基于5G及演进的星地融合空口传输技术*

侯利明 韩波 缪德山 康绍莉 孙韶辉

(1.电信科学技术研究院有限公司无线移动通信国家重点实验室，北京 100083；2.中信科移动通信技术股份有限公司，北京 100083)

0 引言

目前，第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，3GPP)已经完成5G标准化的R16版本，R17版本也进入工作项目(Work Item，WI)讨论阶段[1-3]。2019年，5G系统正式在中国商用。根据三大运营商公布的数据统计，截止到2021年6月，中国境内5G套餐用户数达到4.9亿多，突破5亿指日可待。按照5G的设计愿景，5G系统不仅能够提供更高的传输速率，而且能够实现万物互联[4]。但是，在实际网络部署过程中，受制于江河湖海、沙漠森林的地形、供电、维护等不利因素，地面基站仅能覆盖20%左右的地球陆地面积，难以实现全球无缝覆盖，限制了5G网络的应用。

与地面移动通信相比，卫星通信具有覆盖范围广、传输容量大、不受地形环境限制等优点，已成为地面移动通信有益的延伸和补充。卫星接入日益成为丰富地面移动网络应用场景的重要手段，5G与卫星通信的融合将成为未来通信技术的重要发展方向[5]。但是，现阶段这种融合主要集中在业务层面，卫星通信在大部分情况下仅用于5G基站的回传链路，例如：2019年，SaT5G(卫星与5G联盟)宣布开展了一系列利用卫星与5G融合实现数据回传的演示；2020年8月，联发科携手Inmarsat(海事卫星)开展了5G卫星物联网数据连接试验；2020年12月，中国联通完成了“低轨卫星互联网+5G+物联网”海上融合组网通信试验；2021年7月，北京邮电大学与银河航天完成了国内首次低轨宽带卫星与5G专网融合试验。

在“万物互联、全球覆盖、泛在智能”等需求的驱动下，5G与卫星通信的融合将向更深层次发展，星地融合的空口传输技术是一个重要方向。3GPP从R14开始成立了“NR支持NTN的解决方案”工作组，探讨新空口(New Radio，NR)传输技术用于NTN场景的可行性[2-3]。可见，星地融合、统一空口是将无线网络延伸扩展至“空天地海”的重要途径，是拓宽无线网络时空维度，满足不同接入需求，实现万物互联的重要手段。

本文第一章分析星地融合传输的应用现状以及星地融合空口设计的发展趋势；第二章介绍3GPP NTN的空口传输技术；第三章基于5G技术提炼星地融合空口涉及的关键技术并初步给出潜在的解决方案；第四章面向未来天地深度融合场景提出基于可变参数集的统一空口设计思路；第五章对全文进行总结。

1 星地融合传输技术现状

星地融合的发展路径可分为3个阶段：一是简单业务融合阶段；二是通信体制融合阶段；三是系统全面融合阶段。从现有的应用场景看，目前星地融合仍处于简单业务融合阶段。国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)针对5G与卫星融合也开展了研究，提出了中继到站、小区回传、动中通及混合多播4种应用场景(见图1)[6]。下面从用户业务及接入方式的角度分析星地融合传输技术的发展现状和趋势。

图1 5G与卫星融合应用场景

1.1 传统话音及低码率业务的星地融合传输

话音及低码率数据业务是无线通信网络的基本业务，一般情况下采用双模终端的形式实现星地话音及低码率数据业务的融合应用。典型的应用系统包括铱星系统、海事卫星(Inmarsat)系统以及我国的天通一号卫星通信系统。用户一般可使用双模终端在地面网络和卫星网络间切换使用，在地面网络覆盖不能触及的区域，使用卫星实现话音及低码率数据业务的通信。最具代表性的一种低码率卫星空口体制是GMR(GEO-Mobile Radio)[7]。该标准由欧洲电信标准学会(European Telecommunication Standard Institute，ETSI)提出，历经发展已经更新到GMR-1 R3(GMR-1 3G)版本。GMR-1 3G的典型代表系统为Inmarsat第四代星，将3G系统WCDMA空口替换为专用空口(即Inmarsat Air Interface-2，IAI2)，兼容地面3G网络(3GPP R4)。GMR-1 3G空口的前返向链路采用FDD工作方式，多用户采用TDMA接入方式。GMR-1 3G空口采用单载波调制方式，调制方式包括π/2-BPSK、π/4-QPSK、16APSK和32APSK，信道编码选用卷积码、Turbo码、RS码和LDPC码等。

