低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)5G空口適應(yīng)性研究綜述*

胡涵玥，鄒欽羊，謝岸宏，張 毅，袁 田

(1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，西安 710129；2.中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

隨著低軌衛(wèi)星通信發(fā)展，構(gòu)建低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為全球范圍用戶提供服務(wù)成為熱點之一。5G是各種先進通信技術(shù)的集大成者，代表目前地面移動通信網(wǎng)絡(luò)最高水平?；?G體制構(gòu)建低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可以提高衛(wèi)星系統(tǒng)容量和用戶體驗，推動5G與非地面網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展。

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的設(shè)計多以地面通信系統(tǒng)體制為參考，如銥星參考全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communications，GSM),GlobalStar參考IS-95、Imarsat-4參考寬帶碼分多址(Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA)。近年來比較熱門的Starlink等互聯(lián)網(wǎng)低軌星座，在空口體制設(shè)計時亦拓展兼容第三代移動通信技術(shù)(3G)直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)波形和第四代移動通信技術(shù)(4G)正交頻分復(fù)用技術(shù)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)波形、調(diào)制編碼等[1]。隨著地面5G通信系統(tǒng)不斷發(fā)展，5G與衛(wèi)星系統(tǒng)融合也在不斷研究中。針對基于5G體制的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的研究，從宏觀的融合架構(gòu)進行分析的研究已有較多成果，但針對5G體制在低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中的適配面臨的挑戰(zhàn)，相關(guān)研究還比較少。

本文重點考慮衛(wèi)星系統(tǒng)與地面系統(tǒng)場景的差異性，針對5G低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)下5G體制在低軌衛(wèi)星環(huán)境中需要解決的問題，對由于衛(wèi)星高動態(tài)、高頻段、通信距離遠、單波束覆蓋范圍大等衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于地面系統(tǒng)的特點所造成的影響進行分析，并對部分問題進行進一步調(diào)研，歸納總結(jié)其技術(shù)研究進展，重點針對同步、接入及切換三方面問題對現(xiàn)有5G空口適應(yīng)性解決方案進行分析。

1 低軌衛(wèi)星5G融合網(wǎng)絡(luò)研究進展

1.1 機構(gòu)企業(yè)、標(biāo)準組織研究情況

國際上各機構(gòu)企業(yè)、標(biāo)準組織等投入了大量的精力和財力，通過了相關(guān)項目完成了各項標(biāo)準內(nèi)容。

1.1.1 EU/ESA

歐盟(European Union,EU)和歐空局(European Space Agency,ESA)通過了多個5G和衛(wèi)星融合的相關(guān)項目。

(1)Sat5G項目——由EU支持，研究主要涉及衛(wèi)星回傳的場景，并將其作為關(guān)鍵應(yīng)用進行分析，尤其是增強型移動寬帶(enhanced Mobile BroadBand,eMBB)場景下的使用案例。

(2)Edge-SAT項目——由ESA支持，主要研究5G衛(wèi)星融合網(wǎng)絡(luò)中邊緣網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

(3)5GCHAMPION、OSMOSIS、SATis5等項目——對多址接入、SDN等方面進行研究。

1.1.2 美國Starlink

Starlink最終旨在為地面通信系統(tǒng)未覆蓋區(qū)域提供擴展5G本地服務(wù)的連接業(yè)務(wù)[2]。

1.1.3 ITU

國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)于2018年11月正式成立Network2030研究組，該機構(gòu)旨在探索面向2030年及以后的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展問題，其中一項重要的互聯(lián)網(wǎng)愿景就是天地一體化全球覆蓋[3]。

1.1.4 3GPP

第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project，3GPP)從2017年開始提出了非地面網(wǎng)絡(luò)(Non-Terrestrial Network,NTN)[4-6]。NTN網(wǎng)絡(luò)中星載或機載充當(dāng)中繼節(jié)點或基站，構(gòu)成一個透明或可再生體系結(jié)構(gòu)。

3GPP提出了一系列針對5G NTN的文檔，包括5G NTN應(yīng)用場景、系統(tǒng)架構(gòu)、信道模型、空口研究等。由于提供了用于將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)邊緣和用戶終端的多播/廣播資源，5G NTN有望成為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可伸縮性的有效解決方案[4,7]。與NTN有關(guān)的3GPP技術(shù)文檔如表1所示[6]。

表1 3GPP中NTN相關(guān)文檔

1.2 學(xué)術(shù)界研究情況

1.2.1 優(yōu)勢及挑戰(zhàn)

