6G衛(wèi)星通信接入及移動性管理技術(shù)

吳曉文，凌翔，朱立東，焦偵豐，程劍，楊博

（1.電子科技大學(xué)，四川 成都 611731；2.電子科技大學(xué)（深圳）高等研究院，廣東 深圳 518110； 3.深圳市星網(wǎng)榮耀科技有限公司，廣東 深圳 518052； 4.中國人民解放軍陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007；5.航天恒星科技有限公司，北京 100086）

1 引言

2019年被稱為5G元年，而2020年是5G加速商用的一年，中國5G跑出了“中國速度”，全年新建5G基站超過60萬個，實現(xiàn)所有地級以上城市5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋；5G終端連接數(shù)突破2億個。2021年計劃新建5G基站60萬個，加速向有條件的縣鎮(zhèn)延伸[1]。但5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋仍以基站為中心，在基站未覆蓋的沙漠、無人區(qū)、海洋等區(qū)域內(nèi)依然存在大量通信盲區(qū)，預(yù)計5G時代仍將有80%以上的陸地區(qū)域和95%以上的海洋區(qū)域無移動網(wǎng)絡(luò)信號[2]。同時，5G的通信對象集中在陸地地表10 km以內(nèi)高度的有限空間范圍，無法實現(xiàn)“空天海地”無縫覆蓋的通信愿景[2]，5G并不能真正實現(xiàn)“全球全域”和“萬物互聯(lián)”。

因此，人們的目光開始聚焦在6G的研究，以彌補5G網(wǎng)絡(luò)的不足并實現(xiàn)真正意義上的全球全域隨遇接入和萬物互聯(lián)。6G核心技術(shù)已被列入多個國家的創(chuàng)新戰(zhàn)略中，將成為大國科技博弈的高精尖領(lǐng)域。中國、美國、日本、韓國、歐洲（如芬蘭、德國）等多個國家和地區(qū)都已經(jīng)啟動了關(guān)于6G的研究，尚處于“場景挖掘”和“技術(shù)尋找”階段。其中，國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）已將衛(wèi)星通信列為6G融合多類網(wǎng)絡(luò)（ManyNets）的重要組成部分[3]。6G的總體愿景是基于5G網(wǎng)絡(luò)的進一步擴展和升級[2]，進一步融合衛(wèi)星移動通信、人工智能（artificial intelligence，AI）與大數(shù)據(jù)[3]，打造“空-天-地-?！币惑w化網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成面向2030年之后的泛在移動通信信息基礎(chǔ)設(shè)施。6G網(wǎng)絡(luò)速率、空口時延以及網(wǎng)絡(luò)接入容量等指標(biāo)，均比5G網(wǎng)絡(luò)有了數(shù)倍甚至千倍的性能提升，并將涌現(xiàn)更多的全新業(yè)務(wù)和全新應(yīng)用場景。6G網(wǎng)絡(luò)將由5G的增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、超可靠低時延通信（ultra reliable and low latency communication，uRLLC）和大連接物聯(lián)網(wǎng)（massive machine type communication，mMTC）三大應(yīng)用場景升級和擴展到未來增強型移動寬帶（further-enhanced mobile broadband，F(xiàn)eMBB）、極高可靠低時延通信（extremely reliable and low-latency communication，eRLLC）、遠距離高移動性通信（long-distance and high-mobility communication，LDHMC）、超大連接物聯(lián)網(wǎng)（ultra-massive machine type communication， umMTC）和極低功耗通信（extremely low-power communication，ELPC）五大應(yīng)用場景[4]。為滿足6G網(wǎng)絡(luò)下的上述多層多維應(yīng)用要求，建立終端及業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)連接的首先任務(wù)是實現(xiàn)高效、快速、智能的接入，研究和探索6G網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星通信接入技術(shù)具有重要的意義。

本文首先通過對目前衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)接入技術(shù)體制，以及國際標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)對5G新空口（new radio，NR）衛(wèi)星接入技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行介紹和分析，然后分別研究和提出了關(guān)于極簡接入、極智接入和移動性管理等方面針對6G網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星通信相關(guān)解決方案和建議。

2 目前衛(wèi)星移動通信的接入技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)接入技術(shù)

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)是提供衛(wèi)星移動業(yè)務(wù)（mobile satellite service，MSS）的通信系統(tǒng)，可以提供語音、數(shù)據(jù)、傳真、視頻等業(yè)務(wù)，既適用于國內(nèi)通信，也可用于國際通信，既適用于民用通信，也適用于軍事通信[5]。投入運營的代表性衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主要有國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)（Inmarsat）、銥星（Iridium）、全球星（Globalstar）以及我國的“天通一號”衛(wèi)星通信系統(tǒng)等。

