面向6G的天地一體無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

程錦霞,鄧 偉,翁瑋文,崔詩(shī)雨,馬 克,趙 琳,杜 琴,劉 京,王桂英

(中國(guó)移動(dòng)研究院無(wú)線與終端技術(shù)研究所,北京 100053)

0 引言

目前,地面網(wǎng)絡(luò)僅覆蓋了地球表面陸地約20%的地區(qū),覆蓋面積小于地球表面積的6%,為提供全域無(wú)縫覆蓋服務(wù),衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需作為地面網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充,共同構(gòu)建涵蓋陸?？仗斓娜臻g立體通信網(wǎng)絡(luò)[1]。隨著第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project,3GPP) 5G 非地面網(wǎng)絡(luò)(Non-Terrestrial Network,NTN)技術(shù)和6G天地一體技術(shù)的持續(xù)演進(jìn),衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)正逐步形成深度融合趨勢(shì),通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)的先進(jìn)通信技術(shù)、設(shè)備研發(fā)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模、龐大的用戶(hù)群體,與衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)共同構(gòu)建涵蓋陸?？仗斓娜臻g立體通信網(wǎng)絡(luò),全球天地一體技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)入全新快速發(fā)展階段[2]。天地一體網(wǎng)絡(luò)將為地面網(wǎng)絡(luò)無(wú)法部署或建網(wǎng)維護(hù)成本高的區(qū)域填補(bǔ)覆蓋空洞,實(shí)現(xiàn)面向偏遠(yuǎn)地區(qū)、荒漠、海洋、航空等陸?？杖蛄Ⅲw空間 “泛在連接”,面向個(gè)人、企業(yè)及政府提供大眾手機(jī)直連、廣域物聯(lián)及應(yīng)急救援保障等“泛在場(chǎng)景”新服務(wù)[3]。其中,手機(jī)直連衛(wèi)星作為天地一體技術(shù)重要的應(yīng)用場(chǎng)景之一,國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)積極開(kāi)展相關(guān)的研究,推進(jìn)手機(jī)直連衛(wèi)星端到端能力構(gòu)建和開(kāi)展試點(diǎn)驗(yàn)證,如泰雷茲、高通、愛(ài)立信啟動(dòng)5G太空項(xiàng)目,利用低軌衛(wèi)星開(kāi)展NTN試驗(yàn);SpaceX和T-Mobile成立技術(shù)聯(lián)盟,開(kāi)展手機(jī)直連衛(wèi)星研究測(cè)試[4]。

本文針對(duì)6G天地一體融合網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景及四大技術(shù)挑戰(zhàn),詳細(xì)闡述了天地一體融合網(wǎng)絡(luò)一體架構(gòu)和基于該架構(gòu)的空口、資源管理調(diào)度等系列技術(shù)。

1 研究現(xiàn)狀

天地一體技術(shù)研究按近期和中期分為兩階段進(jìn)行。一方面以5G地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ),通過(guò)3GPP標(biāo)準(zhǔn)面向天地融合場(chǎng)景進(jìn)行能力增強(qiáng),3GPP NTN R17版本標(biāo)準(zhǔn)于2022年6月凍結(jié),作為3GPP發(fā)布的第一版用于衛(wèi)星通信場(chǎng)景的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn),NTN標(biāo)準(zhǔn)使地面移動(dòng)通信技術(shù)能夠近期快速應(yīng)用于衛(wèi)星通信場(chǎng)景。中國(guó)移動(dòng)分別于2022年8月和2023年6月率先完成全球首個(gè)運(yùn)營(yíng)商5G NTN技術(shù)外場(chǎng)驗(yàn)證以及我國(guó)首款5G NTN手機(jī)終端直連衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證,支持雙向語(yǔ)音對(duì)講和文字消息,也進(jìn)一步驗(yàn)證了NTN技術(shù)具備商用的可行性,后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)也將在R18版本持續(xù)演進(jìn),針對(duì)NTN覆蓋增強(qiáng)、移動(dòng)性增強(qiáng)、10 GHz以上頻譜支持、物聯(lián)網(wǎng)增強(qiáng)、UE位置服務(wù)規(guī)范進(jìn)一步研究[1,4-5]。另一方面,國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織面向中期加速6G天地一體需求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展研究。2023年6月,ITU完成了《IMT面向2030及未來(lái)發(fā)展的框架和總體目標(biāo)建議書(shū)》,作為6G綱領(lǐng)性文件,該建議書(shū)匯聚了全球6G愿景共識(shí),描繪了6G目標(biāo)與趨勢(shì),提出了6G的典型場(chǎng)景及能力指標(biāo)體系。建議書(shū)指出,泛在連接是6G的主要場(chǎng)景之一,IMT-2030地面網(wǎng)絡(luò)與NTN的融合預(yù)計(jì)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“隨時(shí)隨地連接”的目標(biāo)[6-7]。

