空天地一體化空口接入協議研究

王愛玲，劉建軍，潘成康，王啟星，張超

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

融合衛星通信與地面移動通信，構建空天地一體化網絡，有助于實現全球全域低成本的立體網絡覆蓋，支持用戶在不同網絡之間無感知切換，享受一致性服務體驗。空天地一體化可滿足未來網絡廣域智慧連接和全球無縫接入需求，是支撐6G“數字孿生、智慧泛在”愿景的重要保障。面向6G 的空天地一體化將衛星通信作為地面移動通信網絡的重要補充和延伸[1]，通過兩張網絡的深度融合，實現基站上星、同軌道衛星或不同軌道衛星間形成衛星星間鏈路（ISL,Inter Satellite Link）等，從而支持衛星間以及衛星與地面站之間的協作傳輸，顯著提升網絡的立體覆蓋水平和用戶接入性能。

本文將分析空天地一體化的技術演進趨勢，介紹傳統的地面移動通信網絡以及衛星通信網絡的空口接入協議及不足，并基于面向6G 空天地一體化通信的統一空口協議以及衛星可通過星間鏈路交互信息特征，提出一種低時延的空口接入協議流程方案。

1 空天地一體化技術演進趨勢

如圖1 所示的空天地一體化技術演進趨勢，在4G 階段，衛星通信與地面移動通信網絡的技術體系架構相對獨立，衛星主要作為中繼為地面移動通信網絡覆蓋不到的偏遠地區或應急通信場景提供數據回傳服務，實現業務與覆蓋的相互補充。在5G 階段，衛星通信與地面移動通信嘗試技術體制的融合，例如3GPP 標準正在研究將5G 新空口適用于非地面網絡（NTN,Non-Terrestrial Network）[2-4]，衛星網絡與地面移動通信網絡采用相似的網絡架構與空口協議，但5G 新空口標準研究中衛星以透明轉發傳輸方式為主，此方式需要大量地面站配合通信，同時也因無法統一協調無線資源等原因導致網絡效率較低。面向6G，衛星網絡與地面移動通信網絡將進一步實現系統融合，星地通信統一網絡架構和空口協議體制，通過基站上星、星間鏈路協調等技術統一資源管理與調度，實現低成本的全球泛在覆蓋，為用戶提供無感知的一致性服務體驗[5]。空天地一體化在6G 階段實現基站上星后，衛星之間可以通過星間鏈路通信，從而節省大規模傳輸網絡鋪設和基站建設費用、降低基站功耗等。

圖1 空天地一體化技術演進趨勢

2 空天地一體化空口接入協議概述

2.1 地面移動通信網絡隨機接入

隨機接入的目的是使用戶終端獲取上行同步并接入無線網絡，分為基于競爭的隨機接入和基于非競爭的隨機接入。3GPP 標準已支持四步隨機接入和兩步隨機接入過程[6]。

（1）四步隨機接入過程

基于競爭的四步隨機接入流程如圖2 所示，包括：1）終端在物理隨機接入信道（PRACH,Physical Random Access Channel）資源上發送包含前導碼的上行信號，稱為Msg1；2）基站根據接收的前導碼計算終端的定時提前量（TA,Time Advance），并通過隨機接入響應（RAR,Random Access Response）發送給終端，稱為Msg2，Msg2 中還包含同步和調度信息；3）終端在RAR 指示的上行時頻資源上發送上行數據，稱為Msg3；4）終端接收基站側發送的下行數據，該下行數據包含競爭解決信息，稱為Msg4[6]。

圖2 四步隨機接入流程

隨機接入流程中最重要的一步是利用TA 指示終端提前相應的時間量來發送上行數據，但地面移動通信的TA機制無法滿足衛星通信中幾百甚至幾千千米的傳輸距離要求。目前，3GPP 標準化正在討論NTN 的TA 補償方式，包括根據用戶位置和星歷信息自動獲取TA 值，或基于網絡側指示獲取TA 值兩種[3]。

