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1、天地一体化技术探索与实践 2.0目 录目 录摘 要摘 要.11 前言前言.32 需求与愿景需求与愿景.42.1 需求.42.2 愿景.53 天地网络发展现状天地网络发展现状.63.1 卫星通信.63.1.1 卫星通信系统.63.1.2 标准体系.113.1.3 卫星通信系统技术路线.123.1.4 卫星系统业务运营.143.2 地面通信.154 5G NTN 关键技术关键技术.184.1 网络架构.184.2 空口传输技术.204.2.1 同步技术.204.2.2 时序管理.214.2.3 覆盖.224.2.4 系统容量.234.2.5 波束管理.244.2.6 移动性.264.3 安全技术.

2、284.4 卫星实现技术.284.5 终端实现技术.314.6 测试技术.345 5G NTN 产业发展与实践产业发展与实践.365.1 5G NTN 标准制定.365.2 5G NTN 应用场景/实例.39天地一体化技术探索与实践 2.05.2.1 手机直连卫星.395.2.2 物联网.395.2.3 车联网.405.2.4 宽带接入.405.3 基于 5G NTN 的语音技术实践探索.415.3.1 场景与需求.415.3.2 基于 GEO 的 IoT NTN 语音业务.425.3.3 实践总结.516 6G 天地一体化发展与演进天地一体化发展与演进.526.1 5G NTN 局限性.52

3、6.2 6G 天地一体化核心问题.536.3 6G 天地一体化关键技术.546.3.1 新型网络架构.546.3.2 新型接入技术.556.3.3 定位增强.656.3.4 RIS 辅助星地通信.666.3.5 边缘协同计算技术.676.3.6 星间多径路由传输.696.3.7 网络运维与业务管理.716.3.8 网络安全.736.3.9 卫星技术.746.3.10 终端技术.756.3.11 测试技术.766.4 6G 天地一体化技术演进路线预见.797 总结总结.81缩略语缩略语.82参考文献参考文献.84致 谢致 谢.89天地一体化技术探索与实践 2.01/89摘摘 要要随着地面蜂窝通信

4、技术蓬勃发展，从 4G 改变生活，到 5G 改变社会，地面移动通信取得丰硕成果。但受限于建设难度和建设成本，仍有 80%的陆地面积和 95%以上的海洋面积，未实现地面移动通信网络覆盖。卫星通信具有覆盖范围广、不受地形环境限制等优点，可为边远地区提供通信服务，有效弥补地面蜂窝网络覆盖的不足。研究卫星与地面融合通信技术，形成天地一体化通信体制，是卫星通信和地面蜂窝通信的共同需求。第三代合作伙伴项目3GPP 在 R17 正式引入非地面网络 NTN 作为地面网络的补充，并对 5G NTN 展开了更进一步的研究及标准化工作。5G NTN R17 标准的冻结引发了全球产业界的高度关注，各研究院所、运营商、

5、设备、终端和芯片等公司针对 5G NTN 技术积极开展研发与验证工作。此外，天地一体化作为 6G 支柱性技术之一以及基本网络形态，其目标是满足十年后的广域智慧连接和全球泛在无缝接入需求，为广域对象建立智能连接，提供智慧服务，为人类提供全球无间断且一致性的信息服务。本白皮书主要从六个方面阐述了我们对天地一体化通信系统的探索与实践思考，包括需求与愿景、天地网络发展现状、基于 5G NTN 的天地一体化关键技术、基于 5G NTN 的天地一体化产业发展与实践、天地一体化工程实践难题以及面向 6G 天地一体化发展预见。（1）天地一体化需求与愿景卫星通信具有覆盖范围广、抗干扰能力强、部署灵活等特点，可以

6、弥补地面网络在覆盖上的不足。因此，将地面网络和卫星通信融合，可以实现天地一体化的通信系统，为用户提供更优质、更可靠、更智能的服务。在行业需求和技术发展的双重驱动下，卫星通信与地面通信一体化发展也成为未来移动通信系统演进的主流方向。未来移动通信系统将从业务、体制、频谱、系统等不同层次进行融合，构建天地一体化通信系统，实现全球无缝立体覆盖。（2）天地网络发展现状卫星通信先后经历卫星试验、模拟通信、数字通信、宽带卫星通信四个发展阶段。多波束天线、星上处理、星间链路等卫星通信新技术快速发展，高通量、低轨卫星巨型星座相继出现，卫星通信已进入新时代。对于地面蜂窝通信，经历了四十多年的爆发式增长，目前已经渗

7、透到了人们生活的各个领域，并成为推动社会发展的重要动力之一。天地一体化技术探索与实践 2.02/89（3）基于 5G NTN 的天地一体化关键技术基于 5G NTN 的天地一体化关键技术主要涉及网络架构、无线传输技术、卫星实现技术、终端实现技术以及测试技术等。对于网络架构，通信节点不仅局限在陆地，卫星节点将会扮演越来越重要的角色，卫星的载荷和信号处理能力将逐步提升，除了实现透明转发功能与地面基站形成天地一体化组网，还将增加基站和核心网等星上处理功能；无线传输技术主要包括：时频同步技术、时序管理技术以及移动性管理技术等；卫星实现技术主要包括：星载多波束天线技术、星载功放技术、星间链路技术等；终端

8、实现技术主要包括天线技术以及射频前端集成技术。（4）5G NTN 产业发展与实践基于 5G NTN 的天地一体化产业发展与实践涉及到标准制定、应用场景以及实践活动等。其中，对于标准制定，当前主要有 3GPP、中国通信标准化协会 CCSA 从标准层面推动 5G 天地一体化技术的演进。应用场景主要包括手机直连卫星、物联网、车联网以及宽带接入等；对于 5G NTN 实践探索，重点介绍 IoT NTN 语音技术实践与探索，其加速了 IoT NTN 的商业落地，同时也为未来 6G 天地一体化奠定了坚实的基础。（5）6G 天地一体化技术发展与演进5G NTN 能够充分利用地面网络丰富的产业链基础以提升研发

9、效率，但仍然存在互联互通和网络协同效率低等缺点，未能真正实现 NTN 与 TN 的一体化设计。未来 6G 天地一体化需要从硬件技术、网络技术、新型接入技术、网路安全技术等方面开展研究工作以满足 6G 天地一体化的需求与愿景。硬件技术主要包括：卫星天线技术、卫星处理能力，终端天线与射频技术等；网络技术主要包括新型网络架构以及组网技术；新型接入技术主要包括：波形/调制/多址技术、波束管理技术、星间协作技术、星地协同传输技术、移动性增强等。天地一体化技术探索与实践 2.03/891前言前言目前，业界已展开关于天地一体化融合通信相关技术研究。3GPP 5G 通信标准已将 NTN作为地面网络的补充，积极

10、推进 5G NTN 网络架构、空口传输技术、安全技术等相关领域技术规范制定，并于 2022 年发布第一个 3GPP NTN 标准版本。卫星方面，星载相控阵多波束天线、星载功放、星间链路、星上容错冗余等技术正逐步成熟。终端方面，低成本终端相控阵天线技术、射频集成技术、节能技术正在密集攻关。产业界各研究院所、运营商、设备公司、芯片公司、终端公司等积极开展 5G NTN 相关外场测试验证。目前，已基于 R17 IoT-NTN 技术，开展多次 IoT-NTN 卫星通信外场验证，从架构、协议、设备等各方面验证了技术落地能力，验证业务包括短消息、语音对讲等。NR-NTN 相关技术验证也于 2024 年规模

11、开展。天地一体化融合通信进展迅速的同时，也面临着一系列工程实现问题。如天地一体化通信场景丰富、模型复杂，考虑卫星星座发射周期长，进行完整功能的规模测试难度较大；卫星通信与地面通信的技术体制差异较大，实现终端在不同网络间漫游迁徙、交互通信难度较大；卫星通信与地面通信运营体系差别大，业务开通、管理等融合运营支撑体系搭建难度较大。这些都制约着天地一体化融合通信的落地实现。国际电信联盟无线电通信组标准化组织 ITU-R 的 6G 建议书将 5G 的三大应用场景扩展未 6G 的六大应用场景，以实现全应用场景覆盖，除了对 5G 原有的应用场景继续增强和演进，包括沉浸式通信、极可靠低时延通信和大规模通信，还

12、催生出全新的应用场景，包括感知通信一体化、AI 通信一体化和泛在连接，提升生产效率，提高生活品质。其中，泛在连接场景需要通过天地一体化技术实现，换而言之，天地一体化技术是未来 6G 的支柱性技术之一，同时也是 6G 的特征性技术之一。天地一体化技术探索与实践 2.04/892需求与愿景需求与愿景2.1 需求需求5G 和卫星通信是当前通信领域的两大热点。5G 地面网络具有高速率、低时延、大连接密度等特点，可以满足多种应用场景的需求，但受地理环境、基站建设等因素的限制，难以覆盖广阔的地域和海域。未来，自动驾驶汽车、无人物流系统、远程作业机器人等智能系统，将在全球全域广泛部署，成为人类生产和生活的重

13、要组成部分1。届时，这些智能系统之间的信息交互和协同工作将是普遍存在的场景。然而，受制于有限的覆盖能力，地面 5G 通信系统难以为广域智能系统协同工作提供有效的网络服务。卫星通信具有覆盖范围广、抗干扰能力强、部署灵活等特点，可以弥补 5G 地面网络在覆盖上的不足。但受轨道高度、频谱资源等因素的限制，卫星通信难以提供高速率、低时延的服务。因此，将 5G 和卫星通信融合，可以实现天地一体化的通信系统，为用户提供更优质、更可靠、更智能的服务是未来5G 与卫星通信技术演进趋势。普遍预计 2030 年以后，更多的消费者和更多用途的设备将以一种更加智慧的全新方式连接到信息网络中，地面无线网络、地面有线网络

14、及卫星网络等深度融合，共同构成 6G 移动信息网络。此前，业界对于 6G 的典型特征已达成初步共识，提出了诸如泛在互联、多维感知、全域覆盖、绿色低碳、内生安全等典型特征，随着 ITU-R 的 6G 建议书的确定，6G的设计原则如可持续性、安全性、隐私性、弹性、泛在化、智能化等被正式提出，从这些典型特征和设计原则可以预言 6G 将会是 5G 的一个进化体，继承并发扬 5G 的优势，同时结合其他技术，打造出一个普适性的网络2。“天地一体化信息网络”作为国家重大科技创新项目，已写入中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要和“十三五”国家科技创新规划，是“科技创新 2030新重大项目”之一

15、，与量子通信、脑科学、深海空间站一起作为科技部“十三五”首批启动的重大工程。天地一体化技术探索与实践 2.05/892.2 愿景愿景在行业需求和技术发展的双重驱动下，卫星通信与地面通信一体化发展成为未来移动通信系统演进的主流方向。未来移动通信系统将从业务、体制、频谱、系统等不同层次进行融合，构建天地一体化通信系统，实现全球无缝立体覆盖。天地一体化作为 6G 网络的一个重要特征，其目标是满足十年后的广域智慧连接和全球泛在无缝接入需求，为广域对象建立智能连接，提供智慧服务，为人类提供全球无间断且一致性的信息服务。天地一体化通信系统具有三大典型特征1：（1）统一的网络架构与接口协议：在统一的逻辑架构

16、和实现架构下将卫星通信、空间通信和地面通信进行一体化设计，网络功能可柔性分割和智能重构，适应卫星载荷资源有限和业务需求动态变化的特点。（2）统一的空口技术：卫星通信和地面通信采用同一框架下的空口传输技术，终端可实现极简极智接入。（3）统一的智能管控：通过对系统资源等进行统一的调度和控制，实现网络全局优化和资源绿色集约。未来的天地一体化通信网络是以地面网络为依托、天基网络和空基网络为拓展的立体分层、融合协作的网络。各星座卫星（包括高、中、低轨）、临近空间平台（如热气球、无人机等）和地面节点共同形成多重覆盖，具有典型的异质异构特点，如图 2-1 所示。图2-1天地一体化通信网络示意图天地一体化技术

17、探索与实践 2.06/893天地网络发展现状天地网络发展现状3.1 卫星通信卫星通信卫星通信通过采用卫星系统进行信息传输，实现广域覆盖和全球联通。卫星通信基于卫星平台和通信载荷实现。不同轨道高度的卫星，其相对地球的运行速度不同，通信传播损耗和通信时延也不同，提供差异化的通信服务能力，满足不同应用场景的通信需求。卫星通信先后经历卫星试验、模拟通信、数字通信、宽带卫星通信等四个发展阶段。随着多波束天线、星上处理、星间链路等卫星通信技术快速发展，高通量、低轨卫星巨型星座相继出现，卫星互联网已进入新时代。世界各国积极开展卫星系统研究和建设，在技术体制方面，已形成GMR-1、S-UMTS、DVB-S/S

18、2/RCS、Surfbeam2、3GPP NTN 等卫星通信技术体系，并逐步向天地一体化演进；在卫星系统建设方面，国内外先后建设运行 Inmarsat、GlobalStar、Iridium、Starlink、Oneweb、Jupiter、天通、中星、GW、千帆等卫星系统，满足不同场景卫星通信需求。3.1.1卫星通信系统卫星通信系统（1）卫星通信系统分类及发展概述依据卫星运行轨道高度，可分为地球同步轨道 GEO 卫星、中轨道 MEO 卫星和低轨道LEO 卫星通信系统。GEO 卫星通信系统中，卫星轨道高且相对地球位置固定，单颗卫星覆盖面积大，可提供几百 Kbps 级别的通信速率，满足语音、短信、数

19、据、传真等业务需求。近些年，随着高通量卫星、跳波束等技术发展，GEO 卫星通信系统业务能力持续增强。MEO卫星运行轨道介于 GEO 和 LEO 之间，其通信传输损耗和时延也处于 GEO 和 LEO 中间，目前比较典型的 MEO 通信系统是全球导航定位系统，如 GPS 定位、北斗定位。LEO 卫星运行轨道最低，通信传输距离短、损耗小、时延低，更易应对实时通信和终端小型化需求。LEO 卫星通信系统可提供高达 50-500Mbps 的通信速率和几毫秒到十几毫秒的空口时延，成为当前卫星通信领域的热点研究对象。表3-1不同高度的卫星参数卫星类型卫星类型轨道高度轨道高度/km典型时延典型时延单星覆盖范围单

20、星覆盖范围GEO 卫星36000百毫秒量级大MEO 卫星200036000数十毫秒量级中等LEO 卫星4002000毫秒量级小天地一体化技术探索与实践 2.07/89从发展阶段来看，卫星通信发展主要经历四个阶段，第一阶段为 1980 年代的通信卫星试验阶段，典型卫星系统如斯普特尼克 1 号卫星、晨鸟卫星；第二阶段为 1980 年-1990 年的模拟通信阶段，主要为 GEO 卫星系统，采用全球波束，单星通信容量较小，典型系统如海事卫星一代和二代；第三阶段为 1990 年-2000 年的数字通信阶段，出现了 LEO 卫星系统，提供窄带通信业务，典型卫星系统如 GlobalStar，Orbocomm

21、。同时，GEO 卫星通信系统采用区域波束和频率复用等技术，增加单星通信容量，典型系统如海事卫星三代系统。第四阶段为 2000 年后的宽带通信阶段，多波束天线、星上处理、星间链路等卫星通信新技术快速发展，高通量、低轨卫星巨型星座相继出现，GEO、MEO、LEO 协同组网，卫星互联网进入新时代。（2）国外卫星通信系统国外典型的星座包括 Inmarsat、Thuraya、Viasat、铱星、全球星、OneWeb、Starlink 等。表3-2国外不同卫星系统参数情况星座星座归属归属轨道高度轨道高度在轨卫星在轨卫星单星最大容量单星最大容量通信制式通信制式Inmarsat国际海事组织GEO94.5Gbp

22、sSL/S-UMTSThuraya阿联酋GEO313750 信道GMRViasat美国GEO2300GbpsSurfbeamIridium美国700Km66960 信道私有GlobalStar多国1414Km562800 信道私有Oneweb英国1200Km61810GbpsDVBStarlink美国550Km387520GbpsDVB/3GPPInmarsat 卫星系统是最早的 GEO 卫星移动系统，由国际海事卫星组织管理运营，主要提供全球海事卫星通信服务。Inmarsat 卫星系统演进了五代，在轨 9 颗卫星（其中 5 颗为备用卫星）。目前在用卫星是第三、四、五代。第三代系统卫星包括 1

23、个全球波束和 7 个 L频段宽点波束。第四代系统卫星包括 1 个全球波束、19 个宽点波束和 228 个窄点波束。第五代系统卫星采用点波束方式，包括 72 个固定波束，6 个移动波束，单颗卫星容量 4.5Gbps。Thuraya 卫星系统由阿联酋 Thuraya 电信公司运营，覆盖亚太地区、欧洲、非洲、中东等区域，提供话音、传真、数据、短信、互联网接入以及 GPS 定位等服务。Thuraya 包括Thuraya-1/2/3 三颗 GEO 卫星，其中 Thuraya-3 卫星天线口径达 12.25 米，可产生 300 个点波束。Thuraya 卫星系统具有星上路由功能，支持卫星手机直接通过卫星和

24、系统内外的固定电话、移动手机和卫星电话通信。Thuraya 终端是全球首款整合卫星、GSM、GPS 三种功能，提供语音、短信、数据、传真、GPS 定位五种业务的智能卫星电话，共享速率最大为 444Kbps，专线速率最大为 384Kbps。天地一体化技术探索与实践 2.08/89Viasat 卫星系统由美国 Viasat 等公司联合发射运营，覆盖美洲、欧洲、中东和非洲地区，可为商用飞机提供机载 WiFi 网络服务。Viasat 卫星系统包括 Viasat-1、Viasat-2 和 Viasat-3等卫星，Viasat-1 卫星吞吐量 140Gbps，ViaSat-2 卫星容量 300Gbps。V

25、iaSat-3 由 3 颗卫星组成，单星容量可达 1Tbps，首颗卫星已于 2023 年发射，前两颗卫星计划分别覆盖美洲地区以及欧洲、中东和非洲地区，第三颗卫星将覆盖亚太地区，从而实现全球覆盖。Iridium 卫星系统由美国 Iridium 公司发射运营，是全球第一个商用的大型低轨移动通信卫星系统，包括运行于 6 条轨道的 66 颗卫星，每颗卫星约 700kg，轨道高度约 780km，可为个人移动电话提供语音、寻呼和数据传输，实现卫星通信终端手持化、个人通信全球化。“全球星”卫星系统由美国、韩国、英国、德国、意大利、法国等多个国家的相关公司共同发射运营。包括分布在 8 个低轨道平面的 48 颗

26、卫星，典型轨道高度为 1414 千米，可实现全球南北纬 70之间的全覆盖。“全球星”卫星系统可与固定网、移动网之间相互兼容，可提供业务包括话音、传真、数据、短信息、定位等。OneWeb 卫星系统由英国 OneWeb 公司提出，规划卫星 2648 颗，分三个阶段发射。第一阶段包括 648 颗 Ku/Ka 频段卫星，分布在 18 个轨道，每个轨道部署约 40 颗卫星，轨道高度 1200km，星座容量 7Tbit/s,可为用户提供峰值速率为 500 Mbit/s 的宽带服务，地-星地延迟约为 50ms；第二阶段增加 720 颗 V 频段卫星，轨道高度不变，星座容量达到 120 Tbit/s；第三阶段

27、增加 1280 颗 V 频段卫星，位于 MEO 轨道，星座容量达到 1000 Tbit/s。有数据显示，截至 2024 年底，已发射 640 颗卫星，在轨 634 颗，可提供 50Mbps 网速,业务时延 20ms。Starlink 卫星系统由美国 Space X 公司提出，计划分两个阶段部署。第一阶段包括 4408颗 LEO 卫星和 7518 颗 VLEO 卫星。其中 LEO 卫星轨道高度 550km，采用 Ku、Ka 频段，单星通信容量约 20Gbps，全系统数据吞吐量约 100Tbps。VLEO 卫星轨道高度 340km，采用 Ku、Ka、V 频段。第二阶段约 30000 颗卫星，采用

28、Ku、Ka、V、E 频段，带宽增加 3 倍，进一步增强系统容量。Starlink 卫星系统可提供基于私有体制的卫星宽带接入服务和基于3GPP LTE 技术体制的存量手机直连卫星通信服务。有消息显示，截至 2024 年底，Starlink已部署 336 颗 DTC 卫星，用于存量手机直连卫星通信业务。2024 年 11 月 26 日，SpaceX正式获得 FCC 颁发的手机直连卫星服务许可。（3）我国卫星通信系统经过多年发展，我国已经形成了完整的卫星通信产业链，并形成众多卫星通信系统。典型的有天通、中星、天启、北斗、全球高通量（亚太 6D）、出行、GW。表3-3我国不同卫星系统参数情况星座星座轨

29、道高度轨道高度在轨卫星在轨卫星单星最大容量单星最大容量技术体制技术体制天通GEO3/GMR-1中星GEO3百 GbpsDVB天地一体化技术探索与实践 2.09/89星座星座轨道高度轨道高度在轨卫星在轨卫星单星最大容量单星最大容量技术体制技术体制天启GEO+LEO16/GMR-1北斗GEO+MEO55540000 户/小时GMR-1亚太GEO150GbpsDVB出行LEO9/GMR-1GWLEO/千帆星座LEO72/3GPP智慧天网MEO1/天通卫星系统由中国电信运营，包括三颗 GEO 卫星（天通一号 01 星、02 星、03 星）。天通一号是我国自主研制建设的卫星移动通信系统，用户波束在 S

30、频段，馈电波束在 C 频段，可实现我国周边、中东、非洲等相关地区、一带一路地区，以及太平洋、印度洋大部分海域的覆盖。2018 年 5 月，中国电信正式发布天通一号 1740 号段，在青海省启动商用，天通一号卫星系统可为个人、车辆、船舶、飞机等用户提供短信、语音及数据业务，终端产品包括天通+4G 双模手机、天通单模手机、天通+AIS 双模船载手机、天通车载终端、天通机载终端、天通一号卫星物联网终端等。中星卫星系统由中国卫通运营，已发射中星 16 号、19 号、26 号 3 颗高通量卫星。中星16 号采用 Ka 频段，容量为 20Gbps，单波束容量 1Gbps，；中星 19 号采用 C、Ku 和

31、 Ka 频段，容量为 10Gbps，单波束容量 0.35Gbps，中星 26 号是我国首颗超百 Gbps 容量的高通量卫星，采用 Ka 频段，配置 94 个用户波束和 11 个信关波束。目前，中星卫星系统可实现中国全境及周边区域、俄罗斯部分地区、东南亚、蒙古、日本、印度尼西亚、印度、印度洋等区域，可为固定终端、车载终端、船载终端、机载终端等提供宽带业务接入服务。天启物联网卫星系统由北京国电高科建设运营，包括 38 颗小卫星，其中 36 颗位于高度500-900km 的 6 个轨道面，2 颗卫星位于 GEO 轨道，卫星重量约 50kg。天启单星覆盖范围可达 2000km，目前已发射入轨 16 颗

32、卫星，基本已实现全球覆盖，主要面向全球物联网卫星业务，可实现对地球中低纬度任意地点每 1.5 小时一次的信息采集，每次过顶通信持续时间约为 10 分钟。北斗卫星系统是我国自行研发的卫星导航系统，分三阶段建设运营，45 颗卫星在轨,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，定位精度为分米、厘米级别，测速精度 0.2 米/秒，授时精度 10 纳秒，并且具备短报文通信能力。亚太高通量宽带卫星系统由亚太宽带通信公司发射运营，规划 4 颗 GEO 卫星，已完成亚太 6D（深圳星）卫星入轨运营。亚太 6D 卫星整星重量 5550kg，可承载有效载荷重量近天地一体化技术探

33、索与实践 2.010/891000kg，星上转发器设备 1200 余台，馈源波束 99 个，舱内外共 1900 余根波导。卫星配置90 个 Ku 用户波束和 8 个 Ka 信关波束，卫星通信容量 50Gbps，单波束容量达 1Gbps 以上。信号覆盖范围包括俄罗斯、日本、韩国、印度、澳大利亚、新西兰、夏威夷等广泛区域，可为飞机、船舶以及偏远地区提供高速宽带服务。“吉利未来出行星座”由吉利下属的时空道宇公司运营，规划一期发射卫星 72 颗，覆盖中国及亚太区域。截至 2024 年底，入轨卫星 30 颗，单星重量约 100kg，轨道高度 600km。吉利未来出行星座卫星系统主要面向智慧出行、消费电子

