劉哲銘，吳云飛，魏 肖，張 景，陸 洲

(中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京100041)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展已經(jīng)歷經(jīng)四代，見(jiàn)證了人們?nèi)粘Ｉ畹木薮笞兓Ｄ壳?，第五?5G)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展正如火如荼地進(jìn)行中，2022年3月下旬，全球5G標(biāo)準(zhǔn)第三個(gè)版本——3GPP Release 17完成第三階段的功能性凍結(jié)，標(biāo)志著5G技術(shù)演進(jìn)第一階段的圓滿結(jié)束。5G的目標(biāo)是為了滿足高帶寬、大連接和低時(shí)延場(chǎng)景下的通信需求[1]，基于大規(guī)模多天線、全雙工等技術(shù)實(shí)現(xiàn)5G峰值速率、頻譜效率、時(shí)延、移動(dòng)性等性能的全方位提升[2]。然而，5G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋仍以基站為中心，覆蓋范圍小，預(yù)計(jì)在5G時(shí)代仍將有80%以上的陸地和95%以上的海洋沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，高度集中在陸地地表10 km以內(nèi)[3]。除廣覆蓋外，全息通信、增強(qiáng)擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生社會(huì)等6G展望的典型應(yīng)用場(chǎng)景都需要在性能指標(biāo)上相對(duì)5G有進(jìn)一步提升[4]。5G商用伊始，6G研究已悄然開(kāi)啟，通過(guò)新技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)“智慧連接”“深度連接”“全息連接”“泛在連接”，真正實(shí)現(xiàn)“空天地?！币惑w化連接的愿景[5]，應(yīng)用場(chǎng)景也擴(kuò)展到增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬、增強(qiáng)型超可靠低延遲通信、超大規(guī)模機(jī)器通信、遠(yuǎn)距離高移動(dòng)性通信和超低功率通信五大應(yīng)用場(chǎng)景[6]。

在6G愿景中，相對(duì)于5G更突出的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，而不僅僅是通信性能的提升。在通信網(wǎng)絡(luò)幾十年的發(fā)展過(guò)程中，由于經(jīng)濟(jì)效益限制，山區(qū)、叢林、戈壁灘等地區(qū)難以通過(guò)部署基站的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，同時(shí)由于地理環(huán)境的限制，廣闊的空域和海洋也不能被陸地網(wǎng)絡(luò)覆蓋。衛(wèi)星通信則為實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)全球覆蓋提供了最佳的解決方案，這也成為6G通信網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一[7]。與地面通信網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)除支持全球覆蓋外，還具有不受氣候、天氣的影響和系統(tǒng)抗毀能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還能進(jìn)行靈活的信號(hào)配置，易于實(shí)現(xiàn)多種服務(wù)[8]。這些優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步提升了未來(lái)6G的應(yīng)用范圍和服務(wù)能力，例如：海洋、森林等資源監(jiān)視和災(zāi)害監(jiān)測(cè)，大范圍交通物流等監(jiān)控管理,無(wú)人機(jī)、艦船、車(chē)輛等的協(xié)同控制[9]，充分體現(xiàn)出衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性、泛在性與擴(kuò)展性。

如今，已有多個(gè)組織、機(jī)構(gòu)將衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)納入未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展規(guī)劃及標(biāo)準(zhǔn)中，ITU、3GPP、SaT5G等主要標(biāo)準(zhǔn)化組織或研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與5G融合研究[10]，在6G與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)融合方面，ITU在2020年正式啟動(dòng)面向2030及6G的研究工作，明確提出將衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)納入6G網(wǎng)絡(luò)中[11-12]。3GPP組織于2020年5月成功通過(guò)由中國(guó)電信牽頭的“R19 Study on Satellite Access-Phase 3(SAT-Ph3衛(wèi)星接入研究階段三,R19)”立項(xiàng)審議，推進(jìn)3GPP衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)研究，進(jìn)一步推動(dòng)衛(wèi)星通信與地面移動(dòng)通信融合。IMT-2030推進(jìn)組發(fā)布《6G總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)》白皮書(shū)中提到“星地一體融合組網(wǎng)”關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空基、天基、地基網(wǎng)絡(luò)的深度融合[13]。同時(shí)，技術(shù)的進(jìn)步及衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的顯著優(yōu)勢(shì)推動(dòng)許多國(guó)家持續(xù)投入大規(guī)模衛(wèi)星星座的建設(shè)，尤其是2014年以來(lái)支持高頻段、大帶寬的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)，例如：美國(guó)SpaceX公司推出的Starlink與OneWeb公司推出的OneWeb星座、中國(guó)航天科技集團(tuán)公司推出的“鴻雁星座”與航天科工集團(tuán)公司推出的“虹云工程”，為未來(lái)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與6G融合奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文總結(jié)了未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)三大應(yīng)用場(chǎng)景及典型應(yīng)用，并重點(diǎn)參考熱點(diǎn)技術(shù)對(duì)星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后提出未來(lái)需克服的三大關(guān)鍵技術(shù)及星地融合網(wǎng)絡(luò)尤其是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所面對(duì)的挑戰(zhàn)，以此對(duì)未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)與探索。

