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中国电信某直属公司总经理经典文章曝光:他对天地一体通信网络原来是这么看待的

运营商财经网

2022-06-23 11:05北京

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编者按:眼下,在太空中,由侦察、导航、通信、气象等卫星构成的天基系统发挥了极为重要的作用,也正成为热门话题。北约提供的战场情报使乌克兰方面获得了战场态势感知优势,数次让俄军遭遇意外挫折。马斯克旗下SpaceX的星链通信卫星系统在这次战争中也多次成为热点新闻。

目前,乌克兰境内有数千台“星链”地面终端在运行。从地面物理性地摧毁“星链”系统存在很大的困难。大量星链卫星通信终端设备,为乌军提供高速互联网服务。

但是,中国如何构建天地一体通信网络呢?中国电信卫星公司总经理杨岭才的一篇文章也提出了他的思考。

以下为其文章的第二部分。

2 基于枢纽港的天地一体通信网络

基于各类卫星均需要接入调用地面云网资源的现实需要,以及B5G、6G时代卫星作为中继和MEC节点的技术、业务演进趋势,本文提出一种基于枢纽港的天地一体通信网络架构,并据此实现天地一体通信业务、用户、终端和云网,最终实现全系统融合的发展路径。

2.1 系统组成

基于枢纽港的天地一体通信网络架构如图2所示,由空间段、地面段、用户段共同构建“天星、地网、枢纽港、云资源池”的天地云网融合能力体系,提供广域宽带接入、广域时敏连接、广域海量物联和广域高精度定位的服务。其中,枢纽港作为连接卫星云网与地面云网的关键,是在卫星网络接入地面网络地球站的基础上顺应天基计算、云网融合等技术发展趋势配套算力建设升级形成的,是打通因“天星”“地网”分离割裂而制约“天地一体”能力的关键设施。

(1)空间段

空间段提供卫星资源池功能,整合自有、租用的各类GEO、中地球轨道(medium earth orbit, MEO)、低地球轨道(low earth orbit,LEO)通信卫星资源形成资源池并对其进行统一管理,从而为陆海空天各类用户使用提供资源保障。卫星资源池采用L、S、C、Ku、Ka等频谱资源,规模可根据需要扩充或缩减,并通过多点波束天线对地覆盖提供移动或宽带服务。

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图2 基于枢纽港的天地一体通信网络架构

卫星资源池不仅作为中继传输节点完成信号处理和业务、信令的空间路由转发;还可以随着存储、计算等卫星载荷技术提升以及星际互联发展,根据需要成为具备计算、存储等功能的边缘云节点;并能够在轨构建可重构算力单元,通过人工智能(artificial intelligence,AI)和多任务处理能力实现网络架构的智能自主动态演进和智能化管控,提升网络和算力的利用效率。卫星系统、地面通信和云计算系统将集成为星地算力网络,促进空天地海通信网络全面数字化。

(2)地面段

地面段由枢纽港、地球站等基础设施,以及核心网、IT系统、边缘云等共同组成。

枢纽港功能示意图如图3 所示,对现有地球站升级形成连接天地云网、实现异构网络互联互通的能力,其主要能力包括以下几个。

图3 枢纽港功能示意图

● MEC算力处理:将云侧丰富的计算存储资源下沉至距离用户较近的网络边缘,使用户能够在边缘侧完成计算存储任务,降低用户业务处理时延。

● 多频段信号收发:集成多频段的射频模块以完成与相应频段用户终端的信号收发。

● 多体制基带处理:采用基带池的方式完成各种技术体制的调制解调、加密/解密、交换、多路复用等功能。

● 网络互联互通:完成不同卫星网络之间及卫星网络与地面网络之间的协议转换、路由交换、信息交换等功能。

● 一体化资源管理:基于一致的资源调度协议实现卫星通信资源的一体化调度、编排、发送等。

核心网采用一体化方式部署于云计算平台上,通过天基或地基的不同途径接入用户的入网申请、认证、鉴权、业务寻呼、呼叫建立、无线承载建立和呼叫拆除等信令流程,并实现与其他网络的互联,处理网络边界上的信令交互、业务路由、业务承载建立和管理等;IT系统也部署于云计算平台上,主要部署完成网络资源管理、用户业务申请受理、用户和订单管理和业务计费等运营支撑功能。