34、、无人系统、智慧城市、环境监测等领域的卫星通信需求，可提供高精度定位、遥感、导航、宽带通信等服务。GW 卫星系统由 2021 年 4 月成立的中国星网公司进行规划建设运营，从星网公司向 ITU提交的星座频谱申请资料显示，星座规划卫星 12992 颗，分为 GW-A59Q 和 GW-2 两个分星座。其中，GW-A59Q 规划于 600km 以下的极低轨道，包括 3 个子星座，共计 6080 颗卫星；GW-2 规划于 1145km 的近地轨道，包括 4 个子星座，共计 6912 颗卫星。表3-4 GW-A59和GW-2星座数据星座轨道高度(km)轨道倾角轨道面数单轨星数(颗)卫星数量(颗)GW-A

35、5959085163048060050405020005085560603600小计6080GW-211453048361728114540483617281145504836172811456048361728小计6912合计卫星总数12992智慧天网是清华大学原创提出的泛同步轨道天基网络解决方案，以 8 颗中轨道宽带通信网络卫星为一组，部署在约 2 万公里高度的轨道上，构成覆盖全球的通信星座，并可按需扩展为 16 星（两组）、32 星（四组）等多种覆盖网络，规模弹性、资源丰富，实现天基网络与通信技术的创新突破，服务极地、远洋、空天等全球通信重大需求，探索空间多系统共享共建和可持续发展新路径

36、。2024 年 5 月 9 日，智慧天网一号 01 星由长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心发射升空，卫星顺利进入预定转移轨道，目前已进入预定中轨泛同步轨道并建立在轨试验构型开展了包括 NTN 体制等在内的各项关键技术试验和应用验证。2024 年底，智慧天网一号 01 星成功实现南极中山站和上海极地科考中心之间高速通信，两地相距12000 公里，网速提高至近 100 兆，视频电话延时仅 0.3 秒。验证了智慧天网所采用的泛同天地一体化技术探索与实践 2.011/89步轨道星座体系对“一带一路”、南北极区等地区稳定的宽带接入服务能力。随着全球卫星星座建设的快速发展，空间轨道频率资源利用的冲突将不

37、可避免，也不可忽视。智慧天网在挖掘新的空间资源，包括新频段的开发和既有频段重耕、频谱动态感知、轨道精确控制等方面开展了深入的研究工作。研究从地面蜂窝网络向空间立体“蜂房”网络跨越的基础技术，包括时、空、频、轨等多维资源正交化划分及利用的方法。持续攻关包括物理层、网络层在内的卫星通信关键技术，包括大口径灵活相控天线、远距离高速率激光通信、高功率效率光源/微波组件、高能效模数转换和计算芯片、高精度时空基准获取维持和传递、低开销极限条件通信技术、云/边/端一体化网络协议架构设计和智慧内生算网融合架构设计等，形成空间高速骨干互联和随遇灵活接入的通信底座核心技术群。千帆星座规划卫星 1.4 万多颗，并于

38、 2023 年启动建设，第一阶段到 2025 年底发射 648颗星实现区域网络覆盖；第二阶段到 2027 年底再发射 648 颗（累计 1286 颗）提供全球网络覆盖；到 2030 年底，实现 1.4 万多颗星提供低轨宽频多媒体服务。目前已累计发射 72 颗卫星。3.1.2标准体系标准体系现有的卫星标准体系主要包括数字电视广播 DVB 标准和地球同步轨道卫星移动通信GMR 标准。目前，大部分商用低轨卫星的通信技术基于 ETSI 的第三代数字卫星电视广播标准（DVB-S2/S2X）345。DVB-S2 在 DVB 的基础上进行升级以支持交互式互联网业务，可以支持卫星广播业务 BSS 和卫星固定业

39、务 FSS，但对于移动卫星业务 MSS 的支持能力较差。DVB 不具备移动性管理功能和核心网功能，和地面固定无线接入通信比较相似，移动通信业务能力较差。GMR6用于 GEO 卫星实现 MSS。GMR 基于地面数字蜂窝标准 GSM，可接入到 GSM核心网。GMR 包括三个版本，其中 GMR-1 仅支持 GEO MSS 的电路域业务；GMR-2 即GMPRS-1，基于 GPRS，在 R1 基础上增加分组域业务；GMR-3 即 GMR-1 3G，在 R2 基础上演进到 3G，与 UMTS 兼容。GMR 协议在 Thuraya 卫星通信系统中采用，Thuraya 卫星系统为区域卫星移动通信系统，主要负

40、责为亚太地区提供语音业务。现有的卫星通信体制极大的推动了商用卫星和卫星技术的发展,但是现有的卫星通信体制也存在一定的局限性：天地一体化技术探索与实践 2.012/89（1）现有协议难以满足卫星互联网需求。DVB-S 主要针对广播业务，缺乏上层协议设计和用户管理功能，在业务上很难支持大带宽、多接入的卫星互联网业务；GMR 频谱效率低，同样无法满足卫星互联网的大容量和高速率要求；（2）标准体制多，互相不兼容；产业规模小，成本高，无规模经济优势。面向未来的天地一体化，卫星网络和地面网络应避免独立发展、相互竞争，形成融合发展、互帮互助的趋势，逐步走向一体；（3）终端设备形态繁杂多样，难以统一。国内外卫

41、星通信设备形态多种多样，各国终端采用的标准制式也不尽相同，亟需制定相关标准以促进卫星通信行业设备形态的一致性。3.1.3卫星通信系统技术路线卫星通信系统技术路线卫星通信技术持续发展演进，目前，可分为传统卫星通信技术和 3GPP NTN 类卫星通信两大类技术路线。（1）传统卫星通信技术路线卫星通信技术体制的发展演进历程，是一个不断提高传输质量、增加传输容量、扩大应用范围的过程。传统卫星通信技术可分为窄带卫星移动通信和宽带卫星移动通信系统。窄带卫星移动通信系统主要使用 S、L 等低频段进行通信，可提供语音、短信和中低速数据业务，典型的技术体制有 GMR-1、S-UMTS 等。窄带卫星移动通信系统通

42、常将卫星通信功能融合到智能手机中，具有卫星覆盖和地面覆盖融合、独立天网、部分卫星运营商和地面运营商融合、卫星终端和地面终端融合等特点，适用于窄带手机直连卫星、卫星物联网等场景。典型的卫星系统有国外的 Thuraya、Inmarsat、GlobalStar 等卫星系统，我国的天通一号、北斗卫星（短报文）等卫星系统。随着宽带业务需求迅速增强和技术不断发展，基于宽带数据通道、前向单载波、返向载波灵活配置等技术的高通量卫星通信系统日益成熟并广泛部署，典型卫星系统有国外的Starlink、Oneweb、Jupiter 等，我国的中星、亚太等。典型的技术体制有 DVB-S/S2/RCS、Surfbeam2

43、 等。这些高通量卫星具有全球覆盖、独立天网、独立卫星运营商、独立卫星终端等特点，主要适用于卫星宽带接入。在当前全球卫星通信产业快速迈入卫星互联网的阶段，高通量移动通信已成为卫星互联网的重要组成部分。（2）3GPP NTN 技术演进路线3GPP NTN 技术演进路线是指由 3GPP 等地面移动通信组织制定的天地一体融合技术演进方案。该技术路线在 5G 体制基础上基于卫星通信场景进行针对性改进，将网络覆盖范围天地一体化技术探索与实践 2.013/89扩大到传统地面基础设施缺乏或经济上不可行的偏远和服务欠佳地区，消除数字鸿沟。NTN标准能够与地面蜂窝系统兼容，可以提供天地融合的服务能力，具有卫星覆盖

44、和地面覆盖融合互补、卫星运营商和地面运营商融合、卫星终端和地面终端融合等特点。与传统卫星通信技术“烟囱式”的标准格局相比，3GPP NTN 技术完全公开透明，有利于生态发展。该技术演进路线逐步成为卫星通信技术发展最重要的方向之一。（3）类 3GPP NTN 技术演进路线类 3GPP NTN 技术是指与 3GPP NR-NTN 技术采用类似技术体制，并结合低轨卫星星座通信特点，进行针对性技术优化和改进的一种技术体制路线。类 3GPP NR-NTN 技术主要应用于卫星宽带应用场景，基于低轨卫星星座，可较好提供低时延、大带宽的宽带卫星业务。类 3GPP NTN 技术通过在终端侧进行蜂窝通信和地面通信

45、功能集成，可实现卫星覆盖和地面覆盖的融合互补。同时，相比于 3GPP NTN 技术，该技术有部分私有属性，符合国家信息基础设施的安全性要求。该技术演进路线也逐步成为卫星通信技术发展最重要的方向之一。表3-5卫星通信技术路线技术技术路线路线类别类别通信技术体制通信技术体制典型卫星系统典型卫星系统特点特点适用场适用场景景最新发展最新发展动态动态传统卫星通信路线宽带通信DVB-S/S2/RCS；类DVB-S/S2/RCSStarlink，Oneweb，Jupiter，中星 16，中星 19，亚太6D 等，玫瑰星座，银河Galaxy，O3b全球覆盖、独立天网、独立卫星运营商、独立卫星终端卫星宽带接入降

46、本增效性能提升典型代表：SpaceXSurfbeam2Viasat窄带通信GMR-1,类GMR-1Thuraya，天通卫星卫星覆盖和地面覆盖融合互补手机直连卫星、卫星物联网将卫星通信功能融合到智能手机中S-UMTSInmarsat 卫星其它私有体制GlobalStar，Iridium Next，Orbcomm，时空道宇智慧出行卫星，北斗卫星3GPPNTN路线宽带通信NR-NTN/卫星覆盖和地面覆盖融合互补，标准技术完全公开透明；手机直连卫星、卫星物联网已陆续组织开展室内测试验证和外场上星测试窄带通信IoT-NTN天通卫星，Inmarsat 卫星，SatelIoT天地一体化技术探索与实践 2.0

47、14/89技术技术路线路线类别类别通信技术体制通信技术体制典型卫星系统典型卫星系统特点特点适用场适用场景景最新发展最新发展动态动态类 NTN 技术有部分私有属性。验证类3GPPNTN路线宽带通信类 NR-NTN智慧天网卫星宽带接入、手机直连卫星3.1.4卫星系统业务运营卫星系统业务运营卫星通信系统建设投资大，运营模式关系着整个系统生命期。目前，国际上宽带通信卫星系统的运营模式可以归结为两种，即封闭式和开放式商业运营模式。封闭式商业运营是由一个实体公司来运营卫星、构建关口站、采购地面终端，再直接或通过合作伙伴向最终用户提供服务。根据用户的不同，封闭式的运营又分成一体化运营模式和经销商代理运营模式

48、7。一体化运营模式下，卫星运营商负责卫星系统、地面网络和业务系统的全套建设与运营，直接面向终端用户提供卫星服务并收取相关费用，属于 B2C 模式。此模式适用于用户规模大、市场性质较为类似的国家和地区（如美国、中国），典型系统有 Viasat、starlink、天通一号。经销商代理运营模式下，卫星运营商建设和运营卫星系统、地面网络和业务系统，经销商参与业务系统建设，并利用其市场渠道和营销网络，最终面向终端用户提供本地化服务，典型的经销商有 ISP、电信运营商、VSAT 公司、DTH 运营商等企业。此模式属于 B2B 模式，适用于市场相对分散的区域，如欧洲、非洲等。开放式运营模式下，卫星运营商专注

49、于卫星系统的建设与运营，出售物理带宽给业务提供商。由服务提供商建设关口站等地面网络、开发业务系统，并向终端用户提供业务服务。该模式下，卫星运营商与业务提供商共同承担商业风险和利益，卫星运营商只负责卫星运营，业务提供商则只负责提供本地服务。业务提供商也可根据需要，更加灵活提供业务服务。对运营模式的选择，需要综合考虑市场分散程度、政策监管要求等各因素。一般而言，封闭运营模式下吞吐量利用率高，收益高但风险大，开放运营模式下收益低但风险小，收入有保障。在我国，天通一号卫星由中国电信运营，负责提供话音、短信、数据、传真等服务，是窄带卫星通信重要应用平台，提升了国家应急通信保障力度。由中国卫通公司运营地中

50、星系列卫星和亚太系列卫星，主要为广电行业提供卫星广播电视转发服务，并为政务应急、海事、铁路等提供卫星转发器租用服务；北斗星通则进行北斗导航定位和短报文等业务运营。天地一体化技术探索与实践 2.015/893.2 地面通信地面通信移动通信技术从最初的模拟调制发展为数字调制，从语音发展为数据，从窄带发展为宽带，从单工发展为全双工，经历了四十多年的爆发式增长，目前已经渗透到了人们生活的各个领域，并成为推动社会发展的重要动力之一。图3-1移动通信发展示意图1G时代，美国的“高级移动电话系统(AMPS)”和英国的“全接入通信系统(TACS)”是模拟移动通信的两个主要系统8，传输和处理都使用模拟信号，采用

51、FDMA接入方式。由于各国采用不同的制式、不同的频带和信道带宽，1G只是一个区域性的移动通信系统。从1G进入2G则是从模拟调制进入数字调制，2G主流的网络制式包括GSM和CDMA9。2G支持的业务也由1G时代单一的语音业务发展为语音、短信和数据传输（窄带）等业务。从2G进入3G，有了统一标准IMT-2000无线接口技术规范，主流技术包括WCDMA，CDMA-2000和TD-SCDMA。TD-SCDMA是由中国提出的标准，采用异步TDD模式，有效提高了频率资源来利用率。3G可以向用户提供各种宽带信息业务，如图像、音乐、网页浏览和视频会议，是一种真正的“宽频多媒体全球数字移动电话技术”。4G采用L

52、TE技术规范，是一套由3GPP制定的全球通用标准，包括TDD和FDD两种模式。4G基于OFDM技术10，下行速率能够达到100Mbps，上行速率能够达到20Mbps。在4G的大规模商用后，移动宽带数据业务还在快速增长，新的应用以及新的通信技术也在不断地更新迭代，给无线网络的演进带来了更为多样的需求，主要包括更高的吞吐量，更低的传输时延，更高的可靠性，更低的功耗以及支持更多的用户连接等。从业务和市场发展来看，移动互联网与物联网是5G通信演进的两大重要的驱动力。5G的演进可以归纳为两大分支，一个是大天地一体化技术探索与实践 2.016/89流量，高速率，高移动的移动互联网宽带业务；另一个是低速率，

53、广覆盖，大容量的物联网业务。ITU-R给出了5G的三大应用场景，分别为应用于移动互联网的增强移动宽带、应用于物联网的海量机器类通信和超可靠低时延通信11，同时ITU-R也给出了5G系统的性能指标，主要包括以下性能指标：流量密度：10Tbit/(s2)连接数密度：1062 时延：空口时延 1ms 移动性：500km/h 能效：100 倍提升（相对于 4G）用户体验速率：0.11Gbit/s 频谱效率：3 倍提升（相对于 4G）峰值速率：10Gbit/s5G应用呈现出垂直行业市场、传统消费市场齐头并进的态势，世界各国积极推动5G应用落地，中美欧日韩等领先国家和地区在AR/VR、超高清视频、工业互联

54、网、智慧交通、智慧医疗、公共安全、应急和军事专网等领域开展5G融合应用投资、探索与示范。2022年，全球5G市场在网络人口覆盖、基站部署数量、连接数等方面快速发展，世界先进国家已初步完成第一批5G商用网络建设，5G网络覆盖全球近三分之一人口。全球5G连接数突破10亿，渗透率12%，发展速度远超4G和3G时期，5G已经成为全球主流移动通信技术。在大力发展5.5G的同时，全球产学研用各方正在共同努力推进6G技术的创新研发与发展。中国在“十四五”规划纲要中就明确提出了要“前瞻布局6G网络技术储备”，并先后成立了国家6G技术研发推进工作组和总体专家组、IMT2030(6G)推进组等，扎实推进6G各项工

55、作。欧盟、芬兰、日本和美国等国家也都在加速推进6G技术的研发。2023年11月，ITU正式发布了6G发展纲领性文件IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书，意味着全球主要经济体对于6G愿景、目标和技术框架达成了一致。这份建议书给业界开展6G的标准制定和前期技术研发提供指引，为6G发展奠定基础。建议书提出了IMT-2030的趋势、IMT-2030的应用场景、IMT-2030的能力指标和持续性发展考虑的因素等内容。6G在5G三大场景基础上增强和扩展，包含沉浸式通信、超大规模连接、极其可靠低时延、AI通信融合、通信感知融合和泛在连接等6G六大场景。沉浸式通信是5G eMBB的扩展天地一体化

56、技术探索与实践 2.017/89场景，典型用例包括沉浸式XR通信、远程多感官呈现和全息通信；超大规模连接是5G mMTC场景的扩展，涉及大量设备或传感器的连接。典型用例包括智慧城市、交通、物流、健康、能源、环境监测、农业；极其可靠低时延通信是5G URLLC场景的扩展，典型用例包括工业环境中的高性能通信，以实现完全自动化、控制和操作，可以实现的应用包括机器人交互、紧急服务、远程医疗以及电力传输和分配监控；AI与通信融合的典型用例包括辅助自动驾驶、医疗辅助应用设备之间的自主协作、跨设备和网络的繁重计算卸载、数字孪生的创建和预测等；通信感知融合的典型用例包括辅助导航、活动检测和运动跟踪（例如姿势/

57、手势识别、跌倒检测、车辆/行人检测）、环境监测（例如雨水/污染检测）以及为AI、XR和数字孪生应用提供周围环境的传感数据/信息；泛在连接旨在增强连接性，缩小数字鸿沟，可以通过与其他系统的互通来增强连接性。该场景的一个重点是解决目前未覆盖或很少覆盖的地区，特别是农村、偏远和人口稀少的地区。天地一体化技术是该场景的主要解决方案之一。与5G相比，IMT-2030能力指标分为两类，即针对IMT-2020增强的功能和支持IMT-2030扩展使用场景的新功能，每种功能在不同的使用场景中可能具有不同的相关性和适用性。其中，9项功能源自现有的5G系统，即针对IMT-2020增强的功能包括：峰值速率、用户体验速

58、率、频谱效率、区域流量密度、连接数密度、移动性、时延、可靠性、安全隐私韧性性能9个指标，支持IMT-2030扩展使用场景的新功能包括：覆盖、感知相关指标、AI相关指标、可持续性性能指标、互操作、定位6个指标。6G 将实现人、机、物的连接，实现物理世界和虚拟世界的连接，同时，有望将感知和人工智能等能力融合到网络中，成为承载新用户、赋能新应用的新型数字基础设施。6G 用户和应用将呈现泛在智能、泛在计算、沉浸式多媒体和多感官通信、数字孪生和扩展世界、智能工业、数字医疗与健康、泛在连接、感知和通信的融合、可持续性等 9 大趋势。天地一体化技术探索与实践 2.018/8945G NTN 关键技术关键技术

59、4.1 网络架构网络架构3GPP NTN 在 R17 和 18 版本中均采用透明转发架构12，卫星仅实现射频相关功能，对卫星能力要求低，有利于 NTN 组网的快速落地。基本实现了 5GC 架构、NG-RAN 架构、物理层、空口协议的适配，在 TN 网络架构基础上，以最小代价提供 NTN 组网所需的架构、协议和流程。至于多小区组网、异构组网等灵活组网的研究和设计则留待 6G 阶段开展。如图 4-1 所示，卫星作为终端和 NTN 网关中间的射频处理单元，实现无线信号的透明转发。信号的基带处理仍然放在地面基站去实现，因此该网络架构对卫星能力载荷和处理能力的要求较低，有利于网络的快速部署。图4-1透明

60、转发网络架构3GPP 在 R16 对 NTN 再生模式网络架构也进行了研究，除了射频部分，基站的部分（DU/CU)或全部功能、核心网的部分网元（例如用户面功能）或者全部功能均可以部署在星上。再生模式下服务链路采用 Uu 接口，馈电链路根据卫星所具备的功能实现 Xn/N1/N2/N3等接口，如图 4-2 所示。图4-2再生模式网络架构由于可以在卫星上解码和处理数据包，以及支持星间链路的能力，使用再生传输的卫星网络可以提供更好的性能、更大的灵活性和全球覆盖。以下列出了卫星上部署 NG-RAN（+5GC）功能实现相关的一些潜在优势：（1）降低控制/数据平面延迟；天地一体化技术探索与实践 2.019/

61、89（2）在没有 NTN 网关（未部署或暂时未运行）的地区支持低延迟业务；（3）地面段/NTN 网关的部署更具灵活性；（4）提升服务链路和馈线链路的频谱效率。3GPP R19 NTN 开始对再生模式网络架构进行定义。R19 NR NTN 定义了完整基站上星的再生模式。考虑完整 gNB 作为星上负载的情况。在这种场景下，需要研究 NG 口的管理、馈电链路切换时协议上下文的处理，gNB 内和 gNB 间的移动性管理和承载在馈电链路和星间链路上的 Xn 协议流程。SA2 还考虑了 UE-卫星-UE 的一跳式通信，要求至少一部分 5GC或 IMS 功能在星上，例如 UPF。R19 实现从透明转发到再生

62、模式的演进，是 NTN 实用化组网的一大步，从而使得 3GPP 标准化进程初步匹配风起云涌的低轨卫星星座发射和组网实践。目前标准化还缺乏规模化组网和空天地技术体制融合的统筹规划，这些都会在 6G 标准化中获得解决，从而真正实现空天地一体化组网。R19 IoT NTN 除了研究完整基站上星的再生模式外，还研究如下两种再生模式：模式 A：拆分 MME 架构1.eNB 在卫星上。2.MME 分为两个功能：MME-onboard 和 MME-ground。MME-onboard 是卫星上的MME 部分，负责处理带有板载 eNB 的 S1 接口，通过板载 eNB 处理来自/到 UE 的 NAS 协议信号

63、。MME-ground 是地面网络上的 MME 部分，负责处理指向其他 CN 功能的其余接口，例如，S6a 指向 HSS、SGd 指向 SMS-GMSC/IWMSC/SMS 路由器、T6a 指向 SCEF、T6ai指向 IWF-SCEF、S11 指向 SGW。模式 B：每个卫星中包含完整的 EPC每颗卫星都包含一个 eNB 的功能和一个完整的 EPC，其中可以包括 MME、SGW、PGW、HSS、E-SMLC、SMSC 等。每个卫星还包括一个端点代理功能，该功能从 UE 的角度模拟真实端点（例如 AF）的行为。地面上还有存储和转发功能，这些功能可以是 NTN 网关的一部分或连接到 NTN 网关

64、，并且包含代理功能。未来标准演进还将考虑基于 CU/DU 分离的再生模式载荷、基于 IAB 或 U2N 等中继模式的星地融合组网、基于 NG-RAN 级或 5GC 级甚至应用层级的多连接互操作等，这与 5G-A的公专混合组网的发展方向是一致的。事实上，作为 5G 到 5G-A 演进的一部分，NTN 是与NPN，IAB，U2N，NCR 等架构技术一同出现的，依然沿着面向垂直行业灵活无线组网、敏捷编排、云原生网络切片的路线演进。按照 TS 22.822，在“Service Continuity”、“Service天地一体化技术探索与实践 2.020/89Ubiquity”和“Service Sca

65、lability”等不同目标场景中，这些技术都是可以组合使用满足组网需求的。例如，IAB 与 U2N 都可以作为 NTN 终端侧覆盖扩展的手段，在 NTN 透明转发模式下 IAB-Donor 和 IAB-node 可在 NTN 网关侧和终端侧使用。图4-3 5G-A灵活无线组网技术13除此之外，NTN 与 NPN、IAB、U2N 等架构技术，都是对 TN 网络中网元、接口、协议等元素的灵活使用、破坏式创新，因此其技术思路和关键技术还是可以互相借鉴的。基于CU/DU 分离的再生模式组网架构是基础，地面网关的 gNB-CU 与多个星上 gNB-DU 连接形成的 MR-DC 组网架构，使得 NTN

66、组网中也可支持多连接、基站内切换、小区间协调等。如果进一步将 IAB-Donor 或 IAB-Donor-DU 作为再生载荷的话，还可将 IAB 技术中的回传适配协议 BAP 协议管理运用在馈电链路或卫星无线空口（卫星到信关站的无线空口）等承载链路的管理中。如果将 U2N 应用在 UE-卫星-UE 的一跳式通信中，PC5 接口及其侧链中继适配协议 SRAP 就可成为这种再生组网模式的基础。可见，NTN 与其他灵活无线组网技术融合，可为多种终端形态和组网需求提供端到端组网方案。4.2 空口传输技术空口传输技术4.2.1同步技术同步技术终端与基站的正常通信建立在终端与基站间严格的上下行时频同步。在

