面向6G的天地一体化信息网络架构研究

摘要：6G网络将天地一体化作为核心目标，要求构建智能、按需定制的天地一体化信息网络架构。该架构需具备弹性、敏捷、韧性等特性，支持智能网络管理与控制，通过虚拟化、云原生技术实现按需组网与资源调度。天地一体化信息网络将融合计算、大数据、人工智能、区块链等技术，满足6G场景下的高效、安全、灵活需求，为万物智联和数字孪生提供基础支持。

摘要

关键词**：** 天地一体化信息网络 ; 网络架构 ; 网络管理和控制 ; 网络虚拟化

1 引言

由于空间网络在覆盖范围和移动接入等方面与地面网络具有显著的互补性，随着地面互联网、移动通信网络和空间网络的业务逐步融合，统一的天地一体化信息网络的构建成为6G网络的重要特征。6G网络通过高轨卫星网络、中低轨卫星网络、临空网络和地面移动通信网络等协同构建立体移动通信网络，实现全球无缝立体覆盖，从而实现无盲区的宽带移动通信发展目标。

2 天地一体化信息网络发展概述

2.1 6G网络架构愿景

随着5G大规模商用，用户通信能力和服务质量得到了显著提升，同时推动了垂直行业全面数字化转型。面向2030年及未来，智能化、绿色化和节能化将成为社会发展的主要方向。从移动互联发展到万物互联，再到万物智联，6G将不断推动从服务于人与物，到支撑智能体高效联接的跃迁。通过人机物智能互联、协同共生的模式，6G将满足经济社会高质量发展需求，助力智慧化生产与生活，从而推动构建普惠智能的人类社会。

随着信息与通信技术的深度融合，6G技术将整合包括融合计算、大数据、人工智能和区块链在内的多项前沿科技，实现通信、感知、计算和网络的有机融合。6G技术将充分利用低频、中频和高频频谱资源，实现空天一体化的全球无缝隙覆盖，随时、随地提供安全可靠的智能化连接服务。

新型网络将整合万物智联与智能体高效互通，具备智慧内生、数字孪生、安全内生等功能。6G将实现人与人、人与物、物与物之间的高效智能互联，打造一个实时反映和预测物理世界真实状态的数字孪生世界，构建一个万物智联、数字世界与物理世界深度融合的6G时代，最终将实现"万物智联、数字孪生"的美好愿景。

为实现6G美好愿景，6G网络架构应从管理智能转向智能内生，从多体制多协议转向统一协议体系，从地面通信转向天地一体化通信，从非补丁式、外挂式的安全架构转向内生安全架构。该架构应具备智慧内生性、安全内生性、空天一体化、通感一体化、算网一体化等特征。

空天地一体化是6G网络的重要特征。天地一体化的网络架构将在体制、协议、网络、业务、终端等方面实现全面整合，通过天基、空基网络与地面移动通信网络的深度整合，构建天地一体化的网络架构，实现全球立体覆盖，满足地表及立体空间的全域、全天候的泛在覆盖需求，确保用户在任何位置、任何时候都能按需接入。通过天地一体化的多接入融合，6G网络将提供更快的接入速率、更优的服务质量（QoS）和更高的可靠性，为用户提供持续稳定的通信服务。

2.2 天地一体化信息网络发展现状

卫星通信技术的快速发展催生了空间与地面网络两大独立的通信网络体系。为了促进高效资源共享与互联互通，天地一体化信息网络逐渐成为全球关注的焦点。

自20世纪90年代以来，伴随着移动卫星通信技术的进步，卫星与地面移动通信的融合逐渐成为研究的热点。早期的北美卫星移动通信（MSAT）系统借鉴了全球移动通信系统技术的诸多特点；而低轨卫星星座“铱”卫星（Iridium）则以全球移动通信系统技术作为设计蓝本。在卫星技术与移动通信技术的持续发展过程中，天地一体化信息网络的构建与应用研究也逐渐成为学术界关注的焦点。

