手機直連低軌衛(wèi)星通信：架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和未來展望*

孫耀華，許宏濤，彭木根

（北京郵電大學網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點試驗室，北京 100876）

0 引言

IMT-2030（6G）推進組發(fā)布的《6G 總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)白皮書》[1]提出，6G 將利用天基實現(xiàn)陸地偏遠地區(qū)、海上和空中覆蓋，最終構(gòu)建星地融合的移動通信網(wǎng)絡(luò)。在星地融合背景下，第三代合作伙伴計劃（3GPP,3rd Generation Partnership Project）已開展支持手機直連衛(wèi)星的非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN,Non-Terrestrial Network）的標準制定工作，預(yù)期為個人用戶提供全球泛在接入[2-5]。

實現(xiàn)手機直連衛(wèi)星通信的技術(shù)路線主要包括基于多模終端的方案、面向存量手機終端的方案以及基于3GPP NTN 標準的方案。多模終端方案可視為目前衛(wèi)星通信技術(shù)的延伸，便于手機直連業(yè)務(wù)的快速落地，但由于其采用私有協(xié)議，無法迅速做大生態(tài)鏈。面向存量手機終端的直連方案基于3GPP 標準對基站側(cè)進行增強，手機終端不需要改動，在NTN 標準體制還未完全明確的情況下，該模式可以快速部署推廣。然而，該類方案需解決現(xiàn)有基站上星性能回退的問題，星上也需做較大的改動以實現(xiàn)基站功能?；?GPP NTN 標準的方案則面向增量終端直連衛(wèi)星，終端/基站需升級以支持Release 17（R17）及之后的版本，產(chǎn)業(yè)支持廣泛。

當前，國內(nèi)外企業(yè)積極開展手機直連試驗驗證和業(yè)務(wù)落地。在多模終端技術(shù)路線方面，蘋果手機通過內(nèi)置Globalstar 衛(wèi)星通信模塊支持短消息發(fā)送；華為Mate 50 內(nèi)置北斗通信模塊，支持L 頻段的單向短報文通信，Mate 60 內(nèi)置天通衛(wèi)星通信模塊，提供通話與短信業(yè)務(wù)。面向存量手機終端，Lynk Global 公司已發(fā)射7 顆技術(shù)驗證衛(wèi)星，完成了在軌衛(wèi)星與存量手機進行雙向語音通信的外場實驗驗證；SpaceX 計劃推出基于4G LTE 上星的存量手機直連業(yè)務(wù)；AST SpaceMobile 低軌試驗衛(wèi)星BlueWalker 3 搭載了64 平方米的巨型相控陣天線，實現(xiàn)了存量手機與試驗星通話和5G 連接測試。NTN 技術(shù)路線方面，Omnispace 公司利用n256 頻段，于2021 年實現(xiàn)了商用5G 終端通過衛(wèi)星獲取語音和數(shù)據(jù)服務(wù)的演示驗證，目前已有2 顆實驗衛(wèi)星在軌運行；中國移動聯(lián)合中興通訊等實現(xiàn)了全球首個運營商基于3GPP R17 IoT-NTN的技術(shù)外場驗證，并于2023 年9 月實現(xiàn)了低軌通信環(huán)境下NR-NTN 的實驗室驗證；中國電信基于天通衛(wèi)星完成了NR-NTN 終端直連衛(wèi)星現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境測試驗證。

標準化方面，3GPP R17 確認空口標準支持星上透明轉(zhuǎn)發(fā)和星上處理兩種模式，并對無線接入網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進行了增強[6]；R18 為滿足靈活多樣的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)需求，研究無GNSS 能力終端的支持以及覆蓋、移動性管理方面的增強[7]；未來R19 版本將逐步開展基站上星架構(gòu)的標準化。后文首先對手機直連低軌衛(wèi)星的架構(gòu)進行探討，隨后對手機直連低軌衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)進行詳細介紹，最后給出未來的技術(shù)發(fā)展方向。

表1 為手機直連衛(wèi)星實驗驗證與應(yīng)用：

表1 手機直連衛(wèi)星實驗驗證與應(yīng)用

1 手機直連低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文將手機直連低軌衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為四類，包括基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的NTN 手機直連低軌衛(wèi)星架構(gòu)、基于部分可再生處理的手機直連低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、基于完全可再生處理的手機直連低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、基于集成接入和回傳的手機直連低軌衛(wèi)星架構(gòu)。

1.1 基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的NTN手機直連低軌衛(wèi)星架構(gòu)

