一个电信运营商子公司总经理的思考:通信能力要“变天”

天地一体通信网络是智能化综合性数字信息基础设施的必要组成部分,加快形成我国天地一体通信运营能力具有重要的现实意义。首先,分析了国内外天地一体通信能力研究现状以及距离产业应用的差距;然后,提出了一种基于枢纽港的天地云网融合能力体系,以及“业务融合、用户融合、终端融合、云网融合、全系统融合”的天地一体通信运营分阶段演进路线;最后,提出了天地一体通信运营能力形成需要重点突破的用户统一认证、多模多频智能终端、网络智能管理、资源统一编排调度等关键技术。

天地一体通信能力是深入贯彻总体国家安全观、积极建设数字中国、全面落实网络强国的必然要求。2021年10月18日,中央集体学习时强调,要加快建设高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性数字信息基础设施[1]。《“十四五”国家信息化规划》中提出,要加快地面无线与卫星通信融合、太赫兹通信等关键技术研发。《“十四五”信息通信行业发展规划》中也提出,要推进卫星通信系统与地面信息通信系统深度融合,初步形成覆盖全球、天地一体的信息网络,为陆海空天各类用户提供全球信息网络服务。

本文立足运营网络与业务、服务经济社会发展,结合我国卫星、地面通信网络发展现状,提出基于枢纽港的天地一体通信网络架构,并据此系统规划天地一体通信运营能力发展路径,梳理其中需要解决的关键技术,从而为我国天地一体通信运营能力的快速形成提供建议,以期逐步实现天地一体通信网络的产业应用。

天地一体通信网络以地面网络为依托、卫星通信网络为拓展,由地面网络和卫星通信网络相互融合而成。目前,地面移动通信  5G 系统、6G  系统都已考虑充分融合卫星通信,共同构建广域覆盖的天地一体通信网络,以满足用户无处不在的通信需求[5]。国内外研究机构和学者对天地一体通信网络开展了大量的研究和探索,得到了很多有意义的成果,但当前天地一体通信网络整体上仍然处于起步阶段,距离产业化应用还有较大差距。

针对卫星与地面5G融合,ITU提出了中继到站、小区回传、动中通、混合多播共  4 种场景,并对支持这些场景的关键技术进行了研究,包括智能路由支持、自适应流支持、网络功能虚拟化(network functions  virtualization,NFV)/软件定义网络(software defined  network,SDN)兼容等[6]。针对面向6G的星地融合,ITU重点关注卫星与地面网络空口设计的融合统一,相应的关键技术攻关已经开展,技术标准制订也在推进中。

3GPP从3GPP  Release 14(Rel-14)开始研究卫星与地面 5G 融合的问题,旨在通过卫星与地面移动网络的优势互补实现更泛在的覆盖。其中,3GPP  TR 38.913 提出了将卫星网络作为地面网络扩展的场景;3GPP TS 22.261将卫星接入技术作为5G网络的基本接入技术之一,研究了  5G 网络系统必需的性能指标和基本功能要求。3GPP Release 15 (Rel-15)非地面网络研究项目(NTN  SI)研究了NTN部署场景和信道模型,发布了3GPP TR 38.811,在引入新空口技术后对卫星网络的潜在应用进行了分析。3GPP  Release 16(Rel-16)NTN SI提出了基于5G空口支持NTN的技术方案,开展了链路与系统级性能评估。3GPP Release  17(Rel-17)开展了3 个 NTN 项目的标准化制订工作,包括 NR over NTN、IoT over NTN、5G  ARCH_SAT,将完成第一个基于5G的卫星弯管透明转发技术标准。2021年年底,3GPP Release  18(Rel-18)首批立项27个项目,其中之一便是继续开展天地一体增强研究,利用卫星的广覆盖特性辅助地面通信,3GPP在3GPP  Rel-17基础上进一步研究卫星通信和地面通信之间的移动性、业务连续性增强和高频段部署等问题。3GPP标准演进计划如图1所示。

