基于5G技術的低軌衛星物聯網技術

魏肖　成俊峰　王靜賢　崔司千　張景

【摘? 要】基于5G技術的低軌衛星物聯網融合了地面5G技術靈活有效與低軌衛星網絡廣域覆蓋的優勢，是實現全球海量物聯終端廣域連續性泛在接入的必然選擇。針對地面5G技術與低軌衛星物聯網的融合，對低軌衛星物聯網的組成和演進進行了全面概述，論述了技術體制的發展方向;針對低軌衛星物聯網信道特性，對多普勒頻移補償技術、低軌衛星長時延信道補償、衛星物聯網隨機接入等保證傳輸時效性和可靠性必須要解決的關鍵技術進行了適應性分析和設計，為未來低軌衛星物聯網的發展提供支撐。

【關鍵詞】低軌衛星物聯網;5G技術;NOMA;免調度傳輸

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.003? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）03-0014-08

引用格式：魏肖，成俊峰，王靜賢，等. 基于5G技術的低軌衛星物聯網技術[J]. 移動通信， 2020，44（3）： 14-21.

Research on Low-Orbit Satellite IoT Based on 5G Technology

WEI Xiao， CHENG Junfeng， WANG Jingxian， CUI Siqian， ZHANG Jing

（China Academic of Electronics and Information Technology， Beijing 100041， China）

[Abstract]?The 5G-based low-orbit satellite Internet of things （IoT） integrates the advantages of flexibility and effectiveness of terrestrial 5G technology and wide-area coverage of low-orbit satellite network， which is an inevitable choice to realize wide area continuous access for global large devices. Aiming at the fusion of terrestrial 5G technology and low-orbit satellite IoT， this paper gives a comprehensive overview of the composition and evolution of low-orbit satellite IoT， and discusses the development direction of technical systems. In view of the channel characteristics of low-orbit satellite IoT， this paper gives adaptive analysis and design of doppler frequency shift compensation technology， long delay channel compensation of low-orbit satellite， random access of satellite IoT and other key technologies that must be solved to ensure the timeliness and reliability of transmission. This paper provides support for the development of low-orbit satellite IoT in the future.

[Key words]low-orbit satellite IoT; 5G technology; NOMA; grant-free transmission

0? ?引言

近年來，物聯網在金融服務、智能家具和交通、遠程醫療、遙感勘測等各行各業的應用快速增長，它已經作為一種改變人們生活方式的網絡無處不在[1]，因此，NB-IoT、eMTC、LoRa、Sigfox等地面物聯網技術也得到了學術界和工業界的廣泛研究。這些技術在低功耗、低成本、強覆蓋和大容量等性能方面具有一定的優勢，然而，由于基站建設受地理環境的影響，地面網絡無法在沙漠、海洋、擁擠的城市等特殊環境下實現全面覆蓋;另一方面，遠洋物流等大量國際業務的發展，對物聯網的連續覆蓋范圍和容量等提出了更高的需求，加劇了地面物聯網能力受限與不斷增長的業務需求之間的矛盾。

低軌衛星星座通信系統作為地面通信系統的延伸與補充，具有全球覆蓋（含兩極地區）、隨遇接入、容量大等特點，可以有效解決地面通信系統的不足。因此，低軌衛星物聯網應運而生并受到學術界和工業務的廣泛關注和研究[2-4]。然而，衛星通信的遠距離特性導致衛星信道存在大多普勒、長時延和高動態的特征，低軌衛星物聯網面臨時延大、可靠性低等難題。值得關注的是，第五代移動通信技術（5G）可顯著增強通信系統的靈活性與有效性[5]，融合5G技術的低軌衛星物聯網具有更廣的覆蓋、更低的時延和更大的容量，可以實現智能的連通環境，為海量物聯終端提供從任何地方實現廣域連續性泛在接入的服務[6-9]。

