LEO大型星座中的5 G技術(shù)集成

作者 /Alessandro Guidotti，Alessandro Vanelli-Coralli，Oltjon Kodheli，Giulio Colavolpe，Tommaso Foggi翻譯/郭 威

（1.意大利博洛尼亞大學(xué)電學(xué)、電子學(xué)和信息工程學(xué)系，博洛尼亞（Bologna）；2.意大利帕爾馬大學(xué)信息工程學(xué)系，帕爾馬；3.德國(guó)諾達(dá)衛(wèi)星通信系統(tǒng)（北京）有限公司，北京 100016）

1 引言

由于衛(wèi)星通信（SatCom）系統(tǒng)具有天然的大范圍覆蓋優(yōu)勢(shì)，所以不僅是在農(nóng)村地區(qū)和有緊急事件發(fā)生的情況下，而且在人口密集的業(yè)務(wù)超載地區(qū)，都能夠?yàn)榈孛婢W(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充和延伸提供寶貴的和經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。在這種情況下，把LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）與擁有成百上千顆衛(wèi)星的LEO大型星座系統(tǒng)相互集成，便越來越引起人們的關(guān)注（參考文獻(xiàn)[1]-[9]），并已于若干近期的商用嘗試中進(jìn)行了演示。此外，3GPP無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）的活動(dòng)也正在進(jìn)入關(guān)鍵階段，針對(duì)5G系統(tǒng)的第一部物理層（PHY）標(biāo)準(zhǔn)幾近完成，這就為明確地制定一個(gè)完善的“衛(wèi)星-地面總體架構(gòu)”提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)。尤其如參考文獻(xiàn)[8]-[9]中所述，3GPP已經(jīng)開始了有關(guān)非地面網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)，這在RAN（無線接入網(wǎng)）的活動(dòng)中是一個(gè)新的研究項(xiàng)目。

本文首先介紹了一個(gè)把5G技術(shù)及進(jìn)程與一個(gè)LEO大型星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)相集成的候選架構(gòu)，然后對(duì)大多普勒頻移和長(zhǎng)傳輸時(shí)延等典型的衛(wèi)星信道缺點(diǎn)及其危害進(jìn)行若干描述，最后集中討論具有嚴(yán)格定時(shí)要求特征的波形和PHY/MAC層進(jìn)程，以及相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)和問題陳述

在這里，我們考慮的是一個(gè)LEO大型星座系統(tǒng)為若干具有衛(wèi)通能力的地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)施提供回傳連接。在這一系統(tǒng)中（見圖1），表示為NR（新無線電）的地面5G終端（UE）在每個(gè)地面蜂窩中均通過地面的5G鏈路與具有衛(wèi)通能力的設(shè)施相連。LEO大型星座中的衛(wèi)星均假設(shè)為透明式的衛(wèi)星，而關(guān)口站則通過一條理想的饋線鏈路與衛(wèi)星相連，并提供到5G核心網(wǎng)絡(luò)（CN）的接入。需要指出的是，除了透明式衛(wèi)星，3GPP的RAN（無線接入網(wǎng)絡(luò)）會(huì)務(wù)也在討論再生式衛(wèi)星（譯注3）的使用（參考文獻(xiàn)[8]）。不過，除非特別聲明，后文均僅指透明式衛(wèi)星。最后，鑒于時(shí)分雙工（TDD）因時(shí)延長(zhǎng)而不可用，所以本文中的幀結(jié)構(gòu)均假設(shè)為頻分雙工（FDD）。

我們假設(shè)具有衛(wèi)通能力的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施叫作RN（中繼節(jié)點(diǎn)），即低功率基站（通過衛(wèi)星）被連接到某一DgNB（Donor gNB），其中g(shù)NB為L(zhǎng)TE eNB的5G演進(jìn)。

在這一架構(gòu)中涉及到了Sat-gRN接口。盡管RN在LTE中已有定義（參考文獻(xiàn)[10]），但在未來的5G架構(gòu)中卻還沒有。不過現(xiàn)已商定，在未來的版本中還會(huì)有RN（參考文獻(xiàn)[11]）。所以在后面的討論中，我們就把5G中的RN假設(shè)為gRN，遵從LTE標(biāo)準(zhǔn)中的相同原理。在這種特定的情況下，gRN和LEO衛(wèi)星之間的空中接口，與傳統(tǒng)的NR和gNB之間的接口，被認(rèn)為是一致的。gRN在第三層（L3）上對(duì)無線電協(xié)議進(jìn)行處理。據(jù)此觀察：在NR看來，gRN就是個(gè)gNB；而在對(duì)應(yīng)的DgNB看來，gRN就是個(gè)NR。

圖1 Sat-gRN系統(tǒng)架構(gòu)

