面向手机直连的低轨卫星通信...键技术、发展现状与未来展望_孙耀华.pdf

专题：6G 空间互联网 面向手机直连的低轨卫星通信：关键技术、发展现状与未来展望 孙耀华，彭木根（北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，北京 100876）摘 要：为满足全时、全域通信需求，低轨卫星通信将成为 6G 的重要组成部分。通过对地面移动通信协议体制进行适应性改进，低轨卫星可为地面移动手机终端提供直连服务。介绍了面向手机直连的低轨卫星通信关键技术和商业项目发展现状，探讨了未来需解决的关键问题和潜在技术途径。关键词：低轨卫星通信；手机直连卫星；星地融合网络 中图分类号：TP393 文献标志码：A doi:10.11959/j.issn.10000801.2023031 Low earth orbit satellite communication supporting direct connection with mobile phones:key technologies,recent progress and future directions SUN Yaohua,PENG Mugen State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China Abstract:In order to realize anytime and anywhere communication,low earth orbit(LEO)satellite communication becomes a key component in 6G.Through the adaptive enhancement of terrestrial mobile communication protocol,LEO satellites can provide direct connection services for mobile phones.The related key technologies and the recent progress of various commercial programs were introduced,and future issues were also identified together with poten-tial technical solutions.Key words:low earth orbit satellite communication,direct connection between satellites and mobile phones,inte-grated satellite-terrestrial network 收稿日期：2023-01-15；修回日期：2023-02-11 基金项目：国家重点研发计划项目（No.2022YFB2902600）；北京市新一代信息通信技术创新项目（No.Z211100004421017）；中国通信学会青年人才托举项目（No.2021QNRC001）Foundation Items:The National Key Research and Development Program of China(No.2022YFB2902600),The Beijing MunicipalScience and Technology Project(No.Z211100004421017),The Young Elite Scientists Sponsorship Program by China Institute of Com-munications(No.2021QNRC001)专题：6G 空间互联网 26 0 引言 当前，5G 已得到较大规模的部署与应用，各国正在争相开展 6G 技术的储备和研发工作。随着载荷平台、火箭发射等技术的突破，低地球轨道（low earth orbit，LEO，以下简称低轨）卫星通信将在 6G 时代扮演重要角色1-2。相比高地球轨道（以下简称高轨）卫星，低轨卫星可提供更强的信号质量，轨道资源也更加丰富，能够形成覆盖全球的密集组网星座3。在该背景下，各类低轨卫星项目不断涌现，国内外代表性项目包括Starlink、Kuiper、OneWeb 以及我国的虹云和鸿雁工程等。传统低轨卫星通信中，为了提升信号发射和接收增益，进而提升通信速率，终端往往采用尺寸较大的抛物面天线或平板天线，而在协议上，主要采用卫星通信自有协议，例如，基于数字视频广播（digital video broadcast，DVB）标准的协议等。然而，面向 6G 时代提出的全时、全域个人通信能力要求，如何实现普通手机直接通过卫星与外界通信成为产、学、研界关注的焦点4。2022 年9 月，华为发布具备卫星通信功能的高端机型，通过在手机中集成北斗通信所需的射频和基带硬件，可在荒漠无人区、地震救援等无地面网络信号覆盖环境下对外发送文字和位置信息。此外，苹果手机也集成了卫星通信功能，通过与Globalstar 合作，实现了短消息发送。虽然华为和苹果产品均初步实现了普通手机与卫星间的通信，但主要通过集成遵从卫星通信专有协议的通信硬件实现，未涉及卫星通信和地面移动通信协议体制的融合。本文探讨的“手机直连卫星”的含义限定为通过对地面第三代合作伙伴计划（3rd Gen-eration Partnership Project，3GPP）移动通信体制进行适应性改进增强来实现普通手持移动通信终端通过卫星与外界互联。从 Release 16（Rel-16）起，3GPP 开 始 进 行 非 地 面 网 络（non-terrestrial network，NTN）的研究工作，在Rel-17 中开始进行具体系统设计5。