67、 5G NTN 中，卫星与地面的终端之间存在较大的距离和较高的相对运动速度，因此带来了远超地面系统的传输时延和多普勒偏移，这为终端侧上下行时频同步带来了挑战。（1）下行同步技术天地一体化技术探索与实践 2.021/89为了接入网络，UE 必须检测下行同步参考信号，通过这些同步参考信号 UE 可以完成进行时间和频率校正以及小区 ID 的检测。为了解决 NTN 大频偏问题，馈电链路上的多普勒频移可以由网络侧自行补偿且对终端透明，服务链路的下行多普勒频移网络也可以进行预补偿，并将预补偿的值指示给终端。网络对服务链路的多普勒频移进行补偿后，大部分频偏被抵消，剩余的残留频偏与小区大小和仰角有关，在这种情

68、况下，对于低轨道近地卫星高速运动场景，现有同步参考信号设计能够实现稳健的下行同步性能。如果网络侧未对服务链路的下行频率偏移进行补偿，UE 需要基于下行同步信号对整个服务链路的多普勒偏移进行估计，终端接收机需要额外复杂度来获得可靠的下行初始同步性能12。（2）上行同步补偿技术对于上行频率同步，一般而言，终端可以基于自身位置信息以及卫星星历信息对服务链路上产生的多普勒频移进行估计与计算。因此，对于服务链路上的多普勒频偏值，终端可以自行计算并进行预补偿。对于馈电链路上的多普勒频偏值，则可以由网络侧或地面网关进行后补偿，并且补偿值对用户来讲是透明。此外，卫星进行数据转发时也可能存在频率误差，该误差大小

69、同样对用户透明，可以由网络侧或直接由卫星进行补偿。对于上行定时同步，UE 根据卫星星历信息和自身的位置信息可以实时计算 UE 到卫星之间的来回传播时延，并根据所计算的来回传播时延值进行服务链路上的定时提前补偿（UE级别的定时提前量）。对于馈电链路上的传播时延，由于终端不知道基站的位置，终端是无法实时计算卫星与基站之间的来回传播时延并进行馈电链路的定时提前补偿，因此，对于馈电链路上的上行定时同步问题，一种方式是馈电链路上的上行定时值完全由网络处理，UE不需要处理馈电链路上的上行定时提前量。另一种方式是网络指示馈电链路上的定时提前量（也称作公共定时提量）相关参数，UE 根据网络提供的公共定时提前量

70、参数可以实时确定馈电链路上部分或者全部的定时提前量值14。4.2.2时序管理时序管理在陆地移动通信系统中，信号的传播时延通常是低于 1ms。在卫星通信系统中，传播延时大小取决于卫星的高度以及卫星载荷类型，一般在几十到几百毫秒之间。面对如此大空口传播时延，终端在进行上行传输时，需要应用一个较大的定时提前量（几十毫秒到几百毫秒不等）以保证上行同步。这样一来，会导致在终端侧上下行帧定时存在一个较大的偏移量。终端上行定时同步，存在如下两种情况：天地一体化技术探索与实践 2.022/89情况1：终端在发送上行数据时应用完整的定时提前量，即网络指示的公共TA参数为整条馈电链路上的定时提前量，这种情况下，基

71、站侧上下行的帧定时是对齐的，终端侧的上下行定时相差一个完整的定时提前量。情况2：终端在发送上行数据时应用部分的定时提前量，即网络指示的公共TA参数为馈电链路上的部分定时提前量，剩下部分传播时延需要基站进行处理，这种情况下，基站侧上下行的帧定时是不对齐的，终端侧的上下行定时也是相差一个定时提前量。由于终端侧上下行定时没有对齐，存在较大的偏移，因此，数据传输过程中涉及到上下行定时交互的时序需要进行增强。4.2.3覆盖覆盖在 NTN 通信系统中，卫星高度可达几百到几万公里，终端与卫星之间存在很大的路径损耗，例如，GEO 场景下，S 波段上的自由空间路径损耗可达 190.6dB。此外，终端与卫星之间传

72、输还包括阴影衰落，极化损耗，大气损耗等。为保证上下行的覆盖，通常可以通过提升发射机的功率，提高接收机的灵敏度，提高收发两侧的天线增益，采用定向天线，窄带传输，低频传输等方式实现。在 5G NTN 初期阶段，终端侧的特性定义如下12：（1）VSAT 的发送功率为 33dBm，天线增益是 43.2dBm，且采用定向天线；（2）手持终端的发送功率为 23dBm，天线增益是 0dBm，且采用全向天线；（3）物联网设备发送功率为 23/20dBm，天线增益是 0dBm，且采用全向天线。从上述终端特性定义可以看出，5G NTN 初期阶段的终端设备在天线增益，发射功率上都存在特别的要求。对于卫星侧，5G N

73、TN 对卫星的能力也进行了加强，以 3GPP 定义的卫星参数 Set1 为例子，GEO 卫星在 S 波段上，上行的 G/T 值为 19 dB/K，下行的 EIRP 为 59 dBW/MHz，GEO卫星在 Ka 波段上，上行的 G/T 值为 28 dB/K，下行的 EIRP 为 40 dBW/MHz。基于 5G NTN 终端与卫星的特性，对于手持终端与物联网终端，上行要满足链路预算要求只能采用低频（例如 S 波段）以及窄带进行数据传输，对于 VSAT，上行采用高频以及大带宽传输也能满足链路预算要求。考虑到我们日常使用的是智能手机的天线增益只有-5.5dBm，甚至更低，这与 5G NTN 早期定义

74、的手持终端天线增益（0dBm）存在很大的差距，为了能让智能手机也能够接入 5G NTN 实现 VoIP 以及低速率数据传输，3GPP R18 开展了5G NTN场景下的覆盖增强研究以支持智能手机接入5G NTN实现语音与低速数据传输业务天地一体化技术探索与实践 2.023/8915。此外，考虑到卫星侧功率受限以及单星覆盖区域内波束个数较大（以 LEO 为例，单星波束个数可达 1000 以上），R19 继续研究下行覆盖增强技术。考虑到卫星侧功率受限以及单星覆盖区域内波位个数较多（以 LEO 为例，单星覆盖范围内波位个数可达 1000 以上），无法同时点亮所有波位，即便采用跳波束的工作模式分时点亮

75、，仍旧会对同时点亮的波束数量以及单个波束的发射功率提出极大的挑战。3GPP R19针对上述问题开展下行覆盖增强技术研究，研究范畴包括系统级覆盖增强和链路级覆盖增强两个方面。系统级覆盖增强主要针对有限物理波束的情况下，通过扩展 SSB 周期实现分时为多个波位提供服务，目前默认 SSB 周期为 20ms，协议所支持的最大值为 160ms，将默认周期从 20ms 扩展到 160ms 理论可提升 8 倍覆盖率，且不排除进一步将周期扩展到 320ms，从而在有限物理波束的情况下实现星下全域覆盖。链路级覆盖增强主要针对波束数量增加后，受限于单星功率资源，单个波束的发射功率可能会受到影响，下行链路条件会产生

76、相应恶化，部分解调性能较差的信道可能无法正常工作。通过仿真评估，PDCCH，Msg4，SIB1/SIB19 等信道存在链路预算不足的问题。综合考虑后向兼容性、实现复杂度和协议修改程度等方面，采用重复传输进行下行覆盖增强的解决方案被采纳。4.2.4系统容量系统容量大空口传播时延，不但对数据传输带来很大的时延，同时也会降低系统吞吐量。在现有的 HARQ 机制中，发送端需要等待接收端的反馈（ACK）才能发送新数据，在 NACK 的情况下，发送端可能需要重新发送数据包。在地面网络中，由于往返传输延迟通常在 1ms 以内，因此现有的 HARQ 传输的停止等待机制带来的影响比较小。在 5G NTN 系统中

77、，由于传输延时非常大，现有的 HARQ-ACK 传输机制会严重限制 5G NTN 的系统吞吐量。为了改善 5G NTN 的数据传输速率，可以采用以下三种方式：方式 1：增大 5G NTN 支持的 HARQ 进程数，使得网络在 5G NTN 传播时延期间有足够的 HARQ 进程进行数据调度，从而提升系统的吞吐量。方式 2：对 HARQ 进程的 HARQ-ACK 反馈进行去激活，对于 HARQ-ACK 反馈去激活的 HARQ 进程，不需要执行停止等待的机制。方式 3：采用盲重传的方式保证数据传输的可靠性，回避 HARQ 传输等待问题，从而提升系统吞吐量。天地一体化技术探索与实践 2.024/89现

78、有的数据调度方式包括动态调度与半静态调度，对于动态调度，终端先接收网络下发的调度指示（即调度 DCI），然后根据调度指示进行数据的接收与发送。对于半静态数据调度，网络预先通过高层信令配置上下行数据传输资源，终端直接在预配置的传输资源上进行数据的接收与发送。在大时延的场景下，半静态的数据传输方式更具有优势。R19 为了进一步提升系统容量，引入了共享的公共预配置上行传输资源，即终端在 RRC 空闲态下可以利用网络配置的公共 PUSCH 资源进行上行数据传输。增加系统容量最直接的方式是扩展资源复用的维度，基于此，R19 引入了上行资源码分复用，即多个终端可以通过分配不同的正交码（OCC）序列在相同的

79、上行时频资源上进行上行数据传输。对于具体的 OCC 复用方案，目前 R19 只支持时隙间的 OCC 复用方案，且OCC 码长只能是 2 或者 4。4.2.5波束管理波束管理现有 5G 陆地通信系统制定了波束管理机制，主要包括，波束测量上报，波束选择，波束指示，波束恢复过程等。在卫星通信中，卫星一般是通过多个波束对地面提供覆盖，多波束间共享卫星的带宽和功率资源。和 5G NR 相比，卫星通信系统中波束管理存在以下几个方面的特点：（1）卫星的快速移动，波束切换更为频繁；（2）在高多普勒频移场景下，使用 SSB 或 CSI-RS 进行波束测量时，存在测量精度问题。（3）同一小区不同位置的信号质量差异

80、较小，即卫星通信系统中远近效应不明显；（4）对于地表固定波束场景，当波束覆盖区域发生变化，会导致波束覆盖区域内的多个 UE 同时发生波束切换；（5）卫星运动是具有规律性的，波束切换时间以及波束切换顺序是可预测的；（6）基站与 UE 之间存在较大的传播时延，波束测量上报与波束指示存在明显的时效性问题。基于上述特点，NTN 系统在波束管理方面需要提出更优的波束切换机制来应对用户频繁切换、减少不必要的切换等问题，可以从以下两种类型的波束管理机制进行增强12。（1）终端自主的波束切换机制对于 UE 自主波束切换，一种方案是网络基于终端位置信息，小区波位分布以及卫星星历信息给终端配置波束切换的时间以及波

81、束切换的顺序。一种实现方式，网络配置波束切换天地一体化技术探索与实践 2.025/89的顺序以及每个波束的服务时长，当前服务波束的服务时长到期，则按照波束切换顺序切换至下一个波束，如图 4-4 所示。另一种方式是终端根据位置信息以及波束分布图样自主的进行波束切换，这种情况网络侧需要知道终端的位置信息。图4-4卫星移动轨迹是示意图（2）网络控制的波束切换对于网络控制的波束切换，现有地面 5G 波束管理是终端进行波束测量上报，网络根据终端上报的测量结果控制终端进行波束切换。考虑到卫星通信系统中小区不同位置的信号质量差异较小，终端可以上报自身位置信息，网络根据终端上报的位置信息控制终端执行波束切换。

82、此外，考虑到在地表固定波束场景，一个波束覆盖区域下的 UE 同时发生波束切换，为了降低网络的信令开销，可以采用 UE 组16级别的波束切换机制。在实际应用中可能会出现卫星覆盖区域中一些波位的通信需求大大超过波束可用容量，而在其他波位的通信需求小于可用容量，也就是热点地区的需求得不到满足，而冷门地区的容量却没有得到充分利用。这对卫星运营商和服务提供商的后果是双重的17：损失了未满足需求对应的收入，也损失了未使用容量的投资成本。因此，在卫星覆盖区域内灵活分配波束资源的能力正在成为未来宽带多波束卫星的必要条件。在 NTN 场景中，因卫星发射功率及物理波束数量受限，无法同时为卫星覆盖区域内所有波位提供

83、覆盖，导致覆盖能力受限。为突破此局限，3GPP R19 引入跳波束技术，旨在从系统层面增强覆盖。该技术通过分时激活波位，实现对广域覆盖的有效扫描。为应对波位众多与物理波束有限的矛盾，联合采用跳波束机制与扩展 SSB 周期策略，以提升 NTN 场景覆盖率。截至 RAN1#119 次会议，各方已就 SSB 周期扩展至至少 160ms 达成共识，但关于是否进一步扩展至 320ms 或 640ms，尚未形成定论。跳波束与 SSB 周期扩展的联合应用对现天地一体化技术探索与实践 2.026/89有标准体系构成挑战，涉及公共信道周期扩展、Type0-PDCCH 监听时机、SI 调度窗口、PRACH 资源及

84、寻呼等方面还需要进一步优化。在 3GPP R19 标准的制定过程中，波束宽度也是一个关键讨论点。在相同数量的波束条件下，增加单个波束的宽度能够扩大其覆盖范围。然而，这种设计必须考虑到链路预算的限制。随着波束宽度变大，天线增益随之下降，信号 SINR 会显著恶化，进而影响通信性能甚至出现覆盖空洞。因此，最佳波束宽度需在覆盖性能与通信质量之间寻求平衡。此外，波束宽度的功能性划分也极为关键。例如，对于 SSB 及系统消息传输，可考虑使用宽波束，以确保为更大范围提供初始接入所需的关键信息；而在初始接入的后续阶段，采用窄波束，通过缩小波束角度来降低无效辐射功率损失，提高天线增益和波束指向精度，从而显著提

85、升通信质量。进一步地，宽窄波束切换机制也需要明确，这涉及 UE 所属窄波束位置信息如何向基站上报。此外，采用增强型 DTX/DRX 技术以实现跳波束模式也是一个潜在技术方向。特别是在NTN 场景下，鉴于波位尺寸较大，可考虑依据不同波位内业务分布情况实施波位级的DTX/DRX 策略。同时，鉴于卫星的高速运动特性，动态调整 DTX/DRX 机制也尤为重要。目前，这一议题仍处于讨论阶段，尚未形成最终结论。4.2.6移动性移动性在卫星通信网络中，移动性管理面临一些新的问题，如 NTN 小区中央和小区边缘的信号强度变化不明显，现有的根据无线信号质量进行移动性管理不能完全满足需求。针对这一问题，5G NT

86、N 中提出了新的移动性管理策略，即考虑终端的位置、卫星移出覆盖区域的时间等要素进行移动性管理。（1）条件切换对于基于终端的位置的移动性管理策略，引入基于位置的条件切换，通过提供卫星的参考点以及终端与参考点间距离门限值条件，当满足条件，触发基于位置的条件切换12。对于基于卫星移出覆盖区域的时间的移动性管理策略，引入基于时间的条件切换，网络可以提供关于当前小区停止服务和候选小区开始服务的时间信息，小区通过系统消息广播停止服务的时间来广播停止覆盖该区域的时间，该时间信息可以用于辅助 UE 进行小区重新选择，并用于确定合适时间来执行邻小区测量，当满足条件，触发基于时间的条件切换。（2）小区选择和重选天

87、地一体化技术探索与实践 2.027/89基于星历信息辅助的小区选择和重选：终端基于星历信息提前预判哪些卫星何时会覆盖某一区域，终端可以动态准确地搜索它能够选择到的 NTN 小区信息17，因此可以有效提高小区选择/重选的成功率。（3）跟踪区管理卫星的快速运动带来了跟踪区频繁更新的问题。由于卫星可以提供覆盖面积非常大的小区，导致跟踪区域的面积变大，这样虽然使跟踪区更新频率大大降低，但是会导致较高的寻呼负载。所以如何平衡跟踪区更新频率和寻呼负载成为一个难点。3GPP R16 中提出了固定跟踪区域的方法，即跟踪区域码 TAC 固定在地面上，而小区在地面上随着卫星的移动而改变。在 LEO 的场景下，当小

88、区在地面上扫描时，在小区到达下一个地球固定跟踪区域位置的区域时，广播的跟踪区域代码会被改变。这样的硬跟踪区更新降低了更新频率，但也对小区的系统消息更新或寻呼周期带来了新的问题。因此在 R17 中提出了软跟踪区更新，即网络可以在 NR-NTN 小区中针对每一个公共陆地移动网 PLMN 广播多达 12 个以上的 TAC，包括相同或不同的 PLMN，系统信息中的 TAC 变化受网络控制。另外，如果当前广播的 TAC中有属于 UE 的注册区域的，UE 就不会执行由移动性触发的注册过程19。（4）EUTRATN 到 NR NTN 的移动性R19 在研究 EUTRATN 到 NR NTN 的移动性，目前仅

89、考虑了普通的 LTE 终端，从小区选择、小区重选等角度讨论了 LTE 标准规范中需要新增的 NR NTN 卫星辅助信息内容。目前 R19 已经就小区重选、装载 NR 卫星辅助信息的方式达成了一致意见。通过重用 SIB24提供 NR NTN 小区重选相关信息（例如频率信息，SMTC 配置等），每个频率中引入卫星ID。EUTRA 小区利用卫星 ID 来标识卫星以提供 NR 邻小区的卫星辅助信息。为了支持从EUTRATN 至 NR NTN 的空闲模式的移动性，NR NTN 相邻小区的卫星辅助信息需要包含如下参数：Satellite ephemeris information、TAcommon inf

90、ormation、k-Mac、epoch time、validityduration、ntn-PolarizationDL，其中，极化参数 ntn-PolarizationDL 为可选，其它为必选参数。通过重用 SIB33 消息，在其中新定义 IE 来承载 NR NTN 相邻小区的卫星辅助信息。R19 在 R18 的 intra-CU LTM 方案的基础上研究 inter-CU LTM 和 Conditional LTM，目前仍在讨论中。此外，R19 还在研究在 NTN 中支持 MBS 广播业务涉及到的区域映射和 CN 与RAN 之间的交互信令等问题。天地一体化技术探索与实践 2.028/89

91、4.3 安全技术安全技术基于 5G NTN 的天地一体通信系统中存在透传模型和再生模型，这意味着一些接入网和核心网功能位于卫星上，因此会出现一些与地面网络不同的安全场景。天地一体网络中卫星间链路和卫星与网关之间的馈线链路是无线链路，可能受到干扰、窃听等，需进行保护。星上网元可能部署在同一颗卫星或不同的卫星上，当位于不同卫星时，需保证网元之间的安全，如信任关系、通信安全，可以采用分布式安全机制或者集中式安全机制。由于部分类型卫星的移动性，星上网元与地面网元之间的组网关系可能动态变化，此时星上网元和地面网元之间的安全机制需要增强。对一些具体需求，如存储转发场景中，可能出现 UE-卫星-地面网络连接

92、是间歇性的场景，即位于卫星上的 3GPP 网络功能通过卫星和地面网络之间间歇可用的馈线链路与 3GPP网络的地面基础设施通信。这意味着，在馈线链路间歇性不可用期间，会出现一些风险，例如 AKA 流程可能只能部分完成，导致网络和 UE 之间的相互认证程序不完整，又例如，非接入层的安全模式命令 SMC 流程可能只能部分完成。这种不完整的安全过程可能导致一些威胁，例如中间人攻击，对于上行链路控制平面数据（例如 NAS 消息）和用户平面数据（例如，如果未激活完整性保护），卫星上的 3GPP 系统无法验证上行数据的完整性，很难检测数据是来自真正的 UE 还是攻击者，所有上行链路数据都需要在馈电或星间链路

93、不可用期间存储。因此，存储容量很容易被无线攻击的伪造数据耗尽。对于下行数据（例如认证前的NAS 消息），同样，UE 无法验证下行数据的完整性，很难检测数据是从合法网络还是外部攻击者发送的，例如，攻击者可以在 Attach Reject 消息中发送虚假信息（例如卫星 ID、等待计时器），从而导致 UE 遭受 DoS 攻击。因此要研究存储转发卫星操作中的认证、授权和数据安全。对于卫星中部署 HSS 的场景，可以使用卫星上 HSS 中的安全凭证，使用传统安全程序（例如 AKA、NAS 安全模式命令等）建立安全。对于分离 MME 架构的存储转发场景，当馈线链路可用时，卫星上的 MME 获取 EPS 认

94、证向量，当服务链路不可用时，存储 EPS 认证向量。另外数字签名也可以被用于终端与星上网元之间的认证20。4.4 卫星实现技术卫星实现技术（1）通信卫星的组成通信卫星由卫星平台和有效载荷组成，卫星平台通过搭载不同的有效载荷，形成不同功能的卫星。天地一体化技术探索与实践 2.029/89卫星平台包括供电、结构、推进、热控、姿态控制、数据管理（星载计算平台）等系统，为卫星有效载荷提供服务保障。图4-5卫星平台组成图卫星有效载荷也称为专用系统，指与卫星执行任务直接有关的仪器、设备或系统，通常包括天线系统、转发器系统以及其它金属/非金属材料和电子元器件等。传统通信载荷主要包括相控阵天线和转发器，卫星互

95、联网在传统通信载荷基础上增加了星间链路。图4-6通信载荷组成部分（2）星载多波束天线技术星载天线是通信卫星的关键载荷。通信卫星天线包括简单天线（标准圆或椭圆波束）、赋形无线（多馈源波束赋形和反射器赋形）、多波束天线（MBA）等类型。星载多波束天线更易满足高增益、广覆盖、大速率以及终端小型化的需求，是目前应用研究热点。星载多波束天线可分为反射面多波束天线、透镜式多波束天线及相控阵多波束天线。各类多波束天线对比如表 4-1 所示。天地一体化技术探索与实践 2.030/89表4-1三种多波束天线对比表天线类型优点缺点反射面多波束天线重量轻、结构简单、设计技术成熟、性能优良等宽角扫描性能劣于相控阵天线

96、，需采用偏置结构以避免馈源阵的阻挡透镜式多波束天线相比反射面天线，有更大的设计自由度，具有很好的旋转对称性，保留了良好的光学特性，无口径遮挡在低频段具有重量大、损耗大等致命缺点，导致其在星上应用严重受限相控阵多波束天线宽扫描角、低轮廓、低损耗、重量轻。可实现灵活的多波束、波束调整重构，以及波束凝视、等通量覆盖等存在馈电网络损耗、频带窄、结构复杂、成本高等缺点目前，典型的星载大规模天线阵列主要包括反射面多波束天线和相控阵多波束天线。反射面天线具有重量轻、结构简单、设计技术成熟等优点，利用大口径天线，可产生更多高增益低副瓣的点波束。GEO 卫星，由于所处轨道高，传输路径长，路径损耗大，一般采用反射

97、面天线，天线口径往往超过 10 米，如美国 TeereStar-1 卫星采用直径达 18m 的超大型 S频段金属网反射面天线，美国 SkyTerra-/-2 的天线口径更是达到了 22m。相控阵天线具有宽扫描角、低轮廓、低功耗、重量轻的特点，可实现灵活多波束、波束调整重构，波束凝视、等通量覆盖等优点。LEO 卫星，由于卫星轨道低、视角宽，要求天线具备较大扫描角，一般都采用相控阵配置。（3）星载功放技术星载功放是星载转发器的关键部件。星载功放的能量转化效率直接影响星上热处理和有效载荷容量，最终影响卫星的重量和体积，是星上关键设备。星载功放主要分为行波管放大器 TWTA 和固体功率放大器 SSPA

98、。星上功率发射器最早采用 TWTA，TWTA 由行波管及其保护电路（如速调管）和稳压电源电子功率调节器组成，工作频率范围为 300MHz 至 50GHz，功率增益约为 40 到 70dB，在高功率和高频率工作状态下，可以获得比固态放大器高得多的输出功率，输出功率范围从几瓦到几兆瓦（6GHz 工作频段额定输出功率可达 2.25kW。TWTA 性价比主要体现在大功率（功率大于 200W 以上）应用方面，主要应用于高轨高通量卫星系统。SSPA 使用场效应晶体管作为射频功率放大的主要器件，工作电压低，实现也更加容易。SSPA 通常需配置集成电源，由于其单体输出功率较低，为实现高功率放大，SSPA 将许

99、多功率晶体管并联放置，从而实现输出功率的合成放大。SSPA 目前主要工作于低功率和低频率状态下，频段集中在 L、S 和 C，输出功率 200W 以下，目前多应用于低轨通信卫星系统。天地一体化技术探索与实践 2.031/89（4）星间链路技术星间链路是指用于卫星间通信的链路，可将多颗卫星互联在一起，实现卫星间的信息传输和交换，形成一个以卫星作为交换节点的空间通信网络。星间链路的引入，使得低轨卫星移动通信系统能够更少地依赖于地面网络，更为灵活方便地进行路由选择和网络管理，同时减少了地面信关站数量，降低部署复杂度和部署成本。星间链路的核心器件是通信终端，要求波束发散角较小，具有良好的抗干扰和抗截获性

