衛(wèi)星通信與地面5G融合技術(shù)初探（三）

+ 汪春霆 盧寧寧 翟立君 李寧

6 衛(wèi)星5G融合的關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信與地面5G移動(dòng)通信的有效融合，應(yīng)對(duì)由于衛(wèi)星高動(dòng)態(tài)、大空間尺度、衛(wèi)星功率及載荷受限等一系列挑戰(zhàn)，需要在傳輸、頻率管理及組網(wǎng)方面突破一系列關(guān)鍵技術(shù)。

6.1 大多普勒頻移下的多載波傳輸技術(shù)

在3GPP對(duì)于NTN的設(shè)想中，建議星地采用相似的多載波傳輸技術(shù)，而大多普勒頻移是制約5G傳輸體制在衛(wèi)星系統(tǒng)中應(yīng)用的主要因素，尤其是在非靜止軌道的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移與衛(wèi)星軌道高度、軌道類型、地球站緯度和在衛(wèi)星覆蓋區(qū)的位置具有一定的關(guān)系。當(dāng)?shù)厍蛘究吹叫l(wèi)星從地平面升起或消失時(shí)有最大的多普勒頻移；當(dāng)衛(wèi)星移動(dòng)到仰角90度位置時(shí)，多普勒頻移為零，但變化率達(dá)到最大。

5G系統(tǒng)的基本傳輸體制仍為OFDM，OFDM和DFT-S-OFDM系統(tǒng)對(duì)頻率偏移均非常敏感，很小的頻率偏移都可能破壞子載波間的正交性，從而產(chǎn)生載波間干擾（ICI）并造成系統(tǒng)性能的嚴(yán)重下降[1]。一般來說，采用了頻率同步算法后，要求歸一化殘余頻偏不超過子載波帶寬的5%。

由于歸一化殘余頻偏的大小是相對(duì)于子載波的帶寬而言，采用可變子載波帶寬的設(shè)計(jì)方案可有效抵抗殘余頻偏對(duì)系統(tǒng)性能的影響。對(duì)于L頻段來說，由于可用頻帶較窄，且需要支持碼率低至2.4Kbps的話音業(yè)務(wù)，應(yīng)采用15KHz或者更窄的子載波設(shè)計(jì)。其次，L頻段要求較小的可用仰角（例如銥星系統(tǒng)設(shè)計(jì)最小仰角低至10°），在L頻段的形成的最大多普勒遠(yuǎn)大于15KHz，因此只利用常見的載波同步算法不能解決這種場(chǎng)景下的多普勒問題。在Ka頻段，由于用戶往往是寬帶上網(wǎng)，可以采用較大的子載波寬度，且最小仰角較大（OneWeb系統(tǒng)要求為55°），有利于對(duì)抗多普勒效應(yīng)。如果設(shè)計(jì)超過2.4MHz的子載波，則30GHz載頻、800Km軌道衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)造成的多普勒可以小于載頻的5%。5G目前設(shè)計(jì)的最大子載波寬度僅為480KHz，更大的子載波配置對(duì)信道、編碼的適配提出了新的要求。

采用星歷進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償是另一個(gè)可行辦法。衛(wèi)星星歷是一組描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道某一時(shí)刻的軌道根數(shù)及其變化率的參數(shù)集。根據(jù)衛(wèi)星星歷可以計(jì)算出任一時(shí)刻的衛(wèi)星位置及其速度，星歷可以利用廣播控制信道BCCH發(fā)送到終端，終端可以利用該信息進(jìn)行預(yù)先補(bǔ)償。但是低軌道衛(wèi)星的也存在軌道位置保持問題，其一般可控制在1°以內(nèi)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須利用上述多種方案來綜合解決該問題。

6.2 面向衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的短突發(fā)傳輸技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是5G系統(tǒng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景之一，在基于衛(wèi)星通信的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，系統(tǒng)帶寬需求和限制應(yīng)比地面IoT接入系統(tǒng)帶寬更窄，以4G衍生的NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)模式為參考，其基本帶寬為200KHz，與5G剛剛確定的NR標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[2]的最小帶寬顆粒度一致（即12個(gè)子載波）；而時(shí)域上5G的NR標(biāo)準(zhǔn)也維持了0.5ms/1ms的時(shí)隙RBE資源顆粒度范圍。但從衛(wèi)星接入來看，由于受限功率約束，極長(zhǎng)的傳輸時(shí)延特征更為明顯，因此可以進(jìn)行適配衛(wèi)星的適應(yīng)性改造，主要方向包括：降低頻域RBE顆粒度，將其空中接口最小資源顆粒度降低為大約60KHz（4個(gè)子載波）或者更小，形成更窄帶的廣域接入；構(gòu)建靈活的、可配置、可拉伸的短突發(fā)信號(hào)波形，使得在長(zhǎng)時(shí)延衛(wèi)星信道下提高接入、捕獲成功概率。同時(shí)，為對(duì)抗衛(wèi)星傳輸?shù)倪h(yuǎn)距離空間傳播損耗和星上載荷功放能力限制，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)還必須在短突發(fā)包長(zhǎng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)相對(duì)地面更低信噪比的接收處理能力。文獻(xiàn)[3][4]研究了基于LDPC碼的極低信噪比接收問題。最后，衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為典型的功率受限系統(tǒng)，尤其通信鏈路性能因空間段功放能力受限而經(jīng)常被非線性因素嚴(yán)重影響，從而導(dǎo)致通信鏈路處于典型的非高斯，甚至非平穩(wěn)噪聲/干擾傳播環(huán)境中。如何對(duì)非高斯噪聲進(jìn)行有效學(xué)習(xí)和估計(jì)，良好適配衛(wèi)星功放非線性約束下傳輸鏈路的高質(zhì)量接收實(shí)現(xiàn)也是需要解決的問題。