Inmarsat是世界上第一個全球性的移動業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，用戶鏈路利用L波段，覆蓋全球南北緯75°以內(nèi)的范圍，提供低速數(shù)字語音、數(shù)據(jù)通信、傳真、電報（僅限于海事終端單元之間）。其中，Inmarsat三代星（Inmarsat-P/ICO）采用類似地面全球移動通信（global system for mobile communication，GSM）系統(tǒng)的GMR-2體制[6]。GMR（GEO-mobile radio）意為地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）移動無線電接口，用于地球同步衛(wèi)星的移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)。GMR源于地面GSM標(biāo)準(zhǔn)，支持接入GSM核心網(wǎng)[7]，采用TDMA多址接入方式，終端用戶可在地面GSM和衛(wèi)星之間自動切換。不同于前面三代星采用的傳統(tǒng)電路交換技術(shù)[8]，Inmarsat四代星全球?qū)拵Ь钟蚓W(wǎng)（broadband global area network，BGAN）創(chuàng)建了世界第一個全球性的3G移動通信網(wǎng)絡(luò)[9]，將3G系統(tǒng)WCDMA空口替換為專用空口（即Inmarsat air interface-2，IAI2）[10]，可采用不同的調(diào)制方式，兼容地面3G網(wǎng)絡(luò)（3GPP Release 4）[10]。Inmarsat一到四代星用戶鏈路均采用L頻段，而Inmarsat五代星采用Ka頻段，基于DVB-S2技術(shù)，支持上行5 Mbit/s、下行50 Mbit/s的寬帶業(yè)務(wù)[11]。Inmarsat的全球服務(wù)商競爭對手為Iridium和Globalstar。

Iridium采用了星上處理、星上交換和星際鏈路技術(shù)。其中，星際鏈路是一個巨大的突破和優(yōu)勢，類似于地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)。Iridium采用源于地面GSM的GMR-1技術(shù)體制[12]。GMR-1空口被稱為GMR-1 3G，以歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）EDGE標(biāo)準(zhǔn)空口為基礎(chǔ)，并針對衛(wèi)星環(huán)境進行了優(yōu)化[13]，采用TDMA多址接入方式實現(xiàn)手持終端與衛(wèi)星直接通信，為用戶提供了語音、數(shù)據(jù)、尋呼以及傳真等業(yè)務(wù)。Iridium公司2017年開始部署的“Iridium NEXT”星座，支持移動用戶（手持終端）的最高數(shù)據(jù)速率可達128 kbit/s，數(shù)據(jù)用戶（船載動中通Iridium OpenPort?equipment及其升級換代產(chǎn)品Iridium Pilot?[14-15]）可達1.5 Mbit/s，Ka頻段固定站不低于8 Mbit/s[16]?！癐ridium NEXT”主要瞄準(zhǔn)IP寬帶網(wǎng)絡(luò)化和載荷能力的可擴展、可升級等能力，這些能力使得它能夠適應(yīng)未來空間信息應(yīng)用的復(fù)雜需求。

Globalstar在全球范圍向用戶提供無縫隙覆蓋的低價衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)（包括語音、傳真數(shù)據(jù)、短信息、定位等），采用CDMA技術(shù)，能確保語音質(zhì)量良好，增加通話的保密性和安全性。全球星系統(tǒng)沒有星間鏈路，無須星上處理，從而大大降低了系統(tǒng)投資費用，而且避免了許多技術(shù)風(fēng)險。Globalstar用戶既能在地面移動蜂窩網(wǎng)中工作，也可以在蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的地區(qū)轉(zhuǎn)為衛(wèi)星通信模式，真正實現(xiàn)全球無盲區(qū)（除南北極）個人通信[17]。

“天通一號”是我國衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。天通-01星主要覆蓋我國領(lǐng)土和領(lǐng)海，天通-02星、天通-03星分別在天通-01星東西兩側(cè)設(shè)置，形成對太平洋中東部、印度洋海域及“一帶一路”區(qū)域的常態(tài)化覆蓋?！疤焱ㄒ惶枴毙l(wèi)星的技術(shù)指標(biāo)與能力水平達到國際第三代移動通信衛(wèi)星水平[18]。用戶鏈路為S頻段，饋電鏈路為C頻段，用戶鏈路和饋電鏈路的上下行傳輸均為FDD/TDMA-FDMA方式[19]，支持的數(shù)據(jù)速率為1.2 kbit/s～384 kbit/s。

除了上述衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)外，目前還有Thuraya和ACeS等區(qū)域性的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。其中，Thuraya采用源于地面GSM的技術(shù)體制GMR-1，多址方式為TDMA多址接入方式，支持FDD雙工；而ACeS則采用源自GSM的技術(shù)體制GMR-2），同樣為TDMA多址方式，且支持FDD雙工。

