中国信科陈山枝：6G星地融合重大判断
从影响因子高达11.979的通信领域顶级刊物“IEEE Wireless Communications”在2020年4月刊发后来成为SCI高被引论文（目前谷歌学术被引次数为179次）的“Vision, Requirements, and Technology Trend of 6G ---- How to Tackle the Challenges of System Coverage Capacity, User Data-rate and Movement Speed”（第一作者和通讯作者为中国信息通信科技集团有限公司副总裁、专家委主任，无线移动通信国家重点实验室主任，IEEE Fellow陈山枝博士）至今，卫星网络与地面网络融合构建全球无缝覆盖的星地融合立体网络，已经作为未来6G网络技术发展的重要方向得到业界广泛认可，成为当前学术界和产业界研究的热点。
这几年研究探索下来，星地融合网络涉及大量关键科学技术与工程设计问题，星地融合网络的建设是一个逐步推进、持续完善的长期过程，星地融合网络发展路径以及面向6G的星地融合网络架构、无线传输、组网技术、频率管理等是进行星地融合研究的基础和出发点，亟需权威指引。5G公众号（ID：angmobile）观察到，陈山枝博士在全球6G技术大会上所做的关于星地融合移动通信的三点认识与三点思考的报告，高屋建瓴、全面深入地指引了后续星地融合研究的方向。
对星地融合移动通信的三点认识
认识一：卫星与地面蜂窝系统由竞争转变为互补
在20世纪90年代，地面蜂窝移动通信和低轨道卫星通信在全球是竞争的，都是竞争手持通话业务。当时，摩托罗拉实现的铱星是第一个低轨道卫星星座，覆盖全球区域（包括南北两极），提供全球任何地点的电话通信业务。然而，当时2G移动通信系统（GSM和CDMA）用户数快速增长，占领了很大市场。而铱星只获得了5万多用户，与达到盈亏平衡的60多万用户相距甚远；并且只能在室外打电话，室内没有信号；数据业务能力也很弱，没有考虑当时正在兴起的互联网需求。诸多因素导致在1999年8月申请破产保护。“铱星”与地面移动通信系统有点像“既生喻，何生亮”的故事。后来，铱星公司从摩托罗拉拆分出来后，仍在服务运营，并于2017年部署铱星二代。
虽然全球地面蜂窝移动通信服务自20世纪80年代以来得到了快速发展及广泛应用，但是截至目前只能覆盖约20%的陆地面积和6%的地球表面积。受制于经济成本和技术因素，海洋、山川、森林、沙漠等地区无法通过地面蜂窝基站提供地面网络覆盖。人类活动空间拓展、环境监测、军事应用、行业应用等对于具有覆盖范围广、通信容量大、受地理条件限制小、灵活性高和能适应多种业务等特性的卫星通信有着强劲需求。从而，卫星通信与地面5G/6G移动通信互为补充、相辅相成，共同构建覆盖全球的星地融合网络是大势所趋。其中，内陆人口稠密区域用基站覆盖，发挥容量优势，满足海量连接需求；基站无法覆盖的偏远地区与海洋则采用卫星覆盖，可以发挥卫星的覆盖优势，节省基站建设和运维成本。
相比于高轨卫星通信，低轨卫星具备成本低、通信时延低、速率高、容量大等特性。因此，低轨卫星互联网作为对地面蜂窝网络的补充有着巨大优势。成本方面，低轨卫星运行在低空轨道，质量轻、体积小、制造成本低——传统的高轨卫星造价约10.5亿元/颗，而低轨卫星的造价仅为1000万元/颗；此外，低轨卫星可以以较低的发射成本和低时延等较高的使用价值投入到商业使用中，通过星座组网实现全球无缝覆盖。低轨卫星以星地融合方式扩展地面移动通信的无线覆盖——在卫星部署兼容地面移动的卫星基站，在地面部署信关站漫游互通，可以在6GHz以下中低频段内实现地面手机或手持终端直接与低轨卫星进行通信。
认识二：卫星互联网与地面蜂窝系统体制走向融合
