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1、 中国联通 空天地一体化通信网络白皮书 中国联通中国联通 2020 年年 6 月月 目录 1 空天地一体化通信网络概述 . 3 2 非地面网络与地面移动网络相互赋能. 5 2.1 卫星网络 . 5 2.2 HAPS/HIBS 网络 . 7 2.3 非地面网络与地面移动网络相互赋能 . 8 3 MEC 与区块链在空天地一体化通信网络中的应用 . 10 3.1 空天地一体化组网与 MEC 相互赋能 . 10 3.2 基于 MEC 的卫星与地面网络融合组网架构 . 12 3.2.1 地面 MEC 融合组网架构 . 12 3.2.2 星上 MEC 融合组网架构 . 14 3.2.3 机载 MEC 融合
2、组网架构 . 15 3.2.4 船载 MEC 融合组网架构 . 16 3.2.5 区块链+MEC 融合组网架构 . 17 4 空天地一体化通信网络典型应用场景. 17 4.1 大时空尺度确定性业务 . 17 4.2 泛在接入 . 19 4.3 海洋与空间立体通信 . 20 4.4 业务增强与优化 . 21 5 中国联通空天地一体化网络发展挑战与推进计划 . 25 5.1 挑战 . 25 5.1.1 网络结构 . 25 5.1.2 通信设施与设备 . 25 5.1.3 空口与网络管理技术 . 25 5.2 空天地一体化通信网络发展建议 . 26 5.3 中国联通空天地一体化通信网络推进计划 .
3、27 5.3.1 中国联通空天地一体化通信网络愿景 . 27 5.3.2 推进计划及工作进展 . 28 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 1 空天地一体化通信网络空天地一体化通信网络概述概述 互联网流量的爆炸式增长、海量终端的接入需求,以及工业控制、远程医疗 对时延和可靠性的高要求, 催生了 5G 通信技术, 也将通信能力从移动性、 时延、 用户感知速率、峰值速率、连接数密度、流量密度、能源效率等七个方面带来了 质的飞跃。在全球 5G 如火如荼地发展的同时,6G 也悄然来临。6G 的驱动力来 源于商业需求和社会需求,涉及政治、经济、法律、环境、教育、医疗等多个方 面,促使 6G 在更复杂多样
4、的应用场景中,提供更极致的性能体验。 未来 6G 移动通信系统的特点将是智联万物。6G 网络将突破地形地表的限 制,扩展到太空、空中、陆地、海洋等自然空间,真正实现全球全域的“泛在连 接” 。并通过多种接入方式的协同传输、对多个系统资源的统一管理,提高整体 资源的利用效率。 6G 将为人类和万物提供情景感知的智能服务。6G 的服务对象将从人类、机 器、 物体扩展至虚拟世界, 实现实际物理世界与虚拟世界的连接与协作, 利用 AI 技术感知用户需求,提升用户体验,形成认知增强与决策演进的智能网络,满足 人类精神与物质的全方位需求。 6G 网络的极致性能体验,一方面迫切需要新的无线关键技术,采用新型
5、编 码技术、超大规模天线、太赫兹和可见光通信技术,从信道编码机制、天线阵列 设计、天线架构与系统集成、频谱资源与光学领域等多个角度进行探索、创新与 优化,不断提高无线空口的性能指标。 另一方面,6G 需要构建跨地域、跨空域、跨海域的空天地一体化网络,实 现真正意义上的全球无缝覆盖。未来的空天地一体化网络关注的是融合,典型的 一体化网络由三部分组成:由各种轨道卫星构成的天基网络,由飞行器构成的空 基网络,以及传统的地基网络,其中地基网络又包括蜂窝无线网络、卫星地面站 和移动卫星终端以及地面的数据与处理中心等。网络的整体愿景结构如图 1 所 示,并具有如下特点: 中国联通空天地一体化通信网络白皮书
