ISSN 2096--8930

CODEN TYXWAG

CN 10--1706/TN

Beijing, China

4 3 Vol.4 No.3 2023 9 Sep. 2023

中國科技核心期刊

主 管 單 位　工業(yè)和信息化部

主 辦 單 位　人民郵電出版社有限公司

指 導(dǎo) 單 位　中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團有限公司

出 版 單 位　北京信通傳媒有限責(zé)任公司

主 　 　 編　陸　軍

執(zhí) 行 主 編　吳　巍

副 主 編　汪春霆　李建明　呂子平

朱德成　孫啟彬　劉華魯

編 輯 部 主 任　牛曉敏

編輯部副主任　趙路路

編 輯 單 位　《天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)》 編輯部

地 　 　 址　北京市豐臺區(qū)成壽寺路11號郵電出版大廈8層

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國際標準連續(xù)出版物號　ISSN 2096-8930

國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號　CN 10-1706/TN

國 內(nèi) 發(fā) 行　中國郵政集團有限公司北京市報刊發(fā)行局

訂 購 處　全國各地郵局

發(fā) 行 代 號　國內(nèi)80-791

印 　 　 刷　北京艾普海德印刷有限公司

定 　 　 價　60.00元

法 律 顧 問　北京市藍石律師事務(wù)所

Space-Integrated-Ground

Information Networks

(Quarterly, started in 2020)

Vol.4 No.3 (Serial No.13), Sep. 2023

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)

TIANDI YITIHUA XINXI WANGLUO

（季刊，2020年創(chuàng)刊）

第4卷 第3期（總第13期），2023年9月

Competent Unit: Ministry of Industry and Information Technology of the

People's Republic of China

Sponsor: Posts & Telecom Press Co., Ltd.

Guiding Unit: China Satellite Network Group Co., Ltd.

Publisher: China InfoCom Media Group

Editor: Editor Department of Space-Integrated-Ground Information Networks

Editor-in-Chief: LU Jun

Executive Editor-in-Chief: WU Wei

Associate Editor-in-Chief: WANG Chunting, LI Jianming, LYU Ziping,

ZHU Decheng, SUN Qibin, LIU Hualu

Director of Editorial Department: NIU Xiaomin

Deputy Director of Editorial Department: ZHAO Lulu

Address: F8, You Dian Publishing Building, No.11, Chengshousi Road, Fengtai

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《天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)》

第一屆編輯委員會

顧 問 委 員：（按姓氏筆畫排序）

　王小謨　方濱興　尹　浩　鄔江興

　鄔賀銓　劉韻潔　吳建平　沈榮駿

　張　平　張宏科　陸建華　周志成

　鄭緯民　姜會林

主 任 委 員：陸　軍

常務(wù)副主任委員：吳　巍

副 主 任 委 員：汪春霆　李建明　呂子平

　朱德成　孫啟彬　劉華魯

委 員：（按姓氏筆畫排序）

　丁　睿　馬　晶　王文博　 王艷君

　王敬超　云曉春　尤肖虎　方　芳

　馮志勇　匡麟玲　呂瑞峰　朱立東

　向開恒　江　濤　江　鵬　許燕賓

　孫　偉　孫晨華　李　聰　李鳳華

　李拂曉　李國通　肖永偉　吳　楓

　鄒永慶　鄒光南　閔長寧　張　琳

　張在琛　張先超　張更新　張學(xué)慶

　張欽宇　張海君　陸　洲　陳山枝

　 　易東山　羅洪斌　和新陽　季新生

　 　周家喜　鄭作亞　施　闖　姚發(fā)海

　 　姚海鵬　賈　敏　黃照祥　梅　強

　 　曹雙僖　曹桂興　盛　敏　梁宗闖

　 　梁海濱　謝海永　缐珊珊　潘　冀

　 　薛曉翃

學(xué)術(shù)秘書長： 韓增堯

學(xué)術(shù)副秘書長： 孫娉娉　李文杰

學(xué) 術(shù) 秘 書：翟立君　徐曉帆

　王小謨　方濱興　尹　浩　鄔江興

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)

第 4 卷第 3 期 2023 年 9 月

目 次

專題：面向 6G 的星地融合移動通信

面向 6G 星地融合的云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù) .............................................................................................

.......................................................................... 宋雅琴 徐 暉 劉險峰 王亞鵬 程志密 王胡成 陳山枝 3

面向星地協(xié)同的接入網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù) ................................................................................................................

........................................................................ 鄧 偉 趙 琳 翁瑋文 杜 琴 馬 克 程錦霞 張 龍 12

衛(wèi)星云網(wǎng)：一種云網(wǎng)融合的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu) ........................ 虞志剛 丁文慧 陸 洲 馮 旭 高吉星 23

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的新型多址接入技術(shù).........................白 偉 張鈺婕 康紹莉 繆德山 孫韶輝 陳山枝 31

低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化信號設(shè)計及處理........................................ 劉炳宏 趙亞飛 彭木根 趙祥天 封慧琪 40

空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與管控技術(shù)綜述 ............................廖新悅 張 然 黃正璇 劉 江 唐琴琴 黃 韜 48

星地融合網(wǎng)絡(luò)中基于多目標優(yōu)化的星間切換決策方法 ............................................ 劉人鵬 胡 博 李鶴群 59

衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)容量密度評估 ........................................孟 賢 秦大力 汪 宇 孔垂麗 羅禾佳 王 俊 67

星地融合通信系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、使能技術(shù)及原型驗證 ........................................................................................

........................................................................................丁 睿 房天昊 王聞今 劉 雨 馬 偉 萬 屹 79

研究

面向智能高鐵的低軌衛(wèi)星通信發(fā)展綜述 .....................蘇昭陽 劉 留 張嘉馳 周 濤 藺 偉 梁軼群 88

衛(wèi)星確定性網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn) ................................紀若愚 張恒升 劉美慧 李 鶴 許方敏 趙成林 99

基于 SDN 的智能安全接入平臺研究 ......................................................................... 李 鵬 楊躍平 楊 揚 107

Space-Integrated-Ground Information Networks

Vol.4 No.3, September 2023

Contents

Special Issue: Integrated Terrestrial and Satellite Communication toward 6G

Cloud-Edge Collaboration Architecture and Key Technologies for 6G Integrated Satellite and Terrestrial Network

............... SONG Yaqin, XU Hui, LIU Xianfeng, WANG Yapeng, CHENG Zhimi, WANG Hucheng, CHEN Shanzhi 3

Architecture and Key Technologies of Access Network for Satellite-Terrestrial Cooperation ..................................

.................................... DENG Wei, ZHAO Lin, WENG Weiwen, DU Qin, MA Ke, CHENG Jinxia, ZHANG Long 12

Satellite Cloud Network: A Satellite Network Architecture Based on Cloud-Network ntegration ............................

................................................................................ YU Zhigang, DING Wenhui, LU Zhou, FENG Xu, GAO Jixing 23

New Multiple Access Technologies for Satellite Internet of Things System .............................................................

.......................................... BAI Wei, ZHANG Yujie, KANG Shaoli, MIAO Deshan , SUN Shaohui, CHEN Shanzhi 31

Design and Processing of Communication and Navigation Integrated Signal Based on LEO Satellite ....................

........................................................... LIU Binghong, ZHAO Yafei, PENG Mugen, ZHAO Xiangtian, FENG Huiqi 40

Review on Networking and Control Technologies of Space Satellite Network ........................................................

.................................... LIAO Xinyue, ZHANG Ran, HUANG Zhengxuan, LIU Jiang, TANG Qinqin, HUANG Tao 48

Inter-Satellite Handover Method Based Multi-Objective Optimization in Satellite-Terrestrial Integrated Network

............................................................................................................................... LIU Renpeng, HU Bo, LI Hequn 59

Capacity Density Assessment of Satellite Constellation Network .............................................................................

............................................................. MENG Xian, QIN Dali, WANG Yu, KONG Chuili, LUO Hejia, WANG Jun 67

Integrated Satellite-Terrestrial Communication Systems: Architectures, Enabling Technologies and Prototype

Verification ................................................... DING Rui, FANG Tianhao, WANG Wenjin, LIU Yu, MA Wei, WAN Yi 79

Studies

Review of the Development of Low Earth Orbit Satellite Communication for Smart High-Speed Railway ............

....................................................... SU Zhaoyang, LIU Liu, ZHANG Jiachi, ZHOU Tao, LIN Wei, LIANG Yiqun 88

Key Technologies and Challenges of Satellite Deterministic Network .....................................................................

................................................ JI Ruoyu, ZHANG Hengsheng, LIU Meihui, LI He, XU Fangmin, ZHAO Chenglin 99

Research on Intelligent Security Access Platform Based on SDN.................. LI Peng, YANG Yueping, YANG Yang 107

專題：面向 6G 的星地融合移動通信

專 題 導(dǎo) 讀

我國地面移動通信技術(shù)經(jīng)歷了“3G 突破、4G 并跑、

5G 引領(lǐng)”的跨越式發(fā)展，已在全球率先開展 6G 技術(shù)研究。

近年來，以巨型星座構(gòu)建為基礎(chǔ)的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，

成為無線通信領(lǐng)域新的競爭賽道和焦點，同時對國家戰(zhàn)

略、空間安全和社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生重要影響。

衛(wèi)星通信與地面移動通信融合（簡稱星地融合移動

通信），成為 6G 技術(shù)的重要發(fā)展方向，通過對兩者的無

線傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與安全、終端接入與認證等方面

進行深度融合，可以構(gòu)建天地一體、全球立體無縫覆蓋

的統(tǒng)一移動信息網(wǎng)絡(luò)，滿足萬物互聯(lián)、無限溝通的美好

愿景。

面向 6G 星地融合移動通信技術(shù)，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)、研

究機構(gòu)和高等院校持續(xù)開展關(guān)鍵技術(shù)研究、標準推進和技

術(shù)驗證等工作，推動我國的星地融合技術(shù)和產(chǎn)業(yè)快速發(fā)

展，將有力支撐我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)國家戰(zhàn)略實施。

本專題特邀請國內(nèi)知名研究機構(gòu)、高等院校、企業(yè)的

專家學(xué)者，對面向 6G 的星地融合移動通信進行分析研究，

涉及星地融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、空中接口傳輸、組網(wǎng)、技術(shù)驗

證等方面，希望這些真知灼見對深入了解 6G 星地融合技

術(shù)并進行后續(xù)標準推進及技術(shù)驗證有所幫助。

《面向 6G 星地融合的云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技

術(shù)》分析 6G 星地融合網(wǎng)絡(luò)的場景和需求，提出一種結(jié)

合算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)星地融合網(wǎng)絡(luò)的云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架

構(gòu)，以及星地融合的統(tǒng)一資源管理機制，包括管理衛(wèi)星

和地面的算力資源與網(wǎng)絡(luò)資源的全局資源感知技術(shù)、協(xié)

同星地融合網(wǎng)絡(luò)中云計算和邊緣計算能力的調(diào)度策略生

成技術(shù)，并通過自研的移動通信網(wǎng)絡(luò)平臺驗證了所提云

邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的合理性以及資源感知技術(shù)和策略調(diào)度

技術(shù)的正確性。

《面向星地協(xié)同的接入網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)》分析星地

協(xié)同的接入網(wǎng)架構(gòu)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，從空間段、地面

段及星地協(xié)同段闡述面向星地協(xié)同的接入網(wǎng)架構(gòu)，提出對

應(yīng)的覆蓋協(xié)同、業(yè)務(wù)協(xié)同、節(jié)能協(xié)同與測控協(xié)同的關(guān)鍵技

術(shù)，提高系統(tǒng)在資源利用率、能源消耗以及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本

等方面的整體性能。

《衛(wèi)星云網(wǎng)：一種云網(wǎng)融合的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)》梳

理衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展架構(gòu)的發(fā)展路線，提出一種云網(wǎng)融合的衛(wèi)

星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，并從通信接入、網(wǎng)絡(luò)傳輸、服務(wù)、控制、

管理等 5 個方面分析衛(wèi)星云網(wǎng)架構(gòu)相較于傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架

構(gòu)的優(yōu)勢，以期為后續(xù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的研究、建設(shè)和標準化提

供有價值的建議和參考。

《衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的新型多址接入技術(shù)》分析 IoT

NTN 在技術(shù)方案方面的不足，進而提出非協(xié)調(diào)的隨機接

入和非正交多址傳輸技術(shù)。理論分析和數(shù)值仿真結(jié)果表

明，URAT 方案能夠降低多址接入時延，提高系統(tǒng)效率，

增加可以服務(wù)的終端數(shù)量，將是面向 6G 空天地一體物聯(lián)

網(wǎng)場景的潛在解決方案。

《低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化信號設(shè)計及處理》梳理低軌衛(wèi)

星通導(dǎo)融合的演進過程，并圍繞發(fā)送信號設(shè)計和接收信號

處理，闡述了幀結(jié)構(gòu)和接收機設(shè)計的相關(guān)方案，最后探討

未來所面臨的挑戰(zhàn)及潛在解決方案。

《空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與管控技術(shù)綜述》調(diào)研已有的多

種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)架構(gòu)和協(xié)議體系，分析對大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)

絡(luò)進行衛(wèi)星管控的難點和關(guān)鍵技術(shù)，并基于星地融合的組

·2· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

網(wǎng)方式，對現(xiàn)有方案進行調(diào)研與分析。

《星地融合網(wǎng)絡(luò)中基于多目標優(yōu)化的星間切換決策方

法》引入衛(wèi)星覆蓋時空圖，將動態(tài)連續(xù)拓撲劃分為靜態(tài)離

散快照，表征衛(wèi)星節(jié)點與用戶在不同時間與空間下的連接

關(guān)系，建立星間切換決策的多目標優(yōu)化模型，提出自適應(yīng)

加速多目標優(yōu)化算法對平均數(shù)據(jù)速率與網(wǎng)絡(luò)負載進行優(yōu)

化，保證切換成功率，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。

《衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)容量密度評估》提出一種系統(tǒng)仿真方

法，以對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及星地一體化網(wǎng)絡(luò)的容量密度指標進行

精確評估，評估了地球不同經(jīng)緯度區(qū)域的容量密度，并采

用提升最大點亮波束數(shù)、衛(wèi)星規(guī)模、衛(wèi)星天線增益等多種

技術(shù)手段來提升星座容量密度。

《星地融合通信系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、使能技術(shù)及原型驗

證》分析衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中存在的大時延、大頻偏、大小區(qū)半

徑等區(qū)別于地面網(wǎng)絡(luò)的特性，分析星地融合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

挑戰(zhàn)，探討星地融合網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和使能關(guān)鍵技術(shù)，

并分析一種可用于星地融合網(wǎng)絡(luò)地面驗證的原型系統(tǒng)。

本專題匯集了面向 6G 的星地融合移動通信相關(guān)的研

究成果，既表明了目前面向 6G 的星地融合移動通信研究

的主要方向，也可從中感受到這些專家學(xué)者對相關(guān)問題的

獨到見解，希望能夠為讀者提供參考與借鑒。

[專題策劃人]

陳山枝，中國信息通信科技集團有限公司副總

經(jīng)理、總工程師、科技委主任，無線移動通信全

國重點實驗室主任。擁有 20 多年從事信息通信

技術(shù)與產(chǎn)品的研究與開發(fā)、大型科研項目管理工

作經(jīng)驗，目前主要研究領(lǐng)域為 B5G/6G 移動通信

系統(tǒng)、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、智能車聯(lián)網(wǎng)等理論與關(guān)鍵技

術(shù)，以及國內(nèi)外標準制定及產(chǎn)業(yè)化。主持國家自然科學(xué)基金項目、

國家科技重大專項等科研項目 10 余項。在信息通信領(lǐng)域權(quán)威期刊

發(fā)表 SCI 論文 60 余篇，第一作者 ESI 高被引論文 7 篇。已授權(quán)發(fā)

明專利 84 件，部分被 ETSI 披露為 4G 和 5G 國際標準必要專利。出

版學(xué)術(shù)專著 6 本（其中 Springer 出版英文專著 2 本）。擔(dān)任國際/國

內(nèi)多個權(quán)威通信期刊的編委。

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 體 化 信 息 網(wǎng) 絡(luò) Vol.4 No.3

面向 6G 星地融合的云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

宋雅琴 1

，徐暉 1

，劉險峰 1

，王亞鵬 1

，程志密 1

，王胡成 1

，陳山枝 2

（1. 中信科移動通信技術(shù)股份有限公司，北京 100083；

2. 中國信息通信科技集團有限公司無線移動通信全國重點實驗室，北京 100083）

摘 要：通過對 6G 星地融合網(wǎng)絡(luò)的場景特征分析，以及對星載邊緣計算的研究現(xiàn)狀和實現(xiàn)云邊協(xié)同的需求分析，提出一種結(jié)

合算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)星地融合網(wǎng)絡(luò)的云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過引入一個新的網(wǎng)絡(luò)功能——云邊協(xié)同功能實現(xiàn)星地融合網(wǎng)絡(luò)的全

局資源感知和協(xié)同調(diào)度?；谒岬木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出星地融合的統(tǒng)一資源管理機制，包括可以管理衛(wèi)星和地面的算力資源與網(wǎng)

絡(luò)資源的全局資源感知技術(shù)，以及可以協(xié)同星地融合網(wǎng)絡(luò)中云計算和邊緣計算能力的調(diào)度策略生成技術(shù)。最后，通過自研的移

動通信網(wǎng)絡(luò)平臺驗證所提云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的合理性以及資源感知技術(shù)和策略調(diào)度技術(shù)的正確性。

關(guān)鍵詞：星地融合網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；移動邊緣計算；云邊協(xié)同機制；算力網(wǎng)絡(luò)；資源管理

中圖分類號：TN92

文獻標識碼：A

doi: 10.11959/j.issn.2096?8930.2023025

Cloud-Edge Collaboration Architecture and Key Technologies

for 6G Integrated Satellite and Terrestrial Network

SONG Yaqin1

, XU Hui1

, LIU Xianfeng1

, WANG Yapeng1

, CHENG Zhimi1

, WANG Hucheng1

, CHEN Shanzhi2

1. CICT Mobile Communication Technology Co., Ltd., Beijing 100083, China

2. State Key Laboratory of Wireless Mobile Communication, China Information and

Communication Technologies Group Co., Ltd., Beijing 100083, China

Abstract: By analyzed the scenario characteristics of 6G integrated satellite and terrestrial network, the current state of research on edge

computing capabilities on satellite, and the demand of cloud-edge collaboration, a network architecture that combines computing

power network technology to achieve cloud-edge collaboration for integrated satellite and terrestrial networks was proposed, and global

resource awareness and collaborative policy scheduling for integrated satellite and terrestrial networks by introducing a network function cloud-edge collaboration function was achieved . Based on this architecture, a unified resource management mechanism of the integrated satellite and terrestrial network was proposed, included a global resource awareness technology that could managed the computing and network resources of the integrated satellite and terrestrial network, and a policy generation technology that could collaborate

with the computational capabilities of the cloud-edge and the integrated satellite and terrestrial network. Finally, the rationality of the

cloud-edge collaborative architecture proposed in this article, as well as the correctness of resource awareness technology and policy

scheduling technology, were verified through a self-developed mobile communication network platform.

Keywords: integrated satellite and terrestrial network, network architecture, mobile edge computing, cloud-edge collaboration mechanism, computing power network, resource management

0 引言

5G 通信已經(jīng)從人?人連接模式向物-物、人-物連接模

式擴展，新的業(yè)務(wù)場景不斷涌現(xiàn)，抗災(zāi)救援、科學(xué)考察、

遠洋貨輪的寬帶接入等場景對全球廣域覆蓋通信、隨時隨

地的移動通信接入服務(wù)提出了明確的需求。然而，偏遠地

區(qū)、無人區(qū)、遠洋海域等面臨部署地面通信網(wǎng)絡(luò)代價大或

無法部署的困難，從而無法滿足通信需求[1-5]。星地融合網(wǎng)

收稿日期：2023?05?11；修回日期：2023?09?01

基金項目：國家重點研發(fā)計劃資助項目（No. 2020YFB1807901）

Foundation Item: National Key Research and Development Program of China (No. 2020YFB1807901)

·4· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

絡(luò)以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為延伸，覆蓋太空、空

中、陸地、海洋等自然空間，為天基、空基、陸基等各類

用戶的活動提供信息保障。通過空天地海一體實現(xiàn)天地互

聯(lián)和廣域全覆蓋，已經(jīng)成為 6G 網(wǎng)絡(luò)的一個研究熱點[6-11]。

隨著新場景和新業(yè)務(wù)的不斷出現(xiàn)，6G 星地融合網(wǎng)絡(luò)需要

邊緣計算功能“上星”以支持新業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)處理響應(yīng)的高

需求[6]。

1 星載邊緣計算的研究進展

星載邊緣計算指的是在星地融合網(wǎng)絡(luò)中，將邊緣計算

功能部署于星上，通過在軌計算服務(wù)降低時延、提升衛(wèi)星

網(wǎng)絡(luò)的資源利用率，并通過云邊協(xié)同機制實現(xiàn)星地之間計

算功能的柔性分割。

1.1 5G 邊緣計算技術(shù)的概述

邊緣計算技術(shù)[12]具備可以降低時延、提高響應(yīng)能力以

及減少用戶和中心網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)流量等優(yōu)勢，自提出后

便被廣泛研究和使用。5G 時代將邊緣計算的概念引入移

動通信網(wǎng)絡(luò)并提出移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）技術(shù)[13-14]，MEC 通過將計算存儲能力與業(yè)務(wù)

服務(wù)能力向網(wǎng)絡(luò)邊緣遷移，盡可能避免將數(shù)據(jù)回傳到云

端，減少數(shù)據(jù)往返云端的等待時間和網(wǎng)絡(luò)成本。

3GPP 在 TS 23.548[13]中提出了基于 MEC 技術(shù)支持 5G

系統(tǒng)訪問邊緣應(yīng)用服務(wù)器（Edge Application Server，EAS）

的架構(gòu)。為了支持將數(shù)據(jù)選擇性地通過不同路徑路由到數(shù)

據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Data Network，DN），會話管理功能（Session

Management Function，SMF）可以控制報文數(shù)據(jù)單元

（Packet Data Unit，PDU）會話的數(shù)據(jù)路徑，以保證 PDU

會話能夠同時對應(yīng)多個 N6 接口；可以使用上行數(shù)據(jù)分類

器（Uplink Classifier，UL CL）功能[15]或 IPv6 多歸屬功能

分支點（Branching Point，BP）[15]支持通過 PDU 會話的不

同錨點提供到同一個 DN 的不同接入路徑，從而實現(xiàn)本地

分流。3GPP 提出的方案支持 5G 系統(tǒng)在邊緣計算節(jié)點的選

擇過程中主要考慮用戶與 EAS 之間的距離信息，缺乏對

用戶與 EAS 之間的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和算力狀態(tài)的綜合考量。

1.2 6G 星載邊緣計算的研究現(xiàn)狀和新挑戰(zhàn)

面向6G，可以在中心云化基礎(chǔ)設(shè)施上構(gòu)建6G核心網(wǎng)，

在邊緣云化基礎(chǔ)設(shè)施上構(gòu)建 6G 用戶面和 6G MEC 節(jié)點，

通過 6G MEC 節(jié)點提供的 MEC 應(yīng)用平臺實現(xiàn)對第三方應(yīng)