基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的NTN 手機直連低軌衛(wèi)星架構(gòu)如圖1所示，透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)由NTN 終端、透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星、信關(guān)站、NTN 地面基站、地面核心網(wǎng)、公共數(shù)據(jù)網(wǎng)組成。其中，透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星功能包括射頻濾波、頻率轉(zhuǎn)換和信號放大，和地面信關(guān)站共同作為NTN 基站的遠端射頻單元。終端與衛(wèi)星間的服務(wù)鏈路（service link）以及衛(wèi)星與信關(guān)站間的饋電鏈路（feeder link）均采用NR-Uu 接口，而信關(guān)站則通過前傳鏈路與NTN 基站連接。由于該架構(gòu)在星上僅實現(xiàn)射頻功能，其余接入網(wǎng)功能均部署在地面，系統(tǒng)能夠進行跨整個協(xié)議棧的集中處理和協(xié)調(diào)，高效支持CoMP、MIMO、負載平衡、切換管理等功能。此外，射頻和物理層間的分離允許重用射頻組件以服務(wù)不同無線接入技術(shù)，從而提升了物理層的可拓展性。然而，該架構(gòu)面臨空口傳輸時延長、對饋電鏈路傳輸資源要求較高等問題，例如在100 MHz 的基帶信號帶寬下，單個天線端口就需要614 Mbps 的傳輸資源。為此，3GPP R17 在已有定時參數(shù)基礎(chǔ)上引入額外偏移量用于涵蓋星地傳播延時的影響，同時允許關(guān)閉HARQ 機制提升長傳播時延下的信道資源利用率[8-9]。除此之外，由于該架構(gòu)不存在星間鏈路，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)嚴重依賴信關(guān)站，難以實現(xiàn)全球網(wǎng)絡(luò)部署。

圖1 基于3GPP NTN透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星的手機直連低軌衛(wèi)星架構(gòu)

1.2 基于部分可再生處理的手機直連低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）基于物理層功能切分的方案

為降低基于星上透明轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對饋電鏈路帶寬的要求，考慮基于部分可再生處理的手機直連低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。根據(jù)3GPP 38.816[10]，NR 物理層的潛在功能劃分如圖2 所示，預(yù)編碼模塊位于層映射之后、OFDM調(diào)制之前。在劃分方案2 中，星上僅具有調(diào)制和射頻功能，其余物理層功能在地面實現(xiàn)，此時饋電鏈路傳輸?shù)男盘柧S度為預(yù)編碼之后的信號維度，即天線端口數(shù)。而在劃分方案1 中，星上同時具有預(yù)編碼、調(diào)制、射頻功能，其余物理層功能在地面實現(xiàn)，此時饋電鏈路傳輸?shù)男盘柧S度為預(yù)編碼前的信號流數(shù)。因此，方案1 能夠節(jié)省饋電鏈路帶寬資源，但相對方案2 星上實施復雜度增大。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，美國AST Spacemobile 采用的手機直連低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)參考了方案2，在Blue Walker3 試驗星上實現(xiàn)了預(yù)編碼功能。

圖2 星上部分可再生處理下的星地功能切分方案

（2）基于MAC 層及以上功能切分的方案

考慮到NR 基站完全上星會對衛(wèi)星搭載能力以及基站供電帶來更高挑戰(zhàn)[11-12]，可進一步采用基站集中式單元（gNB-CU,gNB Centralized Unit）和基站分布式單元（gNB-DU,gNB Distributed Unit）分離的部署模式。如圖3 所示，基站部分上星架構(gòu)由終端、星上DU、地面CU、核心網(wǎng)、公共數(shù)據(jù)網(wǎng)組成，CU 和DU 間的邏輯接口定義為F1 接口，承載在饋電鏈路上。

圖3 基于CU-DU分離的手機直連低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

參考3GPP 38.816 和38.811 協(xié)議[8,10]，星地間DU-CU 功能的潛在切分方式如圖4 所示：

圖4 星地DU-CU功能切分潛在方案

方案一將PDCP、RLC、MAC、物理層劃分于星載DU，RRC 層則位于地面CU。該劃分方式下，整個用戶平面均位于DU 中，有利于實現(xiàn)低延遲數(shù)據(jù)傳輸。

方案二將RLC 層及以下劃分于星載DU，PDCP 層及以上劃分于地面CU。該切分方式便于對多星流量負載進行協(xié)同管理，并且其實現(xiàn)基礎(chǔ)已在LTE 雙連接技術(shù)中進行了標準化，因此是一種最為直接、標準化工作增量最小的切分方式。