6、 不同轨道的卫星系统统一规划 多网络深度融合, 采用统一的空口技术和核心网架构, 并与 MEC 和网络 切片结合,减少高空通信时延 多层次覆盖,提供多重业务类型 海量用户无感知、极简的泛在接入 端到端统一编排调度,实现智能的业务体验 高轨卫 星平台 中低轨卫 星平台 高空通 信平台 地面蜂 窝网络 图 1.1 空天地一体化通信网络 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 2 非地面网络与地面非地面网络与地面移动移动网络相互赋能网络相互赋能 天基通信网络(卫星通信网络)和空基通信网络(HAPS/HIBS 等)构成了 目前主要的非地面网络。 2 2.1 .1 卫星网络卫星网络 典型的卫星通信系统由地面
7、部分、空间段和空地间链路三个主要部分构成。 地面部分一般包括各类信关站、卫星测控中心及相应的卫星测控网络、网络控制 中心。空间段由一颗或多颗卫星及其星间链路(ISL)组成,负责信息的接收、 转发,部分卫星具备信号的再处理能力。用户段由各种用户终端构成,包括了手 持终端、IOT 终端,以及可以固定或车载船载的甚小口径终端(VSAT) 。 数据网络 卫星(或无人机)平台 服务 链路 卫星(或无人机)平台 反馈 链路 反馈 链路 网关 ISL 图 2.1 卫星通信网络图示 目前主要有高轨卫星、中轨卫星、低轨卫星三类,典型高、中、低轨卫星通 信系统的特征如下表 1 所示。高轨卫星单颗星覆盖范围广,覆盖
8、范围相对地面固 定,单颗星最大可覆盖地球 42%的面积,一般 3-4 颗卫星即可完成除极地地区的 全球覆盖。高轨卫星正在向高通量方向发展,利用 Ka 频段丰富的频谱资源及多 波束和频率复用技术,提高了卫星频率利用率好数据吞吐量。目前高轨卫星系统 容量可达 50Gbps,系统成本为 30 亿美元,卫星技术和通信体制较为成熟。但高 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 轨卫星的传输时延大,时延超过 500ms,卫星设计、制造和发射的门槛高,系统 容量低,适合传统卫星广播业务。 中轨道卫星单颗星覆盖面积与高轨卫星相比要小很多,轨道高度 2000km- 20000km 的中轨卫星,覆盖面积约为地球表面积
9、的 12%-38%,需要十几颗到几 十颗卫星构成星座,完成全球覆盖。中轨卫星定位于提供高带宽、低成本、低延 迟的卫星互联网接入服务,造价成本为 12 亿美元,传输时延约为 150ms,系统 容量可达 15Gbps。 低轨卫星单颗卫星成本低,覆盖范围较小,需要多颗卫星组成大型卫星星座 完成全球的覆盖。 星座设计总容量可达几十Tbps。 低轨卫星轨道高度小于2000km, 由于轨道高度低,低轨卫星传输时延也较小,通常在 30ms 左右。目前低轨卫星 的发展趋势为:小型化、低成本、更密集组网、单独成形可控制波束,采用小型 化、轻量化设计降低制造和发射成本,组网更加密集以提供更大的系统吞吐量, 并采用
10、波束成形和波束调形功能将功率、带宽、大小和视轴动态地分配给每个波 束,最大限度地提高性能并最大限度地减少对高轨卫星的干扰。 大型低轨卫星星座是当前卫星通信系统的重要发展趋势, 通过增加卫星数量 可以大幅提升系统容量。 目前多个国家提出了低轨卫星计划, 频轨资源竞争激烈。 软银、沃达丰、乐天等地面运营商也直接投资了低轨卫星星座。 表 1 为典型卫星通信系统的网络能力特征,相比 5G 网络: 低轨卫星的总容量低于地面 IMT 系统; 低轨卫星可提供的容量密度低于 5G NR 城区宏站, 与广覆盖宏站相当; 按照峰值容量计算,低轨卫星的容量成本大于地面 IMT 系统。 可见卫星覆盖不受地形束缚,覆盖