本文研究基于5G技術的低軌衛星物聯網架構與關鍵技術，對低軌衛星物聯網的組成和演進進行了全面概述，論述了技術體制的發展方向，并針對低軌衛星物聯網信道特性，基于5G技術，對多普勒頻移補償技術、低軌衛星長時延信道補償設計、衛星物聯網隨機接入等保證傳輸時效性和可靠性必須要解決的關鍵技術進行了適應性分析和設計。

1? ? ?低軌衛星互聯網系統組成

1.1? ?低軌衛星物聯網系統架構設計

一種基于5G移動通信技術體制的低軌衛星物聯網系統架構如圖1所示，整個系統分為空間段、地面段和用戶段三個組成部分，系統基礎平臺采用軟件定義資源虛擬化架構，在空間段和地面段靈活部署功能網元，滿足不同業務的需求。

空間段部署基于5G NR空口體制的星載基站（Sat-gNB， Satellite-generation NodeB），具有完整的基站物理層與協議層信號處理，可實現同一或不同波束下的物聯終端接入和數據采集?？紤]到衛星物聯網的特點，低軌衛星載荷不僅支持gNB基站功能，還將部署定制的輕量化核心網功能，主要包括接入與移動性管理功能（AMF， Access and Mobility Management Function）、會話管理功能（SMF， Session Management Function）和數據面用戶平面功能（UPF， User Plane Function）等定制化功能，以及用于海量物聯數據存儲和預處理的星載邊緣計算功能。每顆衛星既可構成獨立的服務網絡服務終端，也可以作為接入網節點連接其他衛星/地面核心網，當低軌衛星在海洋或偏遠地區上空沒有饋電鏈路連接地面信關站時，單個衛星可自成系統完成對地面物聯終端或其他終端的接入服務，這樣的設計充分考慮了衛星物聯網的業務特點，不僅可減少接入控制平面的時延，而且可降低對星間鏈路的需求，甚至可不依賴復雜的星間鏈路和路由設備實現物聯終端的接入和數據采集、存儲處理，適合低成本的微小衛星平臺進行部署。

地面段：與衛星系統對應，地面段完成饋電鏈路的收發處理，以及類似于地面移動通信網絡中的AMF、SMF、UPF，衛星與與地面核心網采用NG接口。可以將衛星采集存儲的海量物聯數據通過數據面功能網元UPF路由到地面物聯數據服務中心，實現與地面物聯網在數據業務服務層面上的融合。地面可視化智能網絡管理平臺，用于管控天基物聯網的網絡拓撲結構。

用戶段：用戶終端為傳感器等多種形態物聯網終端，主要完成用戶應用數據的采集和編碼調制等發送處理，以及基站下發數據的解調解碼等。物聯終端可采用兼容NB-IoT的Sat NB-IoT技術體制設計，支持同時接入衛星網絡和地面網絡，當同時存在星地接入條件時，地面通信系統的陸地蜂窩網絡將作為業務網絡的入口;當沒有地面接入設施時，物聯網終端可直接接入星載Sat-gNB或者通過簇頭節點匯聚后接入星載Sat-gNB。

1.2? 低軌衛星物聯網系統架構設計

（1）3GPP物聯網標準的演進

先階段低功耗廣域覆蓋（LPWA， Low Power Wide Area）網絡建設從高峰期回到了穩定期，伴隨工業物聯網和5G部署，LWPA業務發展迎來新高峰。目前主流的物聯網技術體制主要包括LoRa、NB-IoT、eMTC等，如圖2所示，關于物聯網技術體制標準的演進，根據3GPP自評估結果和中國獨立評估的結果可知，基于NB-IoT技術體制演進，可滿足ITU mMTC的要求，大概率可以成為5G LPWA技術體制。2019年7月，ITU-R WP5D#32會議上，NB-IoT/eMTC正式被確認作為5G候選技術方案，滿足大規模機器連接（MTC， massive Machine Type of Communication）場景的技術需求。

（2）衛星物聯網技術需求

衛星物聯網相對于現有基于公網基礎設施的物聯網在服務的連續性、泛在頑存、靈活性三方面具有較大優勢，使得衛星物聯網在一些遠洋物流、電力能源設施監測與維護、環境監測、搶險救災等行業應用專網領域具有較好的應用前景。

