基于5G技術(shù)的低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

魏肖　成俊峰　王靜賢　崔司千　張景

【摘? 要】基于5G技術(shù)的低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)融合了地面5G技術(shù)靈活有效與低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)廣域覆蓋的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)全球海量物聯(lián)終端廣域連續(xù)性泛在接入的必然選擇。針對(duì)地面5G技術(shù)與低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的融合，對(duì)低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的組成和演進(jìn)進(jìn)行了全面概述，論述了技術(shù)體制的發(fā)展方向;針對(duì)低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)信道特性，對(duì)多普勒頻移補(bǔ)償技術(shù)、低軌衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)延信道補(bǔ)償、衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)隨機(jī)接入等保證傳輸時(shí)效性和可靠性必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了適應(yīng)性分析和設(shè)計(jì)，為未來(lái)低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供支撐。

【關(guān)鍵詞】低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng);5G技術(shù);NOMA;免調(diào)度傳輸

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.003? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2020）03-0014-08

引用格式：魏肖，成俊峰，王靜賢，等. 基于5G技術(shù)的低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[J]. 移動(dòng)通信， 2020，44（3）： 14-21.

Research on Low-Orbit Satellite IoT Based on 5G Technology

WEI Xiao， CHENG Junfeng， WANG Jingxian， CUI Siqian， ZHANG Jing

（China Academic of Electronics and Information Technology， Beijing 100041， China）

[Abstract]?The 5G-based low-orbit satellite Internet of things （IoT） integrates the advantages of flexibility and effectiveness of terrestrial 5G technology and wide-area coverage of low-orbit satellite network， which is an inevitable choice to realize wide area continuous access for global large devices. Aiming at the fusion of terrestrial 5G technology and low-orbit satellite IoT， this paper gives a comprehensive overview of the composition and evolution of low-orbit satellite IoT， and discusses the development direction of technical systems. In view of the channel characteristics of low-orbit satellite IoT， this paper gives adaptive analysis and design of doppler frequency shift compensation technology， long delay channel compensation of low-orbit satellite， random access of satellite IoT and other key technologies that must be solved to ensure the timeliness and reliability of transmission. This paper provides support for the development of low-orbit satellite IoT in the future.

[Key words]low-orbit satellite IoT; 5G technology; NOMA; grant-free transmission

0? ?引言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)在金融服務(wù)、智能家具和交通、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遙感勘測(cè)等各行各業(yè)的應(yīng)用快速增長(zhǎng)，它已經(jīng)作為一種改變?nèi)藗兩罘绞降木W(wǎng)絡(luò)無(wú)處不在[1]，因此，NB-IoT、eMTC、LoRa、Sigfox等地面物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛研究。這些技術(shù)在低功耗、低成本、強(qiáng)覆蓋和大容量等性能方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，然而，由于基站建設(shè)受地理環(huán)境的影響，地面網(wǎng)絡(luò)無(wú)法在沙漠、海洋、擁擠的城市等特殊環(huán)境下實(shí)現(xiàn)全面覆蓋;另一方面，遠(yuǎn)洋物流等大量國(guó)際業(yè)務(wù)的發(fā)展，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的連續(xù)覆蓋范圍和容量等提出了更高的需求，加劇了地面物聯(lián)網(wǎng)能力受限與不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求之間的矛盾。

低軌衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)作為地面通信系統(tǒng)的延伸與補(bǔ)充，具有全球覆蓋（含兩極地區(qū)）、隨遇接入、容量大等特點(diǎn)，可以有效解決地面通信系統(tǒng)的不足。因此，低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生并受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)務(wù)的廣泛關(guān)注和研究[2-4]。然而，衛(wèi)星通信的遠(yuǎn)距離特性導(dǎo)致衛(wèi)星信道存在大多普勒、長(zhǎng)時(shí)延和高動(dòng)態(tài)的特征，低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)面臨時(shí)延大、可靠性低等難題。值得關(guān)注的是，第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）可顯著增強(qiáng)通信系統(tǒng)的靈活性與有效性[5]，融合5G技術(shù)的低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)具有更廣的覆蓋、更低的時(shí)延和更大的容量，可以實(shí)現(xiàn)智能的連通環(huán)境，為海量物聯(lián)終端提供從任何地方實(shí)現(xiàn)廣域連續(xù)性泛在接入的服務(wù)[6-9]。

