非地面無線通信網絡增強技術研究

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摘要：通過增強基礎地面網絡，使之與星載或空載網絡融合，可將地面通信網絡應用推廣到覆蓋范圍更廣的非地面通信網絡。分析非地面網絡超大傳輸時延、多普勒效應、小區移動等通信條件對無線通信接口設計的影響，從標準化角度分析同步過程、定時關系、HARQ、波束管理與極化方面的增強解決方案，滿足了非地面網絡應用需求。

關鍵詞：非地面網絡；空地通信；衛星；傳播時延；多普勒；同步

衛星通信與地面通信網絡融合，可以將基礎地面網絡延伸到無法覆蓋或者覆蓋成本較高的偏遠地區、飛機、船舶等應用場景，促進地面網絡滿足更加廣泛的萬物互聯與人機深度交互需求。空地通信則可以利用地面基站滿足低空通信需求，以經濟高效的方式為低空用戶設備提供隨時隨地的數據服務體驗。本文將分析非地面網絡應用場景的關鍵參數，從標準化角度討論非地面網絡應用的增強技術，并展望非地面網絡的后續演進方向。

1非地面通信場景

典型的非地面網絡包括衛星或高空平臺（HAPS,HighAltitudePlatformStation）、關口站、用戶設備、業務鏈路、饋電電路、星際鏈路等。圖1是非地面網絡（Non-TerrestrialNetwork）的典型應用場景[1-2]。衛星包括近地軌道（LEO,LowEarthOrbiting）衛星、中軌道（MediumEarthOrbiting）衛星、地球靜止軌道（GEO,GeostationaryEarthOrbiting）衛星等。表1為非地面網絡典型的通信參數，從LEO衛星GEO衛星，衛星距地高度從幾百公里到數萬公里不等。高空平臺（HAPS,HighAltitudePlatformStation）和地空（ATG,AirtoGround）通信則主要是支持距地高度幾十公里的高空通信。GEO衛星對地相對移動速度可忽略不計，但LEO衛星對地的相對移動速度達7.56km/s。基礎的地面通信網絡并沒有為如此量級傳播時延大、覆蓋范圍廣、相對移動速度快、小區具備移動性等特性做針對性的設計。從標準化角度，非地面網絡增強方案以地面通信網絡的解決方案為基礎，重點解決非地面通信對地面通信網絡的同步、定時關系、HARQ、波束管理等方面的改進需求。

2非地面通信增強技術

2.1同步過程

衛星通常具備健全的頻率偏移預補償的能力。通過基于波束的公共頻偏預補償，NR系統中的設計的同步信號塊可以保障魯棒的下行時頻同步跟蹤性能。上行同步是地面通信網絡中重要的過程。在時間上，各用戶設備需確定發送上行信號的時間，保證上行信號在網絡設備側與接收定時器對齊。配備有全球導航衛星系統（GNSS,GlobalNavigationSatelliteSystem）能力的用戶設備可以在空閑或者非激活狀態下獲取自身的位置，并借助網絡設備輔助的衛星位置信息、公共同步定時差等信息計算上行定時提前的預補償量。借助GNSS功能和網絡設備的閉環定時調整指示，連接狀態下的用戶設備可以保持上行時間同步。對于上行頻率同步，一方面，網絡側可預補償波束特定的公共頻率偏移；另一方面，用戶設備也可以基于GNSS的位置信息和衛星位置信息計算業務鏈路的頻率預補償量。有了有效的時間提前和頻率預補償，NTN通信中上行同步問題得到了大大緩解。如果沒有配備GNSS能力，用戶設備難以計算有效的頻率和時間偏移預補償量，原有的隨機接入、上行同步和保持等設計都將難以適應NTN場景的傳播時延和頻率的范圍。NTN的初期應用以用戶設備配有GNSS能力為假設[3]，支持空閑與非激活狀態的用戶設備自主定時提前量估計和公共定時提前量估計，保證NTN場景的同步需求。

