非地面无线通信网络的增强技术*

闫志宇，沈霞，焦慧颖

（中国信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

卫星通信与地面通信网络融合，可以将基础地面网络延伸到无法覆盖或者覆盖成本较高的偏远地区、飞机、船舶等应用场景，促进地面网络满足更加广泛的万物互联与人机深度交互需求。空地通信则可以利用地面基站满足低空通信需求，以经济高效的方式为低空用户设备提供随时随地的数据服务体验。本文将分析非地面网络应用场景的关键参数，从标准化角度讨论非地面网络应用的增强技术，并展望非地面网络的后续演进方向。

1 非地面通信场景

典型的非地面网络包括卫星或高空平台（HAPS,High Altitude Platform Station）、关口站、用户设备、业务链路、馈电电路、星际链路等。图1是非地面网络（Non-Terrestrial Network）的典型应用场景[1-2]。

图1 典型的非地面网络应用场景

卫星包括近地轨道（LEO,Low Earth Orbiting）卫星、中轨道（Medium Earth Orbiting）卫星、地球静止轨道（GEO,Geostationary Earth Orbiting）卫星等。表1为非地面网络典型的通信参数，从LEO卫星GEO卫星，卫星距地高度从几百公里到数万公里不等。高空平台（HAPS,High Altitude Platform Station）和地空（ATG,Air to Ground）通信则主要是支持距地高度几十公里的高空通信。GEO卫星对地相对移动速度可忽略不计，但LEO卫星对地的相对移动速度达7.56 km/s。

表1 典型NTN的通信参数

基础的地面通信网络并没有为如此量级传播时延大、覆盖范围广、相对移动速度快、小区具备移动性等特性做针对性的设计。从标准化角度，非地面网络增强方案以地面通信网络的解决方案为基础，重点解决非地面通信对地面通信网络的同步、定时关系、HARQ、波束管理等方面的改进需求。

2 非地面通信增强技术

2.1 同步过程

卫星通常具备健全的频率偏移预补偿的能力。通过基于波束的公共频偏预补偿，NR系统中的设计的同步信号块可以保障鲁棒的下行时频同步跟踪性能。

上行同步是地面通信网络中重要的过程。在时间上，各用户设备需确定发送上行信号的时间，保证上行信号在网络设备侧与接收定时器对齐。配备有全球导航卫星系统（GNSS,Global Navigation Satellite System）能力的用户设备可以在空闲或者非激活状态下获取自身的位置，并借助网络设备辅助的卫星位置信息、公共同步定时差等信息计算上行定时提前的预补偿量。借助GNSS功能和网络设备的闭环定时调整指示，连接状态下的用户设备可以保持上行时间同步。对于上行频率同步，一方面，网络侧可预补偿波束特定的公共频率偏移；另一方面，用户设备也可以基于GNSS的位置信息和卫星位置信息计算业务链路的频率预补偿量。有了有效的时间提前和频率预补偿，NTN通信中上行同步问题得到了大大缓解。如果没有配备GNSS能力，用户设备难以计算有效的频率和时间偏移预补偿量，原有的随机接入、上行同步和保持等设计都将难以适应NTN场景的传播时延和频率的范围。NTN的初期应用以用户设备配有GNSS能力为假设[3]，支持空闲与非激活状态的用户设备自主定时提前量估计和公共定时提前量估计，保证NTN场景的同步需求。

2.2 定时关系增强

地面通信系统的传播时延通常小于1 ms，空中传播时延对下行传输与上行传输之间定时差的影响可忽略不计。以下行控制信息调度上行数据传输为例，位于时隙n的下行控制信息用于调度时隙n+k的上行传输。k的取值范围主要以满足用户设备接收解调下行信息的处理时间、预处理相关联的上行信息的时间、以及保证资源复用灵活性与效率的要求确定，无需过多考虑传播时延的影响。NTN场景的传播时延则是地面通信系统的数十倍乃至数百倍。特别是GEO卫星与用户设备之间的业务链路单向传播延时可达270.73 ms。超大的传播时延对应用户设备的下行和上行帧定时一个大的定时提前（TA,Timing Advance）。以NTN中网络设备侧的DL和UL同步对齐为假设，图2为下行和上行定时关系示意图。用户设备实际的下行接收和上行发送帧定时之间有TA大小的时间差别。相应地，NTN系统的上下行定时差需要在地面通信k的基础上增加一个偏移量Koffset。Koffset的取值需要可以覆盖信息往返传输时延的时间，才能保证用户设备基于接收的下行信息发送相关联的上行信息。物理层下行与上行之间定时关系需要增加偏移量的包括上行调度与相应的上行传输、下行数据传输与相应的HARQ-ACK反馈、CSI参考资源与相应的CSI反馈、非周期SRS调度与相应的非周期SRS传输、时隙格式指示信息与所指示的生效的上行资源、随机接入触发信息与相应的接入信号等。