本文研究基于5G技術(shù)的低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的組成和演進(jìn)進(jìn)行了全面概述，論述了技術(shù)體制的發(fā)展方向，并針對(duì)低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)信道特性，基于5G技術(shù)，對(duì)多普勒頻移補(bǔ)償技術(shù)、低軌衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)延信道補(bǔ)償設(shè)計(jì)、衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)隨機(jī)接入等保證傳輸時(shí)效性和可靠性必須要解決的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了適應(yīng)性分析和設(shè)計(jì)。

1? ? ?低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成

1.1? ?低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

一種基于5G移動(dòng)通信技術(shù)體制的低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)分為空間段、地面段和用戶段三個(gè)組成部分，系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)采用軟件定義資源虛擬化架構(gòu)，在空間段和地面段靈活部署功能網(wǎng)元，滿足不同業(yè)務(wù)的需求。

空間段部署基于5G NR空口體制的星載基站（Sat-gNB， Satellite-generation NodeB），具有完整的基站物理層與協(xié)議層信號(hào)處理，可實(shí)現(xiàn)同一或不同波束下的物聯(lián)終端接入和數(shù)據(jù)采集?？紤]到衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，低軌衛(wèi)星載荷不僅支持gNB基站功能，還將部署定制的輕量化核心網(wǎng)功能，主要包括接入與移動(dòng)性管理功能（AMF， Access and Mobility Management Function）、會(huì)話管理功能（SMF， Session Management Function）和數(shù)據(jù)面用戶平面功能（UPF， User Plane Function）等定制化功能，以及用于海量物聯(lián)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和預(yù)處理的星載邊緣計(jì)算功能。每顆衛(wèi)星既可構(gòu)成獨(dú)立的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)終端，也可以作為接入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接其他衛(wèi)星/地面核心網(wǎng)，當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星在海洋或偏遠(yuǎn)地區(qū)上空沒(méi)有饋電鏈路連接地面信關(guān)站時(shí)，單個(gè)衛(wèi)星可自成系統(tǒng)完成對(duì)地面物聯(lián)終端或其他終端的接入服務(wù)，這樣的設(shè)計(jì)充分考慮了衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，不僅可減少接入控制平面的時(shí)延，而且可降低對(duì)星間鏈路的需求，甚至可不依賴復(fù)雜的星間鏈路和路由設(shè)備實(shí)現(xiàn)物聯(lián)終端的接入和數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)處理，適合低成本的微小衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行部署。

地面段：與衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)應(yīng)，地面段完成饋電鏈路的收發(fā)處理，以及類似于地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的AMF、SMF、UPF，衛(wèi)星與與地面核心網(wǎng)采用NG接口?？梢詫⑿l(wèi)星采集存儲(chǔ)的海量物聯(lián)數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)面功能網(wǎng)元UPF路由到地面物聯(lián)數(shù)據(jù)服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)與地面物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)層面上的融合。地面可視化智能網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，用于管控天基物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

用戶段：用戶終端為傳感器等多種形態(tài)物聯(lián)網(wǎng)終端，主要完成用戶應(yīng)用數(shù)據(jù)的采集和編碼調(diào)制等發(fā)送處理，以及基站下發(fā)數(shù)據(jù)的解調(diào)解碼等。物聯(lián)終端可采用兼容NB-IoT的Sat NB-IoT技術(shù)體制設(shè)計(jì)，支持同時(shí)接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)同時(shí)存在星地接入條件時(shí)，地面通信系統(tǒng)的陸地蜂窩網(wǎng)絡(luò)將作為業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的入口;當(dāng)沒(méi)有地面接入設(shè)施時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)終端可直接接入星載Sat-gNB或者通過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)匯聚后接入星載Sat-gNB。