2 技術(shù)挑戰(zhàn)

與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)不同,6G天地一體融合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將面臨更加復(fù)雜的挑戰(zhàn),主要包括:

① 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓咚賱?dòng)態(tài)變化。由于低軌衛(wèi)星的快速移動(dòng),導(dǎo)致衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓咚賱?dòng)態(tài)變化,一方面造成了星地/星間通信鏈路性能變化大、穩(wěn)健性差等問(wèn)題[2,8-9];另一方面也存在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下衛(wèi)星用戶(hù)因服務(wù)衛(wèi)星頻繁變化導(dǎo)致用戶(hù)在星間頻繁切換的問(wèn)題[10]。同時(shí)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母咚賱?dòng)態(tài)變化也導(dǎo)致天地一體融合網(wǎng)絡(luò)中星地/星間路由的建立、維護(hù)等在高效、可靠、安全方面存在挑戰(zhàn)[3]。這一切導(dǎo)致天地一體融合網(wǎng)絡(luò)在全域覆蓋及業(yè)務(wù)協(xié)同上存在極大挑戰(zhàn)。

② 星地信道環(huán)境差異巨大。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的信道傳輸條件差異巨大,主要體現(xiàn)在傳輸時(shí)延、多普勒頻偏和信道多徑等方面[3,11]。衛(wèi)星通信通常以視距傳輸為主、多徑分量少,而地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)因障礙物較多、反射徑豐富,信道容易遭遇快衰落[12]。在信道的時(shí)頻特性方面,對(duì)于低軌衛(wèi)星來(lái)說(shuō),由于衛(wèi)星快速運(yùn)動(dòng),多普勒頻移大且變化快、時(shí)延變化率大,對(duì)信號(hào)時(shí)頻同步帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[13];而高軌衛(wèi)星的時(shí)頻變化較小,但因星地距離遠(yuǎn)、傳輸時(shí)延大,對(duì)鏈路穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸可靠性帶來(lái)較大挑戰(zhàn)[8]。

③ 星地網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)復(fù)雜度高。當(dāng)前衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立發(fā)展,彼此耦合度低。面向未來(lái)的天地一體融合網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域,需通過(guò)星地波束聯(lián)合管理、重疊覆蓋區(qū)資源靈活調(diào)度等為用戶(hù)提供高質(zhì)量保障服務(wù),而衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)的深度耦合是未來(lái)天地一體融合網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)高效管理機(jī)制的關(guān)鍵[2,5]。星地組網(wǎng)架構(gòu)具備高動(dòng)態(tài)的特性,且需兼容透明轉(zhuǎn)發(fā)及再生模式,同時(shí)其架構(gòu)及網(wǎng)元位置具備高度靈活性,這對(duì)衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)深度耦合在接口設(shè)計(jì)及規(guī)范化方面帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[1]。

