2024 IMT-2030（6G）推進組白皮書 -6G天地一體化網(wǎng)絡的場景與需求研究報告

一、天地一體化網(wǎng)絡的場景與需求研究現(xiàn)狀 5 5 5 6 7 8 8 9 10二、6G天地一體化網(wǎng)絡的用例研究 2.用例2多 16 2.用例2針 三、6G天地一體化網(wǎng)絡的需求定義 四、6G天地一體化網(wǎng)絡的關鍵KPI定義 39 40參考文獻 貢獻單位 圖1衛(wèi)星網(wǎng)絡為IAB組網(wǎng)提供回傳 圖2衛(wèi)星網(wǎng)絡為固定基站提供回傳 圖3多媒體內容的邊緣分發(fā)和卸載 圖4臨空通信網(wǎng)絡示意圖 圖5移動算力網(wǎng)絡業(yè)務示意圖 圖6突發(fā)短包業(yè)務場景圖 圖7IoT偏遠地區(qū)數(shù)據(jù)采集場景 圖8天地一體化醫(yī)療體系 圖9天地一體化網(wǎng)絡保障企業(yè)私有網(wǎng)絡的高可靠通信 圖10天地一體化網(wǎng)絡保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高可靠通信 圖11衛(wèi)星通信與無人機部署方式 圖12應急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡設計 圖13衛(wèi)星公共安全通信部署方式 30表1集群語音業(yè)務性能指標 表2QoS保障需求 32表3確定性通信需求 表4大連接需求 表5高可靠通信需求 表6高精度定位需求 表7動態(tài)業(yè)務調度需求 34表8架構需求 表9非地面網(wǎng)絡作為回傳組網(wǎng)需求 35表10非地面網(wǎng)絡作為部分/全部接入網(wǎng)組網(wǎng)需求 表11非地面網(wǎng)絡作為接入網(wǎng)+部分/全部核心網(wǎng)組網(wǎng)需求 36 表13認證鑒權和加密需求 表14多重安全防御需求 38 39一、天地一體化網(wǎng)絡的場景與需求研究現(xiàn)狀隨著5G從標準走向大規(guī)模商用，全球都已經(jīng)啟動了關于6G的研究[1,2]。星地融合是6G網(wǎng)絡的一個主要特征，通過高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡、中低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面移動通信網(wǎng)絡等共同組成立體覆蓋移動通信網(wǎng)絡，從體制、協(xié)議、網(wǎng)絡、業(yè)務、終端等方面實現(xiàn)天基網(wǎng)絡和地面移動通信網(wǎng)絡的深度融合，滿足地面和立體空間的全域、全天候的泛在覆蓋需求，從而實現(xiàn)用戶隨時隨地按需接入[3]。6G網(wǎng)絡通過星地融合網(wǎng)絡的多接入融合，為用戶業(yè)務提供較好的服務質量(OoS)和較高的可靠性，為用戶提供可靠、連續(xù)的通信服務和更高的用戶體驗[4,5]。6G的總體愿景是基于5G的進一步擴展和升級，進一步融合衛(wèi)星通信、人將是衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡深度融合的一體化網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)與地面移動通信網(wǎng)絡充分融合。6G將實現(xiàn)地面網(wǎng)絡、不同軌道高度上的衛(wèi)6G天地一體化網(wǎng)絡是由多顆不同軌道上、不同種類、不同性能的衛(wèi)星形成5（2）傳輸時延大。天地一體化網(wǎng)絡的延時受多種因素影響。骨干節(jié)點距離同時，網(wǎng)絡帶寬資源差異性大，高帶寬鏈路（星地、星間）和窄帶鏈路（星地、（4）支撐業(yè)務多樣。