星地融合的3GPP標準化進展與6G展望

+王愛玲（中國移動通信有限公司研究院）潘成康（中國移動通信有限公司研究院）

1.引言

5G雖已開始全球商用，但因地理條件與商業(yè)模式的限制，其無法保障遠洋與陸地邊遠地區(qū)網(wǎng)絡覆蓋。為突破地形限制，將衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)絡融合構(gòu)成全球無縫覆蓋的海陸空天地一體化立體網(wǎng)絡，成為當前學術界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點。衛(wèi)星通信研究已有漫長歷史，如摩托羅拉的“銥星計劃”以及SpaceX發(fā)布4.2萬顆低地球軌道衛(wèi)星（Low Earth Orbiting,LEO）的“星鏈計劃”等。

3GPP和ITU等國際組織成立了相應的工作組進行星地融合的標準化研究，國內(nèi)的CCSA也于2019年成立了航天通信技術工作委員會（TC12）開展星地一體化的研究工作。其中3GPP立項的非地面網(wǎng)絡（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的關鍵問題。相比ETSI推出的相對成熟的DVB S2/S2X衛(wèi)星協(xié)議，衛(wèi)星通信技術是首次在3GPP進行標準化，其標準化工作將為6G星地融合研究奠定技術基礎。而未來空天地一體化網(wǎng)絡主要關注深度融合，將多元的通信平臺結(jié)合起來，提供更加廣闊和多樣化的通信服務。

本文將介紹3GPP NR支持NTN的物理層關鍵技術及標準化研究進展，并探討分析面向6G星地融合的無線傳輸技術。

2.3GPP NTN標準化概述

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

圖1 3GPP NTN標準化進程路線圖

2019年12月3GPP RAN 86次會議召開，圍繞“網(wǎng)絡智慧化、能力精細化、業(yè)務外延化”對5G+演進進行了R17標準立項，其中包括面向能力拓展的非地面網(wǎng)絡通信，即將R16 SI轉(zhuǎn)為工作項目（Work Item,WI），重點研究NR NTN增強方案[3]。R17還進行了“NTN上的NB-IoT/eMTC”SI立項[4]。圖1為3GPP NTN標準化進程路線圖。

3.NTN物理層關鍵技術

3.1 時序關系

NTN中較大的雙向傳輸時延（Round Trip Time,RTT）將導致用戶間上下行幀時序存在較大偏移，需要增強NR中的物理層時序關系。

PDSCH接收時序從下行時序角度定義，與上下行交互無關，不受上下行幀時序大偏移的影響，故在NTN中無需增強。但對于通過DCI調(diào)度PUSCH傳輸、通過RAR grant調(diào)度PUSCH傳輸、在PUCCH上傳輸HARQ、MAC CE響應、CSI RS、非周期SRS傳輸?shù)扰c上下行交互有關的時序關系，需引入Koffset參數(shù)做時序增強。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是通過廣播還是高層參數(shù)配置方式通知給UE，以及擴展K1/K2取值范圍的可能性等。

3.2 上行定時提前與RACH增強

（1）定時提前

定時提前（Time Advance,TA）用來指示UE根據(jù)指令提前相應時間發(fā)送上行數(shù)據(jù)，確保接收側(cè)的時間同步。但NR的TA機制不能滿足NTN幾百甚至幾千km的傳輸距離要求。R16考慮將TA設計為公共TA和UE專用TA的組合形式，并討論了兩種TA補償方式。

第一種是根據(jù)用戶位置和星歷信息自動獲取TA值。UE計算并補償全部TA，網(wǎng)絡側(cè)無需上下行幀對齊，全部TA包括用戶鏈路影響；或UE計算并補償UE專用TA，在網(wǎng)絡側(cè)上下行幀之間存在公共TA偏移，此時網(wǎng)絡側(cè)需增加額外的復雜度來管理上下行調(diào)度時序。

第二種是基于網(wǎng)絡側(cè)指示TA調(diào)整。網(wǎng)絡側(cè)獲取公共TA并廣播給UE，公共TA的計算考慮每波束或每小區(qū)選取一個參考點為基準；UE專用TA調(diào)整可復用R15閉環(huán)TA指示方式，且考慮擴展RAR TA指示范圍以及TA可取負值等。

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以來，以江澤民為核心的黨的第三代中央領導集體對廉政建設繼續(xù)進行探索，把廉政建設繼續(xù)推向前進。

（2）RACH增強

R17根據(jù)UE是否具有定位能力來確定是否增強RACH。若UE可精確獲取用戶位置信息并進行時頻偏預補償，則可復用R15 PRACH和報文序列；若UE不能進行時頻偏預補償或無定位能力，則需要增強設計PRACH和報文序列。此外NTN也可考慮采用R16中的兩步接入來簡化初始接入流程。

3.3 頻偏補償

衛(wèi)星移動性導致的大多普勒頻移將嚴重影響幀同步、隨機接入等流程，NTN中需考慮多普勒頻偏估計與補償。

對于下行頻率補償，在網(wǎng)絡側(cè)進行波束專用的公共頻偏預補償，復用R15 SSB設計就能提供穩(wěn)健性能。對于上行頻率補償，在網(wǎng)絡側(cè)進行波束專用的公共頻偏后補償。UE利用下行RS、UE位置信息及星歷信息做頻偏估計，并在UE側(cè)完成上行UE專用頻偏補償；或網(wǎng)絡側(cè)通過上行RS做頻偏估計，并指示UE做上行頻偏預補償。具體的信令設計在R17完成。

