朱斌，胡悦，王光全

（中国联合网络通信有限公司研究院，北京 100048）

0 引言

2020 年国家将5G 网络和卫星互联网共同纳入“新基建”范围，天地一体化（星地）网络及业务融合成为趋势；2017-2020 年移动通信卫星（天通一号等）、高通量卫星（中星16 号等）、低轨卫星（虹云/鸿雁）陆续投入使用，同时面向行业5G 网络（基于微服务化架构）陆续投入商用。不同轨道卫星具备不同特点，在时延、资费、传输能力等方面提供差异化服务，高通量解决带宽受限问题，低轨进一步解决低时延低成本问题（约占高轨1/5）。

随着5G 和卫星新技术的不断发展成熟和国家卫星互联网战略布局，以及一带一路战略对于海洋需求的增加，如何融合高中低轨及运营商网络资源并充分利用新型卫星高带宽/ 低时延优势，发挥中国海洋大国优势，对于海上渔船、离岸海岛与地面网络互通并形成有机一体成为目前关注热点和研究趋势。

1 星地融合发展趋势

1.1 星地融合发展趋势概述

随着卫星通信技术的发展，特别是低轨卫星通信技术的发展，卫星通信在速率和时延上已可以满足大多数5G 业务场景的需求[1-2]，同时5G 网络Rel-16 完整版标准已冻结。因此，卫星通信网络与5G 地面通信网络在技术上已具备融合的基本条件[3-4]。通过构建架构、功能、接口、流程一体化的天地一体5G 网络，能够实现覆盖融合、系统融合、网络融合和业务融合，在提高网络资源利用率的同时，为用户提供全球全域无缝连接、业务连续性和通信服务保障，使能丰富多样的通信业务和应用，具有重要的经济和社会效益。目前国内外针对天地一体5G 网络架构及关键技术要求的相关标准均已在初期的讨论制定中[5-6]，3GPP、ITU 在内的标准化组织专门成立工作组来推动星地业务的融合[7-8]，国内CCSA 组织新成立TC12 工作对空天地一体网络从需求、业务及融合及方面的标准化进行专项研究。随着标准制定的成熟，能够为运营商、设备商、科研机构等相关单位构建天地一体5G试验和商用网络提供重要的技术指导和参考，有利于卫星通信、天地一体相关产业的发展[9]。

1.2 空天地海一体化架构

空天地海一体化总体架构[10-11]，满足未来多层次泛在接入需求，网络组织架构如图1 所示。

图1 空天地一体化网组织架构图

具体由以下系统构成：

（1）“通导遥”感知系统

1）遥感卫星：空间信息；

2）导航卫星：动态信息；

3）通信卫星：通信信息。

（2）网络（传输）系统

1）天基卫星+空中平台+地面网络：空天地海一体化网络；

2）互通（接入/ 融合）网关：天基通导遥信关站与地基网关。

（3）智慧（运营控制）平台系统

1）网络中台：数据分析、计算能力，大数据，区块链，通感遥融合；

2）控制融合：“卫星互联网+地面运营商”融合联动运营系统。

（4）业务应用服务（终端及平台）

1）智慧城市（导航+交通+气象+安防+医疗等）及行业应用（航空航海+应急通信+物联网）及联接（外部行业系统计算中心）平台；

2）数字化支撑平台（大数据处理+AI 辅助仿真增强（星上星下+数字孪生））；

3）泛接入终端：支持星载、机载、地面网络等多种接入模式。

通过构建架构、功能、接口、流程一体化的天地一体网络，实现覆盖融合、系统融合、业务融合，在提高网络资源利用率的同时，为用户提供全球全域无缝连接、业务连续性和通信服务保障，使能丰富多样的通信业务和应用，具有重要的经济和社会效益。

2 空天地海协同架构

2.1 海上通信需求

卫星互联网前景广阔，目前已有海上卫星通信资费高，带宽受限，难以满足如离岸海岛和远海渔船等短时间内大量数据传输访问需求，而传统卫星手持终端造价高，操作不便，可用业务较少，用户实际使用体验较差，手机APP 方式用户操作体验差，语音质量难保障[12]。

