原文刊发于《移动通信》2020年第9期
空天地一体化通信网络中地面运营商的 挑战与机遇
裴郁杉1，苗守野2，张忠皓1，李福昌1
【摘 要】详细分析了天基网络和空基网络的网络特性、产业发展情况。卫星与HAPS通信具有传输覆盖广、不受地理环境限制、时延抖动小、可靠性高等特性。根据不同网络的能力特性，提出了未来空天地一体化网络在应急保障通信、立体化移动通信、偏远地区公众业务和大时空尺度下的通信业务等4种场景下的应用，最后阐述了为地面运营商在未来空天地一体化通信发展进程中的挑战和机遇。
【关键词】空天地一体化通信；天基网络；空基网络；地面运营商
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.09.002
中图分类号：TN914.3 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2020)09-0007-07
引用格式：裴郁杉,苗守野,张忠皓,等. 空天地一体化通信网络中地面运营商的挑战与机遇[J]. 移动通信, 2020,44(9): 07-13.
0 引言
未来的空天地一体化网络关注的是不同网络架构的融合，实现为用户提供真正无缝的链接。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 [1] 。
对于传统地面运营商而言，一方面空天地一体化网络可以帮助其真正地提供泛在网络服务，扩展覆盖空间和业务种类，降低整体网络成本；另一方面随着OneWeb、StarLink等低轨卫星的发展，传统地面移动业务也可能会受到有力竞争，然而，传统地面运营商通常不具备独立发展非地面网络的能力与政策许可。因此，在面向未来的空天地一体化通信网络，地面运营商需要考虑非地面网络在其网络中的地位、未来的发展方向、以及在发展过程中的困难与机遇。
本文将详细研究卫星网络和HAPS/HIBS网络的网络特性、产业发展及业务应用场景，分析空天地一体化通信网络中地面运营商的挑战，探讨地面运营商在后续空天地一体化通信网络中的机遇与可能的发展方式。
1 卫星通信网络
根据轨道高低，卫星通信网络可以分为高轨、中轨和低轨三种卫星系统。随着轨道高度的降低，系统中卫星的数量将增加，其系统总容量也会随之增加。
1.1 网络特性
高中低轨卫星网络特性对比 如表1所示：
此外，由于受限于较大的传输链路损耗，卫星系统无法与蜂窝终端进行直接通信。但由于卫星的覆盖范围大，所覆盖范围内的用户的距离相近，避免了地面蜂窝小区中的“远近”效应。因此，波束覆盖范围内的用户可以获得相近的业务体验。
1.2 产业发展
高轨卫星通信系统方面已经成熟，高通量是其技术发展的主要趋势之一 [3] ；中轨卫星通信系统方面有以O3b为典型代表的成功商业运营案例 [4] ；大规模低轨卫星通信系统方面是当前卫星系统中最受瞩目的发展趋势 [5] 。
目前，低轨卫星通信系统已经成为国内外航天领域的研究重点。美国的SpaceX公司 [6] 、OneWeb公司、加拿大TeleSat公司等均是以低轨卫星为主的卫星通信系统。对于卫星技术而言，低轨卫星的研制与卫星发射技术都已经趋于成熟。制约低轨卫星发展的关键性因素包括卫星星座设计、频率资源协调、与高轨卫星干扰协调等几方面。对于低轨卫星通信标准，目前国内外成熟的卫星系统均采用DVB/DVB-2标准，这一标准主要适用于传统卫星服务的广播业务、多播业务、数据分配/中继，及较低速Internet接入等交互式业务。采用DVB/DVB-2标准的情况下，卫星通信用户需要专用的手持式终端或固定式终端接入卫星网络，且无法和地面移动通信系统交互。
为了进一步挖掘卫星通信的潜力，国内外标准化组织陆续针对非地面网络展开了标准化制定工作。3GPP在Rel 14～Rel 16中针对非地面网络开启立项研究，对非地面网络的信道建模、典型场景和应用案例，对3GPP技术的影响与候选方案、网络管理等方面进行研究，已经完成了5个研究报告和1个技术标准。在2019年12月，3GPP通过了一个SI和WI立项，接下来将针对卫星与IoT的适配、移动性管理、QoS管理等方面进行深入的研究。与此同时，ITU-R也正在开展针对低轨卫星关键技术的研究工作。
