空天地海一體化網(wǎng)絡是以地基網(wǎng)絡為基礎，天基網(wǎng)絡、空基網(wǎng)絡和?；W(wǎng)絡為補充和延伸，為廣域空間范圍內的各種網(wǎng)絡應用提供泛在、智能、協(xié)同、高效的信息保障基礎設施。

在空天地海一體化網(wǎng)絡中，空基網(wǎng)絡由高空通信平臺、無人機自組網(wǎng)絡等組成，具有覆蓋增強、使能邊緣服務和靈活網(wǎng)絡重構等作用；天基網(wǎng)絡由各種衛(wèi)星系統(tǒng)構成天基骨干網(wǎng)和天基接入網(wǎng)，實現(xiàn)全球覆蓋、泛在連接、 寬帶接入等功能；地基網(wǎng)絡主要由地面互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)組成，負責業(yè)務密集區(qū)域的網(wǎng)絡服務；?；W(wǎng)絡主要是通過海上無線網(wǎng)絡、海上衛(wèi)星網(wǎng)絡等滿足海洋活動的通信需求。

通過多維度網(wǎng)絡的深度融合，空天地海一體化網(wǎng)絡可以有效地綜合利用各種資源，進行智能網(wǎng)絡控制和信息處理，從而游刃有余地應對需求迥異的網(wǎng)絡服務，實現(xiàn)“網(wǎng)絡一體化、功能服務化、應用定制化”的目標，在廣域移動覆蓋、物聯(lián)網(wǎng)、智能交通、遙感和監(jiān)控、軍事等領域中展現(xiàn)出廣闊的應用前景。天基網(wǎng)絡——特別是低軌衛(wèi)星星座相關技術——處于核心地位，是構建無所不在、無所不聯(lián)、無所不知的空天地海一體化網(wǎng)絡的關鍵使能技術。目前，美國SpaceX公司的“Starlink”（星鏈）項目是低軌衛(wèi)星星座競爭中的佼佼者，其計劃發(fā)射 4.2萬顆衛(wèi)星，構成一個可以覆蓋全球的寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡。截至2022年8月，已有超過3000顆在軌低軌衛(wèi)星，全球已有超越50萬寬帶接入訂閱用戶?？仗斓睾Ｒ惑w化網(wǎng)絡同時面臨著高動態(tài)、強異構、超復雜、多需求等挑戰(zhàn)，其主要研究方向包括網(wǎng)絡架構設計、通信協(xié)議設計、網(wǎng)絡資源管理與優(yōu)化、高效傳輸技術以及網(wǎng)絡安全與隱私等。

然而，由于現(xiàn)有各通信系統(tǒng)機制不統(tǒng)一，資源分布差異性強，無線信道更加復雜多變，且網(wǎng)絡安全性難以保證，空天地海一體化網(wǎng)絡亟須在網(wǎng)絡架構、通信協(xié)議、資源管控和高效傳輸四方面突破，因此對于該領域的技術前沿解讀也從這四方面展開。

第一，在網(wǎng)絡架構設計方面，主要有兩大趨勢。國際移動通信標準化組織 3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）力主推進非地面網(wǎng)絡（non-terrestrial network，NTN）（包含衛(wèi)星、無人機等所有非地面網(wǎng)絡）與地面蜂窩網(wǎng)絡融合，使得 NTN 成為 5G 網(wǎng)絡以及未來 6G 網(wǎng)絡中的一部分，從而形成互聯(lián)互通的空天地海一體化網(wǎng)絡。另一個趨勢是以軟件定義網(wǎng)絡和網(wǎng)絡功能虛擬化技術為核心的虛擬化網(wǎng)絡架構，形成高效、全局可控、低成本的空天地海一體化網(wǎng)絡管控架構。該方向的主要研究機構包括滑鐵盧大學、清華大學、北京交通大學等。

第二，在通信協(xié)議設計方面，CCSDS 協(xié)議通過對相鄰幀的迭代處理，可實現(xiàn)空天地海網(wǎng)絡中有效載荷限制下近乎無損的多媒體流傳輸，極大地擴展了空間飛行任務信息系統(tǒng)的配套交換能力；DVB 系列協(xié)議克服了傳統(tǒng)上行鏈路功率控制對射頻前端體積的限制，有效提高了衛(wèi)星通信鏈路的頻譜效率，從而能進行空間段的優(yōu)化，并大幅度降低基于衛(wèi)星的 IP 服務成本。然而，這兩種協(xié)議提出的時間較早，目前包括 3GPP 在內的多家組織和機構也在探索新型空天地海一體化網(wǎng)絡通信協(xié)議。

第三，在網(wǎng)絡資源管控方面，目前主要有兩個研究趨勢：一是 AI 驅動的資源管控技術，它能適應傳統(tǒng)空天地海融合網(wǎng)絡中網(wǎng)絡節(jié)點多、決策空間大、資源異構的特點，從而有效提高網(wǎng)絡資源的利用率；二是以服務功能鏈或者網(wǎng)絡切片為載體的資源調度技術，它通過軟件定義網(wǎng)絡和網(wǎng)絡功能虛擬化技術將全網(wǎng)資源切片化，在保障用戶之間業(yè)務隔離性的同時，亦能保障多維需求指標的滿足，從而實現(xiàn)未來網(wǎng)絡服務定制化的關鍵目標。該方向的主要研究機構包括清華大學、滑鐵盧大學、西安電子科技大學、中國人民解放軍國防科技大學等。

