ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００３－３１１４.２０２２.０６.０１３
引用格式：刘哲铭ꎬ吴云飞ꎬ魏肖ꎬ等.６Ｇ星地融合网络应用场景㊁架构与关键技术挑战[Ｊ].无线电通信技术ꎬ２０２２ꎬ４８(６):１０５８－１０６４.[ＬＩＵＺｈｅｍｉｎｇꎬＷＵＹｕｎｆｅｉꎬＷＥＩＸｉａｏꎬｅｔａｌ.６ＧＳａｔｅｌｌｉｔｅ￣ＴｅｒｒｅｓｔｒｉａｌＣｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅＮｅｔｗｏｒｋｏｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｃｅｎａｒｉｏｓꎬＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＫｅｙＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｈａｌｌｅｎｇｅｓ[Ｊ].ＲａｄｉｏＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０２２ꎬ４８(６):１０５８－１０６４.] ６Ｇ星地融合网络应用场景㊁架构与关键技术挑战
刘哲铭ꎬ吴云飞ꎬ魏㊀肖ꎬ张㊀景ꎬ陆㊀洲
(中国电子科学研究院ꎬ北京１０００４１)
摘㊀要：随着卫星通信网络的发展速度加快ꎬ其在未来６Ｇ通信网络中将扮演重要的角ꎬ星地融合通信网络的形成将是未来全球网络覆盖的发展趋势ꎮ首先对６Ｇ网络中卫星通信研究背景进行分析ꎬ然后以星地融合网络为背景拓展新的应用场景及典型应用ꎬ并结合新技术应用构建星地融合网络框架ꎬ最后对星地融合关键技术及挑战进行分析ꎮ通过对未来星地融合网络的展望ꎬ以期对６Ｇ通信网络的发展提供一个清晰的轮廓
ꎮ
关键词:６Ｇ通信ꎻ卫星通信ꎻ星地融合网络中图分类号:ＴＮ９１９.２㊀㊀㊀
文献标志码:Ａ㊀㊀㊀
开放科学(资源服务)标识码(ＯＳＩＤ):
文章编号:１００３－３１１４(２０２２)０６－１０５８－０７
６ＧＳａｔｅｌｌｉｔｅ￣ＴｅｒｒｅｓｔｒｉａｌＣｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅＮｅｔｗｏｒｋｏｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｃｅｎａｒｉｏｓꎬ地面网
ＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＫｅｙＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｈａｌｌｅｎｇｅｓ
ＬＩＵＺｈｅｍｉｎｇꎬＷＵＹｕｎｆｅｉꎬＷＥＩＸｉａｏꎬＺＨＡＮＧＪｉｎｇꎬＬＵＺｈｏｕ
(ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｉｃｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００４１ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗｉｔｈｆａｓｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋꎬｉｔｗｉｌｌｐｌａｙａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｆｕｔｕｒｅ６Ｇｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔ￣
ｗｏｒｋꎬａｎｄｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｓａｔｅｌｌｉｔｅ￣ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｃｏｎｖｅｒｇｅｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｗｉｌｌｂｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｆｕｔｕｒｅｇｌｏｂａｌｎｅｔｗｏｒｋｃｏｖｅｒａｇｅ.Ｆｉｒｓｔｌｙꎬｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅｃｏｍｍｕｎｉｃａ
ｔｉｏｎｉｎ６Ｇｎｅｔｗｏｒｋｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｎｅｗａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｃｅｎａｒｉｏｓａｎｄｔｙｐｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｒｅｅｘｐａｎｄｅｄｉｎｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅ￣ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｆｕｓｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ.Ｓｅｃｏｎｄｌｙꎬａｓａｔｅｌｌｉｔｅ￣ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｆｕｓｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｆｒａｍｅ￣ｗｏｒｋｉｓｂｕｉｌｔｉｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ.Ｆｉｎａｌｌｙｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｎｄｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｏｆｓａｔｅｌｌｉｔｅ￣ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｆｕｓｉｏｎ
ａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ.Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｔｈｅｆｕｔｕｒｅｓａｔｅｌｌｉｔｅ￣ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｆｕｓｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋꎬｗｅｈｏｐｅｔｏｐｒｅｓｅｎｔａｃｌｅａｒｏｕｔｌｉｎｅｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆ６Ｇｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:６Ｇｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎꎻｓａｔｅｌｌｉｔｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎꎻｓａｔｅｌｌｉｔｅ￣ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｎｅｔｗｏｒｋ
收稿日期:２０２２－０７－１４
基金项目：国家重点研发计划(２０２１ＹＦＢ２９００５００)
ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＩｔｅｍ:ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ(２０２１ＹＦＢ２９００５００)
０ 引言
