空天地一体化通信之势

远程通信之始

通信与人类形影不离，我们从刚一出生，就能够通过哭声传递信息。人与人间的语言、肢体动作的交流，都是近距离信息传递的过程。随着人类的进步，人们不断尝试用各种方式来实现远距离通信。

图1 中国万里长城

中国的烽火台是世界上最早的远距离通信系统之一，在发现敌人接近时，士兵通过点燃烽火台来发出警报。虽然时代久远，但是其中蕴含的通信技术的本质没有改变。士兵通过使用不同的篝火数量，来表示敌人的数量。这一过程与现代通信中的信源编码相对应，即为了提高通信的效率，对要发送的信息进行转换，去掉冗余信息的过程。而当一个烽火台发出信号，周围的烽火台发出同样的警报，不断将信息传递下去。这也对应着现代通信网络中多跳通信的概念，数据从一个节点通过多个中继节点传输到目标节点。

但是这一通信系统仍然具有很多缺点。两个烽火台间相距一般是5000米。而将士们主要通过观察来传递信息。在天气恶劣的情况下，并不能够及时获得准确信息。仅仅通过火光大小，传递的信息量很小。同时系统受到大量人为因素的影响，如周幽王烽火戏诸侯。自此，人们开启了不断提升远距离通信效果与质量的漫漫长路。

无线通信之源

通信技术的发展，是在实践中不断面对问题与挑战，不断进步的过程。近代科学家们不断探索电磁理论，1831年法拉第发现电磁感应定律，揭示磁与电相互转化的机制。1864年，麦克斯韦预言电磁波的存在，指出电场与磁场能以波的形式在空间中传播。随着科学家们对电磁学了解的深入，利用电磁波进行通信的构想进入人们的视野。工程师们在想，能不能利用电磁波这样一种“无形”的东西来传递信息。1896年，马可尼发明无线电报，为人类通信技术开创一个全新领域。无线电广播、电话、电视相继出现，对人们的生活产生极大的改变，电话也成为日常生活中必不可少的一个工具。

图2 马可尼对无线电进行研究

在第一代移动通信中，工程师们对模拟的信号进行传输，将连续的信号波形用无线电从一个设备发送到另一个设备。1970年，贝尔实验室提出蜂窝通信系统的概念，奠定了第一代无线通信的基础。第二代通信中，采用TDMA时分多址技术，每个用户占用不同的时隙来传输信息，将信号编码再进行传输。到了第三代通信，CDMA码分多址技术被广泛应用于无线通信之中，每个用户使用不同的地址码来区分信息。可以将通信的过程理解为服务员上菜的过程，TDMA时分多址对应着服务员一次只为一个客人上菜，而CDMA对应服务员同时端起每个客人的菜肴，而客人根据自己的菜单来获得菜品。第四代、第五代通信系统中引入OFDM、MIMO等高级的技术进一步提升通信的速率、降低时延、支持更多应用。OFDM技术相当于优化服务员端菜的方式，为服务员配备一个包含多层、各层相互独立的小推车来放置每个顾客的菜肴，在工程上将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。而MIMO技术则相当于增加服务员的数量来优化上菜的效果，实际中通过增加收发双方的天线数量，进一步利用空间资源，但是加大了发送与接收端的复杂度，就好比服务员之间的协调变得复杂。面对当前用户对高速率、高稳定性网络的需要，各领域对无线通信应用的扩展，国家对可靠互联网的要求，需要继续构建一个可进行超大规模连接、通信感知融合、实现超级无线宽带、极其可靠通信的新一代通信系统，支撑起万物互联的智能世界。

卫星通信之利

图3 通信卫星

地面上的基站越来越多，但依旧无法覆盖所有偏僻荒芜的地区；光纤与铜线线缆铺天盖地，但依旧无法满足跨洲跨大洋通信的需要。随着航天技术发展，在太空中建立通信站点的设想变为可能。卫星通信利用环绕地球运行的卫星作为中继，利用地面站与之进行通信。卫星通信为连接广袤大地上的多个城市，提供有效的解决方案。哪怕是世界上最偏远的地方，都可以被卫星所覆盖。一个单独的卫星转发器具有处理 1.55 亿比特信息每秒的能力[1]。有了这种巨大的容量，通信卫星便能够传输和接收简单的声音信号或数据再到复杂的视频、音频，以及互联网几乎所有内容的理想传输媒介，为每个用户提供一致的服务质量。相比于地面通信设备的固定，卫星可提供更强的可拓展性，可以快速、廉价地进行网络部署，实现临时网络的构建。同时，由于卫星通信解决方案可以被快速建立，因此可以快速推出新的服务。

在无线通信中，双方需要对使用的电磁波的频率进行约定，才能进行通信。但如果大家共同使用同一种频率，会不可避免地产生相互干扰。不同频率的电磁波，便成为一种资源，成为一个被大家不断切分的蛋糕，各个国家各个企业都急着想要瓜分这块蛋糕。随着技术的进步，从长波、中波、短波、超短波到如今对微波进行利用，获得大量的可用带宽。但是如今互联网日益扩张，用户数不断增长，而且对信息传输的要求变多，资源并不够分配。卫星在轨运行，无法像在地面一样架设线缆，创建新的信道。并且卫星相对地面距离遥远，信息传输所需时间增大。因此卫星通信也面临着挑战。