用的部署和管理能力，從而通過 MEC 應(yīng)用為用戶提供服

務(wù)?？紤]到空間環(huán)境惡劣、星上硬件資源有限、天基設(shè)備

維修困難等因素，以及容器技術(shù)[16]具有運行快捷、管理便

利、標準化、網(wǎng)元微服務(wù)化改造等優(yōu)勢，面向 6G 的星地

融合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將以基于容器的虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建 6G

核心網(wǎng)和邊緣計算平臺。

3GPP在TR 23.700[17]中討論了非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial

Network, NTN）[18]的衛(wèi)星邊緣計算場景，其通過將用戶面

功能（User Plane Function，UPF）、gNB、6G MEC 節(jié)點

部署于衛(wèi)星以支持邊緣計算功能上星。在 6G 星載邊緣計

算的場景下，需要實現(xiàn)位于云、邊、端、網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)資源和

算力資源的全面感知和協(xié)同，以提高用戶體驗質(zhì)量。為此，

一方面，業(yè)界提出星地融合網(wǎng)絡(luò)的邊緣計算架構(gòu)[8]，架構(gòu)

中包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、地面網(wǎng)絡(luò)和用戶設(shè)備 3 部分，形成對應(yīng)

云計算、邊緣計算和本地計算的云?邊?端 3 層計算處理架

構(gòu)，在用戶設(shè)備無法處理計算任務(wù)時將任務(wù)卸載至星地融

合網(wǎng)絡(luò)的邊緣或云端；另一方面，針對需要在邊緣計算、

云計算以及網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)資源利用最優(yōu)化的問題，業(yè)界提

出了實現(xiàn)云、網(wǎng)、邊深度融合的算力網(wǎng)絡(luò)[19]，并指出算力

網(wǎng)絡(luò)是一種根據(jù)業(yè)務(wù)需求在云、網(wǎng)、邊之間按需分配和靈

活調(diào)度計算資源、存儲資源以及網(wǎng)絡(luò)資源的新型信息基礎(chǔ)

設(shè)施。在算力網(wǎng)絡(luò)中，算力網(wǎng)絡(luò)管理中心根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和

算力狀態(tài)，為用戶的業(yè)務(wù)需求匹配最佳的計算資源，并計

算從用戶到目標算力節(jié)點間的最優(yōu)路徑，確定業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)

路徑。

然而，現(xiàn)有工作對算力網(wǎng)絡(luò)資源的感知和調(diào)度等方面

仍然停留在較粗粒度的維度上，而且算力網(wǎng)絡(luò)和移動通信

網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合不夠緊密，由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的巨大差

異性以及衛(wèi)星拓撲的高動態(tài)性導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)頻繁變化，使

得現(xiàn)有工作在面向星地融合網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)位于云邊的網(wǎng)絡(luò)資

源和算力資源的協(xié)同調(diào)度方面存在新的挑戰(zhàn)[12]。

2 面向 6G 星地融合的云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

隨著新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)僅作為遠程地面數(shù)

據(jù)中心的中繼，無法繼續(xù)提供高效的數(shù)據(jù)處理響應(yīng)[6,14]。

例如，在物聯(lián)網(wǎng)智聯(lián)場景中，當位于偏遠地區(qū)的傳感器和

攝像頭等終端設(shè)備用于野外的地質(zhì)或森林環(huán)境監(jiān)測、珍稀

動物無人機監(jiān)控等情況下，海量異構(gòu)的感知或監(jiān)控數(shù)據(jù)如

果直接通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)回傳到地面中心網(wǎng)絡(luò)，會對星地饋電

鏈路造成網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力；另外，當監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示監(jiān)測對象

出現(xiàn)異常時，需要快速傳輸該時延敏感數(shù)據(jù)并做出相應(yīng)的

應(yīng)急處理，對時延提出較高要求。因此，面向 6G 的星地

融合網(wǎng)絡(luò)需要將邊緣計算功能上星，并通過云邊協(xié)同實現(xiàn)

星地之間計算功能的柔性分割以及資源的優(yōu)化配置。針對

多樣化的業(yè)務(wù)需求，把全局性、復(fù)雜度高、時延要求不高

的業(yè)務(wù)放在地面中心網(wǎng)絡(luò)平臺上處理；把實時性要求高、

第 3 期 宋雅琴等：面向 6G 星地融合的云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù) ·5·

計算復(fù)雜度不高的業(yè)務(wù)放在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)平臺上處理。通過在

軌計算服務(wù)，降低時延并實現(xiàn)高效的業(yè)務(wù)分發(fā)。具體的，

面向 6G 星地融合的云邊協(xié)同機制，除了考慮用戶和邊緣

應(yīng)用服務(wù)器之間的距離，還要考慮由于衛(wèi)星運動帶來的包

括網(wǎng)絡(luò)拓撲在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的復(fù)雜多變、星上有限算力資

源的資源使用的動態(tài)變化，以及不同業(yè)務(wù)對資源類型的個

性化和動態(tài)需求等，從而實現(xiàn)更加精準、靈活、高效的云

邊協(xié)同。面向 6G 星地融合的云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖 1 所

示，主要包括用戶設(shè)備（User Equipment, UE）、衛(wèi)星網(wǎng)

絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò) 3 部分。用戶設(shè)備如手機、各類傳感器、攝

像頭等，具備數(shù)據(jù)采集功能，具有任務(wù)產(chǎn)生能力和很弱的

計算能力，負責(zé)環(huán)境的信息感知和本地處理，當任務(wù)超出

自身處理能力時，通過發(fā)起算力請求將任務(wù)卸載至星地融

合網(wǎng)絡(luò)的邊緣或云。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)包括高效互聯(lián)的多顆衛(wèi)星、

星上移動通信網(wǎng)絡(luò)和星上本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。其中，星上移動

通信網(wǎng)絡(luò)包括星上基站功能（S-gNB）和星上核心網(wǎng)部分

功能，即星上用戶面功能（Satellite-UPF，S-UPF）；星上

本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是指部署于星上的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，為接入該衛(wèi)星

的 UE 提供數(shù)據(jù)服務(wù)，實現(xiàn)用戶任務(wù)卸載至邊緣。地面網(wǎng)

絡(luò)包括完整的地面移動通信網(wǎng)絡(luò)、地面本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、地

面中心數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

算力網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[20]可以解決在邊緣計算、云計算以及網(wǎng)

絡(luò)之間實現(xiàn)資源利用最優(yōu)化的問題，可以用于解決星地融

合網(wǎng)絡(luò)中的云邊協(xié)同問題，尤其是面對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜多變

的特殊情況。為了結(jié)合移動通信網(wǎng)絡(luò)的會話路由和 QoS

控制等網(wǎng)絡(luò)策略信息實現(xiàn) 6G 星地融合網(wǎng)絡(luò)的云邊協(xié)同，

在核心網(wǎng)引入一個全新的網(wǎng)絡(luò)功能，即云邊協(xié)同功能

（Cloud-Edge Collaboration Function，CECF）用于管理星

地融合網(wǎng)絡(luò)的全局資源，實現(xiàn)云計算資源與移動通信網(wǎng)絡(luò)

資源的全面感知和協(xié)同調(diào)度。

為了降低星地融合網(wǎng)絡(luò)的資源管控和調(diào)度開銷，采用

衛(wèi)星和地面的分級管控機制，分別在地面和衛(wèi)星部署地面

CECF 和星上 CECF（Satellite-CECF，S-CECF）。CECF

維護包括地面和衛(wèi)星的星地融合網(wǎng)絡(luò)的所有資源信息并

生成云邊協(xié)同的調(diào)度策略，S-CECF 用于維護星上資源并

同步給地面 CECF；同時，S-CECF 接收 CECF 對星上資

源的調(diào)度策略并控制對應(yīng)衛(wèi)星的資源。針對不同的網(wǎng)絡(luò)

域，還可以進一步劃分和設(shè)置對應(yīng)的管控域。

邊緣算力節(jié)點利用相對有限的算力資源和網(wǎng)絡(luò)資源

負責(zé)局部的算力任務(wù)，中心算力節(jié)點具有豐富的算力資

源和網(wǎng)絡(luò)資源，是終端和邊緣的有力支撐，可以完成邊

緣無法完成的復(fù)雜算力任務(wù)。星地融合網(wǎng)絡(luò)可以通過星

上部署的邊緣應(yīng)用服務(wù)器（EAS）和地面部署的中心應(yīng)

用服務(wù)器（Central-Application Server，CAS）之間的云

邊協(xié)同實現(xiàn)全局資源感知和協(xié)同調(diào)度。為了實現(xiàn)云邊協(xié)

同，可以在非對地靜止軌道衛(wèi)星（Non-Geostationary

Orbit，NGSO）上部署 S-gNB、S-UPF 和本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，

在地球同步軌道（Geostationary Orbit，GEO）衛(wèi)星上部

圖 1 面向 6G 星地融合的云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

·6· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

署 S-CECF 實現(xiàn)對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的管控，包括對資源和狀態(tài)

的感知以及對策略的控制。

3 面向 6G 星地融合的云邊協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)

3.1 星地融合網(wǎng)絡(luò)的云邊資源感知技術(shù)

在圖 1 所示的面向 6G 星地融合的云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

中，CECF 為了實現(xiàn)云邊協(xié)同的策略生成和資源調(diào)度，需

要感知包括算力資源和網(wǎng)絡(luò)資源在內(nèi)的云邊的全局資源，

實現(xiàn)對算力資源和網(wǎng)絡(luò)資源的數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析和處

理。如圖 2 所示，為了簡化資源感知的流程設(shè)計并減少資

源感知數(shù)據(jù)的傳輸量，S-CECF 和地面 CECF 分別負責(zé)星

上資源和地面資源的感知。

圖 2 星地融合網(wǎng)絡(luò)的云邊資源感知和管理

具體的，S-CECF 負責(zé) S-gNB、星上承載網(wǎng)、S-UPF

等星上核心網(wǎng)、星上邊緣算力以及用戶到邊緣算力節(jié)點之

間的轉(zhuǎn)發(fā)路徑等相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源和算力資源的感知。

CECF 負責(zé)地面基站、地面核心網(wǎng)（Core Network，CN）、

地面承載網(wǎng)、地面中心算力以及用戶到中心算力節(jié)點之間

的轉(zhuǎn)發(fā)路徑相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)資源和算力資源的感知。同時，地

面 CECF 還負責(zé)星地融合網(wǎng)絡(luò)的全局資源管理，S-CECF

將感知的星上算力網(wǎng)絡(luò)資源經(jīng)過一定的本地數(shù)據(jù)處理（如

特征抽取和信息融合）和數(shù)據(jù)匯聚后再通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)向

地面 CECF 發(fā)送。地面 CECF 基于維護的全局的網(wǎng)絡(luò)資源

信息和算力資源信息執(zhí)行用戶請求對應(yīng)的算力服務(wù)編排

的算力調(diào)度策略和網(wǎng)絡(luò)策略的生成。

下面分別介紹網(wǎng)絡(luò)資源感知技術(shù)和算力資源感知技術(shù)。

（1）網(wǎng)絡(luò)資源感知技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)資源感知是對網(wǎng)絡(luò)性能指標（時延、抖動、丟包

率等）、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)（拓撲、配置等）、網(wǎng)絡(luò)流量信息

（帶寬、優(yōu)先級、速率等）等關(guān)鍵指標的變化情況的感知。

在移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)資源信息主要包括核心網(wǎng)的

網(wǎng)絡(luò)功能拓撲、網(wǎng)絡(luò)功能相關(guān)數(shù)據(jù)、UPF 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)、

UE 位置信息等，接入網(wǎng)的小區(qū)標識、小區(qū)負載、空中接

口時延、核心網(wǎng)和基站的下行分組時延等，承載網(wǎng)的路由

器標識、路由器連接關(guān)系和鏈路狀態(tài)等。

網(wǎng)絡(luò)資源感知技術(shù)是通過網(wǎng)絡(luò)控制面實時或周期性

地獲取網(wǎng)絡(luò)信息，包括通過集中式控制器獲取、通過網(wǎng)絡(luò)

流量監(jiān)控獲取、基于訂閱/通知機制獲取、通過數(shù)據(jù)存儲庫

查詢獲取等方式。

? 通過集中式控制器獲?。豪畿浖x網(wǎng)絡(luò)的集

中式控制器可以通過南向接口獲得網(wǎng)絡(luò)連接信息，實現(xiàn)對

網(wǎng)絡(luò)拓撲的感知。

? 通過網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控獲?。壕W(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)控可以對端

口流量監(jiān)控，實現(xiàn)對流量信息的周期性感知。

? 基于訂閱/通知機制獲取：例如通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析

功能（Network Data Analysis Function，NWDAF）[21]的消

息請求/事件訂閱/事件通知等機制與核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)功能交

互完成對核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)功能相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，或通過 CECF

直接與 NF 或操作、管理和維護（Operations, Administration

and Maintenance，OAM）等交互完成對相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。

? 通過數(shù)據(jù)存儲庫查詢獲?。嚎梢酝ㄟ^從數(shù)據(jù)存儲

庫中檢索網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源的感知。

通過多種方式組合實時或周期性感知的網(wǎng)絡(luò)資源信

息匯聚到 CECF 進行統(tǒng)一維護和管理，從而為用戶發(fā)起的

算力請求執(zhí)行算力調(diào)度和流量路由提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）算力資源感知技術(shù)

算力資源感知是對算力節(jié)點的算力資源類型、算力資

源狀態(tài)、算力服務(wù)類型、算力服務(wù)狀態(tài)等算力信息的感知。

算力資源的感知方法是算力節(jié)點通過主動發(fā)起算力

注冊過程實現(xiàn) CECF 對云邊算力節(jié)點基本信息的感知，

CECF 負責(zé)對算力節(jié)點進行認證并為算力節(jié)點分配和維護

全局唯一的算力標識，維護全局算力資源池，管理全局算

力節(jié)點資源。同時，對于已注冊的算力節(jié)點，CECF 通過

監(jiān)控算力節(jié)點的算力資源狀況實現(xiàn)對算力信息的更新感

知，CECF 實時或周期性感知算力節(jié)點的算力信息。

其中，周期性感知算力節(jié)點的算力信息時，針對不同

的算力節(jié)點，CECF 可靈活設(shè)置算力感知周期，對于時變

較快的算力節(jié)點，設(shè)置較小的算力感知周期，以保證該算

力資源狀態(tài)的實時更新；對于算力資源變化較慢或變化較

小的算力節(jié)點，設(shè)置較大的算力感知周期，以減小數(shù)據(jù)回

傳的網(wǎng)絡(luò)開銷。

3.2 星地融合網(wǎng)絡(luò)的云邊協(xié)同策略生成技術(shù)

面向 6G 星地融合的云邊協(xié)同主要包括對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和

地面網(wǎng)絡(luò)的算力編排調(diào)度和 PDU 會話相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源的控

制，要求 CECF 可以基于維護的包括算力資源和網(wǎng)絡(luò)資源

的全局資源信息，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和算力狀態(tài)，通過算法和

調(diào)度模型為用戶的業(yè)務(wù)需求匹配最佳的算力資源和網(wǎng)絡(luò)

第 3 期 宋雅琴等：面向 6G 星地融合的云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù) ·7·

資源，并計算從算力需求方到目標算力節(jié)點間的最優(yōu)算力

轉(zhuǎn)發(fā)路徑，以及實現(xiàn)對用戶業(yè)務(wù)流的 PDU 會話控制策略

管理。其中，PDU 會話控制策略管理包括流量路由管理、

差異化 QoS 管理和移動性控制策略管理等。

（1）流量路由和 QoS 管理的策略生成技術(shù)

如圖 3 所示，當 UE 訪問應(yīng)用并觸發(fā)初始算力請求時，

云邊協(xié)同策略生成的流程如下。

步驟 1：應(yīng)用觸發(fā) UE 將算力請求發(fā)送到位于衛(wèi)星的

S-CECF，請求中攜帶算力網(wǎng)絡(luò)需求，包括算力需求（算

力資源類型、算力資源大小、算力服務(wù)類型等）和網(wǎng)絡(luò)需

求（時延、帶寬等）。

步驟 2：S-CECF 基于 UE 信息將該算力請求轉(zhuǎn)發(fā)給一

個地面 CECF。

步驟 3：CECF 基于請求中攜帶的需求信息以及管理

的星地融合網(wǎng)絡(luò)的全局算力資源信息和網(wǎng)絡(luò)資源信息，采

用資源調(diào)度算法生成算力調(diào)度策略完成云邊的協(xié)同調(diào)度，

算力調(diào)度策略包括算力服務(wù)調(diào)度策略（使用哪一個算力節(jié)

點的哪一個算力服務(wù)應(yīng)用）、算力路由策略（算力請求方

到算力服務(wù)節(jié)點的最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑）以及會話控制策略

（SMF 和 UPF 選擇結(jié)果、用戶面轉(zhuǎn)發(fā)路徑對應(yīng)的流量路由

策略、流級別的 QoS 控制策略等）。

其中，流量路由策略可以包括 UE 標識、應(yīng)用標識、

應(yīng)用描述、目標算力節(jié)點地址信息、用戶面路徑等；流級

別的 QoS 控制策略可以包括 UE 標識、應(yīng)用標識、應(yīng)用描

述、目標算力節(jié)點地址信息、最大上行比特率、最大下行

比特率、保證上行比特率、保證下行比特率、分配和保留

優(yōu)先級、調(diào)度優(yōu)先級、平均窗口等。

步驟 4：CECF 將策略相關(guān)信息發(fā)送給 PCF，PCF 配

置策略信息并完成響應(yīng)。

步驟 5：CECF 將算力編排結(jié)果響應(yīng)給 S-CECF。

步驟 6：S-CECF 將接收到的算力編排結(jié)果返回 UE；

同時，CECF 根據(jù)算力路由策略對應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，結(jié)

合用戶面的隧道信息，推導(dǎo)衛(wèi)星承載網(wǎng)的路由配置，完成

路由配置。

步驟 7：UE 基于接收到的算力編排結(jié)果，發(fā)起 PDU

會話建立請求，請求中包括算力服務(wù)應(yīng)用所在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名

稱（Data Network Name，DNN）。

AMF 接收到 UE 發(fā)起的會話建立請求后，基于步驟 4

中 PCF 接收到的策略信息執(zhí)行 SMF 的選擇。PCF 根據(jù)流

量路由策略和流級別的 QoS 控制策略生成相應(yīng)的政策和

收費控制（Policy and Charging Control，PCC）規(guī)則發(fā)送

給 SMF。SMF 基于 PCC 規(guī)則執(zhí)行 UPF 的選擇和后續(xù)的用

戶面路徑建立流程，從而完成整個會話建立流程。

在本場景中，假設(shè)星上算力資源可以滿足該應(yīng)用的算力

需求，因此選擇星上邊緣算力節(jié)點為用戶提供服務(wù)。當初始

的會話建立流程完成后，作為算力請求方的 UE 與作為算力

服務(wù)方的 S-EAS 通過圖 3 所示的紅色線完成數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)。

（2）移動性管理技術(shù)

UE 在訪問應(yīng)用期間，如果 UE 位置發(fā)生變化，或者 UE

接入的衛(wèi)星發(fā)生變化，可能會導(dǎo)致 UE 到上述目標應(yīng)用服務(wù)

器對應(yīng)的資源不再滿足應(yīng)用的算力需求和/或網(wǎng)絡(luò)需求，

CECF 可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求生成移動性控制策略發(fā)給 PCF，向

核心網(wǎng)訂閱例如UE位置變化、UE接入衛(wèi)星標識變化等事件。

當 UE 位置或 UE 接入衛(wèi)星標識發(fā)生變化時，核心網(wǎng)

圖 3 星地融合網(wǎng)絡(luò)的云邊協(xié)同策略生成流程

·8· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

及時將事件通知給 CECF，并由 CECF 調(diào)整算力調(diào)度策略

（包括算力服務(wù)調(diào)度策略、算力路由策略、會話控制策略）；

CECF 基于更新的算力調(diào)度策略完成路由重新配置并通過

PCF 修改 PDU 會話和/或觸發(fā) UE 移動性管理過程（如小

區(qū)切換），從而實現(xiàn)對 UE 的移動性管理。針對不同的場

景將采用不同的移動性管理技術(shù)，主要包括以下幾種。

針對當前算力節(jié)點不適用的場景（例如算力節(jié)點負載

過大），由于 UE 位置變化或 CECF 感知到當前算力節(jié)點

不適用，因而需要重選算力節(jié)點，CECF 確定移動性控制

策略，觸發(fā)用戶面路徑的重配置，以及由核心網(wǎng)或 UE

發(fā)起算力節(jié)點的重定位或重新發(fā)現(xiàn)。算力節(jié)點的重定位

可以通過插入中間 SMF（I-SMF）或上行分類器（Uplink

Classifier，UL CL）建立 UE 到新算力節(jié)點的用戶面路徑。

針對當前小區(qū)不適用的場景（例如衛(wèi)星移動到小區(qū)范

圍外），可以基于信號測量報告或 CECF 感知到當前小區(qū)

不適用，需要重選小區(qū)和算力節(jié)點，CECF 確定移動性控

制策略后發(fā)送至 AMF，AMF 發(fā)送至 SMF 和源 NG-RAN，

源 NG-RAN 選擇目標 NG-RAN，觸發(fā)小區(qū)切換過程。也

可以基于信號測量報告或 CECF 感知到當前小區(qū)不適用，

需要重選小區(qū)和算力節(jié)點，CECF 確定移動性控制策略并

發(fā)送至 AMF，AMF 通過 UE policy 將策略發(fā)送至 UE，UE

選擇目標 NG-RAN，建立到目標算力節(jié)點的新 PDU 會話。

4 實驗驗證

本文使用在實驗室自研搭建的移動通信網(wǎng)絡(luò)驗證平

臺完成實驗驗證工作。該驗證平臺使用基于開源 OSM

（Open Street Map）的管理和編排[22]實現(xiàn)系統(tǒng)資源的高效

管理和編排；基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function

Virtualization，NFV）[23]實現(xiàn)控制面網(wǎng)絡(luò)功能軟件與硬件

實體的資源分離，支持網(wǎng)絡(luò)功能的動態(tài)靈活部署；基于軟

件定義網(wǎng)絡(luò)（Soft Defined Network，SDN）[24]技術(shù)實現(xiàn)用

戶面的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離。具體的，本文使用基于

OpenStack[25,26]的開源云計算管理平臺在 x86 通用服務(wù)器

上搭建虛擬化平臺，將傳統(tǒng)運行在專用硬件上的核心網(wǎng)的

網(wǎng)絡(luò)功能進行虛擬化，生成虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（Virtualized

Network Function，VNF），并將 VNF 部署在虛機（Virtual

Machine，VM）上。同時，搭建管理平臺讀取系統(tǒng)信息并在

瀏覽器前端展示，或者通過前端修改網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和屬性從而改

變網(wǎng)絡(luò)功能，實現(xiàn)驗證平臺的可視化便捷管理。

實驗組網(wǎng)拓撲如圖 4 所示，假設(shè)將 1 臺通用服務(wù)器搭

載在衛(wèi)星上并在該服務(wù)器上部署 S-RAN、S-UPFC、

S-CECF 和 S-EAS，以及在衛(wèi)星上部署具備 UL CL 功能的

S-UPF和具備用戶面錨點功能即PSA的S-UPF；在地面上，

使用 3 臺通用服務(wù)器分別部署地面核心網(wǎng)和管理平臺以及

2 臺應(yīng)用服務(wù)器。

S-CECF 和 CECF 分別用于感知星上和地面的算網(wǎng)資

源，感知結(jié)果見表 1、表 2。本實驗中，算力資源信息為

CPU、內(nèi)存和硬盤，網(wǎng)絡(luò)資源為用戶面路徑時延?？梢钥?/p>

到，3 個算力節(jié)點 Node01、Node03、Node04 的可用內(nèi)存

容量分別為 26 GB、2 GB、10 GB，從 UE 到 3 個算力節(jié)