近年來，以Starlink和OneWeb為代表的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座也得到蓬勃發(fā)展。Starlink采用比IPv6技術(shù)更加輕量化并且原生支持P2P的全新連接協(xié)議[20]，是一種類似區(qū)塊鏈的去中心化網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星能夠精確了解每個用戶物理位置經(jīng)緯度合理的分布其數(shù)據(jù)鏈路，且采用端對端的硬件加密技術(shù)，具有高度安全性。Starlink從硬件芯片到協(xié)議的全新Internet系統(tǒng)是對目前地面上使用的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一次全新全面升級[20]。Starlink第二代系統(tǒng)將采用星間激光鏈路，以提供無縫的網(wǎng)絡(luò)管理和服務(wù)連續(xù)性。Starlink用戶通過Wi-Fi路由器將衛(wèi)星信號進一步轉(zhuǎn)化為Wi-Fi信號后接入互聯(lián)網(wǎng)。目前可采用的路由器包括TP-Link、ASUS等多個品牌，而且支持Wi-Fi6技術(shù)體制[21]。

OneWeb星座衛(wèi)星之間沒有星間鏈路，采用“天星地網(wǎng)”組網(wǎng)方式[22]，衛(wèi)星之間不組網(wǎng)，通過全球分布的地面站實現(xiàn)整個系統(tǒng)的全球服務(wù)能力，衛(wèi)星只是透明轉(zhuǎn)發(fā)通道，大部分的處理在地面完成。星上設(shè)備比較簡單，系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)復(fù)雜度低，升級維護也比較方便。按照目前的建設(shè)方案，OneWeb系統(tǒng)在全球設(shè)置了50多個信關(guān)站。每個信關(guān)站計劃配置10幅以上的天線，每幅天線口徑為2.4 m或更大[22]。OneWeb用戶鏈路采用Ku頻段，用戶終端可以作為一個本地互聯(lián)網(wǎng)接入點，用戶能通過Wi-Fi或蜂窩信號接入互聯(lián)網(wǎng)，目前設(shè)計支持通過3G、LTE、Wi-Fi或衛(wèi)星鏈路接入互聯(lián)網(wǎng)。

我國已于2021年4月成立了中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團有限公司，將對我國低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)進行頂層設(shè)計和資源整合。此外，我國也向ITU申報了由12 922顆衛(wèi)星組成的“GW-A59”和“GW-2”星座，將著力提高全產(chǎn)業(yè)鏈的創(chuàng)新能力和整體效能，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定、自主可控。

綜上，Inmarsat、Iridium和Globalstar以及我國“天通一號”等移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用類似陸地移動通信系統(tǒng)的2G或3G技術(shù)體制，采用FDMA/TDMA及CDMA多址接入方式，支持低速數(shù)據(jù)、語音服務(wù)，只有近年規(guī)劃和部署的衛(wèi)星（如Inmarsat五代星）才開始支持寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。Starlink和OneWeb等新興的低軌衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座需要配置專用路由器將衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)化為Wi-Fi、微波等無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)用戶終端的互聯(lián)網(wǎng)接入。將來的衛(wèi)星移動通信發(fā)展趨勢主要包括4個方面：衛(wèi)星天線口徑不斷增大，衛(wèi)星功率不斷提高；多波束天線廣泛使用、波束個數(shù)不斷增加；業(yè)務(wù)寬帶化、IP化，數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提高；與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)的融合趨勢不斷加大[23]。而這些趨勢和變化，將為未來融合衛(wèi)星通信的多類網(wǎng)絡(luò)（ManyNet）的6G通信網(wǎng)絡(luò)提供一定的技術(shù)積累和技術(shù)參考。

另一方面，由第一代衛(wèi)星廣播電視標(biāo)準(zhǔn)DVB-S/DVB-RCS逐步發(fā)展和演變的DVB-S2、DVB-RCS2和DVB-S2X技術(shù)也得到了大量應(yīng)用。但DVB系列標(biāo)準(zhǔn)更適用于廣播衛(wèi)星業(yè)務(wù)（broadcasting satellite service，BSS）和固定衛(wèi)星業(yè)務(wù)（fixed-satellite service，F(xiàn)SS）方面[24]，為支持疊加網(wǎng)狀網(wǎng)和星上處理等技術(shù)預(yù)留了擴展的可能[25]，對未來6G衛(wèi)星通信也具有一定的參考意義。

2.2 國際標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)3GPP關(guān)于5G NR的衛(wèi)星接入技術(shù)研究

國際標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)3GPP關(guān)于5G非陸地網(wǎng)絡(luò)（non-terrestrial network，NTN）的研究主要聚焦在R16 TR 38.811、TR 38.821和TR 22.822 3個報告。關(guān)于接入技術(shù)的研究主要在TR 38.821中進行。TR 38.821以TR 38.811提出的4種架構(gòu)為基礎(chǔ)，對每種架構(gòu)做了更加細致的刻畫，同時給出了每種架構(gòu)下的協(xié)議棧，并分析了該場景下對5G NR的接入網(wǎng)（NG-RAN）的影響層面，提出了在5G NR采用該架構(gòu)時的NR更新建議。

