低轨卫星互联网5G空口适应性研究综述*

胡涵玥，邹钦羊，谢岸宏，张 毅，袁 田

(1.西北工业大学 电子信息学院，西安 710129；2.中国西南电子技术研究所，成都 610036)

0 引 言

随着低轨卫星通信发展，构建低轨卫星互联网为全球范围用户提供服务成为热点之一。5G是各种先进通信技术的集大成者，代表目前地面移动通信网络最高水平。基于5G体制构建低轨卫星互联网可以提高卫星系统容量和用户体验，推动5G与非地面网络融合发展。

卫星移动通信系统的设计多以地面通信系统体制为参考，如铱星参考全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications，GSM),GlobalStar参考IS-95、Imarsat-4参考宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA)。近年来比较热门的Starlink等互联网低轨星座，在空口体制设计时亦拓展兼容第三代移动通信技术(3G)直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)波形和第四代移动通信技术(4G)正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)波形、调制编码等[1]。随着地面5G通信系统不断发展，5G与卫星系统融合也在不断研究中。针对基于5G体制的低轨卫星互联网的研究，从宏观的融合架构进行分析的研究已有较多成果，但针对5G体制在低轨卫星互联网中的适配面临的挑战，相关研究还比较少。

本文重点考虑卫星系统与地面系统场景的差异性，针对5G低轨卫星互联网下5G体制在低轨卫星环境中需要解决的问题，对由于卫星高动态、高频段、通信距离远、单波束覆盖范围大等卫星互联网区别于地面系统的特点所造成的影响进行分析，并对部分问题进行进一步调研，归纳总结其技术研究进展，重点针对同步、接入及切换三方面问题对现有5G空口适应性解决方案进行分析。

1 低轨卫星5G融合网络研究进展

1.1 机构企业、标准组织研究情况

国际上各机构企业、标准组织等投入了大量的精力和财力，通过了相关项目完成了各项标准内容。

1.1.1 EU/ESA

欧盟(European Union,EU)和欧空局(European Space Agency,ESA)通过了多个5G和卫星融合的相关项目。

(1)Sat5G项目——由EU支持，研究主要涉及卫星回传的场景，并将其作为关键应用进行分析，尤其是增强型移动宽带(enhanced Mobile BroadBand,eMBB)场景下的使用案例。

(2)Edge-SAT项目——由ESA支持，主要研究5G卫星融合网络中边缘网络的应用。

(3)5GCHAMPION、OSMOSIS、SATis5等项目——对多址接入、SDN等方面进行研究。

1.1.2 美国Starlink

Starlink最终旨在为地面通信系统未覆盖区域提供扩展5G本地服务的连接业务[2]。

1.1.3 ITU

国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)于2018年11月正式成立Network2030研究组，该机构旨在探索面向2030年及以后的网络技术发展问题，其中一项重要的互联网愿景就是天地一体化全球覆盖[3]。

1.1.4 3GPP

第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，3GPP)从2017年开始提出了非地面网络(Non-Terrestrial Network,NTN)[4-6]。NTN网络中星载或机载充当中继节点或基站，构成一个透明或可再生体系结构。

3GPP提出了一系列针对5G NTN的文档，包括5G NTN应用场景、系统架构、信道模型、空口研究等。由于提供了用于将数据传送到网络边缘和用户终端的多播/广播资源，5G NTN有望成为实现网络可伸缩性的有效解决方案[4,7]。与NTN有关的3GPP技术文档如表1所示[6]。

表1 3GPP中NTN相关文档

1.2 学术界研究情况

1.2.1 优势及挑战

LEO卫星系统拥有广泛的覆盖范围、普遍性以及高可扩展性，能够实现3GPP提出的三个主要服务类别——服务连续性、服务普遍性和服务可扩展性，最终有助于实现5G关键业务需求，包括eMBB、大规模机器通信(Massive Machine-Type Communications,mMTC)、超可靠低延迟通信(Ultra-Reliable and Low-Latency Communications,URLLC)[11-12]。