圖 4 實驗組網(wǎng)拓撲

第 3 期 宋雅琴等：面向 6G 星地融合的云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù) ·9·

點的用戶面路徑 OF5-OF14、OF5-OF10-OF15、OF5-OF2

時延分別為 49 ms、56 ms、15 ms。

UE 發(fā)起一個業(yè)務(wù)請求，請求中包括的算力需求為

CPU：2 核，內(nèi)存：4G；網(wǎng)絡(luò)需求為空。CECF 根據(jù)維護的

算力網(wǎng)絡(luò)資源，判斷 Node03 可用內(nèi)存容量 2 GB 不滿足業(yè)

務(wù)需求，返回符合用戶算力需求的算力節(jié)點為 Node01 和

Node04。接下來，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的時延信息，由于業(yè)務(wù)需求中

包含的網(wǎng)絡(luò)需求信息為空，則 CECF 選擇時延較小的用戶

面路徑，即 OF5-OF2 對應(yīng)的 15 ms。因此，網(wǎng)絡(luò)最終為 UE

返回的編排響應(yīng)包括為用戶提供服務(wù)的算力節(jié)點 IP，如圖

5 所示，返回的算力節(jié)點 IP 為 Node04 對應(yīng)的 172.10.3.129。

因此，通過該實驗過程成功驗證了本文提出的架構(gòu)的合理

性以及星地融合網(wǎng)絡(luò)的云邊協(xié)同策略生成流程的正確性。

圖 5 UE 接收到業(yè)務(wù)請求響應(yīng)

5 結(jié)束語

隨著新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，星地融合以及邊緣計算功能

上星已成為發(fā)展趨勢。星載邊緣計算場景下，如何通過云

邊協(xié)同實現(xiàn)星地之間計算功能的柔性分割，合理利用有限

的在軌計算服務(wù)，提高用戶體驗，成為一個關(guān)鍵問題。目

前面向 6G 星地融合網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)云邊協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵

技術(shù)的研究仍然處于早期階段。面向未來，還需要深入研

究并設(shè)計基于人工智能的資源調(diào)度算法，進而在本文所述

的架構(gòu)、方法、實驗平臺的基礎(chǔ)之上完成算法驗證和性能

測試。

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表 1 算力資源信息

設(shè)備

標識符

資源

類型

資源

狀態(tài)

CPU

總?cè)萘?/p>

CPU

空閑率

CPU

使用率

內(nèi)存

總?cè)萘?/p>

可用內(nèi)

存容量

內(nèi)存已

分配容量

硬盤

總?cè)萘?/p>

硬盤

可用容量

硬盤已

分配容量

CPU

型號

CPU

核

CPU 頻

率/MHz

CPU

線程

應(yīng)用

類型

Node04 VM 正常 100% 100% 0 15 GB 10 GB 4 GB 39 GB 33 GB 6 GB Xeon 8 2 095 8 IoT

Node03 VM 正常 100% 100% 0 15 GB 2 GB 28 GB 39 GB 34 GB 5 GB Xeon 16 3 092 16 IoT

Node01 VM 正常 100% 100% 0 15 GB 26 GB 4 GB 0 GB 0 GB 0 GB Xeon 16 3 092 16 IoT

表 2 網(wǎng)絡(luò)資源信息

ID 開始節(jié)點 結(jié)束節(jié)點 路徑 時延

209 OF5 OF2 OF5-OF2 15 ms

210 OF5 OF14 OF5-OF14 49 ms

211 OF5 OF15 OF5-OF10-OF15 56 ms

·10· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

宋雅琴（1993? ），女，博士，中信科移動通

信技術(shù)股份有限公司中級工程師，主要研究方

向為移動通信核心網(wǎng)，主要從事 6G、網(wǎng)絡(luò)架

構(gòu)和協(xié)議、數(shù)據(jù)服務(wù)、星地融合等的技術(shù)研究

工作。

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[作者簡介]

第 3 期 宋雅琴等：面向 6G 星地融合的云邊協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù) ·11·

徐 暉（1969? ），女，博士，中信科移動通

信技術(shù)股份有限公司教授級高級工程師，主要

研究方向為移動通信核心網(wǎng)、星地融合網(wǎng)絡(luò)技

術(shù)和移動通信安全等，主要從事 6G 及衛(wèi)星通

信等的技術(shù)研究和標準化推進工作。

劉險峰（1982? ），女，碩士，中信科移動通

信技術(shù)股份有限公司中級工程師，主要研究方

向為移動通信核心網(wǎng)、星地融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)

絡(luò)切片技術(shù)等，主要從事 6G、網(wǎng)絡(luò)切片、衛(wèi)

星通信等的技術(shù)研究工作。

王亞鵬（1985? ），女，碩士，中信科移動通

信技術(shù)股份有限公司中級工程師，主要研究方

向為算力網(wǎng)絡(luò)、移動通信核心網(wǎng)等，主要從事

6G 及算力網(wǎng)絡(luò)等的技術(shù)研究工作。

程志密（1980? ），女，博士，中信科移動通

信技術(shù)股份有限公司高級工程師，主要研究方

向為移動通信核心網(wǎng)、星地融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、確

定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，主要從事 6G、確定性網(wǎng)絡(luò)、

衛(wèi)星通信等的技術(shù)研究和政府項目研究工作。

王胡成（1982? ），男，博士，中信科移動通

信技術(shù)股份有限公司高級工程師，主要研究

方向為移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、組網(wǎng)以及協(xié)議等，

主要從事 4G/5G/6G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究與標準化

工作。

陳山枝（1968? ），中國信息通信科技集團有

限公司無線移動通信全國重點實驗室主任，負

責(zé) 4G 和 5G 移動通信、C-V2X 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與

標準研究及產(chǎn)業(yè)化工作，主要研究方向為

B5G 和 6G、車聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星移動通信等。

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 體 化 信 息 網(wǎng) 絡(luò) Vol.4 No.3

面向星地協(xié)同的接入網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

鄧偉，趙琳，翁瑋文，杜琴，馬克，程錦霞，張龍

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

摘 要：隨著泛在寬帶通信需求和星地通信技術(shù)的演進，衛(wèi)星與地面蜂窩通信產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)正逐步走向融合。為滿足星地協(xié)同

應(yīng)用場景及技術(shù)需求，分析星地協(xié)同的接入網(wǎng)架構(gòu)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，基于連接動態(tài)、資源統(tǒng)一管控、地面控制的總體原則，

從空間段、地面段及星地協(xié)同段闡述面向星地協(xié)同的接入網(wǎng)架構(gòu)。從需求出發(fā)，基于所提網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出對應(yīng)的覆蓋協(xié)同、業(yè)務(wù)

協(xié)同、節(jié)能協(xié)同與測控協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)，通過設(shè)計智能動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元、動態(tài) Xn 接口、分布式測控單元等協(xié)同網(wǎng)元，星地兩網(wǎng)

深度交互有用信息，實現(xiàn)動態(tài)高效的星地協(xié)同機制，推動衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)進一步互補，提高系統(tǒng)在資源利用率、能源消耗

以及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本等方面的整體性能。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)；星地協(xié)同；接入網(wǎng)架構(gòu)

中圖分類號：TN92

文獻標識碼：A

doi: 10.11959/j.issn.2096?8930.2023026

Architecture and Key Technologies of Access

Network for Satellite-Terrestrial Cooperation

DENG Wei, ZHAO Lin, WENG Weiwen, DU Qin, MA Ke, CHENG Jinxia, ZHANG Long

China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China

Abstract: With the development of ubiquitous and broadband communication requirements and the satellite-ground integration communication technology, the satellite and ground cellular communication industry ecosystem is gradually moving towards integration. In

order to meet the application scenarios and technical requirements of satellite-terrestrial cooperation, the main technical challenges of

the access network architecture were analyzed. Based on the overall principles of connection dynamics, unified resource management

and controlled by ground network, the architecture of access network for satellite-terrestrial cooperation was elaborated from space

segment, ground segment and cooperative segment. Key technologies of coverage cooperation, service cooperation, energy saving cooperation and capability cooperation were proposed based on the elaborated network architecture. By design cooperative network elements, such as intelligent dynamic cooperative unit, dynamic Xn interface, distributed TT&C units, the useful information between satellite and ground networks interacted deeply, a dynamic and efficient satellite-terrestrial cooperation mechanism could be realized. It

could promote further complementarity between satellite and ground networks and improved overall system performance in resource

utilization rate, energy consumption, and network construction cost.

Key words: satellite internet, satellite-terrestrial cooperation, access network architecture

0 引言

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍和系統(tǒng)容量方面

有極強的互補性，長期以來，衛(wèi)星和地面移動通信作

為兩個產(chǎn)業(yè)鏈各自獨立發(fā)展。隨著泛在寬帶通信需求

和星地通信技術(shù)的演進，衛(wèi)星與地面移動通信產(chǎn)業(yè)生

態(tài)系統(tǒng)正逐步走向融合[1]。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為 6G 網(wǎng)絡(luò)的

重要特征[2]，將基于一體化終端向偏遠地區(qū)、海洋、航

空等泛在立體空間提供全場景融合新服務(wù)。面向未來

的目標愿景，本文結(jié)合技術(shù)標準及產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，研

究星地接入網(wǎng)發(fā)展路徑，并設(shè)計構(gòu)建高效協(xié)同的星地

接入網(wǎng)架構(gòu)。

收稿日期：2023?03?30；修回日期：2023?07?10

第 3 期 鄧偉等：面向星地協(xié)同的接入網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù) ·13·

1 星地接入網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及路徑

1.1 技術(shù)及標準發(fā)展現(xiàn)狀

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、容災(zāi)能力強等優(yōu)點，作為

地面網(wǎng)絡(luò)的補充和擴展，可以很好地與地面網(wǎng)絡(luò)有機融

合，形成衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)[3]，在全球任何地點、任何時間為更

廣泛的終端用戶提供信息服務(wù)。

近年來，隨著商業(yè)航天的興起，國內(nèi)外紛紛開展低軌

衛(wèi)星星座的建設(shè)工作，低軌化、寬帶化、手機直聯(lián)成為衛(wèi)

星通信的重要發(fā)展趨勢，全球星地技術(shù)研究及應(yīng)用進入快

速發(fā)展階段。2017 年，3GPP 在無線接入網(wǎng)工作組中設(shè)立

了非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial Network，NTN）相關(guān)的研

究項目，并明確將衛(wèi)星接入列為 5G 的接入技術(shù)之一。2019

年，3GPP 完成 TR38.821 研究報告，對新空中接口（New

Radio，NR）支持 NTN 需要具備的必要功能進行了研究，

提出了基于透明轉(zhuǎn)發(fā)模式和星上再生模式的 NTN 應(yīng)用場

景架構(gòu)，如圖 1 所示。2022 年，3GPP NR NTN R17 面向

透明轉(zhuǎn)發(fā)模式完成了第一版本基于 5G 的衛(wèi)星通信技術(shù)標

準制定，R18 基于 R17，圍繞覆蓋、高頻段以及移動性管

理等技術(shù)進行針對性的增強。

3GPP 在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的標準化工作主要以地面 5G

通信標準為基礎(chǔ)，結(jié)合衛(wèi)星通信的技術(shù)特點做出適應(yīng)性改

進[4]，但暫未涉及星地深度融合的架構(gòu)設(shè)計工作。面向未

來網(wǎng)絡(luò)的演進需求，學(xué)術(shù)界對星地網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)開展了積極探

索。參考文獻[5-8]均考慮基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network

Functions Virtualization，NFV）技術(shù)實現(xiàn)星地間網(wǎng)絡(luò)功能

的柔性分割，根據(jù)衛(wèi)星載荷能力與服務(wù)場景，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功

能的靈活按需部署。同時，參考文獻[5,8-9]研究基于軟件定

義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)抽

象為用戶平面、控制平面、管理平面。參考文獻[10-12]提出

構(gòu)建傳輸、計算、存儲能力于一體的星上節(jié)點，通過星地

移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）實現(xiàn)計算任

務(wù)的分布式協(xié)作處理。面向星地協(xié)同的架構(gòu)，參考文獻[9,13]

主要考慮基于統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管控功能，獲取全局網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信

息，實現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同管控。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)多討

論基于 NFV 和 SDN 的彈性可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[14]，考慮各個

網(wǎng)絡(luò)功能的靈活按需部署，星地協(xié)同相關(guān)技術(shù)則主要聚焦

在統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理方面，以星地高效協(xié)同為目標的接入網(wǎng)架

構(gòu)及協(xié)同機制討論較少。

1.2 接入網(wǎng)發(fā)展路徑

接入網(wǎng)由以地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的地基接入網(wǎng)和以

低軌衛(wèi)星星座為基礎(chǔ)的天基接入網(wǎng)構(gòu)成，星地全方位融合

是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)全球無縫覆蓋的關(guān)鍵技術(shù)目標，但也面

臨諸多難題與挑戰(zhàn)，需要結(jié)合技術(shù)、標準、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用場

景設(shè)計接入網(wǎng)的演進路徑。

受限于衛(wèi)星平臺對功耗、重量的限制，平臺通信有效

載荷功能相對簡單，衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)模式有利于規(guī)避初

期面臨的技術(shù)不成熟、衛(wèi)星研制成本高等問題。隨著技術(shù)

的不斷發(fā)展，衛(wèi)星平臺能力逐漸增強，研制成本降低，激

光星間鏈路等技術(shù)發(fā)展趨于成熟，衛(wèi)星具備同時支持透明

轉(zhuǎn)發(fā)模式與星上再生模式的能力，低軌衛(wèi)星星座組網(wǎng)成本

圖 1 基于透明轉(zhuǎn)發(fā)模式和星上再生模式的 NTN 應(yīng)用場景架構(gòu)

·14· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

逐漸下降，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進入成熟商用期。

本文主要根據(jù)衛(wèi)星平臺處理能力的增強演進，將接入

網(wǎng)發(fā)展路徑中可能存在的組網(wǎng)方式分為 3 類。

方式一：基于透明轉(zhuǎn)發(fā)模式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

方式二：透明轉(zhuǎn)發(fā)與星上再生混合組網(wǎng)。

方式三：基于星上再生模式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2 星地協(xié)同應(yīng)用場景及技術(shù)需求

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將充分利用星地資源，實現(xiàn)全球無縫覆

蓋。根據(jù)多樣化的業(yè)務(wù)需求，星地需要實時動態(tài)協(xié)同來滿

足終端的隨遇接入和業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求。研究星地協(xié)同應(yīng)

用場景及技術(shù)需求，對于接入網(wǎng)架構(gòu)至關(guān)重要。

2.1 覆蓋協(xié)同

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不受地形限制，且具備較低成本的廣覆蓋能

力，但在單星容量和星上處理能力方面有較大的局限性。

因此，星地協(xié)同覆蓋主要考慮 3 個方面應(yīng)用場景：

（1）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為航空、海洋、森林、沙漠、極地等地

面網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋的區(qū)域提供覆蓋服務(wù)；

（2）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為業(yè)務(wù)分布分散且容量要求較低的區(qū)域

提供覆蓋服務(wù)，節(jié)省地面網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)所需的巨大成本，提高

經(jīng)濟性；

（3）洪水、地震等自然災(zāi)害的發(fā)生導(dǎo)致地面網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

中斷時，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠代替中斷的地面網(wǎng)絡(luò)提供容災(zāi)覆蓋。

2.2 業(yè)務(wù)協(xié)同

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)結(jié)合各自優(yōu)勢進行有機融合，可

以為大眾及行業(yè)用戶提供更加優(yōu)質(zhì)以及差異化的通信服

務(wù)。一方面，由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)適宜承載的用戶數(shù)

量、業(yè)務(wù)類型不同，針對不同業(yè)務(wù)類型的差異，通過星地

協(xié)同管理可靈活選擇最優(yōu)的承載網(wǎng)絡(luò)或?qū)崿F(xiàn)兩個網(wǎng)絡(luò)間

的負載均衡及優(yōu)勢互補[15]。例如，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有較大覆蓋

范圍，可以高效滿足大范圍內(nèi)用戶的廣播或者多播需求。

另一方面，由于星地拓撲高動態(tài)變化，用戶在不同衛(wèi)星間

頻繁切換，極易導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷，并為網(wǎng)絡(luò)帶來大量信令開

銷?？山⑿堑貐f(xié)同的業(yè)務(wù)管理機制，通過感知用戶業(yè)務(wù)

需求，對用戶進行統(tǒng)一資源管理，以達到優(yōu)化業(yè)務(wù)體驗，

保證業(yè)務(wù)連續(xù)性的目的。

2.3 節(jié)能協(xié)同

5G 網(wǎng)絡(luò)的眾多新技術(shù)特性使得功耗急劇增加。由于

移動通信業(yè)務(wù)存在明顯的“潮汐效應(yīng)”，為節(jié)省基站能耗，

目前主流的基站節(jié)能解決方案是利用人工智能技術(shù)進行

負載預(yù)測并實時控制基站進入節(jié)能模式。然而，地面蜂窩

用戶的通信需求是動態(tài)變化的，具有突發(fā)性，用戶在 5G

基站關(guān)斷的時間段內(nèi)可能會存在通信需求，貿(mào)然降低 5G

基站的功耗會使得用戶的業(yè)務(wù)受到較大影響。

利用星地雙重覆蓋特性，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以根據(jù)不同

地區(qū)、不同時間的業(yè)務(wù)分布情況，在輕負載區(qū)動態(tài)調(diào)整

地面網(wǎng)絡(luò)的通信資源，采用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供基礎(chǔ)覆蓋。由

于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由太陽能提供電力，太陽能是綠色能源，因

此星地協(xié)同節(jié)能在避免能源浪費的同時，還可保證用戶

基本通信需求。

2.4 能力協(xié)同

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)作為兩個獨立的產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展至

今，為支撐自身系統(tǒng)的各項基本能力，兩者存在一定的

冗余設(shè)計。星地能力協(xié)同可促進衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)高度集成，

降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。本文主要關(guān)注星地網(wǎng)絡(luò)通信與測控

能力的協(xié)同。

在傳統(tǒng)的航天測控領(lǐng)域，一般采用“一站一星”模

式。隨著商業(yè)航天的興起，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將發(fā)展為由

成千上萬顆衛(wèi)星組成的大規(guī)模衛(wèi)星星座。為保障測控需

求，緩解測控壓力，需大量建設(shè)地面測控站，但會產(chǎn)生

高昂的建設(shè)成本[16-17]?？紤]到衛(wèi)星饋電鏈路與測控鏈路

都是通過電磁波的發(fā)射和接收來完成數(shù)據(jù)的傳遞，因此

可基于 NTN基站和地面大網(wǎng)基站的衛(wèi)星饋電單元與測控

單元的能力協(xié)同，通過復(fù)用饋電鏈路基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)降

本增效。

3 面向星地協(xié)同的主要技術(shù)挑戰(zhàn)

天地一體化接入網(wǎng)是一個包含星地網(wǎng)絡(luò)的多層次異

構(gòu)系統(tǒng)，傳統(tǒng)基于地面或者衛(wèi)星獨立系統(tǒng)的接入網(wǎng)架構(gòu)無

法滿足實時泛在的星地協(xié)同需求，并面臨星地靈活實時協(xié)

同、立體網(wǎng)絡(luò)層間動態(tài)資源管理、與演進路徑中不同組網(wǎng)

方式的兼容等多方面的挑戰(zhàn)。

3.1 高動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)下的靈活實時協(xié)同

天基網(wǎng)絡(luò)以低軌衛(wèi)星通信作為主要的接入方式，衛(wèi)

星數(shù)量在幾千到幾萬顆，以 600 km 軌道高度為例，衛(wèi)星

以 7.5 km/s 的速度高速移動，平均地面可見時間只有

5~10 min。對于地面固定區(qū)域而言，提供通信服務(wù)的過

頂衛(wèi)星快速頻繁變化[18]。面對廣域泛在的業(yè)務(wù)需求以及

星地協(xié)同需求，如何通過星地接入網(wǎng)間的配合，快速感

知終端位置，并選擇合適的衛(wèi)星節(jié)點、靈活實時地調(diào)整

衛(wèi)星波束以滿足突發(fā)的星地協(xié)同需求，將是接入網(wǎng)層面

面臨的重要挑戰(zhàn)。

3.2 立體網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)層間的動態(tài)資源管理

傳統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同一般采用終端漫游，系統(tǒng)側(cè)

第 3 期 鄧偉等：面向星地協(xié)同的接入網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù) ·15·

互聯(lián)互通的方式實現(xiàn)，而衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有星地異構(gòu)、立體

延伸、拓撲復(fù)雜的特點[19]，需要在接入網(wǎng)層面設(shè)計支持星

地動態(tài)關(guān)系構(gòu)建的接口進行實時信息交互，促進星地通信

的深度耦合，高效管理星地網(wǎng)絡(luò)的時間、空間、頻率、功

率及測控資源，實現(xiàn)多層網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合資源優(yōu)化，并具備針

對多層網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)能力和管控能力，為用戶提供最佳的業(yè)

務(wù)體驗。

3.3 兼容不同組網(wǎng)方式的星地協(xié)同架構(gòu)設(shè)計

按照衛(wèi)星的工作模式不同劃分為 3 種組網(wǎng)方式，不

同組網(wǎng)方式下衛(wèi)星處理能力不同，星地之間的協(xié)同方式

也將不同。接入網(wǎng)需要兼容衛(wèi)星工作于透明轉(zhuǎn)發(fā)和星上

再生等兩種模式，并具備高度靈活性，這進一步加劇了

天地一體化接入網(wǎng)架構(gòu)和相關(guān)接口設(shè)計的復(fù)雜程度。

4 面向星地協(xié)同的接入網(wǎng)架構(gòu)

為了有效利用地面網(wǎng)絡(luò)拓撲穩(wěn)定的特點，降低星地在

高動態(tài)環(huán)境下協(xié)同組網(wǎng)的難度和復(fù)雜度，進一步提升天地

一體化接入網(wǎng)的整體性能，促進端星兩側(cè)的輕量化、低成

本實現(xiàn)，本文基于連接動態(tài)、資源統(tǒng)一管控、地面控制的

總體原則，基于對統(tǒng)一融合空中接口、星地動態(tài)智連、高

效的資源管理和調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)的研究，提出了面向星地

協(xié)同的天地一體化接入網(wǎng)架構(gòu)，如圖 2 所示。該架構(gòu)包含

空間段、地面段、星地協(xié)同段 3 部分。

4.1 空間段

空間段包含透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信子系統(tǒng)和星上再生

衛(wèi)星通信子系統(tǒng)[20]。

透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信子系統(tǒng)中，NTN 基站位于地面，

波束控制器及波束控制命令接收器位于星上。透明轉(zhuǎn)發(fā)

