中國信科副總經理、專家委主任陳山枝:星地融合是6G移動通信關鍵技術方向-新華網
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2022 04/05 10:14:10
來源:人民郵電報

中國信科副總經理、專家委主任陳山枝:星地融合是6G移動通信關鍵技術方向

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衛星通信與地面移動通信融合構建全球無縫覆蓋的星地融合網絡,這一趨勢作為未來6G網絡技術發展的重要方向得到業界廣泛認可,成為當前學術界和產業界研究的熱點。

中國信科副總經理、專家委主任,無線移動通信國家重點實驗室主任,IEEEFellow陳山枝博士在3月24日的全球6G技術大會上作了《關于星地融合移動通信的認識與思考》專題報告,提出了三點認識與三點思考,受到業界廣泛關注。

認識一:衛星通信與地面蜂窩通信由競爭轉為互補

在20世紀90年代,地面蜂窩移動通信(GSM和CMDA)和低軌道衛星通信(銥星系統)在全球是競爭關系。雖然地面移動通信從2G到3G、4G和5G得到了快速發展及廣泛應用,但只覆蓋約20%的陸地面積和6%的地球表面積。隨著人類活動空間日益拓展和行業及軍事應用,對具有覆蓋范圍廣、受地理條件限制小等特性的衛星通信有著強烈需求。因此,衛星通信與地面移動通信在5G/6G走向互補關系,共同構建覆蓋全球的星地融合通信網絡是大勢所趨。

相對高軌衛星通信,低軌衛星具備成本低、通信時延低、速率高、容量大等特性。因此,低軌衛星互聯網作為地面蜂窩網絡的補充有著巨大優勢。低軌衛星可以以較低的發射成本和低時延等高使用價值投入商業應用,通過星座組網實現全球無縫覆蓋。低軌衛星以星地融合方式擴展地面移動通信的無線覆蓋范圍,在Ka/Ku高頻段實現星地高速寬帶移動通信,還可以在8GHz以下中低頻段內實現地面手機或手持終端直接與低軌衛星的中低速通信。

認識二:衛星互聯網與地面蜂窩系統走向融合

陳山枝總結說,衛星通信系統由窄帶話音向寬帶數據傳輸發展,從通信管道服務向移動互聯網和移動物聯網演進,從行業應用向普遍服務轉變。各科技大國從2014年左右開始發展寬帶衛星星座。

然而,現有衛星通信系統標準化程度低導致衛星通信系統成本高、應用范圍小。同時,寬帶衛星通信系統有著諸多不足:現有協議體制多、不兼容,產業規模小、成本高,資源調度靈活性不足、效率和可靠性低、服務質量得不到保障。雖然實現了空口基本傳輸的底層協議標準化,但是極少涉及系統上層協議標準、系統構建、測試等,缺乏支持網絡切換、靈活傳輸架構、星間接口、網絡安全等組網必要的能力。

從2017年到2022年,ITU、3GPP和ETSI大力開展并推動基于5G體制的衛星通信探索。3GPP 開始將衛星網絡劃入非地面網絡(NTN)開展研究與標準化。這些舉措拉開了衛星通信體制與地面蜂窩通信體制走向融合的序幕。

認識三:不同需求有不同星地組網模式

由于衛星的形態類型和軌道差異,且星上處理能力與地面存在較大差異,星地融合網絡架構需要考慮網絡部署的靈活性和擴展性,兼顧透明轉發或星上處理,考慮不同的傳輸條件、不同的傳輸時延以及鏈路動態切換、地面信關站等因素。因此,根據不同的應用需求和成本等條件約束有三種組網模式。一是透明轉發的獨立組網,與地面網絡互聯互通。二是高頻段星上處理獨立組網,與地面網絡互聯互通。三是中低頻段星地聯合組網,實現手持終端直接接入衛星。

