侯利明 韓波 繆德山 康紹莉 孫韶輝

(1.電信科學技術(shù)研究院有限公司無線移動通信國家重點實驗室，北京 100083；2.中信科移動通信技術(shù)股份有限公司，北京 100083)

0 引言

目前，第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project，3GPP)已經(jīng)完成5G標準化的R16版本，R17版本也進入工作項目(Work Item，WI)討論階段[1-3]。2019年，5G系統(tǒng)正式在中國商用。根據(jù)三大運營商公布的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截止到2021年6月，中國境內(nèi)5G套餐用戶數(shù)達到4.9億多，突破5億指日可待。按照5G的設(shè)計愿景，5G系統(tǒng)不僅能夠提供更高的傳輸速率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)萬物互聯(lián)[4]。但是，在實際網(wǎng)絡部署過程中，受制于江河湖海、沙漠森林的地形、供電、維護等不利因素，地面基站僅能覆蓋20%左右的地球陸地面積，難以實現(xiàn)全球無縫覆蓋，限制了5G網(wǎng)絡的應用。

與地面移動通信相比，衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、傳輸容量大、不受地形環(huán)境限制等優(yōu)點，已成為地面移動通信有益的延伸和補充。衛(wèi)星接入日益成為豐富地面移動網(wǎng)絡應用場景的重要手段，5G與衛(wèi)星通信的融合將成為未來通信技術(shù)的重要發(fā)展方向[5]。但是，現(xiàn)階段這種融合主要集中在業(yè)務層面，衛(wèi)星通信在大部分情況下僅用于5G基站的回傳鏈路，例如：2019年，SaT5G(衛(wèi)星與5G聯(lián)盟)宣布開展了一系列利用衛(wèi)星與5G融合實現(xiàn)數(shù)據(jù)回傳的演示；2020年8月，聯(lián)發(fā)科攜手Inmarsat(海事衛(wèi)星)開展了5G衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)連接試驗；2020年12月，中國聯(lián)通完成了“低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)+5G+物聯(lián)網(wǎng)”海上融合組網(wǎng)通信試驗；2021年7月，北京郵電大學與銀河航天完成了國內(nèi)首次低軌寬帶衛(wèi)星與5G專網(wǎng)融合試驗。

在“萬物互聯(lián)、全球覆蓋、泛在智能”等需求的驅(qū)動下，5G與衛(wèi)星通信的融合將向更深層次發(fā)展，星地融合的空口傳輸技術(shù)是一個重要方向。3GPP從R14開始成立了“NR支持NTN的解決方案”工作組，探討新空口(New Radio，NR)傳輸技術(shù)用于NTN場景的可行性[2-3]?？梢?，星地融合、統(tǒng)一空口是將無線網(wǎng)絡延伸擴展至“空天地?！钡闹匾緩?，是拓寬無線網(wǎng)絡時空維度，滿足不同接入需求，實現(xiàn)萬物互聯(lián)的重要手段。

本文第一章分析星地融合傳輸?shù)膽矛F(xiàn)狀以及星地融合空口設(shè)計的發(fā)展趨勢；第二章介紹3GPP NTN的空口傳輸技術(shù)；第三章基于5G技術(shù)提煉星地融合空口涉及的關(guān)鍵技術(shù)并初步給出潛在的解決方案；第四章面向未來天地深度融合場景提出基于可變參數(shù)集的統(tǒng)一空口設(shè)計思路；第五章對全文進行總結(jié)。

1 星地融合傳輸技術(shù)現(xiàn)狀

星地融合的發(fā)展路徑可分為3個階段：一是簡單業(yè)務融合階段；二是通信體制融合階段；三是系統(tǒng)全面融合階段。從現(xiàn)有的應用場景看，目前星地融合仍處于簡單業(yè)務融合階段。國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)針對5G與衛(wèi)星融合也開展了研究，提出了中繼到站、小區(qū)回傳、動中通及混合多播4種應用場景(見圖1)[6]。下面從用戶業(yè)務及接入方式的角度分析星地融合傳輸技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。

