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中国联通、华为、银河航天共同推动的“空天地一体化组网”,到底有多厉害?

空天地一体化组网关键部分在于打造基于“5G标准”的低轨宽带通信星座。

当前,个人、行业、政府等越来越多类型的用户正在深度接入互联网业务,引发互联网流量爆发式增长的同时,也对互联网接入服务质量提出了更高要求。面对用户愈发旺盛的用网需求,运营商需要提供突破地形地表限制的高速率、低延时、广覆盖的“大时空尺度”宽带互联网。

日前,中国联通分别与华为和银河航天签署了“空天地一体化战略合作伙伴协议”,计划分阶段突破地表地形的束缚,开展地面通信系统与卫星互联网的互补合作和融合发展,使用户逐步进入“全球全域的宽带互联网”时期。这一听起来如此宏大的概念性网络建设究竟如何实现?落地后将赋能多少应用场景?目前面临着哪些技术困境?

“空天地一体化”并不是新概念

根据世界银行发布的数据,全球仍有超过三十亿人口尚未接入互联网,由于成本和铺设难度等原因,传统的地面通信骨干网在海洋、山区、沙漠、极地等苛刻环境下的覆盖率极低。因此,能够建设突破地形地表限制的高速率、低延时、广覆盖的“大时空尺度”宽带互联网具有重要价值。

赛迪智库无线电管理研究所副研究员周钰哲向《中国电子报》记者表示,实施“空天地一体化融合组网”是5G和后5G时代天地一体化通信的必然要求,5G空天地一体化网络将成为未来我国通信网络的重要发展趋势。

实现5G空天地一体化网络融合需要结合地面通信和卫星通信等多种手段,来为用户提供更加优质的服务,将二维地面网络与近地三维卫星通信网络进行融合与升级。近地卫星和各种飞行器组成的非地面网络提供偏远地区、海洋、空域等立体的网络覆盖能力,协助地面网络实现全域泛在化覆盖;地面移动网络提供基础的大数据存储与处理能力,并利用高数据传输速率提升大部分陆地区域的数据传输效率。二者相互赋能,有助于运营商实现低成本的全域泛在化覆盖,挖掘全新应用市场。

中国联通作为我国三大电信运营商之一和重要的卫星固定业务运营商,日前展开了和华为和银河航天的战略合作。对于此次合作,赛迪顾问物联网产业研究中心高级分析师刘暾表示,三方的合作可谓是强强联合,预计中国联通将在地面通信网络和行业应用中发挥牵引作用;通信设备商华为将凭借自身在终端、物联网和车联网业务中的固有优势,成为空天地一体化网络优先落地的应用场景;银河航天作为我国民营航天的优秀企业,将发挥在卫星平台、有效载荷研制及地面系统建设等方面的优势。“这种以央企带头拉动民营企业参与的合作模式十分明智,且将成为行业内的信号。”刘暾说。

中国航天系统科学与工程研究院战略规划研究部咨询师刘洁向《中国电子报》记者指出,空天地一体化网络融合发展并不是一个新兴概念,能打破通信基础设施由于空间分布不同带来的业务和服务的隔阂;如能起到优化资源配置的作用,融合服务还能有效避免天基和地基通信服务之间由于激烈竞争带来愈演愈烈的降价和利润率降低的问题。

“国际通信卫星公司、欧洲卫星通信公司、天空完美日星公司等卫星运营服务商在融合服务方面已经进行多种尝试并积累了成功的经验,向用户提供融合空天地通信网络资源的解决方案。由于融合服务可以带来更好的用户体验、更高的通信设施使用效率和效益,紧密的协同合作使卫星通信和地面通信运营和服务商的市场竞争力均得到增强。”刘洁说。

此前,记者在采访中了解到,有证据表明SpaceX的低轨卫星星座计划STARLink背后有着美国军方“空天地一体化网络融合发展策略”的目的,美国国防服务部门明确表示计划在三年内测试STARLink的卫星宽带网络,以评估是否符合美军的数据传输需求。