在天地一体化信息网络领域，吴曼青等基于现有研究成果构建了天地一体化信息网络的总体架构设想，并对网络技术体系进行了系统梳理。重点论述了天网地网架构、天地一体网络协议、天地融合移动接入、安全保密以及运维管控等关键领域。提出了基于‘天网地网’的架构思路，认为两张网络相互配合共同构成了天地一体化信息网络。李贺武等对以卫星通信系统为代表的天地空间网络体系结构的研究现状及发展趋势进行了分析。研究结果表明，天地一体化信息网络的体系结构、组网结构以及关键技术如路由、端到端传输和安全控制等问题均存在一定的研究难点和发展趋势。参考文献中提出的组网结构中，空间网络主要包含由高轨卫星构成的天基主干网、由地面关口站构成的地基主干网，以及由各类卫星、星座和邻近空间飞行器等设备组成的多种空间接入网络；而地面网络主要包含由地面互联网和移动通信网构成的主干网络以及用户接入网络。通过设置天地一体化信息网络互联节点，实现了空间网络、地面互联网和移动通信网的互联互通和有效融合。BERTAUX等将网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）技术应用于卫星网络架构设计中，认为SDN带来了设计上的灵活性、自动化和定制化优势，而NFV则通过实现灵活的业务发布和缩短新业务开发周期，显著提升了网络性能。

随着5G技术逐渐完善，国际标准化组织如ITU、3GPP等开始着手研究星地融合通信的标准化问题。ITU组织提出了卫星融合通信的4种典型应用场景。在5G网络设计初期，3GPP就已经将支持卫星接入作为技术方案之一。在2017年，3GPP SA1工作组在制定5G系统标准TS22.261时，明确提出了5G系统需要支持卫星接入的要求，并指出卫星无线接入网络可作为5G接入技术之一。随后，3CPP SA1进一步研究了卫星通信与5G系统融合的具体应用场景和需求。该组织对卫星提供5G无线接入和回传服务的12个典型用例进行了深入研究，并归纳提炼出关键的业务需求和系统需求。基于此，3GPP SA2工作组在R16版本中着手研究融合卫星通信的5G网络架构，通过分析5G网络中支持卫星接入和卫星回传的关键技术问题，提出了相应的解决方案。

3 面向6G的天地一体化信息网络架构需求

3.1 天地一体化信息网络架构面临的挑战

传统的天基卫星移动网络与陆地蜂窝网络各自独立发展，组网间存在孤岛现象，系统间互通性不足，难以满足6G天地一体化信息网络的发展需求。这需要通过天基网络与地面移动通信网络深度融合，构建统一高效的智能网络架构，实现多网融合，提升网络传输效率和性能，优化网络成本结构，增强网络部署灵活性和业务运营质量。

相较于传统的卫星或地面移动通信网络，天地一体化信息网络在经历了网络结构从平面到立体、时空跨度显著扩大的根本性转变，以及传输能力、移动能力、路由能力、覆盖能力等节点能力的全面升级后，面临着网络架构优化、组网方式创新、业务连续性保障以及网络容量提升等方面的挑战。

（1）网络架构挑战

面向6G的天地一体化信息网络由高轨卫星与中低轨卫星构成的卫星网络，为应对临时需求，如升空气球、飞艇和无人机等组成的临空网络，以及陆地蜂窝网络提供服务。该网络节点具有立体多层次分布、高速运动以及功能和组网特性分布不均等特点。由于其网络组成结构差异显著，网络资源难以实现统一整合，从而难以形成高效的服务保障体系；同时，通信协议间的差异导致信息传输时的协议转换开销较高；此外，网络管理与控制功能分散，导致管理效率低下且复杂度高；最后，用户与业务的分布不均衡，且网络拓扑和架构具有动态变化的特点。如何构建包含统一空中接口协议和组网协议的、功能模块化、智能化且以用户为中心的服务化网络架构，使其能够适应多种部署场景和满足多样化的业务需求，成为实现天地一体化信息网络面临的重要挑战。

（2）业务连续性挑战

天地一体化信息网络系统面临天基和空基网络节点呈现高速运动特征，导致网络拓扑呈现高度动态性。同时，不同层次网络之间的传输时延差异显著，通信链路性能变化显著，星地、星间、空基链路的稳健性较差，形成了多尺度异构网络组网难题。低轨卫星呈现快速运动特征，针对固定区域，频繁出现服务卫星配置变化现象。区域内用户数量较多时，将出现星间切换问题。天地一体化信息网络针对多类型、大容量、分布不均衡的业务需求，卫星间的路由转发机制存在复杂性、高效性、可靠性与安全性等多重挑战，而网络路由的建立与维护具有高度复杂性。为了实现6G业务的连续性与服务质量保障需求，确保网络实现无缝覆盖的可靠连接，如何突破异构网络间移动性管理的封闭性问题，将保障天地协作高效业务的连续性，成为天地一体化信息网络系统面临的重要挑战。

