面向6G的天地一体无线网络技术研究

程锦霞,邓 伟,翁玮文,崔诗雨,马 克,赵 琳,杜 琴,刘 京,王桂英

(中国移动研究院无线与终端技术研究所,北京 100053)

0 引言

目前,地面网络仅覆盖了地球表面陆地约20%的地区,覆盖面积小于地球表面积的6%,为提供全域无缝覆盖服务,卫星网络需作为地面网络的补充,共同构建涵盖陆海空天的全空间立体通信网络[1]。随着第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP) 5G 非地面网络(Non-Terrestrial Network,NTN)技术和6G天地一体技术的持续演进,卫星和地面网络正逐步形成深度融合趋势,通过地面网络的先进通信技术、设备研发和产业规模、庞大的用户群体,与卫星产业共同构建涵盖陆海空天的全空间立体通信网络,全球天地一体技术研究及应用进入全新快速发展阶段[2]。天地一体网络将为地面网络无法部署或建网维护成本高的区域填补覆盖空洞,实现面向偏远地区、荒漠、海洋、航空等陆海空全域立体空间 “泛在连接”,面向个人、企业及政府提供大众手机直连、广域物联及应急救援保障等“泛在场景”新服务[3]。其中,手机直连卫星作为天地一体技术重要的应用场景之一,国内外产业积极开展相关的研究,推进手机直连卫星端到端能力构建和开展试点验证,如泰雷兹、高通、爱立信启动5G太空项目,利用低轨卫星开展NTN试验;SpaceX和T-Mobile成立技术联盟,开展手机直连卫星研究测试[4]。

本文针对6G天地一体融合网络的场景及四大技术挑战,详细阐述了天地一体融合网络一体架构和基于该架构的空口、资源管理调度等系列技术。

1 研究现状

天地一体技术研究按近期和中期分为两阶段进行。一方面以5G地面移动通信网络技术为基础,通过3GPP标准面向天地融合场景进行能力增强,3GPP NTN R17版本标准于2022年6月冻结,作为3GPP发布的第一版用于卫星通信场景的移动通信标准,NTN标准使地面移动通信技术能够近期快速应用于卫星通信场景。中国移动分别于2022年8月和2023年6月率先完成全球首个运营商5G NTN技术外场验证以及我国首款5G NTN手机终端直连卫星实验室验证,支持双向语音对讲和文字消息,也进一步验证了NTN技术具备商用的可行性,后续标准也将在R18版本持续演进,针对NTN覆盖增强、移动性增强、10 GHz以上频谱支持、物联网增强、UE位置服务规范进一步研究[1,4-5]。另一方面,国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)等国际标准组织面向中期加速6G天地一体需求和技术标准开展研究。2023年6月,ITU完成了《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》,作为6G纲领性文件,该建议书汇聚了全球6G愿景共识,描绘了6G目标与趋势,提出了6G的典型场景及能力指标体系。建议书指出,泛在连接是6G的主要场景之一,IMT-2030地面网络与NTN的融合预计将进一步实现“随时随地连接”的目标[6-7]。

2 技术挑战

与地面移动通信系统不同,6G天地一体融合无线网络技术将面临更加复杂的挑战,主要包括:

① 网络拓扑高速动态变化。由于低轨卫星的快速移动,导致卫星网络拓扑高速动态变化,一方面造成了星地/星间通信链路性能变化大、稳健性差等问题[2,8-9];另一方面也存在低轨卫星网络下卫星用户因服务卫星频繁变化导致用户在星间频繁切换的问题[10]。同时卫星网络拓扑的高速动态变化也导致天地一体融合网络中星地/星间路由的建立、维护等在高效、可靠、安全方面存在挑战[3]。这一切导致天地一体融合网络在全域覆盖及业务协同上存在极大挑战。