对于产业界，国外SpaceX公司、OneWeb公司均开始了低轨卫星星座组网试验，发射了先导卫星进行技术验证，但距离完成组网还需要2～4年时间。低轨卫星的发展趋势具有以下特点：小型化、低成本、更密集组网、单独成形可控制的波束。卫星的小型化、轻量化有利于降低制造和发射成本，更密集的组网可以提供更大的系统吞吐量，单独成形可控制的波束意味着低轨卫星具有波束成形和波束调形功能，其功率、带宽、大小和视轴可动态地分配给每个波束，以最大限度地提高性能并减少对高轨卫星的干扰。
典型的低轨卫星系统包括Space X的星链计划、OneWeb的低轨卫星系统和Iridium第二代。
星链计划总计部署约12 000颗卫星，其中包括4 425颗轨道高度1 100～1 300 km的中轨道卫星，以及7 518颗高度低于346 km的近地轨道卫星。在2018年3月初，发射的测试卫星属于近地轨道卫星。SpaceX预计2025年完成12 000颗卫星部署，为地球用户提供1～23 Gbit/s的超高速宽带网络 [7] 。
2019年5月24日，60颗星链星座试验卫星成功发射，该部分卫星将与2018年2月发射的两颗试验卫星配合，进一步测试星载天线和电推进系统。目前星链已有422颗在轨卫星 [8] 。
OneWeb公司的Ku+Ka波段星座包括在18个圆形轨道平面上的720颗卫星 [9] ，轨道高度为1200 km，轨道倾角87°。OneWeb的系统使用Ku波段进行用户通信，10.7—12.7 GHz和12.75—14.5 GHz频带将分别用于用户下行链路和用户上行链路通信；使用Ka波段进行关口站通信，17.8—20.2 GHz和27.5—30.0 GHz频带将分别用于馈线下行链路和馈线上行链路。
OneWeb的低轨卫星系统预计需要50个或更多的地面站，每个地面站最多配备10个口径2.4 m的天线。在用户侧，OneWeb的系统支持使用30～75 cm抛物面天线、相控阵天线和其他电调向天线 [10] 。
2 HAPS/HIBS
含临近空间的高空通信平台（HAPS, High Altitude Platform Station）/高空基站（HIBS）是指将无线基站安放在长时间停留于高空的飞行器上以提供电信业务的通信网络 [12] ，它使用已有的通信技术，以较低的成本覆盖大面积区域，如偏远的农村、海岸线、山脉、沙漠等地区。HAPS停留在距地面20～50 km高度，并且相对于地球在一个特定的标称固定点的某个物体上的平台。高空通信平台部署位置较高，因此覆盖范围广。目前HIBS已成为WRC-23新议题 [13] 。本节将针对HAPS/HIBS的网络特性和产业发展分别展开详细的介绍。
2.1 网络特性
（1）网络容量
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（100 MHz带宽）基站，采用4/5面台天线估算，系留气球或飞艇上的HIBS单小区峰值速率可达5 Gbit/s，单基站峰值速率可达20/25 Gbit/s。
（2）覆盖能力
HAPS/HIBS的目标覆盖半径为50 km，当工作频率分别为900 MHz、1 800 MHz和3.5 GHz，采用2T4R的普通手机终端，小区边缘用户的上下行速率估算 如表2所示。若采用更高能力的CPE或Gateway，HAPS/HIBS的单终端速率会有更大提升。
（3）时延
HAPS/HIBS的目标升空高度20 km，HAPS/HIBS小区边缘传播空口时延约为180 μs，覆盖范围内的时延差为12.8 μs。
（4）HAPS/HIBS部署
HAPS/HIBS相比卫星通信，HAPS/HIBS可以直接采用地面成熟的IMT技术，且链路的传播损耗小，可以与地面终端直接通信，是地面IMT网络的有效延伸。
2.2 产业发展
（1）通信技术发展
为了推动HAPS技术的研究与发展，世界无线电通信大会在1997年便启动了HAPS相关频率的研究与划分工作。对于HAPS固定业务，WRC-97会议对47.2—47.5 GHz频段上做了HAPS的标识。WRC-2000会议形成第221号决议，指出HAPS可以在以下频段提供移动通信业务：1区和3区的1 885—1 980 MHz、2 010—2 025 MHz和2 110—2 170 MHz频段，2区的1 885—1 980和2 110—2 160 MHz频段。
