 ms 以內(nèi)，而且不受地震、海嘯等自然災害影響[7]。由此可見，衛(wèi)星和無人機等空中網(wǎng)絡節(jié)點的引入為端到端連接提供了新的路由路徑，使能專網(wǎng)建設進入全球組網(wǎng)的新階段。網(wǎng)絡可以根據(jù)時延需求和不同路徑傳輸?shù)臅r延，在空天地網(wǎng)絡間對數(shù)據(jù)流量進行數(shù)據(jù)分流[13]。文獻[14]中提到需要根據(jù)空天地一體化網(wǎng)絡特殊性設計全新的路由策略，考慮因素包括網(wǎng)絡節(jié)點的處理能力、功率限制、動態(tài)拓撲結構、星間接口等。專網(wǎng)用戶涉及行業(yè)廣，用戶需求復雜多樣，根據(jù)目標地址、速率、時延等要求將數(shù)據(jù)分配到衛(wèi)星、無人機和陸地蜂窩基站，能夠更好地滿足客戶多樣化需求。另外，空天地一體化網(wǎng)絡能夠提高網(wǎng)絡應對自然災害的能力，在陸地蜂窩網(wǎng)絡受到破壞的情況下，通過搭載基站功能的衛(wèi)星或無人機，可以實現(xiàn)搶險救災專網(wǎng)的快速部署，構建源節(jié)點和目的節(jié)點之間的路由路徑，當一條路由路徑無法滿足業(yè)務需求時，可以快速切換到其他備選路徑進行傳輸。

未來專網(wǎng)將存在大量分布在偏遠地區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)設備，由于這些地區(qū)難以部署陸地蜂窩網(wǎng)絡，衛(wèi)星和無人機可以提供相應的覆蓋服務。物聯(lián)網(wǎng)設備在電量、處理能力等方面存在明顯限制，文獻[15] 提出將復雜計算任務卸載到衛(wèi)星和無人機，將空中網(wǎng)絡的計算資源在物聯(lián)網(wǎng)設備間進行合理分配，能夠同時提高計算速率和能量效率。有了更加豐富的計算資源進行支撐，機器學習算法在能夠專網(wǎng)中發(fā)揮更大價值。文獻[16] 就提出了利用深度學習在空天地網(wǎng)絡間實現(xiàn)頻譜感知和動態(tài)頻譜共享算法。物聯(lián)網(wǎng)設備可以通過對其無線環(huán)境的感知，優(yōu)先采用空閑的低頻譜以節(jié)省發(fā)射功率。

陸地蜂窩網(wǎng)絡在專網(wǎng)建設上的關鍵技術也會賦能衛(wèi)星、無人機等在專網(wǎng)上的應用。由于其覆蓋范圍更廣，覆蓋范圍內(nèi)存在大量專網(wǎng)用戶和公網(wǎng)用戶，陸地專網(wǎng)在接入控制、資源隔離和差異化服務等方面的關鍵技術可以得到進一步擴展。如果衛(wèi)星、無人機僅服務于專網(wǎng)，需要在其廣播消息中加入相應指示，禁止公網(wǎng)用戶接入網(wǎng)絡，并標識專網(wǎng)ID 用于服務特定的用戶。如果衛(wèi)星、無人機同時服務專網(wǎng)和公網(wǎng)用戶，需要對專網(wǎng)用戶和公網(wǎng)用戶進行區(qū)分，實現(xiàn)差異化的服務，并且要做好數(shù)據(jù)安全和物理資源的隔離，保證兩類用戶互不影響。

3 面臨的挑戰(zhàn)

空天地一體化網(wǎng)絡擁有廣泛的應用前景，但也存在“時-頻-空”三個維度的巨大挑戰(zhàn)，具體體現(xiàn)在：

（1）時域方面，陸地蜂窩網(wǎng)絡傳播時延通常小于1 ms，明顯低于空中通信設備，空中通信設備根據(jù)高度的不同存在幾毫秒到幾百毫秒的傳播延時差異。因此，終端需要具備在大范圍動態(tài)調整上行定時提前（TA,Time Advance）參量的能力。由于地軌衛(wèi)星的運動速度很快，短時間內(nèi)就會發(fā)生很大的位置移動，這種大范圍的TA 調整需要在短時間內(nèi)完成。該特性對終端能力提出了很高的要求，并且為了提高準確度需要網(wǎng)絡側提供相應的輔助信息，包括星歷信息、覆蓋信息、候選小區(qū)信息等。時延的大范圍波動還會影響HARQ-ACK過程，為保證數(shù)據(jù)速率不受影響，需要在傳播時延越大的鏈路上配置更多的HARQ 進程數(shù)。針對可靠性要求低的業(yè)務，可以進一步關閉HARQ-ACK 過程以減小時延對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊慬17]。在隨機接入方面，也可以結合星歷，業(yè)務類型和網(wǎng)絡負載等信息輔助用戶快速選擇和接入網(wǎng)絡。