渔船雷达、北斗导航、避碰系统（AIS）、电子海图等终端各自独立，自成体系，缺乏集成融合，智能化水平低，误报率较高，容易引起渔民麻痹思想。渔船进入国际航道以及商渔船碰撞事故多发区域，没有相应的设备提醒预警。

因此，在网络架构设计上需满足海上目前“船联网”“一张屏”“集成融合”“接口开放”“智能应急分析”等迫切需求，建设接口标准统一，多终端融合，智能分析开放预警监测接入接口，充分发挥5G 网络、中高低轨卫星网络特性及优势以及泛接入及平台开放能力，打通产业链各方资源。

2.2 空天地海协同架构

随着卫星通信技术的发展，特别是低轨卫星通信技术的发展，卫星通信在速率和时延上已可以满足大多数5G 业务场景的需求，卫星通信网络与5G 地面通信网络在技术上已具备融合的基本条件。针对海上业务需求，基于运营商5G 网络开放优势，结合卫星资源，空天地海的星地融合船载移动通信业务架构设计及方案应用目标考虑如下：

（1）业务体验方面：支持基础通信及物联网业务的方便使用，能够实现普通移动用户终端直接通过运营商移动网络访问卫星互联网，使用语音及数据业务，相比于APP 客户端，客户使用感知体验好，安全可靠强。

（2）资源调度方面：支持高中低轨卫星资源灵活接入无缝切换，由于高轨卫星时延及带宽方面受限，同时低轨星座形成规模之前，在逐步完善过渡阶段中，覆盖区域范围/ 有效使用时间等面临资源从受限到逐步丰富的现状，通过在运营商移动无线网络侧协同调度，实现低轨和中高轨卫星资源的按需合理分配使用的目标。

（3）接口开放方面：利用运营商网络特别是5G 网络边缘计算及能力开放内生的特点，可在船段接入侧部署轻量化开放平台（UPF/MEC 融合平台），提供API 接口方便AI 及大数据应用预处理及船载其它终端数据访问接入，便于船侧数字化数据“一张屏”信息存储及调度。

空天地海协同架构如图2 所示，整体架构分为船载设备、天基网络、陆基网络、用户终端。

图2 空天地海协同架构示意图

（1）船载设备：部署5G 无线基站及船载卫星用户站及协同网关，同时可以根据实际业务需求部署边缘平台进行业务本地开放访问及上传接口，提升业务体验。

（2）天基网络：中高轨卫星天基回传网络及低轨天基回传网络形成异构分层。

（3）陆基网络：部署5G 网络（公网或专网）及近端业务开放平台，可同时对接多家运营商网络及信关站。

（4）终端：5G 用户终端在船上接入船载5G 网络，在陆基上接入公网核心网。

通过以上的协同架构具备如下优势：

（1）系统化解决方案：针对智能船舶数字化需求以及5G、卫星网络资源现状，针对目前船联网目前整体需求，提供一整套系统化解决方案。

（2）船联网数字化改造：作为数字化改革中船联网可选方案之一，将5G+卫星深度融合在船联网应用，利用船载设备开放模块以及陆地设备开放模块，与现有数字化智慧城市各模块结合兼容。

3 产业化应用模式

星地网络融合应用场景前景广阔，在远海5G 无信号覆盖的区域，高速移动的远洋渔政船上部署轻量船载卫星用户站、轻量5G 基站及边缘核心网元，通过卫星互联网构建的天基宽带通信链路，实现渔政船上的普通手机用户通过卫星成功访问联通业务网络，完成视频浏览及下载业务，并能够与其他4G/5G 手机用户进行正常拨打通话业务、发消息等移动5G 业务。可以应用于船载（机载）通信、离岸岛屿的5G 基站回传，及物联网非实时传输等业务中。

（1）典型业务场景一：船载个人通信业务

如图3 所示，船载个人通信业务场景将5G 技术和卫星通信融合，为离岸船舶提供连续不间断的5G 网络连接、百兆以上的高速率互联网业务和增值业务服务，实现海上船只与地面通信网络的互联互通，满足船载设备、科考设备、乘客等的数据上网、语音等基础通信需求，同时依据客户需求可以设置船载控制及乘客娱乐网络独立切片。