随着社会的发展和科学技术的进步ꎬ通信网络发展已经历经四代ꎬ见证了人们日常生活的巨大变化ꎮ目前ꎬ第五代(５Ｇ)通信网络发展正如火如荼地进行中ꎬ２０２２年３月下旬ꎬ全球５Ｇ标准第三个版本 ３ＧＰＰＲｅｌｅａｓｅ１７完成第三阶段的功能性冻结ꎬ标志着５Ｇ技术演进第一阶段的圆满结束ꎮ５Ｇ
的目标是为了满足高带宽㊁大连接和低时延场景下的通信需求[１]ꎬ基于大规模多天线㊁全双工等技术实现５Ｇ峰值速率㊁频谱效率㊁时延㊁移动性等性能的全方位提升[２]ꎮ然而ꎬ５Ｇ网络信号覆盖仍以为中心ꎬ覆盖范围小ꎬ预计在５Ｇ时代仍将有８０％以上的陆地和９５％以上的海洋没有网络信号覆盖ꎬ高度集中在陆地地表１０ｋｍ以内[３]ꎮ除广覆盖外ꎬ全息通信㊁增强扩展现实㊁数字孪生社会等６Ｇ展望的典型应用场景都需要在性能指标上相对５Ｇ有进一步提升[４]ꎮ５Ｇ商用伊始ꎬ６Ｇ研究已悄然开启ꎬ通过新技术开发应用实现 智慧连接 深度连接 全息连接 泛在连接 ꎬ真正实现 空天地海 一体化连 接的愿景[５]ꎬ应用场景也扩展到增强型移动带宽㊁增强型超可靠低延迟通信㊁超大规模机器通信㊁远
距离高移动性通信和超低功率通信五大应用场景[６]ꎮ在６Ｇ愿景中ꎬ相对于５Ｇ更突出的特点是网络覆盖范围ꎬ而不仅仅是通信性能的提升ꎮ在通信网络几十年的发展过程中ꎬ由于经济效益限制ꎬ山区㊁丛林㊁戈壁滩等地区难以通过部署的方式实现网络通信ꎬ同时由于地理环境的限制ꎬ广阔的空域和海洋也不能被陆地网络覆盖ꎮ卫星通信则为实现通信网络全球覆盖提供了最佳的解决方案ꎬ这也成为６Ｇ通信网络研究的重点内容之一[７]ꎮ与地面通信网络相比ꎬ卫星通信网络除支持全球覆盖外ꎬ还具有不受气候㊁天气的影响和系统抗毁能力强的优势ꎬ同时还能进行灵活的信号配置ꎬ易于实现多种服务[８]ꎮ这些优势进一步提升了未来６Ｇ的应用范围和服务能力ꎬ例如：海洋㊁森林等资源监视和灾害监测ꎬ大范围交通物流等监控管理ꎬ无人机㊁舰船㊁车辆等的协同控制[９]ꎬ充分体现出卫星通信网络的连续性㊁泛在性与扩展性ꎮ
如今ꎬ已有多个组织㊁机构将卫星通信网络纳入未来通信网络的发展规划及标准中ꎬＩＴＵ㊁３ＧＰＰ㊁ＳａＴ５Ｇ等主要标准化组织或研究机构已经开始对卫星通信网络与５Ｇ融合研究[１０]ꎬ在６Ｇ与卫星通信网络融合方面ꎬＩＴＵ在２０２０年正式启动面向２０３０及６Ｇ的研究工作ꎬ明确提出将卫星通信网络纳入６Ｇ网络中[１１－１２]ꎮ３ＧＰＰ组织于２０２０年５月成功通过由中国电信牵头的 Ｒ１９ＳｔｕｄｙｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＡｃｃｅｓｓ￣Ｐｈａｓｅ３(ＳＡＴ￣Ｐｈ３卫星接入研究阶段三ꎬＲ１９) 立项审议ꎬ推进３ＧＰＰ卫星标准研究ꎬ进一步推动卫星通信与地面移动通信融合ꎮＩＭＴ￣２０３０推进组发布«６Ｇ总体愿景与潜在关键技术»白皮书中提到 星地一体融合组网 关键技
术ꎬ实现空基㊁天基㊁地基网络的深度融合[１３]ꎮ同时ꎬ技术的进步及卫星通信网络发展的显著优势推动许多国家持续投入大规模卫星星座的建设ꎬ尤其是２０１４年以来支持高频段㊁大带宽的卫星通信系统的建设ꎬ例如：美国ＳｐａｃｅＸ公司推出的Ｓｔａｒｌｉｎｋ与ＯｎｅＷｅｂ公司推出的ＯｎｅＷｅｂ星座㊁中国航天科技集团公司推出的 鸿雁星座 与航天科工集团公司推出的 虹云工程 ꎬ为未来卫星通信网络与６Ｇ融合奠定了坚实的基础ꎮ
本文总结了未来６Ｇ网络三大应用场景及典型应用ꎬ并重点参考热点技术对星地融合网络架构进行设计ꎬ最后提出未来需克服的三大关键技术及星地融合网络尤其是卫星网络所面对的挑战ꎬ以此对未来６Ｇ网络的发展趋势进行总结与探索ꎮ
１㊀应用场景与典型应用
星地网络融合将是未来６Ｇ发展的趋势ꎬ打破卫星与地面相互独立的现状ꎮ６Ｇ时代不仅体现在地面网络性能的提升ꎬ星地融合所展现的新特性也将进一步拓展通信网络的应用场景ꎬ同时也将呈现新的典型应用ꎮ
１.１㊀应用场景
卫星通信网络可视为地面通信网络向高空的延伸ꎬ极大地弥补了地面通信网络的劣势ꎬ同时也是未来更
加丰富的应用场景所需具备的最优网络拓展部署的方式ꎬ卫星通信广域覆盖使以下更多应用场景的实现成为了可能[１４]ꎮ