3.4 可容忍時延重傳機制

混合自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat reQuest,HARQ）機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進程數(shù)遠遠多于NR支持的16個。R16中為降低重傳時延影響，支持HARQ可配及可容忍時延重傳機制。

1）HARQ關閉機制

網(wǎng)絡側(cè)可準靜態(tài)配置HARQ開關狀態(tài)。當HARQ功能關閉時，下行數(shù)據(jù)傳輸無上行反饋。為了保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性，針對不同用戶或業(yè)務可配置不同重傳次數(shù)或連續(xù)時隙聚合數(shù)。R17研究是否支持動態(tài)HARQ關閉及HARQ關閉后DCI中與HARQ相關的域保留與否等問題。

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

3.5 物理層控制流程

星地鏈路大傳輸時延導致控制回路反應慢，對物理層流程特別是閉環(huán)控制流程性能產(chǎn)生嚴重影響，包括功率控制和鏈路自適應調(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)可波束專用配置、基于預測的功控調(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中做到準確及時調(diào)整具有很大挑戰(zhàn)。

AMC通過調(diào)整無線傳輸?shù)恼{(diào)制方式與編碼速率，來確保鏈路的傳輸質(zhì)量。為解決信道狀態(tài)信息（Channel State Information,CSI）上報過時問題，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場景可繼續(xù)沿用R15定義的CSI反饋機制。

4.6G星地融合無線傳輸技術分析

根據(jù)空間平臺搭載衛(wèi)星能力的不同，TR 38.811定義了兩種典型傳輸架構(gòu)，一種是透傳也稱為彎管轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，即信號在衛(wèi)星上只進行頻率的轉(zhuǎn)換、信號的放大等過程，衛(wèi)星對于信號而言是透明的，仿佛不存在一樣；另一種是非透傳也稱為再生（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，其實現(xiàn)復雜度比星上再生模式簡單，且為了進一步簡化設計方案，假設所有UE都具有GNSS定位能力[3]。雖然3GPP還在進行NTN的標準討論，但因時間限制，將會遺留一些有待優(yōu)化的問題。而6G星地融合也會帶來一些技術方案需要在6G進一步研究與完善。

6G空口技術需應對滿足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的星地融合關注衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡空口設計方案融合統(tǒng)一，在空口無線傳輸技術設計上也將面臨一些挑戰(zhàn)。

4.1 極簡接入與同步

從6G空口物理層設計方案來看，星上功率、處理能力受限以及星地鏈路長延時、衛(wèi)星移動性導致的高多普勒頻移等因素的影響，對接入和同步設計帶來了很大挑戰(zhàn)。面向6G，星地融合應用場景將更加廣泛，無論是否具有GNSS定位能力的用戶終端都需考慮在研究范圍內(nèi)。為有效降低處理時延、提高用戶體驗，需進一步研究極簡隨機接入、定時提前、時頻偏估計與補償方案，以無定位能力終端接入方案等。

4.2 高效聯(lián)合傳輸機制

由衛(wèi)星承載地面基站的部分或全部功能將成為技術研究趨勢，即需要更加注重對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更好的實現(xiàn)全球廣域覆蓋，多星模式下的衛(wèi)星可直接通過星間鏈路相互通信，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。此外，與彎管模式相比星上再生模式RTT更大，需研究容忍高時延的HARQ傳輸機制，提高星地融合傳輸性能。

4.3 新波形與多址接入

針對6G星地融合更廣泛的部署場景需求及更高的頻譜效率需求，需研究抗大時延與頻偏的高魯棒性波形設計，并根據(jù)目標場景和業(yè)務的不同，靈活選擇子帶帶寬、子載波間隔、濾波器長度和循環(huán)前綴等系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)統(tǒng)一兼容的波形框架設計。另外為了支持衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)海量用戶終端接入，面對日益突出的頻譜資源受限問題及高頻譜效率空口技術需求，需進一步研究多址接入技術。

4.4 移動性與干擾管理

較高的衛(wèi)星移動速度使每顆星服務用戶的時長可能只有幾十秒，將會導致頻繁的波束切換。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)一移動性管理方案及切換策略，簡化切換流程、降低信令開銷、提高切換可靠性。此外，面對有限的頻譜資源，使用頻譜共享技術可提高頻譜利用率但也將導致不同信道間干擾、不同子載波間隔干擾等；相比于獨立的通信系統(tǒng)，融合的空天地一體化系統(tǒng)干擾類型將更加復雜多樣。因此可以研究基于區(qū)塊鏈的動態(tài)頻譜共享技術，實現(xiàn)更智能、分布式的動態(tài)頻譜共享接入技術；研究頻譜感知、參考信號設計、信道測量與反饋機制以及高效的干擾刪除/抑制機制等。

5.結(jié)束語

目前，3GPP已完成了5G星地融合兩個版本的SI標準討論，并發(fā)布了相應的技術報告。基于SI結(jié)論，本文概述了5G NR支持NTN的物理層關鍵技術及其在3GPP中的標準化研究進展，并進一步分析了面向6G的星地融合無線傳輸技術。星地融合作為6G關鍵技術之一，如何實現(xiàn)衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡的統(tǒng)一空口設計與星地間互聯(lián)互通將是未來的重點研究方向。

從全球研究趨勢來看，世界各國都在不同程度上展開了星地融合技術研究。衛(wèi)星通信雖未大范圍商用，但以“星鏈計劃”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，需進一步的研究星地融合技術，未雨綢繆，占得先機。