空天地一體化空口接入?yún)f(xié)議研究

王愛玲，劉建軍，潘成康，王啟星，張超

（中國移動(dòng)通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

融合衛(wèi)星通信與地面移動(dòng)通信，構(gòu)建空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，有助于實(shí)現(xiàn)全球全域低成本的立體網(wǎng)絡(luò)覆蓋，支持用戶在不同網(wǎng)絡(luò)之間無感知切換，享受一致性服務(wù)體驗(yàn)。空天地一體化可滿足未來網(wǎng)絡(luò)廣域智慧連接和全球無縫接入需求，是支撐6G“數(shù)字孿生、智慧泛在”愿景的重要保障。面向6G 的空天地一體化將衛(wèi)星通信作為地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充和延伸[1]，通過兩張網(wǎng)絡(luò)的深度融合，實(shí)現(xiàn)基站上星、同軌道衛(wèi)星或不同軌道衛(wèi)星間形成衛(wèi)星星間鏈路（ISL,Inter Satellite Link）等，從而支持衛(wèi)星間以及衛(wèi)星與地面站之間的協(xié)作傳輸，顯著提升網(wǎng)絡(luò)的立體覆蓋水平和用戶接入性能。

本文將分析空天地一體化的技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)，介紹傳統(tǒng)的地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的空口接入?yún)f(xié)議及不足，并基于面向6G 空天地一體化通信的統(tǒng)一空口協(xié)議以及衛(wèi)星可通過星間鏈路交互信息特征，提出一種低時(shí)延的空口接入?yún)f(xié)議流程方案。

1 空天地一體化技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)

如圖1 所示的空天地一體化技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)，在4G 階段，衛(wèi)星通信與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)體系架構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，衛(wèi)星主要作為中繼為地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的偏遠(yuǎn)地區(qū)或應(yīng)急通信場景提供數(shù)據(jù)回傳服務(wù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與覆蓋的相互補(bǔ)充。在5G 階段，衛(wèi)星通信與地面移動(dòng)通信嘗試技術(shù)體制的融合，例如3GPP 標(biāo)準(zhǔn)正在研究將5G 新空口適用于非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN,Non-Terrestrial Network）[2-4]，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)采用相似的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與空口協(xié)議，但5G 新空口標(biāo)準(zhǔn)研究中衛(wèi)星以透明轉(zhuǎn)發(fā)傳輸方式為主，此方式需要大量地面站配合通信，同時(shí)也因無法統(tǒng)一協(xié)調(diào)無線資源等原因?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)效率較低。面向6G，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)融合，星地通信統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和空口協(xié)議體制，通過基站上星、星間鏈路協(xié)調(diào)等技術(shù)統(tǒng)一資源管理與調(diào)度，實(shí)現(xiàn)低成本的全球泛在覆蓋，為用戶提供無感知的一致性服務(wù)體驗(yàn)[5]。空天地一體化在6G 階段實(shí)現(xiàn)基站上星后，衛(wèi)星之間可以通過星間鏈路通信，從而節(jié)省大規(guī)模傳輸網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)和基站建設(shè)費(fèi)用、降低基站功耗等。

圖1 空天地一體化技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)

2 空天地一體化空口接入?yún)f(xié)議概述

2.1 地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)接入

隨機(jī)接入的目的是使用戶終端獲取上行同步并接入無線網(wǎng)絡(luò)，分為基于競爭的隨機(jī)接入和基于非競爭的隨機(jī)接入。3GPP 標(biāo)準(zhǔn)已支持四步隨機(jī)接入和兩步隨機(jī)接入過程[6]。

（1）四步隨機(jī)接入過程

基于競爭的四步隨機(jī)接入流程如圖2 所示，包括：1）終端在物理隨機(jī)接入信道（PRACH,Physical Random Access Channel）資源上發(fā)送包含前導(dǎo)碼的上行信號(hào)，稱為Msg1；2）基站根據(jù)接收的前導(dǎo)碼計(jì)算終端的定時(shí)提前量（TA,Time Advance），并通過隨機(jī)接入響應(yīng)（RAR,Random Access Response）發(fā)送給終端，稱為Msg2，Msg2 中還包含同步和調(diào)度信息；3）終端在RAR 指示的上行時(shí)頻資源上發(fā)送上行數(shù)據(jù)，稱為Msg3；4）終端接收基站側(cè)發(fā)送的下行數(shù)據(jù)，該下行數(shù)據(jù)包含競爭解決信息，稱為Msg4[6]。

