史紅蓓 溫 雅

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司南京分公司，江蘇 南京 210029）

0 引言

5G旨在為了滿足新興服務(wù)類別在增強移動寬帶（eMBB）、海量機器類型通信（mMTC）和超可靠低時延傳輸（URLLC）方面的需求。隨著更進一步提供新服務(wù)的時機的成熟，國際電聯(lián)NET-2030重點小組白皮書中闡述未來的6G將主要支持全息類型通信（HTC）、多感官網(wǎng)絡(luò)、時間工程應(yīng)用等方面的需求，也就是說大多數(shù)6G應(yīng)用將源于5G應(yīng)用場景的合并延伸。

最近，隨著學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）[1]興趣的增加，商業(yè)解決方案也開始陸續(xù)出現(xiàn)。NTN與所描述的6G無線生態(tài)系統(tǒng)的集成對于確保可用性、連續(xù)性、普遍性及可伸縮性等方面的服務(wù)至關(guān)重要。然而，NTN的特征（如軌道類型、海拔高度和軌跡大?。娏乙蕾嘚TN平臺類型，包括從地球靜止軌道/中/低地球軌道（GEO、MEO和LEO）衛(wèi)星到無人機系統(tǒng)(UAS)和高空平臺系統(tǒng)。由于地面網(wǎng)絡(luò)（TN）在部署和覆蓋方面受到限制，非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）通過納米衛(wèi)星可實現(xiàn)全球連接的補充，因此在2個無線接入網(wǎng)中采用相同的無線電技術(shù)，可大大促進網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的統(tǒng)一無線系統(tǒng)部署。

該文追蹤基于新無線電（NR）技術(shù)的5G/超5G的NTN平臺向集成到6G系統(tǒng)的NTN平臺過渡的需求，認(rèn)為6G NTN的設(shè)計可以采用另一種“從頭開始”的方法，但至少在早期階段，6G NTN可能由5G NTN演變而來。因此，該文分析了未來6G的主要應(yīng)用場景和使用場景，研究了支持未來服務(wù)的NTN架構(gòu)以及NTN支持6G應(yīng)用的優(yōu)、缺點。

1 6G應(yīng)用場景和使用場景

6G時代將見證了如下革命性應(yīng)用的到來：HTC通過物體或人的三維投影實現(xiàn)完全身臨其境的體驗；遠(yuǎn)程操作觸覺互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)了工業(yè)4.0的實時控制（即遠(yuǎn)程工業(yè)管理）和遠(yuǎn)程醫(yī)療（即遠(yuǎn)程機器人手術(shù)）；智能運營網(wǎng)絡(luò)利用模擬人腦的人工智能（AI）能力來修復(fù)網(wǎng)絡(luò)故障和故障；網(wǎng)絡(luò)和計算匯聚導(dǎo)致多個分布式網(wǎng)絡(luò)邊緣站點的互連；數(shù)字孿生代表實時對象、過程和具有數(shù)字對應(yīng)物的人；衛(wèi)星-地面綜合網(wǎng)絡(luò)提供無處不在的互聯(lián)網(wǎng)覆蓋、邊緣緩存和計算服務(wù)，以及更多的網(wǎng)絡(luò)訪問路徑；具有云化功能的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）安全、可靠并實時地實現(xiàn)了工廠內(nèi)部/工廠間的連接，無須人工干預(yù)。

6G應(yīng)用的重要性級別圖如圖1所示。該圖摘自ITU-T關(guān)于“2030年網(wǎng)絡(luò)的代表性應(yīng)用和關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)需求”的技術(shù)報告，主要從以下幾個方面清楚地介紹了最具代表性的6G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵需求的重要性級別。1）帶寬大?。禾峁┨囟☉?yīng)用程序所需的帶寬。2）安全性：包括數(shù)據(jù)完整性、隱私保護、可信賴性、彈性、合法攔截和可追溯性。3）人工智能能力：自主分析網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，實現(xiàn)智能應(yīng)用的AI能力。4）時延：考慮移動性時，表示減少延遲和實時地理位置機制的相關(guān)性。5）多網(wǎng)絡(luò)：多異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無縫共存以實現(xiàn)全球連接。