(3)用户段

用户段包括陆、海、空、天等多种类型用户终端,通过集成多种频段、多种波形的天线和射频,在系统的统一管理下,实现不同卫星网络之间、星地网络之间的自动切换和漫游。

2.2 能力特点

基于枢纽港的天地一体通信网络能够实现一体化的供给、运营和服务,具有如下天地云网能力。

(1)陆海空天泛在连接

使用枢纽港连接卫星与地面云网,能够全面增强和拓展 5G 的增强型移动宽带(enhanced mobile broadband,eMBB)、超可靠低时延通信(ultra-reliable and low-latency communication, URLLC)、大连接物联网(massive machine-type communication,mMTC)三大应用场景,提升网络连接的性能质量与覆盖范围,具备泛在立体覆盖的独特优势。

(2)能力融通双边赋能

既可赋能上游卫星网络接入、智能调用地面云网,又可赋能下游融合卫星和地面云网资源、DICT的各类产品应用,面向最终用户提供基于天地云网的广域立体、随遇接入、智能敏捷的应用。

(3)云网边端高效协同

对天地云网资源统一定义、封装和编排,实现云侧、边侧和终端侧资源的高效分布和协同配合,支撑业务系统的实时、按需和动态部署,以及天地一体业务的统一受理、交付和呈现。

(4)数据算力资源融合

将边缘计算与卫星计算平台融合,使得卫星在轨可同时调用边缘和中心云资源,实现天地云网多层级算力的全域感知、统一管控调度和一致质量保障。

(5)天地一体智能内生

利用 AI 技术实现天地云网端到端的自主检测、自主决策和自主优化,并针对海量物联、广域覆盖等场景进行适应性改造,构建极简智能网络,提供广域泛在的智能服务。

(6)天星地网安全内生

聚合卫星网络与地面网络的安全协议与安全机制,构建全面、可靠和一体化的天地云网专属安全体系,实现自主驱动的安全防护力。

3 天地一体通信运营能力发展思路

考虑天地一体通信网络的复杂性,天地一体通信运营能力的形成不能一蹴而就,需要立足卫星、地面通信网络实际,在搞好体系设计的基础上分阶段逐步实现。基于上述天地一体通信网络架构,可按照“业务融合、用户融合、终端融合、云网融合、全系统融合”的演进路线图,推进天地一体通信运营能力的发展[26-27]。

(1)业务融合

将各类通信卫星各自分离的传输资源统一整合为卫星通信资源池,并充分发挥卫星通信网络作为地面通信网络的补充、延伸作用,大力拓展卫星通信在全域感知、应急保障通信、立体化移动通信、偏远地区公众业务等应用场景及大时空尺度下的通信服务等应用,实现卫星和地面通信网络挖潜补全、提质增效,提供全区域、全维度和全业务的泛在服务。

(2)用户融合

用户融合示意图如图4所示,使用同一用户身份(码号)提供服务,打通卫星、地面通信网络统一签约、鉴权、计费的运营通道,按需选择卫星或地面通信网络,实现用户不换卡、不换号的方便接入,并为天地一体核心网架构、业务支撑系统设计及终端和号卡规范制定、用户管理等积累经验。

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图4 用户融合示意图

(3)终端融合

终端融合示意图如图5 所示,按照芯片化、多模化、智能化的发展思路,突破芯片一体化设计、高性能射频与天线、小尺寸低功耗快响应相控阵天线等关键技术,研制多模多频用户终端,实现不同频段之间、不同卫星之间及卫星通信与地面通信网络之间的快速切换,逐步实现用户终端的通用接入能力,提高天地一体通信网络使用的便捷性、可靠性和综合效能。

图5 终端融合示意图

(4)云网融合

以构建异构卫星和地面网络“一张网”为目标,升级地球站为枢纽港,实现统一网管、业务需求自动精准规划、网络资源高效智能一体化动态管理、移动边缘计算等关键能力,支撑天星、地网资源统一运管,在此基础上,结合用户业务需求和资源池使用情况推动各网络间的互联互通,确保用户在不同系统间的灵活接入、无感漫游。