方案三對RLC 層內(nèi)部進行劃分，將RLC 低層及以下劃分于星載DU，RLC 高層及以上劃分于地面CU。RLC下層由分段功能構(gòu)成，RLC 上層包含ARQ 和RLC 的其他功能。在該切分方式下，星上不負責處理ARQ 協(xié)議，可以降低對計算和數(shù)據(jù)緩存的要求，但由于ARQ 協(xié)議對時延敏感，口空傳輸效率易受饋電鏈路時延影響。

方案四對MAC 層內(nèi)部進行劃分，將MAC 低層及以下劃分于星載DU、MAC 高層及以上劃分于地面CU。MAC 高層負責控制多個MAC 低層與集中式資源調(diào)度，能夠執(zhí)行CoMP 等干擾協(xié)調(diào)機制。對時延具有嚴格要求或性能與時延密切相關(guān)的功能則位于MAC 低層，如HARQ、信號測量、隨機接入控制。該劃分方式能減少F1 接口對時延的要求，還能夠高效地執(zhí)行多衛(wèi)星小區(qū)干擾協(xié)調(diào)。然而，在MAC 層內(nèi)部進行功能劃分會導致CU-DU 間的接口復雜度增大，調(diào)度決策也將受到星地饋電鏈路傳輸時延的影響。

方案五將完整的物理層劃分于星載DU，MAC 及上層劃分于地面CU。該劃分方式下，地面可以實現(xiàn)MAC層及以上的資源池化，但需要CU 中的MAC 層和DU 中的PHY 層間進行子幀級定時交互，同時CU 與DU 間的饋電鏈路傳輸時延也將影響HARQ 性能。

方案一至方案五對應(yīng)的CU 功能逐漸增強，DU 功能逐漸減弱。相應(yīng)地，隨著CU 功能增多，F(xiàn)1 接口的傳輸數(shù)據(jù)有效載荷中數(shù)據(jù)包頭增多，帶寬需求逐步增大，對F1 傳輸時延的要求也越來越嚴格。

1.3 基于完全可再生處理的手機直連低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）面向存量終端且基于基站完全上星的手機直連低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

該類架構(gòu)目前以支持4G 存量終端為主，架構(gòu)如圖5所示，其由普通4G 手機終端、衛(wèi)星、信關(guān)站、地面核心網(wǎng)、衛(wèi)星運營商網(wǎng)絡(luò)和公共數(shù)據(jù)網(wǎng)組成。其中，衛(wèi)星采用可再生處理技術(shù)，搭載完整的功能增強4G 基站（eNodeB）。為了實現(xiàn)存量4G 終端無感知接入，星載基站需針對空間節(jié)點高動態(tài)、大多普勒頻移與時延等問題進行協(xié)議增強，例如，在HARQ 機制中根據(jù)調(diào)度的用戶信息提前發(fā)送ACK 以適應(yīng)大傳播時延，同時在星載基站中引入地面網(wǎng)絡(luò)干擾感知技術(shù)，提升頻譜共享下用戶鏈路上行信號的接收成功率。數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)上，存量手機依靠4G 空口直連低軌衛(wèi)星，用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)，下傳至衛(wèi)星運營商網(wǎng)絡(luò)，再傳輸至地面運營商網(wǎng)絡(luò)。當涉及用戶在天基和地基網(wǎng)絡(luò)間的切換時，本質(zhì)上為用戶在兩張網(wǎng)絡(luò)間的漫游。

圖5 基于4G LTE基站上星的存量手機直連低軌衛(wèi)星架構(gòu)

當前，該架構(gòu)被Lynk Global 與SpaceX 等公司廣泛采用，實現(xiàn)手機直連業(yè)務(wù)的快速部署。Lynk Global 已與全球30 多個移動通信運營商簽訂了手機直連衛(wèi)星服務(wù)商業(yè)協(xié)議。2023 年10 月11 日，SpaceX 宣布將推出基于4G LTE 體制的存量手機直連星鏈業(yè)務(wù)，特別地，2023 年12 月1 日，F(xiàn)CC 對SpaceX 2 代星鏈星座部署與運行蜂窩網(wǎng)衛(wèi)星進行了許可，允許SpaceX 在美國本土使用T-Mobile頻段，將1 910—1 915 MHz 和1 990—1 995 MHz 分別用于手機直連衛(wèi)星的上行鏈路和下行鏈路通信。業(yè)務(wù)方面，SpaceX 預(yù)計2024 年實現(xiàn)短信發(fā)送，2025 年實現(xiàn)語音通話和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，同年分階段實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。此外，星鏈衛(wèi)星V2.0 將在Ku、Ka 天線和星間激光終端基礎(chǔ)上，額外配備面積達25 平方米的大型天線，以彌補手機直連鏈路預(yù)算的不足。

