【日本 6G 三线并进·第 6 篇】非地面网络HAPS、卫星与量子安全摘要这是系列第 6 篇也是三条技术主线的收官之作。前五篇分别讲了光通信 IOWN第 2、3 篇和无线接入 AI-RAN/太赫兹第 4、5 篇。这一篇进入最后一条线——非地面网络NTN。软银 HAPS 完成日本首次跨太平洋飞行与通信验证KDDI 签署亚洲首个 Starlink Mobile V2 协议东芝开发出仅 1.6 公斤的低轨卫星 QKD 系统NTT DOCOMO 等三家公司启动东京—名古屋—大阪约 600 公里广域量子加密通信网络建设。三条技术线在此汇合构成“空天地海一体化”的 6G 网络完整图景。附可运行的 MATLAB 仿真代码。标签#HAPS#NTN#Starlink#QKD#量子安全#非地面网络#软银#KDDI#东芝#NTT_DOCOMO#6G一、为什么需要非地面网络地面网络的物理极限前五篇讨论的 IOWN 光通信和 AI-RAN 无线接入本质上都是地面网络。但地面网络有一个无法回避的物理约束光纤和基站需要物理基础设施无法覆盖海洋、高山和灾害废墟。日本的地理条件使这个问题格外突出。日本是一个岛国国土面积约 38 万平方公里但领海和专属经济区面积约 447 万平方公里是国土面积的近 12 倍。离岛、海上、山间部长期存在通信盲区。而在灾害场景下——地震、海啸、台风——地面基站和光缆极易被摧毁通信中断会严重阻碍救援。日本总务省在《周波数再編アクションプラン》中明确指出NTN 的核心价值在于**“離島、海上、山間部等の効率的なカバーや自然災害を始めとする非常時等に備えたネットワークの冗長性の確保”**——高效覆盖离岛、海上和山区并确保灾害等非常时期的网络冗余。非地面网络由三个层次构成平流层的 HAPS、低轨卫星LEO、以及基于量子力学的安全通信QKD。三者分别解决覆盖、容量和安全三个维度的问题。二、HAPS平流层里的“空中基站”2.1 软银 × Sceye日本首次 HAPS 通信验证2026 年 9 月 2 日软银与 Sceye 宣布成功完成日本首次 HAPS 通信试验服务。Sceye 的 LTA轻于空气型 HAPS 于 2026 年 8 月 9 日从美国新墨西哥州罗斯韦尔出发在平流层飞行超过15,000 公里历时约13 天于 8 月 23 日抵达日本上空。抵达日本后HAPS 在高知县室户岬外海上空长期滞留与软银的核心网络连接完成了以下通信验证智能手机语音通话包括紧急呼叫文本消息收发视频观看和视频通话等大容量数据通信大规模灾害时的紧急警报邮件系统运作验证HAPS 与无人机之间的通信面向 3D 通信网络HAPS 边缘计算世界首次将移动核心网和 Web 服务器搭载在 HAPS 上智能手机的通信无需经过地面网络直接在 HAPS 内部完成响应处理并返回结果Sceye 的 HAPS 被设计为单台覆盖约500 个地面基站的等效面积。软银计划2027 年以后在日本实现 HAPS 商用化。2.2 NTT DOCOMO 与 Space CompassAALTO 路线NTT DOCOMO 选择了另一条 HAPS 技术路线。2026 年 3 月NTT DOCOMO 和 Space Compass 宣布与欧洲的 AALTO空中客车旗下 HAPS 子公司建立资本业务合作最高出资1 亿美元目标在2026 年在日本启动 HAPS 服务。Space Compass 是 NTT 和 SKY Perfect JSAT 的合资公司其 HAPS 事业定位为“宇宙 RAN 事业”目标是利用 HAPS 实现网络的广域化、强韧化和省电化且终端用户可以使用日常的智能手机直接连接。值得注意的是日本防卫省已于 2026 年 5 月与 Space Compass 签订了国产 HAPS 调查研究合同合同金额约2.38 亿日元用于评估 HAPS 在离岛和偏远地区通信、部队机动展开中的应用潜力。三、卫星通信从 Starlink 到 Amazon Leo3.1 KDDI × SpaceX亚洲首个 Starlink Mobile V2 协议2026 年 8 月 10 日KDDI 与 SpaceX 签署了亚洲首个 Starlink Mobile V2 服务提供合同。在现有的“au Starlink Direct”卫星直连手机服务基础上KDDI 计划在2027 年内提供高速宽带数据通信和 VoLTE 语音通话。