存量5G手機(jī)直連低軌衛(wèi)星通信技術(shù)研究

孫曉南 周世東 侯利明 康紹莉

1 中信科移動通信技術(shù)股份有限公司 北京 100083

2 清華大學(xué) 北京 100084

引言

近年來，衛(wèi)星通信以其覆蓋范圍廣、傳輸容量大、不受地形環(huán)境限制等特點受到越來越多的關(guān)注，成為5G(第五代移動通信)及未來6G(第六代移動通信)無線通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分和潛在業(yè)務(wù)增長點。以StarLink和OneWeb為代表的低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)如火如荼，可為用戶提供寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，其商業(yè)前景備受關(guān)注。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP(第三代合作伙伴計劃)已經(jīng)完成了5G標(biāo)準(zhǔn)化的R17版本，支持NTN(非地面網(wǎng)絡(luò))場景的接入服務(wù)，包括透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下的衛(wèi)星通信服務(wù)[1-2]。2022年5月，ITU(國際電信聯(lián)盟)也發(fā)布了《IMT-2020衛(wèi)星無線電接口愿景與需求報告書》，標(biāo)志著5G衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)正式向全球征集候選技術(shù)方案，ITU計劃在2025年前對提交的候選技術(shù)進(jìn)行評估，并完成5G衛(wèi)星無線電接口的標(biāo)準(zhǔn)建議書[3]。與寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相比，手機(jī)直連衛(wèi)星模式以其受眾廣、終端便攜、市場潛力巨大等特點，自2022年開始成為新的研究熱點。國際上，以AST Space Mobile為代表的美國初創(chuàng)衛(wèi)星公司積極開展手機(jī)直連衛(wèi)星的技術(shù)試驗，SpaceX和T-mobile合作表示將部署能夠利用手機(jī)直接接入的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，愛立信、泰雷茲、高通聯(lián)合聲明將共同研制5G NTN衛(wèi)星系統(tǒng)，蘋果公司也表示iPhone14等產(chǎn)品將支持衛(wèi)星通信。國內(nèi)的衛(wèi)星運營商、地面運營商、系統(tǒng)廠商、終端廠商等，均在積極關(guān)注手機(jī)直連衛(wèi)星的需求與技術(shù)發(fā)展[4]。手機(jī)直連衛(wèi)星是5G及未來6G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個重要方面，使得應(yīng)用最廣泛的移動通信終端與覆蓋范圍最大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合，是增強終端能力與網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣度的重要方法，是對傳統(tǒng)的依靠專用終端的、以話音及低速率業(yè)務(wù)為主的衛(wèi)星移動通信的重新定義，是面向6G真正實現(xiàn)隨遇接入、無縫覆蓋的重要舉措。手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)的基本愿景為：地面移動網(wǎng)絡(luò)手機(jī)終端可以無感知地在地面移動網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)間接入和切換，真正實現(xiàn)手機(jī)終端在全球范圍內(nèi)的無縫覆蓋以及不間斷服務(wù)[4-7]。

手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)因為現(xiàn)有巨大的手機(jī)終端數(shù)量而備受業(yè)界的青睞。據(jù)統(tǒng)計，截至2023年初，全球活躍的移動終端接入數(shù)量超過55億，如此海量的手機(jī)終端規(guī)模使得存量手機(jī)直連衛(wèi)星模式具有極大的商業(yè)潛力。因此，業(yè)內(nèi)商業(yè)巨頭紛紛將目光投向手機(jī)直連衛(wèi)星領(lǐng)域，手機(jī)直連衛(wèi)星模式也呈現(xiàn)出了不同的技術(shù)特點，主要有3條技術(shù)路線，其一為基于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信技術(shù)的手機(jī)直連應(yīng)用，基于傳統(tǒng)體制定制終端，比如iPhone14手機(jī)終端計劃通過GlobalStar衛(wèi)星接入；其二為基于3GPP R17 NTN版本的手機(jī)直連[8]，需要未來新開發(fā)終端，比如泰勒斯、高通和愛立信聯(lián)合發(fā)表聲明的未來開發(fā)；其三為基于當(dāng)前的存量手機(jī)直連衛(wèi)星，基于存量終端，比如R15版本的5G手機(jī)或LTE手機(jī)[9]。考慮到存量終端規(guī)模很大且用戶的換機(jī)時間拉長，本文重點研究第三種技術(shù)路線的5G存量手機(jī)直連衛(wèi)星涉及的關(guān)鍵問題。