圖1 6G應(yīng)用的重要性級別圖

由于6G應(yīng)用的使用場景的特點是需求不同，例如無處不在的移動超寬帶（uMUB）、超高數(shù)據(jù)密度（uHDD）和超高速低時延傳輸（uHSLC）[2]。NTN包括廣泛的空間/機載類別，因此評估哪種NTN平臺最適合各個宏觀服務(wù)類別是非常重要的。

uMUB要求極高的峰值數(shù)據(jù)速率（即≥1 Tb/s，6G vs 0.02 Tb/s，5G）和數(shù)據(jù)傳輸速率（1 Gb/s，6G vs 0.1 Gb/s，5G）、極高的傳輸能力（1 Gb/s/m2，6G vs 0.01 Gb/s/m2，5G）和無縫覆蓋速率（≥1 000 km/h，6G vs 500 km/h，5G)。由于網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，因此可通過有限的切換機制，在網(wǎng)絡(luò)未提供服務(wù)或服務(wù)不足的地區(qū)提供超高速移動性的寬頻連通性。特別是基于高吞吐量衛(wèi)星（HTS）和極高吞吐量衛(wèi)星（VHTS）的NTN系統(tǒng)，可以提高吞吐量、頻譜效率和系統(tǒng)容量。GEO HTS能夠滿足上述高數(shù)據(jù)速率的要求，而LEO HTS可以在uMUB應(yīng)用程序中提供數(shù)據(jù)速率和延遲之間的最佳權(quán)衡。然而，LEO衛(wèi)星繞地球運行需要頻繁的管理切換和采用新的解決方案來補償多普勒效應(yīng)。

uHDD要求工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具有高可靠性和超高密度（107個設(shè)備/km2， 6G vs 106 個設(shè)備/km2，5G）。此外考慮衛(wèi)星的占地面積更大，在TN部分或完全缺失的農(nóng)村地區(qū)提供物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、利用老化的NTN系統(tǒng)可滿足需求，uHDD服務(wù)是一個非常合適的解決方案。同樣，當(dāng)涉及工廠自動化和機器控制等需要工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間實時、安全而可靠連接的應(yīng)用，或位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的人口密集的設(shè)備時，最合適的NTN技術(shù)是LEO衛(wèi)星，它可以克服GEO衛(wèi)星產(chǎn)生的長傳播延遲問題。

uHSLLC要求超高的數(shù)據(jù)速率、極低的時延（0.01 ms～0.1 ms，6G vs 1 ms，5G）并高度重視移動性。分層NTN架構(gòu)與機載車輛，即無人機（UAV）和HAPS部署在幾個級別，可能是一個有趣的解決方案，以滿足所需延遲的不同約束。相反，極高的移動性對設(shè)備的本地化、無線電頻率的規(guī)劃以及在特定區(qū)域內(nèi)協(xié)調(diào)多個機載NTN平臺會產(chǎn)生影響。此外，還應(yīng)該采用新技術(shù)來提高可靠性。這些問題使通過NTN提供uHSLLC成為一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

2 NTN架構(gòu)

在3GPP TR 38.821中，NTN接入包括NTN終端、NTN平臺和NTN門戶（GWs）。

NTN終端是3GPP用戶設(shè)備或非3GPP衛(wèi)星終端，支持或不支持全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）。它們在ka波段或s波段運作，并通過服務(wù)鏈路連接到NTN平臺。NTN平臺在給定的區(qū)域（即占地面積）上產(chǎn)生若干固定或移動的橢圓形光束，并搭載透明或再生載荷。

3GPP已經(jīng)定義了啟用NR的NTN架構(gòu)，最大限度地減少了對下一代RAN （NG-RAN）中支持NTN的新接口和協(xié)議的需求。具體來說，在透明的NTN中，不需要修改NG-RAN架構(gòu)，饋線鏈路的NR-Uu無線電接口在業(yè)務(wù)鏈路中重復(fù)，并且NR-Uu定時器被延長以應(yīng)付饋線和業(yè)務(wù)鏈路的較長的傳播延遲。在再生NTN中，衛(wèi)星實現(xiàn)了gNB的功能，因此增加了饋線鏈路上的延遲，需要擴展NG應(yīng)用協(xié)議定時器。饋線鏈路的NG接口通過衛(wèi)星無線電接口（SRI）。最后，在3GPP TS 38.401所規(guī)定的具有功能分裂的再生NTN中，gNB的分布式單元（DU）在衛(wèi)星上，而中央單元（CU）在地面上。SRI上的邏輯接口F1位于饋線鏈路上，將DU連接到同一個CU。這意味著從DU到CU有很長的延遲，這就需要F1定時器擴展。NR接入NTN的接入圖如圖2所示，通過接口實現(xiàn)NTN終端到5G核心網(wǎng)（5GC）的NR信號傳輸，反之亦然。但3GPP第17版?zhèn)戎赜趩⒂肗R的NTN，這種NTN基于LEO和GEO衛(wèi)星，支持HAPS和空對地情景，并假定攜帶透明的有效載荷。在未來的3GPP版本中，還將對其他架構(gòu)選項進行進一步的研究。

