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1、面向6G天地一体的路径思考和核心技术攻关黄宇红中国移动研究院院长、中关村泛联院常务副院长 2023.05 面向天地一体,国家大力推进卫星互联网发展IMT-2020(5G)工作组:2023年4月成立NTN工作组,加强卫星互联网技术和标准研究,推进卫星互联网产业发展运营商:2022年中国移动、中国电信先后完成5G NTN外场测试,全面验证手机直连卫星能力;中国移动联合兵器集团完成5G与北斗短报文融合互通网络设备:中兴、华为、中信科积极支持NTN,并完成NTN基站样机研制与外场测试芯片终端:联发科、展锐完成NTN芯片研制,OPPO、VIVO完成测试终端研制卫星公司:开展大规模相控阵天线、激光星间链路
2、研究,支撑卫星互联网发展中央指示习近平总书记在2021年十九届中央政治局第三十四次集体学习讲话强调,“加快建设高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性数字信息基础设施”2020年4月,发改委首次明确将卫星互联网纳入新基建设施范畴2021年,工信部“十四五”信息通信行业发展规划“完善高中低轨卫星网络协调布局,实现5G地面蜂窝通信和卫星通信融合,初步建成覆盖全球的卫星信息网络,开展卫星通信应用开发和试点示范”北京、上海、雄安等多地出台政策支持卫星互联网相关产业的发展中央部委及各地政府党和国家高度重视,密集出台政策推进卫星互联网发展,产学研用各方积极投入,技术产业发展
3、迅速全球高度关注基于手机直连、星地融合的天地一体国际试点进展:泰雷兹、高通、爱立信启动5G太空项目,利用低轨卫星开展NTN试验西班牙公司Sateliot成功完成基于R17标准IOT NTN测试,并获得欧洲航天局认可SpaceX和T-Mobile成立技术联盟,开展“手机直连卫星”研究测试AST与AT&T合作,完成基于存量手机直连卫星的双向语音通话测试卫星频率补充地面网络:2023年2月,西班牙授权Globalstar基于其卫星移动通信频谱提供互补的地面服务;地面频率补充卫星网络:2023年3月,FCC通过地面频谱共享的提案,为手机直连卫星提供政策支持基于卫星私有协议:华为、苹果手机支持卫星通信功
4、能高通与荣耀、OPPO、vivo和小米合作,支持手机厂商开发具备卫星通信功能的智能手机基于3GPP NTN协议:英国手机公司Bullitt推出IoT NTN智能手机全球天地一体进入全新快速发展阶段,管制机构、卫星及地面设备厂商和运营商巨头纷纷入场。一是加速制定天地频率共享政策,二是推进手机直连卫星端到端能力构建和启动商用中国移动积极开展天地一体技术攻关、标准推进和产业合作(1/3)天地互联天地融合一体阶段组网架构卫星与地面网络互通,或卫星网络作为地面网络回传通道卫星与地面网络在架构、空口、频率、多轨等方面融合,最终实现空天地一体,为用户提供终端无感知服务关键特征技术创新卫星终端地球站蜂窝终端蜂
5、窝核心网互通网关互通网关联合中国兵器工业集团完成5G与北斗短报文融合,实现天地互通依托清华-中国移动联合研究院,创新研发天地一体化智能活动基站透明转发基站+核心网上星星间链路手机终端GEOMEOLEONTN基站基站+核心网上星大网基站主导北斗短报文与地面网互通系列行标立项与制定依托3GPP/ITU-T/CCSA国际国内标准,主导天地一体化标准体系建设主导3GPP/CCSA NTN标准制定:240+3GPP提案,10+CCSA行标立项牵头构建ITU全球首个“固定、移动、卫星融合”国际标准体系标准推进面向星地大时空尺度多层异构网络,加速星地资源协调和管控能力深度融合攻关无线空口:超远距离和超高速移
