衛星通信與地面5G融合技術初探（三）

+ 汪春霆 盧寧寧 翟立君 李寧

6 衛星5G融合的關鍵技術

為了實現衛星通信與地面5G移動通信的有效融合，應對由于衛星高動態、大空間尺度、衛星功率及載荷受限等一系列挑戰，需要在傳輸、頻率管理及組網方面突破一系列關鍵技術。

6.1 大多普勒頻移下的多載波傳輸技術

在3GPP對于NTN的設想中，建議星地采用相似的多載波傳輸技術，而大多普勒頻移是制約5G傳輸體制在衛星系統中應用的主要因素，尤其是在非靜止軌道的衛星移動通信系統中，由于衛星運動引起的多普勒頻移與衛星軌道高度、軌道類型、地球站緯度和在衛星覆蓋區的位置具有一定的關系。當地球站看到衛星從地平面升起或消失時有最大的多普勒頻移；當衛星移動到仰角90度位置時，多普勒頻移為零，但變化率達到最大。

5G系統的基本傳輸體制仍為OFDM，OFDM和DFT-S-OFDM系統對頻率偏移均非常敏感，很小的頻率偏移都可能破壞子載波間的正交性，從而產生載波間干擾（ICI）并造成系統性能的嚴重下降[1]。一般來說，采用了頻率同步算法后，要求歸一化殘余頻偏不超過子載波帶寬的5%。

由于歸一化殘余頻偏的大小是相對于子載波的帶寬而言，采用可變子載波帶寬的設計方案可有效抵抗殘余頻偏對系統性能的影響。對于L頻段來說，由于可用頻帶較窄，且需要支持碼率低至2.4Kbps的話音業務，應采用15KHz或者更窄的子載波設計。其次，L頻段要求較小的可用仰角（例如銥星系統設計最小仰角低至10°），在L頻段的形成的最大多普勒遠大于15KHz，因此只利用常見的載波同步算法不能解決這種場景下的多普勒問題。在Ka頻段，由于用戶往往是寬帶上網，可以采用較大的子載波寬度，且最小仰角較大（OneWeb系統要求為55°），有利于對抗多普勒效應。如果設計超過2.4MHz的子載波，則30GHz載頻、800Km軌道衛星運動造成的多普勒可以小于載頻的5%。5G目前設計的最大子載波寬度僅為480KHz，更大的子載波配置對信道、編碼的適配提出了新的要求。

采用星歷進行預先補償是另一個可行辦法。衛星星歷是一組描述衛星運動軌道某一時刻的軌道根數及其變化率的參數集。根據衛星星歷可以計算出任一時刻的衛星位置及其速度，星歷可以利用廣播控制信道BCCH發送到終端，終端可以利用該信息進行預先補償。但是低軌道衛星的也存在軌道位置保持問題，其一般可控制在1°以內。系統設計中必須利用上述多種方案來綜合解決該問題。

6.2 面向衛星物聯網的短突發傳輸技術

物聯網是5G系統的典型應用場景之一，在基于衛星通信的物聯網系統中，系統帶寬需求和限制應比地面IoT接入系統帶寬更窄，以4G衍生的NB-IoT標準模式為參考，其基本帶寬為200KHz，與5G剛剛確定的NR標準規范[2]的最小帶寬顆粒度一致（即12個子載波）；而時域上5G的NR標準也維持了0.5ms/1ms的時隙RBE資源顆粒度范圍。但從衛星接入來看，由于受限功率約束，極長的傳輸時延特征更為明顯，因此可以進行適配衛星的適應性改造，主要方向包括：降低頻域RBE顆粒度，將其空中接口最小資源顆粒度降低為大約60KHz（4個子載波）或者更小，形成更窄帶的廣域接入；構建靈活的、可配置、可拉伸的短突發信號波形，使得在長時延衛星信道下提高接入、捕獲成功概率。同時，為對抗衛星傳輸的遠距離空間傳播損耗和星上載荷功放能力限制，衛星物聯網還必須在短突發包長基礎上實現相對地面更低信噪比的接收處理能力。文獻[3][4]研究了基于LDPC碼的極低信噪比接收問題。最后，衛星通信系統作為典型的功率受限系統，尤其通信鏈路性能因空間段功放能力受限而經常被非線性因素嚴重影響，從而導致通信鏈路處于典型的非高斯，甚至非平穩噪聲/干擾傳播環境中。如何對非高斯噪聲進行有效學習和估計，良好適配衛星功放非線性約束下傳輸鏈路的高質量接收實現也是需要解決的問題。

6.3 面向長延時的HARQ優化技術

如前文所述，衛星通信RTT長度通常超過了HARQ最大定時器長度，如何在衛星系統中將其與功率控制、FEC以及交織方案相結合是研究的一個熱點問題[5][6]。

衛星移動通信質量依賴于直射信號(Line Of Sight, LOS)存在。根據LOS信號的有無，可以將移動信道建立為包含“Good”和“Bad”兩個狀態Markov模型。由于衛星信道固有的長延時，因此不論是功率控制技術還是自適應編碼傳輸技術都無法快速、準確跟蹤遮擋帶來的信道狀態的變化，處于“Bad”狀態下的鏈路上不可避免地將產生了突發誤碼。文獻[6]研究了如何利用HARQ和交織技術解決突發誤碼條件下的TCP協議傳輸問題，結果表明長延時條件下如果僅單純采用交織和FEC編碼技術，則必須配置足夠長的交織深度以及較低的編碼碼率。反之，如果能夠結合HARQ機制進行聯合優化，則仍然可以取得較好的性能。這里可以參考ITU發布的文獻[8]提出的兩狀態Markov 模型對不同頻段條件下的交織深度進行設計。根據該標準，每個狀態的持續時間為對數正分布，該結論覆蓋率20GHz載頻配置。文獻[8]給出了模型的詳細參數，例如每個狀態的平均持續時間。