100、能，系统安全性高。目前主要的技术有太赫兹星间链和激光星间链。太赫兹链可实现 10Gbps以上传输速率，可被大气层吸收，具有更好的保密性。而激光通信不需要向国际电联申请特定频段，使用更加便捷。（5）星上容错冗余技术在太空环境中，辐射粒子会轰击星载平台上的数字信号处理器（如 FPGA 或者 DSP 等），可能会使某些处理模块的逻辑配置或存储部分发生改变，从而导致暂时的（软错误）或者持续的处理故障。目前普遍使用的卫星载荷容错保护措施包括硬件加固、系统级保护和电路级容错。硬件加固使用特殊封装工艺的宇航级器件提高系统可靠性。但宇航级器件性能难以满足现代航天应用的需求。美国 NASA 提出采用低品级的商业

101、级或工业级器件（统称 COTS 器件）部分甚至全部取代宇航级器件。COTS 器件具备性能优异、成本低廉、货源充足等优点，但失效风险较高，需基于冗余资源进行容错加固。系统级保护通过多机备份、周期性故障检测与重配置等机制对系统故障进行恢复。此方案开销较大、实时性差，不能保证系统的不间断工作。电路级容错是通过引入冗余（如逻辑冗余或时间冗余），在部分逻辑或存储单元发生故障的情况下，仍能保证处理模块输出正确的结果。最常用方案为三模冗余方案，需在原有处理逻辑基础上增加两倍计算、存储和功耗开销，对于体积、重量和功率都严格受限的空间平台及嵌入式系统来说是巨大的负担。4.5 终端实现技术终端实现技术天地一体化卫

102、星互联网是一个异构互联的融合网络，具有空间节点高度动态和系统时空尺度极大等特点，对终端接入能力、天线增益、低信噪比接收能力、尺寸、功耗等方面提出更高要求。（1）天线小型化技术传统卫星电话设备通常需搭配体积庞大的外置天线，以便接收和发送卫星信号,限制了设备的便携性和外观美观。对于大众消费应用场景的手持终端，轻小便携美观是基本要求。天地一体化技术探索与实践 2.032/89为满足手机直连卫星的使用，需要研发在消费级的手机上集成卫星通信功能。小型化、低功耗的设计目标，要求终端天线射频技术和基带芯片技术有较大的发展。在天线方面，一方面开展终端天线小型化研究，典型技术有微天线技术、内置天线技术等。另一方

103、面，突破卫星通信天线与手机共形设计，加强高增益天线研发。此外，还需要持续优化手机MIMO天线阵列，以提升天线增益。在低功耗方面，研发星地一体基带芯片，支持面向5G NTN等天地融合标准协议，减小终端体积和芯片交互产生的能量消耗；提高功率放大器的效率，降低电量的的消耗。（2）面向低轨星座的相控阵天线技术对于低轨卫星星座，考虑卫星高速运动的特点，卫星与终端相对位置在不但变化，需要通过自动化方式，对卫星和地面终端进行精确对准和跟踪，以确保链路的稳定和可靠性。传统机械扫描终端天线难以满足实时要求，以电子扫描技术为特点的相控阵技术响应速度快，天线可赋型，满足各种辐射方向图设计要求，逐步成为发展热点。相控

104、阵天线是星地融合终端的重要天线形态，通过信号相位控制，可快速调整跟踪低轨卫星，实现一副天线支持多颗星同时工作。目前，相控阵毫米波射频芯片主要是基于GaAs、GaN工艺，发射性能和接收噪声系数较好，但由于每个相控阵天线包含成百上千颗相控阵芯片，占据了超60%的天线成本。使得面向民用市场，成本更低、集成度更高的硅基芯片更有应用前景。硅基射频芯片采用CMOS、CMOS-SOI、SiGe三种工艺。考虑卫星通信应用中的天线口径较大，使用相控阵技术后，通道规模均在数千通道量级，通常选择CMOS工艺的射频芯片技术。硅基CMOS芯片技术成熟度好，可以利用目前的65nm、45nm、28nm工艺线，生产线产能巨大

105、，良品率很高。结合成熟的数字电路技术，可将多个通道的接收、发射、移相衰减控制以及多个通道间的功分网络集成到一颗芯片内，还可把串并转换电路、温控电路、功率检测电流、自检电路等数字控制部分一起集成，通过RF SOC封装，实现相控阵天线的高集成。由于大规模商用的低成本优势，硅基CMOS芯片技术目前是国际卫星终端相控阵天线领域的主流技术之一。面向未来大规模生产，以CMOS工艺为基础的终端低成本相控阵天线技术还需要解决芯片效率低、功率小以及噪声系数较大等难题。由于硅材料的电子迁移率低，导致采用CMOS工艺的芯片效率很难做高。目前毫米波频段国际领先水平单管芯达到了20%的效率，与GaAs通常40%的效率仍

106、有较大差距；功率很难做大，目前可以做到单管芯50mW的水平，与GaAs通常5W的输出功率差距较大；噪声系数很难做小，现阶段达到的3dB，与GaAs通常的1.5dB仍有差距。（3）射频前端集成技术天地一体化技术探索与实践 2.033/89星地融合终端需要同时支持地面蜂窝通信和卫星通信，考虑到不同接入网往往采用不同的接入频段，由于频谱资源管理历史原因，同一接入网络也面临分配频段碎片化等问题。因此，终端需要支持多种通信制式和多种射频频段，才能接入不同网络。终端支持多模多频主要与基带芯片、射频芯片、射频前端三部分有关。相对于数字化的基带芯片和射频芯片，多模式多频段对射频前端带来的挑战更大。射频前端决定

107、了终端可以支持的通信模式、接收信号强度、通话稳定性、发射功率等重要性能指标，直接影响终端用户体验。射频前端由一系列模拟器件组成，包括开关、功率放大器、低噪声放大器、滤波器和双工器等。每种通信制式、每个频段需配置专门的滤波器或双工器，很难共用。一方面，随着终端支持频段数的增加，其器件数量将逐渐增加。另一方面，终端对尺寸的要求较高，尤其是手持终端，由于结构设计的要求，终端留给射频前端的 PCB 面积是无法增加的。此外，随着通信制式射频复杂度的提升，使用分立方案的调试效率迅速下降。在空间和时间上的双重约束下，射频前端器件朝模组化方向发展已经成为一大趋势，这样不仅可以降低体积和尺寸，同时也能够提升性能

108、，提高调试效率，降低成本。射频前端模组是以系统封装 SiP 的形式集成数个不同工艺的高性能器件，包括射频开关、低噪声放大器、滤波器、双工器、功率放大器等分立器件。射频前端模组面临的挑战之一主要来自于高性能滤波器。Sub6GHz 是移动通信的黄金频段，LTE、5G、GPS、WiFi 2.4G、Bluetooth 等网络通信频段都集中在这个范围。随着卫星通信的到来，终端射频前端面临的频段越来越多，滤波器数量的需求达到几十只甚至上百只，使得射频前端的设计变得极为复杂。过高的频率和过宽的带宽，半导体晶体管的特性下降很快，很难做出高性能。带宽的增加导致实现滤波器带内平坦度指标越来越困难，实现最优滤波器需

109、要基于声表波、声体波或 MEMS 等新技术。同时，功率放大器的效率随着频率提升而降低，实现最优功放效率需要 GaAs 或者 GaN。这些器件工艺互不兼容，射频前端要实现异质集成，把不同工艺的芯片转移到共同一个芯片衬底，面临材料失配、电互联、散热困难等系列挑战。终端射频前端需要持续的创新来满足星地融合的需求。随着 CMOS RFIC 集成度越来越高，不同工艺 SiP 趋势也越来越明显，Chiplet 技术给射频电路/系统的设计带来新的思路。未来的系统越来越复杂，IP 越来越多，需要大的协同创新，而 Chiplet 小芯片技术可以发挥不同材料/器件的优势，使射频通信系统更加灵活。此外，射频电路的数

110、字化特点越来越明显，可以利用数字化射频设计来弥补射频 CMOS 工艺本身的缺陷。天地一体化技术探索与实践 2.034/894.6 测试技术测试技术基于 NTN 的应用场景，由于空中或太空载体的高度和移动速度，以及由此造成的高传播时延和多普勒偏移等，将对非地面网络的设计和应用带来新的问题和挑战。其主要挑战在于以下几点：（1）高传输时延地面站/用户终端与卫星之间距离较远，会带来比地面蜂窝网络更高的传输延迟。在透明转发模式的单路传输时延可达数百毫秒。（2）高多普勒频移对于低轨卫星系统，卫星将围绕地球做高速环形运动，这会导致额外的技术问题多普勒变化和定时变化。对于低轨卫星系统，将处理几十千赫兹甚至兆赫

111、兹级别的多普勒偏移。（3）低信噪比由于卫星通信传输距离长、发射频率高，会有极大的传播损耗，同时由于卫星的载荷器件的限制，会造成低信噪比的问题。（4）复杂移动性管理在地面网络上，小区是固定的，只存在终端移动性问题。而在 NTN 场景下，小区和终端都在移动，涉及到的小区重选和切换、波束选择和恢复等移动性管理过程需要重新考虑。根据 NTN 典型场景，NTN 通信测试技术体系主要包括：MIMO 通信测试技术、微波毫米波通信测试技术、通信信令仿真与模拟技术、网络性能测试技术、系统级测试与验证技术等。图4-7 NTN通信测试技术体系（1）MIMO 通信测试技术天地一体化技术探索与实践 2.035/89MI

112、MO 是 NTN 技术方向，是调高频谱利用率的主要手段。主要针对 NTN 核心部件和NTN 信关站等设备研发与生产的测试验证需求，构建 MIMO 毫米波 NTN 通信信号测试环境，进行 MIMO 信号模拟、分析、OTA 测试、信关站综合测试和信道模拟等。（2）微波毫米波通信测试技术空/星载平台与 UE 之间的载波频率涉及 0.5100GHz 之间的整个频率范围。毫米波信道的基本属性及特征和传统信道有很大差异，重点测量毫米波信道特征，验证毫米波通信系统特性，实现和使用毫米波实时通信。（3）通信信令仿真与模拟类测试技术NTN 通信模拟器设备对于新技术及产品研发十分重要。通过具有终端模拟功能的仪表来

113、实现 NTN 空中接口的终端和信关站侧方案，验证 NTN 关键技术与系统方案。通信信令仿真与模拟技术将重点进行 NTN 终端模拟、NTN 信关站模拟、基于树表结合标记方法的NTN 通信终端协议仿真测试等。（4）网络性能测试技术NTN 网络采用异构网络形式，根据用户需求，进行接入层判决，选择服务小区。对于测试来说，首先需要系统模拟波段需要连续覆盖，同时保证多层的频谱叠加；对于节点模拟来说，需要保证节点根据业务需求准确实时的接入相应层级小区，并在多层干扰下准确接入网络；根据业务类型，完成复杂的高层协议传输控制及调度设计。根据 NTN 网络特点，网络性能测试技术包括 NTN 空口监测分析、NTN 异

114、构网络一致性协议分析等。（5）系统级测试与验证技术NTN 通信系统需要满足流量增长、降低时延、设备连接的网络发展需要，支持异构网络融合和多种业务场景。终端/信关站一致性进行测试的系统是 NTN 终端/信关站研发的必备测试验证平台，系统级测试与验证技术包括射频一致性测试、无线资源管理一致性测试、协议一致性测试、大规模天线阵列测试验证和毫米波通信测试验证等。天地一体化技术探索与实践 2.036/8955G NTN 产业发展与实践产业发展与实践5.1 5G NTN 标准制定标准制定为了更好地实现卫星通信与地面网络的优势互补和无缝兼容，满足行业与用户的通信需求，当前 3GPP 和 CCSA 推动 5G

115、 天地一体化标准的演进。（1）3GPP2016 年，无线接入网 RAN 工作组在 R15 正式开展“支持非地面网络（NTN）的新空口”研究项目，形成技术报告 TR 38.811面向非地面网络的 5G 新空口，定义了包括卫星网络在内的非地面网络的部署场景及相关系统参数（如结构、高度、轨道等）；提出了适用于非地面网络的信道模型，包括传播模型、移动性管理等；最后，根据部署场景，提出在 5G中非地面网络需要进一步研究的主要方向。2018 年，R16 正式开展 5G NTN 的研究，服务和系统 SA 工作组与 RAN 工作组同时开展对 NTN 的研究工作。SA 工作组对 5G 卫星通信技术的场景和需求开

116、展研究工作，形成技术报告 TR 22.8225G 卫星接入研究，同时更新技术规范 TS 22.261第五代移动通信系统的业务需求，对卫星在 5G 系统中的角色和优势进行了探讨，卫星在要求广域覆盖的工业应用场景中具有显著优势。RAN 工作组对 5G NTN 的接入网协议及架构进行了评估，并形成技术报告 TR 38.8215G 非地面网络解决方案，为 R17 开展正式的 5G NTN 标准化工作奠定了基础。2021 年，R17 全面开展卫星通信的系统架构和空口接入技术研究与标准化工作。SA2根据 SA1 的需求，对卫星通信网络架构开展研究工作并形成技术报告 TR 23.7375G 网络中卫星接入的

117、架构研究，基于研究结果开展卫星通信的网络架构相关标准化工作。RAN工作组基于 R16 研究结果，开展卫星通信的标准制定工作。在 R17 期间，卫星运营商公司对于 IoT-NTN 提出强烈的需求，在 2021 年 6 月，RAN 批准了 IoT-NTN 项目，以 NB-IoT和 eMTC 技术为基础，在 R17 研究并标准化基于卫星的物联网技术。2022 年 6 月，R17 NR-NTN/IoT-NTN 基础协议版本冻结，其中 RAN1 主要针对非地面网络中长传播时延、大多普勒效应和移动小区等问题开展研究，RAN2 主要针对用户面和控制面流程进行相关增强，RAN3 主要针对 NG-RAN 的架构

118、进行增强，RAN4 主要针对 NTN终端性能开展研究。SA/CT 主要针对核心网，QoS 策略等开展研究并进行增强。天地一体化技术探索与实践 2.037/892022 年 9 月，3GPP 启动了 R18 NTN 议题，在 R17 版本的基础上进一步增强。2023 年12 月，R18 NR-NTN/IoT-NTN 版本冻结。R18 NR-NTN 所做工作包括：上行覆盖增强以实现智能手机接入 NTN；引入网络验证终端位置以符合监管需求；移动性管理增强以保证业务的连续性；支持 10GHz 以上频段实现卫星宽带业务。R18 IoT-NTN 所做工作包括：HARQ-ACK 反馈增强以提升系统吞吐量、支

119、持连接态 GNSS 测量以实现连续长时间业务传输、移动性管理增强以及支持非连续覆盖场景。2024 年 2 月，3GPP 启动了 R19NTN 议题。其中 NR-NTN 所作的工作包括：下行覆盖增强。包括系统级增强和链路级增强。对于系统级，通过 TDM 的方式实现一个波束为对多个小区提供覆盖。对于链路级，通过时域上的重复传输提高增益；上行容量/吞吐量增强。通过 OCC 复用的方式提升 PUSCH 容量；支持广播业务。对广播的服务区域进行限定，使广播业务能够特定地服务某个区域；支持再生载荷架构。降低传输时延，提高 NTN 部署的灵活性；支持 redcap 终端接入 NTN。Redcap 终端也有接

120、入 NTN 网络的需求，但是在 R17和 R18 并未对此进行标准化。IoT-NTN 所作的工作包括：支持存储转发模式。基于再生载荷架构，允许在没有 NTN 网关等地面基础设置的情况下，在卫星覆盖区域中为延迟容忍、非实时 IoT NTN 业务提供服务。上行容量/吞吐量增强。通过 OCC 复用的方式提高 NPUSCH的容量；支持紧急消息广播。通过卫星广播紧急消息，充分利用卫星的广覆盖的特性；支持TDD 模式。基于 FDD 帧结构，在 1616-1626.5 MHz 支持 TDD 模式，满足卫星节能、降低卫星侧复杂度（例如，避免双工器等）的要求。图 5-1 5G-A 3GPP NTN 技术演进路线

121、（2）CCSACCSA 的标准化研究主要集中在 TC5 和 TC12 工作组。其中，TC5 的 WG9 和 WG10 都有对卫星相关的标准研究。TC5 WG10 主要负责卫星与微波、毫米波等技术、设备、接口及天地一体化技术探索与实践 2.038/89应用技术标准研究和制定，卫星通信资源研究，如天通 1 号手持/非手持终端、Ka/Ku 频段卫星地球站等相关的技术要求及测试方法，研究项目包括基于 5G 的卫星通信系统研究，基于非地面网络（NTN）的窄带物联网：卫星接入节点设备技术要求，基于非地面网络（NTN）的窄带物联网：接入网总体技术要求，基于非地面网络（NTN）的窄带物联网：卫星接入节点设备测

122、试方法 等。TC5 WG9 的主要项目包括 支持非地面网络（NTN）的物联网窄带接入（NB-IoT）终端技术要求，支持非地面网络（NTN）的物联网窄带接入（NB-IoT）终端测试方法等，旨在研究和规定 NTN 环境下 NB-IoT 终端的关键技术，以及相应的测试流程和方法，以确保 NTN 物联网系统的稳定性和可靠性卫星技术集中在 TC12 航天通信技术组的 WG1、WG2、WG3 和 WG4 工作组，WG1 主要研究航天通信网络系统的接入和传输协议，资源管理，与基础电信互通互联和融合，研究项目包括宽带移动卫星通信协议要求，第 1 部分：总体、宽带移动卫星通信协议要求，第 2 部分：无线电接口物

123、理层等。其中紫光展锐牵头面向星地融合的通信终端能力和技术研究研究课题，联合中国移动、中国联通等单位在 2022 年 6 月通过面向星地融合的通信终端能力和技术研究研究报告。2023 年 2 月立项卫星互联网标准体系。WG2 主要研究航天通信技术在垂直行业的应用，以及卫星物联网的技术和应用，研究项目包括宽带移动卫星通信协议要求，第 3 部分：链路层、宽带移动卫星通信协议要求，第 4 部分：上层协议、天地一体 5G 网络应用场景及需求、基于 IoT-NTN 的卫星物联网系统技术研究等。当前已经形成天地一体 5G 网络应用场景及需求研究报告。基于 IoT-NTN 的卫星物联网系统技术研究等领域的研究

124、也已形成对应的技术报告。WG3 的研究重点在空、天、地多种模式下的协同组网，研究项目包括 面向天地一体化网络的承载网架构及需求研究、空间光通信关键技术及应用研究、基于星地融合的网络切片技术研究、基于天地一体化的网络策略控制技术研究、基于物联网低轨星座星地融合与短报文互通技术方案研究基于星地融合网络的 QoS 关键技术研究、天地一体化场景下异网漫游需求及技术研究等。WG4 负责基于高中低轨融合的卫星中继网络和通信、感知、导航、遥感和计算融合的系统和应用。推动在卫星中继与计算的前沿性研究，通过制定卫星中继与技术的标准，促进天基网络与地面网络融合，促进通信与计算融合。天地一体化技术探索与实践 2.0

125、39/895.2 5G NTN 应用场景应用场景/实例实例2022 年，世界先进国家已初步完成第一批 5G 商用网络建设，5G 网络覆盖全球近三分之一人口，全球 5G 连接数突破 10 亿，渗透率 12%，5G 已经成为全球主流移动通信技术。地面蜂窝网络应用取得巨大成功，但受限于建设难度和建设成本，全球仍有 25%的人（20亿）未接入互联网，80%的陆地面积和 95%以上的海洋面积，未实现移动通信网络覆盖。考虑卫星通信具有广覆盖全天候通信的优势，融合卫星通信与地面蜂窝通信的天地一体化网络，将具有广阔的业务应用场景。一般而言，可分为手机直连卫星场景、物联网场景、车联网场景和卫星宽带接入场景。5.

126、2.1手机直连卫星手机直连卫星手机直连卫星应用场景主要是面向个人消费者的 2C 类应用，包含窄带类应用和宽带类应用。典型场景有户外探险旅游场景、应急通信场景等。在户外探险旅游场景，中国每年有至少 1.3 亿人开展徒步旅行、休闲户外等轻度探险旅游运动，有 6000 万人进行登山、攀岩、滑翔、航海等重度探险旅游运动。对于边远地区或人烟稀少区域，由于通信需求不足或通信网络建设难度较大，蜂窝通信难以做到完全覆盖。这种场景下，用户需要接入卫星通信，通过地面与卫星融合网络来获得连续的通信业务服。在应急通信场景，主要包括个人紧急情况和公众紧急情况。个人紧急情况与户外探险旅游场景类似，公众紧急情况主要指自然灾

127、害、事故灾难等突发公共时间及节假日、演唱会的突发话务高峰的情况。自然灾害包括水旱灾害、气象灾害、地震灾害、海洋灾害、生物灾害和森林草原火灾等。公众紧急情况往往突发性强、紧急度高、时间地点不确定，地面网络难以及时满足需求，需要实时接入卫星网络，满足应急救援需求。该场景主要包括面向公众发布的应急灾害预警信息、以及应急信息上报、应急现场监测、应急救援通信等的通信业务需求。手机直连是卫星互联网拓展大众市场应用的基础，美国北方天空研究所 2022 年预计，未来 10 年手机直连市场规模约为 668 亿美元。5.2.2物联网物联网受限于建设难度和建设成本，全球80%以上陆地面积和95%以上海洋面积，未实现

128、网络覆盖，无法满足人类在这些区域的各类生产活动。在农业生产方面，需要对农田、河流、土壤、水利等相关数据进行监测，助力农业管理、水利水质管理、灾害预警等。在油气生产领域，油气田分布点多面广，大部分地处偏远地区，环境比较恶劣，传统地面通信网络难以完全覆盖。油气作业设备运行状态、井口生产数据、油罐液位、长停井数据需要进行监控，以助力生产与安全管理。在气象监测方面，气象监测设备分布广泛，既涉及城市区域，也涉及天地一体化技术探索与实践 2.040/89野外区域。在电力领域，偏远山区电站信息采集、远距离输电线路运维、应急抢险通信等电力业务信息传输，电力系统野外设备工作状态和运行数据监控等业务需求，现有网络

129、往往难以完全满足。在海事场景，大型货轮、集装箱船只、海上平台、海上物联网采集设备在离岸100公里以后无法通过地面蜂窝网络解决，通过卫星物联网可提供经度、维度、速度、船艏向、对应时间等船位实时信息；气温、风力、风向、海温、洋流、台风等环境信息；以及数字地图、遥感影像、三维数据、海图、地名地址数据等空间地理信息。在智慧物流领域，运输工具位置、货物温湿度、冷机运行状态、箱门开关状态、运输轨迹等状态参数需要实时回传后台。在野生动物保护领域，通过动物保护终端实时获取动物的位置、速度等运动数据、心跳、体温等身体数据、以及温度湿度等环境数据。5.2.3车联网车联网近年来自驾游成为旅游市场热点，汽车租赁市场日

130、益成熟、车联网技术提升为自驾游市场保驾护航。自驾游过程中，乘客娱乐业务对于连续覆盖的通信需求也提出了更高的要求。车联网中的自动驾驶、车辆监测需要超低时延和超高安全性、可靠性的通信，这需要通过在网络的边缘提供可靠的计算能力，将一些必不可少的服务能力延伸到网络边缘，缩短端到端网络时延将来实现。中低轨卫星网络能够通过合理的拓扑结构设计、客户端波束的动态配置、融合边缘计算等支持车联网的应用。卫星链路可为高速行驶下的车辆提供连接，并能够根据需要的内容（如视频、HDTV 以及其它非视频数据消费）在大覆盖范围内进行本地存储或播发，实现与用户设备或传感器的高效直接连接，以补充现有的地面连接。随着汽车工业的快速

131、发展，卫星车联网技术正在成为一种新兴的技术领域。根据市场研究机构的数据，卫星车联网市场规模正在迅速增长，预计到 2027 年将达到 300 亿美元。5.2.4宽带接入宽带接入卫星宽带接入可为偏远地区以及飞机、高铁等高速移动场景，提供无缝宽带畅联服务。在偏远地区宽带接入场景，受限于通信网络建设难度与部署成本，偏远地区往往得不到较好的地面网络覆盖。卫星通信系统具有全天候覆盖、不受地域限制、不受人为干扰的优势，具有很强的机动性，具有点对多点传播、低成本、广覆盖的特点，可为偏远地区网络覆盖提供新的解决方案。可通过满足偏远地区信息获取、在线教育、远程医疗等应用，助力解决教育与医疗资源发展不均衡。教育医疗