3GPP更多關(guān)于5G衛(wèi)星接入的研究，將在5G NR R17及后續(xù)版本中公布。其中，R17中與5G衛(wèi)星接入相關(guān)的研究內(nèi)容主要包括：5G NR的輕量化（NR-light）、小數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化（small data transfer optimization）、覆蓋增強（coverage enhancement）、非陸地網(wǎng)絡(luò)的 NR（NR for non-terrestrial network）、移動接入集成回傳增強（mobile integrated access back-haul（IAB） enhancement）、RAN數(shù)據(jù)采集增強（RAN data collection enhancement）、5G核心網(wǎng)邊緣計算的支持增強（enhancement of support for edge computing in 5GC）、集成接入和回傳支持的增強（enhancement for the support of integrated access and back-haul）[26]等。

3 6G衛(wèi)星通信潛在接入技術(shù)

業(yè)界已經(jīng)開始討論6G網(wǎng)絡(luò)的愿景與概念化指標(biāo)，衛(wèi)星通信在6G網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵作用也已成為共識。6G網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星通信將包括GEO、MEO、LEO衛(wèi)星，比5G及以往任何一代移動通信系統(tǒng)都更加復(fù)雜。而且，基于衛(wèi)星與地面移動用戶的距離較遠，大時延是衛(wèi)星通信的一個固有特點。6G的連接密度將比5G網(wǎng)絡(luò)高出100倍，能支撐1億個連接/km2。如何實現(xiàn)6G衛(wèi)星通信的極簡極智接入，通過技術(shù)手段進一步減小接入時延，保障海量連接的無碰撞可靠接入和提高有限頻譜資源的利用率，支撐6G網(wǎng)絡(luò)的各項技術(shù)指標(biāo)，都是6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)面臨的重大問題，也是值得深入研究和探討的重要方向。

3.1 6G衛(wèi)星通信極簡接入技術(shù)

對于6G衛(wèi)星通信umMTC業(yè)務(wù)，終端具有短突發(fā)數(shù)據(jù)、連接數(shù)大、功耗低、成本低的特點，這對存在信號損耗大、接入時延長、存在大頻偏等固有特性的星載基站來說具有很大的挑戰(zhàn)性。因此，需要簡化6G衛(wèi)星通信接入流程、減小接入時延、減少碰撞概率等技術(shù)手段提高接入成功率和接入效率。

3.1.1 面向非連接業(yè)務(wù)的免授權(quán)接入機制

6G衛(wèi)星通信umMTC場景下海量的UE在完成小區(qū)搜索過程之后，將根據(jù)星載基站廣播信息與星載基站小區(qū)取得下行同步，此時，UE已經(jīng)具備了接收下行數(shù)據(jù)的條件。但是，UE只有與小區(qū)取得上行同步才能進行上行傳輸。對于傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)中基于授權(quán)的隨機接入方案，需經(jīng)過4次握手達成許可后設(shè)備才能向基站傳輸數(shù)據(jù)，在大規(guī)模連接場景中該連接建立過程會導(dǎo)致信息處理時延過高[27-28]。由于星地信道長時延影響，接入時間過長，嚴重影響通信效率和服務(wù)質(zhì)量，因此，地面網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)的基于授權(quán)的接入機制不能夠直接移植到6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)?；谏鲜鲈虿⒖紤]超大規(guī)模用戶的使用場景，這里提出基于非正交多址的免授權(quán)接入方案。

在本文的研究討論中，將6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)分為非面向連接的業(yè)務(wù)和面向連接的業(yè)務(wù)兩大類型。圖1給出了免授權(quán)隨機接入流程。對于非面向連接的業(yè)務(wù)，UE根據(jù)收到的星載基站廣播信息預(yù)測可用資源，并根據(jù)到達數(shù)據(jù)的類型選擇合適的可用資源，在信號時延和頻偏的預(yù)補償機制保障下發(fā)起非正交多址接入和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸；星載基站則根據(jù)UE的簽名序列等信息通過多用戶檢測和聯(lián)合譯碼算法譯碼解析UE及其發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸信息，然后向UE發(fā)送ACK信息。在此過程中，UE根據(jù)衛(wèi)星廣播信息選定資源，而不需要像動態(tài)分配上行資源一樣，每次都需要下行信道控制信息（downlink control information，DCI）的指示，節(jié)省UE發(fā)送調(diào)度請求（scheduling request，SR）、緩沖狀態(tài)報告（buffer status report，BSR）以及星載基站通過DCI進行資源指示的空口傳輸時間，從而通過極簡的接入流程，減小了UE接入時與基站的交互次數(shù)，有效降低接入信令開銷和時延。

圖1 免授權(quán)隨機接入流程

在上述免授權(quán)接入過程中，為了解決6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)低軌衛(wèi)星高動態(tài)條件下免授權(quán)接入的適應(yīng)性問題，本文提出了非面向連接的業(yè)務(wù)接入信號時延和頻偏的預(yù)補償機制。6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，尤其是低軌衛(wèi)星與UE的相對運動速度很大且呈現(xiàn)高動態(tài)特征，因此，UE與星載基站需要通過定時提前（TA）來消除這種干擾。圖2給出了接入過程的超前定時補償。UE向星載基站發(fā)送前導(dǎo)信號，星載基站對收到的UE前導(dǎo)進行測量，計算與UE的距離。由于衛(wèi)星星歷是已知的，星載基站可根據(jù)UE前導(dǎo)的測量數(shù)據(jù)以及星歷計算 與UE的距離變化趨勢，并將同步信息通過下行信道發(fā)送給UE，UE據(jù)其完成與星載基站的同步，以此來消除UE間的碼間干擾。同時，UE和星載基站之間也可根據(jù)星歷計算兩者之間的頻偏，并予以消除。