1.2 传统宽带业务的星地融合传输

宽带高码率业务星地融合传输包括中继到站、小区回传、动中通及混合多播场景，其中卫星通信主要用作基站回传的骨干链路使用。目前，应用最广泛的宽带卫星通信空口体制是DVB(Digital Video Broadcast)-S2标准[8-9]。该体制源于卫星广播电视领域，ETSI于1994年发布了DVB-S的第一版。为了提高传输速率、增强组网灵活性，2005年ETSI在原标准基础上发布了DVB-S2标准。此外，为了增加该技术体制的交互性，ETSI在原标准基础上又发布了DVB-RCS标准。宽带卫星通信中，前向链路一般使用DVB-S2标准，返向链路一般使用DVB-RCS标准。DVB体制主要应用于C、Ku、Ka等频段的卫星固定业务，其典型应用系统为Inmarsat 5代卫星通信系统[10]。DVB-RCS标准采用多频-时分多址(MF-TDMA)接入方式，系统返向链路由多个载波信道组成，每个载波信道按时隙进行划分，多用户分配不同的载波和时隙资源。该技术的空口也采用单载波调制，调制方式包括QPSK、8PSK、16APSK和32APSK等，信道编码包含BCH码、LDPC码。

1.3 星地融合空口传输技术的发展趋势

在传统星地融合业务场景中，低码率业务融合主要用于话音和少量数据传输，高码率业务融合主要用于基站回传、点对点数据交换等场景。星地系统之间虽业务融合，但独立组网，空口标准差异较大。为了适应不同业务、不同速率的结构统一、调度灵活的无线空口，新一代卫星通信系统在考虑与5G融合的空口体制以及面向6G的统一空口设计，预期充分利用地面系统的产业和技术优势来进一步促进卫星通信的发展。目前，3GPP正在标准化的NR over NTN项目和IoT over NTN项目，基本思路为基于地面的5G NR标准和地面的IoT标准，针对卫星的关键特征来进行适应性改造。

2 3GPP NTN的空口传输技术研究

3GPP从R14开始讨论星地融合的研究工作，相继发布了TR 22.822、TR 38.811和TR 38.821报告，其中TR 22.822对相关的接入网协议及架构进行了评估；TR 38.811定义了包括卫星网络在内的NTN部署场景及信道模型；TR 38.821主要探讨了空口接入技术。3GPP NTN目前主要讨论透明转发模式下的卫星接入技术，针对GEO和LEO轨道类型分析研究S频段和Ka频段的空口接入技术。3GPP NTN采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)波形，多用户接入方式采用正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)方式，支持频分双工(Frequency Division Duplexing，FDD)模式。3GPP NTN R17版本的WI阶段正在讨论中，主要关注5G NR空口技术支持NTN场景的解决方案，包括以下方面。

2.1 物理层时序关系的增强

在NTN场景下，由于卫星小区的覆盖扩展、传输的时延增大，因此原NR标准中定义的时序关系及参数取值均需要增强，有些参数的取值范围需要重新定义。

2.2 上行时频同步技术的增强

NTN场景下单向传输时延增大，对于低轨卫星场景下卫星的快速运动引入严重的多普勒效应，严重影响上行时频同步技术。因此，有必要研究增强原NR的上行定时提前(Timing Advance，TA)预补偿方法，以及对上行的多普勒进行预补偿处理等。

2.3 HARQ技术的增强

混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ)，是一种将前向纠错编码和自动重传请求相结合而形成的技术。NTN场景下的大传输时延导致原NR的HARQ进程难以满足需求，因此需要研究扩展原HARQ进程，以及由此带来的进程指示等问题。

2.4 其他方面

NTN场景下引入了天线圆极化方式，卫星波束与小区的概念与原NR标准也产生了差异，因此该部分主要讨论NTN场景下的天线极化方式、波束管理等技术。

3 5G星地空口融合关键技术及潜在方案

5G与卫星通信体制融合主要体现在网络架构、空口传输协议方面的融合设计，采用相同或相似的体制与关键技术，充分利用地面网络丰富的产业链基础提升研发效率。5G与卫星空口融合面临复杂的信道环境，传输特性差异极大，高效利用时、空、频等多维资源提升网络效能面临巨大挑战。卫星空口传输性能同时受到时间、频率、空间、功率等多维属性影响，因此需要针对星地融合的特点准确提炼涉及的主要关键技术，并给出潜在的解决方案。下文整理了5G星地融合空口传输技术涉及的主要关键技术，包括波形与调制方式选择、时频同步、接入和移动性管理等，并针对每项关键技术给出了潜在的解决方案。