2019年11月24日，WRC-19审议1.14议题并做出决议，在全球范围内，在固定业务划分下新增38—39.5 GHz频段，扩展31—31.3 GHz频段标识用于高空平台站（HAPS）固定通信（双向使用），在满足HAPS应用需求的同时，对HAPS下行方向使用提出了具体限制以保护现有的固定、移动和卫星固定业务台站不受影响 [14] 。此外，我国根据自身需要，以次要业务加入了现有的27.9—28.2 GHz频段HAPS标识的脚注，为我国HAPS现有应用获得了国际规则地位。此外，日本也推动HAPS用于IMT移动业务成为WRC-23 1.4议题，研究在全球或区域内将2.7 GHz以下标识给IMT的某些频段，并在移动服务中使用高空平台站作为IMT基站（HIBS）。
3GPP 5G非地面网络项目也对HAPS/HIBS系统展开了研究，其中规定用户终端的仰角需超过10°，高空平台在给定区域产生多个波束，波束footprint直径为5～200 km，并给出了HAPS/HIBS接入网的典型波束模式。接下来，3GPP将对HAPS/HIBS系统上行调度的TA（定时提前量）、设备环境（温度、湿度、设备压强）等技术展开研究。
（2）通信平台发展
国外对高空通信平台研究起步较早，美国、日本、韩国、德国、法国、英国、以色列等国家在2000年左右均已启动国家级预研计划，以Google、Facebook为代表的科技公司也启动了高空平流层电台的研发工作，有力推动了该技术的研究与实现 [15] 。在国内，一些企业、高校及研究院所也对高空通信平台开展了研究，并取得了一定突破。 表3为高空平台系统实现情况，总的来说，目前临近空间的高空平台技术并不成熟，仅有Google的热气球曾在平流层停留223天 [16] ，而我国的彩虹无人机仅能滞空24小时。
3 空天地一体化业务应用场景
卫星与HAPS通信具有传输覆盖广、不受地理环境限制、时延抖动小、可靠性高等特性，可以为多种行业和用户提供服务。下文从应急保障通信、立体化移动通信、偏远地区公众业务通信以及大时空尺度下的通信业务等四个方面讨论卫星与HAPS通信的应用前景。
3.1 应急保障通信
我国是世界上自然灾害最严重的国家之一，灾害种类多，分布地域广，发生频率高。卫星通信覆盖面广，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，通过快速部署卫星通信地面站与终端，可以较短时间内打通通信链路，为抢险救灾构建高效可靠的指挥调度及信息传输通道。
同样地，HAPS/HIBS平台的部署受地理、天气等外部环境因素影响较小，可在发生自然灾害后为灾区提供通信覆盖，提供可靠的通信保障。只需HAPS/HIBS系统将搭载IMT基站的平台部署在灾区上空，即可恢复灾区通信。此外，在高空平台上装载军事通信系统，可以实现战区通信的快速组网，达到抗截获、抗干扰、抗摧毁等军事通信目的。
3.2 立体化移动通信
卫星通信可以为飞机、船舶等无地面网络覆盖的载体提供广域宽带通信服务。飞机，船舶载体上的用户有使用视频、游戏、社交网络等应用需求，利用中低轨卫星通信系统可以为用户提供大吞吐量和低时延的网络服务，满足用户的应用需求 [17-18] 。
同样地，将HAPS/HIBS基站部署于20～50 km的高空，可以为近海船只提供通信服务。一个HAPS气球的覆盖半径为50 km，通过两个气球的中继，可以覆盖近海200 km范围内的船只。按照中国大陆海岸线长度为18 000 km估算，360个气球即可实现中国整体海岸线近海200 km范围内船只的通信。
HAPS/HIBS基站还可与飞机进行通信等 [19] 。按照客机飞行高度10 km，飞行速度1 000 km/h进行计算，客机3分钟通过一个HAPS/HIBS小区，因此飞机每3分钟进行一次小区切换。以北京到深圳的航班为例，航程2 162 km，覆盖整个航线需要217个HAPS/HIBS基站。我国东部地区航线较为密集，当两条航线距离较近时，可以通过一个HAPS/HIBS基站实现两条或多条航线的覆盖，部署密度与ATG相近 [20] 。