（2）兩步隨機接入過程

四步隨機接入過程可保證用戶的接入可靠性，但此過程需要用戶和基站之間進行四次信息交互，接入效率不高。為降低隨機接入時延，R16 版本的NR 標準引入了兩步隨機接入過程，如圖3 所示。此過程將原四步隨機接入中的Msg1 和Msg3 內容合并在一步中發送，稱為MsgA；將Msg2 和Msg4 合并為MsgB。當用戶發送的MsgA 被成功檢測，且基站反饋的MsgB 中包含該用戶的SuccessRAR 時，該用戶反饋成功接收MsgB 的HARQACK 信息給基站，標識該用戶完成隨機接入過程。兩步隨機接入過程中，用戶在傳輸MsgA 之前沒有基站調度信息，所以MsgA 傳輸都是基于競爭機制完成的[6]。

圖3 兩步隨機接入流程

兩步隨機接入過程可降低隨機接入過程中的時延及信令開銷。若在衛星通信引入兩步接入流程，與四步隨機接入相比接入時延理論上可降低一半，從而極大改善用戶接入體驗，但同時需針對大往返時延設計TA 補償機制。

2.2 衛星通信網絡的隨機接入

基于衛星通信網絡的隨機接入是非地面網絡需解決的關鍵技術之一，衛星通信網絡中常見的接入方式有以下幾種[7]。

（1）按需分配的接入

各用戶向網絡請求用于上行鏈路傳輸所需的資源，網絡側按照不同用戶對所需資源的請求來分配不同的信道資源。此方式原則上具有動態分配特性，在一定程度上節約了信道資源。

（2）最短距離優先接入

用戶選擇距離最近的衛星接入，理論上距離越近的衛星信道質量越好，接收信號的強度也越強。此方案只需檢測衛星信號的信噪比，實現簡單，但在距離最近的衛星沒有空閑信道情況下，將會導致用戶頻繁的發起接入與切換請求，接入效率低。

（3）最長覆蓋時間接入

用戶被多顆衛星同時覆蓋時，根據星歷信息可計算衛星覆蓋某一小區的可視時間，從而選擇覆蓋時間最長的衛星接入。此方式可避免用戶在一次通信過程中的頻繁切換，降低掉話率，減少星間切換。

（4）負載均衡接入

用戶選擇覆蓋衛星中空閑信道數最多的衛星接入，可以均衡低軌衛星網絡中單個衛星業務量。此方案只考慮衛星空閑信道數，未利用衛星信道狀況和其他的衛星相關的先驗知識，接入性能比較差。

以上各種衛星接入方式基本只考慮單一因素，為提高接入效率可綜合考慮各種因素研究基于綜合加權接入方式。這些方案的通信協議基礎是歐盟ETSI 的數字衛星電視廣播標準（DVB-S2/S2X），但此協議不支持移動性管理等功能[8]。面向6G 的空天地一體化系統，衛星通信與地面通信協議統一，特別是基站上星后，衛星之間可以通過星間鏈路交換信息，結合星歷等信息可輔助用戶實現高效快速地接入衛星網絡。

3 空天地一體化低時延接入方案

低軌衛星的高速移動性導致波束服務的時長可能只有幾十秒，需要在波束間頻繁切換，同時用戶還會面臨多星多重覆蓋問題。因衛星星上功率及處理能力受限、星地鏈路傳輸延時長、衛星移動性導致的大多普勒頻移等因素影響，空天地一體化系統的接入和同步設計具有很大挑戰。

為簡化衛星接入協議流程，考慮在6G 空天地一體化系統中引入兩步接入流程，并做適配性增強方案設計。6G 空天地一體化系統包括多層異構子網（高、中、低軌衛星網絡及地面移動通信網絡），終端接入不同網絡開銷（包括信令交互、測量與上報開銷等）存在較大差異，可考慮利用星間鏈路、衛星網絡與地面網絡的接口互通來進行信息傳遞，輔助設計接入方案，減少衛星與終端間的直接信令交互，降低接入時延。例如，利用星歷或終端定位信息實現終端接入網絡時，TA 自調整與功率自控制等，降低信令指示開銷；或根據衛星具有運行信息可知特性，通過對網絡信道狀態預判以及利用星間的交互信息，提前預測終端接入與切換需求狀態，完成接入配置與資源調度等，減少終端測量與上報開銷等。