在应用测试方面，中国移动联合中兴通讯、交通运输通信信息集团等完成了基于 3GPP Rel-17 NTN 协议的技术外场验证，实现了基于地球同步卫星的5G NTN 端到端全链路贯通，而国外的 AST SpaceMobile、Lynk Global、SpaceX 等公司均提出了手机直连低轨卫星的服务计划，部分公司发射了试验卫星。后文将首先对手机直连卫星的关键技术进行探讨，随后对相关商业项目进展进行详细介绍，最后给出未来的技术发展方向。1 关键技术 本节首先对手机直连低轨卫星的基础关键技术进行梳理，涵盖时频同步、随机接入、混合自动重传请求（hybrid automatic repeat request，HARQ）、功率控制、调制编码方式（modulation and coding scheme，MCS）自适应以及卫星波束规划和调度等。1.1 时频同步 由于低轨卫星相对地面高速运动，在没有任何频偏补偿的情况下，手机将面对几十千赫兹甚至兆赫兹级别的多普勒频移（相比之下，手机在高铁场景中仅需要应对几千赫兹的频偏），给手机和网络间的时频同步带来较大挑战。在传统地面网络初始下行同步流程中，手机首先进行主同步信号（primary synchronization signal，PSS）检测，其中，传统的互相关检测算法将接收信号直接与 3 组本地 PSS 序列进行互相关运算，根据相关峰值确定粗定时点，之后进行频偏估计与补偿，并进行精定时同步。然而，大频偏的存在容易显著降低 PSS 互相关性能，导致同步失败。为此，文献6提出了一种改进的粗同步算法，利用快速傅里叶变换运算代替互相关运算中共轭乘法后的求和运算，同时从算法中的指数形式频偏27 电信科学 2023 年第 2 期 中得到对应的整数倍频偏估计，简化了后续小数倍频偏估计，可更好地适应大频偏场景。文献7提出了一种基于差分运算和频域相关运算的同步算法，通过将 PSS 与本地序列进行差分运算减少频偏的影响，随后对差分运算得到的信号进行傅里叶变换并进行频域快速相关检测以降低运算复杂度，实验结果表明相较于传统互相关算法，改进算法在较大频偏环境下能实现快速、准确同步。此外，由于设备晶体振荡器的输出频率与标称频率间存在偏差且卫星和用户相对移动状态时变，初始下行时频同步状态无法长久维持，手机需进行时频跟踪与调整。在 3GPP 协议中，定义了多种参考信号，其中，跟踪参考信号（tracking reference signal，TRS）作为一种特殊的信道状态信息参考信号，用于检测时偏与频偏的变化。具体地，用户对接收到的两个不同 TRS 位置处的信道频域响应进行互相关运算，可得到定时误差与频率偏移量。除了对参考信号进行检测，时频跟踪还可通过同步信号以及循环前缀检测实现。与此同时，网络侧可对多普勒频移变化率以及时延变化率进行预估算，辅助手机端进行时频偏调整。最后，考虑两个相邻帧间的定时误差变化较小，可基于前一帧定时位置直接得到当前的粗定时位置，以简化时频跟踪过程。1.2 随机接入 手机直连卫星对随机接入过程的影响主要包括 4 个方面：一是星地传播时延不可忽略，四步随机接入时延较大；二是星地时频偏明显，影响前导码检测性能；三是卫星波束覆盖广，大量用户同时接入干扰严重，需要对前导码进行增强设计；四是卫星侧前导检测的窗口长度和用户侧接收随机接入响应的窗口长度可能需要进行对应调整，以适应波束小区的差分时延。针对上述前 3 个影响，笔者前期提出了基于时频预补偿的两步随机接入流程和基于多个短序列灵活级联的前导结构8。以卫星搭载可再生载荷为例，两步随机接入流程如图 1 所示。首先，用户通过导航定位获得自身位置和速度，随后结合从下行同步信号块中获取的卫星位置和速度、接收同步信号块的频点和卫星上下行工作频点，预估用户和卫星间的初始定时提前量offsett和频偏补偿offsetf。之后，用户随机生成一个可选的前导序列，相对于卫星指定的发送前导序列和物理上行共享信道（physical uplink shared channel，PUSCH）数据的时频资源位置，时间上提前offsett、频率上偏移offsetf进行发送。其中，加扰 PUSCH数据的序列由卫星波束的小区 ID、发起随机接入的时间点、选择的前导序列编号决定，PUSCH 中的数据包括用户身份标识、用户前导序列编号和时频偏移补偿。接着，卫星进行多用户前导序列检测，获得用户采用的前导序列编号，并估计用户的时频偏移。卫星在与前导序列相关联的PUSCH 时频资源位置处提取用户身份信息、前导序列编号和时频偏移补偿，并通过下行广播信道向所有用户广播成功检测出的用户身份信息、前导序列编号、初始时频偏移补偿误差和分配给该用户的小区无线网络临时标识的组合。用户在一定时间窗口内监听卫星广播信息，当收到自身身份信息和前导序列编号时，认为成功接入网络。此时，用户根据卫星提供的时频补偿误差调整射频工作状态，设置小区无线网络临时标识，结束两步随机接入流程。图 1 两步随机接入流程 在前导序列设计方面，沿用 5G NR（new radio）中的级联前导序列格式，即多段相同的短 专题：6G 空间互联网 28 前导序列 SQ 在时域上进行级联，共同构成长前导序列 LS，LS 的基本格式如图 2 所示。其中，LS 的持续时间LST相比地面通信场景适当延长，以便在卫星侧前导检测窗口内积累足够的信号能量。SQ 的持续时间 TSQ为物理随机接入信道子载波间隔PRACHf的倒数，即SQPRACH1Tf=。保护间隔（guard interval，GT）主要用于吸收传播时延，避免两步随机接入时当前用户的随机接入信号对其他用户的PUSCH数据造成干扰。循环前缀（cyclic prefix，CP）用于应对上行到达时间的不确定和最大时延扩展。CPT和GTT分别表示CP和GT的持续时间。图 2 LS 的基本格式 SQ由 具 有 良 好 正 交 特 性 的ZC（Zadoff-Chu）序列生成，与此同时，对ZC序列进行循环移位、利用m序列对部分SQ进行加扰可以为用户创