LEO衛(wèi)星系統(tǒng)擁有廣泛的覆蓋范圍、普遍性以及高可擴展性，能夠?qū)崿F(xiàn)3GPP提出的三個主要服務(wù)類別——服務(wù)連續(xù)性、服務(wù)普遍性和服務(wù)可擴展性，最終有助于實現(xiàn)5G關(guān)鍵業(yè)務(wù)需求，包括eMBB、大規(guī)模機器通信(Massive Machine-Type Communications,mMTC)、超可靠低延遲通信(Ultra-Reliable and Low-Latency Communications,URLLC)[11-12]。

但是衛(wèi)星通信傳播信道更容易受天氣、閃爍等因素影響，衛(wèi)星的高動態(tài)性會導(dǎo)致同步跟蹤、調(diào)制解調(diào)難，衛(wèi)星的遠距離傳輸會造成路徑損耗高、傳輸時延大等問題[5,13]。這些問題都為5G體制應(yīng)用于衛(wèi)星系統(tǒng)帶來了技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中通常包含終端、地面信關(guān)站、饋電鏈路、用戶鏈路、衛(wèi)星、星間鏈路等。隨著地面5G通信系統(tǒng)的發(fā)展，通過綜合衛(wèi)星地面通信網(wǎng)絡(luò)的空中接口實現(xiàn)同一移動終端的接入、通信是通信核心場景之一[14]。在3GPP中提出的5G衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)中，具有星上處理的再生衛(wèi)星和無星上處理的彎管衛(wèi)星處于5G衛(wèi)星接入網(wǎng)中[4,11]。在5G衛(wèi)星架構(gòu)中衛(wèi)星組件可用于鏈路備份、進行數(shù)據(jù)卸載或完成并行獨立鏈路傳輸[12]。

1.2.3 相關(guān)技術(shù)研究

由于衛(wèi)星系統(tǒng)相對于地面通信系統(tǒng)的差異性，學(xué)者們對5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，包括移動性管理、網(wǎng)絡(luò)切換、頻偏估計與補償?shù)萚14]。

文獻[14]指出星歷、終端位置能夠作為輔助信息更好地解決移動性問題，并提出應(yīng)該盡快建立相應(yīng)的參數(shù)評估指標(biāo)系統(tǒng)、驗證關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。文獻[15-16]從物理層和MAC層對5G NR信號用于衛(wèi)星系統(tǒng)會產(chǎn)生的問題進行了研究，考慮衛(wèi)星系統(tǒng)大傳輸時延和大多普勒頻偏，涉及到PRACH保護間隔、時間提前量(Timing Advance,TA)、同步信號、峰均比(Peak to Average Power Ratio,PAPR)等，提出了相應(yīng)解決方案。

此外，在5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中對引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)、邊緣計算(Edge Computing,EC)等技術(shù)進行了研究。文獻[17-20]中針對融合網(wǎng)絡(luò)引入SDN的情況，在網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行不同的控制功能，研究包括架構(gòu)、功率控制、業(yè)務(wù)分配等。文獻[21]利用邊緣計算，在系統(tǒng)中使用衛(wèi)星邊緣服務(wù)器減少端到端時延。文獻[22-23]利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)以及邊緣云進行體系結(jié)構(gòu)、管理機制等研究，根據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)要求進行靈活的網(wǎng)絡(luò)切片分配，滿足不同切片的帶寬和計算資源需求，提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)綜合效益。

2 5G空口適應(yīng)性問題與挑戰(zhàn)

根據(jù)現(xiàn)有5G與衛(wèi)星融合網(wǎng)絡(luò)的研究可以發(fā)現(xiàn)，5G衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是一個必然趨勢，現(xiàn)有研究大多針對融合網(wǎng)絡(luò)的體系和架構(gòu)提出了某方面可能存在的問題、挑戰(zhàn)。

本文針對基于5G體制的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，考慮其用戶終端、信關(guān)站射頻、基帶處理部分均采用5G體制，核心網(wǎng)采用5G核心網(wǎng)功能網(wǎng)元配置。如果衛(wèi)星為星上處理模式，則星上載荷處理部分也需兼容5G體制。將以上體制應(yīng)用于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)中，衛(wèi)星高速運動、通信距離地面上百公里、星上載荷功率受限、用戶/饋電鏈路高頻段等特點，將導(dǎo)致5G體制應(yīng)用的一系列問題。

2.1 衛(wèi)星高動態(tài)

(1)多普勒頻偏大，多普勒變化率大，超出地面5G空口的最大頻偏適應(yīng)能力[24]，導(dǎo)致捕獲同步困難(在軌道高度600 km信號頻點30 GHz時，信號多普勒約1.4 MHz，最大多普勒變化率約8 kHz/s)。

