非地面無線通信網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)技術(shù)*

閆志宇，沈霞，焦慧穎

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

衛(wèi)星通信與地面通信網(wǎng)絡(luò)融合，可以將基礎(chǔ)地面網(wǎng)絡(luò)延伸到無法覆蓋或者覆蓋成本較高的偏遠(yuǎn)地區(qū)、飛機(jī)、船舶等應(yīng)用場景，促進(jìn)地面網(wǎng)絡(luò)滿足更加廣泛的萬物互聯(lián)與人機(jī)深度交互需求。空地通信則可以利用地面基站滿足低空通信需求，以經(jīng)濟(jì)高效的方式為低空用戶設(shè)備提供隨時(shí)隨地的數(shù)據(jù)服務(wù)體驗(yàn)。本文將分析非地面網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景的關(guān)鍵參數(shù)，從標(biāo)準(zhǔn)化角度討論非地面網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的增強(qiáng)技術(shù)，并展望非地面網(wǎng)絡(luò)的后續(xù)演進(jìn)方向。

1 非地面通信場景

典型的非地面網(wǎng)絡(luò)包括衛(wèi)星或高空平臺（HAPS,High Altitude Platform Station）、關(guān)口站、用戶設(shè)備、業(yè)務(wù)鏈路、饋電電路、星際鏈路等。圖1是非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial Network）的典型應(yīng)用場景[1-2]。

圖1 典型的非地面網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景

衛(wèi)星包括近地軌道（LEO,Low Earth Orbiting）衛(wèi)星、中軌道（Medium Earth Orbiting）衛(wèi)星、地球靜止軌道（GEO,Geostationary Earth Orbiting）衛(wèi)星等。表1為非地面網(wǎng)絡(luò)典型的通信參數(shù)，從LEO衛(wèi)星GEO衛(wèi)星，衛(wèi)星距地高度從幾百公里到數(shù)萬公里不等。高空平臺（HAPS,High Altitude Platform Station）和地空（ATG,Air to Ground）通信則主要是支持距地高度幾十公里的高空通信。GEO衛(wèi)星對地相對移動速度可忽略不計(jì)，但LEO衛(wèi)星對地的相對移動速度達(dá)7.56 km/s。

表1 典型NTN的通信參數(shù)

基礎(chǔ)的地面通信網(wǎng)絡(luò)并沒有為如此量級傳播時(shí)延大、覆蓋范圍廣、相對移動速度快、小區(qū)具備移動性等特性做針對性的設(shè)計(jì)。從標(biāo)準(zhǔn)化角度，非地面網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)方案以地面通信網(wǎng)絡(luò)的解決方案為基礎(chǔ)，重點(diǎn)解決非地面通信對地面通信網(wǎng)絡(luò)的同步、定時(shí)關(guān)系、HARQ、波束管理等方面的改進(jìn)需求。

2 非地面通信增強(qiáng)技術(shù)

2.1 同步過程

衛(wèi)星通常具備健全的頻率偏移預(yù)補(bǔ)償?shù)哪芰?。通過基于波束的公共頻偏預(yù)補(bǔ)償，NR系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)的同步信號塊可以保障魯棒的下行時(shí)頻同步跟蹤性能。

上行同步是地面通信網(wǎng)絡(luò)中重要的過程。在時(shí)間上，各用戶設(shè)備需確定發(fā)送上行信號的時(shí)間，保證上行信號在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備側(cè)與接收定時(shí)器對齊。配備有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS,Global Navigation Satellite System）能力的用戶設(shè)備可以在空閑或者非激活狀態(tài)下獲取自身的位置，并借助網(wǎng)絡(luò)設(shè)備輔助的衛(wèi)星位置信息、公共同步定時(shí)差等信息計(jì)算上行定時(shí)提前的預(yù)補(bǔ)償量。借助GNSS功能和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的閉環(huán)定時(shí)調(diào)整指示，連接狀態(tài)下的用戶設(shè)備可以保持上行時(shí)間同步。對于上行頻率同步，一方面，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可預(yù)補(bǔ)償波束特定的公共頻率偏移；另一方面，用戶設(shè)備也可以基于GNSS的位置信息和衛(wèi)星位置信息計(jì)算業(yè)務(wù)鏈路的頻率預(yù)補(bǔ)償量。有了有效的時(shí)間提前和頻率預(yù)補(bǔ)償，NTN通信中上行同步問題得到了大大緩解。如果沒有配備GNSS能力，用戶設(shè)備難以計(jì)算有效的頻率和時(shí)間偏移預(yù)補(bǔ)償量，原有的隨機(jī)接入、上行同步和保持等設(shè)計(jì)都將難以適應(yīng)NTN場景的傳播時(shí)延和頻率的范圍。NTN的初期應(yīng)用以用戶設(shè)備配有GNSS能力為假設(shè)[3]，支持空閑與非激活狀態(tài)的用戶設(shè)備自主定時(shí)提前量估計(jì)和公共定時(shí)提前量估計(jì)，保證NTN場景的同步需求。

