面向5G-A/6G的空天地一体化承载技术展望

        5G的eMBB、URLLC和mMTC三大应用场景对传送网提出了基于灵活切片的高带宽、低时延、高可靠等异质化传输需求，而基于TDM的刚性传输技术或基于分组交换的柔性传输技术单独都难以支撑。因此，中国移动提出了基于“以太网内生TDM”的SPN技术，实现分组交换与TDM融合，高效支持L1层TDM时隙交叉、L2层以太网交换和L3层路由，满足5G业务差异化承载需求。

        面向5G-A/6G涌现出的新应用场景和新网络架构，城域传送网为更好地承载5G-A/6G业务发展，需要持续进行技术升级。

面向5G-A/6G泛在连接愿景的空天地一体化网络

        ITU-R已于2023年正式发布6G典型应用场景。6G不仅基础连接能力将在5G三大应用场景基础上进一步向沉浸式通信、极高可靠低时延通信和超大规模连接演进增强，还将基于通感算智多要素融合支持AI与通信融合、通感一体、泛在连接三大新场景，实现超越连接的新一代信息服务网络。5G-A作为5G向6G代际演进的过渡阶段，已经开始引入以上新要素能力，逐步推动网络服务范围和服务能力的扩展。

        作为5G-A/6G的三项重要新增场景之一，泛在连接需要网络全面提供全域立体的连接覆盖，这给现有基于地面网络的组网架构带来全新挑战。一方面，地面网络难以支持海域、空域等非地面连接；另一方面，在沙漠、森林、野外等地域，受限于恶劣环境和高昂网络建设成本，地面网络也难以实现充分连接覆盖。而以卫星网络为代表的空间网络，由于具有覆盖范围广、偏远地区部署成本低等独特优势，可以作为地面网络的有效补充和增强，与地面网络共同构成空天地一体化融合网络，真正实现业务泛在连接。

        空天地一体化融合网络的发展不仅将带来组网架构变革，还将反向驱动业务场景的跨越式发展：通过卫星网络提供移动通信服务，如基站无覆盖地区手机直连卫星、应急通信等；提供卫星物联网接入服务，如森林防火、野生动物视频监控、天然气管道及电力线路巡检等；通过卫星网络提供政企专线服务，如跨国政府企业的通信与应急响应、跨国金融专线、地面车辆交通互联等。

面向5G-A/6G的空天地一体化承载网架构

        在空天地一体化网络中，由于卫星可能包含部分或全部接入网甚至核心网功能，承载网可进一步细分为空间承载网和地面承载网。其中，地面承载网仍然是业务承载的主体，提供高带宽和低时延的普遍连接服务；而空间承载网作为地面网络的覆盖补充和扩展，提供覆盖不足地区的补充连接和高可靠的备份连接。如图1所示，空间承载网和地面承载网将共同构成一个异构融合网络，支持地面接入网、空间接入网到地面核心网、空间核心网之间的回传连接。

        空天地一体化承载网组网架构如图2所示。地面承载网通过信关站与基于卫星的空间承载网相连，通过协同卫星链路和地面链路共同实现星地一体化传输。卫星链路的运行状态被实时收集反馈到地基统一管控平面，并基于地基统一管控平面完成网络资源与路径的编排调度与管控，实现空天地一体化承载的端到端性能优化。

        地面承载网在继承现有5G移动回传网络架构的基础上，还需要负责地面信关站和卫星运行控制中心之间的连接。由于部分ToB卫星业务及卫星运行控制信息具有高安全隔离的需求，地面承载网需要考虑采用专网或专线组网，保证端到端高可靠保障。例如，SPN作为地面承载网为卫星地面回传业务和卫星运控指令配置专属切片。

        空间承载网则由单层或多层卫星网络构成，可能包括低轨卫星（LEO）网络、中轨卫星（MEO）网络和高轨卫星（HEO）网络。每颗卫星都将搭载传输网元，实现星间物理通信连接及组网路由和保护功能。同一星座的不同卫星通过同轨/异轨星间通信链路进行连接，而不同星座可以通过星座间通信链路进行互联。

空天地一体化承载关键技术展望

        与成熟的地面承载网相比，空间承载网面临着一系列独特的技术挑战，主要包括自由空间中的高速星间光通信、高动态卫星网络拓扑下的组网技术、智能灵活的空天地一体管控技术等。克服以上技术挑战是构建空天地一体化承载网的基础。

