淺談6G非地面網(wǎng)絡(luò)

史紅蓓 溫 雅

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)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(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、海量機(jī)器類型通信（mMTC）和超可靠低時(shí)延傳輸（URLLC）方面的需求。隨著更進(jìn)一步提供新服務(wù)的時(shí)機(jī)的成熟，國(guó)際電聯(lián)NET-2030重點(diǎn)小組白皮書(shū)中闡述未來(lái)的6G將主要支持全息類型通信（HTC）、多感官網(wǎng)絡(luò)、時(shí)間工程應(yīng)用等方面的需求，也就是說(shuō)大多數(shù)6G應(yīng)用將源于5G應(yīng)用場(chǎng)景的合并延伸。

最近，隨著學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）[1]興趣的增加，商業(yè)解決方案也開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)。NTN與所描述的6G無(wú)線生態(tài)系統(tǒng)的集成對(duì)于確?？捎眯?、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、海拔高度和軌跡大小）強(qiáng)烈依賴NTN平臺(tái)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(wú)人機(jī)系統(tǒng)(UAS)和高空平臺(tái)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(guò)納米衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)全球連接的補(bǔ)充，因此在2個(gè)無(wú)線接入網(wǎng)中采用相同的無(wú)線電技術(shù)，可大大促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的統(tǒng)一無(wú)線系統(tǒng)部署。

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

1 6G應(yīng)用場(chǎng)景和使用場(chǎng)景

6G時(shí)代將見(jiàn)證了如下革命性應(yīng)用的到來(lái)：HTC通過(guò)物體或人的三維投影實(shí)現(xiàn)完全身臨其境的體驗(yàn)；遠(yuǎn)程操作觸覺(jué)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)4.0的實(shí)時(shí)控制（即遠(yuǎn)程工業(yè)管理）和遠(yuǎn)程醫(yī)療（即遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)）；智能運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)利用模擬人腦的人工智能（AI）能力來(lái)修復(fù)網(wǎng)絡(luò)故障和故障；網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算匯聚導(dǎo)致多個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)邊緣站點(diǎn)的互連；數(shù)字孿生代表實(shí)時(shí)對(duì)象、過(guò)程和具有數(shù)字對(duì)應(yīng)物的人；衛(wèi)星-地面綜合網(wǎng)絡(luò)提供無(wú)處不在的互聯(lián)網(wǎng)覆蓋、邊緣緩存和計(jì)算服務(wù)，以及更多的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)路徑；具有云化功能的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）安全、可靠并實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)了工廠內(nèi)部/工廠間的連接，無(wú)須人工干預(yù)。

6G應(yīng)用的重要性級(jí)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(bào)告，主要從以下幾個(gè)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(jí)別。1）帶寬大小：提供特定應(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(hù)、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(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用的AI能力。4）時(shí)延：考慮移動(dòng)性時(shí)，表示減少延遲和實(shí)時(shí)地理位置機(jī)制的相關(guān)性。5）多網(wǎng)絡(luò)：多異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫共存以實(shí)現(xiàn)全球連接。

圖1 6G應(yīng)用的重要性級(jí)別圖

由于6G應(yīng)用的使用場(chǎng)景的特點(diǎn)是需求不同，例如無(wú)處不在的移動(dòng)超寬帶（uMUB）、超高數(shù)據(jù)密度（uHDD）和超高速低時(shí)延傳輸（uHSLC）[2]。NTN包括廣泛的空間/機(jī)載類別，因此評(píng)估哪種NTN平臺(tái)最適合各個(gè)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(wú)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(guò)有限的切換機(jī)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(dòng)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(yùn)行需要頻繁的管理切換和采用新的解決方案來(lái)補(bǔ)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(gè)設(shè)備/km2， 6G vs 106 個(gè)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(gè)非常合適的解決方案。同樣，當(dāng)涉及工廠自動(dòng)化和機(jī)器控制等需要工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間實(shí)時(shí)、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(shí)，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(zhǎng)傳播延遲問(wèn)題。