132、场景主要为视频类会话、以及 TCP 类通信业务，终端主要为 CPE 等宽带终端。天地一体化技术探索与实践 2.041/89图5-2远程医疗教育行业卫星宽带服务在交通运输场景，卫星宽带通信可为高速行驶的飞机、车辆、火车和船只，无缝提供视频等宽带网络内容连接与转发服务根据大视野研究公司的一份报告,2022 年卫星互联网市场的规模为 82.3 亿美元,预计到 2030 年将达到 225.7 亿美元。5.3 基于基于 5G NTN 的语音技术实践探索的语音技术实践探索5.3.1场景与需求场景与需求使用普通智能手机通过卫星接入移动网络进行语音通话是目前业界热门话题之一，特别是由于卫星在农村和偏远地区提供

133、广覆盖的优势。手机直连卫星是对地面网络覆盖的重要补充，确保每个人、在任何地方、在任何时间都能持续通信。这种方法为包括物联网和智能手机行业在内的广泛市场带来了新的机遇和价值。随着 3GPP IoT NTN 的发展，智能手机越来越多地支持小数据和短信功能，使无缝、广泛的连接成为现实，并激发了依赖弹性、无处不在的网络的行业的创新。3GPP 中的卫星语音呼叫服务能提供一致的网络连接，可在任何时间和地点访问，促进地面和卫星网络之间的平稳通信。GEO 卫星特别适合为低数据速率服务提供全球覆盖，利用现有的地球同步轨道卫星，可以快速部署短信和语音服务。在某些市场，智能手机已经支持 GEO 卫星直接通信，用于短

134、信、小数据和低速率紧急语音通话。虽然市场对这些解决方案的接受度是积极的，但目前的产品依赖于专有技术，这些技术往往成本高昂，可能会提供不一致的用户体验。自 R17 以来，GEO 卫星接入已被纳入 3GPP 标准，作为 5G 的接入技术，默认支持语音、数据和视频等所有类型的媒体。然而，由于地球同步轨道卫星的独特挑战，如距离地球 35786公里、约 285 毫秒的信号延迟和大气衰减，仅通过扩大带宽无法提高数据速率，这导致非地球静止卫星轨道 NGSO 支持的服务可能无法得到地球同步轨道的支持。自 3GPP 的 R5 以来，使用 IMS（IP 多媒体子系统）平台的语音呼叫一直是标准功能。由于 IMS 能

135、够支持多种多媒体服务并确保互操作性，随后增加了多种服务，包括 IMS 紧急天地一体化技术探索与实践 2.042/89呼叫、消息传递、组管理、一键通和实时通信。这些增强功能使 IMS 成为连接不同运营商和服务提供商在各种类型的接入网络上进行语音通话的关键工具。5.3.2基于基于 GEO 的的 IoT NTN 语音业务语音业务5.3.2.1 IoT NTN 技术发展现状技术发展现状近年来，国内外 IoT NTN 应用创新发展快速。国际方面，海事卫星与联发科开展了多次基于 IoT NTN 技术的双向卫星通信试验，并宣布未来将联手打造智能手机、物联网设备、汽车等终端的双向卫星通信功能。国内方面，科研机

136、构与设备制造商、卫星运营商等产业链上下游企业基于 3GPP R17 标准，在芯片、终端模组、网络设备等方面联合进行了多次星地融合通信试验验证，实现了 IoT NTN 端到端全链路技术贯通。（1）研究院所相关测试验证2022 年 10 月，信通院与银河航天联合开展卫星物联网体制在轨技术试验，将 NB-IoT技术引入卫星通信领域，采用信通院开发的 NTN 试验验证平台，依托银河航天低轨试验卫星和地面信关站，开展 IoT-NTN 信号的卫星在轨测试。首次验证了基于 3GPP IoT-NTN 协议的窄带物联网体制信号在低轨卫星通信系统中的适用性。针对 Ka 频段低轨卫星路径损耗大、信道环境变化快的特点

137、，中国信通院优化了 IoT-NTN信号同步、频偏补偿等技术，验证了窄带物联网信号克服大时延、动态频偏的能力。本次试验充分发挥 NB-IoT 技术灵敏度高，覆盖范围广的特点，使用口径 5.8cm，增益 7dB 的小口径终端天线，实现了上下行信号正确解调。本次试验大幅减小了终端天线尺寸，为卫星物联网终端小型化指出了突破方向，为商用化发展提供了有力支撑。Ka 频段的测试结果与中国信通院在 2021 年和 2022 年的测试结果相结合，探索了建设宽窄带一体化卫星通信系统的技术可行性，对于宽窄带融合的卫星通信发展有重要参考意义。（2）运营商相关测试验证中国移动先后开展两轮测试验证。2022 年 8 月，

138、中国移动、紫光展锐、中兴通讯、交运集团等单位联合发布全球首个运营商5G NTN技术外场验证成果。外场验证基于R17 NTN协议，依托海事卫星系统，突破超远 3.6 万公里和普通手机直连两大挑战，形成超大时延动态补偿、星地间射频数据转化两大创新方案，实现了 5G NTN 端到端全链路技术贯通，完成短消息和语音对讲等业务演示，性能基本符合预期，实现了从“0”到“1”的突破。全面验证了手机直连卫星技术落地能力，助力构建连接泛在、场景丰富、产业链高度融合、建设运维成本低的天地融合网络。2023 年 5 月，中国移动研究院近日携手 OPPO、中兴通讯、是德科技等产业合作伙伴共同完成 5G 手机终端直连卫

139、星的实验室测试验证。该测试验证在 2022 年 8 月完成全球首天地一体化技术探索与实践 2.043/89个运营商终端直连卫星外场试验的基础上，面向容量、时延、速率等增强特性方案，开展国内首款 IoT-NTN 卫星通信的 5G 手机测试验证，具备良好性能。中国电信于 2023 年 1 月携手紫光展锐、中兴通讯、佰才邦、中国信息通信研究院、中国电信广东公司等产业合作伙伴共同完成了全球首次 S 频段 5G NTN 技术上星验证。此次验证基于天通一号卫星，采用 3GPP R17 NTN 协议，突破了地球静止轨道卫星通信带来的频率同步、时间同步、时序关系增强等协议匹配性难题，实现了国产安全、自主可控的

140、 5G NTN端到端全链路连通，初步验证了基于 3GPP R17 NTN 协议的手机直连卫星、天地一体物联网技术方案的可行性，性能基本符合预期。（3）芯片企业相关产业实践紫光展锐多次开展 IoT-NTN 产品测试，相关芯片产品即将量产。2022 年 9 月，紫光展锐搭载北京鹏鹄终端，在东南沿海开展多次上星测试（海事卫星）。测试采用的卫星物联网终端基于紫光展锐 IoT-NTN 芯片开发，通过 L 波段卫星，在预商用基站上完成了通信组网测试，并实现数据传输。2022 年 9 月，紫光展锐联合中国移动、中兴通讯，基于海事卫星通信系统在大理开展 R17 NTN 上星测试。2023 年 1 月，紫光展锐

141、联合中国电信、中兴通讯、佰才邦，基于天通卫星通信系统，在广州开展全球首个 S 频段 R17 NTN 上星测试。MTK 也积极开展 IoT-NTN 测试，推动 5G 卫星物联网先进通信技术的发展。2020 年 8月，MTK 成功通过 Inmarsat 国际海事卫星组织 Alphasat L 波段卫星，与赤道上方 35000 公里处 GEO 地球同步轨道完成数据传输的外场试验。测试采用 MediaTek 基于标准 NB-IoT 芯片开发出支持卫星功能的设备，成功与商用 GEO 卫星建立双向链路，真正的为物联网业务带来全球覆盖。（4）终端企业相关产业实践北京鹏鹄物宇公司已实现卫星物联网终端量产和落地

142、运营，其模组已量产，频段可全国运营，具备可双向、低功耗、低时延、低成本等特点。其卫星新式产品，可实现实时卫星双向文字通信、位置追踪，应急救援和实时数据回传；海上漂浮终端，内嵌 5G NTN 模组，用于监控海洋环境。5.3.2.2 IoT NTN 语音技术挑战语音技术挑战（1）单向语音传输延迟从呼叫发起到听到呼叫时延，这种延迟严重影响了 E-Model b 的 R 评分，该评分用于评估语音通话质量。管理这种延迟是网络设计中获得更高 R 分数的关键。ITU-T 在网络规划时推荐的最大时延为 400 毫秒。然而，使用 GEO 卫星接入时，口空传播延迟比其他技术要长得多（285ms），需要仔细计算延迟

143、预算。在将 IMS 语音呼叫调整为 GEO 卫星访问以确保更高的用户满意度时，这种谨慎的管理至关重要。天地一体化技术探索与实践 2.044/89（2）编解码器比特率编解码器比特率是指用于编码/解码人类语音以进行数字传输的比特率。编解码器和数据速率之间的关系至关重要，因为它决定了语音在数字通信系统中的传输效率。多年来，3GPP 语音编解码器的发展重点是在保持数据速率近似恒定的情况下，提高干净和受损信道的语音质量。例如，在音频质量方面，支持 4.75 至 12.2 kbps 比特率的 AMR 编解码器和支持 5.9 至 128 kbps 比特率的 5G 语音编解码器 EVS 的开发在音频质量方面取

144、得了重大改进。相比之下，GEO 卫星系统通常只支持 3GPP 框架下明显较低的数据速率。（3）呼叫建立时间呼叫建立时间在传统电话和现代 IMS 系统中都是至关重要的，因为它严重影响用户满意度和服务的感知质量。更短的呼叫设置时间尤其重要，因为它们可以显著改善用户体验。3GPP 标准的进步导致了网络优化，减少了这些延迟并提高了处理速度。然而，将 GEO 系统整合到这些网络中会带来挑战，通常由于延迟和 GEO 系统固有的有限数据速率而导致更长的设置时间。5.3.2.3 解决方案解决方案卫星通信以其覆盖范围广、实时性强、抗干扰能力卓越的特性，在无地面网络覆盖或地面通信设施受损的紧急情况下，能够提供至关

145、重要的独立应急通信服务。在应急救援场景中，迅速建立低时延、高可靠的实时通信链路至关重要，卫星通信的实时语音能力因此成为不可或缺的一环。抢险救灾时，基于卫星语音通信的应急指挥系统展现出高度灵活性，成为构建国家应急救援通信体系的基石。而在户外应急情境下，民众可通过配备卫星语音通话功能的手机，及时向外界发出求助信号。相较于 GMR 等传统卫星通信体制，5G NTN 体制在标准演进、产业推动及星地融合方面展现出显著优势。NR NTN 支持语音、高速数据传输等业务。然而，目前国内尚缺乏可商用的移动通信卫星资源，以满足现行标准下 NR NTN 在带宽、链路预算等方面的严苛要求，基于 NR NTN 来实现卫

146、星语音功能在现阶段尚不可行。因此，基于 IoT NTN 实现卫星语音通话功能的探索备受业界瞩目。当前，IoT NTN 主要采用短报文和物联网业务先行模式，尚未支持语音业务。未来一旦实现卫星语音通信，将有望进一步构建基于 NTN 产业生态的 ToC（面向消费者）应急通信网，形成显著的商业模式竞争优势。在 5G NTN 演进过程中，为满足用户语音通话需求，业界以 IoT NTN 标准体制为基础，深入研究了语音增强方案，并提出了以下三种解决方案：天地一体化技术探索与实践 2.045/89方案一：采用多域体制融合思路，提出基于新增信令网关的语音优化方案，旨在减少终端与卫星的信令交互，有效节约卫星资源。

147、方案二：基于 Web-RTC（网页实时通信）架构的语音通话方案，通过自定义接口实现语音协议的定制化，大幅提升语音信令交互效率。方案三：基于 IMS（IP 多媒体系统）信令优化的语音增强方案，通过精简 SIP/SDP（会话初始协议/会话描述协议）流程及字段，缩短终端与 IMS 网络的交互时延，提升交互效率。从当前研究成果和方案兼容性来看，优化现有地面体制、压缩星地语音交互信令开销，是实现 IoT NTN 语音业务的重要基础。鉴于现有地面 4G/5G 移动通信网络语音业务已采用IMS 架构，为实现与地面语音通信体制的兼容，产业各方正致力于创新基于 IMS 优化的语音通话方案，在网络及芯片侧开展定制

148、化研发，精简信令流程，优化低速语音编解码算法，以更好地支持 IoT NTN 场景下的语音通话功能。5.3.2.3.1 新型语音编码技术新型语音编码技术编码速率是指将人类语音进行编码/解码以进行数字传输的比特率。3GPP 定义了语音编解码技术，如 AMR（4.75-12.2 kbps）和 EVS（5.9-128kbps），虽然在语音质量和数据速率之间做了优化，但在基于 GEO 的窄带 NTN 卫星通信系统中，大时延、高路损限制了通信带宽，支持这些高比特率语音编码仍然存在较大困难，因此，需要探索一种新型语音编解码方式，在实现音频的低比特率传输的同时，尽量减少失真程度以适应人类主观感受。基于开源 A

149、I 模型的语音编解码技术，可根据信道状态，实时动态调整编码速率，易于实现和复现，能够更好的适应产品化需求。音频压缩领域的 AI 模型在 2021 年 soundstream推出后开始发展，包括 AudioLM，LMCodec、ultra-low-bitrate、HIFI-Codec、lyra 等模型。现有的 AI 模型，各自匹配擅长的业务领域，大小、结构和能力不同，目前，无法良好匹配GEO 窄带语音通信业务。为此，我们基于 soundstream 等模型，进行更低码率的 AI 模型训练，以形成新型 AI 语音编解码模型，以更好适配 GEO 语音业务。新型 AI 语音编解码模型，采用基于 GAN

150、 的模型，拥有一个生成器和一个多分辨率的STFT 鉴别器。生成器包括编码器 encoder、量化器和解码器 decoder，可分别通过多层量化器网络支持多码率编解码和单层量化器网络来支持单码率编解码。天地一体化技术探索与实践 2.046/89图5-3语音编解码系统框架图在该模型中，码本(code book)包含一系列固定长度的码字(vector)，根据不同码率要求，设计了不同参数。（1）encoder 将音频样本转换为向量参数，然后将该向量参数与码本中码字进行比较，提取最相似的索引作为音频样本的替代值。（2）quantizer：是一种数据压缩技术，接受来自 encoder 的输出，将连续的向量

151、空间划分成多个小的离散区域，把每个向量映射到最接近的离散区域中心点，从而用少量的中心点来表示大量的原始数据。通过向量量化的过程来进一步压缩，大幅减少数据存储和处理的复杂度。对于采用多层量化器的情况，采用残差矢量量化 RVQ 的方式。RVQ 将量化过程分解为多个层，每一层都处理前一层的残余误差。RVQ 不是直接使用单个庞大的码本量化高维向量，在显着降低计算成本的情况下实现了高精度。图5-4 Quantizer模块设计-单层天地一体化技术探索与实践 2.047/89图5-5 Quantizer模块设计-多层（1）Decoder：encoder 的镜像结构，获取压缩信号并将其重建为音频流。（2）鉴别

152、器将重建的音频与原始音频进行比较，并测量两者之间的数值差异（鉴别器损失）。除了鉴别器损失之外，该模型还计算其他类型的损失，最终目标是确保音频输出尽可能贴近初始输入。5.3.2.3.2 语音头压缩技术语音头压缩技术IMS 语音方案中，语音帧需要通过实时传输协议 RTP 包进行传输，并且需要符合RFC3550 的要求。为了降低语音报头开销，提高传输效率，还需要支持 IP/UDP/RTP 头的ROHC 压缩/解压缩功能。RTP 是一种用于多媒体数据传输的协议，根据 RFC3550，RTP 数据包主要包含音视频数据本身，以及用于同步和排序的时间戳和序列号等信息。在 IMS 语音方案中，语音帧被封装在

153、RTP 包中进行传输，以确保语音数据的实时到达和顺序播放。为了提高传输效率，还需要对 IP/UDP/RTP 头部进行压缩。ROHC 是一种基于流的数据报头压缩方案，可以在保证数据完整性的同时，显著减少头部信息的大小。ROHC 通过维护上下文信息，只发送头部字段中相对变化的部分，从而达到压缩的目的。在 IMS 语音方案中，使用 ROHC 可以显著减少语音数据传输过程中的头部开销，提高带宽利用率，还能够减少因头部开销过大而导致的网络拥塞和丢包率增加的问题。ROHC 的鲁棒性设计也使其能够在高误码率的无线链路中保持良好的性能，确保语音通信的实时性和可靠性。天地一体化技术探索与实践 2.048/89现

154、有的 NB-IoT 协议栈不支持 IP/UDP/RTP 头的 ROHC 压缩/解压缩功能。增加对IP/UDP/RTP 头的 ROHC 压缩/解压缩功能是一个复杂的过程，涉及到协议栈的修改、空口消息的扩展以及版本兼容性的处理。首先，NB-IoT 终端和网络侧都需要增加 IP/UDP/RTP 头的 ROHC 压缩/解压缩功能，其次，终端与网络需要相互告知其支持该功能。具体的，对于 UE，需要实现相应的压缩/解压缩算法，并在 UE 能力上报消息中将该能力上报给网络。对于网络端，能够接收并理解 UE上报的压缩/解压缩能力，并在 RRC 重配置告知终端网络也支持该能力。例如，UE 和网络约定同时配置 p

155、rofile 2+6 两个字段为 TRUE 时，表示支持/配置 IP/UDP/RTP 头的 ROHC 压缩/解压缩，即 UE 在能力上报中，配置 Profile 2+6 两个字段为 TRUE，后续在 RRC 连接重配中，网络也配置 Profile 2+6 两个字段为 TRUE，表示对 IP/UDP/RTP 头的 ROHC 压缩/解压缩功能的支持与配置。在 ROHC 压缩中，Profile1 是用于 IP/UDP/RTP 头的压缩的特定配置。由于 Profile1 不是可扩展字段，直接在网络侧修改 ASN 文件增加 profile1 可能会导致与以前版本的 NB-IoT终端不兼容。可以通过更改

156、UE 和网络的内部实现来解决兼容性问题，例如 UE 和网络侧在确认对方支持 IP/UDP/RTP 头的 ROHC 压缩/解压缩功能后，给各自的 PDCP 配置 Profile1，以实现对语音数据进行 RTP 头压缩/解压缩。5.3.2.3.3 协议栈优化协议栈优化目前 IoT NTN 无线侧数据传输支持 CP（控制面）模式和 UP（用户面）模式。其中，CP 模式支持数据通过 NAS 信令传输，承载数据少，适合物联网突发小包业务；UP 模式通过建立正常的数据无线承载 DRB（数据无线承载）进行数据传输，适合持续性数据业务。UP 模式仅支持两个 DRB，无法同时承载数据和语音业务。为支持 IMS

157、语音业务，IoT NTN 协议栈需要增加对专用承载的支持。IMS 业务需要两路承载，一路用于 IMS 信令（默认承载），一路用于 IMS 语音数据（专用承载），连同数据业务后共需要 3 路 EPS 承载。在 UP 面实现的三种承载（数据承载、语音信令承载和语音媒体流承载）可在不同业务间自动切换，即随着业务的变更为用户更新不同的承载。此外，由于空口速率的限制，IoT NTN 不能支持数据业务和语音业务并发。在语音业务发起时，UE 侧应用层不再将数据业务相关数据下发给协议栈，网络侧也需要类似处理。对于语音和数据业务共存的场景，保留数据业务 QCI 9 的 PDN 连接，仅做空口 DRB 释放（数据

158、业务对应的默认承载仍处于激活状态，仅对应的空口 DRB 被释放）。即发起语音业务时，天地一体化技术探索与实践 2.049/89在建立 IMS 信令 QCI5 EPS BEARER 的 DRB 对应的 RRC 连接重配消息中，基站侧同时将QCI 9 EPS BEARER 对应的 DRB（若存在）进行释放处理。5.3.2.3.4 IMS 信令简化信令简化IoT NTN 空口速率较低，而标准的 SIP 消息报文较长，若在 5G NTN 网络中使用标准SIP 消息，则存在呼叫建立时长较长等问题。同时，IMS 常用的语音编码类型 AMR Codec的最小速率为 4.74kbs，无法满足 5G NTN 的

159、带宽要求。对上述问题，比较直接的解决方法为减小 SIP 信令的长度，并对 IMS 语音的 Audio 编码格式进行重新定义。减小 SIP 信令长度的常见的方法为信令压缩。一种压缩方法为 IETF 的 SigComp 标准(RFC3320)。SipComp 的基本方法是：上行 SIP 发送时，应用层的 SIP 消息首先发送到压缩调度模块，然后根据分组标识交给相应的压缩模块处理，得到 SigComp 消息，再由压缩调度模块送给传输层，最后发给网络端；下行 SIP 接收时，传输层收到的 SigComp 消息后，将该消息发送给解压调度模块，然后再调用 UDVM（通用解压虚拟器）进行解压，最后将SIP

160、消息发送给应用层。SigComp 要求终端必须实现压缩和解压缩的过程，其中压缩算法、字典定义等要求终端有较高的运行处理和储存能力；这些功能的实现增加了终端、网络端的复杂性，同时这些对于资源(RAM、ROM 等)有限的终端来说，该方案不够友好。zip 压缩算法也可以压缩报文，尤其针对大的报文具有较明显的压缩效率，但若 SIP 原始报文长度并不大的情况，压缩比没有那么高效。另外也可以采用约定 SIP 信令裁剪规则和流程优化的方法，终端与网络侧（例如 SBC）之间约定 SIP 信令的裁剪规则，终端对上行 SIP 数据依据定制的 SIP 裁剪规则进行裁剪；并对下行裁剪后的 SIP 数据进行解析；核心网

161、 SBC 需要将终端发来的上行 SIP 数据转换为标准 SIP 协议后再发给其他网元，并对于下行发给终端的 SIP数据按照定制 SIP 裁剪规则进行裁剪，另外，也可以省略部分 SIP 信令。IoT NTN 语音编解码可以考虑基于 AI 的 Codec 以适应极低码率传输条件，将 PCM 数据经过编码器后压缩为低码率信息，添加语音帧格式参数后经过空口进行传输，对端接收到压缩语音包信息后进行解码还原信息。语音帧格式可以参考 AMR 帧格式，语音媒体参数可以基于 SDP offer 和 answer 进行协商，语音编码速率可以根据网络容量以及信道条件的变化适时调整，另外语音帧使用 RTP（RFC35

162、50）包进行传输，支持 IP/UDP/RTP 头的 ROHC 压缩和解压缩。5.3.2.3.5 物理层数据传输优化物理层数据传输优化（1）静态持续调度天地一体化技术探索与实践 2.050/89考虑到语音包传输的周期性，通过半静态调度 SPS 可以降低调度的信令开销并降低传输时延。目前 NB-IoT 连接态是不支持通过 SPS 进行数据传输。但是，NB-IoT 空闲态支持通过上行预配置资源支持通过配置周期性上行资源进行数传输，连接态支持通过周期性预配置上行资源发送调度请求。因此，NB-IoT 支持 SPS 进行数据传输在标准协议上很容易实现。（2）HARQ-ACK 反馈去激活为了进一步增加 Io

163、T NTN 系统吞吐量，3GPP R18 引入了 IoT NTN HARQ 反馈去激活机制。对于 IoT NTN 语音业务，HARQ 反馈去激活机制可有效地提升数据传输速率。5.3.2.4 基于基于 IoT NTN 的的 GEO 语音系统框架语音系统框架为适应 GEO 较低的传输速率以及信道衰落等场景，需要对现有的 IMS 语音系统进行增强以保证语音通话的业务体验。一种潜在的增强方法是优化 IMS 协议并设计低码率的语音编解码方法。当终端通过 GEO 接入网络时，使用优化的 IMS 协议以及低低码率的语音编解码。通过 GEO 接入网络的终端与通过地面接入的终端通信时，网络处理优化的 IMS 协

164、议与现有的 IMS 协议的适配，包括信令、流程、语音编解码等。图5-6基于IoT NTN的GEO语音系统框架图5.3.2.5 基于基于 IoT NTN 的的 GEO 语音技术测试与验证语音技术测试与验证2024 年 7 月，中国移动,中兴通讯和紫光展锐携手,成功完成了全球首个手机直连高轨卫星基于运营商网络的 IoT-NTN IMS 语音通话实验室验证。这一里程碑式的成就标志着高轨卫星通信技术在实时语音通信领域取得了重要突破。天地一体化技术探索与实践 2.051/89在实验室环境下，网络侧采用中兴通讯的 5G-A NTN 空天地一体基站设备和面向IoT-NTN IMS 语音优化的核心网设备，终端

165、侧则基于紫光展锐的 V8821 芯片和中兴通讯的定制手机产品,信道模拟器由是德科技提供。测试中，采用了多种不同低码率语音编码，测试结果显示无论是 IoT-NTN 用户间的实时语音通话，还是 IoT-NTN 用户与地面移动通信网络中商用终端（4G/5G 终端）的跨网通话，均能实现话音的清晰流畅传输，验证了高轨卫星场景下手机支持 IoT-NTN IMS 实时语音通信能力具备技术可行性。这一测试成果有助于推动 IoT-NTN 语音技术在标准制定、产业促进和应用创新三方面的稳步发展。试验结果为 3GPP 框架下的 NTN 通信协议支持高轨手机直连卫星实时语音通话能力奠定了坚实的技术基础，能够促进相关产