④ 星上網(wǎng)元平臺(tái)能力受限。當(dāng)前衛(wèi)星系統(tǒng)單星質(zhì)量、體積以及發(fā)射功率等指標(biāo)在系統(tǒng)定型后均為確定值,這樣衛(wèi)星上通信及算力單元在質(zhì)量、體積以及功率的分配上都受到限制,因此單星在通信網(wǎng)元及算力的部署上存在挑戰(zhàn)[9,13]。與地面網(wǎng)絡(luò)差異最大的是衛(wèi)星發(fā)射成功后其通信及算力單元不再具備可擴(kuò)展性,亟需通過(guò)天地一體融合組網(wǎng),取長(zhǎng)補(bǔ)短,充分發(fā)揮星地各自特有優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)最大效用[1]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 智能協(xié)作無(wú)線組網(wǎng)架構(gòu)

如圖1所示,天地一體網(wǎng)絡(luò)覆蓋場(chǎng)景分為星地協(xié)同覆蓋區(qū)域和衛(wèi)星獨(dú)立覆蓋區(qū)域兩種場(chǎng)景。其中,星地協(xié)同覆蓋區(qū)域主要包括地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞和星地網(wǎng)絡(luò)交疊地帶[1]。針對(duì)該場(chǎng)景,由地面NTN基站和地面大網(wǎng)基站共同提供通信服務(wù)。衛(wèi)星獨(dú)立覆蓋區(qū)域主要指航空、海洋、森林、沙漠、極地等地面網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋的區(qū)域,只能通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行覆蓋,由星載NTN基站為星下可見(jiàn)區(qū)域提供覆蓋,數(shù)據(jù)由星間鏈路回傳落地[2]。

圖1 星地智能動(dòng)態(tài)協(xié)作的高效新型無(wú)線組網(wǎng)Fig.1 Intelligently cooperative architecture in wireless network for integrated satellite-terrestrial network

圖3 基于跳波束的星地統(tǒng)一頻率方案Fig.3 Dynamic spectrum sharing method for satellite network and cellular network based on beam hopping

為應(yīng)對(duì)天地一體融合中存在的諸多挑戰(zhàn),6G天地一體網(wǎng)絡(luò)需要通過(guò)智能協(xié)作無(wú)線組網(wǎng)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)星地覆蓋、資源調(diào)度等高效協(xié)同,最大化網(wǎng)絡(luò)效率,降低網(wǎng)絡(luò)成本,同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的星地切換能力,保障業(yè)務(wù)連續(xù)性和用戶(hù)體驗(yàn)[2,11]。該架構(gòu)兼容透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星和再生衛(wèi)星,以星地智能動(dòng)態(tài)協(xié)作網(wǎng)關(guān)及網(wǎng)元為核心,是一種可實(shí)現(xiàn)星地智能動(dòng)態(tài)協(xié)作的高效新型無(wú)線組網(wǎng)架構(gòu)。其中,星地智能動(dòng)態(tài)協(xié)作網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)面向星地交疊區(qū)域地面基站注冊(cè)、注銷(xiāo)及信息更新,信息更新包含地面基站信息及與星上基站關(guān)聯(lián)信息(含地面基站使用頻率、地理位置及與衛(wèi)星基站波位關(guān)聯(lián)信息等);星地智能動(dòng)態(tài)協(xié)作網(wǎng)元作為衛(wèi)星基站對(duì)應(yīng)錨點(diǎn),用于匯聚交疊區(qū)域地面基站信息與對(duì)應(yīng)衛(wèi)星基站覆蓋區(qū)域波位關(guān)聯(lián)及去關(guān)聯(lián),負(fù)責(zé)地面基站和衛(wèi)星基站連接關(guān)系建立及去除等功能;地面信關(guān)站及地面NTN基站屬于透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星通信子系統(tǒng),負(fù)責(zé)透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星饋電及測(cè)控鏈路信號(hào)的收發(fā)和基帶信號(hào)的處理。支持星地動(dòng)態(tài)連接的地面大網(wǎng)基站,一方面具有為地面蜂窩用戶(hù)提供通信服務(wù)的能力,另一方面具備通過(guò)動(dòng)態(tài)星地連接與星上處理衛(wèi)星的星載NTN基站進(jìn)行信息交互的能力?；谝陨暇W(wǎng)元,實(shí)現(xiàn)星地協(xié)同區(qū)域的按需接入、資源協(xié)調(diào)以及衛(wèi)星測(cè)控。