2.2 定時(shí)關(guān)系增強(qiáng)

地面通信系統(tǒng)的傳播時(shí)延通常小于1 ms，空中傳播時(shí)延對下行傳輸與上行傳輸之間定時(shí)差的影響可忽略不計(jì)。以下行控制信息調(diào)度上行數(shù)據(jù)傳輸為例，位于時(shí)隙n的下行控制信息用于調(diào)度時(shí)隙n+k的上行傳輸。k的取值范圍主要以滿足用戶設(shè)備接收解調(diào)下行信息的處理時(shí)間、預(yù)處理相關(guān)聯(lián)的上行信息的時(shí)間、以及保證資源復(fù)用靈活性與效率的要求確定，無需過多考慮傳播時(shí)延的影響。NTN場景的傳播時(shí)延則是地面通信系統(tǒng)的數(shù)十倍乃至數(shù)百倍。特別是GEO衛(wèi)星與用戶設(shè)備之間的業(yè)務(wù)鏈路單向傳播延時(shí)可達(dá)270.73 ms。超大的傳播時(shí)延對應(yīng)用戶設(shè)備的下行和上行幀定時(shí)一個(gè)大的定時(shí)提前（TA,Timing Advance）。以NTN中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備側(cè)的DL和UL同步對齊為假設(shè)，圖2為下行和上行定時(shí)關(guān)系示意圖。用戶設(shè)備實(shí)際的下行接收和上行發(fā)送幀定時(shí)之間有TA大小的時(shí)間差別。相應(yīng)地，NTN系統(tǒng)的上下行定時(shí)差需要在地面通信k的基礎(chǔ)上增加一個(gè)偏移量Koffset。Koffset的取值需要可以覆蓋信息往返傳輸時(shí)延的時(shí)間，才能保證用戶設(shè)備基于接收的下行信息發(fā)送相關(guān)聯(lián)的上行信息。物理層下行與上行之間定時(shí)關(guān)系需要增加偏移量的包括上行調(diào)度與相應(yīng)的上行傳輸、下行數(shù)據(jù)傳輸與相應(yīng)的HARQ-ACK反饋、CSI參考資源與相應(yīng)的CSI反饋、非周期SRS調(diào)度與相應(yīng)的非周期SRS傳輸、時(shí)隙格式指示信息與所指示的生效的上行資源、隨機(jī)接入觸發(fā)信息與相應(yīng)的接入信號等。

除上述物理層的下行與上行之間定時(shí)關(guān)系需要增加偏移量Koffset滿足NTN的大傳播時(shí)延之外，地面通信網(wǎng)絡(luò)中還有一些定時(shí)關(guān)系在標(biāo)準(zhǔn)中是按照用戶設(shè)備的邏輯定時(shí)時(shí)間設(shè)置的。例如一般的MAC CE命令在UE發(fā)送MAC CE命令相關(guān)HARQ-ACK后3 ms被激活。這里的UE發(fā)送時(shí)間是假設(shè)TA=0的邏輯時(shí)間。如果網(wǎng)絡(luò)側(cè)的下行和上行幀定時(shí)對齊，以TA=0的上行邏輯時(shí)間為基準(zhǔn)，除MAC CE命令信息和與之對應(yīng)的HARQ-ACK反饋時(shí)間之間增加偏移量之外，無需再增加額外的偏移量，可以保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和用戶設(shè)備之間的MAC CE生效時(shí)間一致。如圖2所示，下行MAC CE和上行MAC CE的生效時(shí)間均以UE發(fā)送MAC CE命令相關(guān)HARQ-ACK的邏輯時(shí)間為參考確定。如果網(wǎng)絡(luò)側(cè)的下行和上行幀定時(shí)不對齊，網(wǎng)絡(luò)側(cè)的上行定時(shí)比下行定時(shí)時(shí)間之間有饋電鏈路的傳播時(shí)延時(shí)間的影響。下行MAC CE的生效時(shí)間需要增加與饋電電路傳播時(shí)延對應(yīng)的偏移量，才可以保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和用戶設(shè)備之間的MAC CE生效時(shí)間一致。