(2)突發(fā)信號定時偏差大，超過循環(huán)前綴(Cyclic Prefix，CP)長度，導(dǎo)致同步精度不準，帶來性能損失(600 km高度衛(wèi)星在空口傳輸延遲時間內(nèi)，高速漂移導(dǎo)致定時偏差約1.5 μs，而120 kHz子載波CP長度僅為0.59 μs)。

(3)針對用戶波束滑動覆蓋的系統(tǒng)，出現(xiàn)頻繁切換問題，具體頻繁度與單個用戶波束寬度、單衛(wèi)星覆蓋范圍大小、衛(wèi)星軌道高度相關(guān)；針對透明轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，還與信關(guān)站對天覆蓋范圍相關(guān)(OneWeb星座覆蓋參數(shù)下，波束間切換每次約10 s，星間切換每次約2.5 min)。

(4)針對透明轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，在衛(wèi)星跨信關(guān)站饋電切換過程中出現(xiàn)群切換問題，極短時間內(nèi)單星下上萬用戶發(fā)起跨信關(guān)站切換。

(5)針對透明轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)，在衛(wèi)星跨信關(guān)站饋電切換時，大量用戶跨信關(guān)站路由錨點變化，影響用戶業(yè)務(wù)連續(xù)性。

2.2 用戶/饋電鏈路高頻段

(1)30 GHz頻段相位噪聲約為3 GHz頻段的10倍，遠超地面5G技術(shù)適應(yīng)能力，惡化收端信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)或誤差向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)，造成大量誤碼，從而直接限制高階星座調(diào)制的使用[25]。

(2)信關(guān)站高頻段大口徑天線，其饋電波束極窄，跟蹤動目標(biāo)失敗率高。

2.3 通信距離遠

(1)無線傳輸時延為6～40 ms，導(dǎo)致上行調(diào)度周期大，成倍于地面5G空口的調(diào)度時隙大小，影響調(diào)度效率。

(2)混合自動重傳請求(Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ)周期變大，為保證不影響用戶峰值速率，HARQ進程數(shù)需不小于50，遠大于地面5G的HARQ進程最大值16，對終端和信關(guān)站/衛(wèi)星緩存提出了高要求。

(3)自適應(yīng)編碼調(diào)制(Adaptive Coding and Modulation，ACM)和功控滯后，滯后時長為單邊無線傳輸時延，路徑損耗、陰影衰落及快衰落等影響不能及時自適應(yīng)或補償。

2.4 單波束覆蓋廣(小區(qū)覆蓋范圍大)

(1)單波束小區(qū)用戶時延差為毫秒量級，初始隨機接入時間提前量值較大，地面5G的物理隨機接入信道(Physical Random Access Channel，PRACH)格式不支持。

(2)小區(qū)用戶時延差在幾個時隙左右，近小區(qū)中心和遠小區(qū)中心用戶資源調(diào)度在幾個時隙時間范圍內(nèi)前后影響，甚至發(fā)生調(diào)度沖突，降低調(diào)度效率。

2.5 衛(wèi)星功率受限

衛(wèi)星功率受限導(dǎo)致發(fā)射機線性度和功放效率難以同時兼顧、大功率合成難度大、接收信噪比低等問題。

由于衛(wèi)星不可避免需要進行高動態(tài)運動，同時由于其高度、星上載荷設(shè)計等原因，衛(wèi)星單波束覆蓋范圍大，而這些特點導(dǎo)致的接入、同步及切換問題會嚴重影響一次完整通信的用戶體驗，因此是5G低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中需要重點解決的部分難題，同時也是未來5G低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中需要解決的部分熱點問題。

3 5G空口適應(yīng)性解決方案

由于地面通信系統(tǒng)與衛(wèi)星系統(tǒng)差異性導(dǎo)致的以上問題，需要對地面5G空口技術(shù)進行適應(yīng)性修改，以保證5G體制能夠應(yīng)用于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)中，并保證各項性能指標(biāo)需求。

下面主要針對高動態(tài)導(dǎo)致的同步困難、頻繁切換，單波束覆蓋廣導(dǎo)致的隨機接入格式不匹配等問題進行進一步分析。

3.1 時頻同步

5G體制主要采用波形為OFDM。該技術(shù)利用子載波之間的正交性，克服寬帶信道中的頻率選擇性，實現(xiàn)更高的頻譜效率，但是由于其正交性，該技術(shù)對定時和頻率偏差十分敏感[26]。而LEO衛(wèi)星由于其高速運動，會導(dǎo)致傳輸過程中產(chǎn)生多普勒頻偏大、定時偏差大的問題，對信號同步造成較大的影響。

為了降低載波頻偏和采樣頻偏的影響，需要進行頻偏估計與補償，并盡可能減小補償后殘余頻偏大小，如圖1所示。同時，由于高動態(tài)帶來的定時偏差，對上行定時同步跟蹤會造成較大的影響，需要重新設(shè)計針對低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的上行同步跟蹤方案。

