空間信息資源已成為各個國家的重要戰略資源，天地一體化網絡正在成為發達國家國民經濟和國家安全的重大基礎設施，可實現對空、天、地、海等多維信息的有效獲取、協同、傳輸和匯聚。2024年4月18日，6G技術大會也就空天地一體化主題召開了專門的論壇，并就未來衛星互聯網大規模發展、平流層通信新基礎設施形態、天地一體網絡架構及技術等方向開展了熱烈的討論。
隨著衛星成本下降，衛星互聯網成為新型基礎設施的熱門話題，但其性能、成本與管理仍是值得學術界和產業界共同探索的重要問題
衛星成本持續下降，提升產業熱度。以高軌高通量星為例，在經歷漫長的發展后，容量得到了大幅提升（Viasat3已經實現了1Tbps容量），成本也在持續下降（目前已經達到了3.5美元/Gbps）。帶動相關公司紛紛入局部署，目前國內以上海垣信為代表的低軌衛星公司正在積極布局，包括全自動化的生產流水線、激光通信/白盒化等新技術研究、波束賦形相關芯片的設計等，以便提供更加智能、豐富的衛星商業服務，匯集地理、海事、環境、水文、車聯網、航空等種類豐富的海量數據。
圖1 衛星通信成本變化圖
來源：英國薩里大學孫智立教授《Future visions for Satellite systems in 5G/6G and beyond》
衛星互聯網發展面臨性能評估、成本、管理等問題。與此同時，全球低軌衛星不斷發射，在軌星座規模持續擴大，帶來了性能評估、成本、管理的相關問題。性能方面，西安電子科技大學李建東教授提出，單位面積內覆蓋的衛星數量、業務密度、容量等指標是需要關注的重點。成本方面，目前低軌衛星用戶的服務費約是5G的6倍，未來可以通過星間鏈路的選型、中低軌結合等方式降低成本。此外關于管理方面，與會專家均認可通過引入人工智能的方式，應對頻率干擾、空間碰撞、空間路由等一系列挑戰。
圖2 在非對稱2D-Torus拓撲中刪除冗余星間鏈路（ISL）可以降低成本
來源：西安電子科技大學李建東教授《Evaluation and Design of Mega Satellite Constellations》
手機直連是空天地一體融合的重要標志，是拓展信息消費新空間的有力手段，2024年將進入競爭期，未來將進一步帶動6G星地融合。2022年產業及學術界關注衛星與地面關口站的聯合，并宣布開始進行手機直連衛星的研究。2023年則展開了各類技術驗證，同年我國天通一號手機直連衛星服務在全球率先商用落地。2024年，星鏈開始提供手機直連的短信服務、AST開始提供間歇性連接服務；中國移動開始發星驗證NTN的相關標準。據TrendForce預測，2026年全球NTN市場預計可達88億美元。可見未來NTN類業務（如手機直連等）將帶動6G向星地融合方向持續發展，未來為了實現更靈活的網絡覆蓋以及性能，還需要持續關注網絡架構演變、空口傳輸、頻率共享以及資源管理等方面。
圖3 全球NTN市場預估
來源：中國信科康紹莉《Technology Trend of Integrated Terrestrial-Satellite Mobile communication》
天空平流層通信在技術優化下，或為6G提供更為豐富的空中通信解決方案
日本NTT DOCOMO公司介紹了低成本、低時延、管理簡單的平流層通信（HAPS）。在成本方面，以日本為例，相較低軌衛星需要大規模的星座組網才能夠實現全域覆蓋，采用HIBS的方式覆蓋僅需50個高空平臺即可實現全域接入。在時延方面，高空平臺距離地面20Km的高度，是低軌衛星高度的近1/25，擁有更低的延時和更高的服務體驗。在網絡架構方面，HAPS相對地面靜止，且覆蓋半徑大（約50Km），對于移動性管理的要求不高。
平流層通信的概念雖然已有近20年的歷史，一直以來HAPS的發展存在三大挑戰：一是如何實現遠距離的空口的設計；二是如何跟地面網絡做好頻率高效共享；三是如何做好互聯互通。隨著非對稱的 DFT、虛擬孔徑技術等技術的引入，將HAPS的覆蓋范圍由 5 km提升至50km、目標的分辨率由 500m提升到300m。 目前HAPS已經來到了商用的前夜，日本Space Compass 公司以及法國空客公司均有計劃在 2025 年前后開展提供 HIBS商用服務。
圖4 HAPS與LEO、GEO的性能對比
來源：DOCOMO（北京）通信技術研究中心陳嵐
星地融合是6G發展的必然趨勢，NTN成為天地一體網絡架構的關注重點，通信技術與元器件亟待攻克
與會專家基本一致認可未來星地融合是必然趨勢。衛星服務逐步由電視廣播向4G/5G移動通信方式靠攏，如何實現地面與衛星服務的一致性體驗成為了業界思考的重點，架構與技術是天地一體化落地商用的前提。
圖5 衛星通信服務與地面通信服務走向一致
來源：英國薩里大學孫智立教授《Future visions for Satellite systems in 5G/6G and beyond》
中國信科康紹莉《Technology Trend of Integrated Terrestrial-Satellite Mobile communication》
據6G大會同步發布的《天地一體化技術探索與實踐》白皮書顯示，在架構方面，基于3GPP的5G NTN技術被寄予厚望。尤其是再生模式的網絡架構，將通過在衛星上部署 NG-RAN（+5GC），實現控制面/數據面的延遲降低、并為未部署NTN網關的區域提供低延時業務、服務鏈路與饋線鏈路的頻譜效率提升。
圖6 再生模式網絡架構
來源：未來移動通信論壇《天地一體化技術探索與實踐》
在技術方面，基礎通信技術與專用設備有待進一步研究攻克。天地終端間的相對運動速度高，會帶來傳輸時延和多普勒偏移，同時遠距離通信也會造成偏移等問題，需要加強對于空口同步、時序管理、波束管理、移動性等基礎通信技術的研究。此外，衛星互聯網配套的專用的相控陣天線、轉發器、星間鏈路、終端、星載無線設備、星載核心網設備等，在面向低軌、手機直連等新興場景中也有待進一步研發。
展望
據GSMA數據顯示，目前全球地面移動網的人口覆蓋率69%，地表覆蓋率不足10%，全球80%的陸地，95%的海洋還未覆蓋。地面網絡結合衛星通信的廣覆蓋優勢，將持續擴展應用場景，其中手機直連衛星、物聯網、車聯網、海運、航空等將成為未來天地一體的實用性場景，國內有望實現近千億級的市場空間。
本文作者
韓琳
戰略發展研究所
副主任分析師
碩士，就職于中國電信研究院，長期從事天地一體、云網融合相關技術及行業研究，包括網絡云化、網絡開放等。
鄒昭
戰略發展研究所
二級分析師
碩士，就職于中國電信研究院，從事通信行業研究，專注于人工智能及安全戰略研究。 