圖2 非地面網(wǎng)絡(luò)下行和上行幀定時(shí)對齊情況下的MAC CE生效時(shí)間示意圖

Koffset參數(shù)的取值在不同的通信階段需求不同。在初始接入階段，該偏移量需要覆蓋小區(qū)內(nèi)所有用戶設(shè)備的最大往返傳播時(shí)延，參數(shù)值可以在系統(tǒng)信息中獲取。在小區(qū)覆蓋范圍很大的情況下，對覆蓋范圍中心的用戶設(shè)備來說，過大的Koffset取值也會拉長接入時(shí)間。所以也可以考慮為初始接入階段的用戶設(shè)備配置更加精細(xì)的Koffset值，比如波束特定的偏移值。然而波束特定的偏移值也意味著網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的指示信令負(fù)擔(dān)加重。在標(biāo)準(zhǔn)化過程中需要折中考慮偏移值的配置信息負(fù)擔(dān)與接入時(shí)延特性等之間的平衡。初始接入之后，可以為用戶設(shè)備可更新定時(shí)偏移量，適配其自身的傳播時(shí)延，并針對不同的下行和上行定時(shí)差需求確定各定時(shí)關(guān)系上生效的偏移值。例如RRC重配期間或者用戶設(shè)備切換期間等過程中，用戶設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間傳輸鏈路可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可使用較大的小區(qū)特定的偏移值，而當(dāng)用戶設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的連接相對穩(wěn)定的情況下，使用用戶設(shè)備特定的偏移值。

2.3 HARQ傳輸增強(qiáng)

地面通信系統(tǒng)使用多個(gè)并行的HARQ進(jìn)程，針對每個(gè)HARQ進(jìn)程反饋獨(dú)立的HARQ-ACK信息。衛(wèi)星通信中，HARQ進(jìn)程數(shù)據(jù)從發(fā)送端到接收端，HARQ-ACK反饋信息從接收端到發(fā)送端均要經(jīng)歷很大的傳播時(shí)延，在HARQACK確認(rèn)正確的情況下HARQ進(jìn)程數(shù)據(jù)才被認(rèn)為傳輸完成，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延特性被大大影響。并且，業(yè)務(wù)鏈路需要支持更多的并行HARQ進(jìn)程數(shù)目，保證新數(shù)據(jù)傳輸總有可用的空閑HARQ進(jìn)程。理論上，為保證系統(tǒng)峰值速率不受HARQ進(jìn)程數(shù)目影響，并行的HARQ進(jìn)程數(shù)需不小于往返傳輸時(shí)延長度內(nèi)包含的時(shí)隙數(shù)目。ATG通信目前多采用TDD方式部署。為減少上行和下行傳輸?shù)念l繁切換帶來系統(tǒng)效率低下問題，上下行配置可能使用比陸地通信系統(tǒng)更長的連續(xù)下行或者連續(xù)上行時(shí)間單元的配比，長時(shí)間連續(xù)下行配置也需要更多數(shù)量的并行HARQ進(jìn)程數(shù)量，保證等待上行時(shí)間單元獲取HARQ-ACK信息期間有足夠的并行HARQ進(jìn)程承載數(shù)據(jù)。HARQ進(jìn)程數(shù)量增加意味著數(shù)據(jù)調(diào)度信息中需要更多的信息量指示當(dāng)前所調(diào)度的HARQ進(jìn)程序號，信息收發(fā)雙方也需要相應(yīng)增加HARQ數(shù)據(jù)緩存能力。NTN的初期應(yīng)用以盡量減少標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)雜度和調(diào)度復(fù)雜度為目的，對能力允許的用戶設(shè)備，將地面通信系統(tǒng)中上行和下行最大支持16個(gè)HARQ進(jìn)程增加到上行和下行均最大支持32個(gè)HARQ進(jìn)程。