6、动传输增强、移动性管理增强、跳波束覆盖增强、空时频资源调度、星地融合组网、基站上星架构网络架构:分布式自治架构、算力融合网络、基于统一IP基座的组网路由中国移动积极开展天地一体技术攻关、标准推进和产业合作(2/3)中国移动积极承担国家任务,加强与高校、企业联合攻关,并通过协同创新基地建设,深化创新联盟建设,攻关天地一体“硬骨头”,提升产业协同力,加速打造开放健壮生态高校载体协同创新基地国家平台+聚力攻关,加速技术突破积厚成势,铸造“国之重器”融通带动,引领产业发展目标:搭建空天地一体化网络实验室,为产业提供重大科学试验装置和联合创新平台举措:构建空天地一体化实验室与在轨测试环境,协同产、学、研
7、、用合作伙伴打造空天地一体化重大技术策源之地、科技成果转化之地目标:打造面向未来的“中轨+低轨+地面 3in1”天地一体网络举措:联合清华等高校聚焦协议、组网、资源、系统和设备等五大融合创新,攻关一批核心技术,引领一批产品,打造一套中低轨协同技术创新实验平台目标:构建畅通高效、协作共享、融合开放的NTN合作链,加快NTN技术及产业成熟举措:集聚产业力量,加快NTN性能提升、产品研制、试点验证、提供商用组网解决方案,构建开放共荣生态中国移动积极开展天地一体技术攻关、标准推进和产业合作(3/3)卫星NTN终端NTN基站地面核心网业务服务器信关站天线同步准备手机直连低轨卫星能力验证NR NTN R1
8、7端到端实验室测试构建产业生态,加速NR NTN产品研发2022.8运营商5G IoT NTN终端直连卫星技术外场验证2023.55G IoT NTN手机直连卫星实验室验证率先开展5G手机直连高轨卫星能力验证提速率 上行极致子载波(3.75kHz)终端高功率(26dBm)扩容量降时延 定制化SPS上行预调度 TBSize增强定制化HARQ反馈关闭上行容量 2倍消息时延3.5s 60字节降低 0.5秒上行速率 1.3kbps20%提升下行速率 2.2kbps100%提升中国移动率先完成全球首个运营商5G NTN技术外场验证以及我国首款5G NTN手机终端直连卫星实验室验证,6G天地一体愿景目标、
9、关键技术及路径 6G天地一体服务目标:终端融合一体,连接全球无缝天地一体网络将面向偏远地区、海洋、航空等泛在立体空间提供全场景融合的新服务:大众手机直连服务、行业终端直接物联服务和各类应急保连接服务偏远地区海面通信跨国通信应急通信手机直连民航卫星物联网实现偏远地区、海洋、航空等陆海空全域立体覆盖服务连接泛在大众市场:短信、语音、上网、感知等手机直连卫星服务场景泛在行业市场:窄带、宽带物联网等终端直连卫星服务应急市场:个人、公众、专业应急等极端情况下的保连接服务四大融合关键技术个人通信航空互联网海洋互联网一带一路智慧交通智慧农业智慧教育智慧工业架构融合空口融合6G天地一体目标:技术融合、标准融合
10、、产业融合、应用融合6G天地一体将实现卫星和地面在技术、标准、产业和应用的全方位融合,使得客户可以在使用同一个应用时,通过同一部终端,在全球任何地方都能够获得服务,最大化客户利益,提高卫星互联网价值,做大卫星互联网产业泛在通信立体感知导航定位MEOLEO卫星网络UE空间段地面段蜂窝网络GEO统一终端、一体服务赋能千行百业频率融合多轨融合四大核心能力算力协同架构融合:高效协同,锻造动态实时、无缝切换的一体化网络通过架构融合,实现星地覆盖、资源、调度等高效协同,最大化网络效率,降低网络成本,同时实现无缝的星地切换能力,保障业务连续性和用户体验 兼容透明转发与再生模式的星地融合无线组网架构设计 保障