衛(wèi)星的波束分為打底覆蓋波束與業(yè)務(wù)協(xié)同波束。打底覆

蓋波束的主要功能是為地面網(wǎng)絡(luò)提供補充覆蓋，一般情

況下為凝視波束，由地面 NTN 基站靜態(tài)或者半靜態(tài)配置

波束指向[21]。業(yè)務(wù)協(xié)同波束主要完成負載均衡、流量卸載

等業(yè)務(wù)協(xié)同功能，支持根據(jù)地面網(wǎng)絡(luò)需求由地面 NTN 基

站控制進行緩慢跳變。

星上再生衛(wèi)星通信子系統(tǒng)中，星載 NTN 基站、波束

控制器全部基于星上處理實現(xiàn)。同時，該子系統(tǒng)可兼容支

持透明轉(zhuǎn)發(fā)模式和星上再生模式。工作于星上再生模式

時，衛(wèi)星波束服務(wù)于整個星下覆蓋區(qū)域，分為接入波束和

業(yè)務(wù)波束。接入波束負責(zé)終端同步、隨機接入以及終端切

換到業(yè)務(wù)波束前的數(shù)據(jù)傳輸，一般采用多波束基于固定周

期的掃描機制工作。在接入波束完成同步接入后，業(yè)務(wù)波

束根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)需求及位置，在星載 NTN 基站調(diào)度模

塊的控制下采用按需凝視、動態(tài)跳變的方式為用戶提供體

驗更好的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

星上再生模式下，衛(wèi)星具備對數(shù)據(jù)進行處理和分發(fā)的

能力，由此星上再生衛(wèi)星通信子系統(tǒng)可以引入星間鏈路。

圖 2 面向星地協(xié)同的天地一體化接入網(wǎng)架構(gòu)

·16· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

星間鏈路既可以在同軌道衛(wèi)星間建立，也可以連接異軌道

衛(wèi)星。基于星間鏈路，數(shù)據(jù)可以在星間更靈活地傳輸，

減少對地面信關(guān)站的依賴，不再局限于國內(nèi)，不受海外

建站限制。

4.2 地面段

地面段分為星地協(xié)同覆蓋區(qū)域和衛(wèi)星獨立覆蓋區(qū)域。

4.2.1 星地協(xié)同覆蓋區(qū)域

星地協(xié)同覆蓋區(qū)域，是指地面網(wǎng)絡(luò)能夠大面積連

續(xù)覆蓋，但也存在地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞、對星地協(xié)同有

需求的地理區(qū)域，如圖 2 所示。地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞如

郊區(qū)、山區(qū)等，可以由地面控制衛(wèi)星的打底覆蓋波束

進行凝視覆蓋保障基本覆蓋，提供基礎(chǔ)通信和應(yīng)急通

信服務(wù)。對星地協(xié)同有需求的區(qū)域，指地面網(wǎng)絡(luò)能夠

覆蓋，但有星地協(xié)同需求觸發(fā)的地理區(qū)域，地面控制

衛(wèi)星的業(yè)務(wù)協(xié)同波束協(xié)同完成相關(guān)業(yè)務(wù)。此外，星地

協(xié)同覆蓋區(qū)域還包括星地交疊區(qū)域，其處于地面網(wǎng)絡(luò)

的覆蓋邊緣，與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的覆蓋形成交疊，是發(fā)生星

地切換的主要區(qū)域。

面向星地協(xié)同覆蓋區(qū)域，地面段網(wǎng)元中存在部分 NTN

基站新增測控單元以支持測控能力，部分大網(wǎng)基站新增饋

電單元、測控單元以實現(xiàn)星地動態(tài)連接、饋電測控一體化。

地面信關(guān)站及地面 NTN 基站屬于透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信子系

統(tǒng)，負責(zé)透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星饋電和基帶信號的收發(fā)和處理。支

持星地動態(tài)連接的地面大網(wǎng)基站，一方面具有為地面蜂窩

用戶提供通信服務(wù)的能力，另一方面具備通過動態(tài)星地連

接與星上處理衛(wèi)星的星載NTN基站進行信息交互的能力。

支持饋電測控一體化的 NTN 基站及大網(wǎng)基站則額外具備

測控能力?；谝陨暇W(wǎng)元，實現(xiàn)星地協(xié)同區(qū)域的按需接入、

資源協(xié)調(diào)以及衛(wèi)星測控。

4.2.2 衛(wèi)星獨立覆蓋區(qū)域

衛(wèi)星獨立覆蓋區(qū)域，是指航空、海洋、森林、沙漠、

極地等地面網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋的區(qū)域，只能通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進行

覆蓋。星載 NTN 基站為星下可見區(qū)域提供覆蓋，數(shù)據(jù)由

星間鏈路回傳落地。

4.3 星地協(xié)同段

4.3.1 星地智能動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元

星地協(xié)同組網(wǎng)的目標是實現(xiàn)星地覆蓋、資源、調(diào)度的

高效協(xié)同，基于智慧內(nèi)生能力，最大化系統(tǒng)效益，降低網(wǎng)

絡(luò)成本，同時實現(xiàn)無縫的星地切換能力，保障業(yè)務(wù)連續(xù)性

及用戶服務(wù)體驗。為應(yīng)對本文第 3 節(jié)提出的面向星地協(xié)同

的接入網(wǎng)架構(gòu)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，引入“星地智能動態(tài)協(xié)作

網(wǎng)元”，構(gòu)建星地智能動態(tài)協(xié)作的新型接入網(wǎng)架構(gòu)，如

圖 3 所示。

圖 3 星地智能動態(tài)協(xié)作的新型接入網(wǎng)架構(gòu)

星地智能動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元作為動態(tài)智連的“大腦”，具

備以下功能，具體見表 1。

表 1 星地智能動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元功能

功能分類 具體描述

組網(wǎng)協(xié)同 作為再生模式下星上網(wǎng)元的地面錨點，實現(xiàn)透明轉(zhuǎn)發(fā)與再生

模式統(tǒng)一動態(tài)組網(wǎng)

資源協(xié)同

精準的星地鄰區(qū)關(guān)系；

高效的星地頻率復(fù)用；

靈活的波束管理

能力協(xié)同 動態(tài)協(xié)同測控

透明轉(zhuǎn)發(fā)與再生模式的統(tǒng)一動態(tài)組網(wǎng)：針對低軌衛(wèi)星

過頂時間短，再生模式下的星上網(wǎng)元隨低軌衛(wèi)星的高速運

動而頻繁變動導(dǎo)致組網(wǎng)復(fù)雜的問題，星地智能動態(tài)協(xié)作網(wǎng)

元作為錨點可實現(xiàn)再生模式下的星上網(wǎng)元動態(tài)接入及合

理快速配置，實現(xiàn)再生模式與透明轉(zhuǎn)發(fā)的統(tǒng)一組網(wǎng)，降低

星地協(xié)同復(fù)雜度，保障服務(wù)質(zhì)量。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的資源智能高效調(diào)度：針對衛(wèi)星

覆蓋面積大，星地交疊區(qū)域涵蓋大量地面基站，星地智能

動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元通過協(xié)同鏈路匯聚星地協(xié)同覆蓋區(qū)域下衛(wèi)

星網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元和大量地面蜂窩網(wǎng)元，實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)

絡(luò)在星地交疊區(qū)域精準的鄰區(qū)關(guān)系建立、高效的星地頻率

復(fù)用、靈活的波束管理[22]等，從而達到覆蓋快速切換、業(yè)

務(wù)負載均衡、智能干擾規(guī)避等目的。

面向分布式測控的動態(tài)高效調(diào)度：衛(wèi)星規(guī)模巨大、拓

撲高度動態(tài)加劇了有限的測控資源與繁重的測控任務(wù)之

間的矛盾，使得測控壓力更大、調(diào)度更復(fù)雜。星地智能動

第 3 期 鄧偉等：面向星地協(xié)同的接入網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù) ·17·

態(tài)協(xié)作網(wǎng)元結(jié)合分布式測控單元信息與衛(wèi)星星歷信息，考

慮測控任務(wù)對時延的需求，基于動態(tài)測控調(diào)度算法實現(xiàn)對

測控任務(wù)的高效分配。

4.3.2 星地動態(tài) Xn 接口

星地接入網(wǎng)中，衛(wèi)星通信層和地面通信層之間通過擴

展 Xn 接口實現(xiàn)星地間動態(tài)關(guān)系構(gòu)建，作為星地動態(tài)智連

的“神經(jīng)”，交互傳遞各項協(xié)同信息及決策。

透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信子系統(tǒng)中，NTN 基站與地面大網(wǎng)基

站都位于地面，星地動態(tài) Xn 接口基于地面網(wǎng)絡(luò)連接建立。

星上再生衛(wèi)星通信子系統(tǒng)中，NTN 基站位于星上，星地動

態(tài) Xn 接口基于饋電鏈路窄帶頻點建立，因此，支持星地

動態(tài)連接的地面大網(wǎng)基站需要增加窄帶饋電單元。星地動

態(tài) Xn 接口負責(zé)完成動態(tài)鄰區(qū)關(guān)系、星地干擾信息、業(yè)務(wù)

負載信息、測控指令信息等的傳遞。

4.3.3 分布式測控單元

天地一體化接入網(wǎng)為實現(xiàn)衛(wèi)星饋電與測控協(xié)同，

需對測控單元進行改造。一方面采用饋電鏈路開辟的

獨立頻點，以復(fù)用基站的饋電天線；另一方面將饋電

與測控聯(lián)合考慮，使兩者在硬件架構(gòu)、波形設(shè)計、協(xié)

議設(shè)計、信號處理等方面進行深度融合，實現(xiàn)部分軟

硬件復(fù)用。

透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信子系統(tǒng)中，選擇部分或全部 NTN

基站部署分布式測控單元；星上再生衛(wèi)星通信子系統(tǒng)中，

選擇部分或全部具備饋電單元的地面大網(wǎng)基站部署測控

單元。由于大網(wǎng)基站的饋電單元是否建立、與哪顆衛(wèi)星建

立星地動態(tài) Xn 接口都是不確定的，因此，大網(wǎng)基站的饋

電單元與測控單元存在饋電-測控接口，負責(zé)完成星地動態(tài)

Xn 接口建立信息、測控指令信息的傳遞。

5 星地協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)

5.1 覆蓋協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)

為滿足衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)間覆蓋、業(yè)務(wù)、算力等方面

的緊密協(xié)同需求，基于地面控制的靈活波束管理技術(shù)將成為

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中一條全新的技術(shù)路徑。針對透明轉(zhuǎn)發(fā)和星上再

生兩種模式的衛(wèi)星，衛(wèi)星波束能夠根據(jù)地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的波束

控制指令，靈活地調(diào)整波束的指向及功率分配等參數(shù)，通過

地面網(wǎng)絡(luò)深度參與衛(wèi)星資源的管理調(diào)度來提高星地協(xié)同效

果，有效降低星座建設(shè)成本。但需要研究突破星地交互動態(tài)

關(guān)系構(gòu)建、端星地三方精準波束控制同步等核心技術(shù)，并輔

以終端位置感知技術(shù)、對波束跳變場景的快速接入流程進行

重新設(shè)計，以提升終端用戶的接入及業(yè)務(wù)傳輸性能。

星地動態(tài)關(guān)系構(gòu)建：需具備按需、動態(tài)建立星地交

互連接的能力以支持實時高效的波束管理信息交互?？?/p>

慮采用拓展的星地動態(tài) Xn 接口在地面蜂窩基站和 NTN

基站之間傳輸波束管理及干擾協(xié)調(diào)等信息。一是針對透

明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星，地面蜂窩基站基于地面連接即可以與 NTN

基站建立星地動態(tài) Xn 接口；二是針對星上再生模式的星

載 NTN 基站，地面蜂窩基站增加窄帶饋電單元，采用基

于饋電鏈路的星地動態(tài)增強 Xn 接口。由此，實現(xiàn)星地間

面向各項協(xié)同場景及需求的實時波束控制。

透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下的端星地三方精準同步技術(shù)：現(xiàn)有

3GPP NTN 技術(shù)基于透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下的凝視或平掃波

束，已經(jīng)完成 R17 的技術(shù)標準制定。但是，衛(wèi)星波束還

需要根據(jù)動態(tài)變化的業(yè)務(wù)需求和地面網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同需求靈

活跳變[23]。透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下 NTN 基站位于地面，相控

陣天線及波束控制器位于星上[24]，基于地面控制的波束

管理受星地時延及高動態(tài)信道環(huán)境的影響。如圖 4 所示，

圖 4 基于地面控制的靈活波束管理

·18· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

考慮采用星上輕量化帶內(nèi)接收指令的波束控制機制，在

地面 NTN 基站統(tǒng)一控制下，保證地面控制的波束切換時

刻和空中接口信號經(jīng)過遠距離高動態(tài)時變傳輸后，在星

上達到精準同步，支持多波束掃描、凝視波束跳變，按

需提供業(yè)務(wù)傳輸，提高頻譜效率及整星容量。

5.2 業(yè)務(wù)協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)有衛(wèi)星、地面網(wǎng)絡(luò)獨立組網(wǎng)，信息交互靈活性不高、

網(wǎng)絡(luò)特性差異較大，星地靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)能力面臨與動態(tài)、分布

不均勻、多樣化的業(yè)務(wù)需求之間的矛盾，導(dǎo)致衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與

地面網(wǎng)絡(luò)分配的資源與業(yè)務(wù)需求不匹配，網(wǎng)絡(luò)資源利用率不

高。通過新增星地智能動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元，采用高效統(tǒng)一的資源

調(diào)度方法，實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)共享，在時

間、空間、頻率以及功率維度上進行靈活分配，以適應(yīng)業(yè)務(wù)

的不均勻分布和動態(tài)變化，實現(xiàn)星地資源利用最優(yōu)化。

面向業(yè)務(wù)連續(xù)性的快速切換：由于星地拓撲動態(tài)頻繁

變化，網(wǎng)絡(luò)切換場景多樣且復(fù)雜，業(yè)務(wù)連續(xù)性保障難度加

大，對切換管理提出了更高的要求。可通過建立星地協(xié)同

的業(yè)務(wù)管理機制，感知用戶業(yè)務(wù)需求，對用戶進行統(tǒng)一資

源管理，優(yōu)化業(yè)務(wù)體驗。如圖 5 所示，可面向星地切換場

景動態(tài)發(fā)現(xiàn)、快速精準構(gòu)建星地網(wǎng)絡(luò)鄰區(qū)關(guān)系，優(yōu)化衛(wèi)星

網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)鄰區(qū)參數(shù)配置，保證用戶業(yè)務(wù)連續(xù)，盡可

能降低星地切換時延，提升用戶體驗。

圖 5 星地快速切換及智能調(diào)度技術(shù)

面向不同服務(wù)等級的智能調(diào)度：網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜且接入

終端類型眾多，需滿足不同服務(wù)等級的業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)面

向星地業(yè)務(wù)負載均衡的智能調(diào)度：結(jié)合用戶業(yè)務(wù)需求及星

地雙連接等方案，通過星地網(wǎng)絡(luò)負載信息的實時交互，開

展星地業(yè)務(wù)負載的動態(tài)智能卸載，有助于在保證用戶業(yè)務(wù)

體驗的情況下實現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負載均衡。如圖 5 所示，

通過智能調(diào)度，用戶和衛(wèi)星、地面基站建立雙連接，網(wǎng)絡(luò)

可以基于用戶需求、星地網(wǎng)絡(luò)特性及負載情況開展智能調(diào)

度，如廣播及多播業(yè)務(wù)可通過衛(wèi)星鏈路實現(xiàn)關(guān)聯(lián)并高效

開展，單播業(yè)務(wù)可以優(yōu)先通過地面網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)。

動態(tài)干擾規(guī)避技術(shù)：基于星地網(wǎng)絡(luò)頻率信息的實時

交互，可快速調(diào)整星地網(wǎng)絡(luò)小區(qū)頻率部署，開展星地網(wǎng)

絡(luò)小區(qū)頻率動態(tài)規(guī)避，有助于保證星地頻譜資源的高效

利用[25-26]，為業(yè)務(wù)協(xié)同提供保障。如圖 6 所示，NTN 基

站發(fā)生頻率調(diào)整，衛(wèi)星能夠在星地交疊區(qū)域及時通知蜂

窩網(wǎng)絡(luò)進行頻率調(diào)整，實現(xiàn)干擾規(guī)避；反之，蜂窩基站

若進行頻率調(diào)整，衛(wèi)星也能夠快速感知，并進行衛(wèi)星網(wǎng)

絡(luò)的頻率調(diào)整，以保證頻率利用最大化。

圖 6 星地動態(tài)干擾規(guī)避方案

5.3 節(jié)能協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)

為避免輕負載區(qū)地面網(wǎng)絡(luò)通信資源浪費，可以根據(jù)業(yè)務(wù)

分布對地面蜂窩小區(qū)工作模式進行合理適配，基于衛(wèi)星覆

蓋，實現(xiàn)地面網(wǎng)絡(luò)的綠色節(jié)能。但衛(wèi)星波束與蜂窩小區(qū)覆蓋

范圍相差較大，星上處理能力受限，星地節(jié)能協(xié)同還需考慮

衛(wèi)星覆蓋下的星地網(wǎng)絡(luò)流量統(tǒng)計、流量負載與蜂窩小區(qū)工作

模式的最優(yōu)映射及面向節(jié)能協(xié)同的用戶群切換等關(guān)鍵問題。

星地網(wǎng)絡(luò)流量統(tǒng)計：星地智能動態(tài)協(xié)作單元存在星地

資源塊（Resource Block，RB）資源使用統(tǒng)計表。對于地

面網(wǎng)絡(luò)覆蓋，星地智能動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元可通過蜂窩基站或網(wǎng)

管周期性上報獲得的業(yè)務(wù)流量信息；對于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋，

NTN 基站將會把用戶設(shè)備標識（User Equipment Identity

Document，UE ID）、緩沖區(qū)狀態(tài)報告（Buffer Status Report，

BSR）與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite

System，GNSS）信息綁定，并根據(jù)其算力、存儲能力，

將波位劃分為合適數(shù)量的地理區(qū)域，由此獲得各區(qū)域?qū)?yīng)

的 RB 資源使用情況，上報給星地智能動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元。協(xié)

作網(wǎng)元將地理區(qū)域與蜂窩小區(qū)關(guān)聯(lián)起來，形成統(tǒng)計表。

流量負載與蜂窩小區(qū)工作模式的最優(yōu)映射：如圖 7 所

第 3 期 鄧偉等：面向星地協(xié)同的接入網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù) ·19·

示，星地智能動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元基于 RB 資源使用統(tǒng)計表，根

據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載情況決策該蜂窩小區(qū)選擇何種工作模式。一方

面，將蜂窩流量負載劃分為多個區(qū)間，根據(jù)各個蜂窩小區(qū)

在一段時間內(nèi)的流量表現(xiàn)，決定采取正常工作模式、部分

關(guān)斷的節(jié)能模式或小區(qū)完全關(guān)斷模式；另一方面，通過對

各區(qū)域的衛(wèi)星流量統(tǒng)計，決定哪些區(qū)域?qū)?yīng)的蜂窩小區(qū)需

要調(diào)整工作模式，避免衛(wèi)星負載過高。同時，為避免蜂窩

小區(qū)頻繁調(diào)整，需聯(lián)合考慮星地兩網(wǎng)流量對工作模式的影

響，并適時降低經(jīng)過調(diào)整的蜂窩小區(qū)各負載區(qū)間的流量閾

值。星地智能動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元基于以上決策邏輯，向蜂窩基

站下發(fā)工作模式調(diào)整命令。

面向節(jié)能協(xié)同的用戶群切換：星地節(jié)能協(xié)同實則是衛(wèi)

星與蜂窩小區(qū)的協(xié)同覆蓋，會存在部分用戶同時進行衛(wèi)星

與蜂窩小區(qū)之間的群切換的情況，需研究有序可靠的群切

換機制以保障切換穩(wěn)定，避免業(yè)務(wù)中斷。

5.4 測控協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)

為緩解地面測控壓力的同時降低測控投入成本，通過

饋電測控協(xié)同實現(xiàn)部分NTN基站及大網(wǎng)基站的測控能力。

針對有限、分布式的地面測控資源，需考慮其與批量化、

多樣化的測控任務(wù)如何構(gòu)建動態(tài)高效的調(diào)度關(guān)系，以及面

向動態(tài)測控的星地交互流程。

分布式測控高效調(diào)度：星地智能動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元根據(jù)

衛(wèi)星星歷信息、測控單元位置信息、測控單元復(fù)用的是

NTN 基站還是地面大網(wǎng)基站的饋電單元、星地動態(tài) Xn

接口建立消息等，確定測控單元在任意測控時間段內(nèi)的

可見衛(wèi)星集。對于復(fù)用的是 NTN 基站和即將建立 Xn 接

口的大網(wǎng)基站的饋電單元的場景來說，其可見衛(wèi)星集只

包含一顆衛(wèi)星。

基于可見衛(wèi)星集，星地智能動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元根據(jù)衛(wèi)星健

康狀態(tài)信息確定可見衛(wèi)星集的期望測控周期，即健康狀態(tài)

越差，測控周期越短。星地智能動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元根據(jù)可見衛(wèi)

星集的期望周期、距離上一次測控的時長，以及是否存在

遙控指令、遙控指令的剩余執(zhí)行時間等信息，對衛(wèi)星進行

測控緊急度排序，決策該測控單元是否需要進行測控，以

及哪顆衛(wèi)星被測控。

面向動態(tài)測控的星地交互：面向透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星，星地

智能動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元基于測控調(diào)度算法確定測控單元是否

要對該衛(wèi)星進行測控，與下一次測控的相關(guān)信息一起發(fā)送

至測控單元。如圖 8 所示，面向星上再生模式，星地智能

動態(tài)協(xié)作網(wǎng)元需先確定是否接收到大網(wǎng)基站經(jīng)由測控單

元發(fā)來的星地動態(tài) Xn 接口建立信息，根據(jù)測控調(diào)度算法

確定待測衛(wèi)星，其測控對象是動態(tài)不確定的。因此，測控

單元收到測控指令后，需通過饋電?測控接口告知大網(wǎng)基

站饋電單元，使其建立饋電鏈路或直接基于已有 Xn 接口

告知待測衛(wèi)星，及時開啟測控載荷，下發(fā)遙測信息。待測

衛(wèi)星收到指令后，打開測控載荷進行遙測信息的下發(fā)。

圖 7 面向星地節(jié)能協(xié)同的交互流程

·20· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

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第 3 期 鄧偉等：面向星地協(xié)同的接入網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù) ·21·

鄧偉（1978? ），男，中國移動通信有限公司

研究院無線與終端技術(shù)研究所所長、教授級高

級工程師，中國通信標準化協(xié)會（CCSA）

TC12 副主席，主要研究方向為蜂窩移動通信

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[作者簡介]

·22· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

趙琳（1986? ），女，中國移動通信有限公司

研究院無線與終端技術(shù)研究所高級工程師，

主要研究方向為 TD-LTE、NB-IoT 及衛(wèi)星互

聯(lián)網(wǎng)。

翁瑋文（1978? ）,男，博士，中國移動通信

有限公司研究院無線與終端技術(shù)研究所高

級工程師，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)及衛(wèi)星互

聯(lián)網(wǎng)。

杜琴（1995? ），女，中國移動通信有限公司

研究院無線與終端技術(shù)研究所工程師，主要研

究方向為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。

馬克（1989? ），男，中國移動通信有限公司

研究院無線與終端技術(shù)研究所中級工程師，主

要研究方向為衛(wèi)星通信及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。

程錦霞（1981? ），女，博士，中國移動通信

有限公司研究院無線與終端技術(shù)研究所高級

工程師，CCSA TC13 WG1 副組長、IMT-2020

5G 應(yīng)用工作組組長，主要研究方向為衛(wèi)星互

聯(lián)網(wǎng)、面向垂直行業(yè)的 5G 專網(wǎng)及 5G 工業(yè)互

聯(lián)網(wǎng)。

張龍（1985? ），男，中國移動通信有限公司

研究院無線與終端技術(shù)研究所高級工程師，

CCSA TC5 WG9 副組長，主要研究方向為

4G/5G 移動通信及其演進。

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 體 化 信 息 網(wǎng) 絡(luò) Vol.4 No.3

衛(wèi)星云網(wǎng)：一種云網(wǎng)融合的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

虞志剛，丁文慧，陸洲，馮旭，高吉星

（中國電子科技集團公司電子科學(xué)研究院，北京 100041）

摘 要：隨著地面移動通信網(wǎng)絡(luò)從信息隨心至的 5G 時代，邁向萬物互聯(lián)的 6G 時代，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)逐漸成為世界各國發(fā)展熱點。

與此同時，隨著星上計算能力提升，星上計算技術(shù)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合，云網(wǎng)融合成為新的發(fā)展趨勢。在簡要介紹衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、

星上計算發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展架構(gòu)的路線圖，提出一種云網(wǎng)融合的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，簡稱衛(wèi)星云網(wǎng)，

并從通信接入、網(wǎng)絡(luò)傳輸、服務(wù)、控制、管理等 5 個方面分析衛(wèi)星云網(wǎng)體系架構(gòu)相較于傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；星上計算；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；云網(wǎng)融合

中圖分類號：TN92

文獻標志碼：A

doi: 10.11959/j.issn.2096?8930.2023027

Satellite Cloud Network: A Satellite Network Architecture

Based on Cloud-Network Integration

YU Zhigang, DING Wenhui, LU Zhou, FENG Xu, GAO Jixing

China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China

Abstract: With the public land mobile communication network transitioning from the 5G era where information flows freely to the 6G

era where everything is interconnected, satellite networks have become a hot development topic all around the world. At the same time,

with the improvement of satellite on-board computing capabilities and the integration of computing and satellite networks, cloud network integration has become a new development trend. On the basis of a brief introduction to the current development status of satellite

networks and satellite computing, the development roadmap of satellite network development architecture was summarized. Then, a

satellite network architecture based on cloud-network integration (i.e. satellite cloud network) was proposed, and the advantages of satellite cloud network architecture from five aspects: computing driven communication enhancement, computing driven network enhancement were analyzed, computing driven service enhancement, computing driven control enhancement, and computing driven management enhancement.