（2）頻域方面，由于衛(wèi)星高速移動產(chǎn)生的多普勒頻移高達數(shù)十甚至數(shù)百kHz，會導致嚴重的頻率偏移。例如軌道高度為600 km 的低軌衛(wèi)星頻偏高達24 ppm（地面蜂窩網(wǎng)絡一般不超過0.46 ppm）[2]，需要選擇有效的頻率預補償方案。終端可以按照頻偏插值預補償，網(wǎng)絡側補償公共頻偏部分，或統(tǒng)一由終端側補償實際頻偏。對于不具備GNSS 定位能力的終端，需要進一步研究增強方案以實現(xiàn)上行頻率同步。另一方面，空天地一體化網(wǎng)絡涉及到多個頻段的管理，其復雜程度遠高于地面網(wǎng)絡[18]。首先在衛(wèi)星通信發(fā)面，已經(jīng)有多個頻段可供使用，例如L 頻段（1—2 GHz）、S 頻 段（2—4 GHz）、C 頻 段（4—8 GHz）、Ku 頻段（10.7—13.25、13.75—14.5 GHz）、Ka 頻段（17.3—21.2、27.0—31.0 GHz）、Q/V 頻段（37.5—51.4 GHz）等。其次，需要考慮衛(wèi)星通信和地面通信的干擾共存問題，根據(jù)ITU 的規(guī)則，有的頻段是地面通信和衛(wèi)星通信所共享的，例如1 885—2 025 MHz 及2 110—2 200 MHz。使用傳統(tǒng)的硬性頻率分割方式會大大降低傳輸效率，未來空天地一體化網(wǎng)絡可以基于立體式網(wǎng)絡架構的特點，利用不同接入方式覆蓋區(qū)域的差異性，實現(xiàn)頻率復用。此外，可以利用人工智能等技術來輔助進行干擾預測與資源協(xié)調，進一步探索動態(tài)頻譜共享策略以解決星地間的干擾問題。

（3）空域方面，空天地一體化網(wǎng)絡的網(wǎng)絡拓撲結構從二維擴展到了三維。無人機可以在低空臨時組網(wǎng)提供應急通信，低軌衛(wèi)星可以提供低時延的衛(wèi)星寬帶業(yè)務，地面同步軌道衛(wèi)星可以提供廣域的覆蓋，空天地一體化網(wǎng)絡存在多層次網(wǎng)絡節(jié)點部署的特點。與此同時，網(wǎng)絡拓撲結構存在時變性和不確定性，空中節(jié)點可以隨意靈活地移動，即使用戶相對地面靜止也會產(chǎn)生頻繁的網(wǎng)絡切換或小區(qū)選擇/重選，對網(wǎng)絡的管理和運營提出了新的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡協(xié)議設計方面應采用智簡統(tǒng)一的設計思想，并探索靈活高效的資源調度和路由策略選擇方法。在進行測量和小區(qū)切換時，在信號質量的基礎上，參考終端位置信息和衛(wèi)星有效服務時間，進而選擇最優(yōu)的目標服務小區(qū)，保障業(yè)務連續(xù)性。

4 結束語

空天地一體化作為未來發(fā)展的重要方向，為移動通信提供了全新的領域和視角。本文分析了現(xiàn)有標準化和產(chǎn)業(yè)鏈進展，重點研究了面向空天地一體化場景下的網(wǎng)絡運營和關鍵技術。本文首先提出了立體式網(wǎng)絡管理架構，能夠在網(wǎng)絡功能、網(wǎng)絡資源和網(wǎng)絡拓撲方面實現(xiàn)三維空間靈活部署。其次，基于該架構重點研究了空天地網(wǎng)絡互相賦能，協(xié)同發(fā)展的技術方向，以共建共享技術為例體現(xiàn)了陸地蜂窩網(wǎng)運營經(jīng)驗對降低非陸地網(wǎng)絡建設成本的啟發(fā)，與此同時，非陸地網(wǎng)絡也可以克服陸地專網(wǎng)的空間距離限制，降低網(wǎng)絡傳輸時延，提高專網(wǎng)部署靈活性。最后提出了空天地一體化網(wǎng)絡在“時-頻-空”三個維度的巨大挑戰(zhàn)，并在運營策略上提供了方向。