LEO大型星座中的5 G技術集成

作者 /Alessandro Guidotti，Alessandro Vanelli-Coralli，Oltjon Kodheli，Giulio Colavolpe，Tommaso Foggi翻譯/郭 威

（1.意大利博洛尼亞大學電學、電子學和信息工程學系，博洛尼亞（Bologna）；2.意大利帕爾馬大學信息工程學系，帕爾馬；3.德國諾達衛星通信系統（北京）有限公司，北京 100016）

1 引言

由于衛星通信（SatCom）系統具有天然的大范圍覆蓋優勢，所以不僅是在農村地區和有緊急事件發生的情況下，而且在人口密集的業務超載地區，都能夠為地面網絡的補充和延伸提供寶貴的和經濟高效的解決方案。在這種情況下，把LTE（長期演進）與擁有成百上千顆衛星的LEO大型星座系統相互集成，便越來越引起人們的關注（參考文獻[1]-[9]），并已于若干近期的商用嘗試中進行了演示。此外，3GPP無線接入網絡（RAN）的活動也正在進入關鍵階段，針對5G系統的第一部物理層（PHY）標準幾近完成，這就為明確地制定一個完善的“衛星-地面總體架構”提供了一個獨特的機會。尤其如參考文獻[8]-[9]中所述，3GPP已經開始了有關非地面網絡的活動，這在RAN（無線接入網）的活動中是一個新的研究項目。

本文首先介紹了一個把5G技術及進程與一個LEO大型星座衛星通信系統相集成的候選架構，然后對大多普勒頻移和長傳輸時延等典型的衛星信道缺點及其危害進行若干描述，最后集中討論具有嚴格定時要求特征的波形和PHY/MAC層進程，以及相關的技術挑戰。

2 系統架構和問題陳述

在這里，我們考慮的是一個LEO大型星座系統為若干具有衛通能力的地面網絡設施提供回傳連接。在這一系統中（見圖1），表示為NR（新無線電）的地面5G終端（UE）在每個地面蜂窩中均通過地面的5G鏈路與具有衛通能力的設施相連。LEO大型星座中的衛星均假設為透明式的衛星，而關口站則通過一條理想的饋線鏈路與衛星相連，并提供到5G核心網絡（CN）的接入。需要指出的是，除了透明式衛星，3GPP的RAN（無線接入網絡）會務也在討論再生式衛星（譯注3）的使用（參考文獻[8]）。不過，除非特別聲明，后文均僅指透明式衛星。最后，鑒于時分雙工（TDD）因時延長而不可用，所以本文中的幀結構均假設為頻分雙工（FDD）。

我們假設具有衛通能力的網絡設施叫作RN（中繼節點），即低功率基站（通過衛星）被連接到某一DgNB（Donor gNB），其中gNB為LTE eNB的5G演進。

在這一架構中涉及到了Sat-gRN接口。盡管RN在LTE中已有定義（參考文獻[10]），但在未來的5G架構中卻還沒有。不過現已商定，在未來的版本中還會有RN（參考文獻[11]）。所以在后面的討論中，我們就把5G中的RN假設為gRN，遵從LTE標準中的相同原理。在這種特定的情況下，gRN和LEO衛星之間的空中接口，與傳統的NR和gNB之間的接口，被認為是一致的。gRN在第三層（L3）上對無線電協議進行處理。據此觀察：在NR看來，gRN就是個gNB；而在對應的DgNB看來，gRN就是個NR。

圖1 Sat-gRN系統架構

在我們所討論的系統架構中，假設DgNB被設置在系統關口站，并與5G的核心網絡（CN）互通。需要強調的是，每個gRN都創建了一個標準的地面的5G蜂窩，供NR均過標準的NR空中接口連接進來，即地面接入鏈路在我們所討論的系統中無需進行任何修改。如此一來，對于長傳輸時延和大多普勒頻移所造成的影響，將主要針對gRN-Sat空口進行研究。

2.1 傳輸時延

在參考文獻[8]中討論了一種只部署了一顆衛星的非地面網絡場景。為了計算gRN-Sat-GW單向鏈路的傳輸時延，我們假設采用類似的場景，并考慮LEO衛星的海拔高度為h=1500km。當仰角為90°時，LEO衛星和gRN之間的距離最短，而最長的距離則還需視仰角而定。我們特意假設了gRN-Sat仰角θgRN=10°和GW-Sat仰角θGW=5°時的場景。在這種最差情況的場景中得出的單向傳輸時延為（參考文獻[8]）：