但是卫星通信传播信道更容易受天气、闪烁等因素影响，卫星的高动态性会导致同步跟踪、调制解调难，卫星的远距离传输会造成路径损耗高、传输时延大等问题[5,13]。这些问题都为5G体制应用于卫星系统带来了技术挑战。

1.2.2 系统架构

卫星网络中通常包含终端、地面信关站、馈电链路、用户链路、卫星、星间链路等。随着地面5G通信系统的发展，通过综合卫星地面通信网络的空中接口实现同一移动终端的接入、通信是通信核心场景之一[14]。在3GPP中提出的5G卫星系统架构中，具有星上处理的再生卫星和无星上处理的弯管卫星处于5G卫星接入网中[4,11]。在5G卫星架构中卫星组件可用于链路备份、进行数据卸载或完成并行独立链路传输[12]。

1.2.3 相关技术研究

由于卫星系统相对于地面通信系统的差异性，学者们对5G卫星网络的关键技术进行了研究，包括移动性管理、网络切换、频偏估计与补偿等[14]。

文献[14]指出星历、终端位置能够作为辅助信息更好地解决移动性问题，并提出应该尽快建立相应的参数评估指标系统、验证关键技术指标。文献[15-16]从物理层和MAC层对5G NR信号用于卫星系统会产生的问题进行了研究，考虑卫星系统大传输时延和大多普勒频偏，涉及到PRACH保护间隔、时间提前量(Timing Advance,TA)、同步信号、峰均比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)等，提出了相应解决方案。

此外，在5G卫星网络中对引入软件定义网络(Software Defined Network,SDN)、边缘计算(Edge Computing,EC)等技术进行了研究。文献[17-20]中针对融合网络引入SDN的情况，在网络中执行不同的控制功能，研究包括架构、功率控制、业务分配等。文献[21]利用边缘计算，在系统中使用卫星边缘服务器减少端到端时延。文献[22-23]利用网络切片技术以及边缘云进行体系结构、管理机制等研究，根据业务服务质量(Quality of Service,QoS)要求进行灵活的网络切片分配，满足不同切片的带宽和计算资源需求，提高卫星网络综合效益。

2 5G空口适应性问题与挑战

根据现有5G与卫星融合网络的研究可以发现，5G卫星网络的发展是一个必然趋势，现有研究大多针对融合网络的体系和架构提出了某方面可能存在的问题、挑战。

本文针对基于5G体制的低轨卫星互联网系统，考虑其用户终端、信关站射频、基带处理部分均采用5G体制，核心网采用5G核心网功能网元配置。如果卫星为星上处理模式，则星上载荷处理部分也需兼容5G体制。将以上体制应用于低轨卫星系统中，卫星高速运动、通信距离地面上百公里、星上载荷功率受限、用户/馈电链路高频段等特点，将导致5G体制应用的一系列问题。

2.1 卫星高动态

(1)多普勒频偏大，多普勒变化率大，超出地面5G空口的最大频偏适应能力[24]，导致捕获同步困难(在轨道高度600 km信号频点30 GHz时，信号多普勒约1.4 MHz，最大多普勒变化率约8 kHz/s)。

(2)突发信号定时偏差大，超过循环前缀(Cyclic Prefix，CP)长度，导致同步精度不准，带来性能损失(600 km高度卫星在空口传输延迟时间内，高速漂移导致定时偏差约1.5 μs，而120 kHz子载波CP长度仅为0.59 μs)。

(3)针对用户波束滑动覆盖的系统，出现频繁切换问题，具体频繁度与单个用户波束宽度、单卫星覆盖范围大小、卫星轨道高度相关；针对透明转发系统，还与信关站对天覆盖范围相关(OneWeb星座覆盖参数下，波束间切换每次约10 s，星间切换每次约2.5 min)。

(4)针对透明转发系统，在卫星跨信关站馈电切换过程中出现群切换问题，极短时间内单星下上万用户发起跨信关站切换。

(5)针对透明转发系统，在卫星跨信关站馈电切换时，大量用户跨信关站路由锚点变化，影响用户业务连续性。

2.2 用户/馈电链路高频段

(1)30 GHz频段相位噪声约为3 GHz频段的10倍，远超地面5G技术适应能力，恶化收端信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)或误差向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)，造成大量误码，从而直接限制高阶星座调制的使用[25]。