透明轉(zhuǎn)發(fā)與再生模式的統(tǒng)一動(dòng)態(tài)組網(wǎng):針對(duì)低軌衛(wèi)星過(guò)頂時(shí)間短、再生模式下的星上網(wǎng)元隨低軌衛(wèi)星的變動(dòng)而頻繁變動(dòng)的問(wèn)題,星地智能動(dòng)態(tài)協(xié)作網(wǎng)元作為錨點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)再生模式下的星上網(wǎng)元?jiǎng)討B(tài)接入及合理配置,實(shí)現(xiàn)透明轉(zhuǎn)發(fā)與再生模式的統(tǒng)一組網(wǎng),降低天地協(xié)同復(fù)雜度,在節(jié)約星座成本的同時(shí)保障服務(wù)質(zhì)量[12-13]。未來(lái),隨著星上處理能力的提升以及衛(wèi)星制造、發(fā)射成本的降低,基于星上處理的低軌衛(wèi)星模式將是面向6G天地一體的主要演進(jìn)方向。

衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)的高效資源調(diào)度:針對(duì)衛(wèi)星覆蓋面積大,星地交疊覆蓋區(qū)域涵蓋大量地面基站,星地智能動(dòng)態(tài)協(xié)作網(wǎng)關(guān)及網(wǎng)元通過(guò)協(xié)同鏈路匯聚星地同覆蓋區(qū)下衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元和大量地面網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元,實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)的高效資源調(diào)度,實(shí)現(xiàn)覆蓋快速切換、業(yè)務(wù)負(fù)荷均衡、智能干擾規(guī)避等[4,14]。

3.2 空口技術(shù)

天地一體融合網(wǎng)絡(luò)的空口設(shè)計(jì)總體目標(biāo)是面向空、天、地、海等泛在連接場(chǎng)景,支持參數(shù)化可配置可裁剪的統(tǒng)一空口設(shè)計(jì)[14]。為了保障終端快速接入與網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸,需要進(jìn)一步研究包含波形、多址接入、時(shí)頻同步、極簡(jiǎn)接入以及覆蓋增強(qiáng)等關(guān)鍵技術(shù)[11]。

新波形設(shè)計(jì):考慮衛(wèi)星通信時(shí)延大、帶寬和功率受限、器件非線性程度高等特點(diǎn),面向6G的天地一體融合網(wǎng)絡(luò)的新波形研究,可從以下兩方面考慮:一是增強(qiáng)已有波形。復(fù)用地面系統(tǒng)用正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)波形,如采用CP-OFDM波形,同時(shí)通過(guò)削波峰和濾波技術(shù)、壓縮擴(kuò)張技術(shù)和部分傳輸序列技術(shù)等降低信號(hào)峰均比(Peak to Average Power Ratio,PAPR),以提高功放效率?；蛘卟捎玫蚉APR的DFT-S-OFDM波形,以提升系統(tǒng)在多用戶(hù)資源調(diào)度方面的靈活性[11,14]。二是設(shè)計(jì)新型波形。如業(yè)界討論的恒包絡(luò)相位調(diào)制、單載波頻域均衡、非直接載波調(diào)制、超耐奎斯特調(diào)制、正交時(shí)頻空等均可作為備選波形[5]。

新型多址接入:目前無(wú)論5G NR還是3GPP NTN均采用正交多址方式。面向6G天地一體融合網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景更加復(fù)雜、終端類(lèi)型更加多樣、用戶(hù)數(shù)量呈級(jí)數(shù)式增長(zhǎng),傳統(tǒng)的正交接入方式難以適應(yīng)未來(lái)發(fā)展的需求,需要研究非正交多址接入技術(shù)來(lái)增強(qiáng)頻譜效率、提升接入用戶(hù)數(shù)量、降低高可靠場(chǎng)景的時(shí)延等[14]。基于功率域、編碼域以及隨機(jī)交織域的非正交多址接入方式,將會(huì)進(jìn)一步改善6G天地一體融合網(wǎng)絡(luò)的容量,在未來(lái)的系統(tǒng)中發(fā)揮更重要的作用[4]。