1 手機(jī)直連衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)路線

對于低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，通信頻段、終端的發(fā)送功率等因素的不同，終端的形態(tài)也會有所不同。從終端的天線類型來看，衛(wèi)星通信終端可以分為拋物面終端、相控陣終端、普通手持終端等多種類型。手機(jī)是普通手持終端的最典型代表，其傳統(tǒng)上連接地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)，在特定場景下需要連接衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。因此，本節(jié)主要分析手機(jī)直連衛(wèi)星情況下，能夠達(dá)到的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，以及潛在的技術(shù)路線。

1.1 手機(jī)直連低軌衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分析

手機(jī)直連衛(wèi)星相比手機(jī)在地面蜂窩網(wǎng)工作，在一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)方面會有較大的影響。下面對一些主要指標(biāo)的影響進(jìn)行分析。

1)峰值速率

手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)受終端天線增益、發(fā)射功率等因素的影響，造成上下行速率受限，其峰值速率相比VSAT終端或傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)而言有較大降低。

2)頻段帶寬

手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)，受無線傳播特性以及終端天線形式等因素的影響，一般工作在低頻段，如L、S或C頻段。按照ITU的規(guī)劃，低頻段可用于衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)的帶寬一般低于20MHz，該帶寬遠(yuǎn)低于5G NR的可用帶寬以及傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的帶寬。

3)譜效

由于手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)功率受限，低信噪比導(dǎo)致高階調(diào)制難以應(yīng)用，同時衛(wèi)星距離地面較遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)難以用于單星增容，因此這些因素都會限制手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)的頻譜效率。

4)多普勒頻偏

低軌衛(wèi)星由于運動速度快，因此會帶來較大的動態(tài)特性。即便是在較低的L和S頻段，低軌衛(wèi)星帶來的多普勒頻偏也有數(shù)十千赫茲，對頻率同步也會造成較大的影響。

1.2 手機(jī)直連低軌衛(wèi)星的技術(shù)路線

依據(jù)終端所采用的技術(shù)體制的不同，手機(jī)直連低軌衛(wèi)星至少存在三種技術(shù)路線，如表1所示。

表1 手機(jī)直連衛(wèi)星的潛在技術(shù)路線

1)技術(shù)路線一：使用專用終端模塊的手機(jī)直連衛(wèi)星。

上個世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)了支持手持終端接入的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，主要以話音為基本業(yè)務(wù)，典型的應(yīng)用系統(tǒng)包括銥星系統(tǒng)、GlobalStar系統(tǒng)以及Inmarsat系統(tǒng)等。21世紀(jì)初，我國也建成了支持手持終端接入的天通一號衛(wèi)星通信系統(tǒng)。傳統(tǒng)的衛(wèi)星電話主要分為地球同步衛(wèi)星系統(tǒng)和低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)，其中Inmarsat系統(tǒng)和天通一號系統(tǒng)均為地球同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)，而銥星系統(tǒng)和GlobalStar系統(tǒng)為低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)。傳統(tǒng)的手機(jī)直連衛(wèi)星通信模式具有協(xié)議定制化、終端專屬化等特點[10-11]。

協(xié)議定制化。傳統(tǒng)的手機(jī)直連衛(wèi)星通信系統(tǒng)的空口協(xié)議均為專屬定制協(xié)議，不同的衛(wèi)星通信系統(tǒng)間不能互聯(lián)互通，空口協(xié)議互不相同。比如：銥星系統(tǒng)采用類似GSM協(xié)議，GlobalStar采用擴(kuò)頻技術(shù)，Inmarsat第四代星采用GMR-1 3G協(xié)議，天通一號也采用私有的定制化通信協(xié)議。

終端專屬化。傳統(tǒng)的手機(jī)直連衛(wèi)星通信系統(tǒng)的手持終端均為專屬終端，只能在本系統(tǒng)內(nèi)使用，不能與其他的衛(wèi)星通信系統(tǒng)相通。為了使用方便，市場上也有一些雙模終端出現(xiàn)，既能連接衛(wèi)星系統(tǒng)也能接入其他通信系統(tǒng)，比如地面移動通信網(wǎng)絡(luò)。但是受制于應(yīng)用需求和場景的局限性，傳統(tǒng)衛(wèi)星手持終端的成本高、價格貴，導(dǎo)致終端的應(yīng)用數(shù)量有限，造成系統(tǒng)盈利能力差，反過來進(jìn)一步局限了傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈，使得傳統(tǒng)的衛(wèi)星手持終端成為一種小眾化的產(chǎn)品。