在天地一體化網(wǎng)絡中，傳輸?shù)臉I(yè)務類型多樣，不同類（7）網(wǎng)絡建設是逐步擴展、補充的過程。天地一體化網(wǎng)絡對系統(tǒng)的可擴展6其作為異構的通信子網(wǎng)接入，這就要求天地一體化（9）多元信息傳輸共享。天地一體化網(wǎng)絡結構復雜，網(wǎng)內傳輸?shù)男畔⒊尸F(xiàn)的趨勢。為此，包括歐盟委員會在內的許多組織都認識到衛(wèi)星網(wǎng)絡將成為5G基礎設施的一個組成部分[9]。其中，衛(wèi)星在5G中的作用已經(jīng)在歐盟技術平臺SANSA，VITAL，RIFE和SCORSESE等相關研發(fā)項目中進行了研究。此外，EMEA衛(wèi)星運營商協(xié)會(ESOA)發(fā)布了一份關于衛(wèi)星通信(SatCom)服務作為5G7國內，國家發(fā)改委2020年明確把衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入新基建范疇，“十四五”規(guī)2023年發(fā)布的《星地融合通信白皮書》中分析了地面移動通信和衛(wèi)星通信的融章節(jié)主要介紹面向B5G以及6G關于天地一體化需求和場景的相關標準進展，述場景時需要考慮以下技術要素：多播/單播支持、智能路由、動態(tài)緩存管理及中天地一體化網(wǎng)絡被稱為固移衛(wèi)融合（Fixed,MobileandSatelliteConvergence,8持分布式賬本技術，并且建議融合網(wǎng)絡在認證和授權方面支衛(wèi)融合多接入邊緣計算》研究了面向固移衛(wèi)融合網(wǎng)絡的多接入邊緣計算的概念、3GPP研究的5G系統(tǒng)融合衛(wèi)星場景與需求可分為以下幾類：3GPP在Rel-16和Rel-17階段研究了5G系統(tǒng)融合衛(wèi)星接入的主要用例場景。9安全、監(jiān)管、終端要求等多個維度進行了需求定義并寫入了3GPPTS22.261。3GPP在5G融合衛(wèi)星接入相關關鍵技術的研究中，發(fā)現(xiàn)在國家邊境提供衛(wèi)星接態(tài)衛(wèi)星回傳的場景，從衛(wèi)星回傳時延的動態(tài)變化角度定義了QoS與策略控制相關的需求。此外，由于衛(wèi)星回傳資源的稀缺性，3GPP還從基于回傳類/語音的本地路由，實現(xiàn)數(shù)據(jù)/語音不落地，避免冗余路徑、減少饋電資源消耗、統(tǒng)服務物聯(lián)網(wǎng)終端的能力；提升衛(wèi)星定位精度來進一步滿足監(jiān)管需求。目前，包括場景和需求、體系架構、關鍵技術、系統(tǒng)接口等多方面的課題，總結3GPP、ETSI等組織已經(jīng)開展的空、天、地通信網(wǎng)絡應用場景的研一體5G網(wǎng)絡業(yè)務要求6）天地一體5G網(wǎng)絡安全要求。并已于2023年在TC12WG12工作組啟動相應的行業(yè)標HAPS/HIBS的平臺結構、技術水平及發(fā)展現(xiàn)狀研究2）主要空天平臺的特點面系統(tǒng)構成的各種融合網(wǎng)絡架構研究5）不同融合網(wǎng)絡架構中各實體的功能劃分6）地面IMT運營商在應用非地面網(wǎng)絡以及與非地面網(wǎng)絡融合時面臨的潛統(tǒng)研究》課題，是對口ITU-RSG4WP4B工作組而設立的對應研統(tǒng)需要構建的標準體系以及開展衛(wèi)星與5G融合的通信系統(tǒng)需要考慮的需求與技啟動的《基于5G的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)第1部分：總體要求》標準項目，將以地接入網(wǎng)、業(yè)務模型，以及操作維護系統(tǒng)等在內的總體技術規(guī)范，在已的業(yè)務支撐能力基礎之上，描述面向QoS保障的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