第四，在高效傳輸技術方面，星間激光通信被認為是實現(xiàn)高速星間鏈路的潛在技術，相比于基于射頻的星間通信，其可通過更小的天線尺寸實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。同時，由于激光光束的特性，星間激光鏈路具有更窄的波束和更高的指向性，從而能在消除干擾的同時提供更高的安全性。目前，工程應用中主要的星間鏈路通信方式仍然是微波通信，預計將于 2023 年年底實現(xiàn)初步的星間激光通信測試及部署。該方向的主要研究機構有北京航空航天大學、西安電子科技大學、東南大學、北京交通大學和美國東北大學等。

此外，低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)建設也是空天地海一體化通信組網(wǎng)的重要發(fā)展方向。銥星移動通信系統(tǒng)是目前最早計劃實施并部署的全球覆蓋衛(wèi)星網(wǎng)絡，提出于 20 世紀 90 年代。但由于資金和技術等原因，美國銥星公司破產(chǎn)重組，逐漸淡出人們的視野。2015年，美國SpaceX公司提出的“Starlink”讓低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡成為學術界和工業(yè)界的熱點，其宣布將發(fā)射上萬顆低軌衛(wèi)星為全球提供高速帶寬接入。截至目前，“Starlink”已經(jīng)完成初步部署，下載速度最高可達 301 Mbps，并向幾十個歐美國家提供了網(wǎng)絡接入。除此之外，中國也有多個預備建設的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，包括“天啟”“鴻雁”“蔚星”“星網(wǎng)巨型星座”等，其中最早的預計能于 2023 年年底完成部署。

“空天地海一體化通信組網(wǎng)理論與技術”工程研究前沿中核心論文的主要產(chǎn)出國家分布情況見表1.2.1。

中國的優(yōu)勢明顯，核心論文數(shù)排名世界第一，約為第二名加拿大的 3 倍。中國的國際合作對象主要是加拿大，并與英國、美國和日本等都有一定程度的合作（圖 1.2.1）。

排名前十的核心論文主要產(chǎn)出機構（表 1.2.2）中，滑鐵盧大學產(chǎn)出的論文最多。

另外，有 6 家機構來自中國，其余分布在日本、挪威和英國。在機構合作（圖 1.2.2）方面，中國的 5 家機構與滑鐵盧大學、2 家機構與薩里大學的合作較為密切，北京理工大學與挪威奧斯陸大學也有部分合作。

施引核心論文數(shù)量（表1.2.3）方面，中國排名第一（占比為 49.62%），第二名是美國，其余國家的占比均低于 10%；排名前十的施引核心論文產(chǎn)出機構（表 1.2.4）中，除第五名滑鐵盧大學外，其余都來自中國，體現(xiàn)了中國對該方向較高的關注度。目前，“空天地海一體化通信組網(wǎng)理論與技術”在國內外處于不同發(fā)展水平，但整體而言，都正處于設計和初步部署階段。

圖 1.2.3 為“空天地海一體化通信組網(wǎng)理論與技術”工程研究前沿的發(fā)展路線。從技術指標來看，到 2025 年，全球低軌衛(wèi)星的星座最大規(guī)模為千顆級別，預計到 2030 年，單星座衛(wèi)星規(guī)模將達到萬顆級別；從傳輸性能來看，未來5 年內，低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡的測試速率可達 500 Mbps，延遲最低可實現(xiàn) 60 ms，而在 2027 年到 2032 年，低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡的測試速率將達到最低 5 Gbps，延遲最低能實現(xiàn) 20 ms；從全球衛(wèi)星網(wǎng)絡總吞吐量來看，2022 年到 2024 年將達到 97 Tbps，而在 2025 年到2028 年將達到總吞吐量 218 Tbps，并在 2032 年前達到 820 Tbps。

從發(fā)展方向來說，目前該工程研究前沿主要發(fā)展方向有空天地海組網(wǎng)構建、星間通信技術、空天地海組網(wǎng)通信協(xié)議、衛(wèi)星多模融合終端和潛在應用開發(fā)五個主要方面。

其中，在空天地海組網(wǎng)構建方面，目前全球正處于初步的低軌衛(wèi)星星座骨干搭建與系統(tǒng)終端測試階段，預計到 2025 年年底完成星座骨干的搭建，并在 2032 年之前根據(jù)應用需求補充低軌和極低軌衛(wèi)星。

在星間通信技術方面，當前低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡星間通信技術較為薄弱，所使用的通信技術主要為微波通信，激光通信尚處研發(fā)階段，預計在 2025 年開始激光傳輸技術的普及和正式使用。

在衛(wèi)星多模融合終端方面，終端對質量、體積、異構組網(wǎng)兼容、應用集成等方面有較高要求，同時需要適應于多系統(tǒng)、多頻段、多網(wǎng)絡和多應用等。目前看來，有關衛(wèi)星多模的技術只處于初步階段，相關的產(chǎn)品也局限于網(wǎng)關與較大型終端，這給野外工作、邊境巡邏、應急搶險救援通信及單兵作戰(zhàn)等帶來極大的不便利性，預計在 2025—2032 年，便攜終端將能設計完成并投入市場。

在潛在應用開發(fā)方面，目前空天地海一體化組網(wǎng)與通信的應用場景主要集中于廣域寬帶接入、軍事通信、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等方面，應用范圍比較狹窄。未來將開始對更多潛在業(yè)務進行探索，以進一步發(fā)揮空天地海一體化網(wǎng)絡的潛在能力。除此之外，在 3GPP、IMT2030 等國際標準化組織的大力推動下，目前空天地海一體化通信與組網(wǎng)的標準化已經(jīng)正式起步，部分議程正在逐步開展，預計在未來 5~10 年中，相關的技術、協(xié)議、指標要求等都將進一步完善。

審核編輯 ：李倩