11、成本低,未来低轨卫星网络可能在地面网 络覆盖不足的区域有较大竞争力。 表 2.1 典型卫星通信系统特征 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 高轨卫星 1 中轨卫星 低轨星座 11 轨道高度 35860km 8062km 1110-1325km 320-580km 卫星数量 4 12 4409 系统通信容量 50Gbps 16Gbps 350Tbps 端到端时延 500ms 约 150ms 约 30ms 系统容量密度 23.24bps/km2 26.14 bps/km2 17M bps/km2 容量成本 6 千万美元/Gbit 1375 万美元/Gbit 1.84 万美元/Gbit 2.2 HA
12、PS/HIBS 网络网络 空基通信高空通信平台 (HAPS/HIBS) 将无线基站安放在长时间停留在高空 的飞行器上来提供电信业务, 它使用已有的通信技术, 可以与地面终端直接通信。 HAPS/HIBS 具有服务覆盖范围广、受地面因素影响小、布设机动灵活等优势, 可有效弥补地面网络的不足。 HAPS/HIBS 升空高度为 20km 时,覆盖范围半径可达约 50km,采用 4 面台 或 5 面台天线,将其覆盖范围划分为 45 个小区,小区边缘传播空口时延约为 180us,覆盖范围内的时延差为 12.8us。HAPS/HIBS 的网络容量主要由平台的载 荷决定,其中系留式气球和飞艇的载荷比较大,通
13、常为几百千克,预计可以搭载 1 个宏站设备。以 3.5GHz 5G NR 宏小区(100MHz 带宽)基站,系留气球或飞 艇上的 HIBS 单小区峰值速率可达 5Gbps,单基站峰值速率可达 20/25Gbps。 HAPS/HIBS 可以以较低的成本覆盖大面积区域, 以飞行器的制造成本为 2.5 1 预计 2025 年达到的星座能力 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 亿人民币, 折旧期限为 10 年, 每小时维护成本为 500 美元, 覆盖半径为 50km 为 假设进行估算,HAPS 单位 G 比特的成本为 132.5w 美元/年,单位面积的覆盖成 本是 5G 基站的千分之 6.7, 覆盖中
14、国全境的成本约为 96 亿美元/年。 HAPS/HIBS 传输链路通常存在视距传输信号,信号能量损耗小,传输质量高,可以与普通手 机终端直接通信,是地面网络的有效延伸。 图 2.2 空基网络结构示意图 2.3 非地面网络与地面非地面网络与地面移动移动网络相互赋能网络相互赋能 非地面网络与地面移动网络拥有各自的优势和劣势。 地面移动网络的优势在 于强大计算能力、大数据存储能力、高数据传输速率、低时延、城郊低成本覆盖 以及支持海量连接, 在人口相对聚集的地区可以有效提升社会与经济的数字化程 度。但是在偏远地区的地面网络铺设困难,成本高昂,且地面网络会受到地形和 地理灾害限制。 而非地面网络可以突破
15、地表限制, 实现全球全域的无线覆盖和大时空尺度的 快速通信服务。卫星网络具有天然的广播特性,覆盖范围内的链路损耗与时延相 对一致, 避免了地面移动蜂窝网络中的 “远近” 效应, 用户具有相近的体验速率。 在偏远地区,非地面网络具有比地面网络更低的覆盖成本与容量成本。但其传播 时延高,并且无法完成深度覆盖和城区容量承载。 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 空天地一体化的通信网络有助于运营商实现低成本的全域泛在覆盖, 挖掘全 新应用市场;有助于消弥数字鸿沟,促进数字化社会经济的和谐发展。地面移动 网络提供基础的大数据存储与处理能力, 并利用高数据传输速率提升大部分陆地 区域的数据传输的效率; 非