圖2 四步隨機(jī)接入流程

隨機(jī)接入流程中最重要的一步是利用TA 指示終端提前相應(yīng)的時(shí)間量來發(fā)送上行數(shù)據(jù)，但地面移動(dòng)通信的TA機(jī)制無法滿足衛(wèi)星通信中幾百甚至幾千千米的傳輸距離要求。目前，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化正在討論NTN 的TA 補(bǔ)償方式，包括根據(jù)用戶位置和星歷信息自動(dòng)獲取TA 值，或基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)指示獲取TA 值兩種[3]。

（2）兩步隨機(jī)接入過程

四步隨機(jī)接入過程可保證用戶的接入可靠性，但此過程需要用戶和基站之間進(jìn)行四次信息交互，接入效率不高。為降低隨機(jī)接入時(shí)延，R16 版本的NR 標(biāo)準(zhǔn)引入了兩步隨機(jī)接入過程，如圖3 所示。此過程將原四步隨機(jī)接入中的Msg1 和Msg3 內(nèi)容合并在一步中發(fā)送，稱為MsgA；將Msg2 和Msg4 合并為MsgB。當(dāng)用戶發(fā)送的MsgA 被成功檢測(cè)，且基站反饋的MsgB 中包含該用戶的SuccessRAR 時(shí)，該用戶反饋成功接收MsgB 的HARQACK 信息給基站，標(biāo)識(shí)該用戶完成隨機(jī)接入過程。兩步隨機(jī)接入過程中，用戶在傳輸MsgA 之前沒有基站調(diào)度信息，所以MsgA 傳輸都是基于競爭機(jī)制完成的[6]。

圖3 兩步隨機(jī)接入流程

兩步隨機(jī)接入過程可降低隨機(jī)接入過程中的時(shí)延及信令開銷。若在衛(wèi)星通信引入兩步接入流程，與四步隨機(jī)接入相比接入時(shí)延理論上可降低一半，從而極大改善用戶接入體驗(yàn)，但同時(shí)需針對(duì)大往返時(shí)延設(shè)計(jì)TA 補(bǔ)償機(jī)制。

2.2 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)接入

基于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的隨機(jī)接入是非地面網(wǎng)絡(luò)需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中常見的接入方式有以下幾種[7]。

（1）按需分配的接入

各用戶向網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求用于上行鏈路傳輸所需的資源，網(wǎng)絡(luò)側(cè)按照不同用戶對(duì)所需資源的請(qǐng)求來分配不同的信道資源。此方式原則上具有動(dòng)態(tài)分配特性，在一定程度上節(jié)約了信道資源。

（2）最短距離優(yōu)先接入

用戶選擇距離最近的衛(wèi)星接入，理論上距離越近的衛(wèi)星信道質(zhì)量越好，接收信號(hào)的強(qiáng)度也越強(qiáng)。此方案只需檢測(cè)衛(wèi)星信號(hào)的信噪比，實(shí)現(xiàn)簡單，但在距離最近的衛(wèi)星沒有空閑信道情況下，將會(huì)導(dǎo)致用戶頻繁的發(fā)起接入與切換請(qǐng)求，接入效率低。

（3）最長覆蓋時(shí)間接入

用戶被多顆衛(wèi)星同時(shí)覆蓋時(shí)，根據(jù)星歷信息可計(jì)算衛(wèi)星覆蓋某一小區(qū)的可視時(shí)間，從而選擇覆蓋時(shí)間最長的衛(wèi)星接入。此方式可避免用戶在一次通信過程中的頻繁切換，降低掉話率，減少星間切換。

（4）負(fù)載均衡接入

用戶選擇覆蓋衛(wèi)星中空閑信道數(shù)最多的衛(wèi)星接入，可以均衡低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)衛(wèi)星業(yè)務(wù)量。此方案只考慮衛(wèi)星空閑信道數(shù)，未利用衛(wèi)星信道狀況和其他的衛(wèi)星相關(guān)的先驗(yàn)知識(shí)，接入性能比較差。