避免數(shù)據(jù)傳輸與HARQ-ACK反饋傳播時(shí)延帶來的數(shù)據(jù)時(shí)延增加、HARQ進(jìn)程數(shù)目增加需求的另一種方式是在NTN系統(tǒng)中關(guān)閉HARQ-ACK反饋功能。關(guān)閉HARQACK反饋功能后，數(shù)據(jù)傳輸因?yàn)椴荒塬@得HARQ合并增益而必將有所下降，數(shù)據(jù)傳輸成功標(biāo)志也不能依靠確認(rèn)的HARQ-ACK指示實(shí)現(xiàn)。對可靠性要求較高的RRC、MAC配置信息來說，如果關(guān)閉配置信息的HARQ-ACK反饋，其傳輸性能的影響可能會對系統(tǒng)效率造成惡劣的影響。除此之外，一般的MAC CE命令生效時(shí)間以MAC CE命令相關(guān)的HARQ-ACK反饋時(shí)間為參考。關(guān)閉HARQ-ACK反饋功能后，無從按照現(xiàn)有方式確定MAC CE命令的生效時(shí)間。為避免HARQ-ACK關(guān)閉對RRC、MAC這些重要信息性能的影響，NTN的應(yīng)用中應(yīng)允許針對每個(gè)HARQ進(jìn)程獨(dú)立配置是否關(guān)閉HARQ-ACK反饋功能，保證可以保留部分HARQ進(jìn)程的HARQ-ACK反饋功能不關(guān)閉，至少用于RRC、MAC這些重要信息的傳輸。對于HARQACK反饋關(guān)閉的HARQ進(jìn)程，可通過重復(fù)更多次傳輸、時(shí)間上交織重復(fù)傳輸、引入新的目標(biāo)誤塊率的CQI表格、引入新的上行控制信息類型、UE輔助信息等提高數(shù)據(jù)的傳輸性能，彌補(bǔ)HARQ合并增益帶來的性能損失。

部分HARQ進(jìn)程支持HARQ-ACK反饋，另一部分HARQ進(jìn)程不支持HARQ-ACK反饋，已有的HARQ-ACK碼本的生成方式和HARQ進(jìn)程的調(diào)度過程可能受到影響。地面通信系統(tǒng)中HARQ-ACK碼本包括所有HARQ進(jìn)程的信息位。NTN中，需要確定HARQ-ACK碼本是否保留關(guān)閉了HARQ-ACK反饋的數(shù)據(jù)傳輸對應(yīng)的反饋信息位。如果保留這些HARQ-ACK反饋信息位，意味著控制信息的效率降低，影響系統(tǒng)整體效率。如果不保留這些HARQ-ACK反饋信息位，下行控制信息關(guān)于確定HARQ-ACK反饋的指示字段是沒有意義的，例如指示HARQ-ACK反饋與數(shù)據(jù)傳輸之間定時(shí)差、物理上行控制信道資源指示、動態(tài)HARQ-ACK碼本中配置中的調(diào)度計(jì)數(shù)指示等字段?？刂菩畔⒖s減掉這些字段意味著不同HARQ進(jìn)程的調(diào)度信息長度不同，增加了設(shè)備的盲檢測控制信息的復(fù)雜度。折中考慮系統(tǒng)的下行資源效率、上行資源效率以及設(shè)備的復(fù)雜度，可嘗試在不同的預(yù)設(shè)時(shí)間發(fā)送HARQACK關(guān)閉與未關(guān)閉HARQ進(jìn)程的調(diào)度信息，即限制調(diào)度靈活性換取不增加用戶設(shè)備對控制信息的盲檢測復(fù)雜度。

在地面通信中，下行數(shù)據(jù)調(diào)度時(shí)，關(guān)于HARQ進(jìn)程的使用有如下限制：在完成一個(gè)HARQ進(jìn)程的下行數(shù)據(jù)的HARQ-ACK反饋之前，用戶設(shè)備不期望該HARQ進(jìn)程號用于其它下行數(shù)據(jù)傳輸。這是由于調(diào)度器獲取到HARQ傳輸對應(yīng)的HARQ-ACK信息后，才能將用該HARQ傳輸?shù)腍ARQ進(jìn)程號調(diào)度數(shù)據(jù)重傳，或者將該HARQ進(jìn)程號釋放給新傳數(shù)據(jù)。在關(guān)閉HARQ-ACK反饋功能后，可以放松這樣的調(diào)度限制。對于關(guān)閉了HARQ-ACK反饋的下行HARQ進(jìn)程，使用同一個(gè)HARQ進(jìn)程傳輸數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間，只要保證用戶設(shè)備可以處理完之前使用該HARQ進(jìn)程一次或者多次重復(fù)傳輸?shù)南滦袛?shù)據(jù)即可。