2)技術(shù)路線二：使用3GPP NTN協(xié)議的手機(jī)直連衛(wèi)星。

3GPP從R14開始成立了“NR(新空口)支持NTN的解決方案”工作組，探討NR空口傳輸技術(shù)用于NTN場景的可行性。在R17階段，針對透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下的NTN技術(shù)進(jìn)行了研究，并于2022年6月，完成了R17版本的NTN標(biāo)準(zhǔn)化工作[1-2]。在無線空口方面，主要涉及物理層時序關(guān)系的增強、上行時頻同步技術(shù)的增強、HARQ技術(shù)的增強等關(guān)鍵技術(shù)。

物理層時序關(guān)系的增強。NTN場景下，相比地面網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星的覆蓋范圍增大、傳輸?shù)臅r延增加，因此原NR標(biāo)準(zhǔn)中定義的時序關(guān)系及參數(shù)取值均需要增強，R17協(xié)議中增加了k-Mac參數(shù)(用于補償時序調(diào)度)，擴(kuò)展了k-offset等參數(shù)的取值范圍。

上行時頻同步技術(shù)的增強。NTN場景下單向傳輸時延增大，對于低軌衛(wèi)星場景，衛(wèi)星的快速運動造成嚴(yán)重的多普勒效應(yīng)，影響上行時頻同步。R17版本標(biāo)準(zhǔn)中終端需要根據(jù)星地傳輸時延和頻率變化情況對上行時頻進(jìn)行預(yù)補償。

HARQ技術(shù)的增強。NTN場景的大傳輸時延導(dǎo)致原NR的HARQ進(jìn)程難以滿足需求，因此需要擴(kuò)展原HARQ進(jìn)程以及支持關(guān)閉HARQ進(jìn)程等。

在R18階段，針對手持終端上下行鏈路受限的特點，3GPP開展了覆蓋增強項目的研究。在未來的R19階段，3GPP仍將會持續(xù)開展NTN標(biāo)準(zhǔn)的完善、增強工作。

3)技術(shù)路線三：基于存量手機(jī)的手機(jī)直連衛(wèi)星。

2022年以來，業(yè)界逐漸關(guān)注存量5G手機(jī)，即基于R15版本的手機(jī)終端，直連接入衛(wèi)星系統(tǒng)的技術(shù)[7,9]。當(dāng)前R15版本的手機(jī)終端不支持3GPP NTN技術(shù)，因此如果要存量手機(jī)接入衛(wèi)星系統(tǒng)，則終端側(cè)的技術(shù)特性不能更改，那么潛在的解決思路只能是對網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行適應(yīng)性改造，以適應(yīng)衛(wèi)星通信場景的深衰落、大延時等技術(shù)特點。所以，存量手機(jī)直連衛(wèi)星的研究重點就集中在網(wǎng)絡(luò)側(cè)協(xié)議的優(yōu)化和改造。

考慮到5G技術(shù)在全球的商業(yè)應(yīng)用進(jìn)程，當(dāng)前及今后相當(dāng)長一段時期，基于R15版本的5G終端將成為市場上的主流。同時，由于低軌衛(wèi)星部署成本上的優(yōu)勢，也成為我國及歐美發(fā)達(dá)國家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)部署重點。因此，本文以存量5G終端為基準(zhǔn)開展手機(jī)直連低軌衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)研究工作，充分發(fā)揮衛(wèi)星通信拓寬無線網(wǎng)絡(luò)時空維度的特點，將網(wǎng)絡(luò)覆蓋從城市、鄉(xiāng)村等區(qū)域伸擴(kuò)展至“空天地海”，實現(xiàn)全球無縫覆蓋，為滿足“萬物互聯(lián)、全球覆蓋、泛在智能”等需求夯實牢固基礎(chǔ)。

2 存量5G手機(jī)直連衛(wèi)星的主要挑戰(zhàn)

對于存量5G手機(jī)終端而言，目前采用3GPP R15版本的協(xié)議主要適用于地面蜂窩通信。相比地面蜂窩網(wǎng)移動通信系統(tǒng)，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有鏈路距離遠(yuǎn)、衛(wèi)星運動快等特點，會帶來信號衰落嚴(yán)重、時延大、時頻變化迅速等問題，這些都會嚴(yán)重影響5G NR通信協(xié)議的正常運行。因此，面向低軌衛(wèi)星通信的長鏈路距離、大傳輸時延、衛(wèi)星快速運動等特征，5G存量手機(jī)直連衛(wèi)星存在著技術(shù)挑戰(zhàn)。下面進(jìn)行具體分析。