務模型和端到端二、6G天地一體化網(wǎng)絡的用例研究6G天地一體化網(wǎng)絡的應用場景可從非地面網(wǎng)絡（天基網(wǎng)絡）引入后，整體圖1衛(wèi)星網(wǎng)絡為IAB組網(wǎng)提供回傳圖2衛(wèi)星網(wǎng)絡為固定基站提供回傳感知中繼或回傳連接的天基網(wǎng)絡類型，根據(jù)其QoS支持能力作出接入控制或相隨著新業(yè)務內容的豐富和用戶服務體驗要求的不斷提高，CDN（ContentCDN通常使用組播技術等，將源站點的內容推送到網(wǎng)絡邊緣緩存，使用戶可以和傳輸路徑上的資源擠占問題，提高了用戶訪問業(yè)務的響應速圖3多媒體內容的邊緣分發(fā)和卸載核心網(wǎng)需要將熱點內容相關的業(yè)務流重定向到邊緣網(wǎng)絡以在覆蓋面積超過30000km2的服務區(qū)域提供低延遲的移動連接。作為部分并作為其補充，因此HIBS可以使用與地面IMT基站相同的頻段與用戶終端連接，從而擴展了有效覆蓋區(qū)域。此外，地面IMT基站服務的現(xiàn)有用戶終端也將由HIBS服務，而不需要HIBS獨立的用戶終端。圖4臨空通信網(wǎng)絡示意圖帆板轉換效率30%計算，一顆衛(wèi)星可以產(chǎn)生4158W功率。按為載荷提供50%功圖5移動算力網(wǎng)絡業(yè)務示意圖-服務需求：高達TB級別的數(shù)據(jù)采集量，通過星上邊緣算力，可滿足設-運營需求：為了應對超大數(shù)據(jù)存儲及超高計算負載，衛(wèi)星需部-運營需求：為了能夠在更短時間內給用戶反饋且防止數(shù)據(jù)丟失6G互聯(lián)網(wǎng)技術將開始允許使用強大的傳感器，根據(jù)現(xiàn)實生活中導致數(shù)據(jù)量大幅度增長，因此，XR業(yè)務的網(wǎng)絡需求具有高帶寬的特點，此外，在3GPP,CCSA等對XR應用的研究中，共識的端到端時延一般為10ms或者是抖動，傳輸時延需求可以放寬到30ms，此時針對某些對時延不敏感的業(yè)務可以考慮通過低軌衛(wèi)星節(jié)點或HAPS空基網(wǎng)絡為XR業(yè)務提供一定的服務支撐。服務需求：LEO單星的數(shù)據(jù)傳輸速率可達20Gbps，端到端傳輸時延低于圖6突發(fā)短包業(yè)務場景圖和低功耗的特點，終端需要采用電池供電，且需要長時間工作，壽命保持為10圖7IoT偏遠地區(qū)數(shù)據(jù)采集場景架構需求：接入網(wǎng)和核心網(wǎng)用戶面上星部署，以支持物聯(lián)網(wǎng)小數(shù)據(jù)包在星上存儲轉發(fā)。同時核心網(wǎng)控制面需要在星上部署，以支持對接入的物聯(lián)網(wǎng)配置與存儲轉發(fā)相關的參數(shù)。在QoS策略制定方面，需要為存儲轉發(fā)配置特定健康的應用場景，使高清視頻遠程會診、生命體征監(jiān)護、緊急救援、A圖8天地一體化醫(yī)療體系服務需求（高可靠要求遠程醫(yī)療過程不可中斷種情況下，可以利用衛(wèi)星通信建立企業(yè)私有圖9天地一體化網(wǎng)絡保障企業(yè)私有網(wǎng)絡的高可靠通信備份機制,在出現(xiàn)故障時能夠快速接替，確保網(wǎng)絡的持續(xù)穩(wěn)定運行。重要業(yè)務需針對網(wǎng)絡應用對高可靠傳送需求的日益增加，已有5G技術中定義了低時延設備通信需求中，6G天地一體化網(wǎng)絡成為現(xiàn)有地面網(wǎng)絡技術的重要補充，為全圖10天地一體化網(wǎng)絡保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高可靠通信6G天地一體化網(wǎng)絡利用低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡作為地面網(wǎng)絡的補充，在大時空空間范圍內需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高可靠傳輸?？