图3 船载个人通信业务场景示意图

1）典型业务场景

◆船舶客户本地局域网业务；

◆运营商移动业务；提供如网页浏览、视频观看、数据上传与下载以及与陆地终端进行移动语音通话等。

2）技术方案

◆船上：部署5G 基站（运营商频段）及卫星用户站（船载），同时可根据实际需求部署MEC 设备本地分流；

◆陆基：部署5GC 及IMS 网络（可利旧大网或独立专网），专网方式需对接大网网络资源；

◆终端：客户网络选择自由切换，使用终端在船上接入船载5G 网络资源，在陆基上接入大网5G 网络资源。

（2）典型业务场景二：物联网业务

如图4 所示，船载等物联网业务场景利用卫星和5G融合提供物联网业务的典型应用，支持海量连接，提供深度覆盖能力。作为地面物联网的补充和延伸，在卫星覆盖的区域，物联网终端采集对象的信息，然后通过卫星通信把信息传输到远端的5GC 和物联网平台。

图4 船载等物联网业务场景示意图

1）典型业务场景

◆海洋、森林、矿产等资源的监视和管理；

◆森林、山体、河流、海洋等地区灾害的检测、预报；

◆深海、远海的海洋检测管理，海上浮标、海上救生等；

◆交通、物流、输油管道、电网等健康管理；

◆野外环境下珍稀动物的跟踪监控。

2）技术方案

◆IoT 需求接入侧：部署5G 基站（运营商）及船载卫星用户站；

◆运营商平台侧：部署5GC 及IMS 网络（可利旧大网或独立专网），需对接大网网络及物联网业务平台等资源。

（3）协同应用的运营模式建议

空天地海需要产业链各方充分参与，包括合作伙伴、卫星公司、运营商、政企客户以及最终用户多个角色，如图5 所示。

图5 船联网卫星业务运营模式示意图

运营模式如下：

◆合作伙伴：提供微基站、专网设备以及系统集成能力；

◆卫星公司：提供国内外高中低轨卫星资源以及中继服务；

◆运营商：提供网络集成、卫星租赁服务、网络软件定制服务及计费等能力；

◆政企客户：租用服务的调用、人工管理等；

◆最终用户：获取全天候无缝业务体验。

4 结束语

随着人民生活水平的提高，传统渔民及海洋监测人员对于语音及数据信息业务服务的要求越来越高，传统方式已经不能满足用户多样性、多媒体及个性化的需求，本文提出的空天地海协同架构具有如下前景优势：

（1）优点一：业务体验好

1）无需客户安装APP：船载用户无需安装APP 客户端，即可利用现有手机终端拨打语音电话、访问数据业务，做到用户无感知。

2）船载设备接入灵活：船载无线设备可提供5G、Wi-Fi 等多种接入方式，同时叠加部署的本地模块，具备标准化API 接口及PaaS 平台能力，可部署轻量化本地应用，对语音、视频监控等做轻量化的预处理。

（2）优点二：卫星资源兼容

1）用户无感知：客户可实现无感知的独立或同时接入高、中、低轨卫星资源，减少船载用户侧复杂的组网配置。

2）设备兼容性：数据业务与卫星用户站设备解耦，无需卫星用户站定制开发兼容不同制式（Ka、Ku）融合设备，即可同时或择优使用。

（3）优点三：政府管控数字化推进

1）不单一依赖运营商：运营商基站可进而由政府牵头采用共建共享方式，与三家运营商接口标准化。

2）不单一依赖卫星资源：不依赖卫星不同制式（Ka、Ku）和不同轨道（高中低）资源，无需在卫星用户端制定标准推进融合卫星用户站设备开发，可灵活接入。

3）资费灵活：可以依据时间段、业务类型、资费条件等参数，灵活选择不同卫星接入方式以及媒体出口。

总之，通过空天地海总体架构以及船联网协同架构设计，实现高中低轨卫星与通信网络协同可靠的“岸+岛+船”和“星网云端”的融合通信网络业务，该融合应用本质上优化了海洋渔业信息化的沟通方式，将先进地面移动业务从陆地通信服务全面向“海、陆、空”通信服务领域与市场拓展。随着5G 网络演进及低轨卫星的全面覆盖，未来还将可广泛用于钻井平台及远洋船舶、海外基地及勘察车辆等各类场景，真正实现“广域万物智联”和“全球随遇接入”，潜在社会意义重大。