5GC学习报告1

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Euan 4月 14, 2022
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空天地一体化报告

1.报告目的，意义

本次报告主要是对研究方向相关知识进行了简单了解，建立起对研究方向的基本框架和轮廓，包括基本概念、研究现状、研究意义、应用场景，方便后续开展先关研究工作。

2. 简述

天地一体化信息网络以地面网络为依托，以天基网络为拓展，采用统一的架构、统一的技术体制、统一的标准规范，由天基网络与地面互联网和移动通信网互联而成。天基网络与地面网络融合发展，增加了网络广域覆盖的突出特点。[3]发展建设天地一体化信息网络的重点是创新和突破天基网络技术。

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空天地具体含义

  1. 地网：主要由地面通信系统组成，例如蜂窝网络，移动自组织网络（MANET），全球微波接入互操作性（WiMAX），无线局域网（WLAN）等等. 特别是蜂窝网络已经从第一代（1G）演进到了演进到了第五代（5G）
  2. 空网：空网是一种空中移动系统，它使用无人机，飞艇和气球是构成高空和低空平台（HAP和LAP）为主要基础设施进行信息获取、传输和处理. 可以提供宽带无线通信以补充地面网络. 与地面网络中的基站（BS）相比，空中网络具有易于部署和覆盖范围广的特点，可以在区域范围内提供无线接入.
  3. 天基分为近地空间观测使用极轨卫星、静止卫星、空间站观测，和远地空间观测使用空间探测器、射电望远镜等。

空天地简化为天地叫法的原因[4]：天基它的服务对象已包括了空基网络的飞机、浮空平台等各种飞行器用户。此外，从相关资料知，两者创建的网络服务区覆盖范围、服务用户、服务业务基本相同，因此，为避免重复建设，宜将两个工程综合（或集成）为一个工程

2国家政策

中央网信办印发《“十四五”国家信息化规划》。规划提出，要在“十四五”期间实施“空天地海立体化网络建设和应用示范工程”。

该项超级工程由四部分构成，包括：打造空天信息网枢纽；开展空间信息综合应用示范；开展地表低空感知网络工程示范；开展智能交通应用示范。

其中，“空天信息网枢纽”的建设内容有：基于北斗系统、卫星通信网络和遥感卫星加快建设空天信息网络（国内现状），加快北斗智能终端部署，强化沙漠、草原、湿地、河湖、森林、耕地等关键生态节点的遥感监测和应急保障服务能力。

“智能交通应用示范”的建设内容有：发展面向机载、船载、车载的新型网络通信服务，培育空中、远洋、高山荒漠等环境下智能交通应用。推进基于北斗系统的全国统一的列车运行授时与调度指挥系统建设，加强列车运行监控和管理。推进基于北斗系统的国际道路运输管理与服务系统建设。

3. 空天地网络架构

  1. 天星地网：是天地一体化信息网络最早的网络形态，即天上的卫星节点之间没有星间链路，不进行互联组网，而是通过布设在全球的地面关口站与地面网络实现互联
  2. 天星地网：是天地一体化信息网络的第二类网络形态，这种网络形态中不依靠地面网络，仅通过天上卫星
    节点之间的“星间链路”互联，构建“天基网络”就可以为用户提供覆盖全球的信息服务。
  3. 天网地网：是天地一体化信息网络的第三类网络形态，这种网络形态中不仅天上的卫星节点互联组网，地面的关口站节点也要互联组网，而且天网和地网相互联接、融合，共同构成天地一体化信息网络的“天网地网”。（个人觉得其实就是前两种架构的结合）

疑问点1：天网地网这个是不是所谓的starlink计划核心思想？
疑问点2：我们到时候要做的是卫星节点之间的互联（天基网络）还是天地互联？
疑问点3：星链感==星链？
疑问点4：信号识别工作，是需要对哪些空间信号的识别？星间链路以激光为主，星地链路以微波为主？微光还是激光？

ska星座仿真软件，automatic modulation classification

4 空天地面临的挑战（计网方面）

  1. 网络异构互联且拓扑高度动态变化。天基星座网、关口站节点网、地面互联网和移动通信网在内的多种异构网络互融合而成，从而导致对网络的端到端通信协议设计、网络资源和信息传送控制等技术带来挑战
  2. 传输链路高时延且间歇性连接。天地一体化信息网络中星间和星地链路传输距离远，采用大带宽的激光或者微波链路，具有显著的“大时延带宽积”特性，存在信息传输高时延和时延抖动大的问题。加之网络拓扑的动态变化，进一步加大了节点间传输链路持续保持的难度和信息传输时延抖动的幅度，对网络端到端可靠信息传输技术带来挑战。