除上述物理层的下行与上行之间定时关系需要增加偏移量Koffset满足NTN的大传播时延之外，地面通信网络中还有一些定时关系在标准中是按照用户设备的逻辑定时时间设置的。例如一般的MAC CE命令在UE发送MAC CE命令相关HARQ-ACK后3 ms被激活。这里的UE发送时间是假设TA=0的逻辑时间。如果网络侧的下行和上行帧定时对齐，以TA=0的上行逻辑时间为基准，除MAC CE命令信息和与之对应的HARQ-ACK反馈时间之间增加偏移量之外，无需再增加额外的偏移量，可以保证网络设备和用户设备之间的MAC CE生效时间一致。如图2所示，下行MAC CE和上行MAC CE的生效时间均以UE发送MAC CE命令相关HARQ-ACK的逻辑时间为参考确定。如果网络侧的下行和上行帧定时不对齐，网络侧的上行定时比下行定时时间之间有馈电链路的传播时延时间的影响。下行MAC CE的生效时间需要增加与馈电电路传播时延对应的偏移量，才可以保证网络设备和用户设备之间的MAC CE生效时间一致。

图2 非地面网络下行和上行帧定时对齐情况下的MAC CE生效时间示意图

Koffset参数的取值在不同的通信阶段需求不同。在初始接入阶段，该偏移量需要覆盖小区内所有用户设备的最大往返传播时延，参数值可以在系统信息中获取。在小区覆盖范围很大的情况下，对覆盖范围中心的用户设备来说，过大的Koffset取值也会拉长接入时间。所以也可以考虑为初始接入阶段的用户设备配置更加精细的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着网络设备的指示信令负担加重。在标准化过程中需要折中考虑偏移值的配置信息负担与接入时延特性等之间的平衡。初始接入之后，可以为用户设备可更新定时偏移量，适配其自身的传播时延，并针对不同的下行和上行定时差需求确定各定时关系上生效的偏移值。例如RRC重配期间或者用户设备切换期间等过程中，用户设备和网络设备之间传输链路可能处于不稳定状态，可使用较大的小区特定的偏移值，而当用户设备和网络设备之间的连接相对稳定的情况下，使用用户设备特定的偏移值。

2.3 HARQ传输增强

地面通信系统使用多个并行的HARQ进程，针对每个HARQ进程反馈独立的HARQ-ACK信息。卫星通信中，HARQ进程数据从发送端到接收端，HARQ-ACK反馈信息从接收端到发送端均要经历很大的传播时延，在HARQACK确认正确的情况下HARQ进程数据才被认为传输完成，数据传输时延特性被大大影响。并且，业务链路需要支持更多的并行HARQ进程数目，保证新数据传输总有可用的空闲HARQ进程。理论上，为保证系统峰值速率不受HARQ进程数目影响，并行的HARQ进程数需不小于往返传输时延长度内包含的时隙数目。ATG通信目前多采用TDD方式部署。为减少上行和下行传输的频繁切换带来系统效率低下问题，上下行配置可能使用比陆地通信系统更长的连续下行或者连续上行时间单元的配比，长时间连续下行配置也需要更多数量的并行HARQ进程数量，保证等待上行时间单元获取HARQ-ACK信息期间有足够的并行HARQ进程承载数据。HARQ进程数量增加意味着数据调度信息中需要更多的信息量指示当前所调度的HARQ进程序号，信息收发双方也需要相应增加HARQ数据缓存能力。NTN的初期应用以尽量减少标准化复杂度和调度复杂度为目的，对能力允许的用户设备，将地面通信系统中上行和下行最大支持16个HARQ进程增加到上行和下行均最大支持32个HARQ进程。

避免数据传输与HARQ-ACK反馈传播时延带来的数据时延增加、HARQ进程数目增加需求的另一种方式是在NTN系统中关闭HARQ-ACK反馈功能。关闭HARQACK反馈功能后，数据传输因为不能获得HARQ合并增益而必将有所下降，数据传输成功标志也不能依靠确认的HARQ-ACK指示实现。对可靠性要求较高的RRC、MAC配置信息来说，如果关闭配置信息的HARQ-ACK反馈，其传输性能的影响可能会对系统效率造成恶劣的影响。除此之外，一般的MAC CE命令生效时间以MAC CE命令相关的HARQ-ACK反馈时间为参考。关闭HARQ-ACK反馈功能后，无从按照现有方式确定MAC CE命令的生效时间。为避免HARQ-ACK关闭对RRC、MAC这些重要信息性能的影响，NTN的应用中应允许针对每个HARQ进程独立配置是否关闭HARQ-ACK反馈功能，保证可以保留部分HARQ进程的HARQ-ACK反馈功能不关闭，至少用于RRC、MAC这些重要信息的传输。对于HARQACK反馈关闭的HARQ进程，可通过重复更多次传输、时间上交织重复传输、引入新的目标误块率的CQI表格、引入新的上行控制信息类型、UE辅助信息等提高数据的传输性能，弥补HARQ合并增益带来的性能损失。

