空天地海一体化通信组网理论与技术

空天地海一体化网络是以地基网络为基础，天基网络、空基网络和海基网络为补充和延伸，为广域空间范围内的各种网络应用提供泛在、智能、协同、高效的信息保障基础设施。

在空天地海一体化网络中，空基网络由高空通信平台、无人机自组网络等组成，具有覆盖增强、使能边缘服务和灵活网络重构等作用；天基网络由各种卫星系统构成天基骨干网和天基接入网，实现全球覆盖、泛在连接、 宽带接入等功能；地基网络主要由地面互联网、移动通信网组成，负责业务密集区域的网络服务；海基网络主要是通过海上无线网络、海上卫星网络等满足海洋活动的通信需求。

通过多维度网络的深度融合，空天地海一体化网络可以有效地综合利用各种资源，进行智能网络控制和信息处理，从而游刃有余地应对需求迥异的网络服务，实现“网络一体化、功能服务化、应用定制化”的目标，在广域移动覆盖、物联网、智能交通、遥感和监控、军事等领域中展现出广阔的应用前景。天基网络——特别是低轨卫星星座相关技术——处于核心地位，是构建无所不在、无所不联、无所不知的空天地海一体化网络的关键使能技术。目前，美国SpaceX公司的“Starlink”（星链）项目是低轨卫星星座竞争中的佼佼者，其计划发射 4.2万颗卫星，构成一个可以覆盖全球的宽带卫星通信网络。截至2022年8月，已有超过3000颗在轨低轨卫星，全球已有超越50万宽带接入订阅用户。空天地海一体化网络同时面临着高动态、强异构、超复杂、多需求等挑战，其主要研究方向包括网络架构设计、通信协议设计、网络资源管理与优化、高效传输技术以及网络安全与隐私等。

然而，由于现有各通信系统机制不统一，资源分布差异性强，无线信道更加复杂多变，且网络安全性难以保证，空天地海一体化网络亟须在网络架构、通信协议、资源管控和高效传输四方面突破，因此对于该领域的技术前沿解读也从这四方面展开。

第一，在网络架构设计方面，主要有两大趋势。国际移动通信标准化组织 3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）力主推进非地面网络（non-terrestrial network，NTN）（包含卫星、无人机等所有非地面网络）与地面蜂窝网络融合，使得 NTN 成为 5G 网络以及未来 6G 网络中的一部分，从而形成互联互通的空天地海一体化网络。另一个趋势是以软件定义网络和网络功能虚拟化技术为核心的虚拟化网络架构，形成高效、全局可控、低成本的空天地海一体化网络管控架构。该方向的主要研究机构包括滑铁卢大学、清华大学、北京交通大学等。

第二，在通信协议设计方面，CCSDS 协议通过对相邻帧的迭代处理，可实现空天地海网络中有效载荷限制下近乎无损的多媒体流传输，极大地扩展了空间飞行任务信息系统的配套交换能力；DVB 系列协议克服了传统上行链路功率控制对射频前端体积的限制，有效提高了卫星通信链路的频谱效率，从而能进行空间段的优化，并大幅度降低基于卫星的 IP 服务成本。然而，这两种协议提出的时间较早，目前包括 3GPP 在内的多家组织和机构也在探索新型空天地海一体化网络通信协议。

第三，在网络资源管控方面，目前主要有两个研究趋势：一是 AI 驱动的资源管控技术，它能适应传统空天地海融合网络中网络节点多、决策空间大、资源异构的特点，从而有效提高网络资源的利用率；二是以服务功能链或者网络切片为载体的资源调度技术，它通过软件定义网络和网络功能虚拟化技术将全网资源切片化，在保障用户之间业务隔离性的同时，亦能保障多维需求指标的满足，从而实现未来网络服务定制化的关键目标。该方向的主要研究机构包括清华大学、滑铁卢大学、西安电子科技大学、中国人民解放军国防科技大学等。

第四，在高效传输技术方面，星间激光通信被认为是实现高速星间链路的潜在技术，相比于基于射频的星间通信，其可通过更小的天线尺寸实现更高的数据传输速率。同时，由于激光光束的特性，星间激光链路具有更窄的波束和更高的指向性，从而能在消除干扰的同时提供更高的安全性。目前，工程应用中主要的星间链路通信方式仍然是微波通信，预计将于 2023 年年底实现初步的星间激光通信测试及部署。该方向的主要研究机构有北京航空航天大学、西安电子科技大学、东南大学、北京交通大学和美国东北大学等。

