面向空天地一体多接入的融合6G网络架构展望
刘超，陆璐，王硕，胡玉双
【摘要】
6G网络的重要需求之一是空天地一体化实现全球无缝覆盖。6G网络架构设计需要融合空天地一体化的多种接入方式。首先介绍了空天地一体网络的应用场景，然后提出了多接入的新型融合架构和组网方案，最后分析了适用于空天地一体网络的新型动态路由方式和轻量级的新型接口协议。
【关键词】空天地一体；6G网络架构；多接入
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.06.017
文章编号：1006-1010(2020)06-0116-05
引用格式：刘超,陆璐,王硕,等. 面向空天地一体多接入的融合6G网络架构展望[J]. 移动通信, 2020,44(6): 116-120.
空天地一体网络架构是6G的核心方向之一，被ITU列为七大关键网络需求之一 [1] 。6G的空天地一体网络架构将以地面蜂窝移动网络为基础，结合宽带卫星通信的广覆盖、灵活部署、高效广播的特点，通过多种异构网络的深度融合来实现海陆空全覆盖，将为海洋、机载、跨国、天地融合等市场带来新的机遇。国内外产业已经开始积极布局，美国SpaceX公司正在积极储备太空能力、欧洲也在积极开展OneWeb等项目，希望打造规模巨大、覆盖全球的低轨卫星互联网，以抢占卫星网络的运营先机。
卫星网络和地面网络差异较大，而空天地一体网络是多种异构网络混合组成的网络，网络架构更加复杂、组网更加动态，而且多种异构网络可能长期并存。本文将从空天地融合的应用场景出发，分析几种典型的空天地融合架构及其关键技术，并探索空天地一体化融合组网下可能的新型路由方式、网络可能采用的新型接口协议。
1 应用场景
目前，全球范围内移动通信覆盖的陆地范围大约30%，无法覆盖诸如沙漠、戈壁、海洋、偏远山区和两极等区域，6G空天地一体网络可以实现全球全域立体覆盖和随时随地的超广域宽带接入能力，在广覆盖、公共安全等方面有广阔的应用场景。
海洋、天空等特殊场景应用。在大力推进海洋经济发展、加大航运的背景下，卫星通信作为海上唯一通信手段，是潜在的新兴通信市场。若采用低轨卫星方案，将可提供时延更短、速率更高、性价比更高、全球覆盖的宽带通信网络，有助于船载、机载通信从低速到高速、从国内至全球的发展。
地广人稀、海外地区提供低成本通信服务。随着电信普及服务工作不断深入，针对扩展到地面通信最难覆盖的边疆、深山、海岛等区域，低轨卫星将具有一定的部署和维护成本优势。
作为传输备用链路，增强地面网络稳定性。通过卫星网络承载基站传输备份保障和应急等任务，可以有效提高基站抵御各种自然灾害的能力，增强地面网络稳定性。未来还可考虑无线网、核心网部分设备上星作为容灾备份节点的可行性。
2 多接入的新型融合架构
6G空天地一体网络是一种多接入的新型融合架构，将在地面蜂窝移动网络的基础上，融合天基卫星网络，通过多种异构网络混合组网。本章将先简要介绍传统天基卫星网络、地面蜂窝移动网络，然后重点分析空天地一体化融合组网可能的架构及涉及的关键技术。
2.1 天基卫星网络
天基卫星网络是一个以卫星通信节点为核心的通信系统，由空间的多颗同步卫星、中轨/低轨卫星、中继卫星、航天器、无人机以及装载在各种平台上的地面接收机、地面终端组成，形成一个多层次、多连接的多源数据传输和处理系统。卫星具有星上处理、交换和路由能力，多颗卫星之间具有星际链路并形成星座。