Keywords: satellite network, satellite computing, network architecture, cloud-network integration

0 引言

隨著航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及商業(yè)航天的日益成

熟，航天制造、發(fā)射成本大幅降低，世界各國紛紛提出衛(wèi)

星網(wǎng)絡(luò)計劃，布局以低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為代表的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建

設(shè)，謀求在未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的先發(fā)優(yōu)勢和主動權(quán)[1]。與

此同時，隨著地面移動通信網(wǎng)絡(luò)從信息隨心至的 5G 時代，

邁向萬物互聯(lián)的 6G 時代，構(gòu)建“網(wǎng)絡(luò)無所不達、服務(wù)無

處不在”的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，已逐漸成為行業(yè)發(fā)展共識，更是

全球科技創(chuàng)新的焦點[2-6]。2023 年 6 月，國際電信聯(lián)盟完

成了《IMT 面向 2030 及未來發(fā)展的框架和總體目標建議

書》，將“泛 在連接”納入 6G 網(wǎng)絡(luò)六大場景之一。

隨著航天電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及商用貨架器件在

航天領(lǐng)域的廣泛使用，星上計算能力快速躍升，已經(jīng)逐漸

收稿日期：2023?06?10；修回日期：2023?08?31

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（No. 62201534, No. 61931017）；國家重點研發(fā)計劃資助項目（No. 2020YFB1806000）；復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真重點實驗基金項目

（No. 614201004032101）

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China(No. 62201534, No. 61931017), National Key Research and Development Program of China

(No.2020YFB1806000), Key Experimental Foundation of Complex Electronic System Simulation (No. 614201004032101)

·24· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

告別“單片機”時代[7-8]。

星上計算是地面計算技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星等航天器產(chǎn)生

的新技術(shù)，按照星上計算與地面之間的關(guān)系可劃分為星上

邊緣計算和星上云計算兩個階段：星上邊緣計算是相對于

地面云計算中心而言，強調(diào)星上計算對地面計算存在依賴

關(guān)系，是地面計算的一種補充。當前星上計算能力相對受

限，正處于星上邊緣計算階段，國內(nèi)外開展了大量研究[9-16]；

星上云計算是在星上邊緣計算的基礎(chǔ)上，借鑒分布式、云

計算理念形成的新概念，強調(diào)隨著航天電子技術(shù)進步，特

別是高性能宇航級處理芯片的出現(xiàn)以及商用貨架芯片的

使用，未來星上計算將有望擺脫對地面的依賴，成為一個

獨立的功能域——星上云計算，不再是地面的邊緣，而是

可獨立運行的衛(wèi)星云，也就是說，星上云計算是星上邊緣

計算發(fā)展的高級形態(tài)。

伴隨著星上計算能力的大幅提升，衛(wèi)星將具備較強的

處理能力，通信衛(wèi)星已經(jīng)告別星上“透傳”階段，正在邁

入星上“處理與組網(wǎng)”階段，并逐漸向未來星上“云網(wǎng)”

階段演進。縱觀國內(nèi)外衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，根據(jù)星上處理能力

所處階段可劃分為以下 3 類。

一是星上“透傳”架構(gòu)，主要應(yīng)用于星上計算能力較

弱的場景，星上采用透明轉(zhuǎn)發(fā)模式[17-18]，即星載“轉(zhuǎn)發(fā)器”

僅對物理信號按照提前預(yù)設(shè)的規(guī)則進行變頻，再重新轉(zhuǎn)發(fā)

至地面站，不對接收到的電磁信號進行調(diào)制/解調(diào)等處理。

傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)多屬于此類，衛(wèi)星不組網(wǎng)、地面組網(wǎng)，

用戶之間通過衛(wèi)星或地面站（網(wǎng)）進行互聯(lián)互通，故亦稱

“天星地網(wǎng)”架構(gòu)。

二是星上“處理與組網(wǎng)”架構(gòu)，主要應(yīng)用于星上計算

能力較強的場景，衛(wèi)星之間通過星間鏈路進行組網(wǎng)，即在

透明轉(zhuǎn)發(fā)模式基礎(chǔ)上，星上引入信號解調(diào)、譯碼、編碼和

調(diào)制等系列處理單元，形成星載“基站”“路由器”，并且

輔助以星間鏈路技術(shù)，衛(wèi)星節(jié)點之間構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)。銥星二

代等低軌星座均屬于這類架構(gòu)[10]。衛(wèi)星組網(wǎng)、地面組網(wǎng)，

用戶之間通過衛(wèi)星（網(wǎng)）或地面站（網(wǎng)）實現(xiàn)互聯(lián)互通，

核心特征是“連接”在星，故亦稱為“天網(wǎng)地網(wǎng)”架構(gòu)。

三是星上“云網(wǎng)”架構(gòu)，主要應(yīng)用于星上計算能力進

一步增強的場景，在衛(wèi)星之間通過星間鏈路組網(wǎng)的基礎(chǔ)

上，通過將部分計算、存儲以及信息服務(wù)功能“前置”到

星上，在極大提升服務(wù)響應(yīng)速度的同時，也促使由提供“連

接”的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，向提供“連接+計算”服務(wù)的衛(wèi)星云網(wǎng)

轉(zhuǎn)變，核心特征是“連接+計算”服務(wù)在星，本文將此架

構(gòu)稱為“衛(wèi)星云網(wǎng)”架構(gòu)。

衛(wèi)星云網(wǎng)是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與星上計算的深度融合，本文從

融合的角度出發(fā)，梳理了現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)的發(fā)展

歷程與典型特征，并在此基礎(chǔ)上，提出了云網(wǎng)融合的衛(wèi)星

網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)和設(shè)想。

1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展趨勢與設(shè)想

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)根據(jù)星上計算處理能力的不同，可

分為 3 階段，如圖 1 所示。

圖 1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)發(fā)展階段

通過這 3 個階段，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)逐漸從提供“連接”服務(wù)

的衛(wèi)星通信，到提供“組網(wǎng)”服務(wù)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，再到提供

“組網(wǎng)服務(wù)+云服務(wù)”的衛(wèi)星云網(wǎng)。

1.1 星上透傳（天星地網(wǎng)）架構(gòu)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)發(fā)展歷程如圖 2 所示。傳統(tǒng)衛(wèi)星通

信系統(tǒng)以高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)為主，憑借其高、廣、遠的優(yōu)

勢，理論上僅需 3 顆衛(wèi)星即可實現(xiàn)全球覆蓋（除兩極）。

此時衛(wèi)星以透明轉(zhuǎn)發(fā)為主，星上僅對信號進行放大和轉(zhuǎn)

發(fā)，不進行處理，此時并不存在所謂的“衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)”，每

顆衛(wèi)星和地面站之間配合，單獨為特定用戶提供通信服

務(wù)。此架構(gòu)下也存在廣義的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)概念，但嚴格上講，

是衛(wèi)星用戶之間的網(wǎng)絡(luò)——用戶網(wǎng)絡(luò)。以圖 2（b）為例，

多個用戶之間通過衛(wèi)星、地面站構(gòu)建成一個任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)

星之間并不組網(wǎng)，地面站之間可以組網(wǎng)，此種情況也常被

形容為“天星地網(wǎng)”，衛(wèi)星類似于信號放大器，實現(xiàn)信號

覆蓋范圍擴大。

1.2 星上組網(wǎng)（天網(wǎng)地網(wǎng)）架構(gòu)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)狹義上理解就是“衛(wèi)星之網(wǎng)絡(luò)”，指的是

天地組網(wǎng)架構(gòu)，通過圖 2（c）可以看出，衛(wèi)星之間通過

星間鏈路構(gòu)建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，相比于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信，衛(wèi)星網(wǎng)

絡(luò)將組網(wǎng)前置、連通性前置。此種情況下，用戶之間互

聯(lián)互通的路徑更短，傳輸時延也更低，同時衛(wèi)星也可以

更多地擺脫對地面站的依賴，形成一個可以獨立運行的

網(wǎng)絡(luò)實體，提升網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。傳統(tǒng)衛(wèi)星通信是在地面

站組網(wǎng)，不同衛(wèi)星之間的用戶需要通過地面站網(wǎng)才能實

現(xiàn)互聯(lián)互通，即兩跳通信；衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場景下，終端之間

可以通過衛(wèi)星直接互聯(lián)，可大幅縮減端到端通信時延。

第 3 期 虞志剛等：衛(wèi)星云網(wǎng)：一種云網(wǎng)融合的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu) ·25·

1.3 衛(wèi)星云網(wǎng)（天地云網(wǎng)）架構(gòu)

衛(wèi)星云網(wǎng)是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的高級形態(tài)，是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技

術(shù)與星上計算技術(shù)融合的產(chǎn)物[11-12]，也是情報信息在軌處

理等各類時敏應(yīng)用對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的新要求，通過星上處理，

可以極大地提升服務(wù)時效性。此時，衛(wèi)星節(jié)點在通信、網(wǎng)

絡(luò)功能之外提供計算服務(wù)，并在此基礎(chǔ)上，通信、網(wǎng)絡(luò)、

計算資源高度共享、融合，實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)從傳統(tǒng)的管道向

服務(wù)躍升，提供多樣化服務(wù)。

圖 2（d）給出了衛(wèi)星云網(wǎng)架構(gòu)，衛(wèi)星云網(wǎng)是在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，形成的服務(wù)型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，相較于傳統(tǒng)衛(wèi)

星通信、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星云網(wǎng)將服務(wù)前置到了衛(wèi)星，將分布

式部署在各顆衛(wèi)星上的計算資源通過星間鏈路構(gòu)成一個云

計算資源池，根據(jù)應(yīng)用需求按需調(diào)度，從而使衛(wèi)星功能實現(xiàn)

了極大豐富，可以進一步縮短服務(wù)響應(yīng)時間。如圖 3 所示，

通過將廣域分布式的星上計算資源、地面計算資源協(xié)同融合

起來，構(gòu)建衛(wèi)星云網(wǎng)，可為各種航天應(yīng)用提供“計算基座”。

圖 2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)發(fā)展歷程

·26· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

2 衛(wèi)星云網(wǎng)特征分析

有別于傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星云網(wǎng)將計算技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)

技術(shù)深度融合，通過對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、計算資源的統(tǒng)一管理、

聯(lián)合調(diào)度，最終使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)各方面能力進一步增強或改

善，下面從通信接入、網(wǎng)絡(luò)傳輸、服務(wù)、控制以及管理等

5 個方面詳細分析。

2.1 計算驅(qū)動的通信接入增強

隨著星上計算能力的提升，學(xué)術(shù)界廣泛提出將部分通

信功能遷移到衛(wèi)星上，從而實現(xiàn)通信服務(wù)能力的增強和優(yōu)

化[17-26]。

（1）數(shù)據(jù)面

一方面，通過將基站相關(guān)功能部署在衛(wèi)星上，如圖 4

所示，實現(xiàn)星上直接進行射頻和基帶處理，改變傳統(tǒng)透明

轉(zhuǎn)發(fā)器只在星上進行上下變頻處理等模式，通過衛(wèi)星節(jié)點

具備基站的完整能力，為用戶提供無線接入功能，避免因

為長距離傳輸造成的噪聲積累。與此同時，衛(wèi)星之間通過

星間鏈路構(gòu)建一張衛(wèi)星承載網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)星載基站與地面核

心網(wǎng)之間的互聯(lián)互通。

圖 4 星載基站場景（支持星上基帶處理，為用戶提供無線接入功能）

另一方面，將部分核心網(wǎng)功能部署在衛(wèi)星上，如圖 5

所示，通過在衛(wèi)星上部署 UPF 等功能，支持衛(wèi)星用戶終端

之間端到端直接通信，無須繞道地面核心網(wǎng)，可以實現(xiàn)數(shù)

據(jù)面在星上的端到端通信，從而縮短端到端的傳輸時延，

大幅提升通信效率，降低對星地傳輸帶寬的依賴，提升用

戶服務(wù)體驗。

（2）控制面

通過將部分核心網(wǎng)功能部署在衛(wèi)星上，實現(xiàn)控制面的

抵近，優(yōu)化通信服務(wù)流程，如圖 6 所示，比如通過將接入

與移動性管理功能（Access and Mobility Management

Function，AMF）等功能部署在衛(wèi)星上，可以直接在星上

圖 3 衛(wèi)星云網(wǎng)（天地云網(wǎng)）架構(gòu)示意

第 3 期 虞志剛等：衛(wèi)星云網(wǎng)：一種云網(wǎng)融合的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu) ·27·

開展接入控制與移動性管理，縮短控制面的時延。

圖 5 星載 UPF 場景（支持端到端直接通信，不必經(jīng)過地面核心網(wǎng)中轉(zhuǎn)）

圖 6 星載 AMF 場景

（支持星上用戶接入認證與移動性管理，縮短用戶接入時間）

綜上，在通信方向，隨著星上計算處理能力的提升，

通過將相關(guān)通信功能網(wǎng)元部署到衛(wèi)星上，可以有效實現(xiàn)

“以計算換帶寬”“以計算換時延”“以計算換靈活架構(gòu)”

等目標，實現(xiàn)一個更加優(yōu)化的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2 計算驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)傳輸增強

在星上部署路由控制軟件，可使衛(wèi)星實現(xiàn)自主控制管

理，從而實現(xiàn)更加高效的傳輸。

（1）數(shù)據(jù)面

通過在星上部署分組轉(zhuǎn)發(fā)，可以實現(xiàn)更加靈活的交換

處理，將傳統(tǒng)的波束級交換、子帶級交換（信道化交換）

進一步細化至分組包級，如圖 7 所示，可以實現(xiàn)更細粒度

的交換，適合當前衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。

圖 7 星上分組交換粒度對比

（2）控制面

通過在星上部署分布式路由協(xié)議，如圖 8 所示，可以

實現(xiàn)更加快速的路由收斂。尤其是在出現(xiàn)突發(fā)異常的場景

下，星上可以直接感知，觸發(fā)相應(yīng)的路由收斂過程，從而

實現(xiàn)快收斂，此時衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以擺脫對地面控制器的依

賴，獨立運行。相對而言，傳統(tǒng)場景下為了降低對星上計

算處理能力的需求，星上通常僅保留轉(zhuǎn)發(fā)面，路由發(fā)現(xiàn)與

路由計算由地面站計算之后上注到衛(wèi)星，此時衛(wèi)星嚴重依

賴地面。當出現(xiàn)一些異常的鏈路或者節(jié)點故障時，衛(wèi)星不

能自主決策，需要等待地面站發(fā)現(xiàn)之后再做相應(yīng)處置。

圖 8 星上路由場景（支持星上路由計算，快速發(fā)現(xiàn)異常，加速收斂）

綜上，在網(wǎng)絡(luò)方向，隨著星上計算處理能力的提升，

通過將相關(guān)網(wǎng)絡(luò)功能網(wǎng)元（分組轉(zhuǎn)發(fā)、路由控制）部署到

衛(wèi)星上，可以有效實現(xiàn)“以計算換帶寬”“以計算換實時

控制”“以計算換高效傳輸”等目標，實現(xiàn)一個更加優(yōu)化

的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

2.3 計算驅(qū)動的服務(wù)增強

（1）數(shù)據(jù)處理

針對遙感信息服務(wù)，通過在星上部署在軌數(shù)據(jù)處理應(yīng)

用，避免遙感衛(wèi)星大量數(shù)據(jù)回傳落地，如圖 9 所示。通過

星上計算極大地減少了星地信息傳輸量，節(jié)省了星地之間

的傳輸帶寬，從而實現(xiàn)“以計算換帶寬”。與此同時，遙

感圖像在軌處理后直接分發(fā)給用戶，可大幅減少業(yè)務(wù)響應(yīng)

時延，提升服務(wù)時效性。

圖 9 星上數(shù)據(jù)處理場景

·28· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

（2）數(shù)據(jù)存儲

針對在軌數(shù)據(jù)分發(fā)存儲類應(yīng)用，充分發(fā)揮衛(wèi)星廣播特

性，在特定地點進行數(shù)據(jù)存儲，為用戶提供就近可靠的數(shù)

據(jù)存儲服務(wù)，避免了重復(fù)從地面獲取數(shù)據(jù)，節(jié)省了星地帶

寬，實現(xiàn)“以存儲換帶寬”。在軌數(shù)據(jù)分發(fā)存儲類應(yīng)用主

要包括兩類：一類是內(nèi)容分發(fā)類應(yīng)用；另一類是高價值數(shù)

據(jù)可靠存儲類應(yīng)用。如圖 10 所示，對于內(nèi)容分發(fā)類應(yīng)用，

根據(jù)內(nèi)容熱度在星上進行熱點內(nèi)容的邊緣緩存，用戶可直

接通過星上 CDN 緩存獲取服務(wù)；對于高價值數(shù)據(jù)可靠存

儲類應(yīng)用，根據(jù)用戶需求在星上進行分布式編碼存儲，當

用戶發(fā)起數(shù)據(jù)請求時，通過星上數(shù)據(jù)匯聚解碼，直接向用

戶提供服務(wù)。利用星上的計算存儲資源，在避免從地面重

復(fù)獲取數(shù)據(jù)的同時，也降低了業(yè)務(wù)響應(yīng)時延，提升了用戶

的業(yè)務(wù)服務(wù)體驗。

圖 10 衛(wèi)星 CDN 場景

綜上，在服務(wù)方面，隨著星上計算處理能力的提升，

通過將相關(guān)服務(wù)功能網(wǎng)元（數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲）部署到

衛(wèi)星上，可以有效實現(xiàn)“以計算換時延”“以計算換帶寬”

“以存儲換時延”等目標，實現(xiàn)一個更加優(yōu)化的衛(wèi)星服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)。

2.4 計算驅(qū)動的控制增強

在網(wǎng)絡(luò)控制增強方面，如圖 11 所示，通過部署“地

面綜合管控，衛(wèi)星邊緣管控”，將一部分管控功能從地面

遷移到天上，星上為用戶提供“就近快速管控”，通過星

上快控制和地面慢控制的協(xié)同，提高管控服務(wù)質(zhì)量。地面

綜合管控具有最高級別權(quán)限，對全網(wǎng)資源及業(yè)務(wù)服務(wù)實施

管理和配置；衛(wèi)星邊緣管控對低軌衛(wèi)星進行管理和配置，

并通過協(xié)作與周邊衛(wèi)星組成協(xié)同星群。通過星地協(xié)同管

控，實現(xiàn)快慢結(jié)合，提升控制實效性。

在業(yè)務(wù)控制方面，通過在星上部署部分服務(wù)編排功

能，對于低時延需求的應(yīng)用，直接在星上完成資源編排，

將用戶需求映射為星載資源的協(xié)同策略，調(diào)度相應(yīng)資源為

用戶提供快速響應(yīng)服務(wù)，實現(xiàn)衛(wèi)星的自主運行控制與任務(wù)

規(guī)劃。

綜上，在控制方面，隨著星上計算處理能力的提升，

通過將控制面功能部署到衛(wèi)星上，實現(xiàn)控制面功能的星

地分布式部署。對實時性要求高的控制功能在星上執(zhí)行，

實現(xiàn)快控制；對實時性要求沒有那么高的控制功能在地

面執(zhí)行，實現(xiàn)慢控制。最終通過星地協(xié)同實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)

的配置。

圖 11 星上控制場景

2.5 計算驅(qū)動的管理增強

在管理方面，基于星上算力資源，可以支持更加智能

化的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理、資源優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)運營等，比如根據(jù)衛(wèi)

星所處的地面區(qū)域（海洋、沙漠、城市等）、衛(wèi)星所處時

區(qū)（晚上、白天）、衛(wèi)星能耗情況等，衛(wèi)星能夠自動地調(diào)

整功率分配、資源分配，實現(xiàn)更加高效的資源使用。比如，

當衛(wèi)星處于黑夜區(qū)域時，用戶較少，衛(wèi)星可進入低功率運

行模式，僅有少數(shù)載荷加電運行。如圖 12 所示，隨著衛(wèi)

星從陸地區(qū)域運動到海洋區(qū)域，衛(wèi)星的波束資源由以寬帶

為主向以物聯(lián)為主進行自主智能調(diào)配。

第 3 期 虞志剛等：衛(wèi)星云網(wǎng)：一種云網(wǎng)融合的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu) ·29·

圖 12 星上智能管理場景（基于位置數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等信息

進行狀態(tài)智能優(yōu)化）

綜上，在管理方面，基于星上提供的強大算力支持，

通過將相關(guān)智能化管理功能部署到衛(wèi)星上，可以有效實現(xiàn)

更加高效的自主運行和管理，提升衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理的時效性

與高效性，同時簡化大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的管理，可有效實現(xiàn)

“以計算換智能”，實現(xiàn)一個更加智能的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)束語

隨著航天電子技術(shù)的進步，特別是高性能宇航級處理

芯片的出現(xiàn)，未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將有望擺脫對地面的依賴，成

為一個獨立的功能域——衛(wèi)星云；與此同時，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技

術(shù)與計算技術(shù)彼此滲透，云網(wǎng)融合成為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新

趨勢。

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·30· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

虞志剛（1989? ），男，博士，中國電子科技

集團公司電子科學(xué)研究院高級工程師，主要研

究方向為衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

丁文慧（1987? ），女，博士，中國電子科技

集團公司電子科學(xué)研究院高級工程師，主要研

究方向為衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

陸洲（1970? ），男，碩士，中國電子科技集

團公司電子科學(xué)研究院研究員，主要研究方向

為衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

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[作者簡介]

馮旭（1987? ），博士，中國電子科技集團公司電子科學(xué)研究院

高級工程師，主要研究方向為衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。

高吉星（1988? ），博士，中國電子科技集團公司電子科學(xué)研究

院高級工程師，主要研究方向為空間智能計算。

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 體 化 信 息 網(wǎng) 絡(luò) Vol.4 No.3

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的新型多址接入技術(shù)

白偉 1

，張鈺婕 1

，康紹莉 1,2，繆德山 1,2，孫韶輝 1,2，陳山枝 2

（1. 中信科移動通信技術(shù)股份有限公司，北京 100083；

2. 中國信息通信科技集團有限公司無線移動通信全國重點實驗室，北京 100083）

摘 要：面向傳播時延大、需要服務(wù)更大規(guī)模用戶數(shù)的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)場景，首先分析 IoT NTN 在技術(shù)方案方面的不足，進而提出非

協(xié)調(diào)的隨機接入和非正交多址傳輸（Uncoordinated Random Access and NOMA Transmission, URAT）新型多址接入解決方案。非協(xié)

調(diào)指終端從隨機接入到多址傳輸?shù)倪^程中不需要專門的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)信令；非正交多址傳輸指所有終端在接入和傳輸過程中共享基站

的時頻資源實現(xiàn)非正交多址傳輸；URAT 還實現(xiàn)了多址接入和 NOMA 傳輸?shù)娜诤稀＠碚摲治龊蛿?shù)值仿真結(jié)果表明，所提方案能夠

降低多址接入時延，提高系統(tǒng)效率，增加可以服務(wù)的終端數(shù)量，將是面向 6G 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)場景的潛在解決方案。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)；IoT NTN；多址接入；URAT

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

doi: 10.11959/j.issn.2096?8930.2023028

New Multiple Access Technologies for Satellite

Internet of Things System

BAI Wei1

, ZHANG Yujie1

, KANG Shaoli1,2, MIAO Deshan 1,2, SUN Shaohui1,2, CHEN Shanzhi2

1. CICT Mobile Communication Technology Co., Ltd., Beijing 100083, China

2. State Key Laboratory of Wireless Mobile Communication, China Information and

Communication Technologies Group Co., Ltd., Beijing 100083, China

Abstract: For satellite internet of things (IoT) scenarios with high propagation delay and the need to serve a larger number of users,

firstly the shortcomings of IoT NTN in terms of technical solutions were analyzed, and then a new type of multi access solution called

uncoordinated random access and NOMA transmission (URAT) was proposed. “Uncoordinated” refers to the process where a terminal

does not require specialized network coordination signaling; “NOMA transmission” refers to the sharing of base station

time-frequency resources by all terminals; URAT also achieves the integration of multiple access and NOMA transmission. Theoretical

analysis and numerical simulation results indicated that the proposed scheme could reduce multi access latency, improve system efficiency, and increase the number of devices that could be served. It will be a potential solution for the 6G satellite IoT scenarios.