5 天地一体化信息网络发展现状

  1. 基于GEO星座的天地一体化信息网络：地球同步轨道(GEO)是指人造卫星在地球赤道上空约36000公里处(高轨道)围绕地球运行的圆形轨道。因为卫星绕地球运行周期与地球自转同步,卫星与地球之间处于相对静止的状态。从理论上讲，用3颗GEO卫星节点即可以实现全球覆盖。（TSAT）
  2. 基于LEO星座的天地一体化信息网络。LEO低轨星座采用运行在低地球轨道（LEO，距离地球表面120～2 000 km）的卫星群提供宽带互联网接入等通信服务，具有低时延、信号强、成本低等特点。（星座竞争主要在于低轨竞争，具有潜在巨大应用效能，正处在高潮期，国外SpaceX，国内“虹云” “鸿雁” “天象” “银河”发射了验证卫星）

L，Ku，Ka 以及Q/V频段频谱在卫星通信中广泛被采用

5.1 LEO国外现状

马斯克宣布太空探索技术公司（SpaceX）将开展卫星互联网宽带接入项目，即Starlink计划。初衷是为了提供覆盖全球高速互联网无线微波接入的项目，其初衷是为了在全球范围内提供网络服务。彼时，SpaceX 公司的“猎鹰”（Falcon）火箭和“龙”（Dragon）飞船已经取得了巨大的成功，见证了SpaceX 在短时间内将蓝图转化为产品的高效率。Starlink由分布在三个轨道面上的约12000颗卫星组成。

投资费用：完成I 期空间段总投资应在20 亿美元以上，完成II 期空间段总投资至少50 亿美元，完成所有12000 颗卫星的部署需要至少120亿美元。后期卫星也会折旧，需要补发卫星。

星座竞争已从商业行为逐步转向国家战略利益谋划和争夺：本质均在于对轨道频率战略资源的抢占、对潜在巨大应用效能的重视，再考虑到当前主流国家在新一代信息网络技术领域的战略竞争态势不断升级，对卫星+5G、甚至未来6G 网络的超前布局。

5.1.1 星链典型目标用户和应用场景

  1. 偏远地区的宽带接入:仅占总人口3%，且为最不发达地区，因此这部分居民费用承担不起。相比起已有的GEO卫星或HTS卫星的成熟产品可按照人口密度选择覆盖，更具成本优势。
  2. 运营商市场。目前GEO 运营商的模式成熟
  3. 航空和海事宽带。低轨星座(1000~5000km,Starlink II期建设)以带宽大、覆盖广的特点占据主要优势
  4. 军用及政府市场。
  5. 企业宽带接入、车联网。目前主要依靠地面网络。

总结：“星链”倾向于将自己定位为地面电信网络的补充，着眼于大型电信公司未服务到的市场

5.2 通过星间链路实现天基网络的空间连通

可以减少对地面设施的依赖。一方面，增强了其自主运行的能力；另一方面，只需在地面布设少量的地面关口站就可以实现全球的无缝覆盖。这种空间互联的天基网络方案非常适合我国。

5.3 天基网络由单层星座向多层星座拓展

多层星座（例如GEO+LEO）网络在具有更优越的性能

5.4 星间链路以激光为主，星地链路以微波为主（疑问点4）

天基网络的星间链路将采用激光链路为主，微波链路为辅的技术方案。
星地链路采用微波链路为主，激光链路为辅的方案。

5.5 天基网络与地面网络融合发展

地面网络的技术进步快于天基网络，例如软件定义网络SDN、网络功能虚拟化NFV和网络切片NS等。

未来的6G移动通信系统将融合地面无线通信、高中低轨卫星通信以及短距离直接通信等技术，融合通信与计算、导航、感知和人工智能等技术

6 天地一体化信息网络关键技术

三层两域”技术参考模型如图，第二层是星地，第三层是星间(疑问点4)

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6.1 体系结构设计与优化技术

  • 传输链路：激光、毫米波、微波等
  • 交换技术体制：全光电路、射频（RF）电路、分组等
  • 用户接入环境：近地空间（3.6万千米以下）、临近空间（20～100 km）、近地（20 km以下）、海面和陆地等（网络拓扑、规模和连接关系等均动态可变）
  • 性能：网络结构自组织、网络状态自调节、网络传输自适应，提升网络多级安全和服务能力

6.2 网络资源虚拟化及按需组网技术

天基网络节点资源受限、GEO卫星节点与非GEO卫星节点能力差异大、在轨硬件升级难度大等问题，开展GEO、MEO和LEO等不同轨道卫星节点、链路和地面关口站资源（如计算、存储、带宽、频率和功率等）的虚拟化研究。（可能需用到机器学习技术辅助）

  1. 软件定义网络（SDN）是一种能够将控制和转发进行分离的技术，将其应用于空天自组网,不同接入网络与卫星网络的混合将有助于提高带宽以及均衡负载. SDN可以实现流量控制，从而在最佳链路上无缝分发数据流. 图3 是利用SDN 实现混合网络.
  2. 网络功能虚拟化（NFV）核心思想是IT虚拟化，将传统的通信设备软件与通信硬件解耦
  3. 将SDN和NFV配合可以在异构环境下对全网设备全局管理，从而更为灵活高效的资源分配，并解决传统卫星网络系统配置管理繁琐的问题.

