+王愛(ài)玲（中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院）潘成康（中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院）

1.引言

5G雖已開(kāi)始全球商用，但因地理?xiàng)l件與商業(yè)模式的限制，其無(wú)法保障遠(yuǎn)洋與陸地邊遠(yuǎn)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。為突破地形限制，將衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)絡(luò)融合構(gòu)成全球無(wú)縫覆蓋的海陸空天地一體化立體網(wǎng)絡(luò)，成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)。衛(wèi)星通信研究已有漫長(zhǎng)歷史，如摩托羅拉的“銥星計(jì)劃”以及SpaceX發(fā)布4.2萬(wàn)顆低地球軌道衛(wèi)星（Low Earth Orbiting,LEO）的“星鏈計(jì)劃”等。

3GPP和ITU等國(guó)際組織成立了相應(yīng)的工作組進(jìn)行星地融合的標(biāo)準(zhǔn)化研究，國(guó)內(nèi)的CCSA也于2019年成立了航天通信技術(shù)工作委員會(huì)（TC12）開(kāi)展星地一體化的研究工作。其中3GPP立項(xiàng)的非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-terrestrial networks,NTN）致力于將衛(wèi)星通信與5G融合，解決新空口（New Radio,NR）支持NTN的關(guān)鍵問(wèn)題。相比ETSI推出的相對(duì)成熟的DVB S2/S2X衛(wèi)星協(xié)議，衛(wèi)星通信技術(shù)是首次在3GPP進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，其標(biāo)準(zhǔn)化工作將為6G星地融合研究奠定技術(shù)基礎(chǔ)。而未來(lái)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)主要關(guān)注深度融合，將多元的通信平臺(tái)結(jié)合起來(lái)，提供更加廣闊和多樣化的通信服務(wù)。

本文將介紹3GPP NR支持NTN的物理層關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展，并探討分析面向6G星地融合的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。

2.3GPP NTN標(biāo)準(zhǔn)化概述

3GPP RAN工作組在R15對(duì)“支持非地面網(wǎng)絡(luò)的新空口”進(jìn)行了研究項(xiàng)目（Study Item,SI）立項(xiàng)，并發(fā)布研究報(bào)告TR 38.811，該報(bào)告定義了包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的NTN部署場(chǎng)景及信道模型[1]。根據(jù)TR 38.811結(jié)論，R16的“NR支持非地面網(wǎng)絡(luò)的解決方案”SI仿真評(píng)估了不同部署場(chǎng)景的性能以及NR適應(yīng)性分析。2019年12月，R16 SI結(jié)項(xiàng)并發(fā)布TR 38.821[2]。

圖1 3GPP NTN標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程路線(xiàn)圖

2019年12月3GPP RAN 86次會(huì)議召開(kāi)，圍繞“網(wǎng)絡(luò)智慧化、能力精細(xì)化、業(yè)務(wù)外延化”對(duì)5G+演進(jìn)進(jìn)行了R17標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)，其中包括面向能力拓展的非地面網(wǎng)絡(luò)通信，即將R16 SI轉(zhuǎn)為工作項(xiàng)目（Work Item,WI），重點(diǎn)研究NR NTN增強(qiáng)方案[3]。R17還進(jìn)行了“NTN上的NB-IoT/eMTC”SI立項(xiàng)[4]。圖1為3GPP NTN標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程路線(xiàn)圖。

3.NTN物理層關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時(shí)序關(guān)系

NTN中較大的雙向傳輸時(shí)延（Round Trip Time,RTT）將導(dǎo)致用戶(hù)間上下行幀時(shí)序存在較大偏移，需要增強(qiáng)NR中的物理層時(shí)序關(guān)系。

PDSCH接收時(shí)序從下行時(shí)序角度定義，與上下行交互無(wú)關(guān)，不受上下行幀時(shí)序大偏移的影響，故在NTN中無(wú)需增強(qiáng)。但對(duì)于通過(guò)DCI調(diào)度PUSCH傳輸、通過(guò)RAR grant調(diào)度PUSCH傳輸、在PUCCH上傳輸HARQ、MAC CE響應(yīng)、CSI RS、非周期SRS傳輸?shù)扰c上下行交互有關(guān)的時(shí)序關(guān)系，需引入Koffset參數(shù)做時(shí)序增強(qiáng)。Koffset取值可以小區(qū)或波束為單位配置，其具體取值在WI確定。WI還需討論Koffset是通過(guò)廣播還是高層參數(shù)配置方式通知給UE，以及擴(kuò)展K1/K2取值范圍的可能性等。