2.2定時關系增強

地面通信系統的傳播時延通常小于1ms，空中傳播時延對下行傳輸與上行傳輸之間定時差的影響可忽略不計。以下行控制信息調度上行數據傳輸為例，位于時隙n的下行控制信息用于調度時隙n+k的上行傳輸。k的取值范圍主要以滿足用戶設備接收解調下行信息的處理時間、預處理相關聯的上行信息的時間、以及保證資源復用靈活性與效率的要求確定，無需過多考慮傳播時延的影響。NTN場景的傳播時延則是地面通信系統的數十倍乃至數百倍。特別是GEO衛星與用戶設備之間的業務鏈路單向傳播延時可達270.73ms。超大的傳播時延對應用戶設備的下行和上行幀定時一個大的定時提前（TA,TimingAdvance）。以NTN中網絡設備側的DL和UL同步對齊為假設，圖2為下行和上行定時關系示意圖。用戶設備實際的下行接收和上行發送幀定時之間有TA大小的時間差別。相應地，NTN系統的上下行定時差需要在地面通信k的基礎上增加一個偏移量Koffset。Koffset的取值需要可以覆蓋信息往返傳輸時延的時間，才能保證用戶設備基于接收的下行信息發送相關聯的上行信息。物理層下行與上行之間定時關系需要增加偏移量的包括上行調度與相應的上行傳輸、下行數據傳輸與相應的HARQ-ACK反饋、CSI參考資源與相應的CSI反饋、非周期SRS調度與相應的非周期SRS傳輸、時隙格式指示信息與所指示的生效的上行資源、隨機接入觸發信息與相應的接入信號等。除上述物理層的下行與上行之間定時關系需要增加偏移量Koffset滿足NTN的大傳播時延之外，地面通信網絡中還有一些定時關系在標準中是按照用戶設備的邏輯定時時間設置的。例如一般的MACCE命令在UE發送MACCE命令相關HARQ-ACK后3ms被激活。這里的UE發送時間是假設TA=0的邏輯時間。如果網絡側的下行和上行幀定時對齊，以TA=0的上行邏輯時間為基準，除MACCE命令信息和與之對應的HARQ-ACK反饋時間之間增加偏移量之外，無需再增加額外的偏移量，可以保證網絡設備和用戶設備之間的MACCE生效時間一致。如圖2所示，下行MACCE和上行MACCE的生效時間均以UE發送MACCE命令相關HARQ-ACK的邏輯時間為參考確定。如果網絡側的下行和上行幀定時不對齊，網絡側的上行定時比下行定時時間之間有饋電鏈路的傳播時延時間的影響。下行MACCE的生效時間需要增加與饋電電路傳播時延對應的偏移量，才可以保證網絡設備和用戶設備之間的MACCE生效時間一致。Koffset參數的取值在不同的通信階段需求不同。在初始接入階段，該偏移量需要覆蓋小區內所有用戶設備的最大往返傳播時延，參數值可以在系統信息中獲取。在小區覆蓋范圍很大的情況下，對覆蓋范圍中心的用戶設備來說，過大的閆志宇，沈霞，焦慧穎:非地面無線通信網絡的增強技術505G增強技術2021年5月第3期Koffset取值也會拉長接入時間。所以也可以考慮為初始接入階段的用戶設備配置更加精細的Koffset值，比如波束特定的偏移值。然而波束特定的偏移值也意味著網絡設備的指示信令負擔加重。在標準化過程中需要折中考慮偏移值的配置信息負擔與接入時延特性等之間的平衡。初始接入之后，可以為用戶設備可更新定時偏移量，適配其自身的傳播時延，并針對不同的下行和上行定時差需求確定各定時關系上生效的偏移值。例如RRC重配期間或者用戶設備切換期間等過程中，用戶設備和網絡設備之間傳輸鏈路可能處于不穩定狀態，可使用較大的小區特定的偏移值，而當用戶設備和網絡設備之間的連接相對穩定的情況下，使用用戶設備特定的偏移值。