天基卫星网络主要分为天基骨干网、天基接入网、地基网三部分。天基骨干网由布设在地球同步轨道的若干骨干节点联网而成，具备宽带接入、数据中继、路由交换、信息存储等功能。天基接入网由布设在高、中、低轨的若干节点组成，负责连接地面以及其他用户的接入处理。地基网主要是指地面信关站，主要完成网络控制、资源管理、协议适配等功能，并与地面其他通信系统进行互联互通 [2] 。
2.2 地面蜂窝移动网络
地面蜂窝移动网络是覆盖范围最广的陆地公用移动通信系统。在蜂窝移动网络中，覆盖区域一般被划分为类似蜂窝的多个小区，每个小区内设置固定的基站，为用户提供接入和信息转发服务。基站则一般通过有线的方式连接到核心网, 核心网主要负责用户的签约管理、互联网接入等服务、移动性管理和会话管理等功能。
5G时代全球采用了统一的标准，具有超高速率、超大连接、超低时延三大特性，核心网采用了颠覆性的服务化架构。2020年，随着5G的逐步商用，6G的研究成为行业新的关注点。当前各国已竞相布局，紧锣密鼓地开展相关研究工作。国际方面，3GPP [3-5] 、ITU等国际标准化组织对6G及2030年网络技术研究方向都进行了探讨。当前业界主流观点认为 [1] ，在6G网络中，地面蜂窝移动网络一定会和天基卫星网络融合，从而实现空天地一体化的立体网络。
2.3 空天地融合组网
天基卫星网络和地面蜂窝移动网络的融合有多种方案，多种融合的架构将在演进过程中可能长期并存，最终将实现深度融合。最简单的融合方式是卫星网络作为地面基站和核心网的回传或者作为地面有线回传的备份。此外，卫星可以作为Non-3GPP接入的方式，接入到6G核心网，和地面移动网络共用核心网。而卫星还可以作为3GPP接入的方式，作为一种特殊的6G基站接入到6G核心网，这种融合方式是卫星网络和地面网络的深度融合方式。
（1）卫星回传
卫星回传在3G、4G网络中已经有较为普遍的应用，主要用于应急通信或者边远地带的回传。例如，在山区、海域等光传输网络难于抵达的地区，3G、4G基站回传需要使用卫星来接入到核心网。
在6G时代，卫星回传除了上述应用场景外，还可能作为有线传输增强的补充，例如在城市内光纤难以部署的地方，可以考虑作为机载基站、热气球基站等的回传。随着低轨卫星的大量部署，考虑到低轨卫星的容量大、时延低，卫星回传很可能成为6G的一个普遍场景。 图1为卫星回传的示意图。
在将卫星用作地面基站节点（例如，在远程位置或在移动平台、飞机或轮船）和地面核心网节点之间的回传的情况下，该卫星连接可能无法为所有流提供满足其需求的QoS。例如，有的数据流可能需要超低延迟，如几毫秒到几十毫秒，但卫星链路可能是GEO（对地静止地球轨道）卫星链路，通常单向延迟至少为240 ms～280 ms。在这种情况下，核心网需要感知其和基站之间的链路类型以及具备的QoS能力，用户接入或者会话建立时，网络根据用户和会话类型以及当前网络能满足的QoS能力，为终端下发特定的QoS，或者采用特殊的接入策略，如重定向UE到有线回传基站。当用户在卫星回传基站和有线回传基站之间移动时，核心网根据用户和会话类型以及回传类型，为用户及会话选择特定的数据面锚点，或者为其采用特定的切换策略。
（2）卫星作为Non-3GPP接入
在地面基站不容易部署的场景下，终端需要直接和卫星通信。考虑到卫星通信协议栈与蜂窝网络基站协议栈的差异较大，基站协议栈的卫星通信化改造在标准、方案、产品层面都将面临很大的挑战，反之亦然。在这种情况下，卫星网络和蜂窝移动网络的融合可能存在下面两种方式：
第一种方式是卫星网络和蜂窝移动网络相互独立，两张网络通过一个互通网关互通（ 如图2所示）。互通网关完成卫星网络和蜂窝移动网络的协议转换和适配，卫星终端用户可以与蜂窝网用户直接建立通信连接，从而实现天网和地网在用户层面的互通。