此外，低轨卫星星座系统建设也是空天地海一体化通信组网的重要发展方向。铱星移动通信系统是目前最早计划实施并部署的全球覆盖卫星网络，提出于 20 世纪 90 年代。但由于资金和技术等原因，美国铱星公司破产重组，逐渐淡出人们的视野。2015年，美国SpaceX公司提出的“Starlink”让低轨卫星网络成为学术界和工业界的热点，其宣布将发射上万颗低轨卫星为全球提供高速带宽接入。截至目前，“Starlink”已经完成初步部署，下载速度最高可达 301 Mbps，并向几十个欧美国家提供了网络接入。除此之外，中国也有多个预备建设的低轨卫星通信系统，包括“天启”“鸿雁”“蔚星”“星网巨型星座”等，其中最早的预计能于 2023 年年底完成部署。

“空天地海一体化通信组网理论与技术”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家分布情况见表1.2.1。

中国的优势明显，核心论文数排名世界第一，约为第二名加拿大的 3 倍。中国的国际合作对象主要是加拿大，并与英国、美国和日本等都有一定程度的合作（图 1.2.1）。

排名前十的核心论文主要产出机构（表 1.2.2）中，滑铁卢大学产出的论文最多。

另外，有 6 家机构来自中国，其余分布在日本、挪威和英国。在机构合作（图 1.2.2）方面，中国的 5 家机构与滑铁卢大学、2 家机构与萨里大学的合作较为密切，北京理工大学与挪威奥斯陆大学也有部分合作。

施引核心论文数量（表1.2.3）方面，中国排名第一（占比为 49.62%），第二名是美国，其余国家的占比均低于 10%；排名前十的施引核心论文产出机构（表 1.2.4）中，除第五名滑铁卢大学外，其余都来自中国，体现了中国对该方向较高的关注度。目前，“空天地海一体化通信组网理论与技术”在国内外处于不同发展水平，但整体而言，都正处于设计和初步部署阶段。

图 1.2.3 为“空天地海一体化通信组网理论与技术”工程研究前沿的发展路线。从技术指标来看，到 2025 年，全球低轨卫星的星座最大规模为千颗级别，预计到 2030 年，单星座卫星规模将达到万颗级别；从传输性能来看，未来5 年内，低轨卫星网络的测试速率可达 500 Mbps，延迟最低可实现 60 ms，而在 2027 年到 2032 年，低轨卫星网络的测试速率将达到最低 5 Gbps，延迟最低能实现 20 ms；从全球卫星网络总吞吐量来看，2022 年到 2024 年将达到 97 Tbps，而在 2025 年到2028 年将达到总吞吐量 218 Tbps，并在 2032 年前达到 820 Tbps。

从发展方向来说，目前该工程研究前沿主要发展方向有空天地海组网构建、星间通信技术、空天地海组网通信协议、卫星多模融合终端和潜在应用开发五个主要方面。

其中，在空天地海组网构建方面，目前全球正处于初步的低轨卫星星座骨干搭建与系统终端测试阶段，预计到 2025 年年底完成星座骨干的搭建，并在 2032 年之前根据应用需求补充低轨和极低轨卫星。

在星间通信技术方面，当前低轨卫星星座网络星间通信技术较为薄弱，所使用的通信技术主要为微波通信，激光通信尚处研发阶段，预计在 2025 年开始激光传输技术的普及和正式使用。

在卫星多模融合终端方面，终端对质量、体积、异构组网兼容、应用集成等方面有较高要求，同时需要适应于多系统、多频段、多网络和多应用等。目前看来，有关卫星多模的技术只处于初步阶段，相关的产品也局限于网关与较大型终端，这给野外工作、边境巡逻、应急抢险救援通信及单兵作战等带来极大的不便利性，预计在 2025—2032 年，便携终端将能设计完成并投入市场。

在潜在应用开发方面，目前空天地海一体化组网与通信的应用场景主要集中于广域宽带接入、军事通信、物联网、车联网等方面，应用范围比较狭窄。未来将开始对更多潜在业务进行探索，以进一步发挥空天地海一体化网络的潜在能力。除此之外，在 3GPP、IMT2030 等国际标准化组织的大力推动下，目前空天地海一体化通信与组网的标准化已经正式起步，部分议程正在逐步开展，预计在未来 5~10 年中，相关的技术、协议、指标要求等都将进一步完善。

审核编辑 ：李倩