（2）基于NTN 基站的手機直連低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3GPP Rel-16 研究了基于NTN 基站的手機直連低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。如圖6 所示，基站完全上星架構(gòu)由NTN終端、NTN 星載基站、信關(guān)站、地面核心網(wǎng)、公共數(shù)據(jù)網(wǎng)組成。其中，衛(wèi)星具有射頻濾波、頻率轉(zhuǎn)換、信號放大、解調(diào)/ 解碼、星間路由、編碼/ 調(diào)制、無線資源管理、接入控制等功能[14]。NTN 終端與衛(wèi)星間的服務(wù)鏈路采用NR-Uu 接口，衛(wèi)星與信關(guān)站間的饋電鏈路可以采用DVB-S2X 或5G NR 通信體制以承載控制面NG-C 和用戶面NG-U 數(shù)據(jù)，信關(guān)站則提供衛(wèi)星與地面核心網(wǎng)的連接。此外，該架構(gòu)不緊密依賴地面基礎(chǔ)設(shè)施，可以通過星間多跳回傳實現(xiàn)全球覆蓋。由于基站完全上星后顯著縮短了終端到基站的距離，能為物理層與MAC 層提供更小的傳播時延[15]。

圖6 基于NTN基站上星的手機直連低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.4 基于集成接入和回傳的手機直連低軌衛(wèi)星架構(gòu)

為了更好地實現(xiàn)星間鏈路與衛(wèi)星拓撲管理，還可以考慮基于集成接入和回傳（IAB,Integrated Access and Backhaul）技術(shù)的5G NTN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[16]。如圖7 所示，一個IAB 網(wǎng)絡(luò)包含錨點IAB（IAB-donor）和IAB 節(jié)點，IAB 節(jié)點通過一跳或多跳的形式連接到IAB-donor。IAB 節(jié)點由終端功能部分IAB-MT 和分布式基站功能部分IAB-DU 組成。IAB-MT 具有UE 的部分功能，它可以以UE 的身份與另一個IAB 節(jié)點的IAB-DU 或者IABdonor 連接。IAB-DU 具備gNB-DU 的功能，允許來自普通UE 或者IAB-MT 的接入。任意IAB 節(jié)點通過其IABMT 與父節(jié)點相連，通過IAB-DU 為其子節(jié)點提供服務(wù)。IAB-donor 為IAB 拓撲執(zhí)行集中資源管理和路由管理等。NTN 借助IAB 架構(gòu)可將衛(wèi)星作為IAB 節(jié)點，基于IABDU 與IAB-MT 的互連實現(xiàn)基于星間鏈路的衛(wèi)星間多跳連接和數(shù)據(jù)傳輸。

圖7 基于IAB的手機直連低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 手機直連低軌衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)

2.1 時頻同步技術(shù)

在移動通信中，終端需要與通信網(wǎng)絡(luò)進行初始時頻同步，并在接入網(wǎng)絡(luò)后不斷跟蹤時頻偏以維持同步狀態(tài)，確保數(shù)據(jù)傳輸能夠正常進行。在手機直連低軌衛(wèi)星通信場景下，由于低軌衛(wèi)星相對地面用戶快速移動，通信過程中產(chǎn)生的多普勒頻偏和定時變化率將遠超地面移動通信場景。以低軌衛(wèi)星軌道高度600 km、載波頻率2 GHz 為例，星地最大多普勒頻移可達40 kHz，同時最大定時提前與定時變化率分別高達7 ms 與38 μs/s。針對頻偏，以單載波傳輸為例，在透明轉(zhuǎn)發(fā)場景中，NTN 基站可通過星歷信息和衛(wèi)星波束中心點位置計算頻偏并進行預(yù)補償，同時廣播星歷信息與波束中心點位置，非波束中心點用戶根據(jù)廣播信息計算與中心用戶的頻差以進行用戶鏈路頻偏二次補償；在可再生場景中，星載基站根據(jù)終端和信關(guān)站位置分別補償用戶鏈路和饋電鏈路頻偏，非中心用戶針對中心用戶位置進行頻偏補償。在多載波系統(tǒng)中，手機終端通過導頻接收處理獲取載波級實時多普勒頻偏，然后在發(fā)送上行信號或接收下行信號時對信號進行預(yù)補償。對于時間補償，同樣選用參考點補償方式，當將參考點選定在衛(wèi)星側(cè)時，手機以星地往返傳輸時延作為時間提前量進行補償。