第二种方式是卫星网络和蜂窝移动网络采用统一的核心网（ 如图3所示），从终端能力来看，终端以非3GPP接入，通过采用和蜂窝移动网络一致或者不一致的NAS（非接入层协议）上层信令接入统一的6G核心网，当采用不一致的NAS协议时，需要在核心网侧部署中间网关IWF进行协议转换。
（3）卫星作为3GPP RAT接入（ 如图4所示）
随着卫星成本的降低以及处理能力的增强，未来的移动设备可能直接与低轨卫星通信，而不必依赖于传统的受地理分布限制的地面基站。
为了简化网络架构、简化信令流程，实现用户无感的统一接入认证，对网络资源、拓扑、功能和数据实现统一的、智能的灵活调度，卫星可以作为3GPP RAT接入到和蜂窝移动网络统一的核心网。这是卫星网络和地面网络的深度融合方式，卫星参与构成一种特殊的3GPP基站，空口采用3GPP增强协议，基站的部分或全部功能部署在卫星上。核心网的架构、功能、接口结合卫星接入的特点进行增强和优化，提供增强的移动性管理、会话管理、多连接管理等。卫星作为3GPP RAT和地面移动网络的融合具备如下四种可能的组网方案：
方案1：卫星仅作为地面基站无线信号的再生和放大。
方案2：地面基站的DU部分部署在卫星上，卫星具备基站的部分功能，核心网和地面基站共用，但是需进行移动性管理、会话管理等功能增强。
方案3：卫星具备基站的全部功能，DU、CU均部署在卫星上，核心网进行功能增强，并和地面基站共用。
方案4：结合低轨卫星星座的特点构建星间网络，在卫星之间建立路由拓扑和通信连接。核心网功能采用分布式架构，在地面和卫星上进行功能柔性分割，地面实现完整的核心功能，在卫星上搭载5G核心网的全部或部分功能组件。
以上方案都要考虑统一的新型移动性管理与会话管理方案，从而实现用户无差异业务体验。通过多链路与异构传输及卫星与地面网络间业务流的智能分发提升用户体验质量（QoE）。
3 动态的新型路由方式
空天地一体化网络中存在同一层卫星之间的星间链路、不同层卫星间的轨道间链路以及卫星与地面站或者移动终端之间的链路 [6] 。通常每颗卫星至少具有5条激光链路才能建立起低时延低轨卫星星座，例如SpaceX公司的Starlink系统 [7] 。
星间链路建立时间短而且需要不断动态切换。为了适应空天地一体网络中拓扑、路由的快速变化，网络中需要引入动态的新型路由方式。动态路由算法主要包括距离矢量路由算法和链路状态路由算法。其中，链路状态路由算法扩展能力强，收敛速度更快，适用于大型网络或路由信息变化剧烈的环境。适用于空天地一体网络的具有代表性的路由算法主要有：
（1）基于OSPF的路由算法 [8] 。根据卫星运动轨迹可以预先计算的特点，可以在传统域内路由协议OSPF上，引入拓扑预测，来优化链路状态数据库的同步，实现低开销、高稳定性的自适应动态路由。
（2）基于虚拟节点的路由算法 [9] 。其基本思想是利用星座运动的规律性，将真实卫星节点与虚拟节点映射，当卫星移动或地面终端进行切换时，虚拟节点之间的路由表在物理节点之间进行交换，从而完成路由信息交换。这种算法常用于面向连接的网络，具有实现简单，处理时延短的优点，但是其健壮性较差，只适合于极轨道卫星网络。
（3）基于虚拟拓扑的路由算法 [6] 。利用卫星网络拓扑结构的周期性，把动态拓扑按时间片划分为一系列连续的静态拓扑。路由计算可在地面离线完成后再上传到卫星，卫星上不需要实时计算路由，只需在时间片分割点更换路由表。其优点是路由开销低且算法实现简单，但是大量的时间片需要大量的路由表存储空间，且针对流量变化、拥塞和故障时的实时性较差。
具体选择路由算法时，需根据星座的规模、卫星轨道的高低以及业务的性能要求综合进行考虑。
4 轻量级的新型接口协议