1.2? 低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）3GPP物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)

先階段低功耗廣域覆蓋（LPWA， Low Power Wide Area）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)從高峰期回到了穩(wěn)定期，伴隨工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和5G部署，LWPA業(yè)務(wù)發(fā)展迎來(lái)新高峰。目前主流的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體制主要包括LoRa、NB-IoT、eMTC等，如圖2所示，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體制標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，根據(jù)3GPP自評(píng)估結(jié)果和中國(guó)獨(dú)立評(píng)估的結(jié)果可知，基于NB-IoT技術(shù)體制演進(jìn)，可滿足ITU mMTC的要求，大概率可以成為5G LPWA技術(shù)體制。2019年7月，ITU-R WP5D#32會(huì)議上，NB-IoT/eMTC正式被確認(rèn)作為5G候選技術(shù)方案，滿足大規(guī)模機(jī)器連接（MTC， massive Machine Type of Communication）場(chǎng)景的技術(shù)需求。

（2）衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)相對(duì)于現(xiàn)有基于公網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的物聯(lián)網(wǎng)在服務(wù)的連續(xù)性、泛在頑存、靈活性三方面具有較大優(yōu)勢(shì)，使得衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)在一些遠(yuǎn)洋物流、電力能源設(shè)施監(jiān)測(cè)與維護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)等行業(yè)應(yīng)用專網(wǎng)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

一是服務(wù)的連續(xù)性方面，陸地網(wǎng)絡(luò)的部署往往是以人口密集區(qū)域?yàn)橹饕目紤]因素，全球大部分地區(qū)目前沒(méi)有陸地移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，即使有陸地，也存在跨國(guó)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商漫游接入復(fù)雜問(wèn)題，導(dǎo)致例如遠(yuǎn)洋物流、陸地長(zhǎng)途貨運(yùn)、航空運(yùn)輸?shù)任锪髌脚_(tái)無(wú)法利用地面的4G/5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供連續(xù)性的物聯(lián)接入服務(wù)。如圖3所示，基于5G技術(shù)體制的低軌星座衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)可以提供全球范圍的物聯(lián)接入能力，與地面網(wǎng)絡(luò)形成互補(bǔ)，可以有效滿足上述服務(wù)連續(xù)性的需求。

二是服務(wù)的泛在頑存方面，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)海維權(quán)監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與搶險(xiǎn)救災(zāi)專網(wǎng)應(yīng)用方面，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)不需要在人跡罕至的海上或山區(qū)復(fù)雜地理?xiàng)l件下部署基礎(chǔ)設(shè)施，相比地面網(wǎng)絡(luò)具有更高的經(jīng)濟(jì)性和容災(zāi)抗毀能力。

三是服務(wù)的彈性靈活性方面，在某些能源電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施廣域協(xié)同控制，海量物聯(lián)終端軟件升級(jí)等應(yīng)用場(chǎng)景下，采用地面的專網(wǎng)基站進(jìn)行廣播發(fā)送，存在能效低下、同步協(xié)同困難等問(wèn)題。廣域多播能力是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的天然優(yōu)勢(shì)，一個(gè)衛(wèi)星波束的覆蓋范圍相當(dāng)于上千個(gè)地面物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（基站）的覆蓋范圍，能較好滿足上述需求。

（3）地面物聯(lián)網(wǎng)與衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)需求差異分析

為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)與基于5G的非地面網(wǎng)絡(luò)的融合，需要分析衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)需求與地面物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)性能的差異性，如表1所示。以NB-IoT（R13）為代表的地面物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體制適合靜態(tài)的、低速的、對(duì)時(shí)延不太敏感的“滴水式”交互類業(yè)務(wù)，但是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)存在高動(dòng)態(tài)信道時(shí)延、大多普勒變化、用戶終端高移動(dòng)性、更高的并發(fā)接入能力、用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)速率和接入時(shí)延變化范圍大等特性，現(xiàn)有的地面物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體制無(wú)法滿足需求，需要進(jìn)行適應(yīng)性演進(jìn)設(shè)計(jì)。