2.4 波束管理增強(qiáng)與極化指示

NTN通信中，LEO衛(wèi)星以及HAPS以很快的速度移動。站在用戶設(shè)備的角度，相當(dāng)于小區(qū)在快速移動。即便地面的用戶設(shè)備是相對靜止，仍然需要頻繁在小區(qū)之間切換。小區(qū)之間的切換需要經(jīng)過RRC重配過程，頻繁切換意味著大量的信令負(fù)擔(dān)和用戶設(shè)備功耗。在地面通信系統(tǒng)中，波束之間的切換可以通過物理層和MAC層過程完成。波束切換很明顯比小區(qū)切換更快速、高效。以此為鑒，NTN通信可以通過波束管理解決小區(qū)移動的問題。如果一個(gè)小區(qū)內(nèi)包括多個(gè)波束，可直接采用地面通信的波束切換流程。如果NTN通信使用了頻率復(fù)用，可能有兩種情況。一種是通過BWP的頻率復(fù)用，另一種是通過多個(gè)成員載波頻率復(fù)用。如果NTN在頻率上通過BWP復(fù)用，用戶設(shè)備在初始BWP獲取同步信息塊和系統(tǒng)信息并完成初始接入。接入網(wǎng)絡(luò)并切換到工作的BWP后，為獲得波束切換的測量信息，用戶設(shè)備需要頻繁切換到初始BWP，這對用戶設(shè)備的功耗和調(diào)度靈活性影響是較大的。如果NTN在頻率上通過多個(gè)成員載波復(fù)用，由于小區(qū)的移動仍不可避免頻繁的小區(qū)切換。因此，為實(shí)現(xiàn)有效的波束管理，需在地面通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上考慮規(guī)劃小區(qū)ID、波束、BWP、系統(tǒng)信息塊之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。除此之外，NTN網(wǎng)絡(luò)相鄰小區(qū)可以使用不同的極化模式（左旋圓極化和右旋圓極化）可以減輕小區(qū)間干擾、提升系統(tǒng)復(fù)用效率。用戶設(shè)備需獲知衛(wèi)星的收發(fā)極化模式確定收發(fā)方式。

3 非地面網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方向分析

隨著非地面網(wǎng)絡(luò)通信的進(jìn)一步增強(qiáng)，NTN的應(yīng)用場景將更加廣泛，業(yè)務(wù)類型也必將更加多樣化。在初期應(yīng)用中以用戶設(shè)備總是配有GNSS能力為假設(shè)。演進(jìn)過程中為支持更多類型的設(shè)備連接，需要進(jìn)一步提升NTN對低能力終端設(shè)備的服務(wù)能力。另外，雖然NTN中的用戶設(shè)備密度很大，但初期應(yīng)用中真正處于連接態(tài)的用戶設(shè)備并不多。在進(jìn)一步演進(jìn)過程中，需要進(jìn)一步的增強(qiáng)技術(shù)支持在NTN超大的覆蓋范圍內(nèi)支持更大密度的連接態(tài)用戶設(shè)備。地面網(wǎng)絡(luò)和非地面網(wǎng)絡(luò)之間的無縫切換與融合也是NTN演進(jìn)的必然需求。

4 結(jié)束語

本文分析了非地面網(wǎng)絡(luò)超大傳輸時(shí)延、多普勒效應(yīng)、小區(qū)移動等通信條件對地面通信網(wǎng)絡(luò)的影響，從標(biāo)準(zhǔn)化角度分析同步過程、定時(shí)關(guān)系、HARQ、波束管理與極化方面的增強(qiáng)解決方案，滿足了非地面網(wǎng)絡(luò)初期應(yīng)用需求，并對非地面通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方向提出發(fā)展建議。伴隨著非地面網(wǎng)絡(luò)的不斷增強(qiáng)與應(yīng)用延伸，終將實(shí)現(xiàn)空地一體化的服務(wù)目標(biāo)。