卫星通信系统由窄带话音向宽带数据传输发展，从通信管道服务向移动互联网和移动物联网演进，从行业应用向普遍服务转变。陈山枝博士对这个过程作了清晰的总结。一是1990年代发展的包括铱星、GlobalStar、Orbcomm等的窄带卫星星座。二是2004年发展的包括Taico m4、Ipstar、Hughes、KaSAT、Viasat等的高通量卫星。三是各科技大国从2014年左右开始发展宽带卫星星座，典型的有美国的OneWeb、Starlink和Kuiper、法国的LeoSat、加拿大的Telesat，中国也开始建设鸿雁星座和虹云工程并已发射了部分主干网卫星。
然而，一方面，现有卫星通信系统体制标准协议标准化程度低（窄带卫星通信系统体制标准通常借鉴地面通信系统标准，宽带卫星通信系统体制标准以原有宽带多媒体标准协议进行修改，主要应用于卫星互联网业务），导致卫星通信系统应用范围小。另一方面，宽带卫星通信系统有着诸多不足。一是现有协议无法支持多种不同业务共存，体制多、不兼容（“烟囱”式），产业规模小，成本高，无规模经济优势；二是现有协议的空口设计资源调度灵活性不足且效率和可靠性低，业务质量控制较弱，服务质量得不到保障，无法支持复杂业务；三是现有协议虽然实现了空口基本传输的底层协议标准化，但是极少涉及系统上层协议标准、系统构建、测试等，也缺乏支持网络切换、灵活传输架构、星间接口、网络安全等组网必要的能力。
从而，从2017年到2022年，ITU、3GPP和ETSI大力开展并推动基于5G体制的卫星互联网星座组网探索。这拉开了卫星互联网与地面蜂窝系统体制走向融合的序幕。
ITU开展了NGAT SAT（将卫星系统集成到下一代接入技术的关键因素）立项，在ITU-RM.2083中提出了“下一代移动通信网应满足用户能随时随地访问服务的需求”；并在ITU-RM.2460中分析了卫星系统集成到下一代接入技术中的关键因素，提出卫星网络典型应用场景——中继宽带传输业务、数据回传与分发业、宽带移动通信业务、混合多媒体业务，明确了卫星通信支持以上四种场景所具备的多播支持、智能路由支持、动态缓存管理及自适应流支持、延时、一致的服务质量、NFV/SDN兼容、商业模式的灵活性等关键特性。
着眼于通过卫星与地面移动网络的优势互补实现更广阔的覆盖满足用户接入服务需求，3GPP从R14开始对研究卫星通信，将卫星网络划入非地面网络（NTN）范畴，在R15明确将支持卫星接入作为5G系统需求，定义了服务连续性、服务普遍性和服务可扩展性等NTN-5G系统的3个主要服务类别。在R16对NR支持NTN解决方案进行SI立项，明确了透明接入、DU上星和NR上星三种卫星接入5G系统的架构。在R17针对卫星接入对核心网的影响问题及解决方案进行研究和评估。R18研究了卫星接入多连接、核心网上星和星上边缘计算等卫星与5G的融合增强特性，深入推进5G与卫星网络融合的演进。
欧洲电信标准协会在2017年6月成立的Sat5G联盟探索将卫星集成到5G网络中的可行性方案，主要工作包括在卫星5G网络中实施NFV/SDN技术、研究卫星/5G多链路和异构传输技术、融合卫星网络和5G网络的控制面与数据面、卫星/5G网络一体化的管理与运维技术以及5G安全技术在卫星通信中的扩展。
认识三：不同需求有不同星地组网模式
由于卫星的轨道和形态类型丰富，与地面网络运行环境存在较大差异，星地融合网络架构需要考虑网络部署的灵活性和扩展性，兼容透明转发和星上处理（包括高频段星上处理以及中低频段星上处理）模式，考虑不同的传输条件、不同的传输时延以及链路动态切换等因素，通过网络的柔性适配能力实现星地融合网络的灵活部署、优化和扩展。【注：根据空间平台搭载卫星能力的不同，3GPP TR38.811定义了两种典型传输架构，一种是透明转发——信号在卫星上只进行频率的转换、功率的放大等过程，另一种是星上处理传输——卫星具有部分或全部基站功能。】