16、地面网络提供偏远地区、 海洋、 空域等立体覆盖能力, 协助地面网络实现全域泛在覆盖。 深度融合的空天地一体化网络可以充分利用卫 星、HAPS/HIBS 和地面 5/6G 网络各自的特点与优势,实现用户的极简极智泛在 接入和全域时敏服务。 空天地一体化通信网络是未来 6G 网络的重要发展趋势,目前正处于发展初 期,3GPP 与 ITU 等均已开展了相关的研究。 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 3 MEC 与区块链与区块链在空天地一体化通信网在空天地一体化通信网 络中的应用络中的应用 非地面网络引入了高时延特性,且卫星的容量成本远高于地面网络,因此有 必要引入 MEC 技术,实现业务的本地分流
17、与处理,从而规避非地面网络的高时 延和高容量成本。此外,由于空天地一体化通信网络包含了卫星、HAPS/HIBS、 卫星网络地面段、地面蜂窝移动网络等多个网元,地面网关、数据中心、边缘计 算等多样化的计算处理节点,涉及不同运营商之间的能力开放与共享,因此可以 借助区块链技术,建立可靠、高效的网络接口与安全保障机制。 3.1 空天地一体化组网空天地一体化组网与与 MEC 相互赋能相互赋能 MEC(Multiple-access Edge Computing/Cloud) ,多接入边缘计算或多接入边 缘云, 其概念范畴与集中式部署中心云相对,将云化基础设施和服务能力从中心 云下沉至业务边缘。空天地一
18、体化网络对 MEC 能力需求主要包括降低时延、节 省后向带宽、缓存、内容分发、图像渲染、算力资源和区块链能力等方面。 (1)降低时延 在空天地一体化网络中,相对于地面网络传输距离而言,卫星与地面之间的 传输距离要大很多,传输时延也会显著增加。因此,通过引入 MEC 设备减少地 面网络传输时延或者避免星地节点间不必要的通信交互, 可以在保障业务连续性 的同时有效降低业务传输时延。 (2)节省后向带宽 在业务具有较强本地化特色的垂直行业中,如视频监控类业务,数据采集源 与数据需求都在相同的地域范围,并且通常具有较高的带宽需求。在空天地一体 网络中, 本地采集的大量业务数据先上传到远端云化数据中心集
19、中存储再下发给 本地数据显示终端,需要占用大量的卫星中继或地面回传带宽。如果将远端云化 数据中心能力下沉到数据采集终端、数据显示终端或业务数据流转的本地范围, 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 可以节省大量卫星中继或地面回传带宽。 (3)缓存 缓存是保证业务流畅性,提升用户体验的关键。在空天地一体网络边缘部署 MEC 缓存能力,不仅可以依据用户业务需求对网络资源和集中式云化数据中心 服务能力进行预判和反馈, 缓解空天地一体网络传输性能抖动对用户业务体验的 影响, 而且可以通过将业务数据缓存、处理所需的硬件能力从空天地一体网络终 端侧迁移至空天地一体网络边缘测, 在保障业务服务质量的同时实现硬
20、件资源区 域共享,显著降低终端硬件成本。 (4)CDN 内容分发 CDN 内容分发是一种面向海量数据提供高交互、低时延服务能力的新型网 络内容服务体系。CDN 的本质是基于内容访问、分发和服务的应用模式。传统 CDN 技术将数据请求和分发回溯到中心云,很难满足高交互性业务对超低时延 的需求,给空天地一体网络也带来了极大压力。引入 MEC 之后,CDN 能力进一 步下沉到空天地一体网络边缘,使能高带宽内容边缘分布式部署,有效降低空天 地一体网络卫星中继与地面回传成本及中心节点压力,从而大幅降低时延,提升 用户体验。 (5)图像渲染 视频图像业务与其他垂直行业业务不同, 除了需要业务数据进行网络传