166、业链的快速发展与繁荣。同时，随着技术的不断成熟与应用场景的持续拓展，IoT-NTN 语音技术将在应急救援、远程医疗、智慧农业等多个领域发挥重要作用，为人类社会带来更加便捷、高效、安全的通信解决方案。5.3.2.6 标准推动标准推动3GPP SA1 于 2024.03 在 3GPP TSG-SA Meeting#103 通过了 Rel-20 Study on satelliteaccess-Phase 4（即 FS_5GSAT_Ph4），对应文稿 SP-240495，输出了 TR 22.887。基于该研究立项，3GPP SA1 于 2024.12 在 3GPP TSG SA Meeting#10

167、6 通过了 Satellite access-Phase 4(即 5GSAT_Ph4)，启动 SA1 的标准化工作，对应文稿 SP-241822。SA2 立项，TSG SA Meeting#106 于 2024.12 讨论并在文稿 SP-241989 中确定了 SA2 Rel-20 5G-A 的候选方向，其中Rel-20 核心方向中包含 Integration of satellite components in the 5G architecture Phase 4，并在SP-241972 中指出其对应的 Key Objectives 包含 IMS voice calls using GEO

168、 satellite access。由于涉及潜在语音编解码需求，3GPP SA4 于 2024.11 在 3GPP TSG SA WG4#130 基于S4-241928 讨论了 Low Bitrate Codecs For Voice Call using GEO satellite access 的场景。5.3.3实践总结实践总结IoT NTN 语音探索与实践的成果有助于推动 IoT-NTN 语音技术在标准制定、产业促进和应用创新三方面的稳步发展，加速 IoT NTN 的商业落地，同时也为未来 6G 天地一体化奠定了坚实的基础。天地一体化技术探索与实践 2.052/8966G 天地一体化天地

169、一体化发展与演进发展与演进在 ITU-R 的 6G 建议书中22，将 5G 的三大应用场景扩展未 6G 的六大应用场景，以实现全应用场景覆盖，除了对 5G 原有的应用场景继续增强和演进，包括沉浸式通信、极可靠低时延通信和大规模通信，还催生出全新的应用场景，包括感知通信一体化、AI 通信一体化和泛在连接，提升生产效率，提高生活品质。图6-1 IMT-2030应用场景其中，泛在连接场景作为 6G 新提出的场景，需要覆盖目前无覆盖或几乎无覆盖地区，特别是农村、偏远和人烟稀少的地区，以弥合数字鸿沟。面向未来广域智能连接与全球无缝宽带接入等迫切需求，在 AI 技术、云技术、卫星技术、运载技术等技术快速发

170、展的驱动下，6G 天地一体化需要把空间网络与地面网络从业务、体制、频谱、系统等不同层次进行融合，构建全域无缝覆盖通信系统，实现统一高效的资源调度与网络管控。6.1 5G NTN 局限性局限性5G NTN 技术是 5G 系统设计中后期引入的，其基本思想是以 5G TN 空口技术与网络架构为基础适配 NTN 场景。5G NTN 实现了陆地网与非陆地网在网络架构、空口传输协议的融合设计，采用相同或者近似的体制与关键技术，5G NTN 能够充分利用地面网络丰富的产天地一体化技术探索与实践 2.053/89业链基础来提升研发效率，但仍然存在互联互通和网络协同效率低等缺点。面向未来天地一体化需求与愿景，5

171、G NTN 存在以下几个方面的局限性：（1）5G 系统设计并未深度考虑卫星通信大时延、高动态和广域覆盖特性。因此，5G NTN设计基本上是在不改变现有 5G TN 设计的前提下，针对 NTN 场景进行补充与适配，不是真正意义上的一体化设计。（2）5G NTN 系统在对空间环境与设备能力考虑不足，在网络架构、协议轻量化等方面没有考虑 TN 技术与 NTN 技术之间的差异性。（3）组网方面，5G NTN 与 5G TN 是独立组网，并未实现天地统一的组网方式。（4）5G NTN 与 5G TN 之间网络资源是独立管理的，包括：空口资源（例如，频谱资源）、网络设备、卫星资源等。目前 5G NTN 与

172、 5G TN 之间未能实现统一的资源管理。（5）5G NTN 与 5G TN 之间的频谱资源是静态划分的，未考虑 NTN 与 TN 频谱资源共存与共享技术以提升系统的频谱效率。（6）5G NTN 在覆盖、系统容量、系统吞吐量等方面存在明显不足，很难满足未来各种通信场景的需求。（7）5G NTN 目前未能充分考虑实时性业务。基于 5G NTN 存在的局限性，未来 6G 需要从硬件技术（包括卫星天线技术、卫星处理能力，终端天线与射频技术等）、网络技术、无线传输技术、网路安全技术等方面开展研究工作以满足 6G 天地一体化的需求与愿景。6.2 6G 天地一体化核心问题天地一体化核心问题（1）系统容量问

173、题在 6G 天地一体化网络中，卫星移动通信的波束覆盖范围远远大于地面小区，这意味着卫星移动通信的单小区需要支持的用户数远远大于地面移动通信，尤其是卫星物联网场景。因此，提升系统容量（包括上行容量与下行容量）是未来 6G 天地一体化需要解决的关键问题。（2）覆盖与吞吐量问题在 6G 天地一体网络系统中，卫星与终端之间的通信距离较远，存在较大的路径损耗。通信卫星是一个功率资源受限的系统，受卫星重量、体积的限制，在卫星上装多幅天线是不现实的，很难实现大规模 MIMO 技术来提升系统吞吐量。随着卫星通信需求向更高峰值速天地一体化技术探索与实践 2.054/89率、更多连接数量方向发展，星上功率资源受限

174、与增大发射功率、提高星上处理能力这一矛盾将进一步加剧。如何满足形态固化、能力有限的智能手机终端接入需求是未来 6G 天地一体化需要解决的重要问题。（3）频谱资源受限问题在天地一体化网络系统中，卫星、高空平台、地面基站之间形成了多维立体网络，随着用户业务需求的增长，频谱资源变得越发匮乏，尤其是适用于智能手机的 Sub-6GHz 频谱资源。如何提升天地一体化网络系统的频谱资源利用率是6G天地一体化需要解决的首要问题。（4）高动态时变网络问题23传统地面网络各节点相对固定，在天地一体化系统中，网络由卫星、高空平台、中低空悬浮器/飞行器和地面设备等不同层次的节点组成，具有一个和传统地面蜂窝通信网络截然

175、不同的三维立体架构。网络中节点的运动还将导致网络拓扑结构呈现高动态变化特性。网络的高速拓扑变化一方面会造成链路变化，难以通过固定流量来传输数据；另一方面，网络协议在多跳、中继等不同变化下面临非对称链路、链路质量变化与高可靠传送反馈控制的矛盾，将造成应用层传送效率低，甚至无法保证数据传送质量。（5）广域通信安全问题1天地一体化通信系统通过卫星、高空平台等手段实现对用户的广域覆盖。然而，卫星通信的无线信道具有开放性和广播性等特征，导致信息传输通道不可控，无线链路更容易受到人为干扰、攻击、窃听和重放等威胁。因此，天地一体化通信系统的发展需要解决广域覆盖条件下的传输安全挑战。6.3 6G 天地一体化关

176、键技术天地一体化关键技术6.3.1新型网络架构新型网络架构5G 核心网引入了服务化架构，网络功能间采用轻量级服务化接口，利用服务化架构模块化、无状态、独立化、扁平化、自主化的优势，推动网络走向开放化、虚拟化、软件化和服务化。当前 6G 接入网服务化已经受到学术界和产业界越来越多的重视。6G 预计会在核心网服务化的基础上，进一步推动服务化技术的演进。对于 6G 天地一体化网络，可通过资源虚拟化技术，实现接入网、承载网以及核心网的一体虚拟化1。借鉴核心网服务化思想，可以将接入网控制面和用户面功能服务化，并按需部署在地面或空间节点平台上，实现接入网和核心网融合一体化设计，降低空间节点的能耗。天地一体

177、化技术探索与实践 2.055/89同时可以利用大数据和 AI 技术，根据不同应用场景需求，通过网络功能编排中心对各网络节点功能进行统一编排，形成网络即服务 NaaS 的总体架构，从而实现天地一体化网络按需智能重构。在 NaaS 的架构下，天地一体化通信网络可灵活地配置成如下模式：（1）天基网络作为地面网络的回传网络而存在，地面网络的基站通过天基网络接入到地面的核心网；（2）天基节点具备部分基站的功能，如分布式单元部署在卫星节点上，集中单元部署在地面节点；（3）基站功能在天基节点间实现拆分部署，如分布式单元部署在 LEO/MEO 卫星节点上，集中单元部署在 GEO 卫星节点上；（4）天基节点不仅

178、具备与地面基站等同的功能，同时还部署“边缘核心网”网元，承载部分地面核心网的功能。天地一体化网络架构还存在很多问题需要探索。首先，接入节点复杂多样，硬件环境和性能差异很大，这些特点对虚拟化平台的异构适应性提出了更高的要求。但是，现有的虚拟化平台对异构硬件环境的适应性不足，传统的网络功能编排器也缺乏对无线业务的描述和专用硬件设备的支持，还需要进一步优化改进。6.3.2新型接入技术新型接入技术6.3.2.1 波形设计波形设计在 4G 与 5G 通信系统中，OFDM 为主要波形设计，即将符号调制于多个正交的子载波上并通过添加循环前缀来对抗多径信道时延扩展和符号间干扰。OFDM 波形具有高频谱利用率、

179、抗频率选择性衰落等优势，但同时也有高 PAPR、频移敏感性等缺点，这意味着在高速移动场景下使用 OFDM 波形设计并不能获得较好的系统性能。在星地融合一体化网络中，卫星通信系统具有以下特点：（1）终端与卫星之间存在较大的空口传播时延；（2）卫星快速移动，终端与卫星之间存在较大的多普勒偏移；（3）卫星侧带宽与功率受限，相关器件的非线性程度较高。基于上述卫星通信系统特点，未来天地一体化网络中的波形设计需要考虑以下特征。（1）满足天地一体化场景下的多样化通信需求；（2）具备较高的频谱利用率特性；天地一体化技术探索与实践 2.056/89（3）低 PAPR；（4）具备较强的抗多普勒频偏的能力。对于天地

180、一体化场景下的波形设计研究，存在两种研究思路，一种是基于现有的波形设计，针对星地融合一体化网络场景的特点及需求进行自适应的改进，另一种是结合星地融合一体化网络场景的特点及需求设计新的波形。关于天地一体化场景下的波形设计，目前的一些候选波形包括：正交时频空间调制（OTFS），DFT-S-OFDM，广义频分复用波形（GFB-OFDM）等。此外，上述候选波形均能基于 OFDM 波形通过时频域预处理实现，如图 6-2 所示，OTFS波形可以基于 OFDM 波形通过时频域预处理实现 OTFS 波形生成。因此，对于天地一体化，6G 可以基于 OFDM 系统模型生成满足各种场景需求的波形设计。图6-2 OT

181、FS波形与OFDM波形对比6.3.2.2 多址技术多址技术前五代移动通信中采用的是正交多址接入 OMA，具体包括频分多址、时分多址、码分多址和正交频分多址。现有的 OMA 接入技术虽然可以有效缓解频率冲突的问题，但限制了资源的自由度，接入效率也较低。在频谱资源昂贵且受限的条件下，非正交多址接入 NOMA技术因其高可靠、低时延的免调度传输以及可灵活支持多用户复用等特点，可满足未来低时延、高可靠、海量终端接入和超大容量的通信需求，成为未来移动通信的关键技术之一。6G时代的连接数规模较 5G 时代将有数十倍的增加，NOMA 在满足大连接数，低时延和高负载等要求方面的潜在优势，使其成为 6G 时代有竞

182、争力的接入候选技术。尤其对于需要满足大范围覆盖和海量连接需求的星地融合的网络场景，NOMA 能够充分发挥其优势。天地一体化技术探索与实践 2.057/89卫星通信的覆盖范围广，终端接入数多，尤其是卫星物联网场景中的大规模接入。在频带有限并且处于高速移动状态的条件下，很容易出现用户数量过载、多普勒频移严重、信道条件复杂、异构通信系统间频率冲突的问题，而 NOMA 有效解决大规模接入问题，因此可以引入进卫星通信网络中，以满足天地一体化网络中海量终端的接入需求。卫星通信网络的上行传输可以采用码域 MUSA 或 SCMA 技术，但卫星通信系统主要以视距直传链路为主，且卫星通信网络是一个资源受限系统，星

183、上功率和处理能力有限，接收机的复杂度不能太高，相对而言，MUSA 技术具有较低的复杂度，因此将是适用的潜在多址技术。此外，MUSA 技术的低互相关性序列扩展可以更好地抑制用户间干扰，并且无需依赖参考信号的多用户检测技术，可以节省导频的开销避开导频碰撞的问题。6.3.2.3 时频同步时频同步在 5G NTN 系统中，大时延和大频偏是主要挑战之一。国际标准化组织（如 3GPP）以及国内外研究机构普遍认可基于全球导航卫星系统 GNSS 的时频同步方案。GNSS 具有较高的精度和全球覆盖优势，因此成为卫星通信中实现时频同步的重要工具。然而，对 GNSS的依赖也带来了诸多挑战。首先，在某些场景下，GNS

184、S 信号可能受限或不可用，例如高层建筑遮挡的城市区域、地下环境或军事领域的特殊场景。其次，GNSS 信号存在潜在的安全隐患，容易受到信号欺骗、干扰或伪造攻击，这些风险增加了卫星通信系统的复杂性，尤其是在军事和关键基础设施通信中。此外，引入 GNSS 技术会提升终端的功耗需求，缩短设备电池续航时间，并增加硬件成本，这对资源有限的终端设备（如低成本物联网设备和小型卫星终端）尤为不利。在 GNSS 受限或完全不可用的情况下，终端难以完成精准的时频同步，影响其接入卫星网络的能力，因此迫切需要研究新的时频同步增强技术，以减少对 GNSS 的依赖。根据 ITU 制定的 IMT-2020 及未来固定、移动与

185、卫星融合网络的需求标准，终端需支持移动接入网和卫星接入网的多节点接入能力，灵活适应多样化的接入场景。对于无法获得GNSS 辅助或 GNSS 性能下降的 UE，可以借助辅助信息进行多普勒频移估计和晶振频偏估计的解耦12。这些辅助信息可通过天地一体化系统中的多个网络节点获取，形成冗余的时频同步机制。这一基于多节点的同步方案为终端提供了多种时频同步途径2425。这种方案的优势在于充分利用未来天地一体化网络的资源，结合地面和卫星网络，为终端提供灵活多样的同步方式。该时频增强技术还具有良好的协议兼容性。多节点的 SSB 信号已经存在，而 5G-A NTN天地一体化技术探索与实践 2.058/89终端具备

186、连接卫星节点和地面节点的多接入连接能力。通过对多个接入节点进行同步关联，可在 GNSS 松耦合的情况下实现时频同步增强，提升 NTN 系统的鲁棒性和稳定性。6.3.2.4 接入增强接入增强NTN 网络中长传播延迟对随机接入过程带来的挑战，对设计更加高效、简洁的初始随机接入机制提出了需求。传统的授权随机接入机制（如 4-step 和 2-step 随机接入）尽管通过增强能够实现稳定连接，但由于频繁的交互导致信令开销比例较高，尤其在小数据包传输场景中，能效和频谱效率较低。这一问题在 NTN 环境中更加突出。相比之下，免授权随机接入机制通过省略基站调度等待环节，显著降低了接入时延，并减少信令开销。然

187、而，这种方法对接收机算法提出了更高的要求，需要更复杂的算法来实现活跃用户的精准识别从而避免产生 PRACH 拥塞26。伴随着人工智能的兴起，AI 赋能的 NTN 免受权随机接入机制迎来了新机遇。AI 技术能够充分利用用户的位置信息、接入历史和通信行为数据，构建用户画像，并预测用户的接入需求。对于接入概率较高的活跃用户，AI 可以提前分配适量的通信资源，从而提升资源利用率并降低接入失败率。同时，相较于传统活跃用户检测和信道估计算法通常存在建模误差和求解误差，且计算复杂度较高的问题，AI 通过将多用户检测问题转化为端到端的映射问题，可以将传统算法展开为神经网络模型，利用训练数据优化参数，从而在检测

188、性能、收敛速度和时延方面超越传统方法。并且随着人工智能技术的深度应用，NTN 随机接入机制通过资源分配优化、模型训练改进、复杂度控制与鲁棒性增强，将显著提升接入效率，有效降低用户碰撞概率，并满足动态复杂通信环境中的需求27。6.3.2.5 波束管理波束管理6G 倾向于使用太赫兹载波频率28以获得更大的通信带宽，由于卫星高速移动性、天线数量的增加、频率的提升等因素，在大规模 MIMO 系统29找到最佳的波束进行传输或接收是一个复杂度极高的问题。由于 6G 天地一体化网络的高动态性和灵活性，现有的波束管理通过波束扫描来获取和跟踪最优的下行和上行波束对会导致巨大的波束测量开销，对波束获取和跟踪产生负

189、面影响，导致波束管理没有达到敏捷响应、适应性信道环境建模的要求；且由于地理分布不均匀以及地面流量需求的时变特性，如何充分利用有限的卫星资源，有效匹配地面流量需求是卫星波束管理面临的一大挑战。按需动态跳波束可以有效地提高卫星波束的覆盖效率，提升系统容量。具体地，小区的一些公共信号和/或公共信道按需进行发送，例如，SSB、SIB1 以及其它公共信道/信号按需天地一体化技术探索与实践 2.059/89发送。终端侧需要根据自身需求发送上行触发信号触发网络发送公共信号或者信号，如图6-3 所示。图6-3按需动态跳波束示意图随着人工智能技术的高速发展，机器学习技术成为波束管理复杂度降低的一个解决方案。在机

190、器学习技术的帮助下，波束管理可以获得更加智能的动态特性30，如波束智能选择，智能跳波束等。波束智能选择31是利用机器学习等技术观测信号的幅度、噪声等一系列参数以学习其统计量，以加快波束的选择过程。基于人工智能的波束选择方法从上下文信息中选择波束是一个高度非线性的分类问题，深度神经网络等机器学习技术可以利用接收器的位置、方向、接受功率、到达角等信息进行网络训练，从而进行智能波束选择。此外，通过深度强化学习建立模型进行估计32，将用户体验指标作为即时收益，交互优化切换策略，从而有效避免乒乓切换。除此之外，机器分类模型可以用于群切换场景中，根据用户的特征实现合理的小组划分。智能跳波束管理33是利用深

191、度强化学习等技术设计全频率复用跳波束方案，充分利用波束的时间、空间两个自由度，从而降低波束间干扰，提升频率效率。深度强化学习利用离线学习、在线部署的方式降低跳波束方案的复杂度。此外，针对地面用户分布不均和 LEO卫星的高移动性对资源管理提出的要求，实现卫星间负载均衡和干扰避免的多卫星跳波束方案，将复杂的多卫星联合跳波束问题通过智能体进行在线决策，在合理分配卫星卸载流量的同时降低星内波位间的干扰，卫星间的干扰以及与地面小区间的干扰。6.3.2.6 星间协作传输星间协作传输大规模星座卫星，特别是超密集低轨卫星网络在实现全球广域覆盖的同时，也会带来地面多重覆盖区域的干扰问题和用户频繁切换问题，影响系

192、统能量效率和频谱效率34。另一天地一体化技术探索与实践 2.060/89方面，超大规模MIMO作为5G的关键使能技术，为地面网络带来了功率增益、复用增益及分集性能，显著提升了系统频谱效率。然而，由于星地链路间有限的散射体导致星地通信信道具有强视距传输的特点，无法获得良好的MIMO信道特性。超密集低轨卫星网络的部署为星地通信应用MIMO技术创造了条件，结合大规模星座卫星部署和MIMO关键技术的优势，通过星间协作传输构建虚拟多天线系统，可实现发射端天线的空间分离以获得空间复用增益35。图6-4多星多波束协作系统示意图3GPP 在 R16 版本的 NTN 技术报告 TR 38.821 中提出了基于再

193、生或透明转发模式卫星的多连接架构以提升终端的速率体验和可靠性12。在后续 R17 版本 NTN 技术报告 TR23.737 中进一步讨论了终端多连接地面接入网、非地球同步轨道卫星和地球同步轨道卫星的关键问题36。这一地面终端支持多连接的技术方案为卫星网络中多星多波束的协作奠定了接入设备的功能基础。基于复用分集技术，多星多波束协作传输可实现多星重叠服务范围内用户的按需覆盖和多连接的数据传输。通过同轨或者异轨多星的星间链路或具有增强计算能力的超级卫星节点进行星间协作，增强特定区域的覆盖以提升系统容量，提升地面用户获取卫星网络服务的可靠性，避免通信业务的中断，同时可以缓解单个卫星的发射功率有限导致的

194、链路预算不足以及多星覆盖区域的用户频繁切换问题37。由于空间节点的高速移动导致星地信道的高动态、星地传输的超远距离导致的高时延及高路损等特性，星地信道状态信息获取的准确性及共享的即时性直接影响多星多波束协作下天地一体化技术探索与实践 2.061/89行传输的自适应波束赋形的有效性，这也导致多星多波束协作传输面临较大的挑战。现有的关于多星多波束协作的研究仍处于理论阶段，主要集中在多星多波束之间的干扰抑制以及联合的鲁棒性波束赋形算法设计3839，包括同轨多星以及异轨多星之间的波束协作40。关于多星协作传输的控制信息、数据信息及信道状态信息的获取与共享算法以及多星时频同步等问题需要深入的研究，用户多

195、连接下的终端-卫星匹配、用户调度以及卫星切换问题也有待进一步研究4142。此外还需考虑多星多波束协作所带来的性能增益与系统开销的平衡问题。6.3.2.7 星地协同传输星地协同传输在星地融合的网络系统中，星地协同传输可充分发挥空间通信系统广域覆盖和地面通信系统宽带传输的优势，对系统中时间、空间、频率和功率等多维资源进行统一调度，以实现资源的最优化配置。针对不同的业务场景，星地协同传输有不同的应用模式43。广播信息或小数据包通过卫星进行传输，而高速数据业务包则由地面移动网络进行服务。卫星和用户的移动都会带来信道特性的变化，可根据信道的变化对不同卫星或不同层网络业务进行适配，从而提升系统容量。通过星

196、地协同实现海量热点内容的广域分发，可以有效缓解地面骨干网的传输压力，提高网络整体传输能效，实现资源高效绿色集约使用。目前，将卫星通信与地面通信有机结合，构建地星协同传输系统，实现未来无线通信全区域、全方位覆盖，是学术界和产业界热点探讨的话题。典型的协同传输技术包括多连接与多载波操作技术。在基于多连接技术的星地协同传输中，终端同时与卫星站点和地面站点建立连接，卫星站点与地面站点可以通过动态接口进行信息交互与资源调度，卫星站点可以作为主小区提供基本信令传输，地面站点可作为辅小区提供高速率数据传输。对于星地多载波操作，一个小区包含一个锚点载波与多个非锚点载波，其中，锚点载波对应于非地面网络载波，非锚

197、点载波对应于地面载波，多个非锚点载波位于锚点载波的覆盖范围之内，如下图所示。天地一体化技术探索与实践 2.062/89图6-5星地协同传输示意图网络侧在小区的锚点载波上发送 SSB、系统信息、寻呼消息等配置信息与控制信令，终端可在锚点载波上接收非锚点载波相关配置信息，所述非锚点配置信息包括非锚点载波的频率位置、非锚点载波的 RACH 资源配置、非锚点载波的参考信配置等。在非连接态（空闲态或者非激活态），终端一般只驻留在 NTN 载波（锚点载波）上，终端在锚点载波上可以接收寻呼消息。小区的非锚点载波用于提供高数据传输服务，当有数据传输时可以在锚点载波上发起随机接入过程，通过接收网络的配置信息确定

198、用于数据传输的载波，如下图所示。通过星地多载波操作可将 NTN 与 TN 有机结合在一起，充分发挥 NTN 与 TN 各自的优势，提升整个系统的效率。图6-6锚点载波与非锚点载波工作示意图在星地融合的网络系统中，星地之间传播时延大，卫星节点的位置也是高速变化的，星地之间的信息交互存在较大且可变的时延，星地间鲁棒的信息交互很难保障，这也给星地协同传输带来了挑战。星地协同带来的性能增益与产生的系统开销之间的折衷是决定协同传输能否成功应用的首要因素。只有解决上述问题，星地协同传输才能在星地融合一体化网络中实际应用，以发挥最大效益。天地一体化技术探索与实践 2.063/896.3.2.8 星地频谱协调