模式一：透明转发的独立组网，与地面网络互联互通。工作在透明转模式时，卫星只作为基站的射频拉远单元，只用作无线信号的收发，从而星上处理简单，技术复杂度低，建网成本低。方案简单、成熟、可靠。但网络灵活性差，数据传输时延大，支持业务能力差，传输效率低，需要较多的地面信关站（在没有部署地面信关站的区域，即使用户终端在可视范围内有卫星也无法提供通信服务）。
模式二：高频段星上处理独立组网，与地面网络互联互通。不需要全球部署地面信关站，可通过星间链路提供全球通信服务，并可降低干扰，提高通信质量。高频段大带宽，适合车载、机载、船载，或固定接入等场景的大容量高速数据传输。优势是组网灵活，可根据不同业务需要进行弹性网络部署。缺点是需要支持星上处理和路由交换以及星间通信链路等，网络架构、卫星星座动态重构和协同组网、动态路由等关键技术实现复杂度高。
模式三：中低频段星地联合组网。不需要全球部署地面信关站，可通过星间链路和地面蜂窝通信网络提供全球通信服务。采用中低频段，带宽较小，适合中低等速率传输。在6GHz以下频段，采用5G兼容的手持终端，根据环境和信号变化，动态选择接入卫星网络或者地面蜂窝网络。卫星网络和地面网络可联合组网，提供全球无缝覆盖。
对星地融合移动通信的三点思考
思考一：低轨卫星通信与地面蜂窝通信的差异及应对
低轨卫星通信与地面蜂窝通信的差异方面，陈山枝博士分析了其中的关键影响，包括信道传播特性不同、卫星高速移动对同步性能影响、卫星高速移动对调制解调方案性能影响、传播距离和时延对于信号波形和传输方案影响、卫星高速移动带来移动性管理问题、卫星高速移动对寻呼方案影响、网络架构影响等。
如何应对？他全面分析了需要考虑的四大类关键技术。一是基础问题，包括信道建模、链路与系统评估方法、链路预算和频率复用等。二是网络架构，包括透明转发、星上处理和星间链路等。三是物理层关键技术，包括波形、传输参数、调制、参考信号、信道设计和物理层过程等。四是高层关键技术，包括寻呼、移动性管理、路由和用户面协议等。
思考二：关于星地融合发展路径——5G体制兼容走向6G系统融合
在星地融合的5G体制兼容阶段，属于星地独立网络或者星地互补网络、星地混合网络，卫星通信体制借鉴5G（包括3GPP R15-R18的NTN透明转发、3GPP R18的UPF上天、3GPP R19的基站与核心网上天），使得卫星通信网络能够充分利用地蜂窝面网络丰富的产业链基础来提升研发效率和规模经济降低成本。
从而，在未来6G，星地融合需要扩大网络覆盖、提升网络频率资源利用率以及实现天地频率共享共用；同时天地协作传输，来提升业务支持能力和传输效率，构建绿色高效节能的网络通信环境。陈山枝博士指出，星地融合到了6G时代是6G系统融合——以多种空间平台（同步/高轨卫星、中低轨卫星、平流层浮空器以及飞机无人机等）为载体，使星地构成一个整体，统一规划和设计整个系统的接入点、频率、接入网、核心网，提供用户无感知的一致服务，采用协同的资源调度、一致的服务质量、星地无缝的漫游。
他进一步分析，与5G体制兼容的星地融合相比，未来面向6G的系统融合过程将划分为七个方面。一是体制融合——统一空口体制。在空口分层结构上，采用相同的设计方案，采用相同的无线传输技术。二是网络融合——全网统一网络架构。三是管理融合——统一资源调度与管理。四是频谱融合——频率共享共用，协调管理。五是业务融合——统一业务支持和调度。六是平台融合——网络平台采用一体化设计。七是终端融合——统一终端标识与接入方式，用户终端、关口站或者卫星载荷可大量采用地面网络技术成果。
思考三：6G星地融合组网关键技术方向
未来6G星地融合是天基多层子网和地面蜂窝多层子网等多个异构网络的一体融合，具有多层立体、动态时变的特点，多层复杂跨域组网导致网络架构设计困难，大尺度空间传播环境导致传输效率低，卫星的高速运动会导致网络拓扑高动态变化，进而导致业务质量难以保障。要解决6G星地融合组网所面临的上述巨大挑战，陈山枝博士指出，需要从6G星地融合的网络架构、星地融合的空口传输、星地融合的组网技术以及星地融合的频率管理这四大方面实现关键技术突破。