圖2 NR接入NTN的接入圖

2.1 物理層

與物理層有關(guān)的NR分為以下幾類：1）波形和可擴展參數(shù)。NR引入了可擴展的正交頻分復(fù)用（OFDM）參數(shù)，指定子載波間距（SCS）從15 kHz～480 kHz，傳輸時間間隔從1 ms～31.25 ms，循環(huán)前綴（CP）和編號槽位。如3GPP TS 38.214所述，為應(yīng)對隨之而來的更高設(shè)備能耗，每個設(shè)備監(jiān)控一個用參數(shù)和調(diào)度機制限制的活動帶寬（BWP）。2）幀結(jié)構(gòu)。NR幀結(jié)構(gòu)支持FDD （頻分雙工）和TDD （時分雙工）2種對稱頻譜和非對稱頻譜的傳輸。NR子幀由相鄰的槽組成，每個槽包括7 個或14 個OFDM符號，對SCS≤60kHz，2 個、4 個、7 個或14 個OFDM符號，對SCS≤120 kHz，如3GPP TS 38.213所述。NR認(rèn)為微型槽是由2 個、4 個或7 個符號組成的最小調(diào)度單元，對uHSCL來說非常重要。3）多天線傳輸和波束形成。采用了大量的天線元件，多用戶多輸入多輸出（MU-MIMO），波束形成，增加了傳輸/接收能力并克服信號在高頻的衰減。波束管理通過建立發(fā)射機和方向之間的對應(yīng)關(guān)系來識別最合適的波束對接收波束。

2.2 媒體訪問控制層

創(chuàng)建MAC PDU的過程，稱為邏輯通道優(yōu)先級（LCP），可擴展參數(shù)和TTIs得到了增強，LCP處理邏輯通道到特定數(shù)字/TTI的映射，并包括uHSLLC流量優(yōu)先級。除改進的PDU格式外，NR MAC還采用了新的調(diào)度請求（SR）功能。SR用于請求UL-SCH （Uplink Shared Channel）資源建立數(shù)據(jù)傳輸。通過配置“NR MAC”實體，使終端可以支持0 個、1 個或多個SR配置。

2.3 無線鏈路控制（RLC）層

NR RLC不會對SDU（Service Data unit）進行順序排序，以降低整體性能延遲；這樣，報文可以立即向上層轉(zhuǎn)發(fā)，而無須等待重新傳輸以前丟失的數(shù)據(jù)包。為了滿足NR延時要求，不支持串聯(lián)。

2.4 分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（PDCP）層

重新排序功能將RLC轉(zhuǎn)移到PDCP， PDCP也負(fù)責(zé)加密解密、完整性保護以及復(fù)制。因此，用戶報文被重傳多次提交給gNB，這樣至少有一個副本被正確接收。如果收到同一個PDU的多個副本，PDCP將刪除任何重復(fù)的副本。PDCP復(fù)制也用于在通過多個小區(qū)傳輸?shù)那闆r下，PDCP復(fù)制也可滿足高可靠性的要求，并應(yīng)用于雙連通性場景。

2.5 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議（SDAP）層

新的SDAP在連接到5GC時管理QoS，每個PDU會話由QoS流及數(shù)據(jù)無線電承載(DRB)組成，SDAP提供從5GC和DRB的QoS流的映射，同時標(biāo)記QoS流標(biāo)識符。

