空天地一体化空口接入协议研究

王爱玲，刘建军，潘成康，王启星，张超

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

融合卫星通信与地面移动通信，构建空天地一体化网络，有助于实现全球全域低成本的立体网络覆盖，支持用户在不同网络之间无感知切换，享受一致性服务体验。空天地一体化可满足未来网络广域智慧连接和全球无缝接入需求，是支撑6G“数字孪生、智慧泛在”愿景的重要保障。面向6G 的空天地一体化将卫星通信作为地面移动通信网络的重要补充和延伸[1]，通过两张网络的深度融合，实现基站上星、同轨道卫星或不同轨道卫星间形成卫星星间链路（ISL,Inter Satellite Link）等，从而支持卫星间以及卫星与地面站之间的协作传输，显著提升网络的立体覆盖水平和用户接入性能。

本文将分析空天地一体化的技术演进趋势，介绍传统的地面移动通信网络以及卫星通信网络的空口接入协议及不足，并基于面向6G 空天地一体化通信的统一空口协议以及卫星可通过星间链路交互信息特征，提出一种低时延的空口接入协议流程方案。

1 空天地一体化技术演进趋势

如图1 所示的空天地一体化技术演进趋势，在4G 阶段，卫星通信与地面移动通信网络的技术体系架构相对独立，卫星主要作为中继为地面移动通信网络覆盖不到的偏远地区或应急通信场景提供数据回传服务，实现业务与覆盖的相互补充。在5G 阶段，卫星通信与地面移动通信尝试技术体制的融合，例如3GPP 标准正在研究将5G 新空口适用于非地面网络（NTN,Non-Terrestrial Network）[2-4]，卫星网络与地面移动通信网络采用相似的网络架构与空口协议，但5G 新空口标准研究中卫星以透明转发传输方式为主，此方式需要大量地面站配合通信，同时也因无法统一协调无线资源等原因导致网络效率较低。面向6G，卫星网络与地面移动通信网络将进一步实现系统融合，星地通信统一网络架构和空口协议体制，通过基站上星、星间链路协调等技术统一资源管理与调度，实现低成本的全球泛在覆盖，为用户提供无感知的一致性服务体验[5]。空天地一体化在6G 阶段实现基站上星后，卫星之间可以通过星间链路通信，从而节省大规模传输网络铺设和基站建设费用、降低基站功耗等。

图1 空天地一体化技术演进趋势

2 空天地一体化空口接入协议概述

2.1 地面移动通信网络随机接入

随机接入的目的是使用户终端获取上行同步并接入无线网络，分为基于竞争的随机接入和基于非竞争的随机接入。3GPP 标准已支持四步随机接入和两步随机接入过程[6]。

（1）四步随机接入过程

基于竞争的四步随机接入流程如图2 所示，包括：1）终端在物理随机接入信道（PRACH,Physical Random Access Channel）资源上发送包含前导码的上行信号，称为Msg1；2）基站根据接收的前导码计算终端的定时提前量（TA,Time Advance），并通过随机接入响应（RAR,Random Access Response）发送给终端，称为Msg2，Msg2 中还包含同步和调度信息；3）终端在RAR 指示的上行时频资源上发送上行数据，称为Msg3；4）终端接收基站侧发送的下行数据，该下行数据包含竞争解决信息，称为Msg4[6]。

图2 四步随机接入流程

随机接入流程中最重要的一步是利用TA 指示终端提前相应的时间量来发送上行数据，但地面移动通信的TA机制无法满足卫星通信中几百甚至几千千米的传输距离要求。目前，3GPP 标准化正在讨论NTN 的TA 补偿方式，包括根据用户位置和星历信息自动获取TA 值，或基于网络侧指示获取TA 值两种[3]。