6.3 面向長(zhǎng)延時(shí)的HARQ優(yōu)化技術(shù)

如前文所述，衛(wèi)星通信RTT長(zhǎng)度通常超過了HARQ最大定時(shí)器長(zhǎng)度，如何在衛(wèi)星系統(tǒng)中將其與功率控制、FEC以及交織方案相結(jié)合是研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題[5][6]。

衛(wèi)星移動(dòng)通信質(zhì)量依賴于直射信號(hào)(Line Of Sight, LOS)存在。根據(jù)LOS信號(hào)的有無，可以將移動(dòng)信道建立為包含“Good”和“Bad”兩個(gè)狀態(tài)Markov模型。由于衛(wèi)星信道固有的長(zhǎng)延時(shí)，因此不論是功率控制技術(shù)還是自適應(yīng)編碼傳輸技術(shù)都無法快速、準(zhǔn)確跟蹤遮擋帶來的信道狀態(tài)的變化，處于“Bad”狀態(tài)下的鏈路上不可避免地將產(chǎn)生了突發(fā)誤碼。文獻(xiàn)[6]研究了如何利用HARQ和交織技術(shù)解決突發(fā)誤碼條件下的TCP協(xié)議傳輸問題，結(jié)果表明長(zhǎng)延時(shí)條件下如果僅單純采用交織和FEC編碼技術(shù)，則必須配置足夠長(zhǎng)的交織深度以及較低的編碼碼率。反之，如果能夠結(jié)合HARQ機(jī)制進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，則仍然可以取得較好的性能。這里可以參考ITU發(fā)布的文獻(xiàn)[8]提出的兩狀態(tài)Markov 模型對(duì)不同頻段條件下的交織深度進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間為對(duì)數(shù)正分布，該結(jié)論覆蓋率20GHz載頻配置。文獻(xiàn)[8]給出了模型的詳細(xì)參數(shù)，例如每個(gè)狀態(tài)的平均持續(xù)時(shí)間。

此外，地面系統(tǒng)中，HARQ需要滿足以下條件：

其中，NHARQ,min是HARQ最小的進(jìn)程數(shù)，TTI是TB的傳輸時(shí)間，THARQ是從發(fā)送TB到收到ACK/NACK的總時(shí)間。因?yàn)樾l(wèi)星通信較大的RTT，增加并行HARQ的進(jìn)程數(shù)也是必要的。

6.4 波束（小區(qū)）覆蓋及切換技術(shù)

衛(wèi)星利用多波束天線在地面形成蜂窩狀覆蓋，一個(gè)波束對(duì)應(yīng)一個(gè)小區(qū)。波束在地面的覆蓋區(qū)有兩種形式：衛(wèi)星固定覆蓋與地面固定覆蓋，兩種覆蓋對(duì)應(yīng)的切換方式分別為異步切換與同步切換，其特點(diǎn)如表3所示。同步切換由于對(duì)星上可變多波束形成能力、覆蓋區(qū)規(guī)劃要求較高，因此建議系統(tǒng)采用衛(wèi)星固定波束覆蓋形式。但這將導(dǎo)致終端頻繁地在衛(wèi)星波束間和衛(wèi)星間切換，為漫游帶來了挑戰(zhàn)。

一種較為利與實(shí)現(xiàn)的方法是利用星歷對(duì)衛(wèi)星軌道進(jìn)行估計(jì)，從而提前預(yù)知需要切換的波束或者衛(wèi)星，從而預(yù)分配信道資源來加快切換過程。在低軌道星座通信場(chǎng)景中，如何選擇下一顆衛(wèi)星需要綜合考慮空間路由和待選衛(wèi)星的可持續(xù)覆蓋時(shí)間，采用如“最短路徑優(yōu)先”、“最長(zhǎng)覆蓋時(shí)間”等不同的策略[10]。

6.5 星地融合的頻率管理技術(shù)

頻率資源是制約衛(wèi)星與地面5G融合的關(guān)鍵性因素，為了緩解頻率資源緊張的問題，可以考慮針對(duì)高頻段采用地面5G網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的頻率復(fù)用。在通過合理的頻譜規(guī)劃、輔助基站設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面兩種相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)之間頻譜共享，從而顯著提高系統(tǒng)容量。

