物理层技术前沿_前沿 | 星地融合的3GPP标准化进展与6G展望

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前沿 | 星地融合的3GPP标准化进展与6G展望

文 | 王爱玲，潘成康(中国移动通信有限公司研究院)

摘   要

非地面网络致力于将卫星通信与5G融合，构成海陆空天地一体化网络，为全球提供无缝覆盖。卫星通信技术首次在3GPP进行标准化，其与6G前沿技术“天地一体化”密切相关。本文首先概述了非地面网络在3GPP中的标准化研究进程；然后介绍了5G支持非地面网络的物理层关键技术及其在3GPP中的研究进展；最后对未来6G星地融合的无线传输技术进行分析展望并总结全文。

一 引言

5G虽已开始全球商用，但因地理条件与商业模式的限制，其无法保障远洋与陆地边远地区网络覆盖。为突破地形限制，将卫星通信与地面网络融合构成全球无缝覆盖的海陆空天地一体化立体网络，成为当前学术界和产业界的研究热点。卫星通信研究已有漫长历史，如摩托罗拉的“铱星计划”以及Space X发布4.2万颗低地球轨道卫星(Low Earth Orbiting, LEO)的“星链计划”等。

3GPP和ITU等国际组织成立了相应的工作组进行星地融合的标准化研究，国内的CCSA也于2019年成立了航天通信技术工作委员会(TC12)开展星地一体化的研究工作。其中3GPP立项的非地面网络(Non-terrestrial networks, NTN)致力于将卫星通信与5G融合，解决新空口(New Radio, NR)支持NTN的关键问题。相比ETSI推出的相对成熟的DVB S2/S2X卫星协议，卫星通信技术是首次在3GPP进行标准化，其标准化工作将为6G星地融合研究奠定了技术基础。而未来空天地一体化网络主要关注深度融合，将多元的通信平台结合起来，提供更加广阔和多样化的通信服务。

本文将介绍3GPP NR支持NTN的物理层关键技术及标准化研究进展，并探讨分析面向6G星地融合的无线传输技术。

二 3GPP NTN标准化概述

3GPP RAN工作组在R15对“支持非地面网络的新空口”进行了研究项目(Study Item, SI)立项，并发布研究报告TR 38.811，该报告定义了包括卫星网络在内的NTN部署场景及信道模型[1]。根据TR 38.811结论，R16的“NR支持非地面网络的解决方案”SI仿真评估了不同部署场景的性能以及NR适应性分析。2019年12月，R16 SI结项并发布TR 38.821[2]。

2019年12月3GPP RAN 86次会议召开，围绕“网络智慧化、能力精细化、业务外延化”对5G+演进进行了R17标准立项，其中包括面向能力拓展的非地面网络通信，即将R16 SI转为工作项目(Work Item, WI)，重点研究NR NTN增强方案[3]。R17还进行了“NTN上的NB-IoT/eMTC”SI立项[4]。图1为3GPP NTN标准化进程路线图。

 图1 3GPP NTN标准化进程路线图

三 NTN物理层关键技术 1、 时序关系

NTN中较大的双向传输时延(Round Trip Time, RTT)将导致用户间上下行帧时序存在较大偏移，需要增强NR中的物理层时序关系。

PDSCH接收时序从下行时序角度定义，与上下行交互无关，不受上下行帧时序大偏移的影响，故在NTN中无需增强。但对于通过DCI调度PUSCH传输、通过RAR grant调度PUSCH传输、在PUCCH上传输HARQ、MAC CE响应、CSI RS、非周期SRS传输等与上下行交互有关的时序关系，需引入Koffset参数做时序增强。Koffset取值可以小区或波束为单位配置，其具体取值在WI确定。WI还需讨论Koffset是通过广播还是高层参数配置方式通知给UE，以及扩展K1/K2取值范围的可能性等。

2、上行定时提前与RACH增强

(1) 定时提前

定时提前(Time Advance, TA)用来指示UE根据指令提前相应时间发送上行数据，确保接收侧的时间同步。但NR的TA机制不能满足NTN几百甚至几千km的传输距离要求。R16考虑将TA设计为公共TA和UE专用TA的组合形式，并讨论了两种TA补偿方式。