而雙向傳輸時延則為此值的兩倍：

從后面的討論中可以看到，這一數值顯著大于4G和5G的PHY/MAC進程所允許的最大定時要求，因而必須對其影響進行適當的評估，以便了解是否還能采用同樣的5G技術和算法，或者是否需要在這種場景下適當地進行一些修改。

這里特別有一點是毋庸置疑的，那就是相對于在公式（1）和（2）中所顯示的衛星鏈路上的長傳輸時延，處理時延是可以不必考慮的。因為我們可以假設處理時延等同于LTE網絡中的處理時延，而其典型值只有1～2ms，所以可以忽略不計。

這里必須強調的是，這里計算是最差情況下的場景，即UE和GW的仰角都非常低（參考文獻[8]）。

而當我們部署一個LEO大型星座時，由于可用的衛星的數量非常巨大，提供服務的衛星不大可能是那顆幾乎位于地平線上的衛星。正如在參考文獻[1]和[2]中所討論的那樣，提供服務的衛星與gRN之間的最低仰角大概在45°左右。所以在任何情況下，本文中所報告的分析都總是適用的，提供的都是場景為最差情況時的結果。

2.2 多普勒

在5G的需求中，當頻率低于6GHz時，目標用戶的移動速度被設定在500km/h。在能夠保證NR所預定的QoS的條件下，相對于提供服務的gNR，這一速度也被定義為最高的NR速度。如果考慮載波頻率為4GHz，則很容易得出最大的多普勒頻移是1.9kHz。

而當我們考慮gRN-Sat 鏈路時，多普勒頻移完全是由衛星在其軌道上的運動造成的。尤其當我們假設h=1500km，下行和上行頻率分別為20GHz和30GHz的一個Ka頻段系統時，可以得出vsat=7.1171km/s，而最大的多普勒頻移范圍則在400kHz＜fd＜600kHz之間（參考文獻[8]）。

從中能夠注意到，這些數值遠遠高于在地面5G鏈路中可以預見的最大的多普勒頻移，所以就有可能顯著影響NR的波形。

3 技術挑戰和解決方案

3.1 波形

3GPP已經約定，至少針對增強型移動寬帶（eMBB）業務，以及超可靠和低時延通信（uRLLC）業務，通過借助于一種靈活可擴的數字學原理，在上行鏈路和下行鏈路的傳輸上會依靠CPOFDM技術。但應該指出的是，在上行鏈路中仍可使用傳統的LTE SC-FDMA波形。在3GPP技術規范的報告中，子載波間隔（SCS）被定義為LTE傳統間隔的整數倍，即SCS=15?2nkHz，其中n為非負的整數。

通過在前面對我們所考慮的場景及其計算可以看出，gRN要經受的多普勒頻移明顯高于預知的NR波形的子載波間隔（SCS），所以需要采取一些適當的措施。

圖2 gNR位置估算

首先，在gRN中可以配備GNSS接收機以對衛星的位置進行估算，這樣多普勒頻移就可以在系統關口站預先得到補償。由于在關口站上，這樣的信息以及衛星的軌道信息均可獲得，所以對多普勒頻移就能夠預先在很大的程度上進行補償。從圖2中可以看出，gRN和衛星之間的距離|d（t）|和仰角θ（t），都是能夠通過簡單的幾何分析計算得出的（參考文獻[1]-[2]）。

如果gRN對衛星位置的估算產生了偏差，從而導致錯誤的仰角θ（t）和錯誤的衛星距離|de（t）|時，就會出現多普勒頻移殘余，其數值應被限制在NR的子載波間隔（SCS）所能應付得了的最大的多普勒頻移之內，這在SCS=480kHz時大約為30.4kHz。在圖2的基礎上，通過幾何分析，多普勒頻移殘余可以被計算為估算誤差和衛星仰角的函數。借助參考文獻[1]-[2]中所建議的方法，可以得到如圖3中所示的不同仰角下的多普勒頻移。必須指出的是，最大的多普勒頻移殘余出現在90°時的仰角，而在仰角最低的時候，多普勒頻移殘余則可以忽略不計。

圖3 作為仰角和位置估算誤差的函數的多普勒頻移殘余，20GHz下行鏈路（左）和30GHz上行鏈路（右）

至于在PHY/MAC層面的進程，3GPP的活動仍在進行當中。雖然一些詳細的參數描述還有待完成，但這些進程的主要特征均已得到了定義。為了分析長RTT和大多普勒頻移對這些進程的影響，在NR參數尚未定義的情況下，將考慮采用來自于LTE標準中的數據。