紤]到低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡固有的傳播時延，揮重要作用，為工業(yè)自動化等場景提供重要傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)。針對設備制造等具體場景，設備連接密度可達100連接/立方米。因此，對于未來天地一體化網(wǎng)絡，需要針對超大連接和可靠性做針暴雨災害會導致通信基站大面積退服、通信光纜與通信基礎設施受損，甚至可能導致嚴重受災區(qū)域發(fā)生通信阻斷、發(fā)生地面公網(wǎng)通信癱瘓，在這種情況下，地面通信網(wǎng)絡無法滿足應急通信的保障需求。為應對暴雨災害造成的通信中斷，構筑天地一體化保障體系是強有力的應急通信方案。天地一體化應急通信保障體系是在原有的地基蜂窩通信網(wǎng)絡基礎上疊加天基、空基技術，為特殊情況和環(huán)境下的應急通信提供了補充和完善。信不受地形地貌限制，因此容災性高，且具有廣覆蓋、機動機搭載臨近空間層高空基站，為覆蓋區(qū)域提供務。低空飛行器應急通信目前主要利用無人機搭載基站設備為通信中斷區(qū)域提供應急補盲，通。其中，無人機應急通信方案主要包含兩種信車通信保障方式和部署超級基站方式。應急通信車內集成信基站等裝置，可提供長時間的應急通信保障能力，但受到圖11衛(wèi)星通信與無人機部署方式通信在自然災害面前就是生命線，通信的暢通是至關重要的。為了應對自然災害對通信網(wǎng)絡造成的破壞和影響，需要構建天地一體化應急通信保障體系。在暴雨災害中，保障體系本身仍面臨一些挑戰(zhàn)。架構需求：需要具備快速部署、靈活組網(wǎng)和自適應調整等能力。運營需求：需要統(tǒng)一協(xié)議標準，需要定義應急指揮無線寬帶自組網(wǎng)系統(tǒng)組成、功能要求、性能要求、窄帶無線自組網(wǎng)節(jié)點設備一般要求等標準。服務需求：為了應對暴雨災害造成的通信設施損壞和干擾，需要提高通信鏈路的抗干擾能力和容錯能力，保證通信可靠性達到99.99%。服務需求：為了支持災民和救援人員的大量通話和數(shù)據(jù)傳輸，需要提供很高的通信容量，即應急通信能夠支持的同時通話數(shù)或數(shù)據(jù)傳輸量，需滿足災區(qū)人口的99.99%的通信需求。圖12應急通信協(xié)同指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡設計架構需求：為了適應復雜多變的山岳環(huán)境，需要6G天地一體化速部署的能力，即能夠在短時間內建立起覆運營需求：為了實現(xiàn)不同網(wǎng)絡段的互操作性和兼容性，需要6G天地一體化隊等提供實時的信息傳輸、指揮協(xié)調和物資調度能力，提高應急服務需求（高精度定位在城市突發(fā)事件應對中，天信系統(tǒng)需要具備精確定位能力，以便于救援隊伍迅速找到事發(fā)我國地形復雜多樣，包括山地、丘陵、高原的山區(qū)面積廣大，約占國土總面積的2/3。其中的很多區(qū)域沒有公共安全地面專網(wǎng)覆蓋，通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)對這些地區(qū)進行覆蓋具有明顯的技術優(yōu)勢和成本優(yōu)勢。在很多情況下邊境管理或公安人員，需要在執(zhí)行任務時和哨所或后方指揮中心進行實時的集群通信、交換共享高清圖像或高清視頻。但是在邊境、海防人煙稀少地區(qū)通常無法做到公共安全地面專網(wǎng)的連續(xù)覆蓋。