（4）衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP開(kāi)始考慮在地面移動(dòng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上支持衛(wèi)星通信。3GPP最早在R14版本中開(kāi)展衛(wèi)星通信給地面5G移動(dòng)通信帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)研究;在R15進(jìn)行了5G使用衛(wèi)星接入和5G新空口支持非地面網(wǎng)絡(luò)的研究，明確了非地面網(wǎng)絡(luò)與5G地面網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系、網(wǎng)絡(luò)候選架構(gòu)、參考部署場(chǎng)景及特征、非地面網(wǎng)絡(luò)信道模型和新空口支持非地面網(wǎng)絡(luò)的潛在影響等。在2018年初，3GPP正式開(kāi)始了5G非地面空口研究階段的工作，目前，與5G融合的非地面網(wǎng)絡(luò)空口已在R17版本中正式立項(xiàng)，預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)將于2021年完結(jié);SaT5G聯(lián)盟由歐洲BT、Avanti、SES、Thales、Airbus、Surrey大學(xué)等多個(gè)單位聯(lián)合成立，也致力于研究和驗(yàn)證5G關(guān)鍵技術(shù)在衛(wèi)星移動(dòng)通信場(chǎng)景下的應(yīng)用，已經(jīng)向3GPP、ETSI、ITU等多個(gè)組織遞交了建議書(shū)和技術(shù)報(bào)告。

雖然從上面的對(duì)比分析來(lái)看，現(xiàn)有的陸地物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體制與面向衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的需求尚存在較大差距，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，NB-IoT/eMTC網(wǎng)絡(luò)更具成長(zhǎng)性，選擇NB-IoT/eMTC及其后續(xù)5G演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體制設(shè)計(jì)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體制，更容易得到產(chǎn)業(yè)鏈的支持，未來(lái)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)更加容易和基于5G技術(shù)體制的非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN， Non-terrestrial Networks）實(shí)現(xiàn)融合。因此需要充分借鑒5G關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的特性對(duì)其進(jìn)行適應(yīng)性研究和設(shè)計(jì)，以滿足衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的通信需求。

2? ? 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)空口適應(yīng)性設(shè)計(jì)

2.1? 多普勒頻移補(bǔ)償技術(shù)

在衛(wèi)星通信中，特別是低軌衛(wèi)星通信，多普勒頻移比較大，會(huì)影響頻率同步，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能?？紤]到衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)主要工作在L頻段（2 GHz以下），典型的多普勒頻移參數(shù)如表2所示：

對(duì)本文所介紹的星載基站處理模式，系統(tǒng)的頻率誤差部分包含多普勒頻移偏差和時(shí)鐘晶振偏差。對(duì)于多普勒偏移，需要考慮終端的移動(dòng)和衛(wèi)星的移動(dòng)帶來(lái)的影響，而時(shí)鐘的頻率誤差又包含衛(wèi)星、終端部件引起的晶振誤差。對(duì)于多普勒偏移的估計(jì)和補(bǔ)償，可以分為閉環(huán)和開(kāi)環(huán)兩種模式，閉環(huán)指的是終端不具備星歷信息和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS， Global Navigation Satellite System）定位能力，因而需要基站對(duì)頻率偏差進(jìn)行指示，而開(kāi)環(huán)模式則依賴于星歷信息和GNSS定位能力，終端可以基于星歷信息和位置信息進(jìn)行多普勒計(jì)算，進(jìn)而獲得實(shí)際的多普勒偏移值，提前進(jìn)行多普勒補(bǔ)償，開(kāi)環(huán)模式比較適合物聯(lián)網(wǎng)終端應(yīng)用，可有效降低終端的復(fù)雜度及成本。