2.1 大時延對時序關(guān)系造成影響

衛(wèi)星通信相比地面蜂窩網(wǎng)通信，主要的特點就是傳輸距離遠(yuǎn)，即便是以軌道高度600km的LEO衛(wèi)星為例，星地間直線單向通信延時為2ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地面蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)。傳輸距離遠(yuǎn)造成的一個主要問題就是傳輸時延大，對物理層協(xié)議的影響主要體現(xiàn)在定時同步和時序關(guān)系這兩個方面。

地面5G移動通信系統(tǒng)是對定時同步和時序關(guān)系要求非常嚴(yán)格的系統(tǒng)。衛(wèi)星通信超大的傳輸時延，一方面超過地面蜂窩系統(tǒng)設(shè)置的定時補償范圍，影響同步、隨機(jī)接入等過程；另一方面使得地面蜂窩系統(tǒng)設(shè)置的定時參數(shù)或計時參數(shù)的取值范圍不能滿足要求，從而造成時序的混亂。

對于3GPP R15 NR協(xié)議，其主要定時參數(shù)如下[1-2]。

1)NR下行共享信道(Physical Downlink Sharing Channel，PDSCH)到上行控制信道(Physical Uplink Control Channel，PUCCH)的偏移范圍(K1)：0，1，2，3，…，15時隙。對于15kHz子載波間隔(Sub-Carrier Spacing, SCS)，最大往返時延(Round Trip Time，RTT)為15ms，對于30kHz SCS，最大支持RTT=7.5ms。

2)NR下行控制信道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH)到上行共享信道(Physical Uplink Sharing Channel，PUSCH)的偏移范圍(K2)：0，1，2，3，…，32時隙。

3)時間提前量(Time Advance，TA)指示范圍：最大值為2ms。

對于衛(wèi)星通信，以技術(shù)報告TR38.821[8]中LEO衛(wèi)星600km軌道高度為例，其鏈路距離及傳輸時延如表2所示。

表2 低軌衛(wèi)星傳輸時延分析

將表2的參數(shù)結(jié)合當(dāng)前5G NR協(xié)議定義的取值進(jìn)行對照，可以看出：

當(dāng)SCS=15kHz，5G NR 協(xié)議定義的最大RTT=15ms，能夠支持軌道高度為600km的再生衛(wèi)星模式(RTT=12.88ms<15ms)，不能支持軌道高度為600km的透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星模式(RTT=28.408ms>15ms)。

當(dāng)SCS=30kHz，5G NR協(xié)議定義的最大RTT=7.5ms，既不能支持軌道高度為600km的再生衛(wèi)星模式(RTT=12.88ms>7.5ms)，也不能支持軌道高度為600km的透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星模式(RTT=28.408ms>7.5ms)。

因此，要想5G存量手機(jī)直連低軌衛(wèi)星，意味著衛(wèi)星軌道高度需要明顯降低，以保證衛(wèi)星通信的RTT滿足目前5G NR定義的最大RTT取值要求。依據(jù)初步測算，支持5G存量終端的低軌衛(wèi)星軌道高度，再生處理衛(wèi)星可控制在740km軌道高度范圍內(nèi)，但透明轉(zhuǎn)發(fā)處理衛(wèi)星只能控制在280km軌道高度范圍內(nèi)，如表3所示。

表3 支持5G存量手機(jī)直連衛(wèi)星的衛(wèi)星軌道高度

2.2 大時延對隨機(jī)接入造成影響

衛(wèi)星通信的遠(yuǎn)距離、大時延，會導(dǎo)致地面系統(tǒng)設(shè)計的隨機(jī)接入過程不適用于衛(wèi)星通信，例如容易造成隨機(jī)接入流程的時序產(chǎn)生混亂。經(jīng)分析，對隨機(jī)接入過程的影響主要在以下方面：1)大傳輸時延導(dǎo)致終端在隨機(jī)接入響應(yīng)窗范圍內(nèi)收不到隨機(jī)接入響應(yīng)(Random Access Response，RAR)消息，從而終端重復(fù)發(fā)送前導(dǎo)碼(Preamble)，因此RAR發(fā)送策略需要調(diào)整；2)RAR中的尋呼命令(Tracking Area Command， TAC)表示的范圍不能滿足衛(wèi)星場景大時延的要求，在TAC表示范圍不變的情況下需要對基站做定制化修改；3)隨機(jī)接入信道的循環(huán)前綴和保護(hù)間隔小于衛(wèi)星通信場景的傳輸延遲，因此，隨機(jī)接入信道會對其他物理信道造成干擾。