21、输之 外,通常还需要对其进行编解码、编排、几何变换、投影变换、透视变换等特殊 数据处理,需要配备价格高昂的图像处理器 GPU 等硬件。基于配备 GPU 能力的 MEC 平台,可以将集中式部署云化数据中心图像渲染等处理能力下沉到空天地 一体网络边缘,在压缩传输时延的同时显著降低终端设备硬件成本。 (6)算力资源 随着智能化应用的不断普及,数据、算力和算法成为实现业务智能的“铁三 角” 。 在空天地一体网络边缘, 数据采集终端将采集到的原始数据上传到 MEC 平 台进行数据清洗、融合,MEC 进一步基于计算平台中嵌入的算法库对数据进行 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 计算处理、训练、推理、执行
22、,这些都需要 MEC 平台提供强大的算力。 (7)区块链能力 随着空天地一体业务应用的日益普及, 传统的集中式应用服务架构面临的信 任危机愈发强烈。集中式空天地一体架构中,所有网络主体、网络行为和网络数 据的可信、 安全和完整是由单一主体控制的应用服务数据中心或第三方认证机构 提供。 因此,当集中式部署的应用服务数据中心和第三方认证机构受到网络攻击 或控制主体单方面恶意篡改时,整个空天地一体网络的信任机制便形同虚设。 作为一种分布式架构技术体系, 区块链以牺牲存储效率为代价来保证链上数 据可信防篡改,同一条链上的所有节点存储相同的账本数据。不同节点之间为了 达成有效的共识,需要通过多次广播机制
23、传递交易数据和验证消息,随着同一条 链上节点规模扩大,共识算法的执行将消耗更多的网络带宽和计算资源。因此, 区块链技术是一种对存储资源、计算资源和网络资源有较高的要求。通过引入 MEC 和空天地一体基础设施为区块链技术提供丰富的存储计算资源,通过卫星 广播、组播技术和丰富的可变带宽资源为区块链节点间消息同步提供有力保障。 MEC 作为部署在空天地一体业务边缘的算力资源,将核心网计算、存储、 加速、内容、安全等能力下沉到空天地一体网络边缘,在降低业务传输时延的同 时可有效缓解业务数据对空天地一体网络带宽的需求, 弥补卫星与地面移动融合 组网场景中星地链路传输时延较大、星地链路带宽受限、卫星载荷受
24、限、星地链 路切换频繁等问题。 3.2 基于基于 MEC 的卫星与地面网络融合组网架构的卫星与地面网络融合组网架构 3.2.1 地面地面 MEC 融合组网架构融合组网架构 在卫星与地面 MEC 移动网络融合组网架构依据卫星网络定位不同可以分为 RAN 侧卫星接入和核心网侧卫星回传两种架构。 在基于地面 MEC 融合组网架构 中,MEC 作为部署在业务边缘的算力资源,将核心网计算、存储、加速、内容、 安全等能力下沉到网络边缘, 在降低业务传输时延的同时可有效缓解业务数据对 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 地面核心网带宽需求。 (1)RAN 侧卫星接入 在卫星链路与地面 MEC 移动网络融合组
25、网架构中,5G/卫星双模终端可以 通过卫星链路和 5G NR 链路两种无线方式网络,普通 5G 终端如果想要接入卫 星链路,需要卫星终端完成网关和中继等功能,把 5G 终端信号转换成卫星信号 并放大信号功率。信关站是比卫星终端功能更强大的地面卫星信号收发设备,通 常与地面移动网络核心网设备相连。 UPF 作为用户平面功能网元, 可以选择业务 服务是由网络边缘的 MEC 提供或是核心数据中心连接的远端业务服务器提供。 该架构中,MEC 部署在地面移动网络边缘,通过缓存、本地分流、算力下沉到 用户边缘,降低业务传输时延、节省核心网带宽,提升业务质量。 UPF UPF 边缘数边缘数 据中心据中心 核
26、心数核心数 据中心据中心 业务服业务服 务器务器 MEC gNB 信关站信关站 卫星卫星 5G卫星双卫星双 模终端模终端 图 3.1 RAN 侧卫星接入融合地面 MEC 网络架构 (2)核心网侧卫星回传 在卫星链路与地面 MEC 移动网络融合组网架构中, 卫星链路除了作为 RAN 侧接入链路, 还可以作为一种中继回传方案。 UPF 作为用户平面功能的关键节点, 具备对 5G 终端业务本地分流的能力,如果网络边缘的 MEC 能够满足终端业务 要求,UPF 则将业务请求分流到 MEC;如果 MEC 不能满足终端业务要求,UPF 可以通过地面核心网和卫星链路两种方案连接远端业务服务器。该架构中,卫星