在我們所討論的系統(tǒng)架構(gòu)中，假設(shè)DgNB被設(shè)置在系統(tǒng)關(guān)口站，并與5G的核心網(wǎng)絡(luò)（CN）互通。需要強(qiáng)調(diào)的是，每個(gè)gRN都創(chuàng)建了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的地面的5G蜂窩，供NR均過標(biāo)準(zhǔn)的NR空中接口連接進(jìn)來，即地面接入鏈路在我們所討論的系統(tǒng)中無需進(jìn)行任何修改。如此一來，對(duì)于長(zhǎng)傳輸時(shí)延和大多普勒頻移所造成的影響，將主要針對(duì)gRN-Sat空口進(jìn)行研究。

2.1 傳輸時(shí)延

在參考文獻(xiàn)[8]中討論了一種只部署了一顆衛(wèi)星的非地面網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。為了計(jì)算gRN-Sat-GW單向鏈路的傳輸時(shí)延，我們假設(shè)采用類似的場(chǎng)景，并考慮LEO衛(wèi)星的海拔高度為h=1500km。當(dāng)仰角為90°時(shí)，LEO衛(wèi)星和gRN之間的距離最短，而最長(zhǎng)的距離則還需視仰角而定。我們特意假設(shè)了gRN-Sat仰角θgRN=10°和GW-Sat仰角θGW=5°時(shí)的場(chǎng)景。在這種最差情況的場(chǎng)景中得出的單向傳輸時(shí)延為（參考文獻(xiàn)[8]）：

而雙向傳輸時(shí)延則為此值的兩倍：

從后面的討論中可以看到，這一數(shù)值顯著大于4G和5G的PHY/MAC進(jìn)程所允許的最大定時(shí)要求，因而必須對(duì)其影響進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u(píng)估，以便了解是否還能采用同樣的5G技術(shù)和算法，或者是否需要在這種場(chǎng)景下適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行一些修改。

這里特別有一點(diǎn)是毋庸置疑的，那就是相對(duì)于在公式（1）和（2）中所顯示的衛(wèi)星鏈路上的長(zhǎng)傳輸時(shí)延，處理時(shí)延是可以不必考慮的。因?yàn)槲覀兛梢约僭O(shè)處理時(shí)延等同于LTE網(wǎng)絡(luò)中的處理時(shí)延，而其典型值只有1～2ms，所以可以忽略不計(jì)。

這里必須強(qiáng)調(diào)的是，這里計(jì)算是最差情況下的場(chǎng)景，即UE和GW的仰角都非常低（參考文獻(xiàn)[8]）。

而當(dāng)我們部署一個(gè)LEO大型星座時(shí)，由于可用的衛(wèi)星的數(shù)量非常巨大，提供服務(wù)的衛(wèi)星不大可能是那顆幾乎位于地平線上的衛(wèi)星。正如在參考文獻(xiàn)[1]和[2]中所討論的那樣，提供服務(wù)的衛(wèi)星與gRN之間的最低仰角大概在45°左右。所以在任何情況下，本文中所報(bào)告的分析都總是適用的，提供的都是場(chǎng)景為最差情況時(shí)的結(jié)果。

2.2 多普勒

在5G的需求中，當(dāng)頻率低于6GHz時(shí)，目標(biāo)用戶的移動(dòng)速度被設(shè)定在500km/h。在能夠保證NR所預(yù)定的QoS的條件下，相對(duì)于提供服務(wù)的gNR，這一速度也被定義為最高的NR速度。如果考慮載波頻率為4GHz，則很容易得出最大的多普勒頻移是1.9kHz。

而當(dāng)我們考慮gRN-Sat 鏈路時(shí)，多普勒頻移完全是由衛(wèi)星在其軌道上的運(yùn)動(dòng)造成的。尤其當(dāng)我們假設(shè)h=1500km，下行和上行頻率分別為20GHz和30GHz的一個(gè)Ka頻段系統(tǒng)時(shí)，可以得出vsat=7.1171km/s，而最大的多普勒頻移范圍則在400kHz＜fd＜600kHz之間（參考文獻(xiàn)[8]）。

從中能夠注意到，這些數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在地面5G鏈路中可以預(yù)見的最大的多普勒頻移，所以就有可能顯著影響NR的波形。

3 技術(shù)挑戰(zhàn)和解決方案

3.1 波形

3GPP已經(jīng)約定，至少針對(duì)增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）業(yè)務(wù)，以及超可靠和低時(shí)延通信（uRLLC）業(yè)務(wù)，通過借助于一種靈活可擴(kuò)的數(shù)字學(xué)原理，在上行鏈路和下行鏈路的傳輸上會(huì)依靠CPOFDM技術(shù)。但應(yīng)該指出的是，在上行鏈路中仍可使用傳統(tǒng)的LTE SC-FDMA波形。在3GPP技術(shù)規(guī)范的報(bào)告中，子載波間隔（SCS）被定義為L(zhǎng)TE傳統(tǒng)間隔的整數(shù)倍，即SCS=15?2nkHz，其中n為非負(fù)的整數(shù)。