①广域物联通信ꎮ万物互联作为未来发展的趋势ꎬ具有分布范围广㊁终端数量多的特点ꎮ卫星通信网络的发展为大跨度的陆海空客货运输监控㊁森林海洋等自然资源监测提供了更加便利的服务ꎬ弥补了地面通信网络的不足ꎮ
②广域宽带通信ꎮ卫星通信网络与地面通信网络相结合实现地面热点区域的强化覆盖ꎬ并补足网络未覆盖区域ꎬ实现具有广泛覆盖能力的大带宽㊁高速率的网络通信能力ꎮ为全球地面网络覆盖受限区域及贫困地区提供更加便捷㊁低成本及有效的网络通信服务ꎮ
③广域可靠通信ꎮ超远距离通信ꎬ例如：跨国企业㊁金融等数据不仅需要能够稳定地传输ꎬ更需要高可靠性和安全性ꎮ目前ꎬ超远距离跨国数据传输通过地面网络￣海底光缆￣地面网络的过程来传输ꎬ传输过程需要多次转发ꎬ降低了时延稳定性和安全性ꎮ卫星通信则可在未来实现互补甚至替代的传输方式ꎬ使稳定性和安全性得到进一步提升ꎮ
１.２㊀典型应用
应用场景的拓展为实践中的典型业务应用提供了先决条件ꎮ６Ｇ时代ꎬ卫星地面一张网ꎬ它们之间的差
异也逐渐融合与适配ꎬ优势互补成为卫星与地面网络融合的显著特征ꎬ其催生出的典型应用也带给人们更便捷的生活体验ꎬ例如：物联网㊁用户终端直连卫星㊁应急通信等ꎮ
①物联网ꎮ
物联网的发展使人们能够对物体
的控制不受距离的限制ꎬ同时物与物之间也能够进行信息交互ꎮ卫星通信的加入使通信距离进一步拉远ꎬ通过传感器与卫星连接能够对森林㊁河流㊁海洋等自然资源进行远距离监测及灾害预警ꎬ也为无人汽车㊁无人机等超远距离运行提供了可能ꎮ
②用户终端直连卫星ꎮ星地之间的网络融合
不仅是二者之间的互联ꎬ更是二者之间标准协议的融合ꎬ使日常使用的终端设备能够任意直连㊁切换地
面网络与卫星网络ꎮ用户终端直连卫星能够有效地增强热点区域的网络覆盖及在无地面网络基础设施
区域实现网络覆盖ꎮ
③应急保障ꎮ地面通信网络易受天气及地质
灾害的影响ꎬ在灾害来临时极大可能造成通信中断ꎬ通信可靠性较差ꎮ卫星通信网络的运行则不受影响ꎬ可在紧急情况下提供通信保障ꎮ
基于以上６Ｇ应用场景及典型应用的举例分析ꎬ６Ｇ的一些关键性能指标与５Ｇ相比也有了极大地提高ꎬ结合一些组织机构[１５－１８]对６Ｇ预期的指标要求和卫星通信网络的相关指标要求与５Ｇ指标进行对比总结ꎬ如表１所示ꎮ
表１㊀５Ｇ与６Ｇ关键性能指标对比
Ｔａｂ.１㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆ５Ｇａｎｄ６Ｇｋｅｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ
指标５Ｇ６Ｇ
提升能力峰值速率１０~２０Ｇｂｉｔ/ｓ１００Ｇｂｉｔ/ｓ~１Ｔｂｉｔ/ｓ(地面)
１Ｇｂｉｔ/ｓ(卫星)
１０~１００倍(地面)用户体验速率１００Ｍｂｉｔ/ｓ１Ｇｂｉｔ/ｓ(地面)１００Ｍｂｉｔ/ｓ(卫星)１０倍时延
１ｍｓ
０.１ｍｓ(地面)ȡ１０ｍｓ(卫星)
１０倍(地面)工作带宽４００ＭＨｚ(ɤ６ＧＨｚ)３.２５ＧＨｚ(毫米波)４００ＭＨｚ(ɤ６ＧＨｚ)３.２５ＧＨｚ(毫米波)１０~１００ＧＨｚ(ＴＨｚ)
频段拓展对应带宽扩大
频谱效率１００ｂｉｔ∙ｓ－１∙Ｈｚ－１
２００~３００ｂｉｔ∙ｓ－１∙Ｈｚ－１
２~３倍连接数密度１０６个/ｋｍ２１０７个/ｋｍ２１０倍移动性５００ｋｍ/ｈ１０００ｋｍ/ｈ２倍网络能效１００ｂｉｔ/Ｊ２００ｂｉｔ/Ｊ２倍可靠性９９.９９９９％９９.９９９９９％提升一个精度覆盖能力
地面覆盖
全球全域立体覆盖
覆盖广度和高度提升
２㊀星地融合网络架构分析
２.１㊀星地融合通信网络架构设计
星地通信网络融合作为６Ｇ时代发展的趋势ꎬ两种网络融合后的集成架构也是未来研究的重点方向之一ꎬ并从宏观角度突显星地融合通信网络的优势ꎮ６Ｇ将把地面移动通信与高㊁中㊁低轨卫星通信和谐地集成在一起ꎬ形成统一的同时支持卫星通信和地面通信的标准㊁统一的终端身份认证机制㊁统一的网络架构和控制管理机制ꎬ并整合通信㊁计算㊁导航㊁ＡＩ等ꎬ实现对空㊁天㊁地㊁海三维立体网络信号全球覆盖ꎮ