2.2 鏈路狀態(tài)預(yù)測技術(shù)

自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC,Adaptive Modulation and Coding）是一種鏈路自適應(yīng)技術(shù)，主要思想為接收端根據(jù)解調(diào)參考信號（DMRS,Demodulation Reference Signal）的信噪比估計鏈路特性，將測得的信噪比的估計值映射得到信道質(zhì)量指示（CQI,Channel Quality Indication）參數(shù)并反饋給發(fā)送端，發(fā)送端根據(jù)CQI 參數(shù)采用匹配信道狀態(tài)的數(shù)據(jù)調(diào)制和信道編碼方案，最大化信道利用效率。具體而言，在手機直連衛(wèi)星的下行傳輸場景中，用戶根據(jù)DMRS 測得CQI 并反饋到衛(wèi)星，衛(wèi)星根據(jù)CQI 調(diào)整調(diào)制編碼方案；在上行傳輸場景中，衛(wèi)星根據(jù)上行DMRS 測得CQI，然后下發(fā)控制信令使用戶調(diào)整調(diào)制編碼方式[17]。由于星地鏈路傳輸延遲嚴重，導致CQI反饋/ 控制信令下發(fā)滯后于鏈路狀態(tài)變化[17]，影響AMC技術(shù)性能。為解決上述問題，可在接收端采用鏈路狀態(tài)預(yù)測技術(shù)獲得未來的信道CQI，以彌補反饋滯后的影響。目前，鏈路預(yù)測技術(shù)主要依靠基于時間序列的預(yù)測算法，核心思想為利用當前和過去時刻的鏈路狀態(tài)信息預(yù)測未來時刻的鏈路狀態(tài)，具有計算復雜度低和實時強性的優(yōu)點，但高動態(tài)性的星地鏈路可能導致時間序列數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，而傳統(tǒng)的時間序列預(yù)測算法通常假設(shè)數(shù)據(jù)間存在線性關(guān)系，因此難以適用?；跈C器學習的預(yù)測算法能夠通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）提取采樣數(shù)據(jù)特征，隨后利用長短時記憶網(wǎng)絡(luò)和門控循環(huán)單元提取時間序列數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系，同時考慮多種信道影響因素如頻移、多徑數(shù)目等，以提高預(yù)測準確性，更好地適應(yīng)星地快速時變鏈路[18-20]。

2.3 物理層波形技術(shù)

正交頻分復用（OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)由于具有頻率資源利用率高、調(diào)制解調(diào)過程易于硬件實現(xiàn)、抗頻率選擇性衰落等優(yōu)點，在地面移動通信中得到廣泛使用。但OFDM 波形同時具有較高的帶外輻射、CP 開銷和峰均比等問題?？紤]到低軌衛(wèi)星通信具有功率和頻譜資源受限以及器件非線性程度高等特點，難以直接將OFDM 波形應(yīng)用于手機直連低軌衛(wèi)星通信。為此，可考慮采用廣義頻分復用（GFDM,Generalized Frequency Division Multiplexing）[21]技術(shù)作為OFDM 技術(shù)的擴展。GFDM 是在OFDM 基礎(chǔ)上，結(jié)合濾波器組的一種非正交調(diào)制技術(shù)，不僅保留了OFDM大部分優(yōu)點，還具有低帶外輻射、數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)靈活、低峰均功率比等優(yōu)點。通過采用循環(huán)移位濾波器及時域窗函數(shù)，GFDM 各個子載波波形主瓣的帶外衰減速率能大幅增加，進而降低帶外功率泄露，減少相鄰頻段干擾。此外，GFDM 通過循環(huán)移位濾波器實現(xiàn)子符號在時域的疊加傳輸，每組疊加子符號只需添加一次CP，無需像OFDM 一樣為每個符號添加一次CP，可以減少CP 開銷，提高通信頻譜效率。在傳輸相同數(shù)據(jù)量時，GFDM 需要的子載波數(shù)更少，配合限幅性能優(yōu)良的濾波器可以有效降低峰均比。已有研究[22-23]分析了OFDM 和GFDM 的誤碼性能，指出在數(shù)字廣播電視的超高頻場景中GFDM 誤碼性能優(yōu)于OFDM，并證明GFDM 相較OFDM 對時序偏移和相位噪聲具有更強的魯棒性。