11、业务连续性的星地融合高效协同技术 集中和分布协同的自治网络架构设计 与星座构型解耦的动态新型路由卫星网络拓扑高速动态变化星地协同无线组网、动态路由等存在挑战星地网络异构且差异大星地网络架格存在挑战手机终端飞机轮船.无缝切换卫星独立覆盖区域郊区卫星打底网城区地面蜂窝网透明转发模式星上网元地面NTN基站波束协同星地交叠带大网基站地面基站 透明转发与再生模式混合组网 星上网元可包括gNB-DU、gNB、UPF、核心网中的一种或几种覆盖协同调度协同星间链路统一核心网单星重量、体积、功耗受限单星通信网元、算力的部署存在挑战架构融合创新技术:星地智能动态协作的高效新型无线组网架构提出星地智能动态协作网元,
12、使天地一体网络兼容透明转发与再生模式,并实现动态感知、快速交互、统筹调度、协同控制,在降低星地协同复杂度的同时,保障服务质量网络动态配置通过星地智能动态协作网元,梳理星地邻区关系,实现卫星网络节点与地面网络节点间接口按需动态自动配置,实现高效星地协同组网地面基站高效资源调度通过星地智能动态协作网元,面向业务实现卫星与地面网络的统一资源调度,实现覆盖快速切换、业务负荷均衡、智能干扰规避等星地智能动态协作网元无线连接层协同链路提出天地一体分布式自治网络架构,从“集中”向“集中+分布协同”转变,支持融合动态网络新型路由,奠定未来天地一体化网络部署基础架构融合创新技术:集中和分布协同的自治网络架构提出
13、面向分布式自治、弹性可重构的天地一体融合网络架构,完成核心网分布式部署,解决单星受限难题融合动态网络新型路由:基于卫星运动轨迹划分地表区块,构造层次化的IPv6编制,实现编址与移动性解耦,避免用户IP地址频繁切换和网关地址转换,保持动态连接下地址的稳定性融合自治网络架构空口融合:统一空口,最大化保持技术体系一致星地传输信道环境差异大大时延、多普勒频偏接入网络拓扑高速动态变化快速频繁切换卫星硬件及平台能力限制天线、功耗、重量受限手机等终端一体化设计低成本、低功耗以5G/6G地面网络技术为基础,兼顾卫星和地面传输的差异性,形成统一融合的空口协议设计,满足地面与卫星通信的联合需求,最大化保持技术体系
14、一致,为融合的网络及终端产业生态奠定技术基础高精准时频同步技术高动态多普勒频移补偿技术大尺度覆盖增强技术超远距离和超高速移动传输技术统一波形技术统一双工模式统一多址方式基本物理层技术物理层关键技术激光及太赫兹通信技术信道测量、设计、建模星间与星地网络快速切换馈电链路群切换高动态拓扑网络移动性管理面向补充覆盖、业务协同、绿色节能的灵活波束管理技术端星地三方时间精准同步技术符号级波束调度及控制技术动态波束管理技术终端位置感知技术多波束扫描场景的快速接入技术快速接入技术高层关键技术基于业务特征的最优接入及资源管理技术基于QoS 的最优接入选择技术最优资源分配技术中国移动重点关注超大规模相控阵天线技术
15、激光星间链路硬件关键技术低成本、小型化地面终端天线空口融合创新技术:地面控制的灵活卫星波束管理技术波束管理信息交互:星地动态关系构建波束控制:端星地三方精准同步中国移动提出基于地面控制的卫星波束管理全新技术路径,研究突破星地交互动态关系构建、端星地三方精准波束控制同步等核心技术。该路径具有较大价值:一是通过使能地面网络深度参与卫星资源的管理调度来提高星地协同覆盖效果,二是通过提高透明转发架构的性能降低星上基站的数量,有效降低星座建设成本:星地间缺乏按需、动态建立的连接能力支持实时、高效波束信息交互:提出基于馈电链路的星地Xn动态增强接口,地面基站可以控制卫星波束的指向及覆盖区域:实现星地间面向