3.2 上行定時(shí)提前與RACH增強(qiáng)

（1）定時(shí)提前

定時(shí)提前（Time Advance,TA）用來(lái)指示UE根據(jù)指令提前相應(yīng)時(shí)間發(fā)送上行數(shù)據(jù)，確保接收側(cè)的時(shí)間同步。但NR的TA機(jī)制不能滿(mǎn)足NTN幾百甚至幾千km的傳輸距離要求。R16考慮將TA設(shè)計(jì)為公共TA和UE專(zhuān)用TA的組合形式，并討論了兩種TA補(bǔ)償方式。

第一種是根據(jù)用戶(hù)位置和星歷信息自動(dòng)獲取TA值。UE計(jì)算并補(bǔ)償全部TA，網(wǎng)絡(luò)側(cè)無(wú)需上下行幀對(duì)齊，全部TA包括用戶(hù)鏈路影響；或UE計(jì)算并補(bǔ)償U(kuò)E專(zhuān)用TA，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)上下行幀之間存在公共TA偏移，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)側(cè)需增加額外的復(fù)雜度來(lái)管理上下行調(diào)度時(shí)序。

第二種是基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)指示TA調(diào)整。網(wǎng)絡(luò)側(cè)獲取公共TA并廣播給UE，公共TA的計(jì)算考慮每波束或每小區(qū)選取一個(gè)參考點(diǎn)為基準(zhǔn)；UE專(zhuān)用TA調(diào)整可復(fù)用R15閉環(huán)TA指示方式，且考慮擴(kuò)展RAR TA指示范圍以及TA可取負(fù)值等。

上述兩種方式仍有一些優(yōu)化工作需在R17完成。

黨的十三屆四中全會(huì)以來(lái)，以江澤民為核心的黨的第三代中央領(lǐng)導(dǎo)集體對(duì)廉政建設(shè)繼續(xù)進(jìn)行探索，把廉政建設(shè)繼續(xù)推向前進(jìn)。

（2）RACH增強(qiáng)

R17根據(jù)UE是否具有定位能力來(lái)確定是否增強(qiáng)RACH。若UE可精確獲取用戶(hù)位置信息并進(jìn)行時(shí)頻偏預(yù)補(bǔ)償，則可復(fù)用R15 PRACH和報(bào)文序列；若UE不能進(jìn)行時(shí)頻偏預(yù)補(bǔ)償或無(wú)定位能力，則需要增強(qiáng)設(shè)計(jì)PRACH和報(bào)文序列。此外NTN也可考慮采用R16中的兩步接入來(lái)簡(jiǎn)化初始接入流程。

3.3 頻偏補(bǔ)償

衛(wèi)星移動(dòng)性導(dǎo)致的大多普勒頻移將嚴(yán)重影響幀同步、隨機(jī)接入等流程，NTN中需考慮多普勒頻偏估計(jì)與補(bǔ)償。

對(duì)于下行頻率補(bǔ)償，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行波束專(zhuān)用的公共頻偏預(yù)補(bǔ)償，復(fù)用R15 SSB設(shè)計(jì)就能提供穩(wěn)健性能。對(duì)于上行頻率補(bǔ)償，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行波束專(zhuān)用的公共頻偏后補(bǔ)償。UE利用下行RS、UE位置信息及星歷信息做頻偏估計(jì)，并在UE側(cè)完成上行UE專(zhuān)用頻偏補(bǔ)償；或網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過(guò)上行RS做頻偏估計(jì)，并指示UE做上行頻偏預(yù)補(bǔ)償。具體的信令設(shè)計(jì)在R17完成。

3.4 可容忍時(shí)延重傳機(jī)制

混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（Hybrid Automatic Repeat reQuest,HARQ）機(jī)制可保證信息完整性，降低誤碼率，提高傳輸可靠性。但NTN中RTT較大，所需最小HARQ進(jìn)程數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于NR支持的16個(gè)。R16中為降低重傳時(shí)延影響，支持HARQ可配及可容忍時(shí)延重傳機(jī)制。