面对未来６Ｇ通信业务及应用场景需求ꎬ结合现有的地面网络与卫星网络架构ꎬ设计更加灵活㊁更加智能的星地融合通信网络架构ꎬ如图１所示ꎮ整个架构从上到下分为３层：高轨卫星㊁中低轨卫星㊁地面节点ꎮ部署过程实现接入网㊁核心网网元灵活
弹性部署ꎬ用户面功能与控制面板功能分离ꎬＡＩ全网深入智能化赋能ꎬ支持软件定义网络(ＳｏｆｔｗａｒｅＤｅｆｉｎｅｄＮｅｔｗｏｒｋꎬＳＤＮ)和网络功能虚拟化(ＮｅｔｗｏｒｋＦｕｎｃｔｉｏｎ
ｓＶｉｒｔｕａｌｉｚａｔｉｏｎꎬＮＦＶ)技术[１９]ꎬ实现网络切片来满足多场景差异化的业务需求ꎬ并结合分布式移动边缘计算(ＭｏｂｉｌｅＥｄｇｅＣｏｍｐｕｔｉｎｇꎬＭＥＣ)平台ꎬ有效实现将算力从中心延伸到边缘ꎮ
高轨卫星：部署轻量化核心网(包括控制面功能网元和用户面功能网元)㊁接入网㊁边缘计算服务单元㊁ＡＩ赋能平台及ＳＤＮ/ＮＦＶ功能ꎮ
中低轨卫星：部署核心网用户面功能网元㊁接入网㊁边缘计算服务单元㊁ＡＩ赋能平台ꎮ
地面节点：部署地面全功能核心网㊁地面网关㊁地面移动
ꎮ
图１㊀星地融合通信网络架构图
Ｆｉｇ.１㊀Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ￣ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌｃｏｎｖｅｒｇｅｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍ
２.２㊀星地融合网络特点及优势
２.２.１㊀卫星透明转发与处理一体化
针对未来６Ｇ通信海量信息传输ꎬ对信息传输
时延㊁传输速率㊁网络容量都提出了更高的要求ꎮ面
对不同的业务对时延㊁速率等的差异化需求ꎬ通过透
明转发的方式可实现低功耗㊁高速率ꎬ再加上星上处
理模式时延低的特点ꎬ进一步优化了卫星通信网络
的性能ꎮ此外ꎬ通过综合考虑卫星平台资源和功耗
限制ꎬ根据需求来实现透明转发和星上处理载荷的
灵活部署ꎬ提高综合效能ꎮ
２.２.２㊀星地管控体制一体化
针对星地通信网络融合后地面网络与卫星网络
需要进行动态无缝切换的需求ꎬ以及大量用户同时
进行信息数据接入传输过程控制问题等ꎬ采用ＡＩ辅
助的智能管控架构[２０]以及ＳＤＮ/ＮＦＶ支持的软件可
编程性属性来管理网络[２１]ꎮ此外ꎬ星地接入与传输
网络采用统一的技术体制和网元接口设计ꎬ支持星
地网络功能的统一管理和互联互通ꎬ实现星地网络
的系统级深度融合ꎮ
２.２.３㊀按需服务调度一体化
针对通信网络大规模覆盖㊁应用场景多样化㊁应
用需求多样化的情况ꎬ采用按需分配的资源部署方
式ꎮ传统网络主要采用自上而下的模式实现统一的
服务能力ꎬ缺点在于功率均匀分布ꎬ不能实现资源的
充分利用ꎮ在未来ꎬ随着用户终端数量的急速增加ꎬ
网络需要以更高效㊁更绿的方式进行设计ꎮ星地
融合使网络覆盖范围得以扩大ꎬ其覆盖策略要从统
一覆盖转变为由用户需求驱动的按需覆盖[２２]ꎬ覆盖
模式也要从低效率全覆盖转变为高效㊁智能㊁精准
覆盖ꎮ
３㊀关键技术应用与面临的挑战
３.１㊀关键技术应用
６Ｇ通信技术的发展相比５Ｇ有着全方位的指
标突破ꎬ特别是卫星通信技术的融入ꎬ一些为传统网
络设计的技术不再适用于星地融合通信网络ꎮ新的
关键技术的应用ꎬ对６Ｇ网络尤其是卫星通信网络
的性能提升起着重要的作用ꎮ本节重点介绍６Ｇ中
卫星通信网络可能采用的技术及未来发展过程中面
临的挑战ꎮ
３.１.１㊀星地融合频谱共享与干扰管理
随着全球通信需求的爆炸性增长和终端设备数
量的急剧增加ꎬ频谱稀缺问题更加突出ꎬ地面网络与
卫星网络之间同样存在频谱竞争的问题ꎮ在６Ｇ时
代ꎬ星地集成网络探索频谱共享技术是一个很有前
途的解决方案ꎬ一方面减轻了频谱资源稀缺的压力
ꎬ
另一方面也可以提高频谱资源的利用率ꎮ
目前ꎬ地面网络已经开始使用与卫星通信重叠的更高的频谱ꎻ未来ꎬ终端接入网络过程将实现地面卫星统一的接入方式ꎬ并实现无缝切换ꎮ然而ꎬ实现频谱共享功能需要有效的频谱管理技术ꎬ避免因频谱共享造成网络拥塞和相互干扰ꎮ文献[２３]提出了在星地融合通信网络中引入非正交多址(Ｎｏｎ￣
ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌＭｕｌｔｉｐｌｅＡｃｃｅｓｓꎬＮＯＭＡ)技术和认知无线电(ＣｏｇｎｉｔｉｖｅＲａｄｉｏꎬＣＲ)技术两种最优的频谱共享技术ꎬ通过两种技术的融合允许多个用户终端同时接入空闲频谱和处于忙碌状态的频谱ꎬ从而实现高效的全频谱接入ꎮ但依旧面临着因卫星传输能力有限导致的难以精确感知卫星正在使用的频谱ꎬ此外还存在着卫星ＮＯＭＡ分组的不公平性和接收机设计的难题ꎮ
３.１.２㊀星地远距离随机接入技术
未来６Ｇ通信网络将实现全球全域覆盖ꎬ地面㊁海洋㊁高空的终端数量将实现爆炸性增长ꎬ因此ꎬ在如此庞大的全球网络中ꎬ必须能够支持近乎无限的无线连接[２４]ꎮ如今所应用的无线接入技术远不能满足在６Ｇ时代支持的全球通信网络中无处不在的设备无缝覆盖需求ꎬ必须探索出一种能够实现高动态大规模连接的随机接入技术ꎮ
文献[２５]提出了一种基于联合聚类算法的无阈值随机接入前导序列检测算法ꎬ该算法可以有效地捕获第一个到达路径对应的正确时间指标ꎬ最终能够进一步提高检测性能和定时估计性能ꎮ但联合聚类算法的复杂度较高ꎬ需要进一步优化ꎮ文献[２６]则研究了一种高效的低轨卫星辅助６Ｇ网络的随机接入前导列的设计与检测方法ꎮ首先提出了一种增强型的前导序列以避免额外的信号开销与检测过程ꎬ在此基础上提出了一种基于长度可变的差分互相关的新型脉冲定时度量方法ꎬ该方法既不受载波频率偏移的影响ꎬ还能够减轻噪声对定时估计的影响ꎮ
３.１.３㊀星地协同的安全传输技术
卫星通信的大覆盖范围㊁大连接特性和开放的环境同时面临着星地信息传输易被窃听和干扰ꎬ因此ꎬ用户的信息安全保障变得更加困难和具有挑战性ꎮ在６Ｇ时代ꎬ卫星地面通信网络已融为一体ꎬ可以借助地面网络实现协同安全传输ꎬ防止用户信息被窃听ꎮ首先可通过信息交换和波束形成技术来控制对卫星用户的干扰ꎬ此外ꎬ星地频谱共享技术使星地网络信号传输使用相同的频谱ꎬ可借用地面安全传输技术用于卫星信息传输的安全防范ꎮ通过协同安全传输构建物理层安全ꎬ在不使用复杂的加密技术的情况下调高用户的信息安全ꎮ
为了进一步提高６Ｇ星地融合网络的安全性ꎬ可通过人工噪声技术来提高信息传输的安全性ꎬ即通过添加人工噪声来恶化窃听者的信道环境ꎬ同时控制对合法用户的干扰ꎮ文献[２７]在研究卫星端发送信息
的同时ꎬ产生合法用户已知的人工噪声来实现对发送信息的保密ꎬ由于合法用户已知ꎬ因此不会对合法用户接收信息造成影响ꎮ该方法必须告知合法用户发送的噪声信息ꎬ增加了传输信息量ꎮ文献[２８]则是在卫星发送信息的同时ꎬ产生与发送信息正交的人工噪声ꎬ从而消除对合法用户的干扰ꎮ
３.２㊀面临的挑战
６Ｇ星地融合网络的发展面临很多挑战ꎬ尤其是卫星通信网络的发展ꎮ如今ꎬ卫星通信网络的发展速度相较于地面通信网络一直处于落后的局面ꎬ并且还未进行普及型应用ꎬ因此ꎬ面临很多挑战需要解决ꎮ
３.２.１㊀星地信息传输长时延挑战
通信延迟是保证用户进行无线通信质量基本的性能指标ꎮ星地信息传输距离长ꎬ导致路径损耗大㊁传输延迟大ꎬ而除了距离的因素外ꎬ还存在用户终端数量的爆炸性增长导致的数据量猛增ꎬ也存在着信息排队和处理的延迟ꎮ这对满足６Ｇ所要求的延迟指标带来巨大的挑战ꎮ
由于卫星处于上百千米之外ꎬ卫星网络的传播延迟比地面网络长得多ꎬ在低时延方面有着天然的劣势ꎬ为了提高用户的通信质量ꎬ需要努力减少６Ｇ时代与地面通信网络集成的卫星通信延迟ꎮ对于中㊁低轨卫星的多跳传输ꎬ传输延迟决定于源卫星通过寻最优的多跳路径最后到达地面网关的路径长度ꎬ因此ꎬ合理放置网关可有效降低传输延迟[２９]ꎮ此外ꎬＭＥＣ技术的应用可以提高信息处理的速度ꎬ进一步降低信息传输延迟ꎮ
３.２.２㊀卫星高速移动带来的挑战
卫星的高速移动对于星地信号传输会带来一系列的挑战ꎬ如多普勒效应㊁频率同步跟踪㊁接入信号随着卫星的移动频繁切换等问题ꎮ
低轨卫星的移动速度每秒能够达到几千千米ꎬ多普勒频移相对较大ꎬ例如ꎬ在距离地面６００ｋｍ
的
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