Keywords: satellite IoT, IoT NTN, multiple access, URAT

0 引言

3GPP 自 R14 階段開始進行基于 5G 新空中接口（New

Radio, NR）的非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial Network, NTN）

的研究，輸出了一系列的成果，包括梳理典型用例并形成

報告 TR 38.822[1]，探討技術(shù)方案并形成報告 TR 38.811[2]

和 TR 38.821[3]。隨后開啟標準制定工作并于 2022 年 6 月

R17 階段形成第 1 版透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信標準[4-10]，支持寬

帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。IoT NTN 代表衛(wèi)星物聯(lián)

網(wǎng)系統(tǒng)，其在技術(shù)方案上最大化復(fù)用 NR 的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系

統(tǒng)（簡稱“NR NTN”），涉及的關(guān)鍵技術(shù)方案包括鏈路

預(yù)算、時頻同步、定時關(guān)系、用戶面協(xié)議增強、控制面協(xié)

議增強等，能夠達到的系統(tǒng)性能優(yōu)化[11]有：克服衛(wèi)星通信

遠距離傳輸路徑損耗較大、鏈路預(yù)算較差的問題，600 km

收稿日期：2023?04?12；修回日期：2023?08?30

基金項目：國家重點研發(fā)計劃資助項目（No. 2020YFB1807900）

Foundation Item: National Key Research & Development Program of China (No. 2020YFB1807900)

·32· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

高度低軌衛(wèi)星在 45°傾角情況下連接密度可以達到每平方

米約 0.0114 個 IoT NTN 終端設(shè)備；很大程度地減小了由

于傳輸時延大造成的吞吐量或系統(tǒng)效率的損失。

針對 6G，國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union, ITU）已經(jīng)完成了未來技術(shù)趨勢報告[12]和框

架報告[13]，其中空天地一體化已經(jīng)成為業(yè)界共識，預(yù)期為

6G 帶來全域覆蓋的泛在連接。以移動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為例，

相對于 5G 支持的接入用戶數(shù)目，6G 將會有十到百倍的提

升。面向傳播時延大、需要服務(wù)更大規(guī)模用戶數(shù)的衛(wèi)星物

聯(lián)網(wǎng)場景，現(xiàn)有的 IoT NTN 技術(shù)難以滿足場景需求，由此

需要進行方案的優(yōu)化[14-24]。本文提出非協(xié)調(diào)的隨機接入和

非正交多址傳輸（Uncoordinated Random Access and

NOMA Transmission, URAT）新型多址接入解決方案，簡

化 IoT NTN 的多址接入流程，從而降低多址接入時延、增

加可以服務(wù)的終端數(shù)量，預(yù)計可滿足 6G 空天地一體化系

統(tǒng)的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。

NOMA 技術(shù)在 3GPP NR R14 階段研究項目（SI）期

間進行了研究和討論，SI 的結(jié)論為至少對于 eMBB 支持上

行正交多址；至少對于 mMTC，除了正交方案，目標支持

上行非正交多址。最終，NOMA 并未被包含在 3GPP NR

R15 工作項目（WI）的立項內(nèi)容之內(nèi)。

2017 年 3 月 RAN（Radio Access Network）全會通

過了 3GPP NR R15 NOMA SI，繼續(xù)研究上行非正交多址

技術(shù)，但為了給其他 NR WI 更多的時間，NOMA SI 直

到 2018 年 2 月才開始在 RAN1 進行討論，項目也推遲到

3GPP NR R16。NOMA SI 于 2018 年 12 月結(jié)項，沒有達

成一致結(jié)論[25]。

1 IoT NTN 技術(shù)方案和問題分析

1.1 3GPP IoT NTN 技術(shù)方案

自 2020 年，3GPP 在 R17 階段開始對 IoT NTN 進行

研究與標準化[4-10]，研究了時間頻率同步補償、定時增強、

HARQ 增強、連接態(tài)的移動性管理、尋呼和空閑態(tài)管理等

協(xié)議中潛在的問題，制定了基于星歷信息和終端的位置信

息的時間頻率同步補償，通過引入偏移量修正定時關(guān)系，

增大 HARQ 進程數(shù)量，通過允許禁用 HARQ 反饋和允許

配置非重傳模式等增強 HARQ，基于衛(wèi)星移動規(guī)律使用

條件切換機制，引入新的同步塊測量時序配置，引入軟

跟蹤區(qū)域更新碼等關(guān)鍵技術(shù)方案，最終形成了 IoT NTN

技術(shù)標準。

自 2022 年，3GPP 在 R18 階段繼續(xù)對 IoT NTN 進行

技術(shù)增強，目前仍在進行中，主要內(nèi)容包括繼續(xù)解決 R17

階段遺留的問題，包括 HARQ 反饋關(guān)閉、GNSS 測量觸發(fā)

等。還包括 4 個新的問題：覆蓋增強，考慮 NR 覆蓋增強

方案在 NTN 系統(tǒng)中的適用性，實現(xiàn)智能手機直聯(lián)衛(wèi)星的

目標；UE 位置的網(wǎng)絡(luò)驗證，提高 IoT NTN 的安全性；移

動性和業(yè)務(wù)連續(xù)性增強，設(shè)計和完善 TN-NTN 之間的移動

性方案；10 GHz 以上頻譜的支持，研究和確定 NTN 示例

頻段，包括相鄰信道共存的場景和規(guī)則。

分析 3GPP R17 階段和 R18 階段的工作內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，NR

NTN 標準是在盡可能重用 NR 標準的原則基礎(chǔ)上形成的，

IoT NTN 標準是在盡可能重用 NR NTN 標準的原則基礎(chǔ)上

形成的，R17 階段和 R18 階段的目標均是解決一些衛(wèi)星場

景下直接使用 NR 標準無法解決的問題，解決問題的標準

是使得 IoT NTN 終端能夠在衛(wèi)星場景下進行通信。衛(wèi)星距

離終端遠，傳播時延大，導(dǎo)致 IoT NTN 終端接入衛(wèi)星時時

延大、系統(tǒng)效率低、可服務(wù)的終端數(shù)量少等問題，需要從

多址接入和傳輸?shù)慕嵌热?yōu)化 IoT NTN 標準。

1.2 問題分析

接下來，分析基于目前 IoT NTN 標準的多址接入和傳

輸流程，這個復(fù)雜的流程非常不適合 IoT NTN 系統(tǒng)，需要

在 6G 中進行簡化和優(yōu)化。

目前 IoT NTN 標準的多址接入和傳輸流程非常復(fù)雜。

當 UE 需要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時，UE 將先后經(jīng)過以下基本

流程：接入 gNB、向網(wǎng)絡(luò)注冊、接受網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)、接受網(wǎng)絡(luò)

安全配置、上報 UE 能力、與 gNB 建立 RRC 連接、與 UPF

建立 PDU 會話連接、調(diào)度請求、接受上行傳輸調(diào)度、數(shù)

據(jù)傳輸、得到確認信息等，具體流程如圖 1 所示，圖中的

26 次空中接口信令簡單解釋在圖下方標注（1）～（26）

中[26]。從圖 1 中可以看出，UE 和 gNB 之間將進行至少 26

次空中接口傳輸，當有重傳發(fā)生時，空中接口傳輸次數(shù)會

更多。

如此復(fù)雜的多址接入和傳輸流程不適合 IoT NTN 系

統(tǒng)。衛(wèi)星的傳播時延非常大，假設(shè)衛(wèi)星距離地面的高度分

別為 600 km（LEO）、1 200 km（MEO）、35 786 km（GEO），

假設(shè)衛(wèi)星有效覆蓋的最小俯仰角為 10°，根據(jù)地球半徑約

6 371 km，可以計算出衛(wèi)星到終端設(shè)備的最遠距離分別為

1 924 km、3 125 km、40 567 km。對于透傳類型的衛(wèi)星，

僅由距離引起的單程傳播時延分別達到 12.83 ms、

20.83 ms、270.45 ms。在不考慮 IoT 終端和衛(wèi)星的處理時

間、不考慮空中接口的重傳時間等條件下，26 次空中接口

信令傳輸需要的時間分別為 334 ms、542 ms、7 000 ms。

如此大的傳播時延將會導(dǎo)致 3 個主要的問題：LEO 衛(wèi)星的

移動速度快（7.5 km/s）、波束直徑?。?0 km），衛(wèi)星服

第 3 期 白偉等：衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的新型多址接入技術(shù) ·33·

務(wù)時間不超過 2.7 s，衛(wèi)星覆蓋邊緣位置的服務(wù)時間更小，

將有一定比例的 IoT 終端獲得的服務(wù)時間小于信令交互時

延 334 ms，這些 IoT 終端是無法得到 IoT NTN 服務(wù)的；IoT

終端通常會發(fā)送一些小數(shù)據(jù)包，圖 1 的多址接入流程中各

種開銷對 IoT NTN 場景的小數(shù)據(jù)包來說非常大，導(dǎo)致系統(tǒng)

效率非常低；復(fù)雜的多址接入流程，使得每個 IoT NTN 終

端都會長期占用資源，因此限制了 IoT NTN 系統(tǒng)可以服務(wù)

的終端數(shù)量。

因此，需要對 IoT NTN 場景引入新型多址接入和傳輸

流程，目標包括簡化流程，降低時延，提高系統(tǒng)效率，增

加可以服務(wù)的終端數(shù)量等。

（1）通過解析 PSS、SSS、MIB、SIB1，UE 獲得下行

時頻同步、幀定時、小區(qū)識別、初始接入?yún)?shù)等。

（2）UE 選擇和發(fā)送 Preamble，即 RACH MSG1。

（3）gNB 檢測到 Preamble 后，向 UE 發(fā)送 RAR 消息，

即 RACH MSG2。

（4）UE向gNB發(fā)送RRC Setup Request消息，即RACH

MSG3。

（5）gNB向UE發(fā)送RRC Setup消息，即RACH MSG4，

用于競爭解決和建立 SRB1。

（6）UE 向 gNB 反饋 HARQ ACK，表示收到 RACH

MSG4。

圖 1 IoT NTN 標準中的多址接入和傳輸流程

·34· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

（7）UE 根據(jù) RRC Setup 消息建立 SRB1 后，在 SRB1

上向 gNB 發(fā)送 RRC Setup Complete 消息，攜帶的信息包

括注冊的 AMF ID、切片類型和第一條 NAS 消息，其中

NAS 消息可能為 NAS Registration 消息。

gNB 收到 RRC Setup Complete 消息后，根據(jù)其中的

AMF ID 選擇 AMF，向 AMF 發(fā)送 Initial UE Message 消息，

同時轉(zhuǎn)發(fā) UE 的 NAS Registration Request 消息。

AMF 經(jīng)過 gNB 向 UE 發(fā)送 NAS ID Request 消息。

（8）gNB 向 UE 發(fā)送 NAS ID Request 消息。

（9）UE 經(jīng)過 gNB 向 AMF 發(fā)送 NAS ID Response 消

息，消息中包含 UE 的 SUCI 信息。

（10）AMF 經(jīng)過 gNB 向 UE 發(fā)送 NAS Authentication

Request 消息，包含鑒權(quán)參數(shù)。

（11）UE 使用鑒權(quán)參數(shù)和 UE 的 SUCI 等運算后得到

鑒權(quán)響應(yīng)，經(jīng)過 gNB 向 AMF 發(fā)送 NAS Authentication

Response 消息。

（12）AMF 經(jīng)過 gNB 向 UE 發(fā)送 NAS Security Mode

Command 消息，包含加密和完整性保護算法，同時還會

攜帶 ngKSI、Replayed UE Security capabilities 等信息。

（13）UE 經(jīng)過 gNB 向 AMF 發(fā)送 NAS Security Mode

Complete 消息，對上述 SMC 消息進行確認，可能還攜帶

完整的初始 NAS 消息。

（14）AMF 向 gNB 發(fā)送 Initial Context Setup Request

和 Registration Accept 消息，在 gNB 上建立 UE 上下文。

gNB 通過 UE Capability Enquiry 消息向 UE 查詢其無

線能力。

（15）UE 經(jīng)過 gNB 向 AMF 發(fā)送 UE Capability Information 消息。

（16）gNB 向 UE 發(fā)送 AS Security Mode Command 消

息，包括 AS 層安全激活參數(shù)。

（17）UE 通過 SIM 卡中的用戶數(shù)據(jù)完成安全激活，

并向 gNB 發(fā)送 AS Security Mode Complete 消息，告知 gNB

完成了安全激活。

（18）gNB 向 UE 發(fā)送 RRC Connection Reconfiguration

消息來建立 SRB2 和 DRB，同時攜帶 Registration Accept

信息。

（19）UE 向 gNB 回復(fù) RRC Connection Reconfiguration

Complete 消息，gNB 收到后，通過 Initial Context Setup

Response 消息向 AMF 報告。

（20）UE 經(jīng)過 gNB 向 AMF 發(fā)送 NAS Register Complete 消息，完成 UE 在核心網(wǎng)的注冊流程。

（21）UE 經(jīng)過 gNB 向 AMF 發(fā)送 NAS PDU Session

Establishment Request 消息。

（22）AMF 經(jīng)過 gNB 向 UE 發(fā)送 NAS PDU Session

Establishment Accept 消息。

（23）UE 向 gNB 發(fā)送調(diào)度請求消息 SR。

（24）gNB 向 UE 發(fā)送上行調(diào)度許可 UL Grant 消息。

（25）UE 向 gNB 發(fā)送數(shù)據(jù)，gNB 發(fā)送給 UPF 和 DN。

（26）gNB 向 UE 反饋 HARQ ACK 信息。

2 非協(xié)調(diào)的隨機接入與非正交多址傳輸方案

URAT 從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、協(xié)議棧、數(shù)據(jù)流、接口、安全

機制、多址接入流程等多方面進行了設(shè)計。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

方面，URAT 方案在 gNB 上增加了應(yīng)用代理，該應(yīng)用代

理為 gNB 服務(wù)的 IoT 終端提供 NAS 功能，向 gNB 服務(wù)

的 IoT 終端提供上行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，使用該應(yīng)用代理后

IoT 終端不需要直接與核心網(wǎng)交互信令和數(shù)據(jù)。針對新

的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，協(xié)議棧、數(shù)據(jù)流、接口等做了相應(yīng)調(diào)整。

在安全機制方面，應(yīng)用代理把 IoT 終端使用的完整性保

護密鑰和數(shù)據(jù)加密密鑰的生命周期延長。新的多址接入

和傳輸流程如圖 2 所示，終端接入 gNB 后，圖 1 中向網(wǎng)

絡(luò)注冊、接受網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)、接受網(wǎng)絡(luò)安全配置、上報 UE

能力、與 gNB 建立 RRC 連接、與 UPF 建立 PDU 會話

連接等步驟，用圖 2 中的 UE 和 gNB + App Proxy 之間

的信令（7）~（9）代替，通過使用低復(fù)雜度的安全機制

簡化流程；圖 1 中的調(diào)度請求、接受上行傳輸調(diào)度、數(shù)

據(jù)傳輸?shù)炔襟E，用圖 2 中的 UE 和 gNB + App Proxy 之

間的信令（10）~（11）代替，使用低復(fù)雜度的傳輸機制

簡化流程。圖 2 中信令（10）~（11）兩個流程，在完整

性保護密鑰和數(shù)據(jù)加密密鑰的生命周期內(nèi)可以進行任意

次。本文將聚焦圖 2 中最重要的步驟即信令（10）（URAT

Transmission）的設(shè)計和性能分析。

圖 2 中 UE 和 gNB + App Proxy 之間的信令（10）~

（11）可以有多種實現(xiàn)方案，包括借用 5G 中的 3 種方

案[26]，如圖 3 中左邊 3 種方案，簡稱方案 1~3。方案 1

為 4-Step RACH + UL grant + Data，該方案的時延最大，

需要通過優(yōu)化多址接入流程，降低時延。方案 2 為 2-Step

RACH + UL grant + Data，該方案相比方案 1 減少了兩次

空中接口交互，時延較小。方案 3 為 2-Step RACH based

SDT，該方案將數(shù)據(jù)傳輸與接入進行了融合，相比方案 2

減少了 4 次空中接口交互，進一步降低了時延。為了進

一步降低空中接口上的多址接入時延，本文提出圖 3 中

的方案 4。方案 4 為 1.5-Step RACH based SDT，也可以

稱為 one-shot 方案，該方案相比方案 3 減少了一次空中

第 3 期 白偉等：衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的新型多址接入技術(shù) ·35·

接口交互，是時延最低的方案。1.5-Step RACH based SDT

方案的流程如圖 4 所示。

圖 3 4 種 URAT 方案

圖 4 1.5-Step RACH based SDT 的流程

Step 1.5是指gNB僅需要根據(jù) msgU Payload的檢測結(jié)

果，向 UE 反饋 HARQ ACK，不是通常的 gNB 對接入過

程完成的確認。1.5-Step RACH based SDT 方案不需要通過

信令交互 UE 在空中接口上的 ID，而是使用由待傳輸數(shù)據(jù)

產(chǎn)生的內(nèi)生比特作為數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)反饋確認的身份信

息，這是該方案與方案 1~3 之間的不同之處。msgU 的幀

結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，其中，前導(dǎo) Preamble 和數(shù)據(jù) Payload 聯(lián)

合發(fā)送，前導(dǎo)起到隨機接入和控制數(shù)據(jù)格式的功能，數(shù)據(jù)

部分使用 NOMA 傳輸。

圖 5 msgU 的幀結(jié)構(gòu)

1.5-Step RACH based SDT 方案的通信流程如下。

（1）包括 RRC_IDLE 態(tài) UE，UE 可以發(fā)起 1.5-Step

RACH 傳輸，其中上行傳輸?shù)男诺蕾Y源是由 gNB 通過系

統(tǒng)信息配置給 UE 的。

（2）Preamble 的選擇不再是隨機的，而是根據(jù) Payload

內(nèi)生比特（16 或 24 比特）的取值確定。

（3）Preamble 的數(shù)量增加到 64K 個或 16M 個，這些

數(shù)量的 Preamble 是根據(jù) RACH 配置信息通過多個較短

Preamble 組合產(chǎn)生的。

（4）Payload 上傳輸?shù)目刂泼鏀?shù)據(jù)和用戶面數(shù)據(jù)包括：

UE-Identity、resume MAC-I、用戶面數(shù)據(jù)，其中 UE-Identity

是 5G-S-TMSI 的后 39 比特，resume MAC-I 是 UE 基于

UE 存儲的安全 Key 及之前 RRC 消息中的 NCC 值產(chǎn)生的，

當 UE 發(fā)生切換時需要更新安全密鑰，控制面數(shù)據(jù)和用戶

面數(shù)據(jù)的大小在幾字節(jié)到幾百字節(jié)之間。

（5）Payload 使用的多址方式可以為 NOMA，所有

的 UE 將共享信道資源，Payload 的發(fā)送方式，包括交

織、加擾、分集、RV 等，由 Payload 的內(nèi)生比特決定

和指示。

（6）HARQ-ACK 反饋所使用的 UE ID 為 Payload 內(nèi)

生的 UE ID，可以使用 PDCCH Type 2-2 中類似 TPC 進行

傳輸，可以同時向多個 UE 發(fā)送。

圖 2 新的多址接入和傳輸流程

·36· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

3GPP 曾經(jīng)考慮了非正交多址技術(shù)在 mMTC、uRLLC、

eMBB 3 種場景下的應(yīng)用[25]，但是還沒有考慮在 IoT NTN

場景下的應(yīng)用，可以從各家公司向 3GPP 提交的 17 種

NOMA 方案中選擇適合 IoT NTN 場景的 NOMA 方案，進

行進一步的評估，主要是應(yīng)用 IoT NTN 信道、考慮小數(shù)據(jù)

包傳輸、考慮大量 IoT NTN 終端等新的評估條件。大唐電

信科技產(chǎn)業(yè)集團提出的 PDMA 方案，最早引入了不等分

集度的設(shè)計思想，非常適合大量終端的場景。PDMA 可以

繼續(xù)進行演進，包括支持更多的終端數(shù)量、適用于 IoT

NTN 信道、適用于小數(shù)據(jù)包傳輸?shù)?，主要涉及以下幾個方

面的演進。

（1）產(chǎn)生更多的 PDMA 序列

為了支持更多的終端同時接入網(wǎng)絡(luò)，PDMA 方案

需要產(chǎn)生更多的 PDMA 序列，同時，PDMA 序列的長

度也會更長，以支持更多終端同時接入網(wǎng)絡(luò)所需的低碼

率。更長的 PDMA 序列長度，允許有更多的 PDMA 序

列備選。

（2）擴展 PDMA 序列的元素

PDMA 序列包含元素{0, ±1, ±j}，相當于對星座點數(shù)