頻率資源的高效使用需要通過星地協(xié)同規(guī)劃實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置。例如，在L、S等低頻段，星地可以采用不同載頻，由地面基站服務(wù)小區(qū)中心用戶，由衛(wèi)星為小區(qū)邊緣用戶提供服務(wù)（圖 12 (a)），此方案可以同時(shí)提高地面蜂窩網(wǎng)的頻率復(fù)用效率；在Ku、Ka等高頻段，由于天線波束角較窄，可以利用波束的自然空間分割降低系統(tǒng)間干擾（圖 12(b)）。

除了頻率復(fù)用技術(shù)以外，采用協(xié)同頻譜感知技術(shù)可以有效地實(shí)現(xiàn)頻譜共享，讓多個(gè)用戶利用同一頻段進(jìn)行通信，提高頻段的用戶容量，提高頻譜利用效率。與地面無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星通信覆蓋范圍的廣域性使得認(rèn)知用戶對(duì)所處網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中所有頻譜進(jìn)行檢測(cè)的難度大大增加，頻譜數(shù)據(jù)庫的快速更新、認(rèn)知區(qū)域描述、精確的頻譜感知與波束形成都是這一技術(shù)的研究重點(diǎn)。

6.6 面向衛(wèi)星5G融合的核心網(wǎng)技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)與地面5G的高效、可靠的融合，將衛(wèi)星核心網(wǎng)的控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能實(shí)現(xiàn)分離，轉(zhuǎn)發(fā)功能進(jìn)一步簡(jiǎn)化下沉，將業(yè)務(wù)存儲(chǔ)和計(jì)算能力從網(wǎng)絡(luò)中心下移到網(wǎng)絡(luò)邊緣，以支持高流量的傳輸要求和靈活均衡的流量負(fù)載調(diào)度。借助虛擬化、SDN/NFV、高性能存儲(chǔ)和信息處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)天地融合網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)控制、資源分配、用戶管理和安全管控，從而支持大容量、高速率和高可靠的各種業(yè)務(wù)，高效滿足各類業(yè)務(wù)的多種差異化需求。

圖12 星地頻率協(xié)同規(guī)劃

圖13 衛(wèi)星與地面5G融合的核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)核心網(wǎng)采用與地面5G核心網(wǎng)相同的架構(gòu)，整個(gè)核心網(wǎng)分為控制平面和用戶平面，位于控制平面內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)功能通過基于服務(wù)的接口提供服務(wù)功能，其他的網(wǎng)絡(luò)功能可以重用某一網(wǎng)絡(luò)功能的服務(wù)功能。網(wǎng)絡(luò)功能可以為不同的用戶提供不同的服務(wù)功能，網(wǎng)絡(luò)功能提供的服務(wù)是相互獨(dú)立的，可重用的。

在3GPP提供基本服務(wù)功能的9個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能（NF）之外，為了支持與地面的融合，在5G衛(wèi)星核心網(wǎng)的用戶平面上，需要增加的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能包括[10]（圖13）：

1）非3GPP互聯(lián)功能(N3IWF)：支持和UE之間的IP安全加密鏈路的建立，轉(zhuǎn)發(fā)UE和AMF之間的上下行控制平面的NAS信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)UE和UPF之間的上下行的用戶平面的包，執(zhí)行QoS相對(duì)應(yīng)的N3的分組標(biāo)記，非3GPP接入網(wǎng)中本地移動(dòng)錨的功能；

2）用戶平面功能（UPF）：支持分組路由和轉(zhuǎn)發(fā)，包檢查，策略規(guī)則執(zhí)行，用戶平面的OoS處理，下行鏈路包緩沖和下行數(shù)據(jù)通知觸發(fā)的功能。

衛(wèi)星接入網(wǎng)與核心網(wǎng)之間接口實(shí)現(xiàn)各類業(yè)務(wù)承載的建立、保持、修改和刪除等功能，是實(shí)現(xiàn)用戶和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)連接的接口，對(duì)于管道類業(yè)務(wù)和移動(dòng)通信類業(yè)務(wù)兩種不同的業(yè)務(wù)，其核心網(wǎng)接口設(shè)計(jì)也有所差別。

1） 基于管道類業(yè)務(wù)。在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，衛(wèi)星通過Y1接口直接與用戶相連，衛(wèi)星只具有中繼轉(zhuǎn)發(fā)的功能。衛(wèi)星通過Y2接口接入核心網(wǎng)中用戶平面的非3GPP互聯(lián)功能(N3IWF)，再通過N3IWF與核心網(wǎng)中的其他功能模塊連接，以實(shí)現(xiàn)5G衛(wèi)星通信所提供的服務(wù)。

2）移動(dòng)通信類業(yè)務(wù)。在此架構(gòu)中，衛(wèi)星通過地面的中繼站與用戶相連，地面中繼站通過Y1口連接用戶；在核心網(wǎng)一側(cè)通過Y2接口接入N3IWF，再與核心網(wǎng)中的其他功能模塊連接。SATNET

（全文完）