2.4 星載大型天線技術(shù)

傳統(tǒng)民用非手機直連衛(wèi)星通信系統(tǒng)（如SpaceX 公司的Starlink V1.0），地面終端的天線直徑一般為20～30 cm 在手機直連低軌衛(wèi)星通信場景下，考慮到用戶使用體驗，難以安裝該類天線。因此，主要通過在衛(wèi)星側(cè)安裝功率更大、增益更高的大型天線實現(xiàn)手機直連衛(wèi)星通信。星載大型天線技術(shù)的核心為在衛(wèi)星上搭載大規(guī)模天線陣列，提高陣列總增益，解決星地鏈路損耗問題。其中，相控陣天線由于具有靈活度高、覆蓋面大、抗干擾性強等優(yōu)點，預(yù)期成為未來低軌衛(wèi)星普遍使用的天線形態(tài)。大型星載相控陣天線能提供較大的發(fā)射功率與較高的增益，能滿足窄波束傳輸、波束指向靈活調(diào)整以及多點波束傳輸?shù)刃枨?。美國SpaceX 公司發(fā)射的首批Starlink V2.0 mini 衛(wèi)星部署了比V1.0 規(guī)模更大的相控陣天線。AST SpaceMobile公司的在軌測試衛(wèi)星BlueWalker3 同樣搭載了大型相控陣天線，完全展開后的面積達64 平方米，是目前尺寸最大的商業(yè)相控陣天線。受限于衛(wèi)星搭載能力，需要通過采用高收納比的二維在軌展開技術(shù)，將不同工作頻率的收發(fā)天線在相同口徑面積內(nèi)集成，構(gòu)建高增益、低剖面、超輕薄、收發(fā)共面的大面積高精度相控陣天線。

2.5 隨機接入技術(shù)

當手機終端具備精準星歷信息和自主定位能力時，能夠通過上行前導發(fā)送時的時頻偏預(yù)補償實現(xiàn)對地面移動通信系統(tǒng)前導序列的沿用，但當導航定位信號被拒止、手機定位能力不可用時，使用現(xiàn)有前導序列直接接入衛(wèi)星將易導致定時提前估計失敗。此外，傳統(tǒng)四步隨機接入在星地長時延下存在效率低、接入速度慢的問題。為此，考慮以地面移動通信隨機接入方案為基礎(chǔ)，對手機直連衛(wèi)星場景中上行隨機接入進行適應(yīng)性增強，主要包括用戶終端側(cè)初始時頻預(yù)補償方案設(shè)計、星地兼容的前導序列格式設(shè)計和極簡隨機接入流程設(shè)計。時偏補償方面，衛(wèi)星通過公共物理下行共享信道指示公共時偏值，手機以該值作為時間預(yù)補償值。星地兼容的前導序列設(shè)計以最大程度復用地面系統(tǒng)已有ZC 序列生成及檢測模塊為目標，通過靈活級聯(lián)ZC 序列并在兩種序列間進行差異化功率分配，降低前導檢測過程中的多用戶干擾影響，支撐大量用戶并發(fā)接入[24]。星地極簡接入流程將接入過程分為衛(wèi)星廣播、用戶同步信號檢測與前導生成、衛(wèi)星多用戶檢測與傳輸資源分配，通過簡化星地間信令流程，實現(xiàn)快速接入[25-26]。

2.6 波束管理技術(shù)

