空天地海一體化網絡是以地基網絡為基礎，天基網絡、空基網絡和海基網絡為補充和延伸，為廣域空間范圍內的各種網絡應用提供泛在、智能、協同、高效的信息保障基礎設施。

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

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

然而，由于現有各通信系統機制不統一，資源分布差異性強，無線信道更加復雜多變，且網絡安全性難以保證，空天地海一體化網絡亟須在網絡架構、通信協議、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）力主推進非地面網絡（non-terrestrial network，NTN）（包含衛星、無人機等所有非地面網絡）與地面蜂窩網絡融合，使得 NTN 成為 5G 網絡以及未來 6G 網絡中的一部分，從而形成互聯互通的空天地海一體化網絡。另一個趨勢是以軟件定義網絡和網絡功能虛擬化技術為核心的虛擬化網絡架構，形成高效、全局可控、低成本的空天地海一體化網絡管控架構。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，在通信協議設計方面，CCSDS 協議通過對相鄰幀的迭代處理，可實現空天地海網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的配套交換能力；DVB 系列協議克服了傳統上行鏈路功率控制對射頻前端體積的限制，有效提高了衛星通信鏈路的頻譜效率，從而能進行空間段的優化，并大幅度降低基于衛星的 IP 服務成本。然而，這兩種協議提出的時間較早，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絡通信協議。

第三，在網絡資源管控方面，目前主要有兩個研究趨勢：一是 AI 驅動的資源管控技術，它能適應傳統空天地海融合網絡中網絡節點多、決策空間大、資源異構的特點，從而有效提高網絡資源的利用率；二是以服務功能鏈或者網絡切片為載體的資源調度技術，它通過軟件定義網絡和網絡功能虛擬化技術將全網資源切片化，在保障用戶之間業務隔離性的同時，亦能保障多維需求指標的滿足，從而實現未來網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更高的數據傳輸速率。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，低軌衛星星座系統建設也是空天地海一體化通信組網的重要發展方向。銥星移動通信系統是目前最早計劃實施并部署的全球覆蓋衛星網絡，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”讓低軌衛星網絡成為學術界和工業界的熱點，其宣布將發射上萬顆低軌衛星為全球提供高速帶寬接入。截至目前，“Starlink”已經完成初步部署，下載速度最高可達 301 Mbps，并向幾十個歐美國家提供了網絡接入。除此之外，中國也有多個預備建設的低軌衛星通信系統，包括“天啟”“鴻雁”“蔚星”“星網巨型星座”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理論與技術”工程研究前沿中核心論文的主要產出國家分布情況見表1.2.1。

中國的優勢明顯，核心論文數排名世界第一，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出機構（表 1.2.2）中，滑鐵盧大學產出的論文最多。

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理論與技術”在國內外處于不同發展水平，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理論與技術”工程研究前沿的發展路線。從技術指標來看，到 2025 年，全球低軌衛星的星座最大規模為千顆級別，預計到 2030 年，單星座衛星規模將達到萬顆級別；從傳輸性能來看，未來5 年內，低軌衛星網絡的測試速率可達 500 Mbps，延遲最低可實現 60 ms，而在 2027 年到 2032 年，低軌衛星網絡的測試速率將達到最低 5 Gbps，延遲最低能實現 20 ms；從全球衛星網絡總吞吐量來看，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。

從發展方向來說，目前該工程研究前沿主要發展方向有空天地海組網構建、星間通信技術、空天地海組網通信協議、衛星多模融合終端和潛在應用開發五個主要方面。

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

在星間通信技術方面，當前低軌衛星星座網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。

在衛星多模融合終端方面，終端對質量、體積、異構組網兼容、應用集成等方面有較高要求，同時需要適應于多系統、多頻段、多網絡和多應用等。目前看來，有關衛星多模的技術只處于初步階段，相關的產品也局限于網關與較大型終端，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。

在潛在應用開發方面，目前空天地海一體化組網與通信的應用場景主要集中于廣域寬帶接入、軍事通信、物聯網、車聯網等方面，應用范圍比較狹窄。未來將開始對更多潛在業務進行探索，以進一步發揮空天地海一體化網絡的潛在能力。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的標準化已經正式起步，部分議程正在逐步開展，預計在未來 5~10 年中，相關的技術、協議、指標要求等都將進一步完善。

審核編輯 ：李倩