27、 链路长距离中继回传、地面 MEC 本地服务和核心网远端服务是三种不同的核心 网 QoS 方案。 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 UPF UPF 边缘数边缘数 据中心据中心 核心数核心数 据中心据中心 业务服业务服 务器务器 MEC gNB 信关站信关站 卫星卫星 5G UE 卫星终端卫星终端 卫星终端卫星终端 图 3.2 核心网络卫星回传融合地面 MEC 架构 3.2.2 星上星上 MEC 融合组网架构融合组网架构 MEC 除了部署在地面核心网络边缘,还可以部署在卫星或飞行器上,但是 受卫星或飞行器载荷限制, 星上 MEC 通常采用轻量化部署模式, 即基于 NVF 技 术在边缘一体机或边
28、缘网关集成 MEC 和 UPF 能力。计算、内容分发等能力从核 心网下沉到卫星节点,可有效减少卫星与地面核心网之间频繁的星地链路传输, 显著降低端到端业务传输时延的同时, 可有效节省星地链路业务数据传输带宽需 求。 (1)RAN 侧接入星上 MEC 在 RAN 侧接入星上 MEC 架构中, 星上轻量化 MEC 将地面核心网远端服务 下沉到卫星节点,空中卫星终端和地面 5G/卫星双模终端接入卫星链路后,依据 星上 MEC 能力, 通过星上 NVF-UPF 选择由星上轻量化 MEC 提供业务服务或是 由地面核心网络连接的业务服务器提供服务。 该网络架构在地面核心网络架构基 础上,通过信关站引入卫星
29、/RAN 接入链路,并且将轻量化 MEC 平台部署在卫 星节点,并基于 NVF 在 MEC 平台上实现 UPF。 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 核心数核心数 据中心据中心 业务服业务服 务器务器 NVF-UPF/轻轻 量化量化MEC 信关站信关站 卫星卫星/飞行器飞行器 5G/卫星双卫星双 模终端模终端 空中卫空中卫 星终端星终端 图 3.3 RAN 侧接入星上 MEC 网络架构 (2)卫星回传星上 MEC 在卫星回传星上 MEC 架构中,卫星链路同样是作为一种中继回传方案,与 传统卫星中继回传方案不同,本网络架构中,MEC 平台通过轻量化配置部署在 卫星节点,并基于 NVF 实现星上
30、UPF 网元。UPF 网元依据地面 5G/卫星双模终 端业务需求和星上 MEC 能力,选择星上轻量化 MEC 平台或地面核心网远端业 务服务器为 5G 终端提供服务。该架构在卫星中继回传场景的基础上,通过部署 星上轻量化 MEC 平台,进一步降低业务传输时延和中继回传带宽。 核心数核心数 据中心据中心 业务服业务服 务器务器 NVF-UPF/轻轻 量化量化MEC gNB 信关站信关站 卫星卫星/飞行器飞行器 5G终端终端 UPF UPF 卫星终端卫星终端 卫星终端卫星终端 图 3.4 卫星回传星上 MEC 网络架构 3.2.3 机载机载 MEC 融融合组网架构合组网架构 中国联通空天地一体化通
31、信网络白皮书 核心数核心数 据中心据中心 业务服业务服 务器务器 轻量化轻量化MEC 信关站信关站 卫星卫星 UPF UPF 图 3.5 机载 MEC 融合组网架构 在机载 MEC 融合组网架构中,轻量化 MEC 平台及虚拟化 UPF 都部署在机 载服务器上,计算、内容分发等能力从核心网下沉到用户终端所在的飞机等飞行 器上,实现基于 MEC 的局域组网。UPF 网元依据机上用户业务需求和机载轻量 化MEC平台能力, 选则机载MEC或地面移动网络远端服务器为用户提供服务。 利用机载 MEC 为机上用户提供本地服务,不仅可以保证业务时延,而且可以有 效减缓星地链路带宽需求。 3.2.4 船载船载