如下圖圖13衛(wèi)星公共安全通信部署方式網(wǎng)絡架構：支持數(shù)字集群通信服務需求：（2）定位功能：集群終端在地面無線通信無覆蓋區(qū)域內應能準確定位；涉及到公共安全的聯(lián)合行動中，國內指揮部能夠實時跟蹤跨域人員的位置、分布和移動軌跡，結合區(qū)域態(tài)勢進行研判；（4）提供數(shù)字集群集群業(yè)務，包括登記鑒權類業(yè)務、集群語音類業(yè)務、集群數(shù)據(jù)類業(yè)務、集群調度類業(yè)務以及集群補充類業(yè)務。其中集群語音業(yè)務指標應該滿足下表要求：表1集群語音業(yè)務性能指標指標要求語音組呼的呼叫建立時間不超過300ms話權申請時間不超過200ms全雙工集群單呼建立時間不超過500ms半雙工集群單呼建立時間不超過500ms注：以上指標均僅針對組內用戶全部在低軌衛(wèi)星覆蓋下的場景三、6G天地一體化網(wǎng)絡的需求定義一方面對6G天地一體化網(wǎng)絡架構、功能、部署方式提出了要求，另一作性和兼容性。-運營需求：6G的應用場景和需求還處于不斷演變的過程中，運營商和技術公司需要基于當前的存量網(wǎng)絡情況，不斷探索和創(chuàng)新的運營模式，說明：下表中需求編號格式為X-y，其中X代表應用場景類別，取值為：A在無人區(qū)及偏遠地區(qū)通信場景中，6G系統(tǒng)需要考慮衛(wèi)星表2QoS保障需求服務需求描述用例編號說明務服務需求A-1：支持根據(jù)衛(wèi)星回傳的動態(tài)高延遲來確定端到端QoS參數(shù)，支持感知根據(jù)其QoS支持能力作出接入控制或相應—服務需求A-2：網(wǎng)絡需支持根據(jù)內容分發(fā)的目標確定使用衛(wèi)星網(wǎng)絡或地面網(wǎng)絡；需要將熱點內容相關的業(yè)務流重定向到邊緣網(wǎng)絡處理以獲取本地服務—入服務需求B-1：LEO單星的數(shù)據(jù)傳輸速率可達20Gbps，端到端傳輸時延低于30ms—服務相關的參數(shù)，需要為存儲轉發(fā)配置特定的—秒之間—靠網(wǎng)絡服務需求D-1：支持遠程手術和診斷的時延要求為5ms衛(wèi)星無法滿足該時延需求衛(wèi)星無法滿足該時延需求表3確定性通信需求服務需求描述用例編號說明D.高服務需求D-3：對于傳輸醫(yī)療影像、生命—體征實時監(jiān)測等數(shù)據(jù)，支持誤碼率在10-4以下，確定性達到99.99%以上表4大連接需求服務需求描述用例編號說明E.高安全高服務需求E-1：支持提供高容量通信—可用網(wǎng)絡能力以支持救援人員和災民的大量通服務需求E-2：支持高密度用戶通信—表5高可靠通信需求服務需求描述用例編號說明D.高可靠網(wǎng)絡服務需求D-4：要求網(wǎng)絡中斷或發(fā)生故障后，系統(tǒng)能夠快速恢復正常運行，對于支持實時遠程手術的高清視100ms—服務需求D-5：工業(yè)PLC場景中，要求可靠性要達到99.999%衛(wèi)星通信不適用該場景服務需求D-6：應對暴雨、山岳救援場景，保證通信可靠性達到99.99%—表6高精度定位需求服務需求描述用例編號說明E.高安全高可用網(wǎng)絡服務需求E-3：精確定位能力—表7動態(tài)業(yè)務調度需求服務需求描述用例編號說明E.高安全高可用服務需求E-4：網(wǎng)絡優(yōu)先級調度能力和動態(tài)調度能力—服務需求E-5：提供數(shù)字集群業(yè)務 6G天地一體化網(wǎng)絡架構應當具備在地面網(wǎng)絡與非地面網(wǎng)絡間彈性重構、按表8架構需求架構需求描述用例編號說明架構需求D-1：彈性可擴展的網(wǎng)絡架構，隨業(yè)務快速增加網(wǎng)絡節(jié)點與覆蓋范圍—架構需求D-2：網(wǎng)絡架構具備兼容性與互操作性，形成一個多層次、多維度—絡架構需求E-1：網(wǎng)絡架構需要具備快速部署、靈活組網(wǎng)和自適應調整等能力—架構需求E-2：支持統(tǒng)一的接口協(xié)議，使不同類型和廠商的通信設備和用戶之間能夠無縫連接和交互，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡段的互操作性和兼容性—6G天地一體化網(wǎng)絡可以有以下組網(wǎng)關系：非地面網(wǎng)絡作為回傳、非地面網(wǎng)需要支持與地面移動/固定基站連接，為地面接入網(wǎng)和遠端地面核心網(wǎng)之間提供表9非地面網(wǎng)絡作為回傳組網(wǎng)需求架構需求描述用例編號說明A.