3.2 隨機訪問

3GPP對NR的RA進程進行了定義，該進程與LTE中的進程是相似的，即要么基于競爭方式，要么基于無競爭方式。至于采取何種方式，則需根據當前操作是正在進行簡單交接，還是正在首次接入5G網絡。鑒于無競爭方式與基于競爭方式的前兩個步驟相對應，所以這里集中討論基于競爭方式的進程。

可以注意到這里有兩個不同的定時器（參考文獻[1]-[2]，[12]）：在步驟二中的隨機訪問響應（RAR）時間窗口，最大可設置到15ms；以及步驟四中的競爭分辨定時器，最大可設置到64ms。前文中曾對雙向傳輸時延Tprop-2way進行計算，并得出其最大值在所我們考慮的系統里等于51ms。競爭分辨定時器大于此值，所以不存在問題；但RAR時間窗口卻是低于所期望的通信時延的。

一方面，一種可能的解決方案就是把RAR定時器增大，使其最大值大于51ms的時延。另一方面，RA進程其實僅出現在gRN啟動期，即僅于gRN著入過程的第一階段才在gRN-Sat的空口上起作用。

一旦gRN被連接到了DgNB，就成為了一個固定的網元，也就不再需要RA進程了。由于衛星軌道和gRN的位置通過觀察都是可知的，因而可以部署一個自組網（Ad Hoc Network），通過在gRN啟動期執行自組網調度程序來克服這一技術障礙。

3.3 HARQ（譯注4）

根據3GPP的預測，5G系統中的HARQ協議將基于LTE停等式（SAW）的并行HARQ處理。并行HARQ處理的最小數量的定義是HARQ處理時間（THARQ）與傳輸時間間隔（TTI）的比值，即THARQ/TTI，其中THARQ為“ACK時間窗口+傳輸時延”。經協商，NR應該支持多HARQ配置以增強系統的靈活性，而在LTE中卻只允許有一個配置，且該配置僅容許8個并行HARQ處理。

在前文中我們所考慮的場景中，影響THARQ最關鍵的參數是51ms傳輸時延。如果假設在LTE中，TTI為1ms，ACK接收時間窗口為8ms，我們能夠得出并行HARQ處理的最小數量為NHARG=（51+8）/1=59。

如此大量的并行處理，一方面會影響NR軟緩存的大小，因為軟緩存的大小是正比于“NHARQ?TTI”的；另一方面還會影響下行鏈路控制信息（DCI）域的比特寬度（在LTE中因為并行HARQ處理的數量為8，所以DCI域僅有3個比特）。

為了解決上述問題，可以設想有如下幾種方案：一是增大緩存的容量，以支持數量巨大的HARQ處理。二是通過使用2比特ACK應答（參考文獻[13]），保持對緩存容量進行控制，增加HARQ處理的數量以通知發送端“收到的包和原始發出的包有多接近”。這樣，由于發送端能夠根據反饋信息增加冗余比特，所以重傳的數量就會減少。三是減少HARQ處理的數量并減小緩存的容量，當然這樣也就會降低系統的吞吐量；不采用HARQ協議，針對碰撞、不可解碼分組等有關問題，尋找其他解決方案。

4 結束語

本文在最新的3GPP技術規范的基礎上，介紹了一種5G技術和LEO大型星座相集成的可能架構，重點研究了與5G波形和PHY/MAC進程有關的主要技術挑戰。多普勒頻移對于波形的影響可以通過精確的GNSS接收機予以補償，當然也可以考慮加大NR可用的子載波間隔。長傳輸時延對RA進程的影響，則既可以通過部署自組網，在gRN啟動期予以限制，也可以通過增大RAR定時器予以限制。文中最后推導出在前文中所考慮的場景里，至少需要進行59個HARQ并行處理，這會明顯增加NR的緩存容量和DCI域的負擔。而有一些解決方案則可以用來保持HARQ處理的數量和緩存容量，使其處于控制之中。

需要指出的是，本文考慮的是透明式衛星，如果衛星是再生式的（譯注3），則需要進行不同的分析。尤其在再生式衛星的情況下，雙向傳輸時延只包括gRN-Sat鏈路，因而我們可以得出其時延值為Tprop-2way=24.32ms（參考文獻[8]），是透明式衛星情況的一半。

譯注：

1.本文作于數月以前。由于地面4G和5G網絡技術在不斷發展，有些領域在這期間已經出現了的新突破。盡管如此，考慮到衛星通信部分的發展相對滯后，所以針對空間段衛星通信鏈路部分的討論仍然是適用的，并十分值得借鑒的。

2.PHY/MAC：物理層和媒體訪問控制層。

3.再生式衛星：指具有一定星上處理功能，如分組交換、IP路由、網狀網等功能的衛星及網絡。

4.HARQ：混合自動重傳請求。