低軌衛(wèi)星星座廣覆蓋下，網(wǎng)絡(luò)流量空時分布不均特征顯著，此外，多星波束聯(lián)合調(diào)度涉及因素眾多，決策復雜度高。傳統(tǒng)固定波束資源分配分下，難以適配業(yè)務(wù)流量空時分布非均勻特點，導致資源浪費[27]。為此，亟需研究更加高效的波束資源管理體制?？紤]到波束資源調(diào)度可進一步分為波束與小區(qū)間服務(wù)關(guān)系規(guī)劃、服務(wù)時間及波束頻率規(guī)劃以及波束內(nèi)用戶間資源調(diào)度，可采用分層的波束資源管理架構(gòu)[28]。具體地，在基于星上部分可再生的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，地面CU 負責根據(jù)用戶上報的業(yè)務(wù)需求、波束小區(qū)位置信息、衛(wèi)星星歷等信息進行周期性、網(wǎng)絡(luò)級的波束資源調(diào)度，給出下一調(diào)度周期波束-小區(qū)服務(wù)關(guān)系、服務(wù)時間和所用頻率分配，在波束規(guī)劃周期內(nèi)，星上DU 則對各波束內(nèi)的用戶進行更細粒度的無線資源分配。此外，為了支持衛(wèi)星波束跳變，還需研究波束信息指示、波束切換和波束恢復機制。波束指示信息包含衛(wèi)星向用戶提供的目標波束工作頻點、帶寬和可用服務(wù)時間，用戶通過對比目標波束索引值和當前波束索引值確定是否觸發(fā)波束切換流程。波束切換與恢復可分兩種情況進行討論，第一種是控制波束與業(yè)務(wù)波束分離的寬窄波束場景，第二種是控制波束與業(yè)務(wù)波束結(jié)合的場景。在寬窄波束場景中進行波束切換時，寬波束負責為用戶提供目標業(yè)務(wù)波束的時頻資源信息，用戶通過檢測目標波束的CSIRS 實現(xiàn)同步。由于用戶與寬控制波束一直維持同步狀態(tài)，當波束切換失敗時，用戶通過寬波束指定的上行傳輸資源反饋失敗事件，隨后網(wǎng)絡(luò)通過寬波束向用戶再次發(fā)送目標業(yè)務(wù)波束時頻資源信息。在控制波束和業(yè)務(wù)波束融合的場景中，用戶通過檢測SSB 實現(xiàn)與目標波束間的下行同步并獲取接入資源信息，當用戶上行接入失敗時，用戶通過上行隨機接入信道向網(wǎng)絡(luò)反饋波束切換失敗事件。網(wǎng)絡(luò)收到隨機接入請求后，再次分配接入資源。

2.7 移動性管理技術(shù)

由于低軌衛(wèi)星高速移動，單顆衛(wèi)星覆蓋地面用戶的時間較短，需要用戶和衛(wèi)星間進行頻繁切換以保證通信連續(xù)性。然而，手機直連低軌衛(wèi)星場景下，大量用戶并發(fā)切換易導致切換成功率低、傳輸中斷時間長以及信令開銷大等問題。針對海量用戶并發(fā)切換，在切換開始前，可基于用戶業(yè)務(wù)模式、傳輸速率需求及衛(wèi)星負載限制對用戶進行群組分類，減少切換過程中的重復信令傳遞，有效降低切換開銷和平均切換時延，提升切換成功率。此外，傳統(tǒng)星間切換方案主要從單一判決指標出發(fā)，為實現(xiàn)零傳輸中斷的星間切換，需研究基于多屬性判決的星間無縫切換技術(shù)[29-30]。核心思想為基于衛(wèi)星仰角、數(shù)據(jù)隊列延遲、空閑信道資源和發(fā)射功率等多指標提出多屬性融合算法，進行切換鏈路預(yù)判決同時進行資源預(yù)留，并在切換過程中執(zhí)行基于用戶雙激活協(xié)議棧（DAPS,Dual Active Protocol Stack）的軟切換。位置管理方面，終端與衛(wèi)星波束小區(qū)的雙重移動性顯著增加了位置管理開銷，同時衛(wèi)星廣覆蓋與長距離星地鏈路將帶來極大的尋呼成本與信令傳輸延遲。為實現(xiàn)低開銷位置管理，可以基于地面移動通信網(wǎng)絡(luò)中的位置管理體制，設(shè)計地面固定的多層位置區(qū)和通用信令結(jié)構(gòu)，構(gòu)建時空融合以及用戶移動和業(yè)務(wù)特征感知的位置管理方案。

3 未來展望與技術(shù)挑戰(zhàn)

為增強手機直連下的天基網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)能力，未來還需開展通導一體化、星載邊緣計算、終端直通通信、時分雙工通信等技術(shù)研究。