（3）网络能力适配和服务保障挑战

天地一体化信息网络将覆盖全场景的服务，网络则应能够基于不同的业务需求提供相应的网络服务能力。例如，在某些特定的业务场景中，终端可能需要同时接入多种卫星接入网络和/或地面接入网络。同时，天地一体化信息网络面临时延波动显著、用户和馈电链路频繁切换、星间/星地网络拓扑动态变化等一系列影响服务质量的因素。因此，如何准确感知业务需求并提供相应的网络服务，以及如何实现面向天地一体化信息网络的服务质量保障，是天地一体化信息网络在业务支撑方面所面临的主要挑战。

3.2 天地一体化信息网络架构需求

6G网络架构将沿用云化演进路线，使网络既简洁又高效。在架构演进过程中，应遵循控制与转发分离、按需无状态等服务化架构的基本要求。服务化架构不仅包含核心网控制平面，还包括核心网用户平面以及基站。根据不同应用场景，网络功能将逐步解耦、简化并进行定制，以满足未来多样的业务需求。

卫星网络具有动态变化的拓扑结构，受限于发送功率、信息处理能力和传输时延等特性，使得天地一体化组网呈现出显著的复杂性。这些特点要求简单的业务互通和体制融合难以满足6G网络对智能、极简和按需定制的高要求。因此，面向6G的天地一体化信息网络必须是一个高度融合的系统，需要在网络架构、功能模块、空中接口传输等方面实现全面的深度融合，通过统一的用户管理和安全机制实现全网的统一管理，以满足日益增长的网络智能化需求。

天地一体化信息网络应该具有以下特点。

简洁：对于天地一体化信息网络，应尽量减少其层级、种类、类型、数量和接口的数量，以降低运营维护的复杂度和成本。通过采用分布式人工智能、SDN和NFV等技术手段，构建一个能够根据需求进行调整、具备弹性伸缩能力，并且具有自组织和自演进能力的分布式网络架构。

该网络系统应具备程序化运行能力，要求网络资源应具备弹性可扩展性特征，通过灵活可控性、融合演进性以及弹性定制性等特性实现网络的综合性能提升。该网络系统有助于网络和业务的快速部署与保障，使网络更加智能化和灵活化，具备更高的适应性与弹性特征。

韧性：天地一体化信息网络基于自适应弹性伸缩架构，通过软件定义网络和虚拟化技术的集成应用，构建了一个灵活高效、按需可扩展的网络能力资源池。该资源池支持网络能力的按需定制、动态部署以及弹性伸缩功能，以确保天地一体化信息网络的可靠性与稳定性。

天地一体化信息网络应具备在统一网络架构下按需配置功能或服务模块，并通过灵活调度实现资源的动态编排能力。该网络体系能够实现统一规划和部署，有效改善现有分散、分域的网络架构，避免高投入、低效能的现状。

4 面向6G的天地一体化信息网络架构

4.1 天地一体化信息网络架构

面向6G的天地一体化信息网络将以用户/业务为中心，服务多种通信场景。为了在不同场景下提供高效的网络服务和确保用户体验，天地一体化信息网络架构需具备灵活适变的能力，能够根据不同的场景和业务需求多尺度构建服务网络。天地一体化信息网络通过网络功能重构，可以增强网络活力，降低运营成本，促进网络开放与业务创新，采用模块化功能设计模式，并通过功能组件的组合，构建满足不同应用场景需求的网络。天地一体化信息网络架构如图1所示。

图1 天地一体化信息网络架构

面向6G的天地一体化信息网络系统将由低中高轨道卫星与地面通信系统协同构建。

（1）地面通信系统

地面通信系统由地面移动通信网络和智能网络管理与控制系统构成，是天地一体化信息网络的核心。天地一体化信息网络通过构建网络全局视图，统一管理地面通信系统和卫星通信系统。为了实现统一协调的卫星和地面网络资源配置以及按需构建天地一体化信息网络，地面通信系统中的智能化网络管控平台用于管理和控制卫星网络和地面蜂窝通信网络之间的网络拓扑结构。

（2）中低轨卫星网络

中低轨卫星不仅提供普通接入网功能，还可以根据业务需求集成定制的核心网功能，例如可集成移动性管理、会话管理和用户面等网络功能。配置网络功能后，每个卫星不仅可独立构成服务网络和终端，还可作为接入网节点连接其他卫星或地面核心网。当卫星独立运行时，其间的链路仅承载业务数据，从而避免在控制平面引入地面信关站的馈电链路，降低控制平面时延，并减少对星间接口协议的依赖，使星间链路可采用统一接口，实现星间路由的灵活配置。