② 星地信道环境差异巨大。卫星网络与地面网络的信道传输条件差异巨大,主要体现在传输时延、多普勒频偏和信道多径等方面[3,11]。卫星通信通常以视距传输为主、多径分量少,而地面蜂窝网络因障碍物较多、反射径丰富,信道容易遭遇快衰落[12]。在信道的时频特性方面,对于低轨卫星来说,由于卫星快速运动,多普勒频移大且变化快、时延变化率大,对信号时频同步带来严峻的挑战[13];而高轨卫星的时频变化较小,但因星地距离远、传输时延大,对链路稳定性、数据传输可靠性带来较大挑战[8]。

③ 星地网络组网复杂度高。当前卫星与地面网络独立发展,彼此耦合度低。面向未来的天地一体融合网络覆盖区域,需通过星地波束联合管理、重叠覆盖区资源灵活调度等为用户提供高质量保障服务,而卫星与地面网络的深度耦合是未来天地一体融合网络的动态高效管理机制的关键[2,5]。星地组网架构具备高动态的特性,且需兼容透明转发及再生模式,同时其架构及网元位置具备高度灵活性,这对卫星与地面网络深度耦合在接口设计及规范化方面带来了新的挑战[1]。

④ 星上网元平台能力受限。当前卫星系统单星质量、体积以及发射功率等指标在系统定型后均为确定值,这样卫星上通信及算力单元在质量、体积以及功率的分配上都受到限制,因此单星在通信网元及算力的部署上存在挑战[9,13]。与地面网络差异最大的是卫星发射成功后其通信及算力单元不再具备可扩展性,亟需通过天地一体融合组网,取长补短,充分发挥星地各自特有优势,实现最大效用[1]。

3 关键技术

3.1 智能协作无线组网架构

如图1所示,天地一体网络覆盖场景分为星地协同覆盖区域和卫星独立覆盖区域两种场景。其中,星地协同覆盖区域主要包括地面网络覆盖空洞和星地网络交叠地带[1]。针对该场景,由地面NTN基站和地面大网基站共同提供通信服务。卫星独立覆盖区域主要指航空、海洋、森林、沙漠、极地等地面网络难以覆盖的区域,只能通过卫星网络进行覆盖,由星载NTN基站为星下可见区域提供覆盖,数据由星间链路回传落地[2]。

图1 星地智能动态协作的高效新型无线组网Fig.1 Intelligently cooperative architecture in wireless network for integrated satellite-terrestrial network

图3 基于跳波束的星地统一频率方案Fig.3 Dynamic spectrum sharing method for satellite network and cellular network based on beam hopping

为应对天地一体融合中存在的诸多挑战,6G天地一体网络需要通过智能协作无线组网架构,实现星地覆盖、资源调度等高效协同,最大化网络效率,降低网络成本,同时实现无缝的星地切换能力,保障业务连续性和用户体验[2,11]。该架构兼容透明转发卫星和再生卫星,以星地智能动态协作网关及网元为核心,是一种可实现星地智能动态协作的高效新型无线组网架构。其中,星地智能动态协作网关负责面向星地交叠区域地面基站注册、注销及信息更新,信息更新包含地面基站信息及与星上基站关联信息(含地面基站使用频率、地理位置及与卫星基站波位关联信息等);星地智能动态协作网元作为卫星基站对应锚点,用于汇聚交叠区域地面基站信息与对应卫星基站覆盖区域波位关联及去关联,负责地面基站和卫星基站连接关系建立及去除等功能;地面信关站及地面NTN基站属于透明转发卫星通信子系统,负责透明转发卫星馈电及测控链路信号的收发和基带信号的处理。支持星地动态连接的地面大网基站,一方面具有为地面蜂窝用户提供通信服务的能力,另一方面具备通过动态星地连接与星上处理卫星的星载NTN基站进行信息交互的能力。基于以上网元,实现星地协同区域的按需接入、资源协调以及卫星测控。

透明转发与再生模式的统一动态组网:针对低轨卫星过顶时间短、再生模式下的星上网元随低轨卫星的变动而频繁变动的问题,星地智能动态协作网元作为锚点可实现再生模式下的星上网元动态接入及合理配置,实现透明转发与再生模式的统一组网,降低天地协同复杂度,在节约星座成本的同时保障服务质量[12-13]。未来,随着星上处理能力的提升以及卫星制造、发射成本的降低,基于星上处理的低轨卫星模式将是面向6G天地一体的主要演进方向。