高效回傳服務架構需求A-1：支持地面移動/固定基—要支持用戶終端以直連或非直連的方式接入，支持與地面接入網(wǎng)的CU功能/地表10非地面網(wǎng)絡作為部分/全部接入網(wǎng)組網(wǎng)需求架構需求描述用例編號說明接入架構需求B-1：高空平臺站支持與地面關口站進行連接，地面CPE能夠接入—可用網(wǎng)絡架構需求E-3：支持數(shù)字集群通信—表11非地面網(wǎng)絡作為接入網(wǎng)+部分/全部核心網(wǎng)組網(wǎng)需求架構需求描述用例編號說明C.泛在物聯(lián)架構需求C-1：接入網(wǎng)和核心網(wǎng)用戶面上星部署，以支持物聯(lián)網(wǎng)小數(shù)據(jù)包在星上存儲轉發(fā)—架構需求C-2：核心網(wǎng)控制面上星部署，以支持對接入的物聯(lián)網(wǎng)終端進—表12運營需求運營需求描述用例編號說明B.泛在寬帶接入運營需求B-1：為應對超大數(shù)據(jù)存儲及超高計算負載，衛(wèi)星需部署更多的力運營需求B-2：為能夠在更短時間內給用戶反饋且防止數(shù)據(jù)丟失，需要在多顆衛(wèi)星上部署服務器并進行數(shù)據(jù)備—C.泛在物聯(lián)運營需求C-1：星上部署核心網(wǎng)用戶 D.高可靠網(wǎng)絡運營需求D-1：需要實現(xiàn)網(wǎng)絡狀態(tài)的實時監(jiān)測與故障預警，快速定位并修—運營需求D-2：需要一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡運維平臺，整合地面與天基網(wǎng)絡，實—運營需求D-3：需要選擇高可靠的網(wǎng)—絡設備與通信手段，具備設備與鏈路的冗余備份機制，在出現(xiàn)故障時能夠重要業(yè)務需要具備2條以上的熱備份路由，在主鏈路故障時可快速切換，恢復業(yè)務，備份路徑啟用時間小于運營需求D-4：時延需要可預測、可調度，并且控制報文需要在規(guī)定時間 可用網(wǎng)絡運營需求E-2：提供99.99%的故障率，故障恢復時間降低到10s以下—運營需求E-3：在跨境聯(lián)合行動中，需要為兩國（或多國）參與行動人員—表13認證鑒權和加密需求安全需求描述用例編號說明安全需求C-1：支持對物聯(lián)網(wǎng)終端的認證鑒權—絡安全需求D-1：較高的安全機制與協(xié)議保證數(shù)據(jù)與信息的機密性與完整性—安全需求D-2：加強密碼強度和用戶權限管理二四）.1—安全需求E-1：安全鑒權、語音和—可用網(wǎng)絡數(shù)據(jù)加密能力表14多重安全防御需求安全需求描述用例編號說明D.高可靠網(wǎng)絡安全需求D-3：建立多重安全防御機制—安全需求D-4：具備高效的入侵檢測與響應機制，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡攻擊后10秒內進行隔離與防護，并進行全面審計與跟蹤—可用網(wǎng)絡安全需求E-2：隱蔽通信能力—四、6G天地一體化網(wǎng)絡的關鍵KPI定義安全高可用網(wǎng)絡，通過用例研究和需求分析，明確了用例相關的關鍵性能指標（KPI包括端到端時延、確定性、誤碼率、可靠性、數(shù)據(jù)速率、連接密度、表15關鍵KPI定義