Starlink Mobile V2 相比第一代卫星实现了显著的性能提升指标第一代 StarlinkStarlink Mobile V2提升天线尺寸—扩大—单星吞吐量基准约 20 倍20×数据密度基准约 100 倍100×KDDI 与 SpaceX 的合作已从 2021 年延续至今。此前Starlink 已被用于 au 基站的回传线路和法人/自治体向的“Starlink Business”服务。灾害发生时KDDI 无偿提供 Starlink用于避难所的通信恢复。2026 年“au Starlink Direct”的应用范围进一步扩展到海外漫游连接、SOS 紧急求救、IoT 设备和 AI 无人机的直接通信。3.2 NTT 集团Amazon Leo 再销售协议NTT 集团选择了与 KDDI 不同的卫星合作伙伴。2026 年 6 月NTT 媒体供应NTT 集团旗下与 Amazon 的卫星宽带服务Amazon Leo签署了再销售协议。NTT 集团于 2024 年 6 月启动了宇宙业务品牌“NTT C89”其核心战略是推动TN-NTN 融合Terrestrial Network-Non Terrestrial Network即将地面网络与 NTN 无缝融合实现“任何地点都能无缝连接”的次世代通信基盘。四、量子安全QKD 与广域量子加密网络4.1 为什么需要 QKD量子计算机的威胁当前广泛使用的 RSA 和椭圆曲线加密其安全性依赖于经典计算机在有限时间内无法完成的大数分解或离散对数计算。但量子计算机的 Shor 算法可以在多项式时间内破解这些加密体系。东芝明确指出“压倒性的计算能力を持つ量子コンピュータの登場により、現在広く使われている公開鍵暗号は、将来的に解読されるリスクが指摘されており”。更紧迫的威胁是“Harvest Now, Decrypt Later”先收集、后解密攻击攻击者现在截获并存储加密通信数据等未来量子计算机成熟后再进行解密。这意味着现在传输的机密数据其安全窗口正在倒计时。QKD量子密钥分发利用量子力学原理——单光子不可复制、测量会扰动量子态——实现理论上无法窃听的密钥分发。任何窃听行为都会被通信双方立即检测到。4.2 东芝1.6 公斤的低轨卫星 QKD 收发系统2026 年 1 月 28 日东芝宣布开发出面向低轨卫星的 QKD 送受信系统同时实现了高速化和小型化。核心技术指标如下指标数据QKD 频率1 GHz每秒 10 亿次发射机重量1.6 公斤发射机体积20 × 10 × 10 厘米目标平台高度约500 公里的低轨卫星关键功能在卫星飞越地面站的数分钟窗口内生成大量密钥实证合作英国赫利奥特·瓦特大学完成卫星 QKD 与光纤 QKD 网络的连接验证东芝的路线图是2026 年度在无人机上搭载进行自由空间 QKD 验证2027 年度开展卫星实证试验。这项技术的核心挑战在于低轨卫星飞越地面站的可见窗口只有几分钟必须在极短时间内完成密钥生成和分发。东芝通过 1GHz 的高频 QKD 通信实现了这一目标。同时卫星 QKD 与地面光纤 QKD 之间的密钥标准化协议互连是构建“大陆横断量子安全网络”的关键基础技术。4.3 NTT DOCOMO × 东芝 × NEC东京—名古屋—大阪 600 公里广域量子加密网络2026 年 6 月 30 日NTT DOCOMO Business、东芝和 NEC 三家公司宣布开始建设连接东京、名古屋、大阪三大都市圈的约 600 公里广域量子加密通信网络。这是日本国内首个连接三大都市圈的量子加密通信网。项目分工如下东芝和 NEC提供 QKD 设备和物理基础设施建设NTT DOCOMO Business负责整体实证运营提供网络基础设施、数据中心和应用层NICT情报通信研究机构主导项目运营总务省牵头。建设时间表节点内容2027 年 3 月网络建设完成2027 年现场试验2030 年全面部署该项目面向医疗、金融、电力等对机密性要求极高的行业目标是验证量子技术在安全通信中的实用性应对“Harvest Now, Decrypt Later”攻击对国家安全和经济安全的威胁。参与方还包括 NTT-ME、Exeo Group、Sakura Internet 和德勤等企业显示出广泛的产业参与。五、MATLAB 仿真HAPS vs 卫星链路预算对比以下代码对比 HAPS20km和低轨卫星550km在相同地面距离下的链路预算差异直观展示 HAPS 在时延和路径损耗方面的优势。