一是服務的連續性方面，陸地網絡的部署往往是以人口密集區域為主要的考慮因素，全球大部分地區目前沒有陸地移動通信網絡覆蓋，即使有陸地，也存在跨國網絡運營商漫游接入復雜問題，導致例如遠洋物流、陸地長途貨運、航空運輸等物流平臺無法利用地面的4G/5G移動通信網絡提供連續性的物聯接入服務。如圖3所示，基于5G技術體制的低軌星座衛星物聯網可以提供全球范圍的物聯接入能力，與地面網絡形成互補，可以有效滿足上述服務連續性的需求。

二是服務的泛在頑存方面，在海洋環境監測、遠海維權監測、地質災害監測與搶險救災專網應用方面，衛星物聯網不需要在人跡罕至的海上或山區復雜地理條件下部署基礎設施，相比地面網絡具有更高的經濟性和容災抗毀能力。

三是服務的彈性靈活性方面，在某些能源電網基礎設施廣域協同控制，海量物聯終端軟件升級等應用場景下，采用地面的專網基站進行廣播發送，存在能效低下、同步協同困難等問題。廣域多播能力是衛星網絡的天然優勢，一個衛星波束的覆蓋范圍相當于上千個地面物聯網節點（基站）的覆蓋范圍，能較好滿足上述需求。

（3）地面物聯網與衛星物聯網需求差異分析

為實現衛星物聯網與基于5G的非地面網絡的融合，需要分析衛星物聯網需求與地面物聯網絡性能的差異性，如表1所示。以NB-IoT（R13）為代表的地面物聯網技術體制適合靜態的、低速的、對時延不太敏感的“滴水式”交互類業務，但是衛星物聯網存在高動態信道時延、大多普勒變化、用戶終端高移動性、更高的并發接入能力、用戶業務數據速率和接入時延變化范圍大等特性，現有的地面物聯網技術體制無法滿足需求，需要進行適應性演進設計。

（4）衛星物聯網發展趨勢

近年來，國際標準化組織3GPP開始考慮在地面移動通信系統的基礎上支持衛星通信。3GPP最早在R14版本中開展衛星通信給地面5G移動通信帶來的優勢研究;在R15進行了5G使用衛星接入和5G新空口支持非地面網絡的研究，明確了非地面網絡與5G地面網絡的關系、網絡候選架構、參考部署場景及特征、非地面網絡信道模型和新空口支持非地面網絡的潛在影響等。在2018年初，3GPP正式開始了5G非地面空口研究階段的工作，目前，與5G融合的非地面網絡空口已在R17版本中正式立項，預計標準將于2021年完結;SaT5G聯盟由歐洲BT、Avanti、SES、Thales、Airbus、Surrey大學等多個單位聯合成立，也致力于研究和驗證5G關鍵技術在衛星移動通信場景下的應用，已經向3GPP、ETSI、ITU等多個組織遞交了建議書和技術報告。

雖然從上面的對比分析來看，現有的陸地物聯網技術體制與面向衛星物聯網的需求尚存在較大差距，但從長遠發展來看，NB-IoT/eMTC網絡更具成長性，選擇NB-IoT/eMTC及其后續5G演進的物聯網技術體制設計衛星物聯網技術體制，更容易得到產業鏈的支持，未來衛星物聯網更加容易和基于5G技術體制的非地面網絡（NTN， Non-terrestrial Networks）實現融合。因此需要充分借鑒5G關鍵技術的優勢，根據衛星物聯網網絡的特性對其進行適應性研究和設計，以滿足衛星物聯網的通信需求。

2? ? 衛星物聯網空口適應性設計

2.1? 多普勒頻移補償技術

在衛星通信中，特別是低軌衛星通信，多普勒頻移比較大，會影響頻率同步，進而影響系統性能?？紤]到衛星物聯網主要工作在L頻段（2 GHz以下），典型的多普勒頻移參數如表2所示：