此外，地面系統中，HARQ需要滿足以下條件：

其中，NHARQ,min是HARQ最小的進程數，TTI是TB的傳輸時間，THARQ是從發送TB到收到ACK/NACK的總時間。因為衛星通信較大的RTT，增加并行HARQ的進程數也是必要的。

6.4 波束（小區）覆蓋及切換技術

衛星利用多波束天線在地面形成蜂窩狀覆蓋，一個波束對應一個小區。波束在地面的覆蓋區有兩種形式：衛星固定覆蓋與地面固定覆蓋，兩種覆蓋對應的切換方式分別為異步切換與同步切換，其特點如表3所示。同步切換由于對星上可變多波束形成能力、覆蓋區規劃要求較高，因此建議系統采用衛星固定波束覆蓋形式。但這將導致終端頻繁地在衛星波束間和衛星間切換，為漫游帶來了挑戰。

一種較為利與實現的方法是利用星歷對衛星軌道進行估計，從而提前預知需要切換的波束或者衛星，從而預分配信道資源來加快切換過程。在低軌道星座通信場景中，如何選擇下一顆衛星需要綜合考慮空間路由和待選衛星的可持續覆蓋時間，采用如“最短路徑優先”、“最長覆蓋時間”等不同的策略[10]。

6.5 星地融合的頻率管理技術

頻率資源是制約衛星與地面5G融合的關鍵性因素，為了緩解頻率資源緊張的問題，可以考慮針對高頻段采用地面5G網絡和衛星網絡的頻率復用。在通過合理的頻譜規劃、輔助基站設置，可實現衛星和地面兩種相對獨立的網絡之間頻譜共享，從而顯著提高系統容量。

頻率資源的高效使用需要通過星地協同規劃實現優化配置。例如，在L、S等低頻段，星地可以采用不同載頻，由地面基站服務小區中心用戶，由衛星為小區邊緣用戶提供服務（圖 12 (a)），此方案可以同時提高地面蜂窩網的頻率復用效率；在Ku、Ka等高頻段，由于天線波束角較窄，可以利用波束的自然空間分割降低系統間干擾（圖 12(b)）。

除了頻率復用技術以外，采用協同頻譜感知技術可以有效地實現頻譜共享，讓多個用戶利用同一頻段進行通信，提高頻段的用戶容量，提高頻譜利用效率。與地面無線通信網絡相比，衛星通信覆蓋范圍的廣域性使得認知用戶對所處網絡環境中所有頻譜進行檢測的難度大大增加，頻譜數據庫的快速更新、認知區域描述、精確的頻譜感知與波束形成都是這一技術的研究重點。

6.6 面向衛星5G融合的核心網技術

為了實現與地面5G的高效、可靠的融合，將衛星核心網的控制功能和轉發功能實現分離，轉發功能進一步簡化下沉，將業務存儲和計算能力從網絡中心下移到網絡邊緣，以支持高流量的傳輸要求和靈活均衡的流量負載調度。借助虛擬化、SDN/NFV、高性能存儲和信息處理等技術，實現天地融合網絡的業務控制、資源分配、用戶管理和安全管控，從而支持大容量、高速率和高可靠的各種業務，高效滿足各類業務的多種差異化需求。

圖12 星地頻率協同規劃

圖13 衛星與地面5G融合的核心網網絡架構

衛星通信系統核心網采用與地面5G核心網相同的架構，整個核心網分為控制平面和用戶平面，位于控制平面內的網絡功能通過基于服務的接口提供服務功能，其他的網絡功能可以重用某一網絡功能的服務功能。網絡功能可以為不同的用戶提供不同的服務功能，網絡功能提供的服務是相互獨立的，可重用的。

在3GPP提供基本服務功能的9個網絡功能（NF）之外，為了支持與地面的融合，在5G衛星核心網的用戶平面上，需要增加的兩個網絡功能包括[10]（圖13）：

1）非3GPP互聯功能(N3IWF)：支持和UE之間的IP安全加密鏈路的建立，轉發UE和AMF之間的上下行控制平面的NAS信號，轉發UE和UPF之間的上下行的用戶平面的包，執行QoS相對應的N3的分組標記，非3GPP接入網中本地移動錨的功能；

2）用戶平面功能（UPF）：支持分組路由和轉發，包檢查，策略規則執行，用戶平面的OoS處理，下行鏈路包緩沖和下行數據通知觸發的功能。

衛星接入網與核心網之間接口實現各類業務承載的建立、保持、修改和刪除等功能，是實現用戶和網絡系統之間的業務連接的接口，對于管道類業務和移動通信類業務兩種不同的業務，其核心網接口設計也有所差別。

1） 基于管道類業務。在此網絡架構中，衛星通過Y1接口直接與用戶相連，衛星只具有中繼轉發的功能。衛星通過Y2接口接入核心網中用戶平面的非3GPP互聯功能(N3IWF)，再通過N3IWF與核心網中的其他功能模塊連接，以實現5G衛星通信所提供的服務。

2）移動通信類業務。在此架構中，衛星通過地面的中繼站與用戶相連，地面中繼站通過Y1口連接用戶；在核心網一側通過Y2接口接入N3IWF，再與核心網中的其他功能模塊連接。SATNET

（全文完）