卫星与地面网络的高效资源调度:针对卫星覆盖面积大,星地交叠覆盖区域涵盖大量地面基站,星地智能动态协作网关及网元通过协同链路汇聚星地同覆盖区下卫星网络网元和大量地面网络网元,实现卫星与地面网络的高效资源调度,实现覆盖快速切换、业务负荷均衡、智能干扰规避等[4,14]。

3.2 空口技术

天地一体融合网络的空口设计总体目标是面向空、天、地、海等泛在连接场景,支持参数化可配置可裁剪的统一空口设计[14]。为了保障终端快速接入与网络可靠传输,需要进一步研究包含波形、多址接入、时频同步、极简接入以及覆盖增强等关键技术[11]。

新波形设计:考虑卫星通信时延大、带宽和功率受限、器件非线性程度高等特点,面向6G的天地一体融合网络的新波形研究,可从以下两方面考虑:一是增强已有波形。复用地面系统用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)波形,如采用CP-OFDM波形,同时通过削波峰和滤波技术、压缩扩张技术和部分传输序列技术等降低信号峰均比(Peak to Average Power Ratio,PAPR),以提高功放效率。或者采用低PAPR的DFT-S-OFDM波形,以提升系统在多用户资源调度方面的灵活性[11,14]。二是设计新型波形。如业界讨论的恒包络相位调制、单载波频域均衡、非直接载波调制、超耐奎斯特调制、正交时频空等均可作为备选波形[5]。

新型多址接入:目前无论5G NR还是3GPP NTN均采用正交多址方式。面向6G天地一体融合网络的应用场景更加复杂、终端类型更加多样、用户数量呈级数式增长,传统的正交接入方式难以适应未来发展的需求,需要研究非正交多址接入技术来增强频谱效率、提升接入用户数量、降低高可靠场景的时延等[14]。基于功率域、编码域以及随机交织域的非正交多址接入方式,将会进一步改善6G天地一体融合网络的容量,在未来的系统中发挥更重要的作用[4]。

时频同步:3GPP NTN在R17版本已经初步完成了基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)信息的星地时频同步补偿方案。但是在面向6G的天地一体融合网络中,高、中、低轨道卫星以及高空平台等同时存在,终端需要具备测量、监测、接入到不同网络的能力,因此需要在时频同步技术方面进一步开展研究,一方面需要增强时频补偿的能力,另一方面需要适应多重异构网络下的不同时序关系,保障星地时频同步、有效调度[8,13-14]。

极简接入:卫星通信因为传输路径长具有更大的时延,此外卫星的快速运动也会带来很大的多普勒频偏,因此,需要解决随机接入中的上行频率和时间估计问题[11]。面向6G的天地一体融合网络,因不同网络类型对接入带来的时延影响不同,因此有必要研究极简接入方式,在接入信号设计、接入流程、身份校验等方面开展研究,提高接入效率[4,8,14]。一是考虑增强两步接入机制减少信令开销,降低随机接入时延;二是针对卫星移动轨迹可知等特点,可对卫星波束服务时间进行预测,通过人工智能技术提前预判和调度无线接入资源,减少随机接入碰撞概率,实现用户智能接入[3-4,10]。

覆盖增强:目前3GPP NTN虽然已经针对NTN场景开展了覆盖增强的研究,但是在未来6G天地一体融合网络下,由于实际应用场景的需求变化,可能存在链路预算不足的场景,为了保证正常的接入及数据传输,可以考虑从以下几个方面进行覆盖增强:一是重复传输,通过重复传输可以有效提高增益;二是联合信道估计,在低信噪比场景下,通过适当的联合信道估计可以提升信道估计的可靠性;三是跳波束,通过采用时分的方式覆盖不同区域来保证覆盖范围;四是盲重传,通过盲重传获得分集增益或者冗余版本合并增益[5]。