1 應(yīng)用場(chǎng)景與典型應(yīng)用

星地網(wǎng)絡(luò)融合將是未來(lái)6G發(fā)展的趨勢(shì)，打破衛(wèi)星與地面相互獨(dú)立的現(xiàn)狀。6G時(shí)代不僅體現(xiàn)在地面網(wǎng)絡(luò)性能的提升，星地融合所展現(xiàn)的新特性也將進(jìn)一步拓展通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)也將呈現(xiàn)新的典型應(yīng)用。

1.1 應(yīng)用場(chǎng)景

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)可視為地面通信網(wǎng)絡(luò)向高空的延伸，極大地彌補(bǔ)了地面通信網(wǎng)絡(luò)的劣勢(shì)，同時(shí)也是未來(lái)更加豐富的應(yīng)用場(chǎng)景所需具備的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)拓展部署的方式，衛(wèi)星通信廣域覆蓋使以下更多應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)成為了可能[14]。

① 廣域物聯(lián)通信。萬(wàn)物互聯(lián)作為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，具有分布范圍廣、終端數(shù)量多的特點(diǎn)。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展為大跨度的陸海空客貨運(yùn)輸監(jiān)控、森林海洋等自然資源監(jiān)測(cè)提供了更加便利的服務(wù)，彌補(bǔ)了地面通信網(wǎng)絡(luò)的不足。

② 廣域?qū)拵ㄐ拧Ｐl(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)地面熱點(diǎn)區(qū)域的強(qiáng)化覆蓋，并補(bǔ)足網(wǎng)絡(luò)未覆蓋區(qū)域，實(shí)現(xiàn)具有廣泛覆蓋能力的大帶寬、高速率的網(wǎng)絡(luò)通信能力。為全球地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋受限區(qū)域及貧困地區(qū)提供更加便捷、低成本及有效的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)。

③ 廣域可靠通信。超遠(yuǎn)距離通信，例如：跨國(guó)企業(yè)、金融等數(shù)據(jù)不僅需要能夠穩(wěn)定地傳輸，更需要高可靠性和安全性。目前，超遠(yuǎn)距離跨國(guó)數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)-海底光纜-地面網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程來(lái)傳輸，傳輸過(guò)程需要多次轉(zhuǎn)發(fā)，降低了時(shí)延穩(wěn)定性和安全性。衛(wèi)星通信則可在未來(lái)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)甚至替代的傳輸方式，使穩(wěn)定性和安全性得到進(jìn)一步提升。

1.2 典型應(yīng)用

應(yīng)用場(chǎng)景的拓展為實(shí)踐中的典型業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了先決條件。6G時(shí)代，衛(wèi)星地面一張網(wǎng)，它們之間的差異也逐漸融合與適配，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)成為衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)融合的顯著特征，其催生出的典型應(yīng)用也帶給人們更便捷的生活體驗(yàn)，例如：物聯(lián)網(wǎng)、用戶終端直連衛(wèi)星、應(yīng)急通信等。

① 物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使人們能夠?qū)ξ矬w的控制不受距離的限制，同時(shí)物與物之間也能夠進(jìn)行信息交互。衛(wèi)星通信的加入使通信距離進(jìn)一步拉遠(yuǎn)，通過(guò)傳感器與衛(wèi)星連接能夠?qū)ι?、河流、海洋等自然資源進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)及災(zāi)害預(yù)警，也為無(wú)人汽車(chē)、無(wú)人機(jī)等超遠(yuǎn)距離運(yùn)行提供了可能。