圖2 接入過程的超前定時補償

免授權(quán)接入時的非正交多址擬采用SCMA技術(shù)，根據(jù)6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)特性對其進行優(yōu)化設(shè)計，即在現(xiàn)有SCMA技術(shù)基礎(chǔ)上進一步深入研究多址接入碼本設(shè)計和多用戶檢測算法。由于無線傳輸鏈路的基本數(shù)學(xué)模型是線性模型，根據(jù)信號估計的基本方法，可利用最大似然估計器（maximum likelihood estimator，MLE）進行估算發(fā)送信號的最大后驗概率。但是，ML檢測算法的檢測復(fù)雜度隨著大規(guī)模MIMO系統(tǒng)發(fā)送和接收天線數(shù)的增加，呈指數(shù)級增加，難以硬件實現(xiàn)，應(yīng)在復(fù)雜度和性能之間折中。針對該問題，可通過3個方面對SCMA多用戶檢測進行優(yōu)化[29]：

（1）優(yōu)化收斂條件，降低迭代次數(shù)，即通過節(jié)省時間成本的方式降低一定復(fù)雜度；

（2）從檢測點數(shù)入手，降低多用戶檢測器需要遍歷的點，從而降低檢測復(fù)雜度；

（3）從發(fā)送端碼本設(shè)計中的多維星座的設(shè)計入手，良好的星座設(shè)計可以直接增加用戶分辨率，從而直接降低檢測端的復(fù)雜度。

圖3給出了衛(wèi)星通信上行SCMA模型[30]。在高軌靜止衛(wèi)星覆蓋場景下，J個終端同時向衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)，因此假定一個SCMA系統(tǒng)有J個數(shù)據(jù)層，即J個用戶，這些用戶同時共享K個正交資源（J＞K，過載因子定義為λ=J/K，SCMA是將 lb|M|bit的二進制數(shù)據(jù)直接映射為一個大小為|M|的K維復(fù)數(shù)域碼字。定義第j個數(shù)據(jù)層的關(guān)聯(lián)映射函數(shù)為：fj:Blb｜M｜→x，其中x∈CK，|x|∈M，K維復(fù)數(shù)碼字是含有N（N＜ K）個非零元素的稀疏向量。

圖3 衛(wèi)星通信上行SCMA模型

采用并行Max-log MPA算法，通過取對數(shù)運算，把乘法轉(zhuǎn)化為加法，在實際計算時，乘法器將減少，加法器增加，降低了算法復(fù)雜度[30]，硬件的實現(xiàn)更加容易，因而可使星上設(shè)備簡單，更適合運用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。但是，該算法是以犧牲誤碼率為代價的，且是高軌衛(wèi)星的通信仿真結(jié)果。在6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，還需要進一步探討適用于GEO和NGEO（non-geostationary earth orbit，非同步地球軌道衛(wèi)星，包括中軌和低軌衛(wèi)星等）衛(wèi)星的低復(fù)雜度MPA算法，使之應(yīng)用于6G衛(wèi)星通信的普適性更強。

3.1.2 面向連接業(yè)務(wù)的預(yù)共享密鑰和輕量化鑒權(quán)協(xié)議

為了降低星地協(xié)議處理及加解密等過程導(dǎo)致的星載CPU計算開銷，本文提出預(yù)共享密鑰方法。預(yù)共享密鑰支持兩方認證鑒權(quán)且具有較低復(fù)雜度和協(xié)議開銷，能夠有效降低認證鑒權(quán)過程中信息交互次數(shù)，減小認證鑒權(quán)過程中的信息處理時延。

選取基于隨機數(shù)的輕量化認證鑒權(quán)架構(gòu)，能夠避免基于時間戳/序列號的認證鑒權(quán)架構(gòu)引入的同步開銷。通過星上緩存預(yù)共享密鑰、基于隨機數(shù)方式等，采用同等強度但具有較低計算復(fù)雜度的對稱加密算法，降低協(xié)議的握手次數(shù)。圖4給出了輕量化鑒權(quán)流程。地面鑒權(quán)中心承擔(dān)完整的鑒權(quán)功能，而星載鑒權(quán)中心則承擔(dān)輕量化鑒權(quán)功能。當(dāng)終端處于地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)時，所有鑒權(quán)流程全部在地面鑒權(quán)中心完成。當(dāng)終端只處于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋內(nèi)時，大部分鑒權(quán)流程在星載鑒權(quán)中心地面鑒權(quán)中心完成，而星載鑒權(quán)中心與終端的交互只需要兩個步驟。