（3）高轨卫星网络

在天基网络体系中，高轨卫星主要承担着两个关键功能：首先，它负责管理区域内中低轨卫星的星间网络拓扑结构，并独立构成卫星网络中的单个自治域；其次，除了支持中低轨卫星的核心网功能外，它还能够负责域内管理和控制任务。高轨卫星上的域内管理和控制平台主要接收其自治域内卫星节点或链路的异常状态信息，并根据业务特性、网络拓扑、网络负载等动态调整网络结构。在紧急情况发生时，该平台还可以根据地面控制中心的指令以及域内卫星网络节点的可用性、安全性、负载等信息进行网络重构。

天地一体化信息网络架构根据功能可以划分为管理平面、控制平面和数据转发平面，如图2所示。数据转发平面包括高轨卫星节点、中低轨卫星节点和地面数据平面，主要用来进行数据转发。控制平面包括网络路由控制和网络功能控制两部分。网络路由控制主要通过可编程的卫星网络分布式架构来实现天地一体化信息网络的路由动态规划和负载均衡。网络路由控制功能主要负责节点状态、网络拓扑及状态的实时采集，即实时采集网络链路流量情况；基于全局网络和流量视图，面向关键业务进行端到端路径的集中计算和实时部署；实现控制器在故障情况下的快速恢复、关键功能的在线部署、升级；实现地面网络管理和控制平台与卫星网络管理和控制平台之间的状态数据同步性，保证相关配置数据、策略数据在设备意外冷启动后的快速恢复。网络功能控制主要通过在虚拟化平台上实现移动通信的网络功能，实现接入控制、移动性管理、会话管理等核心网功能和接入网功能。智能网络管理和控制系统是天地一体化信息网络的管理平面，主要负责根据业务需求和网络资源情况进行网络路由的动态规划和网络功能的动态重构。例如智能网络管理和控制系统可以根据组网形态、业务需求和网络资源情况，在卫星节点部署不同的网元功能，实现网络功能的定制和按需重构。通过智能网络管理和控制系统在天基和地基之间、不同卫星子网间、同层网络不同卫星节点间实现网元功能的柔性分割。例如：地面移动通信网络具有更强处理能力，可以实现完整的网络功能；在天基网络根据网络部署和业务需求，实现轻量化、可裁剪的网元功能，例如对于处理能力强的卫星节点，如高轨或部分低轨卫星，可以通过部署控制网元功能使其成为网络控制节点；而对部分处理能力弱的卫星节点，只部署数据转发平面功能进行数据处理和发送。

图2 天地一体化信息网络架构根据功能划分

4.2 智能网络管理与控制系统

为满足天地融合网络架构弹性可重构的需求，天地一体化信息网络的智能网络管理与控制系统将基于人工智能技术，根据用户需求数据、网络运行数据、网络拓扑数据、星历数据等，进行智能分析与业务需求匹配的网络能力的提取。智能网络管理和控制系统可以根据业务需求，按需、自动化地对网络资源进行管理和调度，结合天地一体化信息网络中增强的网络控制、分析和采集能力，形成动态跨域资源的实时自治闭环系统，实现网络的智能分析、编排与优化，避免网络资源的浪费，快速调整网络服务能力，保障重点用户的业务需求。同时，该系统还应具备端到端的网络策略管理能力，结合用户的业务需求、网络状态和资源现状，进行智能决策与策略下发。

如图3所示，智能网络管理与控制系统架构被详细展示了。该系统由智能管理和控制引擎以及异构跨域网络资源管理和编排系统两部分组成。其中，该系统不仅包括部署于地面的智能网络管理与控制平台，还涵盖了部署于卫星的域内网络管理与控制平台。通过网络资源协同和编排系统的有效运作，该系统实现了天地一体化信息网络的资源协调与调度，最终完成了从端到端的网络管理和业务控制。

图3 智能网络管理与控制系统架构

智能网络管理与控制引擎基于多维智能感知数据模型和多方协商/共享机制的协同运作，支持计算、数据、算法与网络的深度融合。通过分布式人工智能算法，实现对天基和地面网络的态势感知，并构建涵盖这两类网络的全局网络视图。该引擎通过智能化管理与控制，实现零接触组网策略，根据网络运行状态、业务需求等动态调整网络架构，自动配置网络资源，并智能生成网络组网策略。具体而言，对于具有高优先级的用户，可以为其分配高QoS等级的网络连接；在低轨卫星网络出现拥塞情况时，系统会自动配置网络资源，以优先保障该用户的网络连接。而对于对时延不敏感的业务或优先级较低的用户，则可以选择通过高轨卫星进行数据传输。该管理与控制引擎突破了物理与虚拟网络的界限，支持端到端的业务管理流程，为现有烟囱式网络和网管系统向6G智能管理和数字孪生系统演进提供了技术基础。通过该引擎实现的网络架构自动管理，不仅降低了运营成本，还缩短了业务部署周期。同时，该引擎支持灵活的信息模型构建，通过抽象化处理网络相关资源，实现了对产品、服务、资源等的高效整合，从而快速搭建数据源整合、业务虚拟化、业务保障与分析等功能模块。