對本文所介紹的星載基站處理模式，系統的頻率誤差部分包含多普勒頻移偏差和時鐘晶振偏差。對于多普勒偏移，需要考慮終端的移動和衛星的移動帶來的影響，而時鐘的頻率誤差又包含衛星、終端部件引起的晶振誤差。對于多普勒偏移的估計和補償，可以分為閉環和開環兩種模式，閉環指的是終端不具備星歷信息和全球導航衛星系統（GNSS， Global Navigation Satellite System）定位能力，因而需要基站對頻率偏差進行指示，而開環模式則依賴于星歷信息和GNSS定位能力，終端可以基于星歷信息和位置信息進行多普勒計算，進而獲得實際的多普勒偏移值，提前進行多普勒補償，開環模式比較適合物聯網終端應用，可有效降低終端的復雜度及成本。

對于每個波束，假設波束中心設為參考點，衛星基站側需要補償波束中心點的下行多普勒偏移，物聯網需要處理的多普勒偏移是終端所在的位置相對于波束中心點的多普勒偏移值，這個稱之為多普勒殘差，殘差值比多普勒偏移絕對值小得多，取決于小區半徑大小，在L頻段，一般為1 kHz～2 kHz。

對于多普勒殘差的估計和補償，當星歷信息和位置信息較為準確時，終端可以估計出相應的多普勒差值，從而進行補償，如果星歷信息存在一定偏差時，在下行可以通過同步信號進行信號跟蹤和補償，消除下行的多普勒偏移。對于上行的多普勒偏移，衛星基站側同樣需要進行基于波束中心點的多普勒頻移后補償，每個終端僅進行對于波束中心的多普勒預補償，剩下補充由衛星基站根據中心點情況進行補償。

2.2? 低軌衛星長時延信道補償設計

（1）長延時相對補償和絕對補償過程

低軌衛星物聯系統的時延補償可以采用相對補償和絕對補償。相對補償，用戶特定定時提前（TA， Time Advance），即物聯終端僅補償小區內相對于參考點的差異時延部分，衛星基站側維護公共部分時延。公共時延是指衛星基站到覆蓋區公共參考點的鏈路時延，物聯網終端相對時延是終端根據自己的位置和公共參考點推算出的傳播時延。

終端時延補償步驟如下：

1）終端通過獲取網絡通知的參考點信息;

2）基于星歷信息和位置信息獲得衛星的距離，并計算和參考距離的差值;

3）終端補償定時差值并發送上行NB-IoT物理隨機接入信道（NPRACH， NB-IoT Physical Random Access Channel）信號。

基站時延補償步驟（以再生模式為例）：

1）基于公共參考位置計算用戶鏈路的參考距離和參考時延;

2）根據用戶鏈路的參考時延調整基站的定時，然后檢測上行NPRACH信號，獲取殘留的定時差值。

隨機接入信號發送和相對定時補償如圖4所示：

物聯網終端以初始定時補償信息TA發送NPRACH信號后，獲得NPRACH響應信息，其中指示終端所需的額外的TA補償信息，最后終端基于初始TA和額外的TA獲得總的上行用戶特定TA。

（2）PRACH增加設計

由于物聯網終端采用開環設計模式，即終端具有星歷信息和定位能力，因此能獲得相對準確的頻率和定時估計信息，但是還需要考慮由于衛星運動和終端移動造成的多普勒殘差、定時估計造成的時延估計殘差以及星地信道信噪比低等問題對隨機接入帶來的影響，需要接入信道NPRACH前導碼（Preamble）采用增強發送方案設計。

為了應對定時估計造成的時延估計殘差，需要足夠大的循環前綴（CP， Cyclic Prefix），建議應考慮CP的取值應能應對100 km的時延估計殘差，同時為了降低CP的開銷，可以采用文獻[10]中建議的描述CP插入設計，對于k個重復的長度為k*N的前導碼符號組，只添加一個長度為Ncp的循環冗余CP，形成一個前導碼符號組（symbol group），并且對前導碼符號組在子載波間進行隨機跳重復發送，以應對星地低信噪比傳輸環境，提高單次接入過程成功概率，如圖5所示。可以看出k的數值越大CP的開銷越低，但是k的取值應當在信道相干時間允許的范圍內，否則會導致載波間干擾（ICI， Inter-Carrier Interference）的惡化。