② 用戶終端直連衛(wèi)星。星地之間的網(wǎng)絡(luò)融合不僅是二者之間的互聯(lián)，更是二者之間標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的融合，使日常使用的終端設(shè)備能夠任意直連、切換地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。用戶終端直連衛(wèi)星能夠有效地增強(qiáng)熱點(diǎn)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋及在無(wú)地面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)域?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

③ 應(yīng)急保障。地面通信網(wǎng)絡(luò)易受天氣及地質(zhì)災(zāi)害的影響，在災(zāi)害來(lái)臨時(shí)極大可能造成通信中斷，通信可靠性較差。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行則不受影響，可在緊急情況下提供通信保障。

基于以上6G應(yīng)用場(chǎng)景及典型應(yīng)用的舉例分析，6G的一些關(guān)鍵性能指標(biāo)與5G相比也有了極大地提高，結(jié)合一些組織機(jī)構(gòu)[15-18]對(duì)6G預(yù)期的指標(biāo)要求和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)指標(biāo)要求與5G指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比總結(jié)，如表1所示。

表1 5G與6G關(guān)鍵性能指標(biāo)對(duì)比Tab.1 Comparison of 5G and 6G key performance indicators

2 星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

2.1 星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

星地通信網(wǎng)絡(luò)融合作為6G時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，兩種網(wǎng)絡(luò)融合后的集成架構(gòu)也是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向之一，并從宏觀角度突顯星地融合通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)。6G將把地面移動(dòng)通信與高、中、低軌衛(wèi)星通信和諧地集成在一起，形成統(tǒng)一的同時(shí)支持衛(wèi)星通信和地面通信的標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的終端身份認(rèn)證機(jī)制、統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和控制管理機(jī)制，并整合通信、計(jì)算、導(dǎo)航、AI等，實(shí)現(xiàn)對(duì)空、天、地、海三維立體網(wǎng)絡(luò)信號(hào)全球覆蓋。

面對(duì)未來(lái)6G通信業(yè)務(wù)及應(yīng)用場(chǎng)景需求，結(jié)合現(xiàn)有的地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，設(shè)計(jì)更加靈活、更加智能的星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖1所示。整個(gè)架構(gòu)從上到下分為3層：高軌衛(wèi)星、中低軌衛(wèi)星、地面節(jié)點(diǎn)。部署過(guò)程實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)、核心網(wǎng)網(wǎng)元靈活彈性部署，用戶面功能與控制面板功能分離，AI全網(wǎng)深入智能化賦能，支持軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Functions Virtualization,NFV)技術(shù)[19]，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片來(lái)滿足多場(chǎng)景差異化的業(yè)務(wù)需求，并結(jié)合分布式移動(dòng)邊緣計(jì)算(Mobile Edge Computing,MEC)平臺(tái)，有效實(shí)現(xiàn)將算力從中心延伸到邊緣。

高軌衛(wèi)星：部署輕量化核心網(wǎng)(包括控制面功能網(wǎng)元和用戶面功能網(wǎng)元)、接入網(wǎng)、邊緣計(jì)算服務(wù)單元、AI賦能平臺(tái)及SDN/NFV功能。

中低軌衛(wèi)星：部署核心網(wǎng)用戶面功能網(wǎng)元、接入網(wǎng)、邊緣計(jì)算服務(wù)單元、AI賦能平臺(tái)。

地面節(jié)點(diǎn)：部署地面全功能核心網(wǎng)、地面網(wǎng)關(guān)、地面移動(dòng)基站。

圖1 星地融合通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.1 Satellite-terrestrial converged communication network architecture diagram

2.2 星地融合網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

2.2.1 衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)與處理一體化

針對(duì)未來(lái)6G通信海量信息傳輸，對(duì)信息傳輸時(shí)延、傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)容量都提出了更高的要求。面對(duì)不同的業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延、速率等的差異化需求，通過(guò)透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式可實(shí)現(xiàn)低功耗、高速率，再加上星上處理模式時(shí)延低的特點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的性能。此外，通過(guò)綜合考慮衛(wèi)星平臺(tái)資源和功耗限制，根據(jù)需求來(lái)實(shí)現(xiàn)透明轉(zhuǎn)發(fā)和星上處理載荷的靈活部署，提高綜合效能。