2.3 衛(wèi)星高速運動對時頻同步造成影響

低軌衛(wèi)星圍繞地球高速運動，運動速度帶來較大的多普勒頻偏和多普勒變化率，同時也帶來較快的時延變化，這些都會對系統(tǒng)時頻同步帶來影響。地面通信系統(tǒng)的頻偏主要由終端的運動引起，其范圍通常在1kHz以內(nèi)；而衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻偏主要由衛(wèi)星的運動引起，軌道越低衛(wèi)星運動越快，多普勒頻移也越大，通常高達(dá)幾十上百kHz。因此，衛(wèi)星通信系統(tǒng)較大的多普勒頻偏會明顯超過存量手機(jī)的頻偏適應(yīng)范圍，使得存量手機(jī)很難搜索到衛(wèi)星通信的同步下行信號。同時，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的多普勒高動態(tài)變化，也會增大存量手機(jī)頻率同步的難度。另外，對于上行接收而言，不同手機(jī)終端的上行多普勒頻率不一樣，也會增加基站側(cè)的檢測難度。

2.4 遠(yuǎn)距離傳輸對信號損耗造成影響

衛(wèi)星通信傳輸距離遠(yuǎn)，造成信號的衰落強度大。對于常規(guī)5G終端而言，發(fā)射功率受限導(dǎo)致上行鏈路受限，這種情況在衛(wèi)星通信下將會更為明顯，即遠(yuǎn)距離傳輸將對手持終端的上行鏈路相比下行鏈路帶來更大壓力。因此，存量5G手機(jī)終端直連衛(wèi)星，必須克服手機(jī)發(fā)射功率和天線增益不夠的問題。

綜上所述，存量5G手機(jī)終端直連低軌衛(wèi)星通信面臨嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)，由于終端側(cè)協(xié)議和參數(shù)不能修改，因此，為了適應(yīng)衛(wèi)星場景，潛在的解決思路只能對網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行適應(yīng)性改造。

3 存量5G手機(jī)直連衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)

為了解決低軌衛(wèi)星通信帶來的大延時、高動態(tài)、大衰落等特點鏈路傳輸?shù)挠绊懀诖媪?G手機(jī)直連衛(wèi)星采用地面5G協(xié)議不能發(fā)生改變的情況下，衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡(luò)側(cè)必須做相應(yīng)的改造來適應(yīng)終端，對應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)主要有時頻同步技術(shù)、隨機(jī)接入技術(shù)、自動重傳請求技術(shù)、覆蓋增強技術(shù)等。

3.1 時頻同步技術(shù)

為了實現(xiàn)存量5G手機(jī)接入低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，需要解決時頻同步問題。基站側(cè)需要對下行信號的定時和頻率進(jìn)行預(yù)補償，同時對上行接收信號的定時和頻率進(jìn)行后補償。對于終端側(cè)而言，無需軟硬件升級改造。存量手機(jī)直連衛(wèi)星場景下，由基站側(cè)對時頻進(jìn)行補償和調(diào)度時序保障。

1)頻率補償方案

一般情況下采用頻率補償和動態(tài)定時補償?shù)姆绞絹斫鉀Q快速時頻變化的問題。頻率補償?shù)闹饕桨溉缦隆?/p>

①下行信號：基站基于波束中心點做頻率補償，終端基于下行信號做頻率跟蹤，補償殘留偏差；

②上行信號：終端不做上行頻率補償，由基站側(cè)完成對上行信號的檢測。

由于存量手機(jī)對頻偏的適應(yīng)范圍較小，因此存量手機(jī)直連低軌衛(wèi)星時，需要基站側(cè)將衛(wèi)星運動帶來的多普勒頻偏限制在一個較小范圍內(nèi)。為了達(dá)到上述要求，需要采用波束夾角較小的衛(wèi)星波束，這樣波束邊緣點與中心點的頻率偏差被限定在較小范圍內(nèi)，下行信號接收時可以通過存量手機(jī)終端直接進(jìn)行解調(diào)；上行信號的頻偏也被限制在較小范圍內(nèi)，利于基站側(cè)信號檢測和解調(diào)。由基站側(cè)補償波束中心點的多普勒頻偏，使得存量手機(jī)在衛(wèi)星波束中，感受不到由衛(wèi)星運動帶來的較大的多普勒頻偏。

2)定時補償方案

定時補償方案與頻率補償類似，由基站側(cè)負(fù)責(zé)對超出存量手機(jī)定時補償范圍的額外延時進(jìn)行補償。基站側(cè)定時補償選取波束中心與地球表面交點為參考點，存量手機(jī)終端僅需要補償終端到參考點的時延，基站側(cè)補償參考點到衛(wèi)星以及衛(wèi)星到信關(guān)站的時延，如圖1所示。使得存量手機(jī)終端在衛(wèi)星波束中感受不到大傳輸時延對定時同步的影響。