對(duì)于每個(gè)波束，假設(shè)波束中心設(shè)為參考點(diǎn)，衛(wèi)星基站側(cè)需要補(bǔ)償波束中心點(diǎn)的下行多普勒偏移，物聯(lián)網(wǎng)需要處理的多普勒偏移是終端所在的位置相對(duì)于波束中心點(diǎn)的多普勒偏移值，這個(gè)稱之為多普勒殘差，殘差值比多普勒偏移絕對(duì)值小得多，取決于小區(qū)半徑大小，在L頻段，一般為1 kHz～2 kHz。

對(duì)于多普勒殘差的估計(jì)和補(bǔ)償，當(dāng)星歷信息和位置信息較為準(zhǔn)確時(shí)，終端可以估計(jì)出相應(yīng)的多普勒差值，從而進(jìn)行補(bǔ)償，如果星歷信息存在一定偏差時(shí)，在下行可以通過(guò)同步信號(hào)進(jìn)行信號(hào)跟蹤和補(bǔ)償，消除下行的多普勒偏移。對(duì)于上行的多普勒偏移，衛(wèi)星基站側(cè)同樣需要進(jìn)行基于波束中心點(diǎn)的多普勒頻移后補(bǔ)償，每個(gè)終端僅進(jìn)行對(duì)于波束中心的多普勒預(yù)補(bǔ)償，剩下補(bǔ)充由衛(wèi)星基站根據(jù)中心點(diǎn)情況進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2? 低軌衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)延信道補(bǔ)償設(shè)計(jì)

（1）長(zhǎng)延時(shí)相對(duì)補(bǔ)償和絕對(duì)補(bǔ)償過(guò)程

低軌衛(wèi)星物聯(lián)系統(tǒng)的時(shí)延補(bǔ)償可以采用相對(duì)補(bǔ)償和絕對(duì)補(bǔ)償。相對(duì)補(bǔ)償，用戶特定定時(shí)提前（TA， Time Advance），即物聯(lián)終端僅補(bǔ)償小區(qū)內(nèi)相對(duì)于參考點(diǎn)的差異時(shí)延部分，衛(wèi)星基站側(cè)維護(hù)公共部分時(shí)延。公共時(shí)延是指衛(wèi)星基站到覆蓋區(qū)公共參考點(diǎn)的鏈路時(shí)延，物聯(lián)網(wǎng)終端相對(duì)時(shí)延是終端根據(jù)自己的位置和公共參考點(diǎn)推算出的傳播時(shí)延。

終端時(shí)延補(bǔ)償步驟如下：

1）終端通過(guò)獲取網(wǎng)絡(luò)通知的參考點(diǎn)信息;

2）基于星歷信息和位置信息獲得衛(wèi)星的距離，并計(jì)算和參考距離的差值;

3）終端補(bǔ)償定時(shí)差值并發(fā)送上行NB-IoT物理隨機(jī)接入信道（NPRACH， NB-IoT Physical Random Access Channel）信號(hào)。

基站時(shí)延補(bǔ)償步驟（以再生模式為例）：

1）基于公共參考位置計(jì)算用戶鏈路的參考距離和參考時(shí)延;

2）根據(jù)用戶鏈路的參考時(shí)延調(diào)整基站的定時(shí)，然后檢測(cè)上行NPRACH信號(hào)，獲取殘留的定時(shí)差值。

隨機(jī)接入信號(hào)發(fā)送和相對(duì)定時(shí)補(bǔ)償如圖4所示：

物聯(lián)網(wǎng)終端以初始定時(shí)補(bǔ)償信息TA發(fā)送NPRACH信號(hào)后，獲得NPRACH響應(yīng)信息，其中指示終端所需的額外的TA補(bǔ)償信息，最后終端基于初始TA和額外的TA獲得總的上行用戶特定TA。

（2）PRACH增加設(shè)計(jì)

由于物聯(lián)網(wǎng)終端采用開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)模式，即終端具有星歷信息和定位能力，因此能獲得相對(duì)準(zhǔn)確的頻率和定時(shí)估計(jì)信息，但是還需要考慮由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)和終端移動(dòng)造成的多普勒殘差、定時(shí)估計(jì)造成的時(shí)延估計(jì)殘差以及星地信道信噪比低等問(wèn)題對(duì)隨機(jī)接入帶來(lái)的影響，需要接入信道NPRACH前導(dǎo)碼（Preamble）采用增強(qiáng)發(fā)送方案設(shè)計(jì)。

