面向6G的天地一體無線網絡技術研究

程錦霞,鄧 偉,翁瑋文,崔詩雨,馬 克,趙 琳,杜 琴,劉 京,王桂英

(中國移動研究院無線與終端技術研究所,北京 100053)

0 引言

目前,地面網絡僅覆蓋了地球表面陸地約20%的地區,覆蓋面積小于地球表面積的6%,為提供全域無縫覆蓋服務,衛星網絡需作為地面網絡的補充,共同構建涵蓋陸海空天的全空間立體通信網絡[1]。隨著第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project,3GPP) 5G 非地面網絡(Non-Terrestrial Network,NTN)技術和6G天地一體技術的持續演進,衛星和地面網絡正逐步形成深度融合趨勢,通過地面網絡的先進通信技術、設備研發和產業規模、龐大的用戶群體,與衛星產業共同構建涵蓋陸海空天的全空間立體通信網絡,全球天地一體技術研究及應用進入全新快速發展階段[2]。天地一體網絡將為地面網絡無法部署或建網維護成本高的區域填補覆蓋空洞,實現面向偏遠地區、荒漠、海洋、航空等陸海空全域立體空間 “泛在連接”,面向個人、企業及政府提供大眾手機直連、廣域物聯及應急救援保障等“泛在場景”新服務[3]。其中,手機直連衛星作為天地一體技術重要的應用場景之一,國內外產業積極開展相關的研究,推進手機直連衛星端到端能力構建和開展試點驗證,如泰雷茲、高通、愛立信啟動5G太空項目,利用低軌衛星開展NTN試驗;SpaceX和T-Mobile成立技術聯盟,開展手機直連衛星研究測試[4]。

本文針對6G天地一體融合網絡的場景及四大技術挑戰,詳細闡述了天地一體融合網絡一體架構和基于該架構的空口、資源管理調度等系列技術。

1 研究現狀

天地一體技術研究按近期和中期分為兩階段進行。一方面以5G地面移動通信網絡技術為基礎,通過3GPP標準面向天地融合場景進行能力增強,3GPP NTN R17版本標準于2022年6月凍結,作為3GPP發布的第一版用于衛星通信場景的移動通信標準,NTN標準使地面移動通信技術能夠近期快速應用于衛星通信場景。中國移動分別于2022年8月和2023年6月率先完成全球首個運營商5G NTN技術外場驗證以及我國首款5G NTN手機終端直連衛星實驗室驗證,支持雙向語音對講和文字消息,也進一步驗證了NTN技術具備商用的可行性,后續標準也將在R18版本持續演進,針對NTN覆蓋增強、移動性增強、10 GHz以上頻譜支持、物聯網增強、UE位置服務規范進一步研究[1,4-5]。另一方面,國際電信聯盟(International Telecommunication Union,ITU)等國際標準組織面向中期加速6G天地一體需求和技術標準開展研究。2023年6月,ITU完成了《IMT面向2030及未來發展的框架和總體目標建議書》,作為6G綱領性文件,該建議書匯聚了全球6G愿景共識,描繪了6G目標與趨勢,提出了6G的典型場景及能力指標體系。建議書指出,泛在連接是6G的主要場景之一,IMT-2030地面網絡與NTN的融合預計將進一步實現“隨時隨地連接”的目標[6-7]。

2 技術挑戰

與地面移動通信系統不同,6G天地一體融合無線網絡技術將面臨更加復雜的挑戰,主要包括:

① 網絡拓撲高速動態變化。由于低軌衛星的快速移動,導致衛星網絡拓撲高速動態變化,一方面造成了星地/星間通信鏈路性能變化大、穩健性差等問題[2,8-9];另一方面也存在低軌衛星網絡下衛星用戶因服務衛星頻繁變化導致用戶在星間頻繁切換的問題[10]。同時衛星網絡拓撲的高速動態變化也導致天地一體融合網絡中星地/星間路由的建立、維護等在高效、可靠、安全方面存在挑戰[3]。這一切導致天地一體融合網絡在全域覆蓋及業務協同上存在極大挑戰。