據(jù)進行 0°、±90°和 180°的旋轉(zhuǎn)操作，其性能可以進一步增

強。對于 PDMA 序列包含的元素，不再局限于{0, ±1, ±j}，

可以擴展到{0, ±1, ±j, ±1±j, ±3±j, ±1±3j, …}。擴展 PDMA

序列的元素，可以增強 PDMA 序列自身的性能，還可以

獲得更多的 PDMA 序列數(shù)量。

（3）設(shè)計導(dǎo)頻

終端從導(dǎo)頻池中隨機選擇一個導(dǎo)頻，通過導(dǎo)頻和擴頻

碼/多址碼之間的綁定關(guān)系，可以確定得到擴頻碼/多址碼。

通過該設(shè)計，可以有效解決導(dǎo)頻污染問題。這個增強的導(dǎo)

頻設(shè)計，不需要網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)，而是由終端自主選擇，所以

能夠支持更多的終端接入。

3 性能分析與評估

鑒于本文提出的新多址接入和傳輸流程（圖 2）相對

于 IoT NTN 標準中的多址接入和傳輸流程（圖 1）明顯

簡化了步驟，從 26 次信令交互減小到 11 次信令交互，

增益是可見的，限于篇幅，本文不再進行定量分析。下

面重點對比分析 4 種 URAT 方案的性能，給出 1.5-Step

RACH based SDT 方案在降低時延、提高系統(tǒng)效率、增加

可以服務(wù)的 IoT 終端數(shù)量等方面的增益。這是因為在圖 2

中，認證和安全步驟進行一次，而 URAT 可以發(fā)生很多

次，也就是說，URAT 的性能決定了新多址接入和傳輸

流程的性能。

性能評估方法采用數(shù)值分析仿真的方法，針對 4

種 URAT 方案，得到具體的流程步驟及其對應(yīng)的時延

大小，再給出一套典型參數(shù)，最后得到 4 種方案的時延

性能。

4-Step RACH+UL grant+Data 方案的時延分析見表 1，

共有 7 個步驟，如果不算重傳的話則共有 6 個步驟。該方

案的步驟最多，時延是最大的。

2-Step RACH+UL grant+Data 方案的時延分析見表 2，

共有 5 個步驟，如果不算重傳的話則共有 4 個步驟。該方

案相比上一個方案，時延會降低。

2-Step RACH based SDT 方案的時延分析見表 3，共有

4 個步驟，如果不算重傳的話則共有 3 個步驟。該方案相

比上一個方案，時延進一步降低。

1.5-Step RACH based SDT 方案的時延分析見表 4，共

表 1 4-Step RACH+UL grant+Data 方案的時延

步驟 時延大小 解釋

發(fā)送 MSG1 1 slot 第一次傳輸

等待 MSG2 ra-Response Window RAR 窗口在 RO 的最后一個符號之后，從用于接收 Typel-PDCCH CSS 的最早

CORESET 的第一個符號開始

可能重發(fā) MSG1 （NT,1+0.75）ms+1 slot 在 RAR 窗口的最后一個符號之后或者 PDSCH 接收的最后一個符號之后的

（NT,1+0.75）ms 內(nèi)進行 PRACH 重傳，最大重傳次數(shù)為 Preamble Trans Max

發(fā)送 MSG3 （NT,1+NT,2+0.5）ms+1 slot 所接收的、承載 RAR 的 PDSCH 的最后一個符號與該 RAR 調(diào)度的 MSG3 的 PUSCH

傳輸?shù)牡谝粋€符號之間的最小時間等于（NT,1+NT,2+0.5）ms

等待 MSG4 ra-Contention Resolution Timer 從發(fā)送 MSG3 的最后一個符號之后開始，啟動計數(shù)器，到接收到 MSG4

發(fā)送 HARQ-ACK （NT,1+0.5）ms+1 slot 發(fā)送包含 HARQ-ACK 信息的 PUCCH 的第一個符號與所接收的相應(yīng) PDSCH 的最后

一個符號之間的最小時間等于（NT,1+0.5）ms

發(fā)送 SR、等待 UL grant、

發(fā)送數(shù)據(jù)、等待 HARQ 確認、重傳

（n+1）×（T0+T1+T2+T3） n 是重傳次數(shù)，T0 是發(fā)送調(diào)度請求的時間，T1 是等待 UL grant 的時間，T2 從 UE 發(fā)

送數(shù)據(jù)的時間，T3 是等到 HARQ 反饋的時間

第 3 期 白偉等：衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的新型多址接入技術(shù) ·37·

有 3 個步驟，如果不算重傳的話則共有 1.5 個步驟。該方

案相比上一個方案，時延進一步降低。

接下來，給出一套典型參數(shù)取值的示例，具體見表 5。

表 5 典型參數(shù)取值

參數(shù) 取值

1 slot 1 ms

NT,1 10/14 ms

NT,2 12/14 ms

在沒有重傳發(fā)生時，可以得到 4 種多址接入技術(shù)方

案的時延數(shù)值，如圖 6 所示。可以看出，第 4 種 1.5-Step

RACH based SDT 的時延相比其他 3 種方案有明顯的降

低，方案 4 的時延是方案 3 時延的約 36%、方案 2 時延的

約 25%、方案 1 時延的約 7%，可以作為 IoT NTN 場景甚

至 6G 中的新型多址接入技術(shù)方案。

接下來分析系統(tǒng)效率、可以服務(wù)的終端數(shù)量、碰撞概

率方面的性能。

假設(shè)所有信令交互占用資源近似相同、IoT 終端需要

發(fā)送一個小數(shù)據(jù)包，在沒有重傳的情況下， 4-Step

RACH+UL grant+Data 方案的 6 個步驟需要進行 9 次信令

交互，系統(tǒng)效率為 11%，而 1.5-Step RACH based SDT 方

案的 1.5 個步驟僅需要進行 2 次信令交互，系統(tǒng)效率為

50%。對于 IoT 終端通常發(fā)送一些小數(shù)據(jù)包的 IoT NTN 場

景來說，相比 4-Step RACH+UL grant+Data 方案，1.5-Step

RACH based SDT 方案可以明顯提升系統(tǒng)效率。

圖 6 4 種方案的時延性能比較

假設(shè)所有信令交互占用資源近似相同，IoT 終端需要

發(fā)送一個小數(shù)據(jù)包，在沒有重傳的情況下，從可以服務(wù)的

表 2 2-Step RACH+UL grant+Data 的時延

步驟 時延大小 解釋

發(fā)送 MSGA 2 slot 第一次傳輸

等待 MSGB ra-Response Window RAR 窗口在 RO 的最后一個符號之后，從用于接收 Typel-PDCCH CSS 的最早 CORESET

的第一個符號開始

可能重發(fā) MSGA （NT,1+0.75）ms+2 slot 在 RAR 窗口的最后一個符號之后或者 PDSCH 接收的最后一個符號之后的（NT,1+0.75）ms

內(nèi)進行 PRACH 重傳，最大重傳次數(shù)為 Preamble Trans Max

發(fā)送 HARQ-ACK （NT,1+0.5）ms+1 slot 發(fā)送包含 HARQ-ACK 信息的 PUCCH 的第一個符號與所接收的相應(yīng) PDSCH 的最后一個

符號之間的最小時間等于（NT,1+0.5）ms

發(fā)送 SR、等待 UL grant、

發(fā)送數(shù)據(jù)、等待 HARQ 確認、重傳

（n+1）×（T0+ T1+T2+T3） n 是重傳次數(shù)，T0 是發(fā)送調(diào)度請求的時間，T1 是等待 UL grant 的時間，T2 從 UE 發(fā)送

數(shù)據(jù)的時間，T3 是等到 HARQ 反饋的時間

表 3 2-Step RACH based SDT 的時延

步驟 時延大小 解釋

發(fā)送 MSGA 2 slot 第一次傳輸

等待 MSGB ra-Response Window RAR 窗口在 RO 的最后一個符號之后，從用于接收 Typel-PDCCH CSS 的最早 CORESET 的第一個符號開始

可能重發(fā) MSGA （NT,1+0.75）ms+2 slot 在 RAR 窗口的最后一個符號之后或者 PDSCH 接收的最后一個符號之后的（NT,1+0.75）ms 內(nèi)進行 PRACH 重

傳，最大重傳次數(shù)為 Preamble Trans Max

發(fā)送 HARQ-ACK （NT,1+0.5）ms+1 slot 發(fā)送包含 HARQ-ACK 信息的 PUCCH 的第一個符號與所接收的相應(yīng) PDSCH 的最后一個符號之間的最小時間

等于（NT,1+0.5）ms

表 4 1.5-Step RACH based SDT 的時延

步驟 時延大小 解釋

發(fā)送 msgU 2 slot 第一次傳輸

等待 HARQ 反饋確認信息 （NT,1+NT,2+0.5）ms+1 slot 所發(fā)送的 msgU 的最后一個符號與該 msgU 的反饋 HARQ 的第一個符號之間的最小時間等于

（NT,1+NT,2+0.5）ms

可能重發(fā) msgU （NT,1+0.5）ms+2 slot 在RAR窗口的最后一個符號之后的（NT,1+0.5）ms內(nèi)進行msgU重傳，最大重傳次數(shù)為Preamble

Trans Max

·38· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

IoT 終端數(shù)量的角度看，4-Step RACH+UL grant+Data 方案

服務(wù)一個 IoT 終端，1.5-Step RACH based SDT 方案可以服

務(wù) 4.5 個 IoT 終端。因此相比 4-Step RACH+UL grant+Data

方案，1.5-Step RACH based SDT 方案能明顯增加可以服務(wù)

的 IoT 終端數(shù)量。

關(guān)于碰撞概率性能，方案 1~3 中，所有用戶共享最大

64 個 Preamble，方案 4 中，所有用戶共享最大 64 K 個

Preamble。那么，方案 4 的每用戶多址接入碰撞概率為方

案 1~3 的每用戶多址接入碰撞概率的 1/1 000。數(shù)據(jù)部分使

用 NOMA 技術(shù)共享所有資源，檢測成功率取決于所采用

的 NOMA 方案和多用戶檢測技術(shù)。

4 需要進一步研究的問題

本文提出了 URAT 新型多址接入解決方案，并且針對

其中最為核心的 URAT 過程，提出了 1.5-Step RACH based

SDT 交互流程，URAT 方案能夠降低多址接入時延，提高

系統(tǒng)效率，增加可以服務(wù)的 IoT 終端數(shù)量，但是仍然存在

一些問題需要進一步的研究。

首先是 URAT 方案的實現(xiàn)復(fù)雜度問題。一方面，URAT

需要較為復(fù)雜的 NOMA 接收進行多用戶信號的接收和檢

測；另一方面，6G 需要支持更多的終端同時接入網(wǎng)絡(luò)，這

個數(shù)量可能是 5G 的 10 倍到 100 倍，網(wǎng)絡(luò)需要同時檢測非

常多的終端信號，因此，URAT 方案將需要較高或極高復(fù)

雜度的接收機。URAT 低復(fù)雜度接收機的實現(xiàn)方案是一個

需要進一步研究的問題，考慮到人工智能（AI）技術(shù)的普

及，基于 AI 的 URAT 接收機將會是一個潛在的解決方案。

其次是 URAT 方案的工作魯棒性問題。URAT 方案相

對于 IoT NTN 標準中的多址接入和傳輸流程明顯簡化了

步驟，這可能會降低URAT方案的工作魯棒性，為此URAT

方案提供了回退機制，即當網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)在正確接收到

URAT 的交互信令 A 后一直無法正確接收 URAT 的交互

信令 B，則終端或網(wǎng)絡(luò)將回退到 IoT NTN 標準中的多址接

入和傳輸流程，從 URAT 的交互信令 A 對應(yīng)的 IoT NTN

標準中的交互信令的下一條交互信令開始交互。URAT 中

回退方案的具體實現(xiàn)是一個需要進一步研究的問題。

最后是接入安全性問題。一方面，大多數(shù)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)

終端對可靠性的要求可能不如智能手機等終端對可靠性

的要求那么高，這主要是由物聯(lián)網(wǎng)終端的成本屬性決定

的；另一方面，URAT 方案從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、安全機制等方面

探索了適合大量衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)終端場景下的低復(fù)雜度安全

性保證方案，但仍然需要繼續(xù)在安全性和復(fù)雜度之間進行

權(quán)衡。URAT 方案的安全性是一個需要進一步研究的問題。

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第 3 期 白偉等：衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的新型多址接入技術(shù) ·39·

白偉（1976? ），男，中信科移動通信技術(shù)股

份有限公司物理層協(xié)議研究資深工程師，主

要研究方向為 6G、移動通信系統(tǒng)設(shè)計、多址

接入。

張鈺婕（1996? ），中信科移動通信技術(shù)股份

有限公司無線技術(shù)研究工程師，主要研究方向

為多址接入。

康紹莉（1974? ），中國信息通信科技集團有

限公司無線移動通信全國重點實驗室工程師，

中信科移動通信技術(shù)股份有限公司移動系統(tǒng)

研究高級技術(shù)專家，主要研究方向為多址接

入、頻譜共享、衛(wèi)星通信及 6G 等。

繆德山（1978? ），中國信息通信科技集團有

限公司無線移動通信全國重點實驗室工程師，

中信科移動通信技術(shù)股份有限公司高級工程

師，主要從事 3GPP NTN、衛(wèi)星通信以及星地

融合空中接口傳輸方面的研究工作。

孫韶輝（1972? ），中國信息通信科技集團有

限公司無線移動通信全國重點實驗室教授級

高級工程師，中信科移動通信技術(shù)股份有限公

司副總經(jīng)理，長期從事移動通信新技術(shù)研究與

標準制定工作，主要研究方向為移動通信系統(tǒng)

設(shè)計及多天線技術(shù)、衛(wèi)星通信、定位等。

陳山枝（1968? ），中國信息通信科技集團有

限公司無線移動通信全國重點實驗室主任，負

責(zé) 4G 和 5G 移動通信、C-V2X 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與

標準研究及產(chǎn)業(yè)化工作，主要研究方向為

B5G 和 6G、車聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星移動通信等。

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作者簡介

2023 年 9 月 Space-Integrated-Ground Information Networks September 2023

第 4 卷第 3 期 天 地 一 體 化 信 息 網(wǎng) 絡(luò) Vol.4 No.3

低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化信號設(shè)計及處理

劉炳宏，趙亞飛，彭木根，趙祥天，封慧琪

（北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室，北京 100876）

摘 要：通導(dǎo)一體化是現(xiàn)代衛(wèi)星通信與導(dǎo)航領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。低軌巨型通信星座的迅速發(fā)展提供了豐富的載荷、鏈路和終

端資源，以及強大的通信覆蓋及信息傳輸能力，同時利用低軌星座幾何構(gòu)型變化快、落地功率強等特點，可實現(xiàn)對現(xiàn)有導(dǎo)航系

統(tǒng)的補充、備份和增強，從而提供覆蓋更廣、精度更高且更為穩(wěn)健的通信與導(dǎo)航服務(wù)。低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化系統(tǒng)中，發(fā)送信號

設(shè)計及接收信號處理是實現(xiàn)高效通信與高精度導(dǎo)航的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為此，首先梳理低軌衛(wèi)星通導(dǎo)融合的演進過程；其次，圍繞發(fā)

送信號設(shè)計和接收信號處理，重點闡述幀結(jié)構(gòu)和接收機設(shè)計的相關(guān)方案；最后，探討未來所面臨的挑戰(zhàn)及潛在解決方案。

關(guān)鍵詞：低軌衛(wèi)星；通導(dǎo)一體化；發(fā)送信號設(shè)計；接收信號處理

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

doi: 10.11959/j.issn.2096?8930.2023029

Design and Processing of Communication and Navigation

Integrated Signal Based on LEO Satellite

LIU Binghong, ZHAO Yafei, PENG Mugen, ZHAO Xiangtian, FENG Huiqi

State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,

Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

Abstract: The integration of communication and navigation is an important direction in modern satellite communication and navigation

fields. The advancement of low earth orbit (LEO) mega-constellations provides the abundant load, link and terminal resources, as well

as the powerful communication coverage and information transmission capabilities. Moreover, together with the fast-changing geometric configuration and strong power, the LEO satellites can complement, backup, and enhance the existing navigation systems to provide

communication and navigation services with broader coverage, higher precision and reliability. In the LEO satellite-enabled communication and navigation-integrated system, the design of the transmitted signals and the processing of the received signals are crucial for

achieving efficient communication and high-precision navigation. To this end, the evolution process of the communication and navigation fusion was first outlined. Then, it focused on the design of transmitting signals and the processing of receiving signals, the relevant

schemes included the layout of the frame structure and the receiver were emphasized, respectively. Finally, the challenges and potential

solutions that lie ahead in the future were explored.

Keywords: LEO satellite, integration of communication and navigation, design of the transmitted signal, processing of the received

signal

0 引言

近年來，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)進入高速發(fā)展階段，國內(nèi)

外相繼大幅度增加了衛(wèi)星部署規(guī)模，計劃未來建造包含大

量低軌衛(wèi)星的低軌巨型星座。英國一網(wǎng)（OneWeb）公司

宣布構(gòu)建包含 648 顆衛(wèi)星的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)[1]；美國太空探

索技術(shù)（SpaceX）公司提出“星鏈”計劃，將在近地軌道

分 3 層部署約 1.2 萬顆衛(wèi)星[2]；美國亞馬遜公司提出“柯

伊伯（Kuiper）”項目，計劃將 3 236 顆衛(wèi)星送入近地軌道[3]；

韓國三星公司預(yù)備發(fā)射 4 600 顆低軌微型衛(wèi)星實現(xiàn)“太空

收稿日期：2023?06?01；修回日期：2023?09?01

基金項目：北京市科技計劃項目(No.Z221100007722012)

Foundation Item: Beijing Municipal Science and Technology Project (No.Z221100007722012)

第 3 期 劉炳宏等：低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化信號設(shè)計及處理 ·41·

互聯(lián)網(wǎng)”計劃[4]。2020 年，中國向國際電信聯(lián)盟（ITU）

提交星座計劃申請，擬發(fā)射 12 992 顆衛(wèi)星組建“星網(wǎng)工

程”[5]。

通信與導(dǎo)航的一體化（簡稱為通導(dǎo)一體化）是當前衛(wèi)

星通信和導(dǎo)航領(lǐng)域研究的熱點之一。傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)

和導(dǎo)航系統(tǒng)相對獨立，然而，隨著通信和導(dǎo)航需求的不斷

增加，對于更高效、更靈活的通信和導(dǎo)航服務(wù)的需求日益

迫切。傳統(tǒng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite

System，GNSS）通常由中地球軌道（Medium Earth Orbit，

MEO）衛(wèi)星和地球同步軌道衛(wèi)星構(gòu)成，衛(wèi)星軌道高度高、

運行速度慢，導(dǎo)航信號傳輸過程中衰減嚴重，且數(shù)據(jù)傳輸

速率低[6]。相較于 GNSS，低軌通信衛(wèi)星軌道高度低，導(dǎo)

航信號的空間傳播損耗低，信號到達地面終端的功率高、

抗干擾能力強；低軌衛(wèi)星運行速度快，多普勒頻移大，有

助于基于多普勒效應(yīng)的定位測量；低軌通信衛(wèi)星本身用于

通信服務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸速率高，可有效減少星歷接收時間，

提升定位收斂速度和系統(tǒng)靈敏度[7]。針對上述 GNSS 的不

足和低軌通信衛(wèi)星的優(yōu)勢，面向低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化的研

究應(yīng)運而生，利用低軌衛(wèi)星所提供的通信信號、時頻信息，

在低軌衛(wèi)星上將通信與定位、導(dǎo)航和授時（Position，

Navigation and Timing，PNT）功能整合，從而提供更加全

面和多樣化的服務(wù)。銥星的定位與授時（Satellite Time and

Location，STL）信號體制是對通導(dǎo)一體化的初步嘗試，通

過在原通信系統(tǒng)上的窄帶尋呼信道傳輸導(dǎo)航信息，可以顯

著增強 PNT 能力。

（1）低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化系統(tǒng)的演進過程

低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化系統(tǒng)的演進過程可以分為以下

幾個階段：基于低軌衛(wèi)星機會信號（Signal of Opportunity，

SOP）的導(dǎo)航系統(tǒng)[8]；低軌衛(wèi)星輔助導(dǎo)航增強系統(tǒng)[9]；低軌

衛(wèi)星通導(dǎo)一體化系統(tǒng)[10]。通過逐步整合不同階段的技術(shù)和

功能，系統(tǒng)能夠逐步提升性能和功能。從最初的基于低軌

衛(wèi)星 SOP 的導(dǎo)航系統(tǒng)到低軌衛(wèi)星輔助導(dǎo)航增強系統(tǒng)，再到

完全融合的通導(dǎo)一體化系統(tǒng)，系統(tǒng)的可用性、可靠性和精

度都得到了顯著改善。這種演進過程反映了對于更高效、

更全面的低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化系統(tǒng)的需求，推動著技術(shù)和

應(yīng)用的不斷發(fā)展。

① 基于低軌衛(wèi)星 SOP 的導(dǎo)航系統(tǒng)

該階段主要基于環(huán)境中存在的低軌衛(wèi)星的 SOP 進行

導(dǎo)航定位。來自低軌衛(wèi)星的 SOP 具有信號功率高、覆蓋廣、

抗干擾以及無須增減基礎(chǔ)設(shè)施等優(yōu)點，因此可以借助低軌

衛(wèi)星的 SOP 實現(xiàn)定位。對低軌衛(wèi)星 SOP 進行處理獲得多

普勒頻率估計，并利用其作為定位觀測信息，結(jié)合衛(wèi)星兩

行軌道根數(shù)（Two-Line Elements，TLE）[11]及軌道預(yù)測模

型所得的衛(wèi)星軌道信息，采用瞬時多普勒定位技術(shù)實現(xiàn)定

位的解算?；诘蛙壭l(wèi)星 SOP 的導(dǎo)航在室內(nèi)、城市和惡劣

環(huán)境下的導(dǎo)航等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，然而也面臨包

括信號多徑效應(yīng)、信號稀疏性、多個無線信號源的互相干

擾等挑戰(zhàn)。

② 低軌衛(wèi)星輔助導(dǎo)航增強系統(tǒng)

隨著對導(dǎo)航精度和可靠性要求的提高，低軌衛(wèi)星輔助

導(dǎo)航增強系統(tǒng)應(yīng)運而生。在這一階段中，引入低軌衛(wèi)星以

彌補傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)在信號可見性及覆蓋范圍等方面的不

足。具體而言，低軌衛(wèi)星可以提供信號增強和信息增強功

能。在信號增強中，低軌衛(wèi)星作為導(dǎo)航信號的增強源，能

夠獨立產(chǎn)生測距信號，從而與現(xiàn)有的 GNSS 信號進行聯(lián)合

定位，且低軌衛(wèi)星到觀測站幾何結(jié)構(gòu)的快速變化能夠有效

縮短精密單點定位（Precise Point Positioning，PPP）[12]的

收斂時間，提升衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的可靠性、可用性與連續(xù)性；

而在信息增強中，基于低軌通信衛(wèi)星的強大通信能力，提

供高帶寬和低時延的 GNSS 差分信息增強服務(wù)，可以有效

解決GNSS接收機在弱信號條件下捕獲和跟蹤靈敏度低等

問題。

③ 低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化系統(tǒng)