以上各種衛(wèi)星接入方式基本只考慮單一因素，為提高接入效率可綜合考慮各種因素研究基于綜合加權(quán)接入方式。這些方案的通信協(xié)議基礎(chǔ)是歐盟ETSI 的數(shù)字衛(wèi)星電視廣播標(biāo)準(zhǔn)（DVB-S2/S2X），但此協(xié)議不支持移動(dòng)性管理等功能[8]。面向6G 的空天地一體化系統(tǒng)，衛(wèi)星通信與地面通信協(xié)議統(tǒng)一，特別是基站上星后，衛(wèi)星之間可以通過星間鏈路交換信息，結(jié)合星歷等信息可輔助用戶實(shí)現(xiàn)高效快速地接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

3 空天地一體化低時(shí)延接入方案

低軌衛(wèi)星的高速移動(dòng)性導(dǎo)致波束服務(wù)的時(shí)長可能只有幾十秒，需要在波束間頻繁切換，同時(shí)用戶還會(huì)面臨多星多重覆蓋問題。因衛(wèi)星星上功率及處理能力受限、星地鏈路傳輸延時(shí)長、衛(wèi)星移動(dòng)性導(dǎo)致的大多普勒頻移等因素影響，空天地一體化系統(tǒng)的接入和同步設(shè)計(jì)具有很大挑戰(zhàn)。

為簡化衛(wèi)星接入?yún)f(xié)議流程，考慮在6G 空天地一體化系統(tǒng)中引入兩步接入流程，并做適配性增強(qiáng)方案設(shè)計(jì)。6G 空天地一體化系統(tǒng)包括多層異構(gòu)子網(wǎng)（高、中、低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)），終端接入不同網(wǎng)絡(luò)開銷（包括信令交互、測(cè)量與上報(bào)開銷等）存在較大差異，可考慮利用星間鏈路、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的接口互通來進(jìn)行信息傳遞，輔助設(shè)計(jì)接入方案，減少衛(wèi)星與終端間的直接信令交互，降低接入時(shí)延。例如，利用星歷或終端定位信息實(shí)現(xiàn)終端接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，TA 自調(diào)整與功率自控制等，降低信令指示開銷；或根據(jù)衛(wèi)星具有運(yùn)行信息可知特性，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)預(yù)判以及利用星間的交互信息，提前預(yù)測(cè)終端接入與切換需求狀態(tài)，完成接入配置與資源調(diào)度等，減少終端測(cè)量與上報(bào)開銷等。

基于上述思想，本文提出一種低時(shí)延空口接入流程方案。如圖4 所示，考慮空天地一體化系統(tǒng)衛(wèi)星具有星上再生功能，即衛(wèi)星間可形成星間鏈路，衛(wèi)星通過ISL或激光通信進(jìn)行星間信息傳輸。

圖4 方案場景示意圖

（1）初始連接建立

終端采用四步接入方式接入源衛(wèi)星，此過程中終端與源衛(wèi)星取得上行時(shí)間同步，源衛(wèi)星獲取終端補(bǔ)償?shù)腡A信息。TA 信息包含小區(qū)或波束統(tǒng)一TA（Common_TA）和終端特定TA（Specific_TA）。其中，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)廣播的Common_TA 對(duì)小區(qū)內(nèi)所有終端而言是一致的，終端Specific_TA 為通過MAC RAR 中的TA 指示，或終端根據(jù)自身定位信息以及衛(wèi)星星歷信息計(jì)算獲取的TA。

（2）測(cè)量與切換配置

源衛(wèi)星對(duì)終端進(jìn)行測(cè)量配置，并根據(jù)終端的測(cè)量上報(bào)結(jié)果以及相關(guān)切換算法進(jìn)行切換判決；若需進(jìn)行星間切換，源衛(wèi)星向目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)送切換請(qǐng)求消息，目標(biāo)衛(wèi)星在資源允許情況下向源衛(wèi)星發(fā)送切換響應(yīng)信息；源衛(wèi)星向終端發(fā)送RRC 重配置信息，在RRC 重配置信息里疊加一個(gè)額外的配置信息指示終端采用兩步隨機(jī)接入方式來接入目標(biāo)衛(wèi)星，流程如圖5 所示。