uHSLLC要求超高的數(shù)據(jù)速率、極低的時(shí)延（0.01 ms～0.1 ms，6G vs 1 ms，5G）并高度重視移動(dòng)性。分層NTN架構(gòu)與機(jī)載車輛，即無(wú)人機(jī)（UAV）和HAPS部署在幾個(gè)級(jí)別，可能是一個(gè)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(dòng)性對(duì)設(shè)備的本地化、無(wú)線電頻率的規(guī)劃以及在特定區(qū)域內(nèi)協(xié)調(diào)多個(gè)機(jī)載NTN平臺(tái)會(huì)產(chǎn)生影響。此外，還應(yīng)該采用新技術(shù)來(lái)提高可靠性。這些問(wèn)題使通過(guò)NTN提供uHSLLC成為一項(xiàng)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(tái)和NTN門(mén)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?cè)趉a波段或s波段運(yùn)作，并通過(guò)服務(wù)鏈路連接到NTN平臺(tái)。NTN平臺(tái)在給定的區(qū)域（即占地面積）上產(chǎn)生若干固定或移動(dòng)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(duì)下一代RAN （NG-RAN）中支持NTN的新接口和協(xié)議的需求。具體來(lái)說(shuō)，在透明的NTN中，不需要修改NG-RAN架構(gòu)，饋線鏈路的NR-Uu無(wú)線電接口在業(yè)務(wù)鏈路中重復(fù)，并且NR-Uu定時(shí)器被延長(zhǎng)以應(yīng)付饋線和業(yè)務(wù)鏈路的較長(zhǎng)的傳播延遲。在再生NTN中，衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了gNB的功能，因此增加了饋線鏈路上的延遲，需要擴(kuò)展NG應(yīng)用協(xié)議定時(shí)器。饋線鏈路的NG接口通過(guò)衛(wèi)星無(wú)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(gè)CU。這意味著從DU到CU有很長(zhǎng)的延遲，這就需要F1定時(shí)器擴(kuò)展。NR接入NTN的接入圖如圖2所示，通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)NTN終端到5G核心網(wǎng)（5GC）的NR信號(hào)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(duì)地情景，并假定攜帶透明的有效載荷。在未來(lái)的3GPP版本中，還將對(duì)其他架構(gòu)選項(xiàng)進(jìn)行進(jìn)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(kuò)展參數(shù)。NR引入了可擴(kuò)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(shí)間間隔從1 ms～31.25 ms，循環(huán)前綴（CP）和編號(hào)槽位。如3GPP TS 38.214所述，為應(yīng)對(duì)隨之而來(lái)的更高設(shè)備能耗，每個(gè)設(shè)備監(jiān)控一個(gè)用參數(shù)和調(diào)度機(jī)制限制的活動(dòng)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(shí)分雙工）2種對(duì)稱頻譜和非對(duì)稱頻譜的傳輸。NR子幀由相鄰的槽組成，每個(gè)槽包括7 個(gè)或14 個(gè)OFDM符號(hào)，對(duì)SCS≤60kHz，2 個(gè)、4 個(gè)、7 個(gè)或14 個(gè)OFDM符號(hào)，對(duì)SCS≤120 kHz，如3GPP TS 38.213所述。NR認(rèn)為微型槽是由2 個(gè)、4 個(gè)或7 個(gè)符號(hào)組成的最小調(diào)度單元，對(duì)uHSCL來(lái)說(shuō)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(hào)在高頻的衰減。波束管理通過(guò)建立發(fā)射機(jī)和方向之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)識(shí)別最合適的波束對(duì)接收波束。

2.2 媒體訪問(wèn)控制層

創(chuàng)建MAC PDU的過(guò)程，稱為邏輯通道優(yōu)先級(jí)（LCP），可擴(kuò)展參數(shù)和TTIs得到了增強(qiáng)，LCP處理邏輯通道到特定數(shù)字/TTI的映射，并包括uHSLLC流量?jī)?yōu)先級(jí)。除改進(jìn)的PDU格式外，NR MAC還采用了新的調(diào)度請(qǐng)求（SR）功能。SR用于請(qǐng)求UL-SCH （Uplink Shared Channel）資源建立數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)配置“NR MAC”實(shí)體，使終端可以支持0 個(gè)、1 個(gè)或多個(gè)SR配置。