32、MEC 融合组融合组网架构网架构 与机载 MEC 融合组网架构类似,船载 MEC 融合组网架构中, MEC 平台 及虚拟化 UPF 都部署在网络边缘的船载服务器上。但是,由于船上载荷能力通 常远大于机上载荷能力,因此,船载 MEC 平台可以部署采用轻量化部署方案也 可以采用非轻量化部署方案。UPF 网元依据机上用户业务需求和船载 MEC 平台 能力,选则船载 MEC 或地面移动网络远端服务器为用户提供服务。利用船载 MEC 为机上用户提供本地服务,不仅可以保证业务时延,而且可以有效减缓星 地链路带宽需求。 核心数核心数 据中心据中心 业务服业务服 务器务器 MEC 信关站信关站 卫星卫星 UP
33、F UPF 图 3.6 船载 MEC 融合组网架构 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 3.2.5 区块链区块链+MEC 融合组网架构融合组网架构 在共建共享区块链网络中, 采用地面存储计算与卫星广播消息融合的两层网 络架构。全节点在 MEC 中存储完整链上信息,轻量化节点通过访问相邻全节点 MEC 平台存储的完整链上信息,完成区块生成、验证等操作。 运营商运营商A链上链上 节点群节点群 运营商运营商B链上链上 节点群节点群 垂直行业垂直行业A链链 上节点群上节点群 垂直行业垂直行业B链链 上节点群上节点群 个人链上节点群个人链上节点群 全节点全节点MEC UPF UPF UPF UPF UP
34、F UPF 全节点全节点MEC 全节点全节点MEC 图 3.7 区块链MEC 融合组网架构 4 空天地一体化通信网络典型应用场景空天地一体化通信网络典型应用场景 借助非地面网络的特点,空天地一体化通信网络可以突破地形限制,为公众 和行业提供真正无缝泛在的高速业务体验。面向行业客户,空天地一体化通信网 络传输覆盖广、不受地理环境限制、时延抖动小、可靠性高的特性可以为行业客 户提供专网服务。对于个人用户,空天地一体化通信网络扩大了地面通信网络覆 盖范围,可以为用户提供多样化的语音和数据业务。 4.1 大时空尺度确定性业务大时空尺度确定性业务 (1)证券金融领域 证券金融等行业,交易场所分散,对通信
35、保密要求高,同时一些结算类业务 对时延抖动敏感。针对大宗货物交易或证券交易中高频电子交易场景,采用低轨 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 卫星进行直线传播将有效降低时延。例如纽约-上海的长距离传输,理论上采用 卫星轨道高度 500km 左右的低轨卫星,时延可以控制在 100ms 之内,而目前通 过海底电缆的传输时延约 120ms-150ms。对于金融电子交易,1ms 的时延可能会 影响上百亿美元的交易。此外海底光缆非常脆弱,容易遭到地震、海啸、船只甚 至鱼类的破坏。 (2)大时空尺度数据分发 车联网、物联网场景中需要大量广播数据分发适合采用卫星和 HAPS/HIBS 进行实现。 卫星和 HA
36、PS 的覆盖范围大, 通过一跳就可为大范围内的通信节点提 供信息传输,相比地面多跳传输更具优势,可用于远距离实时通信及大范围的信 息同步和数据分发。 图 4.1 基于空天地一体化的大时空尺度信息同步场景 (3)区块链安全加固场景 作为一种分布式架构技术体系, 区块链以牺牲存储效率为代价来保证链上数 据可信防篡改,同一条链上的所有节点存储相同的账本数据。不同节点之间为了 达成有效的共识,需要通过多次广播机制传递交易数据和验证消息。目前,链上 节点间数据同步是通过将逻辑广播消息向邻居节点随机转发的模式实现的, 但是, 消息数据的广播仍然需要占用多个物理信道,因此,消息数据同步的带宽资源消 耗和链上