圖4 輕量化鑒權(quán)流程

3.2 6G衛(wèi)星通信極智接入技術(shù)

如上文所述，6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)可以包含GEO、MEO、LEO多種軌道衛(wèi)星，并支持FeMBB、eRLLC、umMTC、LDHMC等應(yīng)用場景下的多種 類業(yè)務(wù)類型，針對上述網(wǎng)絡(luò)特征下的不同業(yè)務(wù)需求共存、不同軌道鏈路相互干擾、不同節(jié)點資源存在差異的復(fù)雜狀況，需要在接入與切換過程中采用人工智能方法對空間節(jié)點進行高效智能的資源分配和管理，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型，選擇合適的資源。

為達到上述目標(biāo)，本文提出基于AI的頻譜動態(tài)分配和衛(wèi)星共線干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，提升頻率利用率和通信質(zhì)量；同時，以針對業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)量在時域和空域的不均衡分布特性而提出的基于業(yè)務(wù)熱力圖的資源智能分配技術(shù)為基礎(chǔ)，進一步提出高低軌融合的衛(wèi)星跳波束解決方案，將有限資源高效覆蓋重點業(yè)務(wù)，從而使衛(wèi)星資源得到高效利用。

3.2.1 基于AI的頻譜動態(tài)分配技術(shù)

6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)向速率更高、接入更多、覆蓋更廣的方向發(fā)展，對頻譜資源的高效合理利用提出更多的挑戰(zhàn)。頻譜動態(tài)分配是提高接入成功率和頻譜利用率的有效手段之一，本文提出的頻譜動態(tài)共享技術(shù)將頻譜資源從靜態(tài)獨占向動態(tài)共享轉(zhuǎn)變，通過基于AI技術(shù)在復(fù)雜電磁環(huán)境中實現(xiàn)頻譜分配的智能化的動態(tài)自主決策。

從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)層面來看，頻譜資源的分配是在基站側(cè)完成的。參考文獻[31]提出了AI使能的未來6G衛(wèi)星通信開放式接入網(wǎng)架構(gòu)，圖5是基于AI智慧面的無線接入架構(gòu)。利用AI針對不同業(yè)務(wù)QoS（服務(wù)質(zhì)量）的要求，通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)，進行智能化處理。其中，人工智能控制器非實時模塊用于服務(wù)和策略管理、高層進程優(yōu)化與模型訓(xùn)練；人工智能控制器近實時模塊負責(zé)無線資源管理、無縫切換控制、服務(wù)質(zhì)量管理和智能接入管理。

圖5 基于AI智慧面的無線接入架構(gòu)

3.2.2 基于AI的6G衛(wèi)星通信共線干擾協(xié)調(diào)技術(shù)

GEO衛(wèi)星在地球赤道上空的特定軌道來保持與地球表面相對位置不變，而NGEO衛(wèi)星的位置隨著時間快速地變化。相對GEO衛(wèi)星，NGEO衛(wèi)星的主要優(yōu)勢是較小的自由空間衰減、較小的傳播時延和較低的發(fā)射成本。目前，無線網(wǎng)絡(luò)普遍采用固定頻譜分配方式，幾乎所有的無線終端都工作在一些頻譜管理機構(gòu)（如國際電信聯(lián)盟、各國頻譜管理機構(gòu)）分配好的頻譜之下。在該方式下，大部分已經(jīng)分配好的頻譜很多時候在很多地區(qū)沒有被充分使用，其利用率為15%～85%[32]。頻譜資源對任何一種無線通信技術(shù)來講都是非常珍貴的，對6G通信網(wǎng)絡(luò)也不例外。在GEO和NGEO網(wǎng)絡(luò)頻譜共存的背景下，特別是當(dāng)NGEO衛(wèi)星處于地面站和GEO衛(wèi)星連線上時，共線干擾可能是6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的一個嚴重的問題。因此，針對6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中頻譜共存的GEO和非GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，本文提出基于AI的動態(tài)頻譜接入（dynamic spectrum access，DSA）方案。深度強化學(xué)習(xí)將深度學(xué)習(xí)的感知能力和強化學(xué)習(xí)的決策能力相結(jié)合，不斷以試錯的方式與環(huán)境進行交互，通過最大化累積獎賞的方式來獲得最優(yōu)策略[33]。本方案將GEO和NGEO分別定義為主用戶（primary user，PU）和次用戶（secondary user，SU），通過深度強化學(xué)習(xí)，使SU在缺乏底層系統(tǒng)統(tǒng)計信息的情況下，以分布式方式學(xué)習(xí)“適當(dāng)”的頻譜訪問策略，僅依靠自己當(dāng)前和過去的頻譜感知結(jié)果來進行分布式頻譜接入決策，幫助SU顯著降低與PU和其他SU的沖突概率。

3.2.3 基于業(yè)務(wù)熱力圖的資源智能分配技術(shù)