16、协同覆盖场景需求的实时波束控制:现有3GPP NTN技术基于透明转发架构,只能支持凝视或者平扫波束,无法灵活跳变适应星下动态变化的业务需求,频谱利用率及整星容量较低:提出基于轻量化带内接收指令的波束控制机制,与地面基站调度器配合,解决地面发送的波束切换指令和空口信号经过远距离高动态时变传输后在星上的精准同步:透明转发架构支持多波束扫描、凝视波束跳变按需提供业务传输,提高谱效及容量频率融合:星地互补,提升天地一体频谱使用效率现阶段低频段资源紧张、卫星频谱利用率低,星地频率融合实现星地频率高效互补,提高两张网络的联合频谱利用率,大幅增加卫星的容量和支持手机直连应用;但需解决星地频率干扰等问题高效频
17、谱感知技术通过分布式协同感知网元,感知空闲频谱并进行空闲频谱接入申请,实现两网频谱共享动态干扰规避、抑制技术利用空间隔离、多色复用、跳波束等实现干扰规避;基于超窄波束、低ACLR设计实现干扰抑制高效频谱资源分配技术开展动态高效的频谱资源分配算法研究 星地动态频谱共享时会产生复杂的星地频率干扰,影响系统性能 面向无线信道条件及业务到达具有随机性、卫星环境动态未知等问题,基于时、空、频、功率等多域的动态频谱共享算法,系统建模难度大、计算复杂度成倍增加 卫星波束频率进行多色复用;在波束周边建立电子围栏,围栏中的蜂窝用户或基站选择其他频段感知决策中心感知结果传输感知链路星地链路(感知的空闲频谱)蜂窝链
18、路决策结果告知卫星终端作为感知网元电子围栏F1F2F3F4F5F6F7多维资源:时隙、频率、功率、波束多种目标:最大资源利用率、最优用户满意度、最大系统容量多个因素:信道条件、QoS、业务需求、混合共信道干扰频率融合创新技术:空、时、频多域的动态频率干扰规避技术中国移动开展了空、时、频多域的动态频率干扰规避方案、统一高效频谱资源分配方案等多种星地频谱共享技术研究,提出创新资源动态调度等算法星地电子围栏平台实时更新电子围栏范围卫星利用灵活波束调整,及时调整波束指向,实现星地覆盖范围更灵活地调配时隙0时隙1时隙2时隙3tf时隙4时隙5时隙6时隙7时隙8时隙9时隙10跳波束a覆盖下的地面蜂窝网络频段
19、跳波束a频段时隙11时隙12动态电子围栏当业务波束跳至星地交叠波位时,两网根据跳变图样实现时隙级频谱共享或基于流量预测实现频谱资源分配当业务波束跳离该波位后,两网则可以恢复全频段的频率复用面向跳波束的动态频率干扰规避星地电子围栏平台地面网络覆盖区域(F1)新增地面网络覆盖区域(F1)隔离带(其他频率)卫星网络覆盖区域(F1)面向空、时、频多域的动态频率干扰规避方案引入多轨异构混合星座组网体系,有效利用高、中轨星座网络拓扑简单稳定、覆盖能力强等特点,降低组网、星间链路复杂度和测控难度,进一步提升天地一体网络的全局系统性能和降低星座建设成本多轨融合:分层联合,从轨位层面融合实现多轨一体MEOLEO
20、卫星网络UE空间段地面段蜂窝网络GEO统一核心网价值与关键技术多轨分层组网,简化网络架构:由中高轨为主承担骨干控制与承载网络,低轨为主承担用户接入网络,通过分层组网架构,降低卫星转发跳数,简化传输路由与网络传输。另外,特定轨道高度下高轨和低轨卫星轨道周期成倍数关系,高低轨混合组网可简化卫星连接关系。优化星间链路,降低星座成本:低轨卫星通过星间链路接入中轨星座,降低低轨激光星间链路使用量。中轨星基测控,解决全球测运控难题:通过利用中轨卫星覆盖优势与激光星间链路,对低轨卫星实施测控,降低低轨巨型星座海外测控站建设难度。私有空口协议向统一空口发展 独立组网向高效融合组网发展 星地异频向星地频率共享发展 单一轨道向多轨融合发展2023空口初步融合架构、频率初步融合空口、架构、频率、多轨一体融合卫星与地面独立发展,技术、产业、用户、设备均相互独立星地独立发展NTN商用元年6G天地一体技术发展路径:稳步推进,由浅入深分阶段实现最终一体融合基于技术特点,将星地融合划分为初步融合、一体融合两个阶段:从5G开始经5G-A演进阶段,实现空口初步融合到架构、频率初步融合,在6G阶段实现空口、架构、频率、多轨的一体融合