3.1 通導一體化

低軌衛(wèi)星系統(tǒng)具有信號損耗小、多重覆蓋等優(yōu)勢，將通信與定位導航功能整合，可以提供更加豐富的信息服務(wù)。傳統(tǒng)低軌導航方案中，受限于低軌衛(wèi)星體積、功耗、成本等因素，低軌衛(wèi)星普遍采用高穩(wěn)晶體振蕩器作為時頻基準構(gòu)建的基礎(chǔ)，但隨著光學和微機電系統(tǒng)的進步，低功率、小體積的原子鐘，如芯片級原子鐘，能夠為低軌衛(wèi)星提供高精度時間基準。另一方面，傳統(tǒng)地面測控系統(tǒng)測距、測速、測角技術(shù)與衛(wèi)星激光鏈測距、航天器自主測控等新技術(shù)能實現(xiàn)衛(wèi)星精確定軌，從而構(gòu)建高精度空間基準。在高精度時空基準基礎(chǔ)上，低軌衛(wèi)星可獨立產(chǎn)生測距信號，通過調(diào)制方式、電文、測距碼、擴頻碼等通導一體化信號體制設(shè)計實現(xiàn)通導應(yīng)用中對頻譜資源的高效利用[31]，此外，利用波束調(diào)度與賦形技術(shù)，還能夠充分發(fā)揮低軌衛(wèi)星星座在幾何精度因子（GDOP,Geometric Dilution of Precision）方面的優(yōu)勢，提升終端的導航信號接收信噪比與定位算法解算速度，滿足精度高、時效性強的定位需求[32]。

3.2 星載邊緣計算

星載邊緣計算是指利用星上部署的計算和存儲等資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在軌處理等功能。隨著航天電子技術(shù)的飛速發(fā)展，星上處理能力近年來得到了顯著增強。早期星上處理器一般采用單雙核架構(gòu)，計算能力弱，如基于X86架構(gòu)的80386ex 處理器芯片的主頻為33 MHz，算力只有11 DMIPS。目前，星載處理器主要為基于ARM 框架的多核處理器，算力顯著提升，如基于ARM 框架的HPSC主頻為800 MHz、計算能力為15 000 DMIPS[34]。未來，星上處理器將朝著眾核、智能以及低成本方向持續(xù)發(fā)展，將為星載邊緣計算提供有力支撐，最終大大降低業(yè)務(wù)時延，在遙感數(shù)據(jù)在軌處理、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、小數(shù)據(jù)內(nèi)容分發(fā)方面應(yīng)用前景廣闊。

3.3 基于天基的終端直通通信

在戰(zhàn)術(shù)分隊、特殊任務(wù)執(zhí)行等應(yīng)用場景下，存在用戶間通過衛(wèi)星直接通信的低時延、保密通信需求。為實現(xiàn)終端直通通信，可對接入?yún)f(xié)議棧的用戶面進行增強設(shè)計，包括拓展衛(wèi)星載荷協(xié)議棧使其具備全部基站功能，或?qū)⒂脩裘婀δ芟鲁?，衛(wèi)星載荷僅充當數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓艿?。若采用拓展衛(wèi)星載荷協(xié)議棧的方案，衛(wèi)星載荷需實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)收發(fā)、調(diào)制解調(diào)、分段重組、加解密等功能，對載荷處理能力提出嚴峻挑戰(zhàn)。同時，當端到端通信帶寬較大或用戶數(shù)目較多時，該方案將使衛(wèi)星功耗顯著增加。在用戶面功能下沉方案中，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的加解密、壓縮解壓縮、業(yè)務(wù)分流等功能直接由終端實現(xiàn)，衛(wèi)星處理載荷不再負責相關(guān)的協(xié)議處理。同時，為保證分組數(shù)據(jù)單元與承載的正確對應(yīng)，服務(wù)終端用戶的兩顆衛(wèi)星間需建立拓展的Xn-U 接口。

3.4 時分雙工通信

在手機直連低軌衛(wèi)星場景中引入時分雙工通信體制，可以應(yīng)對上下行流量非對稱帶來的資源浪費問題[35]。通過對幀結(jié)構(gòu)中的上下行時隙進行靈活配置，可以實現(xiàn)有限頻譜資源與上下行業(yè)務(wù)需求的有效匹配。此外，由于下行和上行傳輸分配在相同頻帶，TDD 制式在CSI 獲取方面具有天然優(yōu)勢，可有效支撐星載大規(guī)模相控陣的運用。同時，收發(fā)同頻也有利于通過雙工器或開關(guān)電路簡化天線設(shè)計，降低手機硬件成本。然而，由于星地鏈路傳播時延較大，該技術(shù)在手機直連衛(wèi)星場景中需解決上下行保護時間間隔過大導致的資源浪費問題。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了手機直連低軌衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括基于衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)與可再生處理的架構(gòu)等。之后介紹了面向手機直連的低軌衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)，包括時頻同步、鏈路預(yù)測、物理層波形、星載大型天線、隨機接入、波束管理、移動性管理等。最后，對手機直連衛(wèi)星下的通導一體化、星載邊緣計算、終端直通通信、時分雙工技術(shù)進行了深入探討，給出了啟發(fā)性思路。