(2)信关站高频段大口径天线，其馈电波束极窄，跟踪动目标失败率高。

2.3 通信距离远

(1)无线传输时延为6～40 ms，导致上行调度周期大，成倍于地面5G空口的调度时隙大小，影响调度效率。

(2)混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ)周期变大，为保证不影响用户峰值速率，HARQ进程数需不小于50，远大于地面5G的HARQ进程最大值16，对终端和信关站/卫星缓存提出了高要求。

(3)自适应编码调制(Adaptive Coding and Modulation，ACM)和功控滞后，滞后时长为单边无线传输时延，路径损耗、阴影衰落及快衰落等影响不能及时自适应或补偿。

2.4 单波束覆盖广(小区覆盖范围大)

(1)单波束小区用户时延差为毫秒量级，初始随机接入时间提前量值较大，地面5G的物理随机接入信道(Physical Random Access Channel，PRACH)格式不支持。

(2)小区用户时延差在几个时隙左右，近小区中心和远小区中心用户资源调度在几个时隙时间范围内前后影响，甚至发生调度冲突，降低调度效率。

2.5 卫星功率受限

卫星功率受限导致发射机线性度和功放效率难以同时兼顾、大功率合成难度大、接收信噪比低等问题。

由于卫星不可避免需要进行高动态运动，同时由于其高度、星上载荷设计等原因，卫星单波束覆盖范围大，而这些特点导致的接入、同步及切换问题会严重影响一次完整通信的用户体验，因此是5G低轨卫星互联网中需要重点解决的部分难题，同时也是未来5G低轨卫星互联网建设中需要解决的部分热点问题。

3 5G空口适应性解决方案

由于地面通信系统与卫星系统差异性导致的以上问题，需要对地面5G空口技术进行适应性修改，以保证5G体制能够应用于低轨卫星系统中，并保证各项性能指标需求。

下面主要针对高动态导致的同步困难、频繁切换，单波束覆盖广导致的随机接入格式不匹配等问题进行进一步分析。

3.1 时频同步

5G体制主要采用波形为OFDM。该技术利用子载波之间的正交性，克服宽带信道中的频率选择性，实现更高的频谱效率，但是由于其正交性，该技术对定时和频率偏差十分敏感[26]。而LEO卫星由于其高速运动，会导致传输过程中产生多普勒频偏大、定时偏差大的问题，对信号同步造成较大的影响。

为了降低载波频偏和采样频偏的影响，需要进行频偏估计与补偿，并尽可能减小补偿后残余频偏大小，如图1所示。同时，由于高动态带来的定时偏差，对上行定时同步跟踪会造成较大的影响，需要重新设计针对低轨卫星移动通信系统的上行同步跟踪方案。

图1 频偏补偿示意图

现阶段，针对5G卫星系统的时频同步技术主要依据主同步信号(Prime Synchronizing Signal,PSS)、CP进行估计，同时考虑进行多次估计与补偿，辅以合适的滤波器，最终提升系统的频偏利用率，降低计算复杂度。

文献[27]提出了一种低复杂度的频偏校正算法，基于高斯过程和凸优化的粗估计器进行多普勒频偏粗校正，然后再使用基于最大似然估计的精估计器结合Turbo迭代进一步提高估计性能。此种方法与传统的Turbo同步方法相比，在较大的归一化频率偏移(Normalized Frequency Offset,NFO)范围内具有更好的性能和更低的计算复杂度，但该文献是在QPSK下进行仿真验证。