另外,采用频谱效率更高、更灵活的TDD制式也将是未来6G天地一体空口演进的重要研究方向,但面临着星地及星间复杂的干扰及同步问题,有待进一步探索。

3.3 资源管理和调度技术

3.3.1 频率资源调度

适用于手机直连卫星场景的6 GHz以下低频段资源紧张、频谱资源利用率较低,为低轨卫星网络分配独立使用的频段难度较大。星地统一频率可以极大地提高资源利用率,缓解低频段资源紧张,但需要避免严重的星地频率间干扰[10]。为实现星地统一频率场景下的高频谱效率和低频率干扰,需积极开展分布式频谱感知、高效干扰抑制及动态干扰规避等关键技术研究[5,15]。

分布式频谱感知技术:选择天地一体融合网络网元作为分布式协同感知单元,感知系统是否存在空闲频谱,由统一决策中心收集全局感知结果确定空闲频谱,以此实现两网频率动态共享[4,16]。

高效干扰抑制技术:采用超窄波束、超低相邻频道泄漏比(Adjacent Channel Leakage Ratio,ACLR)设计及相关波束成形技术,缩小星地统一频率下的空间隔离带范围,减轻星地同频干扰。

动态干扰规避技术:基于星地网络频率信息的实时交互,快速调整星地网络小区频率部署,开展星地网络小区频率动态规避,有助于保证星地频谱资源的高效利用[3]。

基于跳波束的星地统一频率方案:面向6G的天地一体融合网络,卫星、地面蜂窝网络可以基于星地智能动态协作单元进行深度信息交互,利用两张网的信息集中式地进行资源分配及波束管理,最大程度地降低星地频率干扰。跳波束作为一种新兴波束技术,可在空间、时间、频率和功率4个维度上进行资源分配以适应业务的不均匀分布和动态变化。因此,基于跳波束的星地统一频率方案也将变得更加实时动态、灵活高效[4]。基于跳波束在时域、频域及空域的灵活性,当业务波束跳变至具有星地频率干扰的波位,两网根据频谱资源分配方案进行频率划分,以规避星地频率干扰;而当业务波束跳离该波位,卫星波束及该波位的地面蜂窝网络则可以恢复全频段频率复用。其中,资源分配方案应兼顾波束间公平性、业务时延限制以及混合共信道干扰等因素,对跳波束进行合适的跳波束图样设计以及频谱分配,提升异系统联合效益[16]。值得说明的是,若天地一体融合网络内不同网元采用同一跳变图样,星地传播时延仍会产生严重星地频率干扰,需在跳波束图样中进行时延预补偿,形成针对各个网元的特定跳变图样[17]。

3.3.2 动态波束管理

卫星通信面临星地超远距离传输、卫星平台功率受限等难题,多采用高定向波束赋形技术提升功率使用效率。由于卫星覆盖区域较大,星下用户的通信需求在地理、时间、带宽等多维度分布不均匀且动态变化,波束管理是卫星通信领域的关键解决方案[18]。传统卫星的波束管理机制独立于地面网络,一般采用相对地面固定的波束设计,即波束在地面的覆盖区域基本固定,将地球表面划分为数万个波位小区,采用波束扫描的方式为用户提供随遇接入和业务传输服务,卫星通信资源使用效率不高[15]。为满足卫星与地面网络间覆盖、业务、算力等方面的紧密协同需求,基于地面控制的灵活波束管理技术将成为天地一体融合网络中一条全新的技术路径[7]。针对透明转发和基站上星两种模式的卫星,卫星波束能够根据地面网络发送的波束控制指令,灵活地调整波束指向及功率分配等参数,通过地面网络深度参与卫星资源的管理调度来提高星地协同效果,并有效降低星座建设成本[8,12]。

星地动态关系构建:天地一体融合网络具备按需、动态建立星地交互连接的能力以支持实时高效的波束管理信息交互。考虑采用拓展的动态星地Xn接口在地面蜂窝基站和NTN基站之间传输波束管理及干扰协同等信息。一是针对星上处理模式的星载NTN基站,地面蜂窝基站增加馈电链路窄带传输模块,采用基于馈电链路的星地Xn动态增强接口;二是针对透明转发模式卫星,NTN基站位于地面,地面蜂窝基站基于地面连接即可与地面NTN基站建立星地动态Xn接口,实现星地间面向各项协同场景需求的实时波束控制[12]。