37、节点间同步时延抖动是衡量区块链数据同步性能的关键指标。因此,利 用卫星广播链路实现链上节点消息数据广播可显著降低网络带宽需求, 减小节点 间数据同步时延抖动。 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 4.2 泛在接入泛在接入 (1)低成本广覆盖接入 卫星、HAPS/HIBS 通信可以作为地面网络的补充和低成本的广域覆盖,作 为语音和物联网的打底网,解决偏远地区用户的宽带上网和位置导航服务。以 HAPS/HIBSHIBS 系统为例,青海省全省人口为 608 万,按照用户激活率 20%, 并发率 10%,则青海省全省激活用户总数为 121.6 万,并发数为 12.16 万。按照 单个 HIBS 基站
38、50km 覆盖半径计算,可通过 92 个 HIBS 基站覆盖青海省全境。 按照每个 HAPS 搭载一个 5 面台基站计算,可支持的 RRC 连接数为 36.8 万,同 时可调度 18.4 万用户,可满足全省用户的通信业务需求。而按照基站的覆盖半 径为 2km 计算,覆盖青海省需要建设约 5.75w 个基站。 (2)应急通信 由于卫星、 HAPS/HIBS 通信具覆盖面广, 不受地理环境和自然灾害等影响, 十分适合作为应急保障通信网络。特别是在地震、洪涝等自然灾害导致地面网络 阻断情况下,卫星、HAPS/HIBS 通信可以快速部署,终端机动灵活,第一时间打 通通信链路,为抢险救灾构建高效可靠的指
39、挥调度及信息传输通道。 (3)专网业务 对于一些有建设专网需求,且分支机构分散的企业,特别是跨国/跨地区的 头部企业,采用空天地一体化通信网络构建专网,有利于打破地理限制,统筹业 务,提供高可靠性网络保障,实现集团公司的全球业务管理。 (4)泛在接入本地分流场景 基于 MEC 的空天地一体化通信网络可以为海岛、沙漠、高山、港口等偏远 地区提供泛在接入能力,将视频监控等业务数据上传到网络边缘 MEC。依据业 务需求,MEC 平台为边缘用户提供本地业务分流能力。MEC 平台直接部署在网 络边缘,大大降低了网络传输时延。结合视频自动化分析、集装箱自动化调度、 安防监控等相关应用,为吊桥、集装箱、运输
40、车辆、园区安防、环境数据采集等 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 提供高清视频监控。 核心数核心数 据中心据中心 业务服业务服 务器务器 UPF UPF 边缘数边缘数 据中心据中心 MEC gNB 信关站信关站 卫星卫星 数据采数据采 集端集端 显示端显示端 B 图 4.2 泛在接入本地分流场景 4.3 海洋与空间海洋与空间立体通信立体通信 (1)基础立体通信 通过在近海区域及飞机航线沿线部署建设非地面网络, 可有效实现近海区域 船只和飞机上终端设备的通信。HAPS 气球的覆盖半径为 50km,通过两个气球 的中继,可以覆盖近海 200km 范围内的船只和飞机。按照中国大陆海岸线长度 为 1
41、8000km 估算,360 个气球即可实现中国整体海岸线近海 200km 范围内船只 和客机的通信。 中国联通空天地一体化通信网络白皮书 HAPS 卫星 近海船只 飞机 通 信 链 路 海岸线 海平面 陆地 20 km 10 km 图 4.3 海洋与空间立体通信场景 (2)机载云服务 在机载服务器上部署轻量化的 MEC 和 vUPF,与机上用户在相同的局域网 络中。基于机载 MEC 平台预存储的业务可以为机上用户提供局域网络范围的云 点播服务, 并建立机上局域网络云社交服务, 为机上用户提供内部社交支撑能力。 基于机载 MEC 下沉的计算能力,可以为机上用户提供云视频渲染和云游戏交互 等业务。若机载轻量化 MEC 平台能力不足以满足用户业务求,机载 vUPF 通过 卫星链路向地面网络远端服务器请求业务支撑能力。 (3)船载云服务 与机载服务场景类