1）HARQ關(guān)閉機(jī)制

網(wǎng)絡(luò)側(cè)可準(zhǔn)靜態(tài)配置HARQ開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)HARQ功能關(guān)閉時(shí)，下行數(shù)據(jù)傳輸無(wú)上行反饋。為了保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性，針對(duì)不同用戶(hù)或業(yè)務(wù)可配置不同重傳次數(shù)或連續(xù)時(shí)隙聚合數(shù)。R17研究是否支持動(dòng)態(tài)HARQ關(guān)閉及HARQ關(guān)閉后DCI中與HARQ相關(guān)的域保留與否等問(wèn)題。

另一種解決NTN HARQ進(jìn)程數(shù)需求多的方法是增加HARQ進(jìn)程數(shù)來(lái)匹配更長(zhǎng)的衛(wèi)星雙向傳輸時(shí)延。HARQ進(jìn)程數(shù)量的增加需考慮HARQ反饋、HARQ緩存大小等因素的影響。是否通過(guò)改變DCI中HARQ進(jìn)程數(shù)域的比特長(zhǎng)度來(lái)增加進(jìn)程數(shù)在R17中確定。

3.5 物理層控制流程

星地鏈路大傳輸時(shí)延導(dǎo)致控制回路反應(yīng)慢，對(duì)物理層流程特別是閉環(huán)控制流程性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，包括功率控制和鏈路自適應(yīng)調(diào)制編碼（Adaptive Modulation and Coding,AMC）等。

為減少NTN中大尺度衰落與路徑損耗影響，上行功控是必須的。R16雖然討論了比如功控參數(shù)可波束專(zhuān)用配置、基于預(yù)測(cè)的功控調(diào)整、基于組的功控參數(shù)配置等功控優(yōu)化方案，但未形成收斂結(jié)論。功率調(diào)整仍沿用R15閉環(huán)功控方式，但在NTN中做到準(zhǔn)確及時(shí)調(diào)整具有很大挑戰(zhàn)。

AMC通過(guò)調(diào)整無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)恼{(diào)制方式與編碼速率，來(lái)確保鏈路的傳輸質(zhì)量。為解決信道狀態(tài)信息（Channel State Information,CSI）上報(bào)過(guò)時(shí)問(wèn)題，R16討論了多種優(yōu)化方案但未形成收斂結(jié)論。根據(jù)SI討論結(jié)果，LEO場(chǎng)景可繼續(xù)沿用R15定義的CSI反饋機(jī)制。

4.6G星地融合無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)分析

根據(jù)空間平臺(tái)搭載衛(wèi)星能力的不同，TR 38.811定義了兩種典型傳輸架構(gòu)，一種是透?jìng)饕卜Q(chēng)為彎管轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，即信號(hào)在衛(wèi)星上只進(jìn)行頻率的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的放大等過(guò)程，衛(wèi)星對(duì)于信號(hào)而言是透明的，仿佛不存在一樣；另一種是非透?jìng)饕卜Q(chēng)為再生（星上接入/處理）傳輸，即衛(wèi)星具有部分或全部基站功能[1]。而R17關(guān)于衛(wèi)星通信與5G融合的NTN解決方案，主要考慮彎管轉(zhuǎn)發(fā)模式，其實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度比星上再生模式簡(jiǎn)單，且為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案，假設(shè)所有UE都具有GNSS定位能力[3]。雖然3GPP還在進(jìn)行NTN的標(biāo)準(zhǔn)討論，但因時(shí)間限制，將會(huì)遺留一些有待優(yōu)化的問(wèn)題。而6G星地融合也會(huì)帶來(lái)一些技術(shù)方案需要在6G進(jìn)一步研究與完善。

6G空口技術(shù)需應(yīng)對(duì)滿(mǎn)足6G能力愿景需求，在空口接入能力和立體覆蓋能力上顯著提升。面向6G的星地融合關(guān)注衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)空口設(shè)計(jì)方案融合統(tǒng)一，在空口無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)上也將面臨一些挑戰(zhàn)。