通過在前面對(duì)我們所考慮的場(chǎng)景及其計(jì)算可以看出，gRN要經(jīng)受的多普勒頻移明顯高于預(yù)知的NR波形的子載波間隔（SCS），所以需要采取一些適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

圖2 gNR位置估算

首先，在gRN中可以配備GNSS接收機(jī)以對(duì)衛(wèi)星的位置進(jìn)行估算，這樣多普勒頻移就可以在系統(tǒng)關(guān)口站預(yù)先得到補(bǔ)償。由于在關(guān)口站上，這樣的信息以及衛(wèi)星的軌道信息均可獲得，所以對(duì)多普勒頻移就能夠預(yù)先在很大的程度上進(jìn)行補(bǔ)償。從圖2中可以看出，gRN和衛(wèi)星之間的距離|d（t）|和仰角θ（t），都是能夠通過簡(jiǎn)單的幾何分析計(jì)算得出的（參考文獻(xiàn)[1]-[2]）。

如果gRN對(duì)衛(wèi)星位置的估算產(chǎn)生了偏差，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的仰角θ（t）和錯(cuò)誤的衛(wèi)星距離|de（t）|時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)多普勒頻移殘余，其數(shù)值應(yīng)被限制在NR的子載波間隔（SCS）所能應(yīng)付得了的最大的多普勒頻移之內(nèi)，這在SCS=480kHz時(shí)大約為30.4kHz。在圖2的基礎(chǔ)上，通過幾何分析，多普勒頻移殘余可以被計(jì)算為估算誤差和衛(wèi)星仰角的函數(shù)。借助參考文獻(xiàn)[1]-[2]中所建議的方法，可以得到如圖3中所示的不同仰角下的多普勒頻移。必須指出的是，最大的多普勒頻移殘余出現(xiàn)在90°時(shí)的仰角，而在仰角最低的時(shí)候，多普勒頻移殘余則可以忽略不計(jì)。

圖3 作為仰角和位置估算誤差的函數(shù)的多普勒頻移殘余，20GHz下行鏈路（左）和30GHz上行鏈路（右）

至于在PHY/MAC層面的進(jìn)程，3GPP的活動(dòng)仍在進(jìn)行當(dāng)中。雖然一些詳細(xì)的參數(shù)描述還有待完成，但這些進(jìn)程的主要特征均已得到了定義。為了分析長(zhǎng)RTT和大多普勒頻移對(duì)這些進(jìn)程的影響，在NR參數(shù)尚未定義的情況下，將考慮采用來自于LTE標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)。

3.2 隨機(jī)訪問

3GPP對(duì)NR的RA進(jìn)程進(jìn)行了定義，該進(jìn)程與LTE中的進(jìn)程是相似的，即要么基于競(jìng)爭(zhēng)方式，要么基于無競(jìng)爭(zhēng)方式。至于采取何種方式，則需根據(jù)當(dāng)前操作是正在進(jìn)行簡(jiǎn)單交接，還是正在首次接入5G網(wǎng)絡(luò)。鑒于無競(jìng)爭(zhēng)方式與基于競(jìng)爭(zhēng)方式的前兩個(gè)步驟相對(duì)應(yīng)，所以這里集中討論基于競(jìng)爭(zhēng)方式的進(jìn)程。

可以注意到這里有兩個(gè)不同的定時(shí)器（參考文獻(xiàn)[1]-[2]，[12]）：在步驟二中的隨機(jī)訪問響應(yīng)（RAR）時(shí)間窗口，最大可設(shè)置到15ms；以及步驟四中的競(jìng)爭(zhēng)分辨定時(shí)器，最大可設(shè)置到64ms。前文中曾對(duì)雙向傳輸時(shí)延Tprop-2way進(jìn)行計(jì)算，并得出其最大值在所我們考慮的系統(tǒng)里等于51ms。競(jìng)爭(zhēng)分辨定時(shí)器大于此值，所以不存在問題；但RAR時(shí)間窗口卻是低于所期望的通信時(shí)延的。

一方面，一種可能的解決方案就是把RAR定時(shí)器增大，使其最大值大于51ms的時(shí)延。另一方面，RA進(jìn)程其實(shí)僅出現(xiàn)在gRN啟動(dòng)期，即僅于gRN著入過程的第一階段才在gRN-Sat的空口上起作用。