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6.3 接入机制

  1. 针对空天系统中大量链接需求，现有的正交多址方式如频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（SDMA）、码分多址（CDMA）和正交频分多址（OFDMA）普遍存在频谱利用率不高，可划分的物理资源块受限问题.
  2. 随机接入协议主要用于减少冲突和解决冲突，从而更高效利用网络资源，保证网络稳定. ALOHA协议、时隙ALOHA、CSMA和扩展ALOHA、CSMACD、CDMACA

6.4 物理层技术忽略

  1. 调制多址技术
  2. 波形技术
  3. 可靠编码技术

6.5 多域资源管理[5]

高异构性带来的挑战，设计合理的切换策略以避免不必要的无效切换，保证用户切换的无缝连接以维持较高的通信质量

  1. 网络设计，如SDN
  2. 干扰管理与资源共享.共享通信，计算，存储资源.通信资源管理可大致分为基于资源预留的信道资
    源管理策略、基于预测模型的信道资源管理策略，以及基于博弈论的信道资源管理策略.有学者利用卫星
    移动轨迹的可预测性，结合用户的移动速率和时延等QoS需求，研究了基于信道预测的下行动态资源优化方案. 解决了波束间切换的联合资源分配问题

6.6 空天通信网跨层切换及层间切换

有学者提出来两种切换过程，即S1和X2切换. 当UE在卫星小区之间或在卫星小区与地面eNB之间移动时，发生S1切换（跨层切换），而当UE在地面eNB之间移动时，需要进行X2切换（层间切换）

6.7 其他

  • 网络可靠信息传输技术
  • 网络安全防护技术
  • 网络运维管理技术
  • 高并发差异化用户接入控制技术
  • 仿真验证及评估技术

技术发展挑战与趋势

  1. 网络智慧柔性化：空天通信网络需要智能化、柔性化的自主重构技术，通过将柔性网络架构和空天通信网络相结合. 从软硬解耦、频谱共享、人工智能优化等关键技术突破，实现动态资源优化分配方案.
  2. 通导感算一体化：空天通信网络是传输、控制等空天领域的承载载体，需要研究结合人工智能，存算一体，软件定义网络等技术的融合，实现三维融合网络中数据的高速传输与转发.
  3. 无线空口智能化：人工智能和深度学习技术已经成为无线通信技术演进的设计新范式. 未来空天通信网络需要研究人工智能增强的空中接口技术，通过智能可演进实现环境适配，迫近通信性能极限.
  4. 传输安全可信化

疑问点5：机器学习在这个章节中多次出现，需要研究哪一具体问题

个人能力综述

擅长的知识领域

数据结构+计算机网络+操作系统+数据库应用(Sql+MongoDB)+数字图像处理(OpenCV)+机器学习基础+前端开发(网页,安卓,IOS,小程序)+后端开发(接口调用、数据交互、爬虫、数据分析处理)+App设计(Apple公司专业培训过)

可能需要补充的知识(太难了…)

通信原理

书籍

  • 樊昌信，曹丽娜编著，《通信原理》（第7版），北京：国防工业出版社，2012.11.
  • 《通信原理（合订本）》北京邮电大学出版社，周炯槃/庞沁华等编;

网课

其他

信号与系统、《数字逻辑电路》、《数字信号处理》、《高频电子线路》

国内该研究方向的机构

  • 中国科学院软件研究所 天基综合信息系统重点实验室
  • 北京空间科技信息研究所
  • 中国长城工业集团有限公司
  • 中国航天科技集团有限公司——“鸿雁”星座
  • 中国航天科工集团第二研究院——“虹云”星座
  • 中国电子科技集团——“天象”星座
  • 银河航天公司——“银河Galaxy”星座

参考文献

  • [1]吴超, 谢伟. “星链”计划未来发展分析[J]. 国际太空, 2020(6):5.
  • [2]李博. “星链”星座近期动向分析[J]. 国际太空, 2019.
  • [3]吴巍.天地一体化信息网络发展综述[J].天地一体化信息网络,2020,1(01):1-16.
  • [4]《“十三五”国家信息化规划》
  • [5]安建平,建国,于季弘,叶能.空天通信网络关键技术综述[J].电子学报,2021
  • [6]刘帅军、徐帆江、刘立祥、王大鹏. Starlink星座覆盖与时延分析[J]. 卫星与网络, 2020(7):3.

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