圖5 終端發(fā)起兩步RACH接入流程示意圖

（3）兩步接入的TA 補(bǔ)償

終端根據(jù)RRC 重配置信息確定采用兩步隨機(jī)接入方式向目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)送MsgA，本文設(shè)計(jì)兩種TA 補(bǔ)償方案。

1）方案一：源衛(wèi)星指示終端發(fā)送MsgA 前進(jìn)行TA 補(bǔ)償

源衛(wèi)星通過星間鏈路交互目標(biāo)衛(wèi)星的星歷等信息，從而獲取目標(biāo)衛(wèi)星的空間位置（如經(jīng)緯度）、運(yùn)行高度及速度等信息，再結(jié)合源衛(wèi)星的星歷以及終端位置信息等，計(jì)算目標(biāo)衛(wèi)星與終端的TA 相對(duì)于源衛(wèi)星與終端的TA 差分值Delta_TA1；源衛(wèi)星在RRC 重配置信息中添加Delta_TA1 信息并指示給終端。

終端向目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)起兩步隨機(jī)接入流程，在發(fā)送MsgA 前完成TA 補(bǔ)償，補(bǔ)償量為：

式(1) 中的N_TA_offset 可通過高層信令配置，或是設(shè)置為系統(tǒng)默認(rèn)值。此值可由系統(tǒng)根據(jù)選定小區(qū)內(nèi)的某一參考點(diǎn)確定，設(shè)置目的是降低其他TA 值的指示開銷。

2）方案二：目標(biāo)衛(wèi)星在接收MsgA 前完成TA 預(yù)補(bǔ)償

源衛(wèi)星通過星間鏈路向目標(biāo)衛(wèi)星交互終端初始接入所需的TA 同步消息。所謂TA 同步消息即為終端接入源衛(wèi)星的Common_TA 和/或UE Specific_TA 信息。

目標(biāo)衛(wèi)星通過星間鏈路獲取源衛(wèi)星1 的星歷信息，從而獲取源衛(wèi)星的空間位置（如經(jīng)緯度）、運(yùn)行高度及速度等信息，并結(jié)合終端位置信息，計(jì)算目標(biāo)衛(wèi)星與終端的TA 相對(duì)于源衛(wèi)星與終端的TA 差分值Delta_TA2。

終端在向目標(biāo)衛(wèi)星發(fā)送MsgA 時(shí)不做TA 補(bǔ)償，而是目標(biāo)衛(wèi)星在接收檢測(cè)MsgA 時(shí)完成TA 預(yù)補(bǔ)償，補(bǔ)償量為：

此外，考慮到衛(wèi)星的高速移動(dòng)性，無論是終端側(cè)補(bǔ)償TA1 還是衛(wèi)星側(cè)預(yù)補(bǔ)償TA2，都可以再疊加一個(gè)Rate_TA，此值用于補(bǔ)償衛(wèi)星或終端移動(dòng)性帶來的時(shí)間變化量，可以根據(jù)移動(dòng)性信息確定。

上述方案考慮終端在切換到目標(biāo)衛(wèi)星時(shí)采用兩步接入過程接入衛(wèi)星，為了保證兩步接入的MsgA 可以正確被解調(diào)，需要在終端側(cè)或衛(wèi)星側(cè)完成TA 補(bǔ)償，所提方案可滿足空天地一體化系統(tǒng)中的用戶快速接入網(wǎng)絡(luò)，從而有效降低終端切換時(shí)隨機(jī)接入過程中的時(shí)延、信令開銷以及用戶功耗。

4 結(jié)束語

本文概述了空天地一體化的技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)，介紹了地面移動(dòng)通信以及衛(wèi)星通信的空口接入?yún)f(xié)議及不足。利用空天地一體化衛(wèi)星的星上再生功能，從協(xié)議流程方面探討設(shè)計(jì)了一種用戶快速接入方案，即通過衛(wèi)星間信息交互與共享，配置用戶在切換接入目標(biāo)衛(wèi)星時(shí)采用兩步接入過程，從而降低切換接入時(shí)延。后續(xù)流程設(shè)計(jì)除了文中提到的TA補(bǔ)償之外，還要進(jìn)一步考慮多普勒頻移對(duì)協(xié)議的影響。