（2）两步随机接入过程

四步随机接入过程可保证用户的接入可靠性，但此过程需要用户和基站之间进行四次信息交互，接入效率不高。为降低随机接入时延，R16 版本的NR 标准引入了两步随机接入过程，如图3 所示。此过程将原四步随机接入中的Msg1 和Msg3 内容合并在一步中发送，称为MsgA；将Msg2 和Msg4 合并为MsgB。当用户发送的MsgA 被成功检测，且基站反馈的MsgB 中包含该用户的SuccessRAR 时，该用户反馈成功接收MsgB 的HARQACK 信息给基站，标识该用户完成随机接入过程。两步随机接入过程中，用户在传输MsgA 之前没有基站调度信息，所以MsgA 传输都是基于竞争机制完成的[6]。

图3 两步随机接入流程

两步随机接入过程可降低随机接入过程中的时延及信令开销。若在卫星通信引入两步接入流程，与四步随机接入相比接入时延理论上可降低一半，从而极大改善用户接入体验，但同时需针对大往返时延设计TA 补偿机制。

2.2 卫星通信网络的随机接入

基于卫星通信网络的随机接入是非地面网络需解决的关键技术之一，卫星通信网络中常见的接入方式有以下几种[7]。

（1）按需分配的接入

各用户向网络请求用于上行链路传输所需的资源，网络侧按照不同用户对所需资源的请求来分配不同的信道资源。此方式原则上具有动态分配特性，在一定程度上节约了信道资源。

（2）最短距离优先接入

用户选择距离最近的卫星接入，理论上距离越近的卫星信道质量越好，接收信号的强度也越强。此方案只需检测卫星信号的信噪比，实现简单，但在距离最近的卫星没有空闲信道情况下，将会导致用户频繁的发起接入与切换请求，接入效率低。

（3）最长覆盖时间接入

用户被多颗卫星同时覆盖时，根据星历信息可计算卫星覆盖某一小区的可视时间，从而选择覆盖时间最长的卫星接入。此方式可避免用户在一次通信过程中的频繁切换，降低掉话率，减少星间切换。

（4）负载均衡接入

用户选择覆盖卫星中空闲信道数最多的卫星接入，可以均衡低轨卫星网络中单个卫星业务量。此方案只考虑卫星空闲信道数，未利用卫星信道状况和其他的卫星相关的先验知识，接入性能比较差。

以上各种卫星接入方式基本只考虑单一因素，为提高接入效率可综合考虑各种因素研究基于综合加权接入方式。这些方案的通信协议基础是欧盟ETSI 的数字卫星电视广播标准（DVB-S2/S2X），但此协议不支持移动性管理等功能[8]。面向6G 的空天地一体化系统，卫星通信与地面通信协议统一，特别是基站上星后，卫星之间可以通过星间链路交换信息，结合星历等信息可辅助用户实现高效快速地接入卫星网络。

3 空天地一体化低时延接入方案

低轨卫星的高速移动性导致波束服务的时长可能只有几十秒，需要在波束间频繁切换，同时用户还会面临多星多重覆盖问题。因卫星星上功率及处理能力受限、星地链路传输延时长、卫星移动性导致的大多普勒频移等因素影响，空天地一体化系统的接入和同步设计具有很大挑战。

为简化卫星接入协议流程，考虑在6G 空天地一体化系统中引入两步接入流程，并做适配性增强方案设计。6G 空天地一体化系统包括多层异构子网（高、中、低轨卫星网络及地面移动通信网络），终端接入不同网络开销（包括信令交互、测量与上报开销等）存在较大差异，可考虑利用星间链路、卫星网络与地面网络的接口互通来进行信息传递，辅助设计接入方案，减少卫星与终端间的直接信令交互，降低接入时延。例如，利用星历或终端定位信息实现终端接入网络时，TA 自调整与功率自控制等，降低信令指示开销；或根据卫星具有运行信息可知特性，通过对网络信道状态预判以及利用星间的交互信息，提前预测终端接入与切换需求状态，完成接入配置与资源调度等，减少终端测量与上报开销等。