為了應(yīng)對(duì)定時(shí)估計(jì)造成的時(shí)延估計(jì)殘差，需要足夠大的循環(huán)前綴（CP， Cyclic Prefix），建議應(yīng)考慮CP的取值應(yīng)能應(yīng)對(duì)100 km的時(shí)延估計(jì)殘差，同時(shí)為了降低CP的開(kāi)銷，可以采用文獻(xiàn)[10]中建議的描述CP插入設(shè)計(jì)，對(duì)于k個(gè)重復(fù)的長(zhǎng)度為k*N的前導(dǎo)碼符號(hào)組，只添加一個(gè)長(zhǎng)度為Ncp的循環(huán)冗余CP，形成一個(gè)前導(dǎo)碼符號(hào)組（symbol group），并且對(duì)前導(dǎo)碼符號(hào)組在子載波間進(jìn)行隨機(jī)跳重復(fù)發(fā)送，以應(yīng)對(duì)星地低信噪比傳輸環(huán)境，提高單次接入過(guò)程成功概率，如圖5所示?？梢钥闯鰇的數(shù)值越大CP的開(kāi)銷越低，但是k的取值應(yīng)當(dāng)在信道相干時(shí)間允許的范圍內(nèi)，否則會(huì)導(dǎo)致載波間干擾（ICI， Inter-Carrier Interference）的惡化。

2.3? 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)隨機(jī)接入過(guò)程設(shè)計(jì)

在低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中，為了滿足海量用戶終端低時(shí)延、高可靠、低功耗廣域覆蓋等應(yīng)用需求，必須設(shè)計(jì)高效的多址接入?yún)f(xié)議。在海量用戶共享系統(tǒng)容量的情況下，隨機(jī)接入技術(shù)具有很好的魯棒性，且可以有效降低重傳次數(shù)和時(shí)延、提升吞吐量，是實(shí)現(xiàn)海量物聯(lián)終端廣域連續(xù)性泛在接入的必然選擇[11-12]。然而，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離特性導(dǎo)致衛(wèi)星信道存在大多普勒、長(zhǎng)時(shí)延和高動(dòng)態(tài)的特征，傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的隨機(jī)接入技術(shù)無(wú)法直接應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中。因此，需要針對(duì)衛(wèi)星信道特性，對(duì)傳統(tǒng)的隨機(jī)接入機(jī)制進(jìn)行研究和適應(yīng)性改造。

（1）基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入過(guò)程

基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入是指隨機(jī)接入前導(dǎo)碼是由用戶從眾多前導(dǎo)碼中隨機(jī)選擇一個(gè)并主動(dòng)發(fā)起隨機(jī)接入，前導(dǎo)碼并非由基站分配所得?；诟?jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入機(jī)制包括傳統(tǒng)的4步隨機(jī)接入和改進(jìn)的2-step隨機(jī)接入。

1） 4步隨機(jī)接入

傳統(tǒng)的基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入機(jī)制包括4步接入流程，如圖6所示。首先，物聯(lián)終端通過(guò)隨機(jī)接入信道（RACH， Random Access Channel）向衛(wèi)星基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼;衛(wèi)星基站通過(guò)下行共享信道（DL-SCH， Downlink Shared Channel）向用戶發(fā)送由MAC層產(chǎn)生的隨機(jī)接入響應(yīng);其次，物聯(lián)終端通過(guò)上行共享信道（UL-SCH，Uplink Shared Channel）向衛(wèi)星基站發(fā)送由媒體接入控制層產(chǎn)生的基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入資源請(qǐng)求數(shù)據(jù);最后，衛(wèi)星基站通過(guò)DL-SCH向用戶發(fā)送由無(wú)線資源控制層（RRC， Radio Resource Control）層產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)響應(yīng)。