图4 卫星频谱资源划分

新一代无线通信之势

如今我们在地面有大量的网络基础设施如蜂窝无线网络，在太空，各种不同轨道的卫星组成天基网络。在这两者之间，飞行器可以提供有效的空基网络，如应急救灾型无人机在受灾地区建立临时通信。但是地面移动通信网、地面互联网覆盖地区有限。虽然卫星通信不受地形限制，但是具有较高的时延与链路损耗。采用无人机或浮空器可以大幅降低通信时延，但是通信设备供电困难。对于民航客机虽然规律巡航，通信载荷大，但是无法提供实时业务[2]。因此这三者各有利弊，可以通过相互融合、取长补短，达到更高的效能。

图5 空天地一体化网络示意图

星地融合、空天地一体化是实现网络全面覆盖的必经之路。全球首份6G白皮书指出，6G 将会突破地面网络限制，实现地面、卫星、机载网络和海洋通信网络的无缝覆盖[3]，即实现空天地一体化通信网络，继续增加网络的广度。而其重点与难点在于对卫星通信的进一步扩展，通过卫星使网络对地面的覆盖不再受限，在应急救灾中也不会受到地面灾害限制，将网络带到光纤难以到达的地区，在全球提供低时延的网络。当前starlink低轨卫星星座“伦敦—纽约”线路比地面光纤快了15 ms[4]，并且starlink表示要提供超过1Gbps的网络带宽和23 Gbit/s的超高速宽带服务，实现匹敌电缆和光纤的网络服务。我国也已将卫星互联网作为国家战略工程，其中低轨星座计划包括鸿雁星座、行云工程、虹云工程、天象星座等[5]。

技术的发展总是面临诸多问题与挑战，空天地一体化的提出也为通信技术带来新的挑战。对应用场景要求的增加意味着需要更加适宜便捷的接入和转换技术，为了将地面设备兼容非地面网络通信设备，需要对天线与射频技术进行进一步设计与优化，并且需要在成本、尺寸、质量之间进行权衡。在保证传输质量的同时，需要保证通信的安全性，通过技术创新来增加网络抵御安全威胁的能力。卫星波束范围有限而运行速度高达7km/s，每个卫星波束服务用户的时长可能只有几十秒[6]，因此需要解决频繁的波束切换问题。如何选择频谱资源、如何充分利用频谱资源、如何避免不同卫星间的干扰、如何使卫星与地面网络相互协同等等，都成为亟待解决的技术问题。在挑战之下，AI技术为我们带来新的机遇，AI+通信已经成为通信技术研究的热门领域，也将为空天地一体化通信提供强大的技术保障。

从人类尝试进行远距离通信开始，就在这一领域不断发展，从无线通信，到卫星通信，再到如今空天地一体化通信的趋势。这些进步源于工程师们对于未知的探索与极致的追求，以及我们对网络日益增多的需求。而这些技术的进步，也将会改变我们的生活，随着网络基础设施的提升，智慧城市、远程医疗、无人驾驶这些应用便会触手可及，使工作更加高效，使服务更加人性化，让我们体验到科技进步带来的美好生活。

参考文献

参考文献

[1] A Practical Introductory Guide on Using Satellite Technology for Communications https://www.intelsat.com/wp-content/uploads/2020/10/intelsat-satellite-primer-whitepaper.pdf

[2] 裴郁杉;张忠皓;王婷婷.空天地一体化通信网络发展愿景与挑战[J].邮电设计技术,2020,(04):15-20.

[3] JUNTTI M，KANTOLA R，KYÖSTI P，et al. Key Drivers and Re⁃ search Challenges for 6G Ubiquitous Wireless Intelligence［EB/OL］. ［2019-12-02］. https：//www.researchgate.net/publication

[4] DeepTech. 被低估的 Starlink：将可能改变金融交易游戏规则［EB/OL］.［2019-12-0］. https：//zhuanlan.zhihu.com/p/48845820.

[5] 孟亚洁;武林.信息通信技术发展趋势展望[J].中国电信业,2021,(02):12-15.

[6] 田开波;杨振;张楠.空天地一体化网络技术展望[J].中兴通讯技术,2021,27(05):2-6.

图片引用

[1] 河北承德：城郊初雪过后金山岭长城美景如画 http://heb.hebei.com.cn/system/2019/12/01/100122380.shtml

用于形象展示烽火台

[2] 历史上的今天——1896年6月2日，马可尼在英国获得无线电技术的专利 https://www.sohu.com/a/399063306_100028727?_f=index_pagerecom_9

引用马可尼图片

[3] 宽带卫星通信系统，真的能直接服务手机终端吗？http://ishare.ifeng.com/c/s/v002moOU4m--Xjl5gIs-_h--1HuBcEAA0Aded5-_OMqKmasZbP0__

采用凤凰网新闻中卫星相关图片，展示卫星通信

[4] 5G时代频谱共享对发展卫星通讯带来的机遇与挑战https://zhuanlan.zhihu.com/p/31559075?from_voters_page=true

用于展示卫星频谱资源的分类情况

[5] 6G技术长啥样？5大趋势，13个核心技术2030年落地 https://www.sohu.com/na/457453115_120070819

采用该新闻中图片展示空天地一体化信息网络结构

图文 | 李明昆

排版 | 张翀昊

审核 | 杜秉航