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Integrated Satellite-Terrestrial Networks Toward 6G: Architectures, Applications, and Challenges

这是一篇关于 ISTN + 6G Architecture 的综述, 很长, 不放原文了

  • 介绍了地面网络、卫星网络以及6G融合的背景知识
  • 对5种 TN-NTN 融合架构进行分类总结
  • 基于这些架构讨论了融合网络的五种典型应用案例
  • 考虑两种网络的独特特性, 指出集成时的主要挑战
  • 从融合架构的角度探讨了潜在前景技术

仅整理一下看完的笔记, 重点是前三章

Abstract 重点: 本文框架

  1. 对融合架构进行了执行层面的分类和总结, 聚焦架构设计和性能优化
  2. 星地融合网络的典型应用、独特特性与挑战
  3. 未来前景技术

Introduction 重点:

  • 背景:
    • 地面网络局限性: 覆盖不够
    • 下一代6G的要求: 除了信号强度外, 还需要覆盖范围
  • ISTN的提出:
    • 卫星通信网络, 因其广覆盖能力, 为解决覆盖问题提供了直接的解决方案
    • 地面网络(TN)在人口密集地区提供低成本、高速服务方面仍不可替代
    • 3GPP的Rel-15/16/17版本, 已研究TN与NTN的集成
  • 主观问题:
    • 当前, NTN 和 TN 是独立开发和运营的。如何实现集成?
    • 集成架构的演进应如何?
    • 集成管理问题: 传统的单网络方法无法解决集成移动性管理、路由、卸载和资源管理等新问题
  • 客观挑战:
    • 长传播延迟, 这点主要是聚焦 GEO
    • 复杂链路条件
    • 高动态性, 尤其是 LEO

Background 重点:

  1. Terrestrial Networks:
    • 地面蜂窝网络 (从1G到4G): 通信速度, QoS
    • 5G: 更高速率、更低时延、更大的连接性和改进的QoS
    • B5G (beyond 5G): 进一步提高数据速率、扩展通信空间并提高通信智能性
  2. Non-Terrestrial Networks:
    • 固有优势: 基于其自上而下的特性，能够为广阔区域提供服务
    • 轨道特点分类:
      • GEO: 运行在 36,000 km的固定轨道上. 提供最全面的覆盖, 但导致较大的传播延迟和信号衰减. 轨道资源几乎耗尽
      • MEO: 运行在 2,000 km 到 36,000 km 之间. 传播延迟和信号衰减小于GEO, 覆盖范围大于LEO. 轨道资源相对充足
      • LEO: 运行在 500 km 到 2,000 km 之间. 由于低轨道, 传播延迟和信号衰减远小于GEO和MEO卫星. 轨道资源相对充足
    • 服务类型分类:
      • 固定卫星服务(FSS): 使用固定地面设备, 常用于GEO卫星, 如: VSAT通信和电视广播
      • 移动卫星服务(MSS): 使用便携式移动设备, LEO卫星网络因信号衰减较小而更适合MSS
    • "友商":
      • O3b: MEO. 12个. 高度 8000km
      • Iridium: LEO. 66个. 高度 780km
      • Globalstar: LEO. 48个. 高度 1400km
      • Starlink: LEO. 42000个(目标). 高度 340km ~ 1150km
      • OneWeb: LEO. 648个. 高度1200km
      • Telesat: LEO. 300个. 高度1000km
  3. ISTN架构:
    • ISTN由常规地面网络和用于扩展覆盖的卫星组成
    • 地面网络, 在发达地区提供服务
    • 卫星网络, 则将连接扩展到农村和偏远地区
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Integrated Architecture 重点: ISTN的5种设计架构