圖1 5G與衛(wèi)星融合應用場景

1.1 傳統(tǒng)話音及低碼率業(yè)務的星地融合傳輸

話音及低碼率數(shù)據(jù)業(yè)務是無線通信網(wǎng)絡的基本業(yè)務，一般情況下采用雙模終端的形式實現(xiàn)星地話音及低碼率數(shù)據(jù)業(yè)務的融合應用。典型的應用系統(tǒng)包括銥星系統(tǒng)、海事衛(wèi)星(Inmarsat)系統(tǒng)以及我國的天通一號衛(wèi)星通信系統(tǒng)。用戶一般可使用雙模終端在地面網(wǎng)絡和衛(wèi)星網(wǎng)絡間切換使用，在地面網(wǎng)絡覆蓋不能觸及的區(qū)域，使用衛(wèi)星實現(xiàn)話音及低碼率數(shù)據(jù)業(yè)務的通信。最具代表性的一種低碼率衛(wèi)星空口體制是GMR(GEO-Mobile Radio)[7]。該標準由歐洲電信標準學會(European Telecommunication Standard Institute，ETSI)提出，歷經(jīng)發(fā)展已經(jīng)更新到GMR-1 R3(GMR-1 3G)版本。GMR-1 3G的典型代表系統(tǒng)為Inmarsat第四代星，將3G系統(tǒng)WCDMA空口替換為專用空口(即Inmarsat Air Interface-2，IAI2)，兼容地面3G網(wǎng)絡(3GPP R4)。GMR-1 3G空口的前返向鏈路采用FDD工作方式，多用戶采用TDMA接入方式。GMR-1 3G空口采用單載波調(diào)制方式，調(diào)制方式包括π/2-BPSK、π/4-QPSK、16APSK和32APSK，信道編碼選用卷積碼、Turbo碼、RS碼和LDPC碼等。

1.2 傳統(tǒng)寬帶業(yè)務的星地融合傳輸

寬帶高碼率業(yè)務星地融合傳輸包括中繼到站、小區(qū)回傳、動中通及混合多播場景，其中衛(wèi)星通信主要用作基站回傳的骨干鏈路使用。目前，應用最廣泛的寬帶衛(wèi)星通信空口體制是DVB(Digital Video Broadcast)-S2標準[8-9]。該體制源于衛(wèi)星廣播電視領(lǐng)域，ETSI于1994年發(fā)布了DVB-S的第一版。為了提高傳輸速率、增強組網(wǎng)靈活性，2005年ETSI在原標準基礎(chǔ)上發(fā)布了DVB-S2標準。此外，為了增加該技術(shù)體制的交互性，ETSI在原標準基礎(chǔ)上又發(fā)布了DVB-RCS標準。寬帶衛(wèi)星通信中，前向鏈路一般使用DVB-S2標準，返向鏈路一般使用DVB-RCS標準。DVB體制主要應用于C、Ku、Ka等頻段的衛(wèi)星固定業(yè)務，其典型應用系統(tǒng)為Inmarsat 5代衛(wèi)星通信系統(tǒng)[10]。DVB-RCS標準采用多頻-時分多址(MF-TDMA)接入方式，系統(tǒng)返向鏈路由多個載波信道組成，每個載波信道按時隙進行劃分，多用戶分配不同的載波和時隙資源。該技術(shù)的空口也采用單載波調(diào)制，調(diào)制方式包括QPSK、8PSK、16APSK和32APSK等，信道編碼包含BCH碼、LDPC碼。

1.3 星地融合空口傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢

在傳統(tǒng)星地融合業(yè)務場景中，低碼率業(yè)務融合主要用于話音和少量數(shù)據(jù)傳輸，高碼率業(yè)務融合主要用于基站回傳、點對點數(shù)據(jù)交換等場景。星地系統(tǒng)之間雖業(yè)務融合，但獨立組網(wǎng)，空口標準差異較大。為了適應不同業(yè)務、不同速率的結(jié)構(gòu)統(tǒng)一、調(diào)度靈活的無線空口，新一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)在考慮與5G融合的空口體制以及面向6G的統(tǒng)一空口設(shè)計，預期充分利用地面系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)優(yōu)勢來進一步促進衛(wèi)星通信的發(fā)展。目前，3GPP正在標準化的NR over NTN項目和IoT over NTN項目，基本思路為基于地面的5G NR標準和地面的IoT標準，針對衛(wèi)星的關(guān)鍵特征來進行適應性改造。

2 3GPP NTN的空口傳輸技術(shù)研究

3GPP從R14開始討論星地融合的研究工作，相繼發(fā)布了TR 22.822、TR 38.811和TR 38.821報告，其中TR 22.822對相關(guān)的接入網(wǎng)協(xié)議及架構(gòu)進行了評估；TR 38.811定義了包括衛(wèi)星網(wǎng)絡在內(nèi)的NTN部署場景及信道模型；TR 38.821主要探討了空口接入技術(shù)。3GPP NTN目前主要討論透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下的衛(wèi)星接入技術(shù)，針對GEO和LEO軌道類型分析研究S頻段和Ka頻段的空口接入技術(shù)。3GPP NTN采用正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)波形，多用戶接入方式采用正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)方式，支持頻分雙工(Frequency Division Duplexing，F(xiàn)DD)模式。3GPP NTN R17版本的WI階段正在討論中，主要關(guān)注5G NR空口技術(shù)支持NTN場景的解決方案，包括以下方面。