時(shí)頻同步:3GPP NTN在R17版本已經(jīng)初步完成了基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)信息的星地時(shí)頻同步補(bǔ)償方案。但是在面向6G的天地一體融合網(wǎng)絡(luò)中,高、中、低軌道衛(wèi)星以及高空平臺(tái)等同時(shí)存在,終端需要具備測(cè)量、監(jiān)測(cè)、接入到不同網(wǎng)絡(luò)的能力,因此需要在時(shí)頻同步技術(shù)方面進(jìn)一步開(kāi)展研究,一方面需要增強(qiáng)時(shí)頻補(bǔ)償?shù)哪芰?另一方面需要適應(yīng)多重異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的不同時(shí)序關(guān)系,保障星地時(shí)頻同步、有效調(diào)度[8,13-14]。

極簡(jiǎn)接入:衛(wèi)星通信因?yàn)閭鬏斅窂介L(zhǎng)具有更大的時(shí)延,此外衛(wèi)星的快速運(yùn)動(dòng)也會(huì)帶來(lái)很大的多普勒頻偏,因此,需要解決隨機(jī)接入中的上行頻率和時(shí)間估計(jì)問(wèn)題[11]。面向6G的天地一體融合網(wǎng)絡(luò),因不同網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型對(duì)接入帶來(lái)的時(shí)延影響不同,因此有必要研究極簡(jiǎn)接入方式,在接入信號(hào)設(shè)計(jì)、接入流程、身份校驗(yàn)等方面開(kāi)展研究,提高接入效率[4,8,14]。一是考慮增強(qiáng)兩步接入機(jī)制減少信令開(kāi)銷(xiāo),降低隨機(jī)接入時(shí)延;二是針對(duì)衛(wèi)星移動(dòng)軌跡可知等特點(diǎn),可對(duì)衛(wèi)星波束服務(wù)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè),通過(guò)人工智能技術(shù)提前預(yù)判和調(diào)度無(wú)線接入資源,減少隨機(jī)接入碰撞概率,實(shí)現(xiàn)用戶(hù)智能接入[3-4,10]。

覆蓋增強(qiáng):目前3GPP NTN雖然已經(jīng)針對(duì)NTN場(chǎng)景開(kāi)展了覆蓋增強(qiáng)的研究,但是在未來(lái)6G天地一體融合網(wǎng)絡(luò)下,由于實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的需求變化,可能存在鏈路預(yù)算不足的場(chǎng)景,為了保證正常的接入及數(shù)據(jù)傳輸,可以考慮從以下幾個(gè)方面進(jìn)行覆蓋增強(qiáng):一是重復(fù)傳輸,通過(guò)重復(fù)傳輸可以有效提高增益;二是聯(lián)合信道估計(jì),在低信噪比場(chǎng)景下,通過(guò)適當(dāng)?shù)穆?lián)合信道估計(jì)可以提升信道估計(jì)的可靠性;三是跳波束,通過(guò)采用時(shí)分的方式覆蓋不同區(qū)域來(lái)保證覆蓋范圍;四是盲重傳,通過(guò)盲重傳獲得分集增益或者冗余版本合并增益[5]。

另外,采用頻譜效率更高、更靈活的TDD制式也將是未來(lái)6G天地一體空口演進(jìn)的重要研究方向,但面臨著星地及星間復(fù)雜的干擾及同步問(wèn)題,有待進(jìn)一步探索。

3.3 資源管理和調(diào)度技術(shù)

3.3.1 頻率資源調(diào)度

適用于手機(jī)直連衛(wèi)星場(chǎng)景的6 GHz以下低頻段資源緊張、頻譜資源利用率較低,為低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分配獨(dú)立使用的頻段難度較大。星地統(tǒng)一頻率可以極大地提高資源利用率,緩解低頻段資源緊張,但需要避免嚴(yán)重的星地頻率間干擾[10]。為實(shí)現(xiàn)星地統(tǒng)一頻率場(chǎng)景下的高頻譜效率和低頻率干擾,需積極開(kāi)展分布式頻譜感知、高效干擾抑制及動(dòng)態(tài)干擾規(guī)避等關(guān)鍵技術(shù)研究[5,15]。