4步隨機(jī)接入流程中前導(dǎo)碼和資源請(qǐng)求數(shù)據(jù)被分為兩個(gè)部分在不同時(shí)刻、不同信道進(jìn)行傳輸，只有被許可接入的用戶才能使用所分配的信道發(fā)送資源請(qǐng)求數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)資源分配與其他用戶之間不存在沖突，但存在接入時(shí)延大的缺點(diǎn)。

2） 2-step隨機(jī)接入

考慮到衛(wèi)星通信長(zhǎng)距離傳輸加劇了4步隨機(jī)接入時(shí)延大的問(wèn)題，為了降低衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的接入時(shí)延并減少信令開(kāi)銷，提出了改進(jìn)的2-step隨機(jī)接入，其接入流程如圖7所示。首先，用戶通過(guò)RACH向衛(wèi)星基站同時(shí)發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼和基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入資源請(qǐng)求數(shù)據(jù);然后，衛(wèi)星基站通過(guò)DL-SCH向用戶發(fā)送由MAC層產(chǎn)生的隨機(jī)接入響應(yīng)。

與4步隨機(jī)接入不同的是，2-step隨機(jī)接入將前導(dǎo)碼和資源請(qǐng)求數(shù)據(jù)都放在RACH中以競(jìng)爭(zhēng)的方式進(jìn)行傳輸，在前導(dǎo)碼和數(shù)據(jù)部分均正確檢測(cè)的條件下可有效降低低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)用戶的接入時(shí)延，但是必須設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)碾S機(jī)接入信道結(jié)構(gòu)。

（2）基于非競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入機(jī)制

基于非競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入與基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入的不同在于，其衛(wèi)星基站通過(guò)下行專用信令給用戶指派非競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼，用戶通過(guò)發(fā)送指派的前導(dǎo)碼從而保證隨機(jī)接入不沖突，也就無(wú)須在最后解決沖突，可有效滿足低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)用戶對(duì)低時(shí)延高可靠的需求。其接入流程如圖8所示，首先，衛(wèi)星基站通過(guò)下行專用信令向用戶指派不同于初始接入時(shí)系統(tǒng)信息集合中的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼;然后，用戶通過(guò)RACH向衛(wèi)星基站發(fā)送指派的隨機(jī)接入前導(dǎo)碼;最后，衛(wèi)星基站通過(guò)DL-SCH向用戶發(fā)送由MAC層產(chǎn)生的隨機(jī)接入響應(yīng)。

（3）結(jié)合NOMA的2-step接入與傳輸機(jī)制

在5G新型空口中，非正交多址（NOMA， Non-Orthogonal Multiple Access）技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注，NOMA技術(shù)可以使多個(gè)用戶終端共享相同的接入資源，并通過(guò)高級(jí)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)接收和譯碼。通過(guò)結(jié)合免調(diào)度機(jī)制，采用2-step隨機(jī)接入方式，即采用Preamble+NOMA數(shù)據(jù)的接入機(jī)制，結(jié)合高效的接收機(jī)檢測(cè)算法，可以實(shí)現(xiàn)低時(shí)延高可靠的大規(guī)模隨機(jī)接入技術(shù)，其接入流程如圖9所示。多個(gè)物聯(lián)終端可能會(huì)在相同的資源上同時(shí)發(fā)起傳輸，再利用NOMA技術(shù)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多用戶接入，有利于支持更多的用戶數(shù)量或業(yè)務(wù)負(fù)載。相比于基于競(jìng)爭(zhēng)和非競(jìng)爭(zhēng)的接入機(jī)制，免調(diào)度傳輸可以有效地縮減系統(tǒng)流程并節(jié)約信令開(kāi)銷，降低時(shí)延和功耗，非常適用于衛(wèi)星長(zhǎng)延時(shí)信道用戶的接入，是未來(lái)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信最具潛力的技術(shù)之一。