基于上述思想，本文提出一种低时延空口接入流程方案。如图4 所示，考虑空天地一体化系统卫星具有星上再生功能，即卫星间可形成星间链路，卫星通过ISL或激光通信进行星间信息传输。

图4 方案场景示意图

（1）初始连接建立

终端采用四步接入方式接入源卫星，此过程中终端与源卫星取得上行时间同步，源卫星获取终端补偿的TA信息。TA 信息包含小区或波束统一TA（Common_TA）和终端特定TA（Specific_TA）。其中，由网络侧广播的Common_TA 对小区内所有终端而言是一致的，终端Specific_TA 为通过MAC RAR 中的TA 指示，或终端根据自身定位信息以及卫星星历信息计算获取的TA。

（2）测量与切换配置

源卫星对终端进行测量配置，并根据终端的测量上报结果以及相关切换算法进行切换判决；若需进行星间切换，源卫星向目标卫星发送切换请求消息，目标卫星在资源允许情况下向源卫星发送切换响应信息；源卫星向终端发送RRC 重配置信息，在RRC 重配置信息里叠加一个额外的配置信息指示终端采用两步随机接入方式来接入目标卫星，流程如图5 所示。

图5 终端发起两步RACH接入流程示意图

（3）两步接入的TA 补偿

终端根据RRC 重配置信息确定采用两步随机接入方式向目标卫星发送MsgA，本文设计两种TA 补偿方案。

1）方案一：源卫星指示终端发送MsgA 前进行TA 补偿

源卫星通过星间链路交互目标卫星的星历等信息，从而获取目标卫星的空间位置（如经纬度）、运行高度及速度等信息，再结合源卫星的星历以及终端位置信息等，计算目标卫星与终端的TA 相对于源卫星与终端的TA 差分值Delta_TA1；源卫星在RRC 重配置信息中添加Delta_TA1 信息并指示给终端。

终端向目标卫星发起两步随机接入流程，在发送MsgA 前完成TA 补偿，补偿量为：

式(1) 中的N_TA_offset 可通过高层信令配置，或是设置为系统默认值。此值可由系统根据选定小区内的某一参考点确定，设置目的是降低其他TA 值的指示开销。

2）方案二：目标卫星在接收MsgA 前完成TA 预补偿

源卫星通过星间链路向目标卫星交互终端初始接入所需的TA 同步消息。所谓TA 同步消息即为终端接入源卫星的Common_TA 和/或UE Specific_TA 信息。

目标卫星通过星间链路获取源卫星1 的星历信息，从而获取源卫星的空间位置（如经纬度）、运行高度及速度等信息，并结合终端位置信息，计算目标卫星与终端的TA 相对于源卫星与终端的TA 差分值Delta_TA2。

终端在向目标卫星发送MsgA 时不做TA 补偿，而是目标卫星在接收检测MsgA 时完成TA 预补偿，补偿量为：

此外，考虑到卫星的高速移动性，无论是终端侧补偿TA1 还是卫星侧预补偿TA2，都可以再叠加一个Rate_TA，此值用于补偿卫星或终端移动性带来的时间变化量，可以根据移动性信息确定。

上述方案考虑终端在切换到目标卫星时采用两步接入过程接入卫星，为了保证两步接入的MsgA 可以正确被解调，需要在终端侧或卫星侧完成TA 补偿，所提方案可满足空天地一体化系统中的用户快速接入网络，从而有效降低终端切换时随机接入过程中的时延、信令开销以及用户功耗。

4 结束语

本文概述了空天地一体化的技术演进趋势，介绍了地面移动通信以及卫星通信的空口接入协议及不足。利用空天地一体化卫星的星上再生功能，从协议流程方面探讨设计了一种用户快速接入方案，即通过卫星间信息交互与共享，配置用户在切换接入目标卫星时采用两步接入过程，从而降低切换接入时延。后续流程设计除了文中提到的TA补偿之外，还要进一步考虑多普勒频移对协议的影响。