為了使多維資源調(diào)度能夠最優(yōu)匹配業(yè)務(wù)需求，本文將首先分析業(yè)務(wù)需求在6G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的分布特征和影響這些特征的關(guān)鍵因素。圖6給出了基于熱力圖的智能資源分配技術(shù)?？紤]業(yè)務(wù)需求在時間、空間、業(yè)務(wù)類型等多維度上的不均衡特征，擬運用多元統(tǒng)計分析方法和網(wǎng)絡(luò)科學(xué)理論，探索業(yè)務(wù)需求在時間特征、空間特征、業(yè)務(wù)到達規(guī)律和網(wǎng)絡(luò)分布特征之間的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)對業(yè)務(wù)需求規(guī)律的多維認知。

圖6 基于熱力圖的智能資源分配技術(shù)

基于上述業(yè)務(wù)需求分析，將進一步針對不同衛(wèi)星節(jié)點在通信資源、計算資源等方面的差異性，通過分析系統(tǒng)性能增益與計算成本、通信成本之間的制約關(guān)系，設(shè)計協(xié)作式任務(wù)分配和分布式資源管理算法；并通過分析傳輸時延與存儲容量、通信能力之間的關(guān)系，設(shè)計分布式數(shù)據(jù)存儲算法，從而提高系統(tǒng)的資源利用效率和能量效率，降低傳輸和計算時延。

3.2.4 基于高動態(tài)需求的高低軌融合跳波束智能調(diào)度方法

將實現(xiàn)全球全域覆蓋的6G網(wǎng)絡(luò)具有業(yè)務(wù)類型的多樣性、業(yè)務(wù)分布的空間不均勻性和時變性，對6G網(wǎng)絡(luò)資源的需求呈現(xiàn)出時域和空域的不均衡性，對網(wǎng)絡(luò)時、空、頻域資源的需求呈現(xiàn)高動態(tài)性特征，而“跳波束”技術(shù)正是一種能夠從時域角度對星上功率、帶寬資源靈活的再分配[34-35]、進一步提高衛(wèi)星容量、提高衛(wèi)星系統(tǒng)的工作效率與競爭力的技術(shù)手段。因此，可將基于業(yè)務(wù)熱力圖研究得到的業(yè)務(wù)需求規(guī)律多維認知結(jié)果輸入6G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)跳波束方案，實現(xiàn)將有限資源高效覆蓋重點業(yè)務(wù)。由于6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，既有同步軌道的GEO，也存在中低軌道的NGEO，因此，基于高低軌融合的“跳波束”方案對于6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的資源高效利用具有重要意義。圖7是高低軌衛(wèi)星融合的通信跳波束方案。

圖7 高低軌衛(wèi)星融合的通信跳波束方案

在高低軌融合的“跳波束”方案中，針對高軌衛(wèi)星的星上功率和時隙資源聯(lián)合優(yōu)化，將問題分解成波束簇間功率分配和波束簇內(nèi)時隙分配兩個子問題，利用啟發(fā)式算法分別進行求解，能夠在避免系統(tǒng)資源浪費問題的同時提升用戶波束的實際通信容量和業(yè)務(wù)需求滿足率。而對于相對地面高速移動的低軌衛(wèi)星，業(yè)務(wù)動態(tài)變化大，需要實時地計算衛(wèi)星波束的跳變圖案，可從空間、時間、頻率和功率等維度進行“跳波束”資源分配，以最大化系統(tǒng)容量、最小化同信道干擾和傳輸時延為目標(biāo)。

4 6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)潛在移動性管理技術(shù)

在6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星及地面終端的相對快速移動，終端相對衛(wèi)星的位置信息管理、業(yè)務(wù)連續(xù)性管理尤為重要，而在此過程中將涉及波束切換、星間切換、信關(guān)站切換，以及由于移動性帶來的時延擴展、測量時效性、頻繁切換、批量切換等問題。因此，移動性管理成為6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的一個重要課題，本文通過跨星跨波束批量柔性切換等技術(shù)手段加強移動性管理。

6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，LEO扮演著重要角色，LEO衛(wèi)星與用戶相對運動速度快，對于多波束衛(wèi)星的快速移動，在用戶靜止的情況下單個波束掃過用戶的時間長度僅為數(shù)十秒至數(shù)分鐘，當(dāng)用戶終所處網(wǎng)絡(luò)覆蓋的衛(wèi)星發(fā)生變化或所處衛(wèi)星波束發(fā)生變化的時候，必須要進行切換操作才可實現(xiàn)業(yè)務(wù)的連續(xù)性。因此，用戶在多個波束間的頻繁切換問題是6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的一個顯著特征。另一方面，LEO波束遠大于地面基站服務(wù)小區(qū)，可能存在一顆衛(wèi)星甚至一個波束下具有海量用戶的情況，解決由于衛(wèi)星高速移動帶來特有的批量用戶跨星跨波束并發(fā)切換的問題異常重要。