2.2.2 星地管控體制一體化

針對(duì)星地通信網(wǎng)絡(luò)融合后地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)縫切換的需求，以及大量用戶同時(shí)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)接入傳輸過(guò)程控制問(wèn)題等，采用AI輔助的智能管控架構(gòu)[20]以及SDN/NFV支持的軟件可編程性屬性來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)[21]。此外，星地接入與傳輸網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一的技術(shù)體制和網(wǎng)元接口設(shè)計(jì)，支持星地網(wǎng)絡(luò)功能的統(tǒng)一管理和互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)級(jí)深度融合。

2.2.3 按需服務(wù)調(diào)度一體化

針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模覆蓋、應(yīng)用場(chǎng)景多樣化、應(yīng)用需求多樣化的情況，采用按需分配的資源部署方式。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要采用自上而下的模式實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的服務(wù)能力，缺點(diǎn)在于功率均勻分布，不能實(shí)現(xiàn)資源的充分利用。在未來(lái)，隨著用戶終端數(shù)量的急速增加，網(wǎng)絡(luò)需要以更高效、更綠色的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。星地融合使網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍得以擴(kuò)大，其覆蓋策略要從統(tǒng)一覆蓋轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩粜枨篁?qū)動(dòng)的按需覆蓋[22]，覆蓋模式也要從低效率全覆蓋轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝А⒅悄?、精?zhǔn)覆蓋。

3 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與面臨的挑戰(zhàn)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

6G通信技術(shù)的發(fā)展相比5G有著全方位的指標(biāo)突破，特別是衛(wèi)星通信技術(shù)的融入，一些為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的技術(shù)不再適用于星地融合通信網(wǎng)絡(luò)。新的關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)6G網(wǎng)絡(luò)尤其是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的性能提升起著重要的作用。本節(jié)重點(diǎn)介紹6G中衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)可能采用的技術(shù)及未來(lái)發(fā)展過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)。

3.1.1 星地融合頻譜共享與干擾管理

隨著全球通信需求的爆炸性增長(zhǎng)和終端設(shè)備數(shù)量的急劇增加，頻譜稀缺問(wèn)題更加突出，地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間同樣存在頻譜競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題。在6G時(shí)代，星地集成網(wǎng)絡(luò)探索頻譜共享技術(shù)是一個(gè)很有前途的解決方案，一方面減輕了頻譜資源稀缺的壓力，另一方面也可以提高頻譜資源的利用率。

目前，地面網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開(kāi)始使用與衛(wèi)星通信重疊的更高的頻譜；未來(lái)，終端接入網(wǎng)絡(luò)過(guò)程將實(shí)現(xiàn)地面衛(wèi)星統(tǒng)一的接入方式，并實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換。然而，實(shí)現(xiàn)頻譜共享功能需要有效的頻譜管理技術(shù)，避免因頻譜共享造成網(wǎng)絡(luò)擁塞和相互干擾。文獻(xiàn)[23]提出了在星地融合通信網(wǎng)絡(luò)中引入非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)技術(shù)和認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio,CR)技術(shù)兩種最優(yōu)的頻譜共享技術(shù)，通過(guò)兩種技術(shù)的融合允許多個(gè)用戶終端同時(shí)接入空閑頻譜和處于忙碌狀態(tài)的頻譜，從而實(shí)現(xiàn)高效的全頻譜接入。但依舊面臨著因衛(wèi)星傳輸能力有限導(dǎo)致的難以精確感知衛(wèi)星正在使用的頻譜，此外還存在著衛(wèi)星NOMA分組的不公平性和接收機(jī)設(shè)計(jì)的難題。

3.1.2 星地遠(yuǎn)距離隨機(jī)接入技術(shù)

未來(lái)6G通信網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)全球全域覆蓋，地面、海洋、高空的終端數(shù)量將實(shí)現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)，因此，在如此龐大的全球網(wǎng)絡(luò)中，必須能夠支持近乎無(wú)限的無(wú)線連接[24]。如今所應(yīng)用的無(wú)線接入技術(shù)遠(yuǎn)不能滿足在6G時(shí)代支持的全球通信網(wǎng)絡(luò)中無(wú)處不在的設(shè)備無(wú)縫覆蓋需求，必須探索出一種能夠?qū)崿F(xiàn)高動(dòng)態(tài)大規(guī)模連接的隨機(jī)接入技術(shù)。