② 星地信道環境差異巨大。衛星網絡與地面網絡的信道傳輸條件差異巨大,主要體現在傳輸時延、多普勒頻偏和信道多徑等方面[3,11]。衛星通信通常以視距傳輸為主、多徑分量少,而地面蜂窩網絡因障礙物較多、反射徑豐富,信道容易遭遇快衰落[12]。在信道的時頻特性方面,對于低軌衛星來說,由于衛星快速運動,多普勒頻移大且變化快、時延變化率大,對信號時頻同步帶來嚴峻的挑戰[13];而高軌衛星的時頻變化較小,但因星地距離遠、傳輸時延大,對鏈路穩定性、數據傳輸可靠性帶來較大挑戰[8]。

③ 星地網絡組網復雜度高。當前衛星與地面網絡獨立發展,彼此耦合度低。面向未來的天地一體融合網絡覆蓋區域,需通過星地波束聯合管理、重疊覆蓋區資源靈活調度等為用戶提供高質量保障服務,而衛星與地面網絡的深度耦合是未來天地一體融合網絡的動態高效管理機制的關鍵[2,5]。星地組網架構具備高動態的特性,且需兼容透明轉發及再生模式,同時其架構及網元位置具備高度靈活性,這對衛星與地面網絡深度耦合在接口設計及規范化方面帶來了新的挑戰[1]。

④ 星上網元平臺能力受限。當前衛星系統單星質量、體積以及發射功率等指標在系統定型后均為確定值,這樣衛星上通信及算力單元在質量、體積以及功率的分配上都受到限制,因此單星在通信網元及算力的部署上存在挑戰[9,13]。與地面網絡差異最大的是衛星發射成功后其通信及算力單元不再具備可擴展性,亟需通過天地一體融合組網,取長補短,充分發揮星地各自特有優勢,實現最大效用[1]。

3 關鍵技術

3.1 智能協作無線組網架構

如圖1所示,天地一體網絡覆蓋場景分為星地協同覆蓋區域和衛星獨立覆蓋區域兩種場景。其中,星地協同覆蓋區域主要包括地面網絡覆蓋空洞和星地網絡交疊地帶[1]。針對該場景,由地面NTN基站和地面大網基站共同提供通信服務。衛星獨立覆蓋區域主要指航空、海洋、森林、沙漠、極地等地面網絡難以覆蓋的區域,只能通過衛星網絡進行覆蓋,由星載NTN基站為星下可見區域提供覆蓋,數據由星間鏈路回傳落地[2]。

圖1 星地智能動態協作的高效新型無線組網Fig.1 Intelligently cooperative architecture in wireless network for integrated satellite-terrestrial network

圖3 基于跳波束的星地統一頻率方案Fig.3 Dynamic spectrum sharing method for satellite network and cellular network based on beam hopping

為應對天地一體融合中存在的諸多挑戰,6G天地一體網絡需要通過智能協作無線組網架構,實現星地覆蓋、資源調度等高效協同,最大化網絡效率,降低網絡成本,同時實現無縫的星地切換能力,保障業務連續性和用戶體驗[2,11]。該架構兼容透明轉發衛星和再生衛星,以星地智能動態協作網關及網元為核心,是一種可實現星地智能動態協作的高效新型無線組網架構。其中,星地智能動態協作網關負責面向星地交疊區域地面基站注冊、注銷及信息更新,信息更新包含地面基站信息及與星上基站關聯信息(含地面基站使用頻率、地理位置及與衛星基站波位關聯信息等);星地智能動態協作網元作為衛星基站對應錨點,用于匯聚交疊區域地面基站信息與對應衛星基站覆蓋區域波位關聯及去關聯,負責地面基站和衛星基站連接關系建立及去除等功能;地面信關站及地面NTN基站屬于透明轉發衛星通信子系統,負責透明轉發衛星饋電及測控鏈路信號的收發和基帶信號的處理。支持星地動態連接的地面大網基站,一方面具有為地面蜂窩用戶提供通信服務的能力,另一方面具備通過動態星地連接與星上處理衛星的星載NTN基站進行信息交互的能力。基于以上網元,實現星地協同區域的按需接入、資源協調以及衛星測控。

透明轉發與再生模式的統一動態組網:針對低軌衛星過頂時間短、再生模式下的星上網元隨低軌衛星的變動而頻繁變動的問題,星地智能動態協作網元作為錨點可實現再生模式下的星上網元動態接入及合理配置,實現透明轉發與再生模式的統一組網,降低天地協同復雜度,在節約星座成本的同時保障服務質量[12-13]。未來,隨著星上處理能力的提升以及衛星制造、發射成本的降低,基于星上處理的低軌衛星模式將是面向6G天地一體的主要演進方向。