3.1 波形与调制方式选择

3.1.1 面临的问题

低轨卫星的快速运动特性，造成严重的多普勒效应，影响子载波间隔的选择。由于卫星功率受限，因此一般需尽量提高卫星功率利用率，选择合适的波形可减小信号峰均比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)对卫星功放的影响。地面通信中的高阶调制以正交幅度调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)为主，为了降低PAPR影响卫星通信常用相移键控(Phase Shift Keying，PSK)调制方式，因此也需根据具体需求选择合适的高阶调制方式。

3.1.2 潜在的解决方案

针对卫星场景的大时延、大多普勒特性，需要选择合适的子带带宽、子载波间隔和循环前缀等，如卫星场景下建议使用120 kHz、240 kHz子载波间隔对抗较强的多普勒。为了降低波形PAPR对卫星功放的影响，调制波形对于卫星空口可选用单载波形式，如DFT-S-OFDM，可采用削峰等技术对CP-OFDM信号进行预处理，以降低PAPR影响。DFT-S-OFDM和CP-OFDM信号的PAPR统计特性如图2所示。

图2 DFT-S-OFDM与CP-OFDM波形PAPR仿真结果

针对调制方式问题，目前5G系统采用π/2-BPSK、QPSK、16QAM、64QAM和256QAM调制方式，卫星通信DVB-S2X的调制方式包括π/2-BPSK、QPSK、8PSK、16APSK、32APSK等。建议在低阶调制方面沿用π/2-BPSK、QPSK，在高阶调制方面采用高阶APSK调制以降低PAPR对卫星功放的影响。

3.2 时频同步

3.2.1 面临的问题

由于卫星的距离远、速度快(低轨卫星)、功率受限，因此在星地统一空口设计方面需要考虑低信噪比(Signal-Noise Ratio，SNR)、大多普勒频偏、大时延等因素对时频同步的影响。对于600 km轨道高度的LEO卫星而言，载频20 GHz时，运动带来的最大多普勒频偏为±480 kHz，最大多普勒变化率为±5.44 kHz/s，严重的多普勒频偏对频率同步带来影响。另外，单程星地时延变化范围从几毫秒到几十毫秒，对星地时间同步带来影响。星地传输距离远、信号衰落大、信噪比低也增加了信号检测的难度。

3.2.2 潜在的解决方案

针对低轨卫星带来的大多普勒频偏效应和大时延的特点，设计采用基于终端GNSS辅助的上下行时频同步预补偿机制。用户终端利用GNSS获取自身的位置信息，同时获取卫星广播的星历信息。终端根据星历信息可以对卫星的位置和速度进行估计，然后即可计算用户到卫星的时延和频偏，并进行预补偿。

从图3可知，对于频偏，卫星可以在下行信号发射和上行信号接收时，对公共频偏进行补偿，使C点的用户终端感受到的频偏为0。而对于时偏，卫星可以广播一个公共时偏用于计算整个传输时延，而用户终端在发送上行信号时的TA值仅需计算相对于参考点的时偏差值，在补偿过程中可以加上公共时延的补偿，网络不需要再处理。这样每个用户终端所需要处理的时频偏范围便大大缩小，降低了下行同步中参考信号搜索所需的运算量及上行同步中处理时频偏的难度。

图3 时频预补偿示意图

针对卫星上下行信号强度低等特点，设计采用重复传输、多符号合并检测技术，可提高信号检测的成功率。下面以下行物理广播信道(Physical Broadcast Channel，PBCH)为例，评估不同信噪比下多次符号合并对定时和频率同步的影响(见图4-5)。

由图4可知，通过8次PBCH合并检测，在SNR为-10 dB的情况下，下行定时同步范围小于±100 ns的概率大于95%。从仿真结果可知，通过多次合并能显著提高频率同步精度，在120 kHz子载波配置下，残留频偏仅几kHz。仿真结果说明了解决方案的可行性。