圖1 定時補償示意圖

物理層需要通過定時補償?shù)姆绞降窒髠鬏敃r延帶來的定時同步問題，針對上行信號和下行信號分別開展定時補償。主要的解決思路如下。

①下行信號：基站基于某一參考點做定時補償，終端基于下行信號做定時跟蹤，補償殘留偏差；

②上行信號：終端基于閉環(huán)TA進(jìn)行補償，基站側(cè)補償公共部分和動態(tài)變化部分。

以5G NR的TA補償為例，支持的最大TA取值范圍為2ms，轉(zhuǎn)化為單程距離約為300km左右。為了支持手機(jī)直連衛(wèi)星通信，則需要將衛(wèi)星波束邊緣到定時補償參考點的距離控制在300km以內(nèi)，此時存量手機(jī)的定時補償參數(shù)無需更改。同時考慮到PRACH(隨機(jī)接入信道)格式等因素的影響，衛(wèi)星波束寬度建議控制在20km左右，對存量手機(jī)的時頻同步影響較小。綜合上述問題，時頻補償?shù)膶崿F(xiàn)可以通過下述途徑完成，潛在的解決方案分析如下：

多普勒頻移的變化必須由基站補償，適用于凝視波束，而且波束的半徑必須較小，否則波束中心和波束邊緣的多普勒相差大，一般半徑小于20km。

由于時延變化快，終端無法快速跟蹤TA的變化，基站需要實時補償變化部分。

綜上所述，可以得到下述結(jié)論：低軌衛(wèi)星移動帶來的時頻變化，可以由基站來解決，終端無感知。但是該方案也將會帶來以下問題，需要引起關(guān)注。

①基站需要補償每個波束的定時變化和頻率變化，增大了基站的復(fù)雜度。

②波束的半徑較小，如果實現(xiàn)全域覆蓋，需要大量的波束，導(dǎo)致需要更多衛(wèi)星或單顆衛(wèi)星支持更多波束，使得建網(wǎng)成本增加，天基基站設(shè)備體積和實現(xiàn)復(fù)雜度更大。

3.2 隨機(jī)接入技術(shù)

對于5G NR手機(jī)而言，其在低軌星座手機(jī)直連衛(wèi)星模式下的隨機(jī)接入方案，可以沿用5G NR的四步隨機(jī)接入方式。隨機(jī)接入過程中面臨的問題可以通過下述思路解決。

1)RAR window解決方案

從前面的分析可知，對于5G存量手機(jī)而言，在直連衛(wèi)星通信隨機(jī)接入過程中，現(xiàn)有的RAR window參數(shù)對系統(tǒng)影響比較大。目前標(biāo)準(zhǔn)中RAR window可配置的最大取值為10ms，軌道高度為600km的衛(wèi)星的RTT為12.89ms，因此，終端(User Equipment，UE)在發(fā)Preamble之后按照R15協(xié)議配置開啟RAR window存在監(jiān)聽不到PDCCH的情況，導(dǎo)致RAR接收失敗。這將導(dǎo)致UE將不斷地重發(fā)前導(dǎo)碼，且在RAR接收窗內(nèi)無法收到對應(yīng)的RAR消息，如此往復(fù)，UE無法接入網(wǎng)絡(luò)。因此，針對該問題基站側(cè)需要做適應(yīng)性修改。

為了解決存量手機(jī)RAR window長度受限的問題，需要在網(wǎng)絡(luò)側(cè)做機(jī)制修改，使得存量手機(jī)能夠支持星地大延時下的隨機(jī)接入過程。主要的解決思路為：網(wǎng)絡(luò)側(cè)為UE配置周期間隔較長的隨機(jī)接入機(jī)會(RACH Occasion，RO)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)在收到UE發(fā)送的第一個前導(dǎo)碼信號后，不僅反饋對應(yīng)的RAR消息，還反饋包含UE后續(xù)可能重新發(fā)送的前導(dǎo)碼對應(yīng)的多個RAR消息，這些RAR消息再經(jīng)過傳輸時延后到達(dá)UE某個有效的RAR window內(nèi)被正確解調(diào)[9]。選取3GPP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)TS 38.211[1]中表6.3.3.2-2索引246的配置，PRACH為格式C2，配置周期為每個系統(tǒng)幀都包含1個RO，在子幀4，候選前導(dǎo)碼數(shù)量設(shè)置為2。如圖2所示，按照上述配置主要的修改方案描述如下。