%% HAPS vs LEO 卫星链路预算对比仿真% 对比HAPS(20km)与LEO卫星(550km)在不同仰角下的路径损耗和时延clear;clc;close all;%% 参数设置c3e8;freq2e9;% 2 GHz (HAPS和卫星共用频段)lambdac/freq;Re6371e3;% 地球半径 (m)% HAPS参数h_haps20e3;% 20 kmPtx_haps40;% 发射功率 (dBm)Gtx_haps20;% 发射天线增益 (dBi)Grx_haps0;% 手机接收天线 (dBi)% LEO参数h_leo550e3;% 550 kmPtx_leo46;% 发射功率 (dBm, 卫星功率更大)Gtx_leo30;% 发射天线增益 (dBi)Grx_leo0;% 手机接收天线 (dBi)% 噪声BW20e6;% 20 MHzNF7;% 噪声系数 (dB)N_dBm-17410*log10(BW)NF;%% 仰角范围elevations10:5:90;% 仰角 10° 到 90°numEllength(elevations);FSPL_hapszeros(1,numEl);FSPL_leozeros(1,numEl);SNR_hapszeros(1,numEl);SNR_leozeros(1,numEl);delay_hapszeros(1,numEl);delay_leozeros(1,numEl);fori1:numEl elelevations(i)*pi/180;% HAPS 斜距 (考虑地球曲率)% 简化: d sqrt(h^2 (Re*sin(el))^2 2*Re*h) - Re*sin(el)d_hapssqrt(h_haps^2(Re*sin(el))^22*Re*h_haps)-Re*sin(el);% 卫星斜距d_leosqrt(h_leo^2(Re*sin(el))^22*Re*h_leo)-Re*sin(el);% 自由空间路径损耗FSPL_haps(i)20*log10(4*pi*d_haps/lambda);FSPL_leo(i)20*log10(4*pi*d_leo/lambda);% 接收SNRPrx_hapsPtx_hapsGtx_hapsGrx_haps-FSPL_haps(i);Prx_leoPtx_leoGtx_leoGrx_leo-FSPL_leo(i);SNR_haps(i)Prx_haps-N_dBm;SNR_leo(i)Prx_leo-N_dBm;% 传播时延delay_haps(i)d_haps/c*1000;% msdelay_leo(i)d_leo/c*1000;% msend%% 绘图figure(Position,[100100900380]);subplot(1,3,1);plot(elevations,FSPL_haps,b-o,LineWidth,1.5,MarkerSize,4);hold on;plot(elevations,FSPL_leo,r-s,LineWidth,1.5,MarkerSize,4);grid on;xlabel(仰角 (°),FontSize,11);ylabel(路径损耗 (dB),FontSize,11);title(路径损耗 vs 仰角,FontSize,12);legend(HAPS (20km),LEO (550km),Location,northeast);subplot(1,3,2);plot(elevations,SNR_haps,b-o,LineWidth,1.5,MarkerSize,4);hold on;plot(elevations,SNR_leo,r-s,LineWidth,1.5,MarkerSize,4);grid on;xlabel(仰角 (°),FontSize,11);ylabel(接收 SNR (dB),FontSize,11);title(接收 SNR vs 仰角,FontSize,12);legend(HAPS (20km),LEO (550km),Location,southeast);subplot(1,3,3);plot(elevations,delay_haps,b-o,LineWidth,1.5,MarkerSize,4);hold on;plot(elevations,delay_leo,r-s,LineWidth,1.5,MarkerSize,4);grid