星间高速光通信技术

        星间光通信技术被公认为是满足空间承载网高带宽传输需求的重要手段。星间光通信技术相比传统微波通信具有更高带宽且频谱资源更为丰富，同时可复用地面高速光纤通信的先进技术和成熟产业链。然而，相比地面光纤通信，星间光通信会受到复杂自由空间信道和卫星高速相对运动的影响。前者体现在超大空间信道衰减；而后者包括异轨星间多普勒频移以及对快速、高精度的捕获、指向和跟踪（APT）系统的迫切需求。

        因此，在光层，星间光通信技术在尽量沿用地面高速相干光通信技术的基础上，需要面向星间空间信道的特殊场景进行优化。一方面，优化调制解调模块和光数字信号处理算法，适配星间通信无色散、大衰减、高动态的特点；另一方面，提供稳定的APT系统以及高增益光学系统，充分保障星间激光通信链路的可用性。

        此外，针对链路协议，尽管当前在轨验证的主流光接口采用CCSDS链路协议增强信道可靠性，但以SPN、OTN为代表的地面光网络成熟标准，在承载效率、传输速率、运维能力、硬隔离、可扩展性等方面相较CCSDS具有优势。此外，经过地面网络多年规模应用验证，可靠性和产业支持情况更具有优势，同时与地面网络具有更高的兼容性。因此，面向空天地一体融合，在空间承载网沿用地面承载网标准协议可能是一种更好的选择。

面向高动态网络拓扑的星间传送网组网技术

        卫星时刻处于高速运动状态，导致空间承载网网络拓扑结构呈周期性变化。此外，星地用户链路和馈电链路的切换、日凌现象导致的星间链路中断，以及面向节能的星间链路主动关断等多方面因素还会进一步加剧空间承载网拓扑的动态性。这与地面承载网的固定网络拓扑结构完全不同。因此，空间承载网组网在设计之初就需要考虑到网络拓扑高动态性的影响。

        现有空间承载网组网一般采用IP路由叠加点对点通信的方式，在卫星网络规模较小时尚能满足组网需要。然而，当卫星网络规模较大，达到上千颗节点规模时，IP路由叠加点对点通信的方式容易引发网络振荡，造成网络处于频繁重路由状态，降低链路利用率。为了解决该问题，有必要在空间承载网内生构建光层组网机制，在链路层实现高可靠保护，使IP路由免受网络拓扑变化的影响，保证高动态网络拓扑下的业务稳定性。此外，针对卫星资源受限的问题，采用L0~L3融合设计相比简单的功能叠加更具有体积、重量和功耗优势。

        针对星间链路不稳定挑战，可以在信号帧结构中定义专用开销来表征和传递链路状态，进一步增强空间承载网对星间链路的实时感知和管控，从而提升网络的整体规划能力。此外，由于高质量卫星专线服务需要高可靠的星间通信链路，还需要支持灵活速率接入并确保业务硬隔离。

        综上，为了实现灵活高效高可靠的空天地一体化承载，有必要提出一套面向空间承载网的灵活高效组网技术体系，而SPN的跨层融合、高灵活、高可靠等技术优势恰好满足这一需求，因此有望在空间承载网组网中获得迁移应用。

智能灵活的空天地一体管控技术

        地面承载网经过多年广泛应用已经发展出成熟的管控技术体系，能够对网络进行全面且准确的分析和管控。然而，尽管空间承载网的节点规模可能不如地面承载网，但由于链路和网络拓扑的高动态性，空间承载网的管控往往更加复杂。因此，为了实现智能灵活的空天地一体管控，首先需要基于地面承载网的管控技术研发适用于空间承载网的管控技术，并在此基础上构建统一的管控面。

        针对空间承载网的管控，引入星间链路的实时数字化监控和AI智能预测，对于实现卫星承载网在高动态拓扑下的主动运维至关重要。潜在技术包括星间链路的自动故障上报、实时性能监测、通信载荷自定义配置和灵活动态保护等。在此基础上，通过将空间承载网的状态感知和管控调度功能集成到基于SDN的地面承载网管控体系中，可以实现空天地一体融合的统一管控面，进而实现对整个空天地一体化承载网的集中管理和协同运作，确保该异构融合网络的资源高效整合和高可靠运行。

        面向5G-A/6G泛在连接愿景，空天地一体化是下一代承载网的重要发展趋势，将带来承载网组网架构的重要变革。为实现空天地一体承载，空间承载网可以充分借鉴地面承载网的技术积累和产业基础，同时针对卫星通信的特殊场景在物理层、链路层、网络层实现体系化技术突破。地面承载网成熟标准体系凭借先进技术优势和广泛应用验证，有望实现在空间承载网的迁移应用，构建基于统一技术体制的空天地一体化融合承载网。