文獻(xiàn)[25]提出了一種基于聯(lián)合聚類算法的無(wú)閾值隨機(jī)接入前導(dǎo)序列檢測(cè)算法，該算法可以有效地捕獲第一個(gè)到達(dá)路徑對(duì)應(yīng)的正確時(shí)間指標(biāo)，最終能夠進(jìn)一步提高檢測(cè)性能和定時(shí)估計(jì)性能。但聯(lián)合聚類算法的復(fù)雜度較高，需要進(jìn)一步優(yōu)化。文獻(xiàn)[26]則研究了一種高效的低軌衛(wèi)星輔助6G網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)接入前導(dǎo)列的設(shè)計(jì)與檢測(cè)方法。首先提出了一種增強(qiáng)型的前導(dǎo)序列以避免額外的信號(hào)開(kāi)銷(xiāo)與檢測(cè)過(guò)程，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于長(zhǎng)度可變的差分互相關(guān)的新型脈沖定時(shí)度量方法，該方法既不受載波頻率偏移的影響，還能夠減輕噪聲對(duì)定時(shí)估計(jì)的影響。

3.1.3 星地協(xié)同的安全傳輸技術(shù)

衛(wèi)星通信的大覆蓋范圍、大連接特性和開(kāi)放的環(huán)境同時(shí)面臨著星地信息傳輸易被竊聽(tīng)和干擾，因此，用戶的信息安全保障變得更加困難和具有挑戰(zhàn)性。在6G時(shí)代，衛(wèi)星地面通信網(wǎng)絡(luò)已融為一體，可以借助地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)協(xié)同安全傳輸，防止用戶信息被竊聽(tīng)。首先可通過(guò)信息交換和波束形成技術(shù)來(lái)控制對(duì)衛(wèi)星用戶的干擾，此外，星地頻譜共享技術(shù)使星地網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸使用相同的頻譜，可借用地面安全傳輸技術(shù)用于衛(wèi)星信息傳輸?shù)陌踩婪?。通過(guò)協(xié)同安全傳輸構(gòu)建物理層安全，在不使用復(fù)雜的加密技術(shù)的情況下調(diào)高用戶的信息安全。

為了進(jìn)一步提高6G星地融合網(wǎng)絡(luò)的安全性，可通過(guò)人工噪聲技術(shù)來(lái)提高信息傳輸?shù)陌踩?，即通過(guò)添加人工噪聲來(lái)惡化竊聽(tīng)者的信道環(huán)境，同時(shí)控制對(duì)合法用戶的干擾。文獻(xiàn)[27]在研究衛(wèi)星端發(fā)送信息的同時(shí)，產(chǎn)生合法用戶已知的人工噪聲來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送信息的保密，由于合法用戶已知，因此不會(huì)對(duì)合法用戶接收信息造成影響。該方法必須告知合法用戶發(fā)送的噪聲信息，增加了傳輸信息量。文獻(xiàn)[28]則是在衛(wèi)星發(fā)送信息的同時(shí)，產(chǎn)生與發(fā)送信息正交的人工噪聲，從而消除對(duì)合法用戶的干擾。

3.2 面臨的挑戰(zhàn)

6G星地融合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展面臨很多挑戰(zhàn)，尤其是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。如今，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展速度相較于地面通信網(wǎng)絡(luò)一直處于落后的局面，并且還未進(jìn)行普及型應(yīng)用，因此，面臨很多挑戰(zhàn)需要解決。

3.2.1 星地信息傳輸長(zhǎng)時(shí)延挑戰(zhàn)

通信延遲是保證用戶進(jìn)行無(wú)線通信質(zhì)量基本的性能指標(biāo)。星地信息傳輸距離長(zhǎng)，導(dǎo)致路徑損耗大、傳輸延遲大，而除了距離的因素外，還存在用戶終端數(shù)量的爆炸性增長(zhǎng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)量猛增，也存在著信息排隊(duì)和處理的延遲。這對(duì)滿足6G所要求的延遲指標(biāo)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。