圖2 RAR接收解決方案時序圖

UE在T1時刻發(fā)送Preamble，發(fā)起隨機(jī)接入，傳輸經(jīng)過5ms(假設(shè)單向傳輸時延為5ms)，前導(dǎo)碼信號到達(dá)基站。

基站處理需要2ms，則基站在(T1+5+2)ms時刻發(fā)送RAR。

UE在發(fā)送前導(dǎo)碼后開啟RAR window，但是UE超時未收到RAR信息，UE選擇重傳前導(dǎo)碼，選擇的前導(dǎo)碼為4個侯選值中的一個，選擇的RO為下一個系統(tǒng)幀的子幀4對應(yīng)的RO。重傳后UE又開啟RAR window，重傳時刻記為T2(假設(shè)T2=T1+10ms)。

UE在(T1+5+2+5)ms時刻收到T1時刻發(fā)送的前導(dǎo)碼反饋回來的RAR，此時對應(yīng)的是(T2+2)ms時刻，正處于T2時刻發(fā)送Preamble之后的RAR window時段。

為了使UE能夠識別該RAR是發(fā)給自己的，基站需要做定制化修改，基站需要把與2個前導(dǎo)碼相對應(yīng)的RAR在UE相應(yīng)的RAR window區(qū)域發(fā)送，RAR中攜帶UE所有2個候選的前導(dǎo)碼對應(yīng)的上行授權(quán)資源信息；同時基站用于加擾RAR消息的RA-RNTI也需要下一幀的RO時域信息來產(chǎn)生。這樣UE就能在下一個RAR window中監(jiān)測到RAR，解析RAR后，就不會重復(fù)發(fā)送前導(dǎo)碼了，根據(jù)RAR中指示的上行資源，選擇合適的資源發(fā)送Msg3消息。

此外，對于競爭解決方面，目前競爭解決定時器最大取值為80ms，可以適應(yīng)衛(wèi)星系統(tǒng)較長的RTT，UE在發(fā)送完MSG3之后按照網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置開啟競爭解決定時器，不需要進(jìn)行擴(kuò)展，現(xiàn)有協(xié)議可以工作。

2)PRACH帶來的干擾問題

衛(wèi)星場景下，隨機(jī)接入信道的循環(huán)前綴和保護(hù)間隔小于空口的傳輸延遲，隨機(jī)接入信道會對相鄰的物理信道造成干擾，因此，對PRACH的RO時頻域配置需要進(jìn)行約束，選擇周期較大的RO進(jìn)行配置。

3.3 自動重傳請求(Hybrid Automatic ReQuest，HARQ)技術(shù)

對于5G存量手機(jī)而言，UE發(fā)送下行PDSCH的HARQ反饋，基站根據(jù)收到的HARQ反饋的內(nèi)容確定是否需要進(jìn)行HARQ重傳。UE在發(fā)送HARQ后，開啟定時器drx-HARQ-RTT-TimerDL，如果該定時器過期且PDSCH沒有被正確解碼，開啟定時器drx-RetransmissionTimerDL進(jìn)行重傳指示的監(jiān)聽。目前NR中drx-HARQ-RTT-TimerDL最大取值范圍為56個符號，即最多4個時隙后開始監(jiān)聽重傳指示，而低軌衛(wèi)星的RTT遠(yuǎn)高于此值。以600km高度為例，透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下RTT為28.408ms，星上處理模式下RTT為12.88ms，如果UE在4個時隙后開始監(jiān)聽，那么在開始監(jiān)聽的一段時間內(nèi)屬于無效監(jiān)聽，造成UE功率浪費，同時由于drx-RetransmissionTimerDL取值范圍為0～320slot，如果此值配置較小會導(dǎo)致定時器已經(jīng)過期還未收到重傳指示，因此可以考慮以下兩種解決方案。

1)保持參數(shù)drx-HARQ-RTT-TimerDL取值范圍，drx-RetransmissionTimerDL實際配置時考慮衛(wèi)星的大時延影響(取值不能太小)，保證在定時器取值范圍內(nèi)可以接收到重傳指示，但是會造成UE功率的浪費。

2)基站不必在收到HARQ反饋后再進(jìn)行同一HARQ進(jìn)程的調(diào)度，直接通過下行控制信息(Downlink Control Indicator，DCI)域的新數(shù)據(jù)指示(New data indicator，NDI)來通知UE是新傳還是重傳。這樣可以不改動兩個定時器的取值范圍也可以保證UE的有效監(jiān)聽及參數(shù)配置的靈活性。