分布式頻譜感知技術(shù):選擇天地一體融合網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元作為分布式協(xié)同感知單元,感知系統(tǒng)是否存在空閑頻譜,由統(tǒng)一決策中心收集全局感知結(jié)果確定空閑頻譜,以此實(shí)現(xiàn)兩網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)共享[4,16]。

高效干擾抑制技術(shù):采用超窄波束、超低相鄰頻道泄漏比(Adjacent Channel Leakage Ratio,ACLR)設(shè)計(jì)及相關(guān)波束成形技術(shù),縮小星地統(tǒng)一頻率下的空間隔離帶范圍,減輕星地同頻干擾。

動(dòng)態(tài)干擾規(guī)避技術(shù):基于星地網(wǎng)絡(luò)頻率信息的實(shí)時(shí)交互,快速調(diào)整星地網(wǎng)絡(luò)小區(qū)頻率部署,開(kāi)展星地網(wǎng)絡(luò)小區(qū)頻率動(dòng)態(tài)規(guī)避,有助于保證星地頻譜資源的高效利用[3]。

基于跳波束的星地統(tǒng)一頻率方案:面向6G的天地一體融合網(wǎng)絡(luò),衛(wèi)星、地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以基于星地智能動(dòng)態(tài)協(xié)作單元進(jìn)行深度信息交互,利用兩張網(wǎng)的信息集中式地進(jìn)行資源分配及波束管理,最大程度地降低星地頻率干擾。跳波束作為一種新興波束技術(shù),可在空間、時(shí)間、頻率和功率4個(gè)維度上進(jìn)行資源分配以適應(yīng)業(yè)務(wù)的不均勻分布和動(dòng)態(tài)變化。因此,基于跳波束的星地統(tǒng)一頻率方案也將變得更加實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、靈活高效[4]?；谔ㄊ跁r(shí)域、頻域及空域的靈活性,當(dāng)業(yè)務(wù)波束跳變至具有星地頻率干擾的波位,兩網(wǎng)根據(jù)頻譜資源分配方案進(jìn)行頻率劃分,以規(guī)避星地頻率干擾;而當(dāng)業(yè)務(wù)波束跳離該波位,衛(wèi)星波束及該波位的地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)則可以恢復(fù)全頻段頻率復(fù)用。其中,資源分配方案應(yīng)兼顧波束間公平性、業(yè)務(wù)時(shí)延限制以及混合共信道干擾等因素,對(duì)跳波束進(jìn)行合適的跳波束圖樣設(shè)計(jì)以及頻譜分配,提升異系統(tǒng)聯(lián)合效益[16]。值得說(shuō)明的是,若天地一體融合網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同網(wǎng)元采用同一跳變圖樣,星地傳播時(shí)延仍會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重星地頻率干擾,需在跳波束圖樣中進(jìn)行時(shí)延預(yù)補(bǔ)償,形成針對(duì)各個(gè)網(wǎng)元的特定跳變圖樣[17]。

3.3.2 動(dòng)態(tài)波束管理

衛(wèi)星通信面臨星地超遠(yuǎn)距離傳輸、衛(wèi)星平臺(tái)功率受限等難題,多采用高定向波束賦形技術(shù)提升功率使用效率。由于衛(wèi)星覆蓋區(qū)域較大,星下用戶(hù)的通信需求在地理、時(shí)間、帶寬等多維度分布不均勻且動(dòng)態(tài)變化,波束管理是衛(wèi)星通信領(lǐng)域的關(guān)鍵解決方案[18]。傳統(tǒng)衛(wèi)星的波束管理機(jī)制獨(dú)立于地面網(wǎng)絡(luò),一般采用相對(duì)地面固定的波束設(shè)計(jì),即波束在地面的覆蓋區(qū)域基本固定,將地球表面劃分為數(shù)萬(wàn)個(gè)波位小區(qū),采用波束掃描的方式為用戶(hù)提供隨遇接入和業(yè)務(wù)傳輸服務(wù),衛(wèi)星通信資源使用效率不高[15]。為滿(mǎn)足衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)間覆蓋、業(yè)務(wù)、算力等方面的緊密協(xié)同需求,基于地面控制的靈活波束管理技術(shù)將成為天地一體融合網(wǎng)絡(luò)中一條全新的技術(shù)路徑[7]。針對(duì)透明轉(zhuǎn)發(fā)和基站上星兩種模式的衛(wèi)星,衛(wèi)星波束能夠根據(jù)地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的波束控制指令,靈活地調(diào)整波束指向及功率分配等參數(shù),通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò)深度參與衛(wèi)星資源的管理調(diào)度來(lái)提高星地協(xié)同效果,并有效降低星座建設(shè)成本[8,12]。