2.1 物理層時序關(guān)系的增強

在NTN場景下，由于衛(wèi)星小區(qū)的覆蓋擴展、傳輸?shù)臅r延增大，因此原NR標準中定義的時序關(guān)系及參數(shù)取值均需要增強，有些參數(shù)的取值范圍需要重新定義。

2.2 上行時頻同步技術(shù)的增強

NTN場景下單向傳輸時延增大，對于低軌衛(wèi)星場景下衛(wèi)星的快速運動引入嚴重的多普勒效應，嚴重影響上行時頻同步技術(shù)。因此，有必要研究增強原NR的上行定時提前(Timing Advance，TA)預補償方法，以及對上行的多普勒進行預補償處理等。

2.3 HARQ技術(shù)的增強

混合自動重傳請求(Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ)，是一種將前向糾錯編碼和自動重傳請求相結(jié)合而形成的技術(shù)。NTN場景下的大傳輸時延導致原NR的HARQ進程難以滿足需求，因此需要研究擴展原HARQ進程，以及由此帶來的進程指示等問題。

2.4 其他方面

NTN場景下引入了天線圓極化方式，衛(wèi)星波束與小區(qū)的概念與原NR標準也產(chǎn)生了差異，因此該部分主要討論NTN場景下的天線極化方式、波束管理等技術(shù)。

3 5G星地空口融合關(guān)鍵技術(shù)及潛在方案

5G與衛(wèi)星通信體制融合主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡架構(gòu)、空口傳輸協(xié)議方面的融合設(shè)計，采用相同或相似的體制與關(guān)鍵技術(shù)，充分利用地面網(wǎng)絡豐富的產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)提升研發(fā)效率。5G與衛(wèi)星空口融合面臨復雜的信道環(huán)境，傳輸特性差異極大，高效利用時、空、頻等多維資源提升網(wǎng)絡效能面臨巨大挑戰(zhàn)。衛(wèi)星空口傳輸性能同時受到時間、頻率、空間、功率等多維屬性影響，因此需要針對星地融合的特點準確提煉涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)，并給出潛在的解決方案。下文整理了5G星地融合空口傳輸技術(shù)涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)，包括波形與調(diào)制方式選擇、時頻同步、接入和移動性管理等，并針對每項關(guān)鍵技術(shù)給出了潛在的解決方案。

3.1 波形與調(diào)制方式選擇

3.1.1 面臨的問題

低軌衛(wèi)星的快速運動特性，造成嚴重的多普勒效應，影響子載波間隔的選擇。由于衛(wèi)星功率受限，因此一般需盡量提高衛(wèi)星功率利用率，選擇合適的波形可減小信號峰均比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)對衛(wèi)星功放的影響。地面通信中的高階調(diào)制以正交幅度調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)為主，為了降低PAPR影響衛(wèi)星通信常用相移鍵控(Phase Shift Keying，PSK)調(diào)制方式，因此也需根據(jù)具體需求選擇合適的高階調(diào)制方式。

3.1.2 潛在的解決方案

針對衛(wèi)星場景的大時延、大多普勒特性，需要選擇合適的子帶帶寬、子載波間隔和循環(huán)前綴等，如衛(wèi)星場景下建議使用120 kHz、240 kHz子載波間隔對抗較強的多普勒。為了降低波形PAPR對衛(wèi)星功放的影響，調(diào)制波形對于衛(wèi)星空口可選用單載波形式，如DFT-S-OFDM，可采用削峰等技術(shù)對CP-OFDM信號進行預處理，以降低PAPR影響。DFT-S-OFDM和CP-OFDM信號的PAPR統(tǒng)計特性如圖2所示。

圖2 DFT-S-OFDM與CP-OFDM波形PAPR仿真結(jié)果

針對調(diào)制方式問題，目前5G系統(tǒng)采用π/2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM調(diào)制方式，衛(wèi)星通信DVB-S2X的調(diào)制方式包括π/2-BPSK、QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等。建議在低階調(diào)制方面沿用π/2-BPSK、QPSK，在高階調(diào)制方面采用高階APSK調(diào)制以降低PAPR對衛(wèi)星功放的影響。