一旦gRN被連接到了DgNB，就成為了一個(gè)固定的網(wǎng)元，也就不再需要RA進(jìn)程了。由于衛(wèi)星軌道和gRN的位置通過觀察都是可知的，因而可以部署一個(gè)自組網(wǎng)（Ad Hoc Network），通過在gRN啟動(dòng)期執(zhí)行自組網(wǎng)調(diào)度程序來克服這一技術(shù)障礙。

3.3 HARQ（譯注4）

根據(jù)3GPP的預(yù)測(cè)，5G系統(tǒng)中的HARQ協(xié)議將基于LTE停等式（SAW）的并行HARQ處理。并行HARQ處理的最小數(shù)量的定義是HARQ處理時(shí)間（THARQ）與傳輸時(shí)間間隔（TTI）的比值，即THARQ/TTI，其中THARQ為“ACK時(shí)間窗口+傳輸時(shí)延”。經(jīng)協(xié)商，NR應(yīng)該支持多HARQ配置以增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，而在LTE中卻只允許有一個(gè)配置，且該配置僅容許8個(gè)并行HARQ處理。

在前文中我們所考慮的場(chǎng)景中，影響THARQ最關(guān)鍵的參數(shù)是51ms傳輸時(shí)延。如果假設(shè)在LTE中，TTI為1ms，ACK接收時(shí)間窗口為8ms，我們能夠得出并行HARQ處理的最小數(shù)量為NHARG=（51+8）/1=59。

如此大量的并行處理，一方面會(huì)影響NR軟緩存的大小，因?yàn)檐浘彺娴拇笮∈钦扔凇癗HARQ?TTI”的；另一方面還會(huì)影響下行鏈路控制信息（DCI）域的比特寬度（在LTE中因?yàn)椴⑿蠬ARQ處理的數(shù)量為8，所以DCI域僅有3個(gè)比特）。

為了解決上述問題，可以設(shè)想有如下幾種方案：一是增大緩存的容量，以支持?jǐn)?shù)量巨大的HARQ處理。二是通過使用2比特ACK應(yīng)答（參考文獻(xiàn)[13]），保持對(duì)緩存容量進(jìn)行控制，增加HARQ處理的數(shù)量以通知發(fā)送端“收到的包和原始發(fā)出的包有多接近”。這樣，由于發(fā)送端能夠根據(jù)反饋信息增加冗余比特，所以重傳的數(shù)量就會(huì)減少。三是減少HARQ處理的數(shù)量并減小緩存的容量，當(dāng)然這樣也就會(huì)降低系統(tǒng)的吞吐量；不采用HARQ協(xié)議，針對(duì)碰撞、不可解碼分組等有關(guān)問題，尋找其他解決方案。

4 結(jié)束語

本文在最新的3GPP技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，介紹了一種5G技術(shù)和LEO大型星座相集成的可能架構(gòu)，重點(diǎn)研究了與5G波形和PHY/MAC進(jìn)程有關(guān)的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。多普勒頻移對(duì)于波形的影響可以通過精確的GNSS接收機(jī)予以補(bǔ)償，當(dāng)然也可以考慮加大NR可用的子載波間隔。長(zhǎng)傳輸時(shí)延對(duì)RA進(jìn)程的影響，則既可以通過部署自組網(wǎng)，在gRN啟動(dòng)期予以限制，也可以通過增大RAR定時(shí)器予以限制。文中最后推導(dǎo)出在前文中所考慮的場(chǎng)景里，至少需要進(jìn)行59個(gè)HARQ并行處理，這會(huì)明顯增加NR的緩存容量和DCI域的負(fù)擔(dān)。而有一些解決方案則可以用來保持HARQ處理的數(shù)量和緩存容量，使其處于控制之中。

需要指出的是，本文考慮的是透明式衛(wèi)星，如果衛(wèi)星是再生式的（譯注3），則需要進(jìn)行不同的分析。尤其在再生式衛(wèi)星的情況下，雙向傳輸時(shí)延只包括gRN-Sat鏈路，因而我們可以得出其時(shí)延值為Tprop-2way=24.32ms（參考文獻(xiàn)[8]），是透明式衛(wèi)星情況的一半。

譯注：

1.本文作于數(shù)月以前。由于地面4G和5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在不斷發(fā)展，有些領(lǐng)域在這期間已經(jīng)出現(xiàn)了的新突破。盡管如此，考慮到衛(wèi)星通信部分的發(fā)展相對(duì)滯后，所以針對(duì)空間段衛(wèi)星通信鏈路部分的討論仍然是適用的，并十分值得借鑒的。

2.PHY/MAC：物理層和媒體訪問控制層。

3.再生式衛(wèi)星：指具有一定星上處理功能，如分組交換、IP路由、網(wǎng)狀網(wǎng)等功能的衛(wèi)星及網(wǎng)絡(luò)。

4.HARQ：混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求。