星地動(dòng)態(tài)關(guān)系構(gòu)建:天地一體融合網(wǎng)絡(luò)具備按需、動(dòng)態(tài)建立星地交互連接的能力以支持實(shí)時(shí)高效的波束管理信息交互。考慮采用拓展的動(dòng)態(tài)星地Xn接口在地面蜂窩基站和NTN基站之間傳輸波束管理及干擾協(xié)同等信息。一是針對(duì)星上處理模式的星載NTN基站,地面蜂窩基站增加饋電鏈路窄帶傳輸模塊,采用基于饋電鏈路的星地Xn動(dòng)態(tài)增強(qiáng)接口;二是針對(duì)透明轉(zhuǎn)發(fā)模式衛(wèi)星,NTN基站位于地面,地面蜂窩基站基于地面連接即可與地面NTN基站建立星地動(dòng)態(tài)Xn接口,實(shí)現(xiàn)星地間面向各項(xiàng)協(xié)同場(chǎng)景需求的實(shí)時(shí)波束控制[12]。

透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)下端星地三方精準(zhǔn)同步技術(shù):現(xiàn)有3GPP NTN技術(shù)基于透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)下的凝視或平掃波束完成超遠(yuǎn)距離和超高速移動(dòng)傳輸技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作,天地一體融合網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星波束需要根據(jù)星下動(dòng)態(tài)變化的業(yè)務(wù)需求和地面網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同需求靈活跳變[13]。透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)下NTN基站位于地面,相控陣天線及波束控制器位于星上,基于地面控制的波束管理受星地時(shí)延及信道環(huán)境多變的影響。NTN基站位于地面,相控陣天線及波束控制器位于星上,考慮采用星上輕量化帶內(nèi)接收指令的波束控制機(jī)制,在地面NTN基站調(diào)度器統(tǒng)一控制下,保證地面發(fā)送的波束切換指令和空口信號(hào)經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離高動(dòng)態(tài)時(shí)變傳輸后在星上的精準(zhǔn)同步,支持多波束掃描、凝視波束跳變按需提供業(yè)務(wù)傳輸,提高頻譜效率及整星容量[4]。

3.3.3 業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的統(tǒng)一資源調(diào)度

現(xiàn)有衛(wèi)星、地面網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立組網(wǎng),信息交互靈活性不高、網(wǎng)絡(luò)特性差異較大,由于業(yè)務(wù)分布和需求的非均勻性,星地靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)能力面臨與動(dòng)態(tài)、分布不均勻、多樣化的業(yè)務(wù)需求之間的矛盾,導(dǎo)致衛(wèi)星通信系統(tǒng)、地面移動(dòng)通信系統(tǒng)分配的資源與業(yè)務(wù)需求不匹配、網(wǎng)絡(luò)資源利用率不高[2]。天地一體融合組網(wǎng)場(chǎng)景下,通過(guò)新增星地智能動(dòng)態(tài)協(xié)作網(wǎng)元,采用高效統(tǒng)一資源調(diào)度方法,可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星、地面資源的動(dòng)態(tài)共享,如通過(guò)在業(yè)務(wù)量較少且廣覆蓋的區(qū)域,動(dòng)態(tài)調(diào)整該地區(qū)地面網(wǎng)絡(luò)深度休眠,使終端通過(guò)衛(wèi)星接入到網(wǎng)絡(luò),降低地面網(wǎng)絡(luò)能源消耗等方式,在時(shí)間、空間、頻率以及功率維度上進(jìn)行靈活分配,以適應(yīng)業(yè)務(wù)的不均勻分布和動(dòng)態(tài)變化,達(dá)到星地資源利用系統(tǒng)最優(yōu)化[18]。