透明转发架构下端星地三方精准同步技术:现有3GPP NTN技术基于透明转发架构下的凝视或平扫波束完成超远距离和超高速移动传输技术的标准化工作,天地一体融合网络中卫星波束需要根据星下动态变化的业务需求和地面网络的协同需求灵活跳变[13]。透明转发架构下NTN基站位于地面,相控阵天线及波束控制器位于星上,基于地面控制的波束管理受星地时延及信道环境多变的影响。NTN基站位于地面,相控阵天线及波束控制器位于星上,考虑采用星上轻量化带内接收指令的波束控制机制,在地面NTN基站调度器统一控制下,保证地面发送的波束切换指令和空口信号经过远距离高动态时变传输后在星上的精准同步,支持多波束扫描、凝视波束跳变按需提供业务传输,提高频谱效率及整星容量[4]。

3.3.3 业务驱动的统一资源调度

现有卫星、地面网络独立组网,信息交互灵活性不高、网络特性差异较大,由于业务分布和需求的非均匀性,星地静态网络能力面临与动态、分布不均匀、多样化的业务需求之间的矛盾,导致卫星通信系统、地面移动通信系统分配的资源与业务需求不匹配、网络资源利用率不高[2]。天地一体融合组网场景下,通过新增星地智能动态协作网元,采用高效统一资源调度方法,可以实现卫星、地面资源的动态共享,如通过在业务量较少且广覆盖的区域,动态调整该地区地面网络深度休眠,使终端通过卫星接入到网络,降低地面网络能源消耗等方式,在时间、空间、频率以及功率维度上进行灵活分配,以适应业务的不均匀分布和动态变化,达到星地资源利用系统最优化[18]。

面向业务连续性的快速切换:由于星地拓扑高动态变化,用户在不同卫星间频繁切换,极易导致业务中断,并为网络带来大量信令开销[10]。天地一体融合网络切换场景多样且复杂,包括卫星网络内切换、卫星与地面网络间切换等,对切换管理提出更高的要求[4,14]。可通过建立星地协同的业务管理机制,感知用户业务指标数据,对用户统一进行资源管理,优化业务体验。一是面向星地切换场景快速构建星地网络邻区关系,优化星地网络参数配置及按需采用星地双连接等方式,保证星地业务连续,同时尽可能降低星地切换时延;二是在切换过程中引入基于强化学习的人工智能等算法,有效提高切换后的业务体验,抑制切换带来的信令风暴[4]。

面向不同业务等级的智能调度:空天地一体化通信系统网络结构复杂且接入终端类型较多,需满足不同服务等级的业务需求。一是面向星地业务负荷均衡的智能调度,通过星地网络负荷信息的实时交互,结合用户业务需求及星地双连接等方案,开展星地业务负荷的动态智能卸载,有助于在保证用户业务体验的情况下实现星地网络业务负荷均衡[9,11];二是天地一体端到端网络切片编排与设计[8]。因天地一体融合网络拓扑结构具有时变特性,可通过引入动态网络拓扑结构预测、网络一体虚拟化等技术保障统一业务管理,根据业务需求和用户密度定制化编排网元,提升用户的服务体验。

4 结束语

本文围绕着天地一体的需求和挑战,全面阐述了面向6G的天地一体融合无线网络的技术和发展趋势,6G天地一体网络将以统一终端、一体服务为目标愿景,通过内生的一体架构、统一空口和统一资源调度等技术实现天地两张网的性能和成本最优化设计[14]。除此之外,未来的6G天地一体融合网络不仅承担着泛在连接的基础通信功能,也会逐步向感知、算力、测控等多维能力延展,为广大用户提供更多丰富的应用服务。同时,随着天地两张网络融合的深入,二者之间需要交互、协作和开放的数据、流程和接口将会进一步增加,也将带来更多的网络和数据安全风险。