衛星與地面網絡的高效資源調度:針對衛星覆蓋面積大,星地交疊覆蓋區域涵蓋大量地面基站,星地智能動態協作網關及網元通過協同鏈路匯聚星地同覆蓋區下衛星網絡網元和大量地面網絡網元,實現衛星與地面網絡的高效資源調度,實現覆蓋快速切換、業務負荷均衡、智能干擾規避等[4,14]。

3.2 空口技術

天地一體融合網絡的空口設計總體目標是面向空、天、地、海等泛在連接場景,支持參數化可配置可裁剪的統一空口設計[14]。為了保障終端快速接入與網絡可靠傳輸,需要進一步研究包含波形、多址接入、時頻同步、極簡接入以及覆蓋增強等關鍵技術[11]。

新波形設計:考慮衛星通信時延大、帶寬和功率受限、器件非線性程度高等特點,面向6G的天地一體融合網絡的新波形研究,可從以下兩方面考慮:一是增強已有波形。復用地面系統用正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)波形,如采用CP-OFDM波形,同時通過削波峰和濾波技術、壓縮擴張技術和部分傳輸序列技術等降低信號峰均比(Peak to Average Power Ratio,PAPR),以提高功放效率。或者采用低PAPR的DFT-S-OFDM波形,以提升系統在多用戶資源調度方面的靈活性[11,14]。二是設計新型波形。如業界討論的恒包絡相位調制、單載波頻域均衡、非直接載波調制、超耐奎斯特調制、正交時頻空等均可作為備選波形[5]。

新型多址接入:目前無論5G NR還是3GPP NTN均采用正交多址方式。面向6G天地一體融合網絡的應用場景更加復雜、終端類型更加多樣、用戶數量呈級數式增長,傳統的正交接入方式難以適應未來發展的需求,需要研究非正交多址接入技術來增強頻譜效率、提升接入用戶數量、降低高可靠場景的時延等[14]。基于功率域、編碼域以及隨機交織域的非正交多址接入方式,將會進一步改善6G天地一體融合網絡的容量,在未來的系統中發揮更重要的作用[4]。

時頻同步:3GPP NTN在R17版本已經初步完成了基于全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)信息的星地時頻同步補償方案。但是在面向6G的天地一體融合網絡中,高、中、低軌道衛星以及高空平臺等同時存在,終端需要具備測量、監測、接入到不同網絡的能力,因此需要在時頻同步技術方面進一步開展研究,一方面需要增強時頻補償的能力,另一方面需要適應多重異構網絡下的不同時序關系,保障星地時頻同步、有效調度[8,13-14]。

極簡接入:衛星通信因為傳輸路徑長具有更大的時延,此外衛星的快速運動也會帶來很大的多普勒頻偏,因此,需要解決隨機接入中的上行頻率和時間估計問題[11]。面向6G的天地一體融合網絡,因不同網絡類型對接入帶來的時延影響不同,因此有必要研究極簡接入方式,在接入信號設計、接入流程、身份校驗等方面開展研究,提高接入效率[4,8,14]。一是考慮增強兩步接入機制減少信令開銷,降低隨機接入時延;二是針對衛星移動軌跡可知等特點,可對衛星波束服務時間進行預測,通過人工智能技術提前預判和調度無線接入資源,減少隨機接入碰撞概率,實現用戶智能接入[3-4,10]。

覆蓋增強:目前3GPP NTN雖然已經針對NTN場景開展了覆蓋增強的研究,但是在未來6G天地一體融合網絡下,由于實際應用場景的需求變化,可能存在鏈路預算不足的場景,為了保證正常的接入及數據傳輸,可以考慮從以下幾個方面進行覆蓋增強:一是重復傳輸,通過重復傳輸可以有效提高增益;二是聯合信道估計,在低信噪比場景下,通過適當的聯合信道估計可以提升信道估計的可靠性;三是跳波束,通過采用時分的方式覆蓋不同區域來保證覆蓋范圍;四是盲重傳,通過盲重傳獲得分集增益或者冗余版本合并增益[5]。