6G星地融合的网络架构方面，需研究卫星与地面蜂窝通信架构的统一设计。具体地，一是通过设计弹性可重构的灵活网络架构，实现星地网络节点间网络功能的柔性分割。比如采用服务化的网络架构，网络功能可以根据业务和组网需求进行按需部署，根据不同的部署场景以及网络传输能力灵活适配业务场景和需求，根据业务场景和需求智能地提供弹性可重构的网络服务能力，实现网络功能的按需重构，保证网络按需服务能力。二是通过设计高效的多域多维度网络管理架构，提高星地融合网络中的资源管理效率。为了满足6G星地融合网络架构弹性可重构的需求，需要重点从统一移动性管理架构、星地融合网络边缘计算架构、智能端到端全生命周期的切片管理架构、异构跨域网络资源管理架构来实现融合网络移动性、边缘计算、切片和资源调度的统一管理，提升大时空尺度异构组网端到端管理效率。
6G星地融合的空口传输方面，需研究卫星与地面蜂窝通信的统一空口设计方案，支持多种业务传输，使得终端终端可以极致简单地接入到最合适星地网络节点。传统卫星通信一般采用单星单波束服务一个用户，在一定程度上限制了用户的数据传输速率，卫星资源的使用效率也未能得到充分利用。为了进一步利用卫星的空间传输特性，可以研究多星协作传输技术并将其作为提升卫星传输速率的一种候选技术，多个卫星波束或者单个卫星多个极化波束在相同频谱资源中为同一个用户传输数据——一个终端同时连接在编队的多颗卫星上，这些卫星通过协作实现联合数据传输，从而获得发送分集增益或者复用增益。此外6G星地融合新波形与多址接入重点研究的内容包括星间/星地联合传输信道模型、低峰均比和带外辐射的高效波形（正交频分复用+超奈奎斯特）以及因子图高效译码、基于用户接入指纹和人工智能的低相关性高容量非正交多址接入方案。
6G星地融合的组网技术方面，需主要研究小区间频率规划、多层网络间自适应路由和星地星间无缝切换、星地一体多级边缘计算任务迁移等。6G星地融合资源智能管控，一是天地跨域异构高效统一资源管理，通过有效联合不同网络系统中的资源以充分发挥网络综合效能，更好满足未来复杂多变的任务需求，主要研究天地多维资源表征及关联图谱、融合网络多级智能协作管控策略、天地资源联合协同与部署；二是由于低轨卫星运动速度过快导致网络拓扑高动态变化，需研究弹性高效动态路由与移动性管理，包括能力聚合的协作路由和路由重规划，以及分级垂直切换与低时延群切换；三是高动态拓扑环境下的按需确定性服务，星地融合网络采用服务化的分层架构，可以根据业务感知和资源感知进行按需部署，主要研究高确定性按需服务分层架构、基于队列调度的高确定流量控制、SDN控制流保护机制。
6G星地融合的频率管理方面，需研究基于统一管理的网络频谱资源，星地间频谱的协调管理机制。通过频谱共享和干扰管理方案，提高频谱资源利用率。随着用户业务需求的增长，频率资源变得愈发匮乏，星地融合网络中如果使用传统的频率硬性分割会导致传输效率下降。为了提高频率资源的利用效率，需要研究空间多层网络的信号传输特点，利用波束和覆盖的差异性，探索星地通信的软频率复用方法；通过干扰预测和资源协调，进一步研究频率动态共享复用的技术和方法，以降低小区边缘干扰，同时提升小区边缘传输效率；通过引入机器学习，研究基于机器学习的频率态势预测方法，提出星地异构系统动态频率共享策略。
中国信科/无线移动通信国家重点实验室是星地融合的重要技术贡献者：5G卫星移动通信技术的引领者、6G星地融合关键技术的储备者
基于从3G TD-SCDMA到4G TD-LTE和5G移动通信技术长期积累和技术标准体系构建能力，广泛参与国内国际标准组织中国通信标准化协会（CCSA）、3GPP、ITU等，中国信科/无线移动通信国家重点实验室是5G卫星通信和6G星地融合方向的重要技术贡献者。