199、星地频谱协调/共享共享在星地融合一体化网络中，卫星、高空平台、地面基站之间形成了多维立体网络，随着用户业务需求的增长，频谱资源变得越发匮乏，星地频谱资源共享是未来提升频谱效率的最有效的方式之一，也是星地融合一体化网络最显著的技术特征之一。在传统的频谱资源分配机制中，陆地通信与非陆地通信使用的频段是分离的。频谱共享可分为静态/半静态频谱共享与动态频谱共享模式。对于静态/半静态频谱共享模式，可以从星地融合一体化网络中的无线传输特点、网络拓扑特点以及业务特点等方面提取有效的信息，设计有效的静态/半静态频谱共享机制。对于动态频谱共享模式，星地融合一体化网络的无线传输特性给实现星地接入点之间的动态频谱共

200、享提供了条件。在天地一体化网络中，受天地一体环境、运动等多方面因素影响，可用频谱资源具有很强的动态性。此外，随着天地一体化发展，卫星与地面通信频率的界限更模糊，频谱间的干扰关系从平面拓展到三维空间。在频谱资源高度动态、立体干扰极为复杂的环境下，要实现星地融合网络的统一频谱使用，需要更智能的频谱共享方案。探索星地智能频谱共享新技术，打破星地传统频率硬性分割，使频谱使用从竞争走向协同、从专用走向共有、从静态共享走向动态共享，大幅提升星地融合网络的传输效率和频谱利用率，是实现星地融合需要解决的首要问题。智慧、高效地感知频谱资源，将是 6G 星地融合网络实现频谱智能共享的一个重要前提基础。星地融合网络

201、频谱智能感知的研究方向主要包括立体频谱检测、复杂频谱识别、空域频谱补全、智能频谱预测，从“状、态、体、势”四个层次描述频谱资源的占用情况及态势。立体频谱检测技术主要基于宽带频谱感知、星地分布式协作频谱感知等方法，结合机器学习分类模型，实现天地一体立体多维空闲频谱智能检测。复杂频谱识别技术主要基于特征学习方法，提取频谱数据在时频空的多域特征，实现对波束、时隙、频带、功率等多维频谱信息的认知。空域频谱补全技术针对感知节点的稀疏性，通过挖掘空域频谱状态间的相关性和规律性，实现立体空间离散点上频谱数据补全44。智能频谱预测技术基于历史频谱感知数据的相关性分析，利用长短期记忆神经网络等技术，提前预测频谱

202、使用，有效克服星地传播时延大带来的频谱感知滞后的难点问题45。星地动态频谱共享可以基于频谱预测结果，综合考虑业务需求在时间、空间、业务类型等多维度上的不均衡特征，以及网络节点在功率、频率、时间、存储、计算等多维资源差异特性，设计终端实时接入星地融合网络空闲频谱的强化学习算法，通过集中式训练与分布式天地一体化技术探索与实践 2.064/89执行，实现星地融合网络资源的整体优化与高效利用。另一方面，星地融合网络频谱共享场景不可避免地会存在同频干扰，对延迟、吞吐量和安全性等性能指标可能带来负面影响，干扰水平会影响数据传输的及时性，高干扰可能导致延迟增加和服务质量下降，免授权接入存在未经授权访问或窃听

203、的风险。为了减轻这些影响，星地动态频谱共享应综合考虑实时干扰检测、干扰协调管理、以及加密和安全认证协议等策略和措施46。6.3.2.9 移动性增强移动性增强在 6G 天地一体融合网络中，切换场景多样且复杂，涉及卫星网络内切换、卫星与地面网络间切换等，对移动性管理提出了更高要求。为更好地实现天地一体化的业务连续性保障，要求移动性管理能够在提高切换可靠性、降低信令开销等性能的同时，适应 TN、NTN 网络之间的巨大传播时延差异。由于覆盖范围、传输时延、小区和跟踪区域的关系的差异，使得 UE 在 NTN 系统中移动性管理，和 UE 在 TN 系统中移动性管理，存在很大的差别，需要对 5G 中基于地理

204、位置和跟踪区域的移动性管理做进一步增强，对 TN 和 NTN 的位置管理进行统一设计，UE、基站等使用基于地理位置的统一管理方式，使其在天地一体化过程中得到真正的融合47。为提高星地融合网络的切换可靠性，双激活协议栈 DAPS 是一种潜在的解决方案48。切换过程中，UE 在与源小区保持连接的同时向目标小区建立连接，成功接入目标小区后再释放源小区连接，以保障用户数据传输在切换过程中的连续性。但是由于 TN 与 NTN 特性的差异，DAPS 机制面临着巨大的挑战。例如 NTN 的传播时间比 TN 大很多，RLF 和切换失败处理和恢复流程未考虑基站的高速运动而无法适用于 NTN 存在的场景等，还需要

205、进一步研究。为了提升星地切换的成功率以及减少星地切换过程中的中断时延，可以考虑同时配置双激活协议栈切换和条件切换，即至少一个候选小区配置了双激活协议栈切换。但是，双激活协议栈切换要求用户在切换过程中同时保持和源小区和目标小区的连接，在条件切换触发后，源小区的信道质量和稳定度能否保证双激活协议栈切换的顺利进行还需要进一步研究。6G 星地重叠覆盖的场景为终端的灵活资源使用提供了条件。在 TN 场景下，移动性管理策略考虑的主要因素有信号强度、终端移动性、小区负荷等，在 NTN 场景下则更多的考虑卫星剩余服务时间、仰角、卫星空闲信道数量等，因此如何通过对多种因素的综合判断来选择一个最佳小区驻留或切换，

206、是 6G NTN 有待研究的一个重要方向。天地一体化技术探索与实践 2.065/89考虑到星地融合网络中小区选择及切换算法的复杂影响因素，在移动性管理中引入人工智能算法，有效提高切换后的业务体验，抑制切换带来的信令风暴49。在 6G 天地一体化网络移动性管理中，利用人工智能可预测卫星波束持续服务时间，以及预判和调度切换过程中的无线接入资源等。其次，通过对移动终端的运动轨迹进行建模，将预测到的终端轨迹和卫星的可视信息结合，进而获得更加精确的候选小区集合，可有效降低 TN 与 NTN 小区切换失败率、避免乒乓切换。此外，由于目前大多数小区切换策略都是基于即时的当前目标小区最优的决策来判断，这样会导

207、致选择的小区只是当前的最优选择，而忽略了是否是未来一段时间内的最优。因此可以借助人工智能算法进行优化，将强化学习与切换判决算法相结合，找出整个通信过程中最佳的切换路径。6G 天地一体化正朝着混合卫星网络发展，这种网络结合了高空平台、低轨道卫星、中轨道卫星、地球静止轨道卫星的服务。不同轨道的卫星能提供的服务差异化巨大，如何有效的利用异构卫星资源，满足 UE 多样的业务属性需求，降低 UE 的各类开销，是 6G NTN 一个值得研究的课题。6.3.3定位增强定位增强NTN 的定位技术是未来通信网络发展的关键组成部分，随着 5G 及 6G 的发展正逐步完善，其应用场景和技术架构经历了显著演进。当前

208、R18 阶段，NTN 定位主要用于验证 UE位置，采用的是基于单颗 LEO 卫星的多轮往返时间 RTT 测量技术。这种方法通过记录卫星和 UE 之间的信号传输时间，结合精确的卫星位置数据，实现对 UE 位置的验证50。这种定位技术满足了 5G 网络在 10 公里范围内验证 UE 位置的精度需求，但由于单颗卫星的几何分布限制，其定位精度在某些场景中可能受限。为克服这一局限，并且伴随卫星数量的增多，NTN 定位方案可能将逐步从单卫星多 RTT技术向多卫星定位技术过渡。在多卫星定位框架下多个 LEO 卫星协同工作，通过优化多 LEO卫星的几何配置可以显著提升定位精度。研究表明，多 LEO 方案不仅能

209、够降低定位误差，还能解决单卫星定位中由几何稀释精度太大引起的不确定性问题。相比单卫星技术，多 LEO定位的性能在动态复杂的环境中更为稳定，特别是在跨境通信、灾害响应和全球导航等应用场景中展现出巨大潜力。在多卫星定位的基础上，NTN 还可以进一步融合 GNSS，形成卫星+GNSS 的混合定位方案。该方案在仅有有限数量 GNSS 卫星可见的情况下，利用 LEO 卫星的信号作为补充，实现更高的定位精度和可靠性。研究表明，通过结合 GNSS 的时间差天地一体化技术探索与实践 2.066/89TDOA 和 LEO 的 RTT 测量，多卫星+GNSS 方案能够在复杂城市环境或室内场景中提供亚米级定位精度5

210、2。6.3.4RIS 辅助星地通信辅助星地通信智能反射面（RIS）可以通过数字编码对电磁波进行主动的智能调控，形成幅度、相位、极化和频率可控的电磁场52，灵活改变传输信号的波形（幅度或相位)，打破传统无线通信中被动依赖传输信道的限制，实现对无线传输环境的主动调控52。此外，智能反射面的外形轻薄且保形，制造成本和功耗都较低，因此有望取代传统相控阵或中继，大幅降低系统的硬件复杂度、重量、成本和能耗，在多种通信场景中都可发挥优势，辅助提升系统性能。对于未来在星地融合卫星网络中的应用，可以通过在空天地立体系统中部署多个智能反射面，将智能反射面进行组网，并纳入星地融合卫星网络系统。利用智能反射面辅助实现

211、未来通信系统的共建共享，通过时分复用或空分复用在星地融合卫星网络的多层网络间共享智能超表面设备，提升整个网络系统的通信性能。随着智能反射面相关硬件设计和优化算法的不断演进，智能反射面有望在以下场景发挥更大的优势。在卫星通信中，由于卫星链路传输距离长，因此需要较大的发射功率和天线增益才能抵消信号传输过程中的路损53。另一方面，为了避免对其它区域造成干扰，又需要尽可能地降低目标区域外的信号增益53。传统中一般利用相控阵来辅助卫星进行波束赋形。然而，对于卫星网络，现有相控阵的高成本和高功耗难以满足未来众多卫星星座的部署。值得关注的是，智能反射面可以以较低的成本和功耗实现对传输信号波形的调整。例如，通

212、过采用馈电调相一体化的集成式超低剖面自激励智能反射面架构，可以利用其比传统更高的孔径效率和更低的剖面设计，以更低的成本和面密度实现动态电磁辐射调制，从而替代/辅助传统星载相控阵54。在低轨卫星星座场景，由于卫星的高速移动，星载基站到用户的可视链路难以始终得到保证。因此可以考虑在地面建筑物外墙部署智能反射面，来辅助星载基站到地面用户的信号传输。基于码本的信道估计获取信道状态信息后，通过联合优化星载基站的发射功率和智能反射面的反射系数，实现整体系统吞吐量的提升。除了将智能反射面部署在地面建筑物上，还可以考虑将智能反射面部署在卫星的反射板上，通过优化智能反射面的反射系数，帮助卫星在信号广播或是波束赋

213、形时改善信号质量55。天地一体化技术探索与实践 2.067/896.3.5边缘协同计算技术边缘协同计算技术为解决天地一体化跨域异构系统中用户复杂应用与服务质量之间的矛盾，移动边缘计算MEC 技术被广泛研究。作为 6G 关键技术之一，MEC 在地面移动网络中已获得成熟的应用，但在天地一体化网络中的应用仍处于研究与探索阶段。天地一体化网络集成 MEC 技术通过将卫星视为边缘计算节点，为用户提供多种类型的计算服务。考虑到单个卫星的计算资源、存储能力及能量有限，卫星集群协同计算的概念被进一步提出，这种新型计算模式具有低时延、高带宽、泛在覆盖等特点，可以为用户提供全天候、全地形、强实时、无缝的计算服务，

214、具体网络架构如图 6-7 所示。图6-7天地一体化MEC融合组网架构示意图在该架构中，空间部分包括 LEO、MEO、GEO 的卫星星座。该系统使用具有较强计算能力的 LEO 卫星作为边缘服务器节点，并通过联合多颗卫星的计算资源进行在轨协同计算，提供低时延、高可靠的多类型边缘处理服务。GEO 或 MEO 卫星通常具备控制功能，可以实现负责控制和管理数据层中的多个资源，实现网络资源调度和协同管理。而在地面网络中，依据地面环境及业务种类，用户可以将其业务卸载至地面边缘服务器计算，也可上传至卫星网络进行联合计算。天地一体化技术探索与实践 2.068/89通过该网络架构，用户能够在全球任意时间、任意地点

215、得到实时的计算支撑，提升用户的业务体验，因此，研究天地一体化 MEC 融合组网具有重要的现实意义。但是，由于卫星网络的特殊性，天地一体化 MEC 网络需要解决卫星、无人机等集群中存在的高动态、弱连接等特点带来的问题。具体研究问题如下：（1）保证业务服务连续性问题。由于卫星网络拓扑具有高动态时变特性，因此针对同一用户区域，低轨卫星单星过顶时间短，用户抢占信道资源接入与业务处理返回通常不是同一颗卫星。此过程涉及到多个波束之间、卫星之间频繁切换、批量切换，导致卫星节点资源处于动态变化之中56。因此，如何在低轨单星服务时长受限情况下，保证用户业务的服务连续性是一个较大的挑战。（2）最优业务动态部署问题

216、卫星网络覆盖范围较大，接入用户业务种类多，数量大，具有业务分布不均且时变的特点，单一的网络资源配置策略将导致业务需求无法得到满足，且降低网络资源利用效率。同时，业务与网络的时变特性可能导致卫星节点负载过高、网络拥塞等现象。因此，实现业务动态最优部署、网络资源最优利用具有重要的现实意义。（3）边缘智能管理问题人工智能的快速发展催生了边缘计算技术的新的研究领域边缘智能。通过边缘计算和人工智能彼此之间相互赋能，可以实现人工智能对边端的智能维护与管理，以及在边缘计算平台上提供智能化的服务57。然而，在应用深度学习优化实时边缘计算网络时，人工智能模型训练可能会带来额外的消耗，如训练数据传输所消耗的额外带

217、宽和深度学习推理的延迟。因此，针对资源开销和边缘计算网络的实时管理需求，如何确定模型部署、提升其训练效率是亟待解决的问题。面向天地一体化 MEC 融合网络，针对以上问题，可以从以下三个方面开展研究：（1）基于要素时空扩展图的网络体系架构设计方法针对卫星之间弱连接、高动态与低轨卫星集群场景的大规模、低时延要求之间的矛盾，面向保证业务服务连续性需求，亟需研究可灵活支持分散式协同功能的天地一体化网络体系架构。通过构建全维度要素时空扩展图模型，消除卫星网络动态性，将高中低轨卫星星座集群节点在时间和空间上的计算、通信、缓存能力集中管理，实现空天网络的资源可管可控和灵活调度。天地一体化技术探索与实践 2.

218、069/89低轨卫星集群的网络拓扑呈现高动态的特征，卫星的剩余计算能力、星间链路、网内拓扑等关键参数随时间不断发生变化，因此，难以直接将卫星集群的动态网络抽象成一个静态的网络架构模型。针对上述问题，可以采用时间上连续、空间上延展的时空扩展图模型，对卫星集群的动态网络进行构造，完成星间动态网络的准静态化处理，并实现计算、通信、缓存等资源的统一描述，从而实现用户业务的迁移以及部分卸载，保证业务连续性。（2）基于分散计算的天地一体化网络任务编排算法针对天地一体化网络中业务分布不均且时变的特性，亟需研究用户业务分解与基于分散计算的任务编排算法。基于任务图分解理论模型，针对不同类型的用户业务需求，结合网

219、络形态、拓扑变化、链路质量等参数，进行任务分散化执行响应时延、能耗等指标建模，构建资源调度优化问题的目标函数和约束条件，并基于调度式/竞争式算法进行求解，形成满足天地一体化网络性能指标需求的任务编排执行算法，从而获得最优业务调度策略。卫星网络与地面用户业务的高动态性，使得针对地面网络的单一的业务调度策略难以适用于天地一体化 MEC 融合网中。为解决上述问题，可以结合时空扩展图网络架构和协同计算协议，将用户业务建模为图模型，构建卫星集群协同计算的时延、能耗等用户业务优化指标的数学建模，并依托适应图模型的优化算法进行求解，满足协同计算的求解需求。（3）基于联邦学习计算模式的模型加速推理方法针对资源

220、开销和边缘计算网络的实时管理需求，亟需研究边缘智能模型的优化方法，提高其训练与推理数据的效率。通过采用联邦学习的计算模式，同时，边缘服务器与终端设备共享模型，共同加速完成人工智能模型的训练与推理，减少训练数据传输所消耗的额外带宽和以及模型推理的延迟，实现边缘计算网络的实时管理。若将人工智能模型完全部署在边缘服务器上，将会给边缘服务器带来巨大的压力。并且，终端设备的计算能力不足以完全支撑模型的训练与推理。针对以上问题，可以采用联邦学习的计算模式，由多个终端设备上传训练推理结果，边缘服务器根据该结果对资源开销和边缘计算网络进行管理，由此，边缘智能本身的优势并不会被其本身带来的带宽消耗和处理延迟抵消

221、。6.3.6星间多径路由传输星间多径路由传输星间多径路由传输是指在卫星网络中，通过多个星间链路实现数据的多路径传输如图6-8 所示。通过地面站多个网络接口，同一个源节点对可以同时使能传输多个流量子流介入多个入口卫星，流量通过星间链路传输知道到达出口卫星，最后发送数据给接收端。星间多天地一体化技术探索与实践 2.070/89径路由可以提供更大的数据传输速率和数据传输可靠性，尤其是在面对链路故障或高负载网络场景下。其主要包括多路径路由计算和多路径负载均衡技术。图6-8星间多径路由场景多路径路由计算多路径路由计算：多路径路由计算的主要目标是寻找端到端节点对之间多条可用的满足用户 QoS 需求的路由路

222、径，其通过地面站的多个可用网络接口合理建链多个接入卫星从而形成多条可用链路。主要划分为集中式路由计算和分布式路由计算两种技术。集中式路由算法使用完整的、全局性的网络信息计算端到端最低开销路径，需要已知全局网络信息和每条链路开销，一个中心节点或路由控制中心周期性地收集各链路状态，经过路由计算后周期性地向各网络节点提供路由表，中心节点或者路由计算一般选择地面网络上强大的服务器中心。集中式路由算法能够全局优化路由，但需要较高维护开销。分布式路由算法中，每个卫星节点独立地计算到达各节点的路由，通过交换邻居节点的路由信息如延迟、带宽、丢包率等实现路由的局部优化。分布式路由算法不需要全局网络信息，各节点仅

223、需已知与其直接相连链路的开销信息，然后通过迭代计算逐跳生成完整路径58。多路径负载均衡多路径负载均衡：多路径负载均衡技术通过利用多条端到端路径分散流量，提高了网络资源的利用效率，增强了卫星网络数据传输的稳定可靠性。多路径负载均衡能够根据实时网络状况，如链路的可用带宽、延迟和丢包率，在动态卫星场景下选择多条适合的路径进行数据传输。此外，当卫星网络出现故障时，如电磁、热、日凌的影响，多路径负载均衡能够保证服务传输的连续性，通过优化网络配置减少延迟和数据丢失，确保关键数据业务的传输，满足所需 QoS 需求。天地一体化技术探索与实践 2.071/896.3.7网络运维与业务管理网络运维与业务管理如图

224、6-9 所示，对超大规模 LEO 巨星座系统的网络运维与业务管理主要包括双层递阶运维管控架构设计，灵活接入模式选择技术与业务连续性保障的星地链路切换技术。图6-9网络运维与业务管理架构（1）双层递阶运维管控架构超大规模 LEO 巨星座作为未来 6G 天地一体化网络的关键构成要素，其节点稳定性较差，并且恶劣的空间环境（如日凌、地磁风暴、静电放电等）也易造成不确定性的卫星故障。对 LEO 巨星座的高效运维管控可降低故障节点对天地一体化网络服务能力的影响，提高系统的可重构能力、抗毁性和安全性。通过建立 MEO 和卫星地面站集成的面向 LEO 巨星座的双层递阶运维管控架构，克服了 LEO 巨星座只能分

225、布式交互信息的缺点，降低了信令开销和节点维护全局信息成本，从而提高运维管控效率。分组分簇技术：针对 LEO 巨星座网络极强的节点动态性、拓扑复杂性和大规模性，对LEO 巨星座进行高效分组分簇可有效降低运维管控规模。将 MEO 覆盖范围内的 LEO 卫星划分为一个组，然后每个 LEO 组再进一步按照邻接关系进行分簇。组管理者 MEO 作为全局控制器，簇头LEO为局部控制器。通过全局控制器MEO管理组内的局部控制器簇头LEO，簇头 LEO 管理簇成员 LEO 递阶的管理模式，降低管控复杂度，实现巨星座系统的轻量级快速运维管控59。实时故障响应机制：基于双层递阶运维管控架构，结合周期性信息收集与触发

226、式信息更新对 LEO 巨星座进行实时故障响应，其中周期性信息收集用于发现通信故障，触发式信息更新补充发现非通信故障。对于周期性信息收集故障响应机制，LEO 簇成员周期性地将自己的状态信息上报给对应的簇头 LEO 卫星，LEO 簇首接收簇内所有 LEO 节点故障状态信天地一体化技术探索与实践 2.072/89息，并将其上传至对应的组管理者 MEO 卫星，由 MEO 进行故障响应；当不属于 MEO 故障数据库无法响应时，则 MEO 将故障信息发至地面站，由地面站进行计算机辅助的人工处理。对于触发式信息更新故障响应机制，故障卫星覆盖范围内有地面站时，直接将其非通信故障信息发送至地面站；否则将故障信息

227、发至所在簇的簇首节点，由簇首节点将故障信息发至覆盖范围内的地面站；若簇首卫星的覆盖范围内不存在地面站，则簇首卫星将故障信息发至其组管理者 MEO，由 MEO 进行故障响应；若 MEO 无法响应则发送至地面站进行故障响应。（2）灵活接入模式选择6G 天地一体化网络中，对于密集接入场景如城市等区域，卫星、无人机、地面基站等会产生网络覆盖的重叠，用户面临多种接入的模式会极大影响到 6G 天地一体化网络性能，如时延、传输速率等。网络孪生技术涉及物理网络和虚拟网络，通过实时同步物理网络的信息（包括卫星链路质量、地面基站的负载情况、用户终端的需求等），在虚拟网络中为物理实体创造智能代理，通过实时监控整个

228、6G 天地一体化网络的状态并预测网络性能，进而对网络进行管控。网络孪生技术将会为用户灵活选择接入模式选择提供了强有力的支持，能够根据天基、空基、地基网络的网络状态、用户需求以及通信链路环境变化等因素智能化地调整接入方式，从而实现高速可靠的通信。在 6G 天地一体化网络中，不同接入模式的流量管理要求差异较大，网络孪生技术能够根据实时数据进行自适应流量调度，在满足高实时性、低延迟需求的同时，避免网络资源的浪费。例如，在地基网络难以覆盖的区域或者高流量情况下，系统可以灵活选择卫星网络接入；而在地面网络资源充足的情况下，优先选择地面接入，减轻卫星链路的负担并确保最佳的网络性能和用户体验60。（3）业务

229、连续性保障的星地链路切换）业务连续性保障的星地链路切换业务连续性管理是天地一体化网络业务管理中的核心任务，旨在确保不同业务和应用场景下的端到端服务质量保障。作为未来网络的一种新范式，网络功能虚拟化可以实现物理资源的充分灵活共享和业务的快速开发部署，从而灵活地按需提供网络服务，提高资源利用率。在支持网络功能虚拟化的一体化网络中，服务功能链是一系列网络功能实例的有序组合。运营商可以根据用户的 QoS 需求部署服务功能链，在物理节点上放置相应的组成网络功能实例，从而决定数据流由源端到目的端的路由路径，保证服务连续性。在天地一体化网络中，天地一体化技术探索与实践 2.073/89服务功能链更需要自动化

230、、智能化、高效化的解决方案，以应对复杂的动态网络拓扑、多样的随机业务需求和异质的有限网络资源。关键措施包括：动态服务功能链编排：服务功能链编排是指对多个网络功能进行动态配置和优化，以确保业务流的端到端服务质量和资源利用效率。根据不同业务需求（如带宽、时延、可靠性等），选择适合的网络功能（例如防火墙、负载均衡、加密等），并按特定的顺序组合成服务功能链。在天地一体化网络中，服务功能链编排还需要协调各网络段（地面段、卫星段等）资源，确保功能链的无缝协同。动态服务功能链嵌入：服务功能链嵌入是将编排的服务功能链映射到实际的物理网络中，在网络设备上部署相应的网络功能实例。根据网络拓扑和资源可用性（如计算能