2.3 無(wú)線鏈路控制（RLC）層

NR RLC不會(huì)對(duì)SDU（Service Data unit）進(jìn)行順序排序，以降低整體性能延遲；這樣，報(bào)文可以立即向上層轉(zhuǎn)發(fā)，而無(wú)須等待重新傳輸以前丟失的數(shù)據(jù)包。為了滿足NR延時(shí)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(hù)以及復(fù)制。因此，用戶報(bào)文被重傳多次提交給gNB，這樣至少有一個(gè)副本被正確接收。如果收到同一個(gè)PDU的多個(gè)副本，PDCP將刪除任何重復(fù)的副本。PDCP復(fù)制也用于在通過(guò)多個(gè)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(chǎng)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(shí)管理QoS，每個(gè)PDU會(huì)話由QoS流及數(shù)據(jù)無(wú)線電承載(DRB)組成，SDAP提供從5GC和DRB的QoS流的映射，同時(shí)標(biāo)記QoS流標(biāo)識(shí)符。

2.6 無(wú)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(yè)過(guò)程，并建立、維護(hù)和釋放之間的RRC連接，包括安全管理、移動(dòng)性管理和QoS管理。RRC還有助于檢測(cè)無(wú)線電鏈路故障并恢復(fù)。每個(gè)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(diǎn)

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

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

3.1 無(wú)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(yùn)行保證了最大的容量、多個(gè)Gb/s的吞吐量和低時(shí)延。反之，信號(hào)受到更大的衰減且移動(dòng)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(lái)的切換請(qǐng)求的增加。在應(yīng)用uMUB、uHDD和uHSLLC時(shí)需要關(guān)注該問(wèn)題，以便有效利用超高頻率帶來(lái)的好處?；陉?yáng)離子需求、NTN終端/平臺(tái)的移動(dòng)性、NTN平臺(tái)的高度和傳播渠道等進(jìn)一步的應(yīng)用因素，工作頻率的選擇是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3.2 可擴(kuò)展參數(shù)

可擴(kuò)展參數(shù)使網(wǎng)絡(luò)具備靈活性和可伸縮性，通過(guò)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(zhǎng)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(gè)傳感器來(lái)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(zhǎng)，采用多參數(shù)來(lái)支持uHSLC可能是不夠的。低空NTN平臺(tái)可能不會(huì)給uHSLC傳輸增加明顯的延遲。

3.3 設(shè)計(jì)

NR采用超精益的設(shè)計(jì)，對(duì)需要長(zhǎng)時(shí)間、低能耗電池壽命的uHDD應(yīng)用的傳感器，采用減少總開(kāi)著的變速箱來(lái)提高能效；對(duì)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(kuò)展到了控制平面程序和初始訪問(wèn)，波束形成可以實(shí)現(xiàn)快速可靠的uHSLC；最后，NR確保了NTN可能支持的未來(lái)用例和技術(shù)的前向兼容性。

3.4 補(bǔ)充上行（SUL）

NR SUL將一個(gè)常規(guī)上/下行載波與一個(gè)補(bǔ)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(kuò)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(shí)擴(kuò)大低空NTN平臺(tái)的覆蓋范圍。

4 結(jié)論

可以預(yù)見(jiàn)的是未來(lái)的6G服務(wù)將面向全感官、全自動(dòng)化和實(shí)時(shí)體驗(yàn)，采用動(dòng)態(tài)、可重構(gòu)且靈活的設(shè)計(jì)。該文主要研討了6G應(yīng)用和使用場(chǎng)景、NTN架構(gòu)點(diǎn)及NTNs支持6G應(yīng)用的優(yōu)、缺點(diǎn)。后續(xù)6G可利用云化相關(guān)資源節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本，在處理大量客戶端和服務(wù)器時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)的靈活性。多址邊緣計(jì)算(Multi-access Edge Computing,MEC)是NTN處理任務(wù)時(shí)降低NTNs網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。未來(lái)NTNs將不僅支持地面網(wǎng)絡(luò)，而且還將成為綜合電信平臺(tái)的關(guān)鍵組成部分，通過(guò)NTN平臺(tái)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。