  1. HSTRN:
    • 全称: Hybrid Satellite-Terrestrial Relay Networks
    • 目标: 通过在NTN中引入"地面中继"来克服卫星与用户之间通信链路不稳定的问题
    • 架构有两种:
      • Basic Relay:
        • 特点: 卫星与用户之间由于遮蔽效应没有直接链路
        • DataFlow: 当卫星与用户之间没有直接链路时, 卫星将信号传输给地面中继; 再由地面中继通过地面链路转发给卫星用户
      • Cooperative Relay:
        • 特点: 将被遮蔽的直接链路和中继链路同时考虑在内
        • DataFlow: 卫星将信号广播给地面中继和用户, 地面中继通过地面链路将接收到的信号转发给卫星用户
        • 优点: 用户结合在两个阶段接收到的信号, 提高性能
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    • 缺点: 没有集成地面蜂窝网进来
  2. STBN:
    • 全称: Satellite-Terrestrial Backhaul Networks
    • 目标: 解决在农村和偏远地区, 因经济和地理限制难以部署光纤回程链路的难题. 通过卫星回程扩展网络覆盖
    • 部署:
      • 针对小规模的地面网络, 每个BS/接入点可独立建立回程链路
      • 针对大规模网络, 可部署带天线阵的地面 Gateway, BSs/接入点 通过光纤或WLAN连接到该Gateway进行回程传输
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  3. CogSTN:
    • 全称: Cognitive Satellite-Terrestrial Networks
    • 目标: 应对频谱资源不足的问题, 通过 认知无线电(CR) 技术实现频谱共享和动态利用, 提高频谱效率
    • 架构有两种:
      • Basic Cognitive Architecture:
        • 特点: 主卫星网络 (有频谱许可证, 可随时传输) 和 次地面网络 (Secondary Network, 共享频谱, 但传输时不得影响主网络的正常运行)
        • 认知模式:
          • Underlay: 次网络与主网络同时共享频谱, 只要对主网络的干扰不超过可容忍限度即可
          • Overlay: 次网络在传输自身数据的同时, 帮助提高主网络的传输
          • Interleave: 次网络仅在主网络的许可频谱空闲时才允许传输
      • Cognitive Relay Architecture:
        • 特点: TODO
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  4. CooSTN:
    • 全称: Cooperative Satellite-Terrestrial Networks
    • 目标: 充分利用地面网络提供低成本、高速服务的能力和卫星网络提供无处不在的覆盖的能力, 以推动无线网络发展
    • 架构有两种:
      • Complementary Architecture (互补架构):
        • 机制: 卫星网络和地面网络互补, 需要双模终端
          • User 在地面网络覆盖区域, 直接接入TN
          • 当User移动到没有地面网络覆盖的区域（农村、海空）时, 切换到 NTN 以实现持续服务
        • 需要对两个网络进行集成的移动性和资源管理, 以实现无缝接口
      • Enhanced Architecture (增强架构):
        • 场景: 适用于地面链路较弱或不足的区域
        • 机制: 用户使用双模终端, 可以同时访问卫星网络和地面网络。两个网络合作提供增强的通信服务
        • 应用:
          • Traffic Offloading: TN容量有限或高峰期超载时, 部分流量可卸载到NTN, 减轻TN压力
          • Fork and Reduce: 利用两个并行链路(TN+NTN) 同时传输, 通过空间分集提高通信容量和可靠性. 端侧可采用MRC技术合并信号
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  5. SATN:
    • 全称: Satellite-Air-Terrestrial Networks
    • 特点: 在传统的"卫星-地面"两层架构基础上, 集成了航空网络, 形成三层架构
      • 高空平台(气球): 可提供准静止的农村覆盖
      • 低空平台(无人机): 具有高机动性, 可灵活用于 增强热点区域的传输 / 为IoT提供临时无线接入服务

Challenges for Integration 重点:

这一部分很虚, 主要积累一下: “从哪些角度入手Challenges for LEO”

  • Long Propagation Delay
  • Complex Characteristics of Link Conditions
  • Mobility and Handover Management
  • Traffic Offloading in the Integrated Network
  • Routing and Path Selection
  • Resource Management
  • Security Guarantee