思考一:四類技術應對低軌衛星通信與地面蜂窩通信的差異

對于低軌衛星通信與地面蜂窩通信的差異,陳山枝分析指出,差異因素包括信道傳播特性不同、衛星高速移動對同步性能影響、衛星高速移動對調制解調方案性能影響、傳播距離和時延對于信號波形和傳輸方案影響、衛星高速移動帶來移動性管理問題、衛星高速移動對尋呼方案影響、網絡架構影響等。

在應對措施方面,他全面分析了需要考慮的四類關鍵技術。一是基礎問題,包括信道建模、鏈路與系統評估方法、鏈路預算和頻率復用等。二是組網架構,包括透明轉發、星上處理和星間鏈路等。三是物理層關鍵技術,包括波形、傳輸參數、調制、參考信號、信道設計和物理層過程等。四是高層關鍵技術,包括尋呼、移動性管理、路由和用戶面協議等。

思考二:星地融合發展路徑從5G體制兼容走向6G系統融合

在星地融合的5G體制兼容階段,屬于星地獨立網絡或者星地互補網絡、星地混合網絡,衛星通信體制借鑒5G。在6G時代,星地融合需要提升網絡頻率資源利用率、實現天地頻譜共享共用;同時,通過天地協作傳輸提升業務支持能力和傳輸效率,構建綠色高效節能的網絡通信環境。

他特別強調,與5G體制兼容的星地融合相比,未來6G是在設計之初就考慮系統融合。這些融合包括七個方面:一是體制融合,統一空口體制;二是網絡融合,全網統一網絡架構;三是管理融合,統一資源調度與管理;四是頻譜融合,頻率共享共用,協調管理;五是業務融合,統一業務支持和調度;六是平臺融合,網絡平臺采用一體化設計;七是終端融合,統一終端標識與接入方式。用戶終端、信關站或者衛星載荷可大量采用地面網絡技術成果。

思考三:6G星地融合是移動通信的關鍵技術方向

未來6G星地融合是多個異構接入網絡的一體融合,具有多層立體、動態時變的特點,多層復雜跨域組網導致網絡架構設計困難,大尺度空間傳播環境導致傳輸效率低,衛星的高速運動會導致網絡拓撲高動態變化,進而導致業務質量難以保障。對于6G星地融合組網所面臨的巨大挑戰,陳山枝提出了關鍵技術突破的四個方向。

在6G星地融合的網絡架構方面,需研究衛星與地面蜂窩通信架構的統一設計。一是通過設計彈性可重構的靈活網絡架構,實現星地網絡節點間網絡功能的柔性分割。二是通過設計高效的多域多維度網絡管理架構,提高星地融合網絡中的資源管理效率。

在6G星地融合的空口傳輸方面,需研究衛星與地面蜂窩通信的統一無線空口設計方案,支持多種業務傳輸,讓終端可以極致簡單地接入最合適的星地網絡節點。

在6G星地融合的組網技術方面,需主要研究小區間頻率規劃、多層網絡間自適應路由和星地星間無縫切換、星地一體多級邊緣計算任務遷移等。

在6G星地融合的頻率管理方面,需研究基于統一管理的網絡頻譜資源、星地間頻譜的協調管理機制。通過頻譜共享和干擾管理方案,提高頻譜資源利用率。

陳山枝介紹,中國信科及其無線移動通信國家重點實驗室是星地融合移動通信的重要技術貢獻者:是5G衛星移動通信技術的引領者、6G星地融合關鍵技術的儲備者。中國信科在我國衛星互聯網新基建中正發揮著重要作用,積極開展透明轉發和星上處理衛星互聯網關鍵技術研究,帶領業界率先完成了業界首套5G融合體制的衛星互聯網系統標準體系,為國家衛星移動通信重大工程的建設提供技術支撐。在2020年和2021年連續兩年向業界發布了“全域覆蓋、場景智聯”的6G白皮書;承擔了多項重點研發計劃課題,聯合業界積極開展6G愿景與需求的研究、6G關鍵技術的研究與驗證,為后續的6G標準化工作做好前期儲備工作。(作者:柯文)

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