由于衛(wèi)星處于上百千米之外，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳播延遲比地面網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)得多，在低時(shí)延方面有著天然的劣勢(shì)，為了提高用戶的通信質(zhì)量，需要努力減少6G時(shí)代與地面通信網(wǎng)絡(luò)集成的衛(wèi)星通信延遲。對(duì)于中、低軌衛(wèi)星的多跳傳輸，傳輸延遲決定于源衛(wèi)星通過(guò)尋找最優(yōu)的多跳路徑最后到達(dá)地面網(wǎng)關(guān)的路徑長(zhǎng)度，因此，合理放置網(wǎng)關(guān)可有效降低傳輸延遲[29]。此外，MEC技術(shù)的應(yīng)用可以提高信息處理的速度，進(jìn)一步降低信息傳輸延遲。

3.2.2 衛(wèi)星高速移動(dòng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)

衛(wèi)星的高速移動(dòng)對(duì)于星地信號(hào)傳輸會(huì)帶來(lái)一系列的挑戰(zhàn)，如多普勒效應(yīng)、頻率同步跟蹤、接入信號(hào)隨著衛(wèi)星的移動(dòng)頻繁切換等問(wèn)題。

低軌衛(wèi)星的移動(dòng)速度每秒能夠達(dá)到幾千千米，多普勒頻移相對(duì)較大，例如，在距離地面600 km的低軌衛(wèi)星，信號(hào)傳輸載波頻率為30 GHz的情況下，多普勒頻移可以達(dá)到±720 kHz[30]。衛(wèi)星的快速移動(dòng)還存在著接入信號(hào)頻繁切換的問(wèn)題，文獻(xiàn)[31]將接入信號(hào)切換類型分為兩種：一種是水平切換，即地面通信網(wǎng)絡(luò)之間或衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行信號(hào)切換；二是垂直切換，即星地網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行傳輸連接時(shí)進(jìn)行切換。對(duì)于水平切換可通過(guò)常規(guī)切換技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，然后對(duì)于垂直切換則面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

3.2.3 星地協(xié)同管理帶來(lái)的挑戰(zhàn)

6G星地融合網(wǎng)絡(luò)包括高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、中低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)等多層網(wǎng)絡(luò)集中形成的一個(gè)三維立體廣域覆蓋的通信網(wǎng)絡(luò)。此外，還要融入多層統(tǒng)一的通信技術(shù)，對(duì)各層進(jìn)行統(tǒng)一管理將是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。

在多層網(wǎng)絡(luò)管理的過(guò)程中，不僅要考慮滿足6G的各項(xiàng)指標(biāo)要求，還要按需進(jìn)行均衡網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍及強(qiáng)度，盡可能避免造成有些區(qū)域沒(méi)有進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信號(hào)連續(xù)覆蓋的情況出現(xiàn)。此外，網(wǎng)絡(luò)管理還會(huì)受到不同層之間的切換和負(fù)載平衡的問(wèn)題挑戰(zhàn)，地面網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)可通過(guò)光纖進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)則需要通過(guò)無(wú)線通信的方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步增加了多層網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜性。

4 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星通信在5G時(shí)代的發(fā)展與起到的作用越來(lái)越受到通信行業(yè)的重視，可以視其為未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展必爭(zhēng)的高地。6G星地融合通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展代表著未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)，其不僅在各項(xiàng)指標(biāo)上有量的突破，更在覆蓋廣度與高度上有進(jìn)一步的延伸。本文首先探索未來(lái)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面通信網(wǎng)絡(luò)融合的發(fā)展趨勢(shì)，并簡(jiǎn)述各個(gè)組織機(jī)構(gòu)對(duì)未來(lái)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的規(guī)劃，側(cè)面反應(yīng)衛(wèi)星通信發(fā)展受到廣泛關(guān)注；其次通過(guò)應(yīng)用場(chǎng)景及典型應(yīng)用對(duì)6G通信以及衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)要求進(jìn)行預(yù)測(cè)；然后對(duì)星地融合通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)進(jìn)行分析，使其更符合未來(lái)6G通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)；最后對(duì)6G時(shí)代衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)可能用到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)述，并就可能遇到的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析。

在未來(lái)研究過(guò)程中，既要重視新技術(shù)的應(yīng)用，也要重視發(fā)展過(guò)程中所面臨的挑戰(zhàn)。這些不僅代表著能克服未來(lái)6G指標(biāo)要求的難題，更為今后的研究指明了方向。