另外,采用頻譜效率更高、更靈活的TDD制式也將是未來6G天地一體空口演進的重要研究方向,但面臨著星地及星間復雜的干擾及同步問題,有待進一步探索。

3.3 資源管理和調度技術

3.3.1 頻率資源調度

適用于手機直連衛星場景的6 GHz以下低頻段資源緊張、頻譜資源利用率較低,為低軌衛星網絡分配獨立使用的頻段難度較大。星地統一頻率可以極大地提高資源利用率,緩解低頻段資源緊張,但需要避免嚴重的星地頻率間干擾[10]。為實現星地統一頻率場景下的高頻譜效率和低頻率干擾,需積極開展分布式頻譜感知、高效干擾抑制及動態干擾規避等關鍵技術研究[5,15]。

分布式頻譜感知技術:選擇天地一體融合網絡網元作為分布式協同感知單元,感知系統是否存在空閑頻譜,由統一決策中心收集全局感知結果確定空閑頻譜,以此實現兩網頻率動態共享[4,16]。

高效干擾抑制技術:采用超窄波束、超低相鄰頻道泄漏比(Adjacent Channel Leakage Ratio,ACLR)設計及相關波束成形技術,縮小星地統一頻率下的空間隔離帶范圍,減輕星地同頻干擾。

動態干擾規避技術:基于星地網絡頻率信息的實時交互,快速調整星地網絡小區頻率部署,開展星地網絡小區頻率動態規避,有助于保證星地頻譜資源的高效利用[3]。

基于跳波束的星地統一頻率方案:面向6G的天地一體融合網絡,衛星、地面蜂窩網絡可以基于星地智能動態協作單元進行深度信息交互,利用兩張網的信息集中式地進行資源分配及波束管理,最大程度地降低星地頻率干擾。跳波束作為一種新興波束技術,可在空間、時間、頻率和功率4個維度上進行資源分配以適應業務的不均勻分布和動態變化。因此,基于跳波束的星地統一頻率方案也將變得更加實時動態、靈活高效[4]。基于跳波束在時域、頻域及空域的靈活性,當業務波束跳變至具有星地頻率干擾的波位,兩網根據頻譜資源分配方案進行頻率劃分,以規避星地頻率干擾;而當業務波束跳離該波位,衛星波束及該波位的地面蜂窩網絡則可以恢復全頻段頻率復用。其中,資源分配方案應兼顧波束間公平性、業務時延限制以及混合共信道干擾等因素,對跳波束進行合適的跳波束圖樣設計以及頻譜分配,提升異系統聯合效益[16]。值得說明的是,若天地一體融合網絡內不同網元采用同一跳變圖樣,星地傳播時延仍會產生嚴重星地頻率干擾,需在跳波束圖樣中進行時延預補償,形成針對各個網元的特定跳變圖樣[17]。

3.3.2 動態波束管理

衛星通信面臨星地超遠距離傳輸、衛星平臺功率受限等難題,多采用高定向波束賦形技術提升功率使用效率。由于衛星覆蓋區域較大,星下用戶的通信需求在地理、時間、帶寬等多維度分布不均勻且動態變化,波束管理是衛星通信領域的關鍵解決方案[18]。傳統衛星的波束管理機制獨立于地面網絡,一般采用相對地面固定的波束設計,即波束在地面的覆蓋區域基本固定,將地球表面劃分為數萬個波位小區,采用波束掃描的方式為用戶提供隨遇接入和業務傳輸服務,衛星通信資源使用效率不高[15]。為滿足衛星與地面網絡間覆蓋、業務、算力等方面的緊密協同需求,基于地面控制的靈活波束管理技術將成為天地一體融合網絡中一條全新的技術路徑[7]。針對透明轉發和基站上星兩種模式的衛星,衛星波束能夠根據地面網絡發送的波束控制指令,靈活地調整波束指向及功率分配等參數,通過地面網絡深度參與衛星資源的管理調度來提高星地協同效果,并有效降低星座建設成本[8,12]。

星地動態關系構建:天地一體融合網絡具備按需、動態建立星地交互連接的能力以支持實時高效的波束管理信息交互。考慮采用拓展的動態星地Xn接口在地面蜂窩基站和NTN基站之間傳輸波束管理及干擾協同等信息。一是針對星上處理模式的星載NTN基站,地面蜂窩基站增加饋電鏈路窄帶傳輸模塊,采用基于饋電鏈路的星地Xn動態增強接口;二是針對透明轉發模式衛星,NTN基站位于地面,地面蜂窩基站基于地面連接即可與地面NTN基站建立星地動態Xn接口,實現星地間面向各項協同場景需求的實時波束控制[12]。