2.3HARQ傳輸增強

地面通信系統使用多個并行的HARQ進程，針對每個HARQ進程反饋獨立的HARQ-ACK信息。衛星通信中，HARQ進程數據從發送端到接收端，HARQ-ACK反饋信息從接收端到發送端均要經歷很大的傳播時延，在HARQ-ACK確認正確的情況下HARQ進程數據才被認為傳輸完成，數據傳輸時延特性被大大影響。并且，業務鏈路需要支持更多的并行HARQ進程數目，保證新數據傳輸總有可用的空閑HARQ進程。理論上，為保證系統峰值速率不受HARQ進程數目影響，并行的HARQ進程數需不小于往返傳輸時延長度內包含的時隙數目。ATG通信目前多采用TDD方式部署。為減少上行和下行傳輸的頻繁切換帶來系統效率低下問題，上下行配置可能使用比陸地通信系統更長的連續下行或者連續上行時間單元的配比，長時間連續下行配置也需要更多數量的并行HARQ進程數量，保證等待上行時間單元獲取HARQ-ACK信息期間有足夠的并行HARQ進程承載數據。HARQ進程數量增加意味著數據調度信息中需要更多的信息量指示當前所調度的HARQ進程序號，信息收發雙方也需要相應增加HARQ數據緩存能力。NTN的初期應用以盡量減少標準化復雜度和調度復雜度為目的，對能力允許的用戶設備，將地面通信系統中上行和下行最大支持16個HARQ進程增加到上行和下行均最大支持32個HARQ進程。避免數據傳輸與HARQ-ACK反饋傳播時延帶來的數據時延增加、HARQ進程數目增加需求的另一種方式是在NTN系統中關閉HARQ-ACK反饋功能。關閉HARQ-ACK反饋功能后，數據傳輸因為不能獲得HARQ合并增益而必將有所下降，數據傳輸成功標志也不能依靠確認的HARQ-ACK指示實現。對可靠性要求較高的RRC、MAC配置信息來說，如果關閉配置信息的HARQ-ACK反饋，其傳輸性能的影響可能會對系統效率造成惡劣的影響。除此之外，一般的MACCE命令生效時間以MACCE命令相關的HARQ-ACK反饋時間為參考。關閉HARQ-ACK反饋功能后，無從按照現有方式確定MACCE命令的生效時間。為避免HARQ-ACK關閉對RRC、MAC這些重要信息性能的影響，NTN的應用中應允許針對每個HARQ進程獨立配置是否關閉HARQ-ACK反饋功能，保證可以保留部分HARQ進程的HARQ-ACK反饋功能不關閉，至少用于RRC、MAC這些重要信息的傳輸。對于HARQ-ACK反饋關閉的HARQ進程，可通過重復更多次傳輸、時間上交織重復傳輸、引入新的目標誤塊率的CQI表格、引入新的上行控制信息類型、UE輔助信息等提高數據的傳輸性能，彌補HARQ合并增益帶來的性能損失。部分HARQ進程支持HARQ-ACK反饋，另一部分HARQ進程不支持HARQ-ACK反饋，已有的HARQ-ACK碼本的生成方式和HARQ進程的調度過程可能受到影響。地面通信系統中HARQ-ACK碼本包括所有HARQ進程的信息位。NTN中，需要確定HARQ-ACK碼本是否保留關閉了HARQ-ACK反饋的數據傳輸對應的反饋信息位。如果保留這些HARQ-ACK反饋信息位，意味著控制信息的效率降低，影響系統整體效率。如果不保留這些HARQ-ACK反饋信息位，下行控制信息關于確定HARQ-ACK反饋的指示字段是沒有意義的，例如指示HARQ-ACK反饋與數據傳輸之間定時差、物理上行控制信道資源指示、動態HARQ-ACK碼本中配置中的調度計數指示等字段。控制信息縮減掉這些字段意味著不同HARQ進程的調度信息長度不同，增加了設備的盲檢測控制信息的復雜度。折中考慮系統的下行資源效率、上行資源效率以及設備的復雜度，可嘗試在不同的預設時間發送HARQ-ACK關閉與未關閉HARQ進程的調度信息，即限制調度靈活性換取不增加用戶設備對控制信息的盲檢測復雜度。在地面通信中，下行數據調度時，關于HARQ進程的使用有如下限制：在完成一個HARQ進程的下行數據的HARQ-ACK反饋之前，用戶設備不期望該HARQ進程號用于其它下行數據傳輸。這是由于調度器獲取到HARQ傳輸對應的HARQ-ACK信息后，才能將用該HARQ傳輸的HARQ進程號調度數據重傳，或者將該HARQ進程號釋放給新傳數據。在關閉HARQ-ACK反饋功能后，可以放松這樣的調度限制。對于關閉了HARQ-ACK反饋的下行HARQ進程，使用同一個HARQ進程傳輸數據的間隔時間，只要保證用戶設備可以處理完之前使用該HARQ進程一次或者多次重復傳輸的下行數據即可。