空天地一体网络中，卫星计算资源、星间及星地链路资源宝贵，传统的接口协议在这种高时延、高误码、非对称的链路特性下工作效率低下，需要设计天地协同多网络一体化的轻量级新型接口协议。
在传输层，可考虑使用QUIC协议 [10] 。QUIC协议是一种基于UDP的低时延轻量级协议，它减少了TCP三次握手和TLS握手时间，改进了拥塞控制机制，能够避免队头阻塞的多路复用。然而QUIC最初是为网页流量设计，并不针对具有超大带宽时延积的链路，如包含卫星信道的网络。卫星链路特征对拥塞控制的影响包括：
（1）传输初始化时延长；
（2）所需窗口大小；
（3）端到端重传可靠性低；
（4）慢启动的速度较慢；
（5）链路非对称会影响ACK流量。
为了提高QUIC协议在天地一体网络中的性能，需要做出以下改进。首先，为了充分利用链路容量，默认的最大拥塞窗口并不适用卫星通信环境，而需要提高窗口大小。其次，在高RTT的链路环境下，包丢失与恢复带来额外的时延，为了解决这一问题，可以引入链路自适应的FEC，或者引入网络编码以及QUIC隧道等技术来提高链路可靠性。最后，由于链路非对称，反向链路的吞吐量会被前向链路的ACK流量限制，需要降低ACK的比率。
对于网络层，由于卫星轨道可预测，所以路由路径可以提前规划，所以可以考虑引入SRv6协议 [11] 。Segment Routing(SR)协议基于源路由理念而设计，网络中集中算路模块（例如SDN控制器）通过对源节点配置即可灵活简便地实现数据包转发路径控制与调整。SR技术应用于IPv6网络转发的协议称为SRv6协议。SRv6具有协议简化、易部署、支持大规模网络等优势，还具备可编程能力，支持功能平滑演进，是支撑未来数据面转发的基础协议之一。
5 结束语
按照移动通信产业“使用一代、建设一代、研发一代”的发展节奏，业界预期2030年左右商用6G [12] 。6G空天地一体网络可以实现全球全域立体覆盖和随时随地的超广域宽带接入能力，通过卫星网络与地面网络融合，能够提供更好的用户体验，已经成为6G网络的核心发展方向。多种融合的架构将在演进过程中可能长期并存，最终将实现卫星网络和地面网络的深度融合，采用统一的空口协议和统一的核心网。为了适应卫星星座拓扑的动态性，需设计新的路由策略。针对卫星网络的特点，可考虑采用基于SRv6和QUIC等的轻量级接口协议来提升网络性能。
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.06.017
文章编号：1006-1010(2020)06-0116-05
引用格式：刘超,陆璐,王硕,等. 面向空天地一体多接入的融合6G网络架构展望[J]. 移动通信, 2020,44(6): 116-120.
作者简介
陆璐：高级工程师，硕士毕业于北京邮电大学，现任中国移动研究院网络与IT技术研究所副所长，担任CCSA TC5核心网组组长，ITU-T SG13 WP1副主席，长期从事移动核心网策略、演进、标准和技术研究工作，主要涉及5G、边缘计算、未来网络架构等领域。
王硕：博士毕业于北京邮电大学，现任职于中国移动研究院网络与IT技术研究所，主要从事3GPP国际标准化、B5G/6G网络领域新技术等前沿技术研究工作。
胡玉双：硕士毕业于英国约克大学，现任职于中国移动研究院网络与IT技术研究所，主要从事5G网络切片、6G架构等有关工作，主要参与ITU、3GPP、GSMA等国际标准化工作，目前担任ITU SG13 Q21组联合报告人。
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