面向業(yè)務(wù)連續(xù)性的快速切換:由于星地拓?fù)涓邉?dòng)態(tài)變化,用戶(hù)在不同衛(wèi)星間頻繁切換,極易導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷,并為網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)大量信令開(kāi)銷(xiāo)[10]。天地一體融合網(wǎng)絡(luò)切換場(chǎng)景多樣且復(fù)雜,包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)內(nèi)切換、衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)間切換等,對(duì)切換管理提出更高的要求[4,14]?？赏ㄟ^(guò)建立星地協(xié)同的業(yè)務(wù)管理機(jī)制,感知用戶(hù)業(yè)務(wù)指標(biāo)數(shù)據(jù),對(duì)用戶(hù)統(tǒng)一進(jìn)行資源管理,優(yōu)化業(yè)務(wù)體驗(yàn)。一是面向星地切換場(chǎng)景快速構(gòu)建星地網(wǎng)絡(luò)鄰區(qū)關(guān)系,優(yōu)化星地網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置及按需采用星地雙連接等方式,保證星地業(yè)務(wù)連續(xù),同時(shí)盡可能降低星地切換時(shí)延;二是在切換過(guò)程中引入基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的人工智能等算法,有效提高切換后的業(yè)務(wù)體驗(yàn),抑制切換帶來(lái)的信令風(fēng)暴[4]。

面向不同業(yè)務(wù)等級(jí)的智能調(diào)度:空天地一體化通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且接入終端類(lèi)型較多,需滿(mǎn)足不同服務(wù)等級(jí)的業(yè)務(wù)需求。一是面向星地業(yè)務(wù)負(fù)荷均衡的智能調(diào)度,通過(guò)星地網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷信息的實(shí)時(shí)交互,結(jié)合用戶(hù)業(yè)務(wù)需求及星地雙連接等方案,開(kāi)展星地業(yè)務(wù)負(fù)荷的動(dòng)態(tài)智能卸載,有助于在保證用戶(hù)業(yè)務(wù)體驗(yàn)的情況下實(shí)現(xiàn)星地網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)荷均衡[9,11];二是天地一體端到端網(wǎng)絡(luò)切片編排與設(shè)計(jì)[8]。因天地一體融合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有時(shí)變特性,可通過(guò)引入動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)一體虛擬化等技術(shù)保障統(tǒng)一業(yè)務(wù)管理,根據(jù)業(yè)務(wù)需求和用戶(hù)密度定制化編排網(wǎng)元,提升用戶(hù)的服務(wù)體驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文圍繞著天地一體的需求和挑戰(zhàn),全面闡述了面向6G的天地一體融合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì),6G天地一體網(wǎng)絡(luò)將以統(tǒng)一終端、一體服務(wù)為目標(biāo)愿景,通過(guò)內(nèi)生的一體架構(gòu)、統(tǒng)一空口和統(tǒng)一資源調(diào)度等技術(shù)實(shí)現(xiàn)天地兩張網(wǎng)的性能和成本最優(yōu)化設(shè)計(jì)[14]。除此之外,未來(lái)的6G天地一體融合網(wǎng)絡(luò)不僅承擔(dān)著泛在連接的基礎(chǔ)通信功能,也會(huì)逐步向感知、算力、測(cè)控等多維能力延展,為廣大用戶(hù)提供更多豐富的應(yīng)用服務(wù)。同時(shí),隨著天地兩張網(wǎng)絡(luò)融合的深入,二者之間需要交互、協(xié)作和開(kāi)放的數(shù)據(jù)、流程和接口將會(huì)進(jìn)一步增加,也將帶來(lái)更多的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)。