边缘计算赋能空天地一体化组网

在空天地一体化网络建设中,低轨卫星是技术门槛较高的部分。根据中国联通发布的《空天地一体化通信网络白皮书》(以下简称《白皮书》),大型低轨卫星星座是当前卫星通信系统的重要发展趋势,通过增加卫星数量可以大幅提升系统容量。目前已经有多个国家提出了低轨卫星计划,频轨资源竞争激烈。

在打造空天地一体化融合网络中,卫星将如何发挥作用?空天地一体化组网关键部分在于打造基于“5G标准”的低轨宽带通信星座。银河航天合伙人、副总裁刘畅在《中国电子报》记者采访时表示,低轨宽带通信星座一方面作为地面基站和光纤网络的融合补充,可以与地面的5G网络透明连接,让用户无感切换天地5G网络;另一方面可为地面5G基站提供数据回传等服务。

然而,刘暾指出,低轨卫星在端到端通信时的时延高达30毫秒,虽然远小于中轨和高轨卫星的时延,但也无法达到5G标准,此外卫星的容量成本也远高于地面网络,因此有必要引入多接入边缘计算(MEC)技术。

根据《白皮书》,空天地一体化网络对 MEC能力的需求主要包括降低时延、节省后向带宽、缓存、内容分发等方面。

降低时延方面,引入MEC设备将减少地面网络传输时延、避免星地节点间不必要的通信交互,可以在保障业务连续性的同时有效降低业务传输时延;节省后向带宽方面,在空天地一体网络中,本地采集的业务数据需要占用大量的卫星中继或地面回传带宽,如果将远端云化数据中心能力下沉到数据采集终端、数据显示终端或业务数据流转的本地范围,可以节省大量卫星中继或地面回传带宽;缓存方面,在空天地一体网络边缘部署MEC缓存能力,不仅可以依据用户业务需求对网络资源和集中式云化数据中心服务能力进行预判和反馈,还能够缓解空天地一体网络传输性能抖动对用户业务体验的影响;CDN内容分发方面,引入MEC之后,CDN能力将进一步下沉到空天地一体网络边缘,使能高带宽内容边缘分布式部署,有效降低空天地一体网络卫星中继与地面回传成本及中心节点压力。

机遇与挑战并存

未来,随着非地面网络和地面移动网络协议和设备的逐步融合、相互赋能,设备形态与功能实体划分与共享将逐步明确,新的网络业务有望开拓出更广阔的应用场景,为公众和行业提供真正无缝泛在的高速业务体验。

在刘暾看来,面向行业客户,空天地一体化通信网络将具有传输覆盖广、不受地理环境限制、可靠性高等特性,有望为行业客户提供更加优质的专网服务。

“对于需求市场,行业用户是不可忽视的庞大用户群体之一,涉及到许多跨国跨地区的行业,包括证券金融领域、区块链安全加固场景、应急通信、海洋与航空等立体通信。这些场景要么对通信保密性要求高、对时延抖动敏感,要么则需要避免受到地理环境和自然灾害等影响。”刘暾说。

根据《白皮书》,由于空天地一体化网络涉及到空天地海复杂的通信环境和多个通信系统,相较于传统的通信网络,节点繁多复杂;同时,由于多个通信系统的运营者不同,需要设计安全、可靠、高效的网络接口,以实现网络的深度、安全融合。因此对整个通信设备产业提出了更高的要求。

在周钰哲看来,空天地一体化融合组网还需要攻克技术和资质两方面的难题。技术方面,要想做到地面5G网络和非地面网络信号的无感切换,一是要重新设计兼容的星地通信协议,比如优化通信系统间的切换流程;二是要考虑智能、高效的频率共享与干扰消除方法,以应对每条链路上都不同的数据速率需求;三是要实现卫星等非地面通信设备小型化和轻量化设计,非常容易受到非地面通信网络的载荷限制。

“资质方面,希望国家能尽快出台更多优惠政策,鼓励卫星互联网公司和社会资本加入一体化融合组网进程中来,这样将有助于带动共享基带、天线、芯片、软件等各个产业链环节,完善产业生态体系。”周钰哲说。

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