文献[28]提出了一种基于5G帧结构的卫星通信系统多普勒频移估计方法，将多普勒频移的整数部分和小数部分在PSS内分两步完成，通过提取两个连续PSS的累积相位差来计算精确的多普勒率，并通过卡尔曼滤波器分别对多普勒频移和多普勒率估计结果进行平滑处理，对其估计结果进行稳定增强。通过其提出的两步多普勒频偏估计、多普勒率估计方法能够有效地对其系统进行估计，同时对其估计结果增加卡尔曼滤波器后，大大降低了多普勒频移和多普勒率估计均方误差(Mean Squared Error,MSE)。该文提出的方法能够对由于卫星导致的快速时变的多普勒频移进行有效估计，且复杂度较低，具有相应可行性。

文献[29]针对5G NR信号在低轨卫星信道下行传输的时间和频率同步问题，从观测到的PSS定时偏差估计的最大对数似然准则出发，推导目标函数的上界，利用LEO卫星地面链路最大多普勒频移在一定范围内的先验信息，将时间偏移估计转化为一维峰值搜索问题。此外，利用OFDM的CP结构进一步提高估计性能。该方法是实现典型卫星通信系统下行链路时频精确同步的有效可行方案。对多信道5G卫星融合网络时频同步研究中，文献[30]通过粗时间同步-精时间同步-频率同步完成系统多信道同步跟踪:在粗时间同步中使用基于CP的盲估计算法；在频率同步时，首先进行小数倍频偏估计与补偿，然后完成整数倍频偏估计与补偿，完成之后将信号通过一个带通滤波器滤掉子载波间干扰，最后再进行一次小数倍频偏估计与补偿，可以完成更精确的频率同步。

3.2 随机接入

地面LTE/5G通信系统随机接入技术采用传统的4-step RACH或改进后的2-step RACH。两种随机接入过程中，终端首先向基站发送的消息中，均需要对前导序列进行发送与检测，同时通过前导序列估计TA值。但是卫星距离太远，终端、卫星与信关站之间的传播时延过大，将导致信关站无法正确检测前导；同时，卫星波束覆盖范围大，不同位置的用户终端到卫星的距离不同，因此不同位置终端传输时延也不同，给随机接入带来影响。

目前，基于OFDM传输技术的卫星通信系统中，前导格式由CP、序列以及保护时间(Guard Time，GT)组成，如图2所示，其中CP长度设置为小区内多用户间最大往返时延差和小区最大时延扩展之和，GT长度设置为小区内多用户间最大往返时延差。可以看出，由于波束内用户间存在的大传输时延差，随机接入的前导序列的CP和GT都需要很长，造成资源开销过大的问题。

图2 随机接入前导信号格式

因此，现阶段针对5G卫星系统随机接入技术的研究主要在于前导设计与检测、TA估计方面，对前导码进行适应性修改，减小CP、GT长度，结合卫星星历以及终端位置等辅助信息，估计TA值，最终提升接入效率。

文献[31]分析了5G NR随机接入过程对卫星使用的适用性，认为TA计算、传输以及其相关定时器的配置需要进行适应性更改，同时对物理随机接入信号所需的前导码进行了研究，提出其保护间隔可以通过传输到终端的最小延迟来减小。文献[32]对5G卫星通信系统的随机接入前导码进行设计与检测，在时域内将多个具有较大子载波间隔的不同根Zadoff-Chu(ZC)序列级联，构成长前导序列；在此基础上，提出一种基于多序列联合相关的一步定时检测方案，有效地对TA进行估计。

文献[33]研究了5G低轨卫星通信系统中基于位置的TA估计问题，使用卫星在不同时刻的到达时差和到达频率差测量值进行地理位置的估计，然后将位置估计问题转化为二次优化问题，估计得到终端位置，结合卫星星历中卫星位置，可以得到卫星与终端的传输时延，最终得到该终端TA估计值。该方法可以有效地进行终端TA估计，但是需要从下行信号中获得较多信息计算出终端位置并获取卫星位置，若需要更精确的TA值，就需要计算出更加准确的位置信息。

此外，对前导的研究中，还可利用往返时延的差异来消除卫星波束间的时间不确定性，从而减少CP、GT的持续时间，通过相同短ZC序列或不同循环移位单根ZC序列构成长序列，联合使用所有相关峰进行TA估计等，最终能够在不同条件下提高接入效率[34-37]。