中国信科积极从事5G卫星移动通信技术研究，是国际国内标准组织的主要贡献者。在3GPP牵头了5G卫星回传、UPF上天等项目并广泛参与各NTN项目，累计输入文稿200+篇，占据在全球第一阵营的技术影响力。在ITU-T牵头了2项标准项目，作为核心力量在ITU-R WP4B推进SRI for IMT-2020标准制定。在CCSA牵头完成了研究课题“面向5G增强和6G的星地融合技术研究”。
此外，中国信科在国内卫星互联网新基建中正发挥着重要作用，带领业界积极开展透明转发和星上处理卫星互联网关键技术研究，完成随遇波束、时频同步、星间波束切换、跳波束、UPF锚点迁移等十余项关键技术攻关，并率先完成了业界首套5G融合体制的卫星互联网系统标准体系，为国家卫星移动通信重大工程的建设提供技术支撑。
中国信科也正在积极开展6G星地融合技术研究，提前为6G做好关键技术储备。目前正推进星地融合网络架构、星地协同无线传输、星地融合资源管理、星地频谱共享等关键技术方向，并提出弹性可重构、网元功能柔性分割的网络架构，提出统一的帧结构和灵活的参数集设计，提出多波束协同传输技术、快速精准的时频同步技术和极简的随遇接入技术等等。
中国信科自2020-2021年连续两年向业界发布了“全域覆盖、场景智联”的6G白皮书，提出广域覆盖、移动宽带覆盖、热点覆盖、极致低时延高可靠、泛在海量连接以及感知与定位等典型应用场景，提出空天地融合、超维度天线、以用户为中心的动态簇接入网、通信感知融合、高精度定位等十二大使能技术，提前为6G做好关键技术储备，并在ITU未来技术趋势报告中进行积极推进。
此外，中国信科承担了多项重点研发计划课题，联合业界积极开展6G愿景与需求的畅想、6G关键技术的研究与验证，为后续的6G标准化工作做好前期准备。
此外，5G公众号（ID：angmobile）观察到，陈山枝博士作为第一作者发表的多篇星地融合论文对全球学术界及产业界产生了深刻影响。于2020年4月在IEEE Wireless Communications发表的“Vision, Requirements, and Technology Trend of 6G ---- How to Tackle the Challenges of System Coverage Capacity, User Data-rate and Movement Speed”对6G进行了全面的讨论，涵盖了愿景和需求、技术趋势和挑战，以在解决移动通信系统的覆盖（基于星地融合的全球及深度覆盖）、容量、用户数据速率和终端移动速度的挑战。于2020年12月在China Communications发表的“System Integration of Terrestrial Mobile Communication and Satellite Communication——The Trends, Challenges and Key Technologies in B5G and 6G”首次指出了星地融合融合两个发展阶段的趋势——与5G兼容和在6G内融合，在分析两个阶段面临的挑战的基础上，详细分析关键技术（包括在3GPP中讨论的B5G空口以及面向未来 6G的新型网络架构和相关传输技术）。于2020年6月在《电信科学》发表的人《关于低轨卫星通信的分析及我国的发展建议》从需求、应用、技术等多个维度进行分析判断，厘清低轨卫星通信5G时代“与5G互补，而不是颠覆5G”的定位，进而在分析我国发展低轨卫星通信的应用需求、技术与产业基础等因素的基础上，提出了我国发展低轨卫星通信的建议。
星地融合：奋斗不息，贡献不止
未来移动通信网络将以地面蜂窝通信为依托、卫星天基网络为拓展，构建星地融合一体化立体覆盖网络。从上文看来，在陈山枝博士的带领下，中国信科/无线移动通信国家重点实验室已成为星地融合的重要技术贡献者，后续必将在实现频率使用、网络架构、资源管理、空口体制与业务支持的融合方面持续突破，最终形成天地一体无感知服务的统一网络，成为未来智能化综合性数字信息基础设施的关键组成部分，为国家数字经济新发展奠定坚实底座基础。