此外，在HAPS/HIBS组网时可以将空中飞机与近海船只结合起来，合理部署基站，在覆盖飞机与船只的前提上，尽量减少HIBS基站的数量，以降低覆盖成本。
3.3 偏远地区公众业务
卫星通信可以为地面网络覆盖不足的区域提供网络服务，解决偏远地区用户宽带上网问题。对于偏远地区有宽带网络需求的用户，例如偏远地区用户有使用视频等应用需求，可选用中低轨卫星为用户提供服务 [21] 。
HAPS/HIBS搭载IMT基站或微波/FWA设备，使用地面无线通信技术，可以作为地面网络的补充，覆盖地面基站无法覆盖的区域，如青海西藏等地广人稀的省份，也可以作为语音和物联网的打底网。
下面，以青海省为例进行分析。2018年青海省人口为603万，按照用户激活率20%，并发率10%计算，则青海省全省激活用户总数为120.6万，并发数为12.06万。按照一个HAPS/HIBS基站的覆盖半径为50 km计算，每个基站的覆盖面积为7 850 km 2 ，通过92个HAPS/HIBS基站即可覆盖青海省72.23万平方公里的面积。按照一个HAPS搭载一个基站，基站采用五面台天线估算，一个HAPS平台可提供五个小区。每个小区支持800个RRC连接数，同时可调度400个用户，则一个HAPS平台可支持4 000个RRC连接数，同时调度2 000个用户。92个HAPS/HIBS基站可支持的RRC连接数为36.8万，同时可调度18.4万用户，基本满足全省人民的通信业务需求。而按照4G LTE基站的覆盖半径为2 km，则覆盖青海省需要建设约57 507个4G LTE基站。
3.4 大时空尺度下的通信业务
卫星通信可以用于构建低成本的企业专网。一些企业分支机构地理位置分散，但要求不同分支机构之间的信息同步。若采用传统地面网络建设大型企业专网，成本较高。若采用卫星通信构建企业专网，有利于打破地理限制，并且实现在企业不同分支机构间的信息同步，从而提供高可靠的网络保障，统筹各分支机构业务。
在证券金融领域，卫星通信可能改变证券交易中高频电子交易的格局 [22] 。利用低轨卫星系统，信号可以沿直线传播，对于长距离的信息传输，例如纽约-上海之间的信息传输，采用卫星轨道高度500 km左右的低轨卫星，其理论时延可以控制在100 ms之内。而目前各证券交易所之间的信息传输，通常采用海底电缆，其传输时延高达120 ms-150 ms。对于中高频金融电子交易，1 ms的时延可能会影响上百亿美元的交易。而且，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。因此，与现有的海底电缆传输方案相比，在中高频电子交易中利用低轨卫星传输可以使得电子交易更加高效，稳定。
车联网中要求在较大范围内进行高可靠，低时延的通信，远程驾驶端到端时延要求为5 ms，智能运输系统、无线路边基础设施回传时延要求最大为30 ms [23] 。HAPS/HIBS的覆盖半径约为50 km，小区边缘用户的空口时延为180 μs，LTE基站处理时间通常为4 ms，再通过利用减少TTI、HARQ、网络下沉等方法，部署的HAPS/HIBS基站基本可以满足车辆网对时延的要求。尤其值得注意的是，HAPS的覆盖范围大，通过一跳就可为100 km范围内的道路设施及车辆提供信息传输。相比于地面多跳传输更具优势，部署HAPS/HIBS基站能够更好地为道路和车辆提供远距离大范围的实时通信。
4 地面运营商的挑战与机遇
4.1 挑战
随着空天地一体化网络业务业务场景的逐步确定，卫星通信系统和HAPS/HIBS作为5G地面网络的补充网络，可以为边远地区提供公共通信和补充网络、为高空以及船只提供无线通信网络覆盖、为应急通信和专网业务提供可靠的通信保障。但是，目前运营商在布局空天地一体化网络时仍面临着许多挑战。
由于卫星通信的特殊性，目前运营商在考虑卫星网络时主要存在两个问题。第一，现阶段地面运营商通常不具备独立获取运营卫星空间段频谱资源的能力。低频卫星频谱资源的使用规则是谁先申请谁先用、后入保护先入、次要业务保护主要业务，卫星频谱资源的竞争变得异常激烈。未来能够用于卫星通信的频谱申请将呈现加速趋势，已规划的大规模星座将重点聚焦在Ku/Ka频段，储备的频段布局将在Q/V等更高频段，大规模的卫星频率协调工作变得更加的复杂。第二，卫星制造、发射、完成组网等都需要大量的资金投入，且投资回报周期长、风险大。