部分HARQ进程支持HARQ-ACK反馈，另一部分HARQ进程不支持HARQ-ACK反馈，已有的HARQ-ACK码本的生成方式和HARQ进程的调度过程可能受到影响。地面通信系统中HARQ-ACK码本包括所有HARQ进程的信息位。NTN中，需要确定HARQ-ACK码本是否保留关闭了HARQ-ACK反馈的数据传输对应的反馈信息位。如果保留这些HARQ-ACK反馈信息位，意味着控制信息的效率降低，影响系统整体效率。如果不保留这些HARQ-ACK反馈信息位，下行控制信息关于确定HARQ-ACK反馈的指示字段是没有意义的，例如指示HARQ-ACK反馈与数据传输之间定时差、物理上行控制信道资源指示、动态HARQ-ACK码本中配置中的调度计数指示等字段。控制信息缩减掉这些字段意味着不同HARQ进程的调度信息长度不同，增加了设备的盲检测控制信息的复杂度。折中考虑系统的下行资源效率、上行资源效率以及设备的复杂度，可尝试在不同的预设时间发送HARQACK关闭与未关闭HARQ进程的调度信息，即限制调度灵活性换取不增加用户设备对控制信息的盲检测复杂度。

在地面通信中，下行数据调度时，关于HARQ进程的使用有如下限制：在完成一个HARQ进程的下行数据的HARQ-ACK反馈之前，用户设备不期望该HARQ进程号用于其它下行数据传输。这是由于调度器获取到HARQ传输对应的HARQ-ACK信息后，才能将用该HARQ传输的HARQ进程号调度数据重传，或者将该HARQ进程号释放给新传数据。在关闭HARQ-ACK反馈功能后，可以放松这样的调度限制。对于关闭了HARQ-ACK反馈的下行HARQ进程，使用同一个HARQ进程传输数据的间隔时间，只要保证用户设备可以处理完之前使用该HARQ进程一次或者多次重复传输的下行数据即可。

2.4 波束管理增强与极化指示

NTN通信中，LEO卫星以及HAPS以很快的速度移动。站在用户设备的角度，相当于小区在快速移动。即便地面的用户设备是相对静止，仍然需要频繁在小区之间切换。小区之间的切换需要经过RRC重配过程，频繁切换意味着大量的信令负担和用户设备功耗。在地面通信系统中，波束之间的切换可以通过物理层和MAC层过程完成。波束切换很明显比小区切换更快速、高效。以此为鉴，NTN通信可以通过波束管理解决小区移动的问题。如果一个小区内包括多个波束，可直接采用地面通信的波束切换流程。如果NTN通信使用了频率复用，可能有两种情况。一种是通过BWP的频率复用，另一种是通过多个成员载波频率复用。如果NTN在频率上通过BWP复用，用户设备在初始BWP获取同步信息块和系统信息并完成初始接入。接入网络并切换到工作的BWP后，为获得波束切换的测量信息，用户设备需要频繁切换到初始BWP，这对用户设备的功耗和调度灵活性影响是较大的。如果NTN在频率上通过多个成员载波复用，由于小区的移动仍不可避免频繁的小区切换。因此，为实现有效的波束管理，需在地面通信系统基础上考虑规划小区ID、波束、BWP、系统信息块之间的关联关系。除此之外，NTN网络相邻小区可以使用不同的极化模式（左旋圆极化和右旋圆极化）可以减轻小区间干扰、提升系统复用效率。用户设备需获知卫星的收发极化模式确定收发方式。

3 非地面网络演进方向分析

随着非地面网络通信的进一步增强，NTN的应用场景将更加广泛，业务类型也必将更加多样化。在初期应用中以用户设备总是配有GNSS能力为假设。演进过程中为支持更多类型的设备连接，需要进一步提升NTN对低能力终端设备的服务能力。另外，虽然NTN中的用户设备密度很大，但初期应用中真正处于连接态的用户设备并不多。在进一步演进过程中，需要进一步的增强技术支持在NTN超大的覆盖范围内支持更大密度的连接态用户设备。地面网络和非地面网络之间的无缝切换与融合也是NTN演进的必然需求。

4 结束语

本文分析了非地面网络超大传输时延、多普勒效应、小区移动等通信条件对地面通信网络的影响，从标准化角度分析同步过程、定时关系、HARQ、波束管理与极化方面的增强解决方案，满足了非地面网络初期应用需求，并对非地面通信网络的演进方向提出发展建议。伴随着非地面网络的不断增强与应用延伸，终将实现空地一体化的服务目标。