2.3? 衛星物聯網隨機接入過程設計

在低軌衛星物聯網中，為了滿足海量用戶終端低時延、高可靠、低功耗廣域覆蓋等應用需求，必須設計高效的多址接入協議。在海量用戶共享系統容量的情況下，隨機接入技術具有很好的魯棒性，且可以有效降低重傳次數和時延、提升吞吐量，是實現海量物聯終端廣域連續性泛在接入的必然選擇[11-12]。然而，衛星通信網絡的遠距離特性導致衛星信道存在大多普勒、長時延和高動態的特征，傳統移動通信網絡中的隨機接入技術無法直接應用于衛星網絡中。因此，需要針對衛星信道特性，對傳統的隨機接入機制進行研究和適應性改造。

（1）基于競爭的隨機接入過程

基于競爭的隨機接入是指隨機接入前導碼是由用戶從眾多前導碼中隨機選擇一個并主動發起隨機接入，前導碼并非由基站分配所得?；诟偁幍碾S機接入機制包括傳統的4步隨機接入和改進的2-step隨機接入。

1） 4步隨機接入

傳統的基于競爭的隨機接入機制包括4步接入流程，如圖6所示。首先，物聯終端通過隨機接入信道（RACH， Random Access Channel）向衛星基站節點發送隨機接入前導碼;衛星基站通過下行共享信道（DL-SCH， Downlink Shared Channel）向用戶發送由MAC層產生的隨機接入響應;其次，物聯終端通過上行共享信道（UL-SCH，Uplink Shared Channel）向衛星基站發送由媒體接入控制層產生的基于競爭的隨機接入資源請求數據;最后，衛星基站通過DL-SCH向用戶發送由無線資源控制層（RRC， Radio Resource Control）層產生的競爭響應。

4步隨機接入流程中前導碼和資源請求數據被分為兩個部分在不同時刻、不同信道進行傳輸，只有被許可接入的用戶才能使用所分配的信道發送資源請求數據，數據資源分配與其他用戶之間不存在沖突，但存在接入時延大的缺點。

2） 2-step隨機接入

考慮到衛星通信長距離傳輸加劇了4步隨機接入時延大的問題，為了降低衛星物聯網的接入時延并減少信令開銷，提出了改進的2-step隨機接入，其接入流程如圖7所示。首先，用戶通過RACH向衛星基站同時發送隨機接入前導碼和基于競爭的隨機接入資源請求數據;然后，衛星基站通過DL-SCH向用戶發送由MAC層產生的隨機接入響應。

與4步隨機接入不同的是，2-step隨機接入將前導碼和資源請求數據都放在RACH中以競爭的方式進行傳輸，在前導碼和數據部分均正確檢測的條件下可有效降低低軌衛星物聯網用戶的接入時延，但是必須設計適當的隨機接入信道結構。

（2）基于非競爭的隨機接入機制

基于非競爭的隨機接入與基于競爭的隨機接入的不同在于，其衛星基站通過下行專用信令給用戶指派非競爭的隨機接入前導碼，用戶通過發送指派的前導碼從而保證隨機接入不沖突，也就無須在最后解決沖突，可有效滿足低軌衛星物聯網用戶對低時延高可靠的需求。其接入流程如圖8所示，首先，衛星基站通過下行專用信令向用戶指派不同于初始接入時系統信息集合中的隨機接入前導碼;然后，用戶通過RACH向衛星基站發送指派的隨機接入前導碼;最后，衛星基站通過DL-SCH向用戶發送由MAC層產生的隨機接入響應。