运营商在考虑应用HAPS/HIBS时主要存在三个问题，第一，平台的供电及载荷问题。无人机的电池容量小、载荷能力低，导致平台滞空时间短、距离短；飞艇的续航能力和载荷能力较强，但是目前的技术难以对飞艇进行有效的控制。第二，平台建设、维护与存放问题。运营商选择自建平台还是租赁第三方平台、平台是否由运营商进行维护、平台闲置时的存放方式以及存放成本分配等方面都是未来运营商可能面临的问题。第三，空域管理问题。平台升空需满足我国的空域管理要求，并向空域管理部门提出申请。当平台升空高度在10 km以下时，运营者需要与民航进行协调。因此如何制定HAPS/HIBS平台日常升空路线，需要运营商结合自身的业务需求进行更深入的摸索。
此外，空天地一体化网络布局中，传统地面运营商还将面临网络运维和用户体验的保障问题。传统地面运营商在自身网络服务框架下可以实现整体网络的运维管理和资源管理，为业务提供端到端的QoS与安全保障。但空天地一体化网络中可能涉及多个不同的运营商和复杂的异构网络机构，因此如何在多家运营商的体制下实现网络互联互通，网络能力与资源的统一映射，保证用户的极简接入、业务的端到端QoS保障将成为重要挑战。
4.2 机遇
空天地一体化网络中的有效部署也将为地面运营商带来新的机遇。一方面，可以扩展地面运营商的业务空间，提升业务收入：将原有受限于地表的二维网络服务扩展到空天地海的三维全连接，并可在此基础上引入多种新业务，提升业务收入。另一方面，借助非地面网络，传统地面运营商可以实现低成本的广覆盖，从而为边远地区提供低成本的无线宽带服务和物联网业务，消弥数字鸿沟。
在空间地一体化网络布局中，传统地面运营商具有以下优势：
第一、地面运营商凭借多年的网络运营，已经具有丰富的地面接入、传输网络、大数据处理与用户运营经验。通过将地面网络与非地面网络的深入融合，将非地面网络能力整合并增入到地面网络运营能力中，可以有效地拓展运营商现阶段地面网络的业务和市场，为发展用户、增进网络能力提供更有力的支持。
第二、地面运营商具有多年共享共用产业链的经验与优势。自3GPP成立起，地面IMT运营商和设备商一直致力于建立共享的产业链，充分发挥规模经济优势，降低网络建设、运维和用户的通信成本，推动更新的技术演进。
第三、地面运营商具有丰富的传输、基带处理、数据计算和存储资源，以及网络配套资源。
5 结束语
本文通过对空天系统的网络特性和产业发展进行详细的分析，探索了未来空天地一体化业务应用场景，并探讨了在未来空天地一体化网络中传统地面运营商的挑战与机遇。根据上述分析，传统地面运营商可以尝试在空天地一体化布局中尝试以下方向：
第一、以用户为中心，充分发挥终端和用户运营优势，扩展业务空间，实现多方共赢。
第二、推动空天地同体制网络和共享产业链，有助于地面运营商发挥技术储备和资源储备优势，同时降低空天地一体化通信网络的建设和运维难度及成本。
第三、需要继续充分发挥共建共享的优势与作用。继在4G网络建设中尝试共建共享之后，中国电信和中国联通已经决定在5G的全生命周期内进行共建共享，在提升两家运营商网络能力的同时，极大地降低了网络建设成本。在未来空天地一体化网络进程中，地面运营商与非地面网络运营商也可以考虑共建共享的方式，通过模块化的设备、云化的计算处理能力以及区块链技术的引用，实现空-天-地网络设备和计算处理能力的复用共享，进一步降低网络部署与运营成本，从而实现绿色、集约、健壮的空天地一体化网络部署。
★原文发表于《 移动通信》2020年第9期★
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.09.002
中图分类号：TN914.3 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2020)09-0007-07
引用格式：裴郁杉,苗守野,张忠皓,等. 空天地一体化通信网络中地面运营商的挑战与机遇[J]. 移动通信, 2020,44(9): 07-13.
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