(5)全系统融合

基于上述不同阶段的融合成果,结合 B5G、6G 天地一体通信网络标准制定、试验验证的进展,进一步优化系统网络架构,逐步形成“天星、地网、枢纽港、云资源池”的天地云网融合能力体系,既可以无缝连接现有网络、满足现实的资源综合应用效益最大化需求,又可以引领未来通信网络的迭代发展。

上述路线图中,业务融合是天地一体通信网络发展的起步阶段,是浅层次的融合;用户融合、终端融合、云网融合是天地一体通信网络发展的深化阶段,是深层次的融合;全系统融合则是天地一体通信网络发展的最终形态,该阶段天地一体通信网络步入规范化、标准化建设发展轨迹。

4 需要解决的关键技术

天地一体通信运营能力形成需要重点突破天地一体用户统一认证、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。

(1)天地一体用户统一认证技术

卫星通信网络和地面通信网络的业务系统、支撑系统、终端方案和接口规范等各不相同,所属用户无法实现相互认证,因此,需要研究用户使用异构网络时的全球用户识别卡(universal subscriber identity module,USIM)鉴权信息正确读取方案、鉴权和入网注册流程、核心网信令对接方式、签约和计费统一实施方案等,从而打通卫星、地面通信网络的统一运营通道,为用户提供无感的一致服务。

(2)天地一体多模多频智能终端技术

由于卫星资源池的轨道特性不同,且其自身及和地面通信网络采用不同的频谱资源、体制标准,因此,使用不同的接入资源时,用户终端的芯片、射频设备、天线的功能和性能要求均不同。使用同一用户终端接入天地一体通信网络时,需要研究多制式终端芯片一体设计、智能接入路由选择、多频段自适应射频与天线设计等关键技术,并针对相控阵天线这一主要天线形态突破毫米波工艺偏差控制、宽带低噪声放大器、芯片低成本封装等关键技术,最终实现终端的小型化、低功耗、快响应。

(3)天地一体网络智能管理技术

天地一体通信网络采用统一的网络架构,即在统一的逻辑架构、实现架构下将卫星通信和地面通信进行一体化设计,网络功能可柔性分割和智能重构,以适应卫星载荷资源有限和业务需求动态变化的特点,因此,需要研究天地一体网络智能管理技术,主要包括 3 个方面:移动性管理技术,针对接入低轨卫星导致频繁波束切换的现实问题,研究星地融合统一的移动性管理方案及切换策略,简化切换流程,降低信令开销,提高切换可靠性;高效组网机制,针对多重覆盖下的干扰问题,研究多星协作或星地协作下的高效组网机制,提升系统能量和频谱效率,同时研究卫星承载地面基站及核心网功能情况下的网络管理方式,以缩短系统调度时延;智能化管理技术,针对天地一体通信网络节点多、拓扑时变、多层次异构的特点,研究网络拓扑结构智能规划技术,实现网络拓扑结构的按需部署和优化,研究路由策略智能决策技术,实现网络环境自主感知学习,提升端到端服务质量。

(4)天地一体资源统一编排调度技术

资源统一编排调度是构建天地一体通信网络的重要技术保障,通过对系统资源统一调度、控制,能够实现网络全局优化和资源绿色集约。因此,需要研究统一的资源管理协议,根据用户业务需求和资源池的资源使用情况,为用户提供按需的通信服务;研究网络资源智能调度技术,根据忙闲分布、覆盖分布和容量分布等不同情况进行统筹调度,实现网络和算力的高效利用;研究一体化资源调度系统部署方案,构建统一的资源管理网,承载资源管理信息,提升资源管理效率。

5 结束语

天地一体通信网络是我国信息通信网络实现全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信的必由之路,尽快形成我国天地一体通信运营能力具有重要的现实意义。本文立足我国通信网络现状,从运营角度提出“天星、地网、枢纽港、云资源池”的天地云网融合能力体系及分阶段演进路线图,不仅能够快速突破“天星”“地网”分离割裂的现状,而且通过关键技术的突破,能够实现6G系统相关研究内容的超前布局和验证,有效推进B5G、6G技术演进发展。

(责任编辑:康玲华)

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