（3）結合NOMA的2-step接入與傳輸機制

在5G新型空口中，非正交多址（NOMA， Non-Orthogonal Multiple Access）技術受到了廣泛的關注，NOMA技術可以使多個用戶終端共享相同的接入資源，并通過高級接收機實現接收和譯碼。通過結合免調度機制，采用2-step隨機接入方式，即采用Preamble+NOMA數據的接入機制，結合高效的接收機檢測算法，可以實現低時延高可靠的大規模隨機接入技術，其接入流程如圖9所示。多個物聯終端可能會在相同的資源上同時發起傳輸，再利用NOMA技術的發射機和接收機設計實現多用戶接入，有利于支持更多的用戶數量或業務負載。相比于基于競爭和非競爭的接入機制，免調度傳輸可以有效地縮減系統流程并節約信令開銷，降低時延和功耗，非常適用于衛星長延時信道用戶的接入，是未來低軌衛星互聯網通信最具潛力的技術之一。

在NOMA技術方案中，基于圖樣分割的多址接入技術（PDMA， Pattern Division Multiple Access）作為一種主流方案得到了廣泛關注。PDMA是一種發送端和接收端聯合設計的NOMA方案，發送端通過設計多用戶不等分集的PDMA圖樣矩陣，實現時頻域、功率域和空域等多維度的非正交信號疊加傳輸，獲得較高的多用戶復用和分集增益。

定義過載率（OF， Overloading Facotr）α為PDMA系統復用的用戶個數K與所用正交資源個數N的比值：α=K/N，對于給定的過載率α（通常α取值1.5，3），可以設計多種形式的PDMA圖樣矩陣來實現。滿足如下條件的PDMA圖樣矩陣∈，M≥K>0，都能夠實現多用戶圖樣映射。

（1）

其中，是理論PDMA圖樣矩陣，表示從理論PDMA圖樣矩陣中選取K列構成的PDMA圖樣矩陣。在接收端采用性能較優的置信傳播迭代譯碼算法或者串行干擾消除算法進行信號分離檢測，有效區分不同用戶的請求，實現低時延高可靠的海量隨機接入，可有效提升并發接入能力。

（4）用戶狀態自適應的接入機制選擇策略

衛星發生饋電鏈路切換時，整個衛星的接入用戶都需要接入到新小區，導致新小區面臨大規模用戶的隨機接入，是低軌衛星物聯網接入的重大挑戰。為此，我們提出用戶狀態自適應的接入機制選擇策略，針對用戶當前狀態，采用不同的隨機接入策略。對在饋電鏈路切換前處于連接態的用戶采用基于NOMA的免調度傳輸、處于激活態的用戶采用基于非競爭的隨機接入、處于空閑態的用戶采用基于競爭的隨機接入，有序地在新小區發起隨機接入。

3? ?結束語

基于5G技術體制NTN發展衛星物聯網，并實現與地面移動網絡的融合，是未來衛星物聯網的發展趨勢。本文所提出的基于5G資源虛擬化架構的衛星物聯網系統架構，不僅可減少接入控制平面的時延，可不依賴復雜的星間鏈路和路由設備實現物聯終端的接入、數據采集、存儲處理，適合采用低成本的微小衛星平臺進行部署。在衛星物聯網體制設計方面，通過分析地面物聯網技術體制和衛星物聯網技術體制的發展趨勢及技術需求差異，結合低軌衛星物聯網信道大多普勒和長時延特性，開展了衛星物聯網接入信道分析和設計，提出的結合NOMA和2-step接入的衛星物聯網隨機接入過程可有效節省接入時間，通過NOMA體制實現資源超載預期可提升1.5～3倍物聯終端并發接入能力，為未來基于5G技術的低軌衛星物聯網的發展提供了設計思路。

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作者簡介

魏肖（orcid.org/0000-0001-5064-0450）：

工程師，畢業于華中科技大學，現任職于中國電子科技集團公司電子科學研究院，研究方向為天地一體化通信網絡、無線通信。

成俊峰：助理工程師，畢業于貴州大學，現任職于中國電子科技集團公司電子科學研究院，研究方向為天地一體化通信網絡。

王靜賢：工程師，畢業于北京郵電大學，現任職于中國電子科技集團公司電子科學研究院，研究方向為天地一體化通信網絡。