該階段通過共享衛(wèi)星資源、優(yōu)化頻譜利用、融合發(fā)送

信號設(shè)計和接收信號處理等措施，實現(xiàn)通信與導(dǎo)航功能的

完全融合。這種一體化的系統(tǒng)可以靈活配置資源，提高資

源的利用效率；同時通信與導(dǎo)航協(xié)同，通過在通信信號中

嵌入導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并利用通信系統(tǒng)的安全機制和干擾抑制等

技術(shù)，增強系統(tǒng)的抗干擾能力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。此外?/p>

提供更為全面、高效的衛(wèi)星服務(wù)，從而滿足終端用戶的多

樣化業(yè)務(wù)需求。

（2）低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化信號體制

隨著通信與導(dǎo)航應(yīng)用的日益多樣化，用戶對于同時獲

得高質(zhì)量通信和精準導(dǎo)航服務(wù)的需求不斷增長。傳統(tǒng)的通

信和導(dǎo)航系統(tǒng)往往采用不同的信號體制，導(dǎo)致用戶需要從

不同的衛(wèi)星系統(tǒng)獲取服務(wù)以滿足差異化的應(yīng)用需求；傳統(tǒng)

的衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)在頻譜分配上存在重疊和浪費的

情況，導(dǎo)致頻譜資源的低效利用。因此，需要開展低軌衛(wèi)

星通導(dǎo)一體化信號體制研究，通過對載波頻段選取、通導(dǎo)

一體化幀結(jié)構(gòu)設(shè)計以及調(diào)制編碼方式選擇等，提供一種統(tǒng)

一的信號體制。通過對發(fā)送信號的精心設(shè)計，可以實現(xiàn)通

信數(shù)據(jù)的高效傳輸和可靠傳達，同時融合導(dǎo)航功能，確保

定位和導(dǎo)航的準確性。此外，在接收端需要對接收到的信

號進行處理和解析，以提取有用信息，并進行相應(yīng)的導(dǎo)航

·42· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

定位和通信解碼。通過接收端信號處理，系統(tǒng)可以有效應(yīng)

對信號干擾和噪聲，提高通信質(zhì)量和導(dǎo)航精度。

1 低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化發(fā)射信號設(shè)計

低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化的基本框架由空間段、地面段和

用戶段構(gòu)成。下面主要關(guān)注空間段的發(fā)射信號設(shè)計，包括

信號幀結(jié)構(gòu)設(shè)計、帶寬及中心頻率選擇、信號調(diào)制和信道

編碼方式等。

1.1 幀結(jié)構(gòu)

（1）基于低軌衛(wèi)星 SOP 的系統(tǒng)

該系統(tǒng)對已存在于周圍環(huán)境中的泛在無線信號加以

利用，通過對無線信號進行隨機接入和融合處理，實現(xiàn)定

位與導(dǎo)航。因此，不涉及對信號幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計。由于缺乏

導(dǎo)航信息，需要進一步借助其他來源以獲取測距方程中的

未知數(shù)。由北美防空司令部（North American Aerospace

Defense Command，NORAD）所制定的 TLE 可以用于彌

補 SOP 導(dǎo)航信息的空缺。TLE 提供了衛(wèi)星軌道狀態(tài)的相

關(guān)數(shù)據(jù)，包含衛(wèi)星的軌道傾角、平均運動速度以及近地點

角距等參數(shù)[13]，可用于計算衛(wèi)星的位置和軌道變化情況，

進行衛(wèi)星通信和導(dǎo)航。

（2）低軌衛(wèi)星輔助導(dǎo)航增強系統(tǒng)

該系統(tǒng)中，除播發(fā)自身業(yè)務(wù)信號之外，低軌衛(wèi)星還可

以獨立播發(fā)導(dǎo)航增強信號，用以輔助 GNSS 定位信號。為

了實現(xiàn)高精度的定位，需要將時鐘差值信息、GNSS 信息

以及低軌衛(wèi)星自身精密軌道信息播發(fā)給用戶終端。以“天

象一號”中導(dǎo)航增強信號的設(shè)計為例[14]，采用高壓縮比、

高更新率的信息幀設(shè)計和播發(fā)策略，基本幀周期為 1 s，

幀長 1 000 bit，符號速率為 1 kbit /s。低軌衛(wèi)星輔助導(dǎo)航增

強系統(tǒng)的基本幀結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。每個電文數(shù)據(jù)幀的長度

為 486 bit，其中最高位的 6 bit 用于表征消息類型，中間

456 bit 為電文數(shù)據(jù)，最低位的 24 bit 用于循環(huán)冗余校驗

（Cyclic Redundancy Check，CRC）。該電文數(shù)據(jù)幀經(jīng)過低

密度奇偶校驗（Low-Density Parity Check，LDPC）編碼之

后得到 972 bit 的電文符號。此外，衛(wèi)星編號為偽隨機噪聲

碼（Pseudo-Random Noise Code，PRN）編號，與衛(wèi)星唯

一對應(yīng)，因此可以依據(jù) PRN 對不同衛(wèi)星進行區(qū)分；預(yù)留

標識位用于指示 PPP 的服務(wù)狀態(tài)，當其高位為 0 時表明衛(wèi)

星的 PPP 服務(wù)可用，否則 PPP 服務(wù)不可用。

圖 1 低軌衛(wèi)星輔助導(dǎo)航增強系統(tǒng)的基本幀結(jié)構(gòu)

（3）低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化系統(tǒng)

首先給出低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化系統(tǒng)中單支路傳輸信

號幀結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

銥星的 STL[15]信號體制即采用該種幀結(jié)構(gòu)，同一支路

上既有導(dǎo)航定位信息又有通信信息，借助時分復(fù)用（Time

Division Multiplexing，TDM）技術(shù)將導(dǎo)航電文與通信數(shù)據(jù)

交替?zhèn)鬏敚诓挥绊懙孛嬗脩粽Ｍㄐ诺耐瑫r為其提供導(dǎo)

航定位。上述導(dǎo)航與通信交替的組合電文經(jīng)同一 PRN 擴

頻后調(diào)制到載波上。此時擴頻碼分為兩段：前段采用短碼

調(diào)制包含用戶 ID、通信電文時間信息以及導(dǎo)航定位信息在

內(nèi)的電文，利于快速捕獲；后段采用長碼調(diào)制通信電文，

提升測距精度和抗干擾能力。此時傳輸信號表示為

x t Ap t s t ft ( ) ( ) ( )sin(2 ? π ??) （1）

其中， A 為擴頻碼的振幅， p( )t 為擴頻碼，s( )t 為導(dǎo)航定

位信息或通信信息， f 和? 為載波頻率和相位。考慮通信

鏈路的雙向性，上述體制容易導(dǎo)致地面終端信息暴露，且

導(dǎo)航電文間斷發(fā)送，難以滿足地面終端的持續(xù)定位需求。

進一步地，提出了雙支路的通導(dǎo)融合模式，其信號幀

結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。在幀結(jié)構(gòu)中，每個幀包含兩條正交的支

路：I 支路和 Q 支路。其中 I 支路為導(dǎo)航信號傳輸支路，

傳輸通過擴頻調(diào)制的 PRN 和簡單的導(dǎo)航電文；Q 支路為

通信信號傳輸支路，傳輸通過擴頻調(diào)制的語音、指令等通

信數(shù)據(jù)。具體而言，在進行擴頻調(diào)制時，Q 支路采用長碼

作為 PRN 以提升測距精度、保密性及抗干擾性能；I 支路

圖 2 低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化系統(tǒng)中單支路傳輸信號幀結(jié)構(gòu)

第 3 期 劉炳宏等：低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化信號設(shè)計及處理 ·43·

采用短碼作為 PRN，且以較低的速率進行傳輸，以便于定

位信息的快速捕獲，同時引導(dǎo)通信段長碼的跟蹤。

圖 3 低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化系統(tǒng)中雙支路傳輸信號幀結(jié)構(gòu)

此時傳輸信號表示為

nn n n n

cc c c c

( ) ( ) ( )sin(2π )

( ) ( )cos(2π )

xt Ap ts t ft

Ap t s t ft

?

?

? ?

? ?

（2）

其中， n p ( )t 和 c p ( )t 分別為導(dǎo)航擴頻碼和通信擴頻碼，An

和 Ac 代表其對應(yīng)的振幅。 n s ( )t 和 c s ( )t 分別為導(dǎo)航定位信

息和通信信息， nf 和?n 代表導(dǎo)航定位信息的載波頻率和

相位， cf 和?c 代表通信信息的載波頻率和相位。接收端

可以分兩條支路對導(dǎo)航信號及通信信號進行分別接收。由

于上述幀結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定連續(xù)地實現(xiàn)測距并提供導(dǎo)航定位

信號，因此相較于單支路信號體制中的導(dǎo)航定位信號不連

續(xù)現(xiàn)象，能夠提供連續(xù)且實時的導(dǎo)航定位服務(wù)。此外，仍

保留了強大的通信傳輸能力，在信號層面上實現(xiàn)了導(dǎo)航與

通信的一體化。

1.2 頻帶、調(diào)制方式選擇及信道編碼

在頻帶選擇方面，圖 4 展示了路徑損耗、大氣衰減、

天線尺寸、可用帶寬資源、吞吐量以及定位精度等通信和

導(dǎo)航指數(shù)與頻帶資源的權(quán)衡關(guān)系。由此可知，在帶寬選擇

方面需要綜合考量包含系統(tǒng)需求（例如定位精度和吞吐

量）、干擾衰落、連續(xù)頻譜可用性以及接收機復(fù)雜度等在

內(nèi)的多種因素，進行詳細的分析和規(guī)劃。

圖 4 通信和導(dǎo)航指數(shù)與頻帶資源的權(quán)衡關(guān)系

在調(diào)制方式選擇方面，寬帶通信業(yè)務(wù)的目標在于實現(xiàn)

高吞吐量，需要高階調(diào)制方案；定位任務(wù)的目標在于實現(xiàn)

高可靠傳輸，對高數(shù)據(jù)速率需求不大，采用低階調(diào)制方案

即可。因此，通導(dǎo)一體化的信號調(diào)制方式的選擇需要綜合

考量通信傳輸和導(dǎo)航定位的要求。低軌衛(wèi)星主要采用數(shù)字

調(diào)制，調(diào)制方式又可以進一步細分為線性調(diào)制和非線性調(diào)

制[16-17]，其中線性調(diào)制通?？梢詫崿F(xiàn)較高的傳輸速率和頻

譜效率。相較于線性調(diào)制，非線性調(diào)制的傳輸速率和頻譜

效率低，但是針對多普勒誤差可以實現(xiàn)稍好的魯棒性，因

而更適用于基于多普勒的定位。此外，針對特定的衛(wèi)星系

統(tǒng)，存在多種調(diào)制方式共存的情況。

在信道編碼方面，通過在發(fā)送端對信號進行編碼，增

加其冗余性，可有效提升信道的傳輸性能，增加傳輸信道

的可靠性和容錯性，降低誤碼率。信道編碼的種類包括線

性分組碼、卷積碼、LDPC 碼、Turbo 碼以及 Polar 碼，其

中應(yīng)用于低軌衛(wèi)星的編碼主要包括線性分組碼、卷積碼和

LDPC 碼[19-20]等。

2 接收信號處理

本文主要關(guān)注用戶段的接收信號處理，包括：接收機

接收衛(wèi)星信號并解碼；根據(jù)多個接收信號計算距離并確定

接收機位置；糾正由于大氣層導(dǎo)致的延遲、多徑效應(yīng)、電

離層效應(yīng)、對流層效應(yīng)以及相位纏繞效應(yīng)等造成的誤差；

輸出包括位置、速度和方向等信息在內(nèi)的定位結(jié)果。用戶

段的核心是接收機的設(shè)計及信號處理，接收機根據(jù)給定的

系統(tǒng)信號進行信號截獲、糾錯和 PNT 計算。因此，下面

將聚焦接收機的設(shè)計環(huán)節(jié)，分別面向基于低軌衛(wèi)星 SOP

的系統(tǒng)、低軌衛(wèi)星輔助導(dǎo)航增強系統(tǒng)以及低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一

體化系統(tǒng)展開分析。

2.1 基于低軌衛(wèi)星 SOP 的系統(tǒng)

在基于 SOP 的系統(tǒng)中，其接收器由軟件定義無線電

（Software Defined Radio，SDR）和測高儀組成。由于 SDR

的靈活性，導(dǎo)航信息的處理可以通過擴展卡爾曼濾波器

（Extended Kalman Filter，EKF）或加權(quán)非線性最小二乘估

計器來執(zhí)行。圖5給出了基于低軌衛(wèi)星SOP的接收機架構(gòu)，

包含跟蹤環(huán)路和導(dǎo)航處理器等。

圖 5 基于低軌衛(wèi)星 SOP 的接收機架構(gòu)

具體而言，首先，將天線所接收到的所有可見的低軌

衛(wèi)星信號與相應(yīng)的中頻信號進行混合，將其劃分到不同信

·44· 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) 第 4 卷

道上進行傳輸；其次，各路信號分別經(jīng)過低通濾波器獲得

指定的帶寬，其中低通濾波器帶寬被設(shè)置為大于二分之一

符號周期且能夠容納多普勒頻移信號。在濾波之后，獲取

的信號被傳遞到跟蹤環(huán)路，所產(chǎn)生的多普勒頻移被進一步

傳遞到 EKF 進行處理從而計算精確的位置或狀態(tài)向量（包

括位置、速度和時間）。

2.2 低軌衛(wèi)星輔助導(dǎo)航增強系統(tǒng)

在低軌衛(wèi)星輔助導(dǎo)航增強系統(tǒng)中，低軌衛(wèi)星對 GNSS

導(dǎo)航信號的增強可以通過輔助提升其捕獲靈敏度來實

現(xiàn)。假設(shè)低軌衛(wèi)星通過其通信信道傳輸 GNSS 導(dǎo)航星歷，

圖 6 給出了低軌衛(wèi)星輔助導(dǎo)航增強系統(tǒng)的接收機架構(gòu)。

圖 6 低軌衛(wèi)星輔助導(dǎo)航增強系統(tǒng)的接收機架構(gòu)

接收機包含低軌衛(wèi)星模塊和 GNSS 模塊，兩模塊皆用

于定位服務(wù)且共用一個振蕩器作為頻率源。GNSS 模塊可

與低軌衛(wèi)星模塊共享從低軌衛(wèi)星信號所獲取的信息。首

先，通過對低軌衛(wèi)星信號進行基帶處理，從中提取多普勒

輔助信息和 GNSS 導(dǎo)航星歷信息。接收機的初始位置可由

多普勒信息估計獲得。接收機利用位置信息和 GNSS 導(dǎo)航

星歷來計算接收機與 GNSS 衛(wèi)星之間的視距鏈路。在估計

的偽距和多普勒輔助信息的幫助下，頻率和碼搜索間隔顯

著減少，從而實現(xiàn)捕獲效率的提升。接收機可以借助多普

勒定位算法估計初始時鐘頻率，并將軌道、時間、多普勒

頻移、GNSS 導(dǎo)航星歷信息等作為輔助信息，以擴展相干

積分時間，從而提高信噪比、有效壓縮帶寬并提升捕獲跟

蹤的靈敏度。綜上所述，通過縮小頻率搜索空間以及借助

LEO 模塊傳遞星歷，可以有效改善微弱信號環(huán)境下 GNSS

信號的接收。

2.3 低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化系統(tǒng)

針對單支路傳輸?shù)耐▽?dǎo)融合信號，由于采用分時方式

交替?zhèn)鬏攲?dǎo)航定位信息或通信信息，本質(zhì)上屬于 TDM，

因此接收端只需要采用嚴格同步的時隙分割方式以及與

發(fā)送端完全相同的接收順序，就可以將分時傳遞的導(dǎo)航信

號和通信信號進行分離和還原，以獲得對應(yīng)的導(dǎo)航定位信

息和通信數(shù)據(jù)。單支路低軌衛(wèi)星通導(dǎo)融合系統(tǒng)接收機架構(gòu)

如圖 7 所示。具體而言，通過天線接收衛(wèi)星信號，高頻衛(wèi)

星信號經(jīng)濾波放大處理后與本地振蕩器混頻，將信號下變

頻至中頻模擬信號，再經(jīng)過脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code

Modulation，PCM）解碼獲得數(shù)字中頻信號。之后，通過

TDM 解復(fù)用器將通信信號和導(dǎo)航信號進行還原，還原后

的信號由分路開關(guān)依次接通各分路，在各分路中經(jīng)基帶信

號處理后獲得對應(yīng)的通信數(shù)據(jù)和導(dǎo)航定位信息。

類似的，針對雙支路傳輸?shù)耐▽?dǎo)融合信號，接收端可

以分兩條支路對導(dǎo)航信號及通信信號采用導(dǎo)航接收機和

通信接收機進行分別接收。雙支路低軌衛(wèi)星通導(dǎo)融合系統(tǒng)

接收機架構(gòu)如圖 8 所示。具體而言，針對混頻所得的模擬

中頻信號，經(jīng)過帶通濾波器分別獲得 Q 支路通信信號和 I

支路導(dǎo)航信號。此后，經(jīng)基帶信號處理后獲得對應(yīng)的通信

數(shù)據(jù)和導(dǎo)航定位信息。

在接收機接收信號之外，還需要進行位置的解算。

用于位置解算的衛(wèi)星無線電業(yè)務(wù)主要包括衛(wèi)星無線電定

位服務(wù)（Radio Determination Service of Satellite，RDSS）

和衛(wèi)星無線電導(dǎo)航服務(wù)（Radio Navigation Service of

Satellite，RNSS）[21]。RDSS 中，位置解算由終端用戶外

的控制系統(tǒng)完成，并將結(jié)果發(fā)送給用戶，該服務(wù)僅需要 2

顆衛(wèi)星參與，但需要信關(guān)站的配合，因此適用于低軌星座

建設(shè)初期，覆蓋重數(shù)不足 4 重時的情況。而在 RNSS 中則

是由用戶接收衛(wèi)星無線電導(dǎo)航信號，自主完成至少到 4 顆

圖 7 單支路低軌衛(wèi)星通導(dǎo)融合系統(tǒng)接收機架構(gòu)

第 3 期 劉炳宏等：低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化信號設(shè)計及處理 ·45·

衛(wèi)星的距離測量和位置解算。在 RNSS 中，根據(jù)衛(wèi)星定位

觀測信息的性質(zhì)可以將定位方法分為偽距定位、多普勒定

位以及載波相位定位[22]；根據(jù)接收機是否有參考基準又可

以將定位方法分為單點定位[12]和多點定位[23]，其中前者包

括單點定位（Single Point Positioning，SPP）和 PPP，后者

包括相對定位和差分定位等。

圖 8 雙支路低軌衛(wèi)星通導(dǎo)融合系統(tǒng)接收機架構(gòu)

3 下一步研究方向

未來，低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化信號設(shè)計及處理還需要在

以下幾方面開展進一步的研究。

（1）大規(guī)模 MIMO 輔助通導(dǎo)一體化

低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化系統(tǒng)可能面臨覆蓋范圍受限問

題，難以滿足大范圍區(qū)域的通信及導(dǎo)航需求，且抗干擾

能力有限，易受外界干擾噪聲影響。為了克服上述問題，

引入大規(guī)模 MIMO 技術(shù)，不僅可以利用低軌衛(wèi)星進行常

規(guī)的衛(wèi)星-地球通信，還可以增強基于低軌衛(wèi)星的定位服

務(wù)[24]。具體而言，通過天線陣列實現(xiàn)空分復(fù)用，從而增加

信道鏈路容量、服務(wù)質(zhì)量以及傳輸速率，且波束賦形可以

通過使用空時分組編碼來擴展每顆低軌衛(wèi)星在地球上的

覆蓋區(qū)域，從而增加用戶終端的數(shù)量。在定位層面，通過

多個天線陣列接收導(dǎo)航信號，可以減少多徑效應(yīng)和信號衰

減，提高導(dǎo)航信號的穩(wěn)定性和定位精度。此外，通過設(shè)計

特定時間僅在地球特定點可見的特定的波束模式，并且將

機器學(xué)習(xí)算法與波束模式相結(jié)合[25]，可以實現(xiàn)基于波束成

形的定位。同時，在波束成形中使用大量天線有助于集中

能量，從而提高效率，降低對擁塞和干擾的敏感性。

（2）通導(dǎo)一體化信號波形及協(xié)議設(shè)計

通信波形和導(dǎo)航波形設(shè)計所關(guān)注的關(guān)鍵性能指標存

在顯著差異：通信波形主要關(guān)注誤碼率、功耗以及多徑抑

制性能；導(dǎo)航波形則主要關(guān)注定時精度、定位精度以及抗

多徑干擾性能等。因此通導(dǎo)一體化信號波形設(shè)計首先需要

明確關(guān)鍵性能指標，既要滿足可靠通信的需求，又要實現(xiàn)

更高的測距和定位精度?？梢栽谕ㄐ判盘柕幕A(chǔ)上對通導(dǎo)

一體化信號波形進行設(shè)計[26]，其中，波形包含多個數(shù)據(jù)通

道及導(dǎo)頻通道，各通道采用速率不同但周期相同的 PRN

進行擴頻，可以通過增加導(dǎo)頻通道數(shù)量、提升 PRN 速率

等手段提升定時精度。此時，通信與導(dǎo)航信號能夠共存于

一個波形，在有效控制二者相互干擾的同時，還需滿足通

信低誤碼率以及導(dǎo)航高定時精度的需求。

此外，由于融合了通信和導(dǎo)航功能，涉及多種信號處

理和協(xié)議設(shè)計方面的復(fù)雜性，通導(dǎo)一體化的信號協(xié)議設(shè)計

面臨一系列難題。例如，差異化應(yīng)用對于導(dǎo)航電文和通信

數(shù)據(jù)的傳輸具有不同的優(yōu)先級需求，協(xié)議設(shè)計需要考慮如

何根據(jù)不同應(yīng)用類型及終端業(yè)務(wù)需求設(shè)置優(yōu)先級，以保障

系統(tǒng)的性能和效率。

（3）空天地聯(lián)合通導(dǎo)一體化

當前所討論的通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)大多基于衛(wèi)星系統(tǒng)所

構(gòu)建，然而在復(fù)雜環(huán)境下面臨信號衰減嚴重的問題，難以

實現(xiàn)精準定位，且易受到干擾、竊聽和欺騙攻擊，安全性

難以保障。而由于蜂窩通信信號的普遍存在，利用 5G 信

號進行定位已成為GNSS系統(tǒng)故障地區(qū)的一種有效的替代

方案[27]。首先進行時域的粗估計，信號通過相關(guān)積分可在

時域獲得大致測距范圍；然后進行頻域的精估計，得到載

波間相位信息，并根據(jù)相位差實現(xiàn)高精度的測距。因此，

未來可將空間衛(wèi)星通導(dǎo)一體化系統(tǒng)與地面通導(dǎo)一體化系

統(tǒng)聯(lián)合，構(gòu)建更加完善和高效的綜合通信與導(dǎo)航服務(wù)體

系，進一步拓展通導(dǎo)一體化技術(shù)的應(yīng)用場景和發(fā)展空間，

提供更全面、高效、穩(wěn)定和安全的通信與導(dǎo)航服務(wù)。

4 結(jié)束語

低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化作為現(xiàn)代通信與導(dǎo)航領(lǐng)域的重

要發(fā)展方向，融合了導(dǎo)航和通信的多重優(yōu)勢，具有巨大的

應(yīng)用潛力和優(yōu)勢。本文針對低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化系統(tǒng)，探

索了發(fā)送端和接收端信號處理的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，同

時展望了未來發(fā)展需求，期望為低軌衛(wèi)星通導(dǎo)一體化網(wǎng)絡(luò)

實現(xiàn)高效可靠發(fā)展提供參考。

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