4.1 極簡(jiǎn)接入與同步

從6G空口物理層設(shè)計(jì)方案來(lái)看，星上功率、處理能力受限以及星地鏈路長(zhǎng)延時(shí)、衛(wèi)星移動(dòng)性導(dǎo)致的高多普勒頻移等因素的影響，對(duì)接入和同步設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。面向6G，星地融合應(yīng)用場(chǎng)景將更加廣泛，無(wú)論是否具有GNSS定位能力的用戶(hù)終端都需考慮在研究范圍內(nèi)。為有效降低處理時(shí)延、提高用戶(hù)體驗(yàn)，需進(jìn)一步研究極簡(jiǎn)隨機(jī)接入、定時(shí)提前、時(shí)頻偏估計(jì)與補(bǔ)償方案，以無(wú)定位能力終端接入方案等。

4.2 高效聯(lián)合傳輸機(jī)制

由衛(wèi)星承載地面基站的部分或全部功能將成為技術(shù)研究趨勢(shì)，即需要更加注重對(duì)星上再生模式的研究。星上再生模式下可采用多星形成星座圖來(lái)更好的實(shí)現(xiàn)全球廣域覆蓋，多星模式下的衛(wèi)星可直接通過(guò)星間鏈路相互通信，因此多星協(xié)作或星地協(xié)作下的高效聯(lián)合傳輸方案也是研究重點(diǎn)。此外，與彎管模式相比星上再生模式RTT更大，需研究容忍高時(shí)延的HARQ傳輸機(jī)制，提高星地融合傳輸性能。

4.3 新波形與多址接入

針對(duì)6G星地融合更廣泛的部署場(chǎng)景需求及更高的頻譜效率需求，需研究抗大時(shí)延與頻偏的高魯棒性波形設(shè)計(jì)，并根據(jù)目標(biāo)場(chǎng)景和業(yè)務(wù)的不同，靈活選擇子帶帶寬、子載波間隔、濾波器長(zhǎng)度和循環(huán)前綴等系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一兼容的波形框架設(shè)計(jì)。另外為了支持衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)海量用戶(hù)終端接入，面對(duì)日益突出的頻譜資源受限問(wèn)題及高頻譜效率空口技術(shù)需求，需進(jìn)一步研究多址接入技術(shù)。

4.4 移動(dòng)性與干擾管理

較高的衛(wèi)星移動(dòng)速度使每顆星服務(wù)用戶(hù)的時(shí)長(zhǎng)可能只有幾十秒，將會(huì)導(dǎo)致頻繁的波束切換。6G星地融合中的波束切換可能包括相同衛(wèi)星的星內(nèi)波束切換、不同衛(wèi)星的星間波束切換或多連接情況下不同星地通信系統(tǒng)之間的切換等。因此需要研究6G星地融合統(tǒng)一移動(dòng)性管理方案及切換策略，簡(jiǎn)化切換流程、降低信令開(kāi)銷(xiāo)、提高切換可靠性。此外，面對(duì)有限的頻譜資源，使用頻譜共享技術(shù)可提高頻譜利用率但也將導(dǎo)致不同信道間干擾、不同子載波間隔干擾等；相比于獨(dú)立的通信系統(tǒng)，融合的空天地一體化系統(tǒng)干擾類(lèi)型將更加復(fù)雜多樣。因此可以研究基于區(qū)塊鏈的動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更智能、分布式的動(dòng)態(tài)頻譜共享接入技術(shù)；研究頻譜感知、參考信號(hào)設(shè)計(jì)、信道測(cè)量與反饋機(jī)制以及高效的干擾刪除/抑制機(jī)制等。

5.結(jié)束語(yǔ)

目前，3GPP已完成了5G星地融合兩個(gè)版本的SI標(biāo)準(zhǔn)討論，并發(fā)布了相應(yīng)的技術(shù)報(bào)告?；赟I結(jié)論，本文概述了5G NR支持NTN的物理層關(guān)鍵技術(shù)及其在3GPP中的標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展，并進(jìn)一步分析了面向6G的星地融合無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。星地融合作為6G關(guān)鍵技術(shù)之一，如何實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一空口設(shè)計(jì)與星地間互聯(lián)互通將是未來(lái)的重點(diǎn)研究方向。

從全球研究趨勢(shì)來(lái)看，世界各國(guó)都在不同程度上展開(kāi)了星地融合技術(shù)研究。衛(wèi)星通信雖未大范圍商用，但以“星鏈計(jì)劃”為代表的大規(guī)模昨夜的目的之一也在于優(yōu)先搶占有限的軌道空間資源和頻譜資源。面向未來(lái)，需進(jìn)一步的研究星地融合技術(shù)，未雨綢繆，占得先機(jī)。