2.4波束管理增強與極化指示

NTN通信中，LEO衛星以及HAPS以很快的速度移動。站在用戶設備的角度，相當于小區在快速移動。即便地面的用戶設備是相對靜止，仍然需要頻繁在小區之間切換。小區之間的切換需要經過RRC重配過程，頻繁切換意味著大量的信令負擔和用戶設備功耗。在地面通信系統中，波束之間的切換可以通過物理層和MAC層過程完成。波束切換很明顯比小區切換更快速、高效。以此為鑒，NTN通信可以通過波束管理解決小區移動的問題。如果一個小區內包括多個波束，可直接采用地面通信的波束切換流程。如果NTN通信使用了頻率復用，可能有兩種情況。一種是通過BWP的頻率復用，另一種是通過多個成員載波頻率復用。如果NTN在頻率上通過BWP復用，用戶設備在初始BWP獲取同步信息塊和系統信息并完成初始接入。接入網絡并切換到工作的BWP后，為獲得波束切換的測量信息，用戶設備需要頻繁切換到初始BWP，這對用戶設備的功耗和調度靈活性影響是較大的。如果NTN在頻率上通過多個成員載波復用，由于小區的移動仍不可避免頻繁的小區切換。因此，為實現有效的波束管理，需在地面通信系統基礎上考慮規劃小區ID、波束、BWP、系統信息塊之間的關聯關系。除此之外，NTN網絡相鄰小區可以使用不同的極化模式（左旋圓極化和右旋圓極化）可以減輕小區間干擾、提升系統復用效率。用戶設備需獲知衛星的收發極化模式確定收發方式。

3非地面網絡演進方向分析

隨著非地面網絡通信的進一步增強，NTN的應用場景將更加廣泛，業務類型也必將更加多樣化。在初期應用中以用戶設備總是配有GNSS能力為假設。演進過程中為支持更多類型的設備連接，需要進一步提升NTN對低能力終端設備的服務能力。另外，雖然NTN中的用戶設備密度很大，但初期應用中真正處于連接態的用戶設備并不多。在進一步演進過程中，需要進一步的增強技術支持在NTN超大的覆蓋范圍內支持更大密度的連接態用戶設備。地面網絡和非地面網絡之間的無縫切換與融合也是NTN演進的必然需求。

4結束語

本文分析了非地面網絡超大傳輸時延、多普勒效應、小區移動等通信條件對地面通信網絡的影響，從標準化角度分析同步過程、定時關系、HARQ、波束管理與極化方面的增強解決方案，滿足了非地面網絡初期應用需求，并對非地面通信網絡的演進方向提出發展建議。伴隨著非地面網絡的不斷增強與應用延伸，終將實現空地一體化的服務目標。

作者：閆志宇 沈霞 焦慧穎 單位：中國信息通信研究院