2.6 無線電資源控制（RRC）層

RRC僅具有控制平面功能。它在設(shè)備和gNB之間工作，處理分頁過程，并建立、維護和釋放之間的RRC連接，包括安全管理、移動性管理和QoS管理。RRC還有助于檢測無線電鏈路故障并恢復(fù)。每個NR設(shè)備支持3種狀態(tài)，在閑置和連接之間引入不活躍的中間狀態(tài)。

3 NTNS支持6G應(yīng)用的優(yōu)、缺點

該文研討了NTNs架構(gòu)中NR支持6G應(yīng)用的優(yōu)、缺點及潛在的解決方案，見表1。

表1 NTNs架構(gòu)中NR支持6G應(yīng)用的優(yōu)、缺點及解決方案

3.1 無線電頻譜

NR在低頻頻段（即7 GHz以下的FR1頻段）和毫米波頻段（即7 GHz以下的FR1頻段）工作，在FR2中是24.25 GHz和52.6 GHz。以毫米波頻率運行保證了最大的容量、多個Gb/s的吞吐量和低時延。反之，信號受到更大的衰減且移動性管理更具挑戰(zhàn)性。這種惡劣的傳播條件意味著覆蓋面積的縮小和隨之而來的切換請求的增加。在應(yīng)用uMUB、uHDD和uHSLLC時需要關(guān)注該問題，以便有效利用超高頻率帶來的好處?；陉栯x子需求、NTN終端/平臺的移動性、NTN平臺的高度和傳播渠道等進一步的應(yīng)用因素，工作頻率的選擇是一個挑戰(zhàn)。

3.2 可擴展參數(shù)

可擴展參數(shù)使網(wǎng)絡(luò)具備靈活性和可伸縮性，通過選擇適當(dāng)?shù)腟CS波段TTI參數(shù)，可支持任何類型的服務(wù)應(yīng)用。參數(shù)少以窄的SCS和長TTI為特征，可用于提供uMUB服務(wù)；多參數(shù)具有較寬SCS和較短TTI特征，可應(yīng)用于uHDD中的每個傳感器來傳輸少量數(shù)據(jù)及uHSLC中的低延遲傳輸。然而在NTN中，由于傳播延遲長，采用多參數(shù)來支持uHSLC可能是不夠的。低空NTN平臺可能不會給uHSLC傳輸增加明顯的延遲。

3.3 設(shè)計

NR采用超精益的設(shè)計，對需要長時間、低能耗電池壽命的uHDD應(yīng)用的傳感器，采用減少總開著的變速箱來提高能效；對需要低延遲和最小電池消耗的應(yīng)用程序，引入設(shè)備非激活狀態(tài)；此外，NR以光束為中心，意味著波束形成和多天線方案是從數(shù)據(jù)傳輸擴展到了控制平面程序和初始訪問，波束形成可以實現(xiàn)快速可靠的uHSLC；最后，NR確保了NTN可能支持的未來用例和技術(shù)的前向兼容性。

3.4 補充上行（SUL）

NR SUL將一個常規(guī)上/下行載波與一個補充上行載波結(jié)合并在較低頻率下工作。該系統(tǒng)的目標(biāo)是擴大上行鏈路的覆蓋范圍，降低低頻波段的路徑損耗，并在功率有限的情況下增加上行數(shù)據(jù)速率。這有助于在接收uHDD和uHSLLC消息時擴大低空NTN平臺的覆蓋范圍。

4 結(jié)論

可以預(yù)見的是未來的6G服務(wù)將面向全感官、全自動化和實時體驗，采用動態(tài)、可重構(gòu)且靈活的設(shè)計。該文主要研討了6G應(yīng)用和使用場景、NTN架構(gòu)點及NTNs支持6G應(yīng)用的優(yōu)、缺點。后續(xù)6G可利用云化相關(guān)資源節(jié)約運營成本，在處理大量客戶端和服務(wù)器時保證網(wǎng)絡(luò)的靈活性。多址邊緣計算(Multi-access Edge Computing,MEC)是NTN處理任務(wù)時降低NTNs網(wǎng)絡(luò)時延的一項關(guān)鍵技術(shù)。未來NTNs將不僅支持地面網(wǎng)絡(luò)，而且還將成為綜合電信平臺的關(guān)鍵組成部分，通過NTN平臺的空-空連接提供若干服務(wù)，并可提供典型的6G數(shù)據(jù)流量，保證服務(wù)的可用性、普遍性和可伸縮性。