3.2 時頻同步

3.2.1 面臨的問題

由于衛(wèi)星的距離遠、速度快(低軌衛(wèi)星)、功率受限，因此在星地統(tǒng)一空口設(shè)計方面需要考慮低信噪比(Signal-Noise Ratio，SNR)、大多普勒頻偏、大時延等因素對時頻同步的影響。對于600 km軌道高度的LEO衛(wèi)星而言，載頻20 GHz時，運動帶來的最大多普勒頻偏為±480 kHz，最大多普勒變化率為±5.44 kHz/s，嚴重的多普勒頻偏對頻率同步帶來影響。另外，單程星地時延變化范圍從幾毫秒到幾十毫秒，對星地時間同步帶來影響。星地傳輸距離遠、信號衰落大、信噪比低也增加了信號檢測的難度。

3.2.2 潛在的解決方案

針對低軌衛(wèi)星帶來的大多普勒頻偏效應和大時延的特點，設(shè)計采用基于終端GNSS輔助的上下行時頻同步預補償機制。用戶終端利用GNSS獲取自身的位置信息，同時獲取衛(wèi)星廣播的星歷信息。終端根據(jù)星歷信息可以對衛(wèi)星的位置和速度進行估計，然后即可計算用戶到衛(wèi)星的時延和頻偏，并進行預補償。

從圖3可知，對于頻偏，衛(wèi)星可以在下行信號發(fā)射和上行信號接收時，對公共頻偏進行補償，使C點的用戶終端感受到的頻偏為0。而對于時偏，衛(wèi)星可以廣播一個公共時偏用于計算整個傳輸時延，而用戶終端在發(fā)送上行信號時的TA值僅需計算相對于參考點的時偏差值，在補償過程中可以加上公共時延的補償，網(wǎng)絡不需要再處理。這樣每個用戶終端所需要處理的時頻偏范圍便大大縮小，降低了下行同步中參考信號搜索所需的運算量及上行同步中處理時頻偏的難度。

圖3 時頻預補償示意圖

針對衛(wèi)星上下行信號強度低等特點，設(shè)計采用重復傳輸、多符號合并檢測技術(shù)，可提高信號檢測的成功率。下面以下行物理廣播信道(Physical Broadcast Channel，PBCH)為例，評估不同信噪比下多次符號合并對定時和頻率同步的影響(見圖4-5)。

由圖4可知，通過8次PBCH合并檢測，在SNR為-10 dB的情況下，下行定時同步范圍小于±100 ns的概率大于95%。從仿真結(jié)果可知，通過多次合并能顯著提高頻率同步精度，在120 kHz子載波配置下，殘留頻偏僅幾kHz。仿真結(jié)果說明了解決方案的可行性。

圖4 定時同步仿真結(jié)果

圖5 頻率同步仿真結(jié)果

3.3 接入和移動性管理

3.3.1 面臨的問題

由于衛(wèi)星傳輸時延大，導致傳統(tǒng)的4步接入方式時延長，因此需要簡化設(shè)計接入方案。另外，由于低軌衛(wèi)星的快速運動，導致終端將頻繁地實施星間切換，同時，傳統(tǒng)基于信號無線資源管理(Radio Resource Management，RRM)測量的切換判決方式，在信噪比分布較為平均的衛(wèi)星小區(qū)難以滿足需求。

3.3.2 潛在的解決方案

針對接入問題，需要對接入流程進行優(yōu)化設(shè)計，減少接入流程環(huán)節(jié)、提高成功率，便于實現(xiàn)“極簡”接入，建議采用2步接入方式，如圖6所示。

圖6 2步接入方式

針對切換問題，設(shè)計引入基于終端位置、衛(wèi)星星歷以及RRM測量結(jié)果的聯(lián)合切換判決方式，主要流程為：終端根據(jù)GNSS定位和星歷信息計算當前所處的覆蓋位置，如進入重疊覆蓋區(qū)域，則終端上報當前位置及RRM測量結(jié)果(可選)；網(wǎng)絡側(cè)收到終端上報信息后，綜合處理，判斷是否需要進行切換；如果需要實施切換，則網(wǎng)絡側(cè)發(fā)起切換請求、無線資源控制(Radio Resource Control，RRC)重配置過程等；終端按照切換流程實施切換。圖7以Xn接口為例給出星間切換示意圖。