基于上述思想，本文提出一種低時延空口接入流程方案。如圖4 所示，考慮空天地一體化系統衛星具有星上再生功能，即衛星間可形成星間鏈路，衛星通過ISL或激光通信進行星間信息傳輸。

圖4 方案場景示意圖

（1）初始連接建立

終端采用四步接入方式接入源衛星，此過程中終端與源衛星取得上行時間同步，源衛星獲取終端補償的TA信息。TA 信息包含小區或波束統一TA（Common_TA）和終端特定TA（Specific_TA）。其中，由網絡側廣播的Common_TA 對小區內所有終端而言是一致的，終端Specific_TA 為通過MAC RAR 中的TA 指示，或終端根據自身定位信息以及衛星星歷信息計算獲取的TA。

（2）測量與切換配置

源衛星對終端進行測量配置，并根據終端的測量上報結果以及相關切換算法進行切換判決；若需進行星間切換，源衛星向目標衛星發送切換請求消息，目標衛星在資源允許情況下向源衛星發送切換響應信息；源衛星向終端發送RRC 重配置信息，在RRC 重配置信息里疊加一個額外的配置信息指示終端采用兩步隨機接入方式來接入目標衛星，流程如圖5 所示。

圖5 終端發起兩步RACH接入流程示意圖

（3）兩步接入的TA 補償

終端根據RRC 重配置信息確定采用兩步隨機接入方式向目標衛星發送MsgA，本文設計兩種TA 補償方案。

1）方案一：源衛星指示終端發送MsgA 前進行TA 補償

源衛星通過星間鏈路交互目標衛星的星歷等信息，從而獲取目標衛星的空間位置（如經緯度）、運行高度及速度等信息，再結合源衛星的星歷以及終端位置信息等，計算目標衛星與終端的TA 相對于源衛星與終端的TA 差分值Delta_TA1；源衛星在RRC 重配置信息中添加Delta_TA1 信息并指示給終端。

終端向目標衛星發起兩步隨機接入流程，在發送MsgA 前完成TA 補償，補償量為：

式(1) 中的N_TA_offset 可通過高層信令配置，或是設置為系統默認值。此值可由系統根據選定小區內的某一參考點確定，設置目的是降低其他TA 值的指示開銷。

2）方案二：目標衛星在接收MsgA 前完成TA 預補償

源衛星通過星間鏈路向目標衛星交互終端初始接入所需的TA 同步消息。所謂TA 同步消息即為終端接入源衛星的Common_TA 和/或UE Specific_TA 信息。

目標衛星通過星間鏈路獲取源衛星1 的星歷信息，從而獲取源衛星的空間位置（如經緯度）、運行高度及速度等信息，并結合終端位置信息，計算目標衛星與終端的TA 相對于源衛星與終端的TA 差分值Delta_TA2。

終端在向目標衛星發送MsgA 時不做TA 補償，而是目標衛星在接收檢測MsgA 時完成TA 預補償，補償量為：

此外，考慮到衛星的高速移動性，無論是終端側補償TA1 還是衛星側預補償TA2，都可以再疊加一個Rate_TA，此值用于補償衛星或終端移動性帶來的時間變化量，可以根據移動性信息確定。

上述方案考慮終端在切換到目標衛星時采用兩步接入過程接入衛星，為了保證兩步接入的MsgA 可以正確被解調，需要在終端側或衛星側完成TA 補償，所提方案可滿足空天地一體化系統中的用戶快速接入網絡，從而有效降低終端切換時隨機接入過程中的時延、信令開銷以及用戶功耗。

4 結束語

本文概述了空天地一體化的技術演進趨勢，介紹了地面移動通信以及衛星通信的空口接入協議及不足。利用空天地一體化衛星的星上再生功能，從協議流程方面探討設計了一種用戶快速接入方案，即通過衛星間信息交互與共享，配置用戶在切換接入目標衛星時采用兩步接入過程，從而降低切換接入時延。后續流程設計除了文中提到的TA補償之外，還要進一步考慮多普勒頻移對協議的影響。