第一种是根据用户位置和星历信息自动获取TA值。UE计算并补偿全部TA，网络侧无需上下行帧对齐，全部TA包括用户链路影响；或UE计算并补偿UE专用TA，在网络侧上下行帧之间存在公共TA偏移，此时网络侧需增加额外的复杂度来管理上下行调度时序。

第二种是基于网络侧指示TA调整。网络侧获取公共TA并广播给UE，公共TA的计算考虑每波束或每小区选取一个参考点为基准；UE专用TA调整可复用R15闭环TA指示方式，且考虑扩展RAR TA指示范围以及TA可取负值等。

上述两种方式仍有一些优化工作需在R17完成。

(2) RACH增强

R17根据UE是否具有定位能力来确定是否增强RACH。若UE可精确获取用户位置信息并进行时频偏预补偿，则可复用R15 PRACH和报文序列；若UE不能进行时频偏预补偿或无定位能力，则需要增强设计PRACH和报文序列。此外NTN也可考虑采用R16中的两步接入来简化初始接入流程。

3、 频偏补偿

卫星移动性导致的大多普勒频移将严重影响帧同步、随机接入等流程，NTN中需考虑多普勒频偏估计与补偿。

对于下行频率补偿，在网络侧进行波束专用的公共频偏预补偿，复用R15 SSB设计就能提供稳健性能。对于上行频率补偿，在网络侧进行波束专用的公共频偏后补偿。UE利用下行RS、UE位置信息及星历信息做频偏估计，并在UE侧完成上行UE专用频偏补偿；或网络侧通过上行RS做频偏估计，并指示UE做上行频偏预补偿。具体的信令设计在R17完成。

4、可容忍时延重传机制

混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat reQuest, HARQ)机制可保证信息完整性，降低误码率，提高传输可靠性。但NTN中RTT较大，所需最小HARQ进程数远远多于NR支持的16个。R16中为降低重传时延影响，支持HARQ可配及可容忍时延重传机制。

1)HARQ关闭机制

网络侧可准静态配置HARQ开关状态。当HARQ功能关闭时，下行数据传输无上行反馈。为了保证数据传输可靠性，针对不同用户或业务可配置不同重传次数或连续时隙聚合数。R17研究是否支持动态HARQ关闭及HARQ关闭后DCI中与HARQ相关的域保留与否等问题。

2)HARQ传输增强机制

另一种解决NTN HARQ进程数需求多的方法是增加HARQ进程数来匹配更长的卫星双向传输时延。HARQ进程数量的增加需考虑HARQ反馈、HARQ缓存大小等因素的影响。是否通过改变DCI中HARQ进程数域的比特长度来增加进程数在R17中确定。

5、 物理层控制流程

星地链路大传输时延导致控制回路反应慢，对物理层流程特别是闭环控制流程性能产生严重影响，包括功率控制和链路自适应调制编码(Adaptive Modulation and Coding, AMC)等。

为减少NTN中大尺度衰落与路径损耗影响，上行功控是必须的。R16虽然讨论了比如功控参数可波束专用配置、基于预测的功控调整、基于组的功控参数配置等功控优化方案，但未形成收敛结论。功率调整仍沿用R15闭环功控方式，但在NTN中做到准确及时调整具有很大挑战。

AMC通过调整无线传输的调制方式与编码速率，来确保链路的传输质量。为解决信道状态信息(Channel State Information, CSI)上报过时问题，R16讨论了多种优化方案但未形成收敛结论。根据SI讨论结果，LEO场景可继续沿用R15定义的CSI反馈机制。

四  6G星地融合无线传输技术分析

根据空间平台搭载卫星能力的不同，TR 38.811定义了两种典型传输架构，一种是透传也称为弯管转发传输，即信号在卫星上只进行频率的转换、信号的放大等过程，卫星对于信号而言是透明的，仿佛不存在一样；另一种是非透传也称为再生(星上接入/处理)传输，即卫星具有部分或全部基站功能[1]。而R17关于卫星通信与5G融合的NTN解决方案，主要考虑弯管转发模式，其实现复杂度比星上再生模式简单，且为了进一步简化设计方案，假设所有UE都具有GNSS定位能力[3]。虽然3GPP还在进行NTN的标准讨论，但因时间限制，将会遗留一些有待优化的问题。而6G星地融合也会带来一些技术方案需要在6G进一步研究与完善。