on;xlabel(仰角 (°),FontSize,11);ylabel(传播时延 (ms),FontSize,11);title(传播时延 vs 仰角,FontSize,12);legend(HAPS (20km),LEO (550km),Location,northeast);%% 输出fprintf( HAPS vs LEO 链路预算仿真结论 \n\n);fprintf(在仰角 30° 时:\n);idx30find(elevations30);fprintf( HAPS: 路径损耗 %.1f dB, SNR %.1f dB, 时延 %.2f ms\n,...FSPL_haps(idx30),SNR_haps(idx30),delay_haps(idx30));fprintf( LEO: 路径损耗 %.1f dB, SNR %.1f dB, 时延 %.2f ms\n,...FSPL_leo(idx30),SNR_leo(idx30),delay_leo(idx30));fprintf( HAPS相比LEO: 路径损耗少 %.1f dB, 时延少 %.2f ms\n\n,...FSPL_leo(idx30)-FSPL_haps(idx30),delay_leo(idx30)-delay_haps(idx30));fprintf(关键结论:\n);fprintf(1. HAPS路径损耗远低于LEO意味着手机可更低功率连接\n);fprintf(2. HAPS时延约%.2f msLEO约%.2f msHAPS更接近地面网络体验\n,...mean(delay_haps),mean(delay_leo));fprintf(3. HAPS覆盖范围直径100-200km远小于LEO单星但时延优势明显\n);fprintf(4. 二者互补HAPS做区域覆盖LEO做全球覆盖\n);运行环境MATLAB R2018b 及以上无需额外工具箱。仿真说明在 30° 仰角下HAPS 的路径损耗比 LEO 低约30 dB时延仅为 LEO 的约1/25。这意味着 HAPS 在提供区域覆盖时手机可以用更低的功率连接且用户体验接近地面网络。但 HAPS 的单台覆盖直径约 100—200 公里远小于 LEO 卫星因此二者互补——HAPS 做区域深度覆盖LEO 做全球广域覆盖。六、三条技术线的汇合空天地海一体化第 6 篇是系列三条技术主线的汇合点。用一张表来展示 NTN 如何与前五篇的技术协同协同场景涉及技术说明HAPS/卫星回传IOWN/APN NTNHAPS 和低轨卫星的骨干回传依赖光网络提供大容量、低延迟链路HAPS 边缘计算AI-RAN NTNHAPS 搭载边缘计算节点与 AI-RAN 的边缘 AI 推理能力协同太赫兹卫星链路太赫兹 NTN太赫兹可作为卫星与地面站之间的超高速馈电链路量子密钥分发QKDIOWN/APN量子密钥分发依赖光纤或自由空间光链路APN 光网络提供骨干传输灾害应急通信HAPSIOWN地面光缆中断时HAPS 提供应急接入光网络提供骨干恢复日本 6G 战略的最终图景是一个三层覆盖架构地面层IOWN/APN 光网络 AI-RAN 基站 7GHz/太赫兹无线接入平流层HAPS 提供区域覆盖和边缘计算太空层LEO 卫星提供全球覆盖QKD 提供量子安全保障。七、系列总结与下一篇预告六篇主体到此结束。回顾整个系列篇号主题核心突破第 1 篇总览日本 6G 三线并进战略框架第 2 篇IOWN上NICT 430Tbps 传输 NTT 200GHz 光电探测器第 3 篇IOWN下光网络可视化 DSP PEC 光电融合路线图第 4 篇AI-RAN软银×爱立信、DOCOMO×三星、KDDI、乐天移动四条路线第 5 篇太赫兹与 7GHz德岛大学 560GHz 112Gbps KDDI 7GHz 3.6Gbps第 6 篇本篇HAPS/卫星/量子安全软银 HAPS 跨太平洋验证 KDDI Starlink V2 东芝 QKD后续如果大家感兴趣可以加更以下方向KDDI 山手线毫米波车厢覆盖通过玻璃天线将车厢内 1Gbps 覆盖率从 40% 提升至 97%NTT OAM-MIMO 2Tbps 太赫兹100m 距离实现 2Tbps作为光纤替代方案日本 6G 标准与频谱政策解读WRC-27、3GPP Rel-21 和总务省的制度整备时间表。欢迎评论区点名想看的方向。