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【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 Compass：AALTO 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 Leo

3.1 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：

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：

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：

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 HAPS（20km）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c=3e8;freq=2e9;% 2 GHz (HAPS和卫星共用频段)lambda=c/freq;Re=6371e3;% 地球半径 (m)% HAPS参数h_haps=20e3;% 20 kmPtx_haps=40;% 发射功率 (dBm)Gtx_haps=20;% 发射天线增益 (dBi)Grx_haps=0;% 手机接收天线 (dBi)% LEO参数h_leo=550e3;% 550 kmPtx_leo=46;% 发射功率 (dBm, 卫星功率更大)Gtx_leo=30;% 发射天线增益 (dBi)Grx_leo=0;% 手机接收天线 (dBi)% 噪声BW=20e6;% 20 MHzNF=7;% 噪声系数 (dB)N_dBm=-174+10*log10(BW)+NF;%% 仰角范围elevations=10:5:90;% 仰角 10° 到 90°numEl=length(elevations);FSPL_haps=zeros(1,numEl);FSPL_leo=zeros(1,numEl);SNR_haps=zeros(1,numEl);SNR_leo=zeros(1,numEl);delay_haps=zeros(1,numEl);delay_leo=zeros(1,numEl);fori=1:numEl el=elevations(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_haps=sqrt(h_haps^2+(Re*sin(el))^2+2*Re*h_haps)-Re*sin(el);% 卫星斜距d_leo=sqrt(h_leo^2+(Re*sin(el))^2+2*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_haps=Ptx_haps+Gtx_haps+Grx_haps-FSPL_haps(i);Prx_leo=Ptx_leo+Gtx_leo+Grx_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');idx30=find(elevations==30);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 ms，LEO约%.2f ms，HAPS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：

日本 6G 战略的最终图景是一个三层覆盖架构：

1. 地面层：IOWN/APN 光网络 + AI-RAN 基站 + 7GHz/太赫兹无线接入；
2. 平流层：HAPS 提供区域覆盖和边缘计算；
3. 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：

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。

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