為了實現(xiàn)衛(wèi)星技術(shù)與全球電信和信息技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)無縫集成，地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必須從專門構(gòu)建的專有硬件架構(gòu)向軟件定義、靈活和可擴展的虛擬平臺轉(zhuǎn)變[36]。當(dāng)前正在建設(shè)的復(fù)雜衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將要求朝著“完全虛擬化地面網(wǎng)絡(luò)”方向加快努力。這種完全虛擬化地面網(wǎng)絡(luò)將需要由通用服務(wù)定義管理和編排多個抽象層，滿足容量、靈活性、成本、服務(wù)創(chuàng)建和韌性方面的新需求。當(dāng)前正在建設(shè)的復(fù)雜衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將要求加快朝著“完全虛擬化地面網(wǎng)絡(luò)”的方向努力。這種完全虛擬化地面網(wǎng)絡(luò)將需要由通用服務(wù)定義管理和編排多個抽象層，滿足容量、靈活性、成本、服務(wù)創(chuàng)建和韌性方面的新需求[36]。這為面向2030年的星地網(wǎng)絡(luò)的完全虛擬化融合的6G時代、構(gòu)建以云原生為底層框架的AI賦能的6G空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)提供了技術(shù)條件。

6G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和建設(shè)不是一蹴而就，將根據(jù)衛(wèi)星載荷的技術(shù)進展進行分階段演進和分步驟實施。6G衛(wèi)星的透明轉(zhuǎn)發(fā)、星上處理和星上交換3種技術(shù)方案將長期共存。

針對衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)階段的需求，擬通過建立以衛(wèi)星地面設(shè)備虛擬化為基礎(chǔ)的云通道技術(shù)，對信關(guān)站的天線、射頻、基帶、協(xié)議處理資源進行云化，統(tǒng)一調(diào)度，實現(xiàn)跨星跨波束柔性切換。圖8給出了基于云通道的批量用戶跨星跨波束切換方案。信關(guān)站通過云通道支持多星、多波束接入網(wǎng)處理，其跨星跨波束切換分為星上透明轉(zhuǎn)發(fā)、處理轉(zhuǎn)發(fā)兩種模式。透明轉(zhuǎn)發(fā)模式中，對于同站址內(nèi)星內(nèi)波束切換和星間波束切換，可通過天線池、射頻池和基帶池的云化操作，實時預(yù)補償波束位置、接入頻率、時間偏移等物理層影響，通過協(xié)議池數(shù)據(jù)共享實現(xiàn)云接入網(wǎng)內(nèi)波束柔性切換。

圖8 基于云通道的批量用戶跨星跨波束切換方案

針對星上處理模式，星內(nèi)波束切換可采用多波束通道對射頻基帶進行物理層預(yù)補償，波束間協(xié)議數(shù)據(jù)共享，而星間波束切換可采用雙星雙活設(shè)計，實現(xiàn)星間實時切換。

5 結(jié)束語

人們將支撐空天地海全球全域、人和物的多樣化業(yè)務(wù)的重任寄托于6G網(wǎng)絡(luò)，這要求6G網(wǎng)絡(luò)相對于當(dāng)前的5G網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)實現(xiàn)10倍至1 000倍的提升，而充分融合包括衛(wèi)星通信在內(nèi)的多類網(wǎng)絡(luò)的6G移動通信接入技術(shù)，是實現(xiàn)智能化服務(wù)的先決條件。如何通過AI及其他技術(shù)手段克服6G網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星通信接入的長時延、高動態(tài)等固有特性，實現(xiàn)大容量、高可靠接入，是未來一段時期內(nèi)亟待解決的重要問題。本文通過輕量化鑒權(quán)和免授權(quán)接入等技術(shù)手段，分別實現(xiàn)了6G衛(wèi)星通信面向連接和非面向連接系統(tǒng)的極簡接入；通過AI在6G衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)接入架構(gòu)、衛(wèi)星共線干擾協(xié)調(diào)、基于熱力圖的智能資源調(diào)度以及高效的高低軌融合的跳波束技術(shù)，實現(xiàn)了6G衛(wèi)星通信的極智接入；通過基于云通道技術(shù)實現(xiàn)批量用戶的柔性切換，為6G衛(wèi)星通信移動性管理提供了參考解決方案。6G業(yè)務(wù)的多樣化和應(yīng)用場景的高動態(tài)化決定了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的復(fù)雜性，從而也對網(wǎng)絡(luò)的智能化和網(wǎng)元算力提出了較高的要求，6G衛(wèi)星通信接入和移動性管理需要根據(jù)業(yè)務(wù)場景的不同采用不同的技術(shù)或方案，同時面臨著高動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓撲對可靠接入、輕量化的星地通信協(xié)議研發(fā)、智能化的星地頻譜動態(tài)分配和共享、相控陣天線小型化、同波束下的海量終端批量切換以及高效天基計算技術(shù)等一系列挑戰(zhàn)，本文的分析和建議對未來6G衛(wèi)星通信系統(tǒng)的進一步研究起到拋磚引玉的作用，具有積極的意義。