6G空口技术需应对满足6G能力愿景需求，在空口接入能力和立体覆盖能力上显著提升。面向6G的星地融合关注卫星与地面网络空口设计方案融合统一，在空口无线传输技术设计上也将面临一些挑战。

1、极简接入与同步

从6G空口物理层设计方案来看，星上功率、处理能力受限以及星地链路长延时、卫星移动性导致的高多普勒频移等因素的影响，对接入和同步设计带来了很大挑战。面向6G，星地融合应用场景将更加广泛，无论是否具有GNSS定位能力的用户终端都需考虑在研究范围内。为有效降低处理时延、提高用户体验，需进一步研究极简随机接入、定时提前、时频偏估计与补偿方案，以无定位能力终端接入方案等。

2、高效联合传输机制

由卫星承载地面基站的部分或全部功能将成为技术研究趋势，即需要更加注重对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图来更好的实现全球广域覆盖，多星模式下的卫星可直接通过星间链路相互通信，因此多星协作或星地协作下的高效联合传输方案也是研究重点。此外，还需研究容忍高时延的HARQ传输机制，提高星地融合传输性能。

3、新波形与多址接入

针对6G星地融合更广泛的部署场景需求及更高的频谱效率需求，需研究抗大时延与频偏的高鲁棒性波形设计，并根据目标场景和业务的不同，灵活选择子带带宽、子载波间隔、滤波器长度和循环前缀等系统参数，实现统一兼容的波形框架设计。另外为了支持卫星互联网海量用户终端接入，面对日益突出的频谱资源受限问题及高频谱效率空口技术需求，需进一步研究多址接入技术。

4、移动性与干扰管理

较高的卫星移动速度使每颗星服务用户的时长可能只有几十秒，将会导致频繁的波束切换。6G星地融合中的波束切换可能包括相同卫星的星内波束切换、不同卫星的星间波束切换或多连接情况下不同星地通信系统之间的切换等。因此需要研究6G星地融合统一移动性管理方案及切换策略，简化切换流程、降低信令开销、提高切换可靠性。此外，面对有限的频谱资源，使用频谱共享技术可提高频谱利用率但也将导致不同信道间干扰、不同子载波间隔干扰等；相比于独立的通信系统，融合的空天地一体化系统干扰类型将更加复杂多样。因此可以研究基于区块链的动态频谱共享技术，实现更智能、分布式的动态频谱共享接入技术；研究频谱感知、参考信号设计、信道测量与反馈机制以及高效的干扰删除/抑制机制等。

五 结束语

目前，3GPP已完成了5G星地融合两个版本的SI标准讨论，并发布了相应的技术报告。基于SI结论，本文概述了5G NR支持NTN的物理层关键技术及其在3GPP中的标准化研究进展，并进一步分析了面向6G的星地融合无线传输技术。星地融合作为6G关键技术之一，如何实现卫星与地面网络的统一空口设计与星地间互联互通将是未来的重点研究方向。

从全球研究趋势来看，世界各国都在不同程度上展开了星地融合技术研究。卫星通信虽未大范围商用，但以“星链计划”为例的目的之一也在于优先抢占有限的轨道空间资源和频谱资源。面向未来，需进一步的研究星地融合技术，未雨绸缪，占得先机。

参考文献 

[1]3GPP. 3GPP TR 38.811: Study on New Radio (NR) to support non terrestrial networks V15.0.0 (Release 15) [R]. 2018.06.

[2]3GPP. 3GPP TR 38.821: Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN) V1.0.0 (Release 16 ) [R]. 2019.12.

[3]Thales. 3GPP RP-193234: New WID: Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN) [R]. 2019.12.

[4]MediaTek Inc. 3GPP RP-193143: New Study WID: New Study WID on NB-IoT/eTMC support for NTN [R]. 2019.12.

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