231、力、带宽、存储等），将服务功能链嵌入到最优的物理节点和链路上，保证数据流在从源端到目的端的传输路径中满足 QoS 要求。同时，网络还需实时监控链路、节点和功能实例的性能，并根据反馈进行及时调整与动态优化。在天地一体化网络中，由于节点的移动性或者网络条件的变化，用户终端需要从一个服务节点（如一个卫星波束）切换到另一个服务节点，以保障通信的连续性和服务的可靠性。关键措施包括：移动性管理：现有移动性管理方法的功能实体通常放置在卫星地面站上。然而，卫星地面站通常无法在全球范围内部署，当大量移动性管理信号需要发送至固定的、有限的地面站时，可能会导致网络拥塞等问题。为此，可以考虑 LEO 和 MEO 之间

232、的协同工作，同时设计分布式移动性管理架构，以提高移动性管理的效率，减少信令开销和延迟61。切换决策：与传统地面网络不同的是，低轨卫星网络中移动性切换的触发是双向的，包括地面终端的移动和低轨卫星的高速绕地运动。同时，随着低轨卫星的大规模超密集部署，同一区域内的地面终端可能同时处于多个可视卫星的服务范围内，面临着多个服务接入点的选择问题。为此，在制定切换策略时需要综合考虑用户需求满意度，功率开销以及切换开销等多个因素，优化切换决策，以减少切换次数、功率消耗，提高接收速率等62。6.3.8网络安全网络安全6G 天地一体化网络包含多种轨道、多种星座，包含多个卫星或地面子网互联互通，因此相比于地面网络，

233、安全问题也更为复杂。需加强对安全问题的识别，并针对识别的问题进行增强防护。天地一体化技术探索与实践 2.074/89数据互通与用户隐私保护65。基于计算复杂度的传统加密、授权和认证等密码保护机制依然是保障网络安全的主要方式。其中数据服务的鉴权机制能够防止恶意终端进行伪造身份等情况的发生。鉴权机制可由各个子网执行并提供，同时还需要加强对各个子网络鉴权管理。天地一体支持更多的业务类型，对应更多种类的终端设备，如广播电视类设备，可能不支持 SIM65，从而可能需要增强当前终端的安全机制，如数字签名。物理层和数据链路层面临窃听和干扰等安全问题66。针对窃听安全问题，创新物理层信道编码技术，为无线信号提

234、供更加安全的传输方式；针对干扰问题，可通过鉴别、加密、自适应多波束天线等技术进行防护。网络层面临信息截获、信息篡改、攻击等安全问题67。面对网络层的安全威胁，通过加密传输，双向身份认证等技术手段进行防护。通过网络层的传输加密完成信息完整性和机密性的保护，避免信息截获、信息篡改。通过双向身份认证68可以预防中间人攻击。传输层和应用层的防护对于应用系统的安全也至关重要，可以通过访问控制、身份认证、传输层加密等方式来解决。天地一体系统中，考虑卫星的载荷等能力，传统复杂的安全协议如 IPSec可能需要变更以适应天地一体系统。6.3.9卫星技术卫星技术（1）能力更强大的星载多波束天线天地一体化通信系统，

235、对卫星通信的覆盖与容量提出更高要求。更多更窄的点波束将导致星载多波束天线口径越来越大，星上载荷质量及复杂度几何级增长。星上数字波束形成设备易因太空辐射而产生“单粒子翻转”，对系统可靠性产生非常大影响。未来星载多波束天线技术将与系统工作模式紧密联系，具备更强大的能力，如面向特定区域的波束赋形能力、增加系统容量的频率复用能力、按需调整覆盖的在轨重构能力以及满足星间传输的波束扫描能力等。（2）智能化的卫星载荷技术随着星座规模急剧扩大和业务快速发展，为降低星地传输数量，部分网络功能需要在星上处理，增加额外的星载处理器以满足网络功能。传统以硬件为核心的卫星载荷设计模式无法适应复杂多变的运行环境和任务要求

236、。面向天地一体化的卫星通信载荷应具备信号处理能力强、软件和硬件解耦、系统功能自主重构等能力。软件化、智能化的卫星荷载技术，结合灵活的射频前端，采用开放式系统架构，实现功能按需加载和重新定义，更能够适应多种任务需求。（3）大功率高效灵活的功放技术天地一体化技术探索与实践 2.075/89随着卫星互联网的发展，卫星通信的业务种类和通信流量将快速增长。面对终端天线小型化的发展需求，需要进一步增加卫星辐射功率，加大功放功率。同时，考虑不同区域业务需求存在差异，通信流量不均衡性将日益明显。而不同覆盖区域由不同波束服务，如对每个波束进行带宽/功率均匀分配，会出现热点地区能力不足和冷点地区能力浪费，需要可变

237、化功放以对不同波束灵活地分配功率和带宽。（4）长时稳定高速的星间链技术星间链技术的引入，可使低轨卫星系统更灵活方便的进行路由选择和网络管理，并降低地面部署成本。面向未来的卫星互联网需要突破 100Gbps 量级小型化星间激光终端技术，实现更高通信速率；需要突破抗辐射长寿命光器件技术，实现长时服务；需要研究高动态星间星地激光链路捕获和跟踪技术，实现高速率稳定服务。（5）协同智能的星上处理容错冗余技术随着卫星有效载荷处理规模越来越大，星上处理可靠性将面临更大的挑战。考虑空间辐射环境动态变化和卫星服务差异，星上处理容错方案应能基于系统可靠性需求和空间辐照环境进行灵活配置，实现处理可靠性与资源有效性的

238、优化协同。可运用 AI 技术，基于多个模块的状态和相互关系实现系统故障的快速诊断，实现系统功能自愈。6.3.10 终端技术终端技术终端能力是整个卫星通信应用的关键环节，既要配合网络进行通信协同，以提高通信效率，又要降低功耗和成本，提升客户体验。在通信协同方面，考虑天地一体化通信频率更加丰富（尤其是星地频率复用的情况），频率干扰规避和协同管理显得尤为重要。终端可采用智能频谱感知技术，监测周围频谱环境，重点关注星地通信信号强度和频率分布，实时分析干扰情况，提前采取措施进行规避或减轻，并将相关信息上报网络。在终端小型化方面，考虑卫星通信需要增加天线以应对大损耗，而终端内部空间有限（尤其是智能手机），

239、需要持续优化终端内部布局，持续优化主板及天线设计方案，降低终端尺寸。在 PA 方面，需要不断进行基于新材料功放模块等关键部件集成化技术、宽角扫描技术研究。在天线方面，为适应终端小型化便携的需求，需要持续聚焦和发展高增益和小型化技术，如具有高介电常数、低介电损耗、近零温度系数等特点的微波介质陶瓷材料技术等；在终端接收机方面，考虑信号大尺度衰落，研究终端接收机的抗干扰技术、对环境的实时动态测量和环境智能化技术。在能耗方面，考虑卫星通信发射功率大、能耗高，需要不断优化工艺，并创新方案，以降低能耗。通常的，在软件方面，通过优化通信算法，降低功耗；在硬件方面，通过优化终端硬件设计，提升不同芯片间协同，减

240、小终端体天地一体化技术探索与实践 2.076/89积和芯片交互产生的能量消耗，如以采用低峰均比、恒包括调制技术、提高功率放大器效率等，也可以采用新型材料，降低终端功耗。6.3.11 测试技术测试技术依据 6G天地一体化通信技术及产品发展趋势和测试需求，未来仪表性能上总体将朝“超宽带化、极高速化、全频谱化、多通道化”发展，未来仪表将具备超过 10GHz 带宽信号的处理能力，未来将在太赫兹通信上进行超大带宽扩展；具备数 100Gbps 速率的数据传输处理能力，包括宽带数据传输、海量数据存储，满足严苛的传输时延和实时测试需求；具备 256/512阵列以上多小区多天线测试能力；具备全频谱覆盖，并支持太

241、赫兹通信测试能力。仪表功能上，将向天地融合一体化网络、智慧连接、深度连接、全息连接、泛在连接等测试功能发展，支持信息突破时空限制、网络拉近万物距离的验证需求。6G 天地一体化通信测试技术将重点研究 6G 天地一体化网络测试技术、THz 通信大带宽测试技术、智慧连接网络检测技术、星空星地协同组网测试技术、高保真高效率仿真技术等。（1）6G 天地一体化网络测试技术6G 天地一体化网络测试技术是指在 6G 网络中通过卫星和地面网络的协同，实现天地一体化网络测试。主要包括：卫星和地面网络的性能测试：在 6G 网络中，卫星和地面网络的性能将影响整个网络的性能，因此需要对卫星和地面网络的性能进行测试。主要

242、包括：吞吐量测试、延迟测试、抖动测试、丢包率测试等；卫星和地面网络的互操作性测试：主要包括卫星和地面网络之间的时延测试、同步测试、协同测试、业务测试、安全测试、管理测试等。（2）THz 通信测试技术THz 通信测试技术是指在 THz 频段进行 6G 天地一体化通信系统测试的技术。THz 通信测试技术主要包括以下几个方面：THz 通信系统测试是指对 THz 通信系统进行测试，以验证系统的性能。主要包括 THz通信系统的吞吐量测试、THz 通信系统的误码率测试、THz 通信系统的带宽测试、THz 通信系统的延迟测试等。THz 通信信号测试是指对 THz 通信信号进行测试，以验证信号的质量。主要包括

243、 THz通信信号的功率测试、THz 通信信号的频谱测试、THz 通信信号的调制测试等。天地一体化技术探索与实践 2.077/89THz 通信网络测试是指对 THz 通信网络进行测试，以验证网络的性能。主要包括 THz通信网络的覆盖范围测试、THz 通信网络的业务通信质量测试、THz 通信网络的接入数量测试等。THz 混合组网传输与验证技术主要针对天基骨干网、天基接入网、地基节点网，进行与地面互联网、移动通信网开放互联的网络模拟构建，进行覆盖能力、随遇接入能力、按需服务能力的仿真和验证。通过标准的网间接口实现互联，又分别通过标准的用户网络接口来提供服务，多维网络联合解析测试技术通过多网络信令层联

244、合关联分析，准确定位网络故障、实现网络优化、提升用户体验。（3）智慧连接网络检测技术智慧连接网络检测技术是指用于检测和评估 AI 技术运用到 6G 天地一体化网络中带来智慧连接网络的性能和可靠性的评估技术。智慧连接网络检测技术主要包括：网络性能测试：测试智慧连接网络的带宽、延迟、吞吐量等性能指标，以确保网络能够满足实时性和高效性的要求。网络可靠性测试：测试智慧连接网络的可靠性和稳定性，包括网络的容错能力、恢复能力和抗干扰能力等，以确保网络在面对故障或攻击时能够保持正常运行。设备连接测试：测试智慧连接网络中的设备连接情况，包括设备的注册、身份验证、连接稳定性等，以确保设备能够正常连接到网络并进行

245、通信。数据传输测试：测试智慧连接网络中的数据传输性能，包括数据的传输速率、可靠性和安全性等，以确保数据能够在网络中快速、准确地传输。安全性测试：测试智慧连接网络的安全性，包括身份验证、数据加密、访问控制等方面，以确保网络中的数据和设备不受未经授权的访问和攻击。（4）星空星地协同组网测试技术星空星地协同组网测试技术是指在星空星地协同组网系统中，通过对星空星地协同组网系统的各个组成部分进行测试，以验证星空星地协同组网系统的性能和功能。主要包括：功能测试：包括星空星地协同组网系统的通信功能、定位功能、导航功能等。性能测试：包括星空星地协同组网系统的通信速率、通信延迟、通信可靠性等。星空星地协同组网系

246、统的安全测试：包括星空星地协同组网系统的抗干扰能力、抗攻击能力等。天地一体化技术探索与实践 2.078/89星空星地协同组网系统的互操作测试：包括星空星地协同组网系统与卫星通信系统、地面通信系统、移动通信系统等互操作测试。（5）高保真高效率仿真技术高保真高效率仿真技术是一种面向天地一体化复杂网络的仿真技术，旨在精确再现真实环境并显著提升大规模场景下的仿真效率。主要包括：物理环境建模：包括建模真实环境中的动态特性，包括卫星轨道、日凌、星地链路信道条件等真实仿真环境。星间拓扑仿真能够评估卫星系统性能、优化网络架构、实现动态优化等，其主要技术包括基于星历数据的卫星位置模拟、基于空间位置关系的日凌模拟

247、、星间链路的随机故障和恢复功能模拟、卫星与地面站连接关系模拟、星间连接关系模拟、馈电链路切换过程模拟。链路模拟功能是指卫星网络中星间链路和星地链路的精确仿真，确保能够反映真实卫星网络的链路状况，其主要包括链路带宽模拟、链路时延模拟、链路通断模拟。多层卫星网络构型及层间通信功能是实现多个轨道层层内和层间的通信互联，满足不同的应用通信需求，其主要技术包括多层卫星网络构型仿真、卫星运行仿真状态仿真、层间通信组网仿真等。分布式并行计算：通过多核多机器并行处理，将复杂网络仿真任务分布到多节点，根据仿真负载动态分配资源，提升计算效率。面向天地一体化复杂网络的分布式并行计算技术主要包括以下几个方面：任务分解

248、：基于并行仿真技术，将复杂的网络仿真任务分解为多个子任务，每个子任务可以独立执行，最终将各个子任务进行组合形成完整的仿真结果。通过利用分布式计算资源，可以显著提升卫星网络的仿真效率。通信机制：通过非阻塞通信实现高效的跨 LP（Logical Processor）消息传递，同时通过批量打包多个消息减少通信频率和开销。跨 LP 的链路状态消息和路由信息通过消息传递同步，全局统计数据可以通过规约操作实现分层汇聚。对于时间同步，采用保守同步策略，同时结合卫星网络动态场景设计同步算法推进卫星网络并行仿真运行。负载均衡：负载均衡是并行仿真性能优化的核心目标。面向天地一体化复杂网络，采用基于通信图等划分方式

249、是一种精细高效的策略，通过构建卫星和地面站的通信图，将通信频繁的节点划分到同一个 LP 中，在减少跨 LP 通信的同时可以更好地均衡每个 LP 的任务计算量。天地一体化技术探索与实践 2.079/89多机器多核并行处理：通过跨节点通信功能，每个逻辑进程可以分布在不同的计算节点上运行，形成一个高度可扩展的分布式仿真系统，充分利用高性能计算集群的资源。6.4 6G 天地一体化技术演进路线预见天地一体化技术演进路线预见为了适应场景和需求的多样性，6G 核心技术也将会呈现多元化。一方面可以是来自现有通信技术的进一步演进，如超大规模 MIMO 技术、多址接入技术、调制编码技术等。另一方面，6G 也会去探

250、索全新的技术领域，例如拓展频谱的太赫兹以及可见光通信技术和提升频谱效率的全双工技术，还有将通信与感知融合在一起的联合设计。此外，6G 还会研究天地一体化技术，实现从天空到陆地的无死角覆盖。同时，AI 技术在 6G 中也会起重要作用，它可以同其它绝大部分 6G 核心技术相结合，进一步优化 6G 系统。天地一体化作为未来 6G 的基本网络形态与支柱性技术之一，包含陆地网络通信与非陆地网络通信，与其它 6G 关键技术（例如，MIMO 技术、多址接入技术、调制编码技术、AI+通信以及感知+通信等）是并列存在的，但相互之间又是紧密相连，相互影响的。因此，对于 6G 天地一体化演进存在以下 4 种技术路线

251、：路线 1：类似于 5G NTN 标准演进思路，等到 6G TN 空口与网络技术稳定后，再基于6G TN 空口与网络技术适配 6G NTN 场景，进而通过 6G TN 与 6G NTN 实现 6G 天地一体化网络系统。在这种路线下，6G TN 与 NTN 在空口体制与网络架构上保持一致。路线 2：6G 设计之初就以天地一体化场景为设计蓝本，进行统一的设计，包括网络结构、MIMO 技术、多址、调制编码技术、AI+通信以及感知+通信等。在这种路线下，6G 空口体制与网络架构兼顾 TN 与 NTN 场景特性，实现一体化设计。路线 3：6G TN 的空口和网络技术（例如，网络架构、MIMO 技术、多址

252、、调制编码、AI+通信以及感知+通信等）与 6G NTN 的空口和网络技术独立并行进行研究设计，然后再做适配性融合。在这种技术路线下，6G 可以针对 NTN 与 TN 场景分别做个性化设计。以波形设计为例，卫星场景下的多普勒较大，当前主要通过终端侧的时频预补偿机制来解决，如果波形具有良好的抗多普勒性能（例如，OTFS 波形），终端侧的压力就会减少；OFDM 波形的高 PAPR 特性对于卫星通信来讲也是一个比较严重的问题，未来 6G 针对 NTN 波形设计可以考虑低 PAPR 特性；此外，面向天地一体化，波形设计还应考虑较高的频谱共享能力。路线 4：5G NTN 在 6G 继续演进形成进一步增强

253、版的 5G NTN 技术（5G futherenhancement NTN，5G FeNTN），作为 6G NTN 场景的标准技术。最终，通过 6G TN 与天地一体化技术探索与实践 2.080/895G FeNTN 实现 6G 天地一体化愿景。这种技术路线类似于 5G 通过 NB-IoT/eMTC 的进一步演进实现大规模物联网场景，6G 将 5G NTN 的进一步演进作为一个技术分支以实现全球立体无缝覆盖。天地一体化作为 6G 的基本网络形态，是实现广域无缝覆盖的技术，为了避免后向兼容性问题，6G 第一个版本需要将天地一体化作为 6G 系统设计的基本原则之一，即 6G 设计之初以天地一体化场

254、景为设计蓝本，进行统一的设计（路线 2）。天地一体化技术探索与实践 2.081/897总结总结进入 5G-A、6G 时代，随着卫星通信应用场景的不断延伸，在智能手机及其他智能终端的应用渗透率也不断提升，进一步推动移动通信网络的变迁和升级。优势互补、融合共生将成为未来 6G 网络技术发展主旋律，为构建万物互联的信息通信系统奠定坚实的基础。天地一体化是指卫星通信与地面通信一体化发展，从业务、通信体制、频谱资源、系统架构等不同层次进行融合，构建天地一体化通信系统，实现全球无缝立体覆盖。这本白皮书分享了国内外针对 5G&6G 天地一体化技术的探索与实践，包括天地一体化需求与愿景、国内外天地网络发展现状

255、、基于 5G NTN 天地一体化关键技术、基于 5G NTN产业发展与实践以及面向 6G 天地一体化发展与演进等。知识共享，启示未来。天地一体化技术探索与实践 2.082/89缩略语缩略语3GPPThe 3rd Generation Partnership Project第三代合作伙伴项目AAUActive Antenna Unit有源天线单元AIArtificial Intelligence人工智能AMFAccess and Mobility management Function接入和移动性管理功能AR/VRAugmented Reality/Virtual Reality增强现实/虚拟现

256、实BAPBackhaulAdaptation Protocol回传适配协议BSSBroadcasting satellite service卫星广播服务CCSAChinaCommunicationsStandards中国通信标准化协会CUCentralized Unit集中单元DAPSDualActive Protocol Stack双激活协议栈DUDistribute Unit分布单元DVBDigital Video Broadcast数字电视广播DVB-SDigital satellite TV system数字卫星电视系统eMBBEnhance Mobile Broadband增强移动宽

257、带技术EPCEvolved Packet Core4G 核心网FSSFixed satellite service固定卫星业务FCCFederal Communications Commission美国联邦通信委员会GEOGeostationary Earth Orbit地球同步轨道GMRGEO-Mobile Radio地球静止轨道卫星移动无线电GNSSGlobal Navigation Satellite System全球卫星导航系统GPSGlobal Positioning System全球定位系统IABIntegrated Access Bachhaul集成接入回传IoTInternet

258、 of Things物联网ITU-RITU-Radiocommunicationssector国际电信联盟无线电通信组标LEOLow Earth Orbit低轨道地球卫星MECMobile Edge Computing移动边缘计算MEOMedium Earth Orbit中轨道地球卫星MECMobile Edge Computing移动边缘计算MMEMobility Management Entity移动性管理实体MSSmobile satellite service移动卫星业务MWCMobile World Congress世界移动通信大会NaaSNetwork as a Service网络

259、即服务天地一体化技术探索与实践 2.083/89NCRNetwork Controlled Repeater网络控制转发器NGSONon-Geosynchronous Orbit非地球静止卫星轨道NOMANon Orthogonal Multiple Access非正交多址接入NPNNon-Public Networks非公共网络NRNew Radio新空口NTNNon-terrestrial network非陆地网络OMAOrthogonal Multiple Access正交多址接入PAPRPeak to Average Power Ratio峰值平均功率比PCFPolicy Contro

260、l Function策略控制功能PDUProtocol Data Unit协议数据单元PLMNPublic Land Mobile Network公共陆地移动网QoSQuality of Service服务质量RANRadioAccess network无线接入网络R17Release 17版本 17R18Release 18版本 18R19Release 19版本 19RTPReal-time Transport Protocol实时传输协议RVQResidual Vector Quantization残差矢量量化SAService&SystemAspects,服务和系统SiPSystem

261、In a Package系统封装SMFSession Management Function会话管理功能SPSSemi persistent scheduling半静态调度SRAPSidelink Relay Adaptation Protocol侧链中继适配协议SSPASolid State PowerAmplifier固体功率放大器S-UMTSSatellite Component of UMTS3G 网络中卫星组件TATiming Advance定时提前TACTracking Area Code跟踪区代码TNTerrestrial network陆地网络TWTATraveling-wav

262、e tube amplifier行波管放大器U2NUE to Network Relay用户到网络中继UEUser Equipment用户设备UPFUser Plane Function用户面功能VSATVery Small-Aperture Terminal甚小口径终端地球站天地一体化技术探索与实践 2.084/89参考文献参考文献1天地一体化通信系统白皮书,未来移动通信论坛,2020.26G 无界,有 AI,紫光展锐,2023.3Morello A,MignoneV.DVB-S2:TheSecondGenerationStandardforSatelliteBroad-BandServic

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264、7S.2013.5ETSI.Digital video broadcasting(DVB);second generation framing structure,channel coding andmodulation systems for broadcasting,interactive services,news gathering and other broadband satelliteapplications;part 2:DVB-S2 extensions(DVB-S2X)(V1.1.1):EN 302 307-2S.20156李阳,张夏.卫星通信与地面 5G 融合发展的路线探

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292、887天地一体化技术探索与实践 2.088/89致致 谢谢历时半年，这本白皮书在 14 家单位的共同努力下终于完成了。牵头撰写这本白皮书让我感受到了前所未有的感激之情。虽然我很感激，但是却找不到适当的方法来表达。首先我想要感谢我的领导潘振岗博士，强调抓住事物的本质，指导我梳理复杂系统的逻辑。感谢我的同事李忻博士，在白皮书内容框架以及撰写思路上给予了极大的帮助，让我备受鼓舞，更要感激她极致严谨的治学态度，时刻提醒我注重白皮书的每个细节。感谢紫光展锐 IoT NTN 产品研发团队，他们齐心协力，攻坚克难，完成 IoT NTN 窄带语音的研发与验证工作，并为本白皮书提供亮点内容输入。感谢我的同事夏彦

293、龙，夏彦龙负责卫星与终端部分的内容撰写，出色地完成内容撰写，为本白皮书锦上添花。感谢我的同事谷磊，谷磊勇于承担白皮书多个章节的内容撰写，保质保量的完成撰写工作，在白皮书内容格式上提供了很大的帮助。感谢上海大学周婷教授的鼎力支持，周婷教授主动承担多个章节的牵头撰写工作，展现了上大人的担当。对撰写团队所有成员的感激之情，难以一一详述。总之，感谢撰写团队的精诚合作，没有大家的共同努力，就没有这本白皮书。编辑员：雷珍珠天地一体化技术探索与实践 2.089/89贡献者：贡献者：紫光展锐（上海）科技有限公司：夏彦龙、谷磊、刘峰、韩鲁峰、邓靖怡、刘星、陈圣卫、彭心怡、王国锐、何艳丽、陈俊杰、林乃钦，肖晓，黄平韬、王承威、占德志、陆成、康力、刘华彦、罗小伟、杨殷、叶顺舟、赵细云、雷珍珠、李忻、徐志昆、潘振岗上海大学：周婷，田金凤中信科移动：韩波南京大学：周海波清华大学：田志刚中电科思仪科技（安徽）有限公司：凌云志、刘祖深、许虎、张煜、刘龙电子科技大学：武刚中国联通智能城市研究院：刘琪、宋蒙联通：朱斌电信：刘家祥中兴：刘汉超北京理工大学：曾捷西安电子科技大学：任智源中电信量子科技有限公司：罗俊