为了达成不同场景和业务下的网络资源智能管理和编排目标，需要解决天地一体化信息网络的异构网络资源管理与调度难题。网络资源协同与编排系统通过多领域协同编排实现了中低轨道卫星和高轨卫星之间的网元功能配置，可根据网络运行状况和业务需求灵活调整卫星资源的配置；同时，基于智能网络管理和控制引擎的网络资源部署策略与业务需求协同，实现了天基与地基网络的计算资源、安全策略、应用管理、业务管理等方面的有机统一，完成了按需端到端的网络资源配置与编排任务，提升了异构网络资源的综合利用率。

4.3 天地一体化信息网络虚拟化技术

6G网络架构将朝着云化方向持续发展，遵循云原生软件设计原则，通过云原生架构，网络功能能够快速构建、部署和发布。服务化的网络架构不仅包含核心网的控制面和用户面，还包括各类型的基站。针对不同应用场景，网络功能将进一步实现解耦、简化以及定制化，以更好地适应未来多样的业务需求。天地一体化信息网络云化基础平台架构如图4所示。

图4 天地一体化信息网络云化基础平台架构

天地一体化的多样化应用将传输大量数据信息，这要求必须具备强大的计算、存储和传输能力。这些能力必须以最低的计算负载和功耗实现。天基网络必须满足适应太空恶劣环境的基本要求，同时天基设备难以进行维修维护、难以进行软硬件升级替换。即使部分设备发生故障或损坏，仍需保证提供正常的网络服务。因此，天地一体化信息网络向云化发展必须依靠轻量级、高可靠性和高故障隔离度的虚拟化技术。

容器作为操作系统级别的虚拟化技术，通过隔离技术将进程分隔开来。相比而言，容器在轻量性和管理便捷性上具有显著优势。此外，作为应用打包技术，容器制定了统一的标准格式，从而显著简化了应用的开发、部署和移植流程。通过分层缓存和集中式存储技术，容器能够有效推动网络元向微服务方向转型，从而加速软件开发和部署过程。

该系统通过容器技术实现天地一体化信息网络的虚拟化，基于云原生技术构建和运行支持弹性扩展的网络功能。通过容器化封装实现虚拟化组件的重用，简化虚拟化平台的维护工作。将网元功能部署到容器内，作为独立单元实现资源的高隔离性管理。通过集中编排调度系统实现虚拟化资源的动态管理与调度流程。

基于云原生的虚拟网络功能（VNF）采用高度可扩展的架构设计，支持分布式状态管理和异步消息处理机制，通过高效的轻量级容器技术实现按需扩展和故障转移功能。通过与高度自动化的智能网络编排系统协同工作，整体服务响应速度和系统稳定性得到了显著提升。

在天基网络中，基于云原生的虚拟网络功能通过微服务架构构建并部署于容器环境，可实现网络功能快速启动。此外，还可以根据业务需求动态添加微服务以处理新增的网络容量或备份需求，从而实现网络部署的灵活性和高可靠性。

该天地一体化信息网络的网元架构需要实现微服务的解耦。首先进行垂直方向的解耦，即将控制平面与数据平面分离，并实现无状态化处理。随后进行水平方向的解耦，将单体结构拆解为分布式、松耦合的多个微服务。微服务之间能够实现独立开发、独立升级，从而促进业务快速迭代。

5 结束语

为构建6G的美好愿景，6G网络必须从管理智能转向智能内生，从多体制多协议转向统一协议体系，从地面通信转向天地一体化通信，从补丁式的外挂安全转向内生安全。在6G时代，移动通信网络必须在任何地点、任何时间，以任何方式为用户提供服务。为了应对6G业务和部署场景不断扩展的需求，天地一体化信息网络的构建成为6G网络的重要特征。天地一体化信息网络架构应具备动态可重构特性，形成高效能、无阻塞的多维多域互联能力，实现按需组网和高效的多域多维度网络管控。目前，天地一体化信息网络的研究仍处于起步阶段，通过研究天地一体化信息网络体系架构、组网协议、路由交换和网络管理，实现天地一体化信息网络的分阶段、有序推进和部署。