透明轉發架構下端星地三方精準同步技術:現有3GPP NTN技術基于透明轉發架構下的凝視或平掃波束完成超遠距離和超高速移動傳輸技術的標準化工作,天地一體融合網絡中衛星波束需要根據星下動態變化的業務需求和地面網絡的協同需求靈活跳變[13]。透明轉發架構下NTN基站位于地面,相控陣天線及波束控制器位于星上,基于地面控制的波束管理受星地時延及信道環境多變的影響。NTN基站位于地面,相控陣天線及波束控制器位于星上,考慮采用星上輕量化帶內接收指令的波束控制機制,在地面NTN基站調度器統一控制下,保證地面發送的波束切換指令和空口信號經過遠距離高動態時變傳輸后在星上的精準同步,支持多波束掃描、凝視波束跳變按需提供業務傳輸,提高頻譜效率及整星容量[4]。

3.3.3 業務驅動的統一資源調度

現有衛星、地面網絡獨立組網,信息交互靈活性不高、網絡特性差異較大,由于業務分布和需求的非均勻性,星地靜態網絡能力面臨與動態、分布不均勻、多樣化的業務需求之間的矛盾,導致衛星通信系統、地面移動通信系統分配的資源與業務需求不匹配、網絡資源利用率不高[2]。天地一體融合組網場景下,通過新增星地智能動態協作網元,采用高效統一資源調度方法,可以實現衛星、地面資源的動態共享,如通過在業務量較少且廣覆蓋的區域,動態調整該地區地面網絡深度休眠,使終端通過衛星接入到網絡,降低地面網絡能源消耗等方式,在時間、空間、頻率以及功率維度上進行靈活分配,以適應業務的不均勻分布和動態變化,達到星地資源利用系統最優化[18]。

面向業務連續性的快速切換:由于星地拓撲高動態變化,用戶在不同衛星間頻繁切換,極易導致業務中斷,并為網絡帶來大量信令開銷[10]。天地一體融合網絡切換場景多樣且復雜,包括衛星網絡內切換、衛星與地面網絡間切換等,對切換管理提出更高的要求[4,14]。可通過建立星地協同的業務管理機制,感知用戶業務指標數據,對用戶統一進行資源管理,優化業務體驗。一是面向星地切換場景快速構建星地網絡鄰區關系,優化星地網絡參數配置及按需采用星地雙連接等方式,保證星地業務連續,同時盡可能降低星地切換時延;二是在切換過程中引入基于強化學習的人工智能等算法,有效提高切換后的業務體驗,抑制切換帶來的信令風暴[4]。

面向不同業務等級的智能調度:空天地一體化通信系統網絡結構復雜且接入終端類型較多,需滿足不同服務等級的業務需求。一是面向星地業務負荷均衡的智能調度,通過星地網絡負荷信息的實時交互,結合用戶業務需求及星地雙連接等方案,開展星地業務負荷的動態智能卸載,有助于在保證用戶業務體驗的情況下實現星地網絡業務負荷均衡[9,11];二是天地一體端到端網絡切片編排與設計[8]。因天地一體融合網絡拓撲結構具有時變特性,可通過引入動態網絡拓撲結構預測、網絡一體虛擬化等技術保障統一業務管理,根據業務需求和用戶密度定制化編排網元,提升用戶的服務體驗。

4 結束語

本文圍繞著天地一體的需求和挑戰,全面闡述了面向6G的天地一體融合無線網絡的技術和發展趨勢,6G天地一體網絡將以統一終端、一體服務為目標愿景,通過內生的一體架構、統一空口和統一資源調度等技術實現天地兩張網的性能和成本最優化設計[14]。除此之外,未來的6G天地一體融合網絡不僅承擔著泛在連接的基礎通信功能,也會逐步向感知、算力、測控等多維能力延展,為廣大用戶提供更多豐富的應用服務。同時,隨著天地兩張網絡融合的深入,二者之間需要交互、協作和開放的數據、流程和接口將會進一步增加,也將帶來更多的網絡和數據安全風險。