5G&6G天地一体化技术探索与实践2024

摘要 随着地面蜂窝通信技术蓬勃发展，从4G改变生活，到5G改变社会，地面移动通信取得丰硕成果。但受限于建设难度和建设成本，仍有80%的陆地面积和95%以上的海洋面积，未实现地面移动通信网络覆盖。卫星通信具有覆盖范围广、不受地形环境限制等优点，可为边远地区提供通信服务，有效弥补地面蜂窝网络覆盖的不足。研究卫星与地面融合通信技术，形成天地一体化通信体制，是卫星通 信 和 地 面 蜂 窝 通 信 的 共 同 需 求 。 第 三 代 合 作 伙 伴 计 划 （3rdGenerationPartnershipProject，3GPP）在Release17正式引入非地面网络(Non-TerrestrialNetworks,NTN)作为地面网络的补充，并对5GNTN展开了更进一步的研究及标准化工作。5GNTNR17标准的冻结引发了全球产业界的高度关注，各研究院所、运营商、设备、终端和芯片等公司针对5GNTN技术积极开展研发与验证工作。此外，天地一体化作为6G支柱性技术之一以及基本网络形态，其目标是满足十年后的广域智慧连接和全球泛在无缝接入需求，为广域对象建立智能连接，提供智慧服务，为人类提供全球无间断且一致性的信息服务。 本白皮书主要从六个方面阐述了我们对天地一体化通信系统的探索与实践思考，包括需求与愿景、天地网络发展现状、基于5GNTN的天地一体化关键技术、基于5GNTN的天地一体化产业发展与实践、天地一体化工程实践难题以及面向6G天地一体化发展预见。 （1）天地一体化需求与愿景 卫星通信具有覆盖范围广、抗干扰能力强、部署灵活等特点，可以弥补地面网络在覆盖上的不足。因此，将地面网络和卫星通信融合，可以实现天地一体化的通信系统，为用户提供更优质、更可靠、更智能的服务。在行业需求和技术发展的双重驱动下，卫星通信与地面通信一体化发展也成为未来移动通信系统演进的主流方向。未来移动通信系统将从业务、体制、频谱、系统等不同层次进行融合，构建天地一体化通信系统，实现全球无缝立体覆盖。 （2）天地网络发展现状 卫星通信先后经历卫星试验、模拟通信、数字通信、宽带卫星通信四个发展阶段。多波束天线、星上处理、星间链路等卫星通信新技术快速发展，高通量、低轨卫星巨型星座相继出现，卫星通信已进入新时代。对于地面蜂窝通信，经历 了四十多年的爆发式增长，目前已经渗透到了人们生活的各个领域，并成为推动社会发展的重要动力之一。 （3）基于5GNTN的天地一体化关键技术 基于5GNTN的天地一体化关键技术主要涉及网络架构、无线传输技术、卫星实现技术、终端实现技术以及测试技术等。对于网络架构，通信节点不仅局限在陆地，卫星节点将会扮演越来越重要的角色，卫星的载荷和信号处理能力将逐步提升，除了实现透明转发功能与地面基站形成天地一体化组网，还将增加基站和核心网等星上处理功能；无线传输技术主要包括：时频同步技术、时序管理技术以及移动性管理技术等；卫星实现技术主要包括：星载多波束天线技术、星载功放技术、星间链路技术等；终端实现技术主要包括天线技术以及射频前端集成技术。 （4）5G天地一体化产业发展与实践 基于5GNTN的天地一体化产业发展与实践涉及到天地一体化产业链、标准制定、应用场景以及实践活动等。其中，产业链包括：卫星平台、网络设备、终端与应用、测试仪器以及服务与运营等；对于标准制定，当前主要有3GPP、中国通信标准化协会（ChinaCommunicationsStandardsAssociation,CCSA）从标准层面推动5G天地一体化技术的演进。应用场景主要包括手机直连卫星、物联网、车联网以及宽带接入等；对于实践活动，国内外各大运营商、研究院、网络设备厂商和芯片终端厂商相继开展NTN产品研发和试验工作，以加速NTN产品落地，促进天地一体化技术与产业融合。 （5）天地一体化工程实践难题 天地一体化工程实践是天地一化落地商用的前提，考虑到天地一体化网络系统的特点，例如，网络节点动态变化、传输时延大等，天地一体化工程实践面临诸多难题与挑战，主要包括： -通信场景丰富、模型复杂、规模测试难度大；-卫星通信与地面通信体系迥异、互通难度大；-业务管理运营机制差异，融合运营挑战大。 （6）6G天地一体化技术发展预见 5GNTN能够充分利用地面网络丰富的产业链基础以提升研发效率，但仍然存在互联互通和网络协同效率低等缺点，未能真正实现NTN与TN的一体化设计。未来6G天地一体化需要从硬件技术、网络技术、新型接入技术、网路安全技术等方面开展研究工作以满足6G天地一体化的需求与愿景。硬件技术主要包括：卫星天线技术、卫星处理能力，终端天线与射频技术等；网络技术主要包括新型网络架构以及组网技术；新型接入技术主要包括：波形/调制/多址技术、波束管理技术、星间协作技术、星地协同传输技术、移动性增强等。 目录 摘要...........................................................................................................................................................11.前言......................................................................................................................................................62.天地一体化需求与愿景......................................................................................................................72.1.需求...........................................................................................................................................72.2.愿景...........................................................................................................................................83.天地网络发展现状..............................................................................................................................93.1.卫星通信...................................................................................................................................93.1.1卫星通信系统................................................................................................................93.1.2标准体系......................................................................................................................153.1.3卫星通信系统技术路线..............................................................................................163.1.4卫星系统业务运营......................................................................................................183.2.地面通信.................................................................................................................................194.基于5GNTN的天地一体化关键技术............................................................................................214.1.网络架构.................................................................................................................................214.2.空口传输技术.........................................................................................................................224.2.1同步技术......................................................................................................................224.2.2时序管理......................................................................................................................234.2.3覆盖..............................................................................................................................244.2.4系统吞吐量提升技术..................................................................................................254.2.5波束管理......................................................................................................................264.2.6移动性..........................................................................................................................284.3.安全技术.................................................................................................................................294.4.卫星实现技术..............................................