ETSI提出了卫星网络和地面网络融合的相关标准。ETSI  TR 103.124明确了卫星网络和地面网络融合应用的场景。ETSI TR  103.263确定了卫星通信引入认知无线电技术时应遵守的规则。ETSI TR  103.351解决了偏远地区利用卫星网络回传时的无线接入流量分配问题。ETSI TS  102.357则规范了卫星网络和地面网络共同提供宽带服务时的空中物理接口。

我国相关单位也开展了一系列天地一体通信网络研究和试验工作。2016年,科技部启动天地一体化信息网络重大项目研制,该项目同时列入国家“十三五”规划纲要以及《“十三五”国家科技创新规划》,并于  2019  年通过“天象”试验卫星,在轨验证了地面5G的SDN等关键技术。2019年,中国通信标准化协会成立了航天通信技术工作委员会,开展星地一体化的研究工作。2021年,中国卫通集团股份有限公司联合中国信息通信研究院开展了5G信号体制在Ka高通量卫星中的传输试验,银河航天与中国信息通信研究院联合开展了基于  5G  信号体制的低轨卫星星座技术体制试验,验证了卫星与5G在通信体制方面融合的可能性。此外,北京邮电大学联合运营商、设备研制单位和高校共同成立“天算联盟”,拟通过“天算星座”开展星载5G核心网、云原生卫星计算平台和星地组网等试验。

由于技术和市场等因素,过往数十年,地面通信系统和卫星系统按照各自的使用场景和网络特点,采用不同的系统设计、技术体制和运营模式,形成了相对独立的发展路径,这客观上决定了建设、运营天地一体通信网络的复杂性。虽然国内外开展了大量的星地融合研究,但距离具备运营能力还有较大差距。

长期以来,各个卫星通信系统分别发展,形成了“烟囱式”结构,根据功能属性、应用模式、轨道高度、工作频率、服务带宽和转发器类型等不同,采用不同的技术体系架构,系统之间相互独立,所属地面网络和终端设备不能互联互通,所属用户终端不能在不同的卫星系统间漫游迁徙、交互通信。以网络协议为例,对于基于透明转发器的卫星通信系统,发展之初针对物理层与链路层采用专用协议,随着业务IP化发展,逐渐形成了适应空间特点的基于TCP/IP的演进协议体系;而对于具备星上处理转发功能的卫星通信系统,则增加了与星载交换、卫星网络路由优化等相关的协议内容[19]。因此,不同卫星通信网络的异构性决定了其相互融合的复杂性,实现完全一体融合必须在论证阶段体系设计时统筹考虑,对于已经建成运营的系统,只能从地面网络侧互联、终端侧聚合等角度研究具体的融合方法。

(2)卫星通信网络与地面移动通信网络技术标准化程度的差异性决定了天地一体网络融合的复杂性

长期以来,卫星通信和地面移动通信相对隔离、分别发展,二者由于属性特点的差异采用不同的技术体制、协议体系,导致系统间独立封闭、信息交互融通能力差、发展程度不平衡。目前,地面移动通信网络已经形成了完备、规范的通信体制与协议体系,而卫星通信网络则差距较大。以卫星通信与5G网络融合为例,目前的5G商用网络以  3GPP Rel-15/Rel-16 版本为主,并不支持与卫星通信的融合,后续 3GPP Rel-17  版本也仅将卫星作为地面基站功能的延伸,工作在透明转发模式,或作为承载网提供回传服务,卫星通信网络和5G系统之间仍相对独立,远未达到系统层面深度融合的要求。

(3)卫星通信网络与地面移动通信网络相对分离的现实决定了天地一体通信网络运营、业务开通的复杂性

卫星通信网络之间、卫星通信网络与地面移动通信网络之间,网络资源管理相互独立,业务系统、支撑系统、终端方案和接口规范等各不相同,卡号、账号统一认证鉴权困难,端到端业务难以保证敏捷开通、柔性提供,远未达到系统层面深度融合、为用户提供无感的一致服务的要求。

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