图4 定时同步仿真结果

图5 频率同步仿真结果

3.3 接入和移动性管理

3.3.1 面临的问题

由于卫星传输时延大，导致传统的4步接入方式时延长，因此需要简化设计接入方案。另外，由于低轨卫星的快速运动，导致终端将频繁地实施星间切换，同时，传统基于信号无线资源管理(Radio Resource Management，RRM)测量的切换判决方式，在信噪比分布较为平均的卫星小区难以满足需求。

3.3.2 潜在的解决方案

针对接入问题，需要对接入流程进行优化设计，减少接入流程环节、提高成功率，便于实现“极简”接入，建议采用2步接入方式，如图6所示。

图6 2步接入方式

针对切换问题，设计引入基于终端位置、卫星星历以及RRM测量结果的联合切换判决方式，主要流程为：终端根据GNSS定位和星历信息计算当前所处的覆盖位置，如进入重叠覆盖区域，则终端上报当前位置及RRM测量结果(可选)；网络侧收到终端上报信息后，综合处理，判断是否需要进行切换；如果需要实施切换，则网络侧发起切换请求、无线资源控制(Radio Resource Control，RRC)重配置过程等；终端按照切换流程实施切换。图7以Xn接口为例给出星间切换示意图。

此外，还可以设计终端自主切换方案，从终端侧发起切换判决，以实现快速“极智”切换等。

4 面向未来深度融合的星地统一空口设计

星地融合的未来发展阶段是系统全面融合，星地一体提供无感知一致服务。面向未来的星地深度融合包括统一的空口体制、统一的网络架构、统一的资源调度与管理、统一的频谱共享与协调管理、统一的业务支持与调度、网络平台的一体化设计以及终端标识与接入方式的统一。只有星地在空口体制、网络架构、资源管理、业务等方面进行深入的系统融合，才能实现用户无感知一致服务。可见，统一空口技术是实现“万物互联”“随遇接入”“全球无缝覆盖”的重要方式，是解决星地融合、实现泛在互联的重要途径。

下面展望面向未来的星地深度融合统一空口技术，提出基于可变参数集的星地统一空口设计思想，为后续天地融合空口体制研究提供参考。

4.1 统一空口设计的思路

星地深度融合的统一空口设计基于业务驱动、网络感知、可变参数集配置等关键环节，主要设计思路如图8所示。

图8 星地统一空口设计思路

星地统一空口设计以业务需求为驱动，通过智能感知网络环境判断当前可选择接入的网络资源，然后基于业务和网络资源的约束条件在参数集中选择可配置的参数。这些约束条件包括：当前业务需要的带宽、时延等QoS约束，以及当前可用网络所能提供的接入资源等。对于终端而言，无需区分卫星网络和地面网络，仅需判断当前可接入的网络资源是否能满足终端的业务需求，然后选择匹配的空口参数进行配置，接入网络。

基于可变参数集空口配置技术是统一空口设计的核心，可根据用户的使用场景、业务类型等需求为用户自适应匹配空口体制，选择合适的网络接入。对于卫星空口和地面空口，可采用相同的设计方案，配置不同的参数。例如，对于卫星空口可以配置大带宽、大子载波间隔、更多HARQ进程等。对于用户而言，不需区分卫星网络或地面网络，通过动态配置不同的空口参数接入网络，通过统一的网络资源配置和网络管理，可以做到无缝切换和漫游，实现真正的无感知星地网络融合。

4.2 可变参数集

在星地深度融合的统一空口体制中，可变参数集的设计是核心与关键。可变参数集是指将空口的主要技术参数构建成一个集合，该集合内的技术参数适用于卫星通信和地面蜂窝通信，可针对星地不同使用场景选取不同取值的参数，通过灵活配置空口参数，以适应不同应用场景的需要，实现星地间随遇、按需接入。

统一空口可变参数集的主要参数可包括：传输带宽、调制方式、编码方式、传输波形、子载波间隔、导频格式、HARQ配置、正交接入方式、随机接入方式、控制信道格式等。表1给出了主要的空口参数示例，星地统一空口可变参数集包括但不局限于表1中的参数。

表1 空口可变参数集主要参数列

5 结束语

随着无线通信技术的发展，星地融合是大势所趋。

本文在分析现有星地融合业务场景的基础上，提出5G星地融合空口传输的关键技术和潜在的解决方案；面向未来星地网络深度融合的发展，提出了基于可变参数集的星地融合统一空口设计思想，研究结果可为后续星地空口体制研究提供指导和参考。