因上述兩種方案均不涉及現(xiàn)有規(guī)范[1-2]的修改，合適的參數(shù)配置可以保證目前存量手機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。對于上行數(shù)據(jù)傳輸，對應(yīng)定時器drx-HARQ-RTTTimerDL和drx-RetransmissionTimerDL的取值范圍與下行一樣，也存在上述問題，可以考慮相同的解決方案。

3.4 覆蓋增強技術(shù)

對于衛(wèi)星通信應(yīng)用場景，由于大傳輸時延引起的路徑損耗，導(dǎo)致鏈路預(yù)算不足，同時手機(jī)終端發(fā)射功率受限制，且不能做改動，只能改變衛(wèi)星側(cè)的收發(fā)能力，例如將衛(wèi)星的軌道高度降低以減少路徑損耗，將衛(wèi)星的天線增大以提高增益。下面以3GPP TR 38.821[8]中衛(wèi)星和終端參數(shù)為例，分析存量手機(jī)接入衛(wèi)星的上行鏈路情況。上行鏈路支持的帶寬暫定為360kHz，支持子載波間隔15kHz下的2個PRB。為了便于對比，下面分別計算了LEO 600km衛(wèi)星軌道情況下，終端在星下點、30 仰角和10 仰角位置時的鏈路情況，見表4。

表4 5G存量手機(jī)直連衛(wèi)星上行鏈路計算示例

從表4可知，5G存量手機(jī)直連衛(wèi)星情況下，隨著終端仰角的變化，上行鏈路信噪比逐漸惡化，當(dāng)終端仰角為10 時，C/N=-6.7dB<-5dB，意味著信噪比已不能支持5G最低譜效的調(diào)制編碼方式了。此外，當(dāng)終端仰角過低時，容易受到地面反射等影響，也不利于多星間的干擾抑制，因此，建議5G存量手機(jī)直連衛(wèi)星應(yīng)用時，設(shè)置終端仰角門限，比如以仰角30 為分界線，支持5G存量手機(jī)在仰角大于30 時接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

另外，隨著衛(wèi)星天線技術(shù)的發(fā)展，大口徑天線的使用也能改善手機(jī)直連衛(wèi)星的鏈路情況。目前，美國AST SpaceMobile公司的BlueWalker3原型機(jī)[12]，便采用了64平方米的相控陣天線，在太空中展開能夠獲得高天線增益。同時，使用低頻段也能夠降低路徑損耗，增強信號穿透性。此外，通過使用波束增益更高、范圍更小的跳波束技術(shù)，可以進(jìn)一步提高單波束的發(fā)送增益，進(jìn)而提升鏈路性能。在大口徑衛(wèi)星天線或天線跳波束使用后，手機(jī)直連衛(wèi)星的鏈路情況將有顯著的改善。

4 結(jié)束語

隨著手機(jī)直連衛(wèi)星成為業(yè)界的熱點議題，運營商也在探討如何去利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來支持存量終端，預(yù)期盤活手機(jī)存量市場、提升衛(wèi)星通信商業(yè)價值。本文分析了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)支持存量5G終端面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和關(guān)鍵技術(shù)解決方案。總體來看，因為終端不涉及改動，支持存量終端的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不僅需要去解決時頻同步、隨機(jī)接入、自動重傳請求、鏈路預(yù)算不足等系列技術(shù)問題，而且在軌道高度、波束大小、支持的用戶數(shù)等方面均存在諸多限制，可支持的傳輸速率和業(yè)務(wù)類型也非常有限，從整個網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)投資與收益講未必是最佳解決方案。因此，業(yè)界也越來越多地關(guān)注基于3GPP R17 NTN的手機(jī)直連技術(shù)路線。

面向未來，手機(jī)直連衛(wèi)星也將是6G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要標(biāo)志。6G階段，星地網(wǎng)絡(luò)將融為一體，以統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、統(tǒng)一空口協(xié)議以及統(tǒng)一頻譜規(guī)劃管理等為基本元素，將5G NTN階段的星地融合體制兼容逐步轉(zhuǎn)變?yōu)?G星地融合統(tǒng)一系統(tǒng)。手機(jī)作為應(yīng)用最廣泛、數(shù)量最多的移動終端類型，其直接接入衛(wèi)星服務(wù)模式可為用戶帶來極大的便利性，擴(kuò)展手機(jī)的應(yīng)用范圍，也帶來巨大的商業(yè)價值。6G的手機(jī)直連衛(wèi)星模式下，手機(jī)用戶能夠無感知地服務(wù)于星地融合網(wǎng)絡(luò)中，真正實現(xiàn)全球無縫覆蓋、用戶隨遇接入以及無感知的星地一致服務(wù)。