3.3 小区切换

在用户终端成功接入系统后，在其一次通信过程中可能需要进行切换。与地面通信系统切换主要由用户终端运动引起不同，卫星互联网系统中切换主要由低轨卫星快速运动引起。卫星的高速运动导致用户频繁切换，同时用户驻留波束交叠区时间短，如图3所示。而由于用户驻留波束交叠区域时间短，在信号大延迟及无线资源控制(Radio Resource Control，RRC)非实时切换请求反馈的情况下，用户可能在离开波束交叠区域时仍未收到源小区的切换命令。除此之外，卫星跨信关站时会带来馈电链路切换等特殊问题。

图3 波束交叠区域示意图

由于卫星系统不可避免地会产生切换问题，针对卫星切换技术的研究很多。根据5G卫星互联网切换场景，主要分为波束间切换、星间切换和信关站切换等。波束间切换一般定义为用户终端在同一颗卫星覆盖范围内从其一个波束切换至相邻的另一个波束继续通信；星间切换主要由于卫星不断运动导致无法持续覆盖用户终端，因此终端需在卫星之间的切换，该切换通常涉及到选星的问题；信关站切换在于卫星与信关站的链路侧，一般由于卫星移动导致其会远离当前通信信关站覆盖区域，需要进行切换以维持连接。

文献[37]在5G协议的基础上，针对波束间切换、星间切换和跨层切换三大场景设计了适合LEO-HAP系统的不同切换过程，并对其时延性能和信令开销进行分析，提出了一种动态切换策略来优化切换时刻和资源分配。决策中提出一个效用函数，该效用函数与用户优先级、最小速率要求、时延要求、信道增益和波束业务量等参数有关。该方法能够有效优化切换过程的时延和信令开销，降低丢包率，改善功耗。该方法需要合理地进行效用函数的建立，以达到更优的结果。

针对波束间切换，文献[38-40]主要对切换技术、信道分配策略进行了研究，根据信号强度与用户不同速度等因素进行合理的切换判决，对信道分配策略进行改进，最终提升系统性能，减小新呼叫阻塞与切换失败率，提供用户满意的QoS。

考虑用户终端进行星间切换的情况，文献[41-44]针对大量用户同时切换场景，根据用户网络、价格满意度以及所需带宽等条件进行分组，同时考虑卫星负载能力，建立用户与卫星的演化博弈模型，实现了用户和卫星效用最大化；针对业务切换，生成有向图，将星间切换建模为有向图最短路径问题，该类方法能够进行相应预测，有效降低用户切换失败率。文献[45]在研究星间切换时考虑在多星覆盖的情况下终端如何进行切换，提出了基于层次分析法的卫星切换策略，考虑服务时间、链路质量、空闲信道资源数和信令开销等影响因素，建立层次分析模型，设定相关矩阵，根据不同侧重进行矩阵参数选择，最终选择最优的切换卫星负载方法。

此外，由于恶劣天气损害容易造成的链路中断事件，保障有效的切换十分重要，而信关站切换时通常会导致QoS受到影响。因此，文献[46]提出了一种信关站切换策略，旨在通过所有可用的信关站适当地平衡传入业务，以保证每个业务传输性能；文献[47]采用信关站分集方案和切换技术，在分集场景中采用多链路TCP(Multipath-TCP,MP-TCP)协议，为信关站切换进行支持，保证信关站平滑切换。

4 结束语

卫星与5G地面网络的融合是发展6G以及天地一体化信息网络的必然发展趋势，因此，研究基于5G体制的低轨卫星互联网十分必要。本文总结了不同组织机构以及学者们对融合网络的研究发展情况，并详细分析了低轨卫星系统特点造成的5G体制应用问题；考虑卫星高动态、通信距离远、波束覆盖范围广等特点，进一步分析了时频同步、随机接入以及小区切换方面的问题。本文形成的相应方案可以为5G低轨卫星互联网中5G空口适应性设计提供参考。

接下来将继续针对技术体系中寻呼、漫游等技术点开展深入研究，完善5G低轨卫星互联网体系解决方案。