在NOMA技術(shù)方案中，基于圖樣分割的多址接入技術(shù)（PDMA， Pattern Division Multiple Access）作為一種主流方案得到了廣泛關(guān)注。PDMA是一種發(fā)送端和接收端聯(lián)合設(shè)計(jì)的NOMA方案，發(fā)送端通過(guò)設(shè)計(jì)多用戶不等分集的PDMA圖樣矩陣，實(shí)現(xiàn)時(shí)頻域、功率域和空域等多維度的非正交信號(hào)疊加傳輸，獲得較高的多用戶復(fù)用和分集增益。

定義過(guò)載率（OF， Overloading Facotr）α為PDMA系統(tǒng)復(fù)用的用戶個(gè)數(shù)K與所用正交資源個(gè)數(shù)N的比值：α=K/N，對(duì)于給定的過(guò)載率α（通常α取值1.5，3），可以設(shè)計(jì)多種形式的PDMA圖樣矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)。滿足如下條件的PDMA圖樣矩陣∈，M≥K>0，都能夠?qū)崿F(xiàn)多用戶圖樣映射。

（1）

其中，是理論P(yáng)DMA圖樣矩陣，表示從理論P(yáng)DMA圖樣矩陣中選取K列構(gòu)成的PDMA圖樣矩陣。在接收端采用性能較優(yōu)的置信傳播迭代譯碼算法或者串行干擾消除算法進(jìn)行信號(hào)分離檢測(cè)，有效區(qū)分不同用戶的請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)低時(shí)延高可靠的海量隨機(jī)接入，可有效提升并發(fā)接入能力。

（4）用戶狀態(tài)自適應(yīng)的接入機(jī)制選擇策略

衛(wèi)星發(fā)生饋電鏈路切換時(shí)，整個(gè)衛(wèi)星的接入用戶都需要接入到新小區(qū)，導(dǎo)致新小區(qū)面臨大規(guī)模用戶的隨機(jī)接入，是低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)接入的重大挑戰(zhàn)。為此，我們提出用戶狀態(tài)自適應(yīng)的接入機(jī)制選擇策略，針對(duì)用戶當(dāng)前狀態(tài)，采用不同的隨機(jī)接入策略。對(duì)在饋電鏈路切換前處于連接態(tài)的用戶采用基于NOMA的免調(diào)度傳輸、處于激活態(tài)的用戶采用基于非競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入、處于空閑態(tài)的用戶采用基于競(jìng)爭(zhēng)的隨機(jī)接入，有序地在新小區(qū)發(fā)起隨機(jī)接入。

3? ?結(jié)束語(yǔ)

基于5G技術(shù)體制NTN發(fā)展衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的融合，是未來(lái)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。本文所提出的基于5G資源虛擬化架構(gòu)的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，不僅可減少接入控制平面的時(shí)延，可不依賴復(fù)雜的星間鏈路和路由設(shè)備實(shí)現(xiàn)物聯(lián)終端的接入、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)處理，適合采用低成本的微小衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行部署。在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)體制設(shè)計(jì)方面，通過(guò)分析地面物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體制和衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體制的發(fā)展趨勢(shì)及技術(shù)需求差異，結(jié)合低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)信道大多普勒和長(zhǎng)時(shí)延特性，開(kāi)展了衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)接入信道分析和設(shè)計(jì)，提出的結(jié)合NOMA和2-step接入的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)隨機(jī)接入過(guò)程可有效節(jié)省接入時(shí)間，通過(guò)NOMA體制實(shí)現(xiàn)資源超載預(yù)期可提升1.5～3倍物聯(lián)終端并發(fā)接入能力，為未來(lái)基于5G技術(shù)的低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了設(shè)計(jì)思路。

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作者簡(jiǎn)介

魏肖（orcid.org/0000-0001-5064-0450）：

工程師，畢業(yè)于華中科技大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，研究方向?yàn)樘斓匾惑w化通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信。

成俊峰：助理工程師，畢業(yè)于貴州大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，研究方向?yàn)樘斓匾惑w化通信網(wǎng)絡(luò)。

王靜賢：工程師，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子科學(xué)研究院，研究方向?yàn)樘斓匾惑w化通信網(wǎng)絡(luò)。