此外，還可以設(shè)計終端自主切換方案，從終端側(cè)發(fā)起切換判決，以實現(xiàn)快速“極智”切換等。

4 面向未來深度融合的星地統(tǒng)一空口設(shè)計

星地融合的未來發(fā)展階段是系統(tǒng)全面融合，星地一體提供無感知一致服務。面向未來的星地深度融合包括統(tǒng)一的空口體制、統(tǒng)一的網(wǎng)絡架構(gòu)、統(tǒng)一的資源調(diào)度與管理、統(tǒng)一的頻譜共享與協(xié)調(diào)管理、統(tǒng)一的業(yè)務支持與調(diào)度、網(wǎng)絡平臺的一體化設(shè)計以及終端標識與接入方式的統(tǒng)一。只有星地在空口體制、網(wǎng)絡架構(gòu)、資源管理、業(yè)務等方面進行深入的系統(tǒng)融合，才能實現(xiàn)用戶無感知一致服務。可見，統(tǒng)一空口技術(shù)是實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”“隨遇接入”“全球無縫覆蓋”的重要方式，是解決星地融合、實現(xiàn)泛在互聯(lián)的重要途徑。

下面展望面向未來的星地深度融合統(tǒng)一空口技術(shù)，提出基于可變參數(shù)集的星地統(tǒng)一空口設(shè)計思想，為后續(xù)天地融合空口體制研究提供參考。

4.1 統(tǒng)一空口設(shè)計的思路

星地深度融合的統(tǒng)一空口設(shè)計基于業(yè)務驅(qū)動、網(wǎng)絡感知、可變參數(shù)集配置等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要設(shè)計思路如圖8所示。

圖8 星地統(tǒng)一空口設(shè)計思路

星地統(tǒng)一空口設(shè)計以業(yè)務需求為驅(qū)動，通過智能感知網(wǎng)絡環(huán)境判斷當前可選擇接入的網(wǎng)絡資源，然后基于業(yè)務和網(wǎng)絡資源的約束條件在參數(shù)集中選擇可配置的參數(shù)。這些約束條件包括：當前業(yè)務需要的帶寬、時延等QoS約束，以及當前可用網(wǎng)絡所能提供的接入資源等。對于終端而言，無需區(qū)分衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面網(wǎng)絡，僅需判斷當前可接入的網(wǎng)絡資源是否能滿足終端的業(yè)務需求，然后選擇匹配的空口參數(shù)進行配置，接入網(wǎng)絡。

基于可變參數(shù)集空口配置技術(shù)是統(tǒng)一空口設(shè)計的核心，可根據(jù)用戶的使用場景、業(yè)務類型等需求為用戶自適應匹配空口體制，選擇合適的網(wǎng)絡接入。對于衛(wèi)星空口和地面空口，可采用相同的設(shè)計方案，配置不同的參數(shù)。例如，對于衛(wèi)星空口可以配置大帶寬、大子載波間隔、更多HARQ進程等。對于用戶而言，不需區(qū)分衛(wèi)星網(wǎng)絡或地面網(wǎng)絡，通過動態(tài)配置不同的空口參數(shù)接入網(wǎng)絡，通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡資源配置和網(wǎng)絡管理，可以做到無縫切換和漫游，實現(xiàn)真正的無感知星地網(wǎng)絡融合。

4.2 可變參數(shù)集

在星地深度融合的統(tǒng)一空口體制中，可變參數(shù)集的設(shè)計是核心與關(guān)鍵?？勺儏?shù)集是指將空口的主要技術(shù)參數(shù)構(gòu)建成一個集合，該集合內(nèi)的技術(shù)參數(shù)適用于衛(wèi)星通信和地面蜂窩通信，可針對星地不同使用場景選取不同取值的參數(shù)，通過靈活配置空口參數(shù)，以適應不同應用場景的需要，實現(xiàn)星地間隨遇、按需接入。

統(tǒng)一空口可變參數(shù)集的主要參數(shù)可包括：傳輸帶寬、調(diào)制方式、編碼方式、傳輸波形、子載波間隔、導頻格式、HARQ配置、正交接入方式、隨機接入方式、控制信道格式等。表1給出了主要的空口參數(shù)示例，星地統(tǒng)一空口可變參數(shù)集包括但不局限于表1中的參數(shù)。

表1 空口可變參數(shù)集主要參數(shù)列

5 結(jié)束語

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，星地融合是大勢所趨。

本文在分析現(xiàn)有星地融合業(yè)務場景的基礎(chǔ)上，提出5G星地融合空口傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)和潛在的解決方案；面向未來星地網(wǎng)絡深度融合的發(fā)展，提出了基于可變參數(shù)集的星地融合統(tǒng)一空口設(shè)計思想，研究結(jié)果可為后續(xù)星地空口體制研究提供指導和參考。