圖1 頻偏補償示意圖

現(xiàn)階段，針對5G衛(wèi)星系統(tǒng)的時頻同步技術(shù)主要依據(jù)主同步信號(Prime Synchronizing Signal,PSS)、CP進行估計，同時考慮進行多次估計與補償，輔以合適的濾波器，最終提升系統(tǒng)的頻偏利用率，降低計算復(fù)雜度。

文獻[27]提出了一種低復(fù)雜度的頻偏校正算法，基于高斯過程和凸優(yōu)化的粗估計器進行多普勒頻偏粗校正，然后再使用基于最大似然估計的精估計器結(jié)合Turbo迭代進一步提高估計性能。此種方法與傳統(tǒng)的Turbo同步方法相比，在較大的歸一化頻率偏移(Normalized Frequency Offset,NFO)范圍內(nèi)具有更好的性能和更低的計算復(fù)雜度，但該文獻是在QPSK下進行仿真驗證。

文獻[28]提出了一種基于5G幀結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)多普勒頻移估計方法，將多普勒頻移的整數(shù)部分和小數(shù)部分在PSS內(nèi)分兩步完成，通過提取兩個連續(xù)PSS的累積相位差來計算精確的多普勒率，并通過卡爾曼濾波器分別對多普勒頻移和多普勒率估計結(jié)果進行平滑處理，對其估計結(jié)果進行穩(wěn)定增強。通過其提出的兩步多普勒頻偏估計、多普勒率估計方法能夠有效地對其系統(tǒng)進行估計，同時對其估計結(jié)果增加卡爾曼濾波器后，大大降低了多普勒頻移和多普勒率估計均方誤差(Mean Squared Error,MSE)。該文提出的方法能夠?qū)τ捎谛l(wèi)星導(dǎo)致的快速時變的多普勒頻移進行有效估計，且復(fù)雜度較低，具有相應(yīng)可行性。

文獻[29]針對5G NR信號在低軌衛(wèi)星信道下行傳輸?shù)臅r間和頻率同步問題，從觀測到的PSS定時偏差估計的最大對數(shù)似然準則出發(fā)，推導(dǎo)目標(biāo)函數(shù)的上界，利用LEO衛(wèi)星地面鏈路最大多普勒頻移在一定范圍內(nèi)的先驗信息，將時間偏移估計轉(zhuǎn)化為一維峰值搜索問題。此外，利用OFDM的CP結(jié)構(gòu)進一步提高估計性能。該方法是實現(xiàn)典型衛(wèi)星通信系統(tǒng)下行鏈路時頻精確同步的有效可行方案。對多信道5G衛(wèi)星融合網(wǎng)絡(luò)時頻同步研究中，文獻[30]通過粗時間同步-精時間同步-頻率同步完成系統(tǒng)多信道同步跟蹤:在粗時間同步中使用基于CP的盲估計算法；在頻率同步時，首先進行小數(shù)倍頻偏估計與補償，然后完成整數(shù)倍頻偏估計與補償，完成之后將信號通過一個帶通濾波器濾掉子載波間干擾，最后再進行一次小數(shù)倍頻偏估計與補償，可以完成更精確的頻率同步。

3.2 隨機接入

地面LTE/5G通信系統(tǒng)隨機接入技術(shù)采用傳統(tǒng)的4-step RACH或改進后的2-step RACH。兩種隨機接入過程中，終端首先向基站發(fā)送的消息中，均需要對前導(dǎo)序列進行發(fā)送與檢測，同時通過前導(dǎo)序列估計TA值。但是衛(wèi)星距離太遠，終端、衛(wèi)星與信關(guān)站之間的傳播時延過大，將導(dǎo)致信關(guān)站無法正確檢測前導(dǎo)；同時，衛(wèi)星波束覆蓋范圍大，不同位置的用戶終端到衛(wèi)星的距離不同，因此不同位置終端傳輸時延也不同，給隨機接入帶來影響。

目前，基于OFDM傳輸技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，前導(dǎo)格式由CP、序列以及保護時間(Guard Time，GT)組成，如圖2所示，其中CP長度設(shè)置為小區(qū)內(nèi)多用戶間最大往返時延差和小區(qū)最大時延擴展之和，GT長度設(shè)置為小區(qū)內(nèi)多用戶間最大往返時延差?？梢钥闯?，由于波束內(nèi)用戶間存在的大傳輸時延差，隨機接入的前導(dǎo)序列的CP和GT都需要很長，造成資源開銷過大的問題。

圖2 隨機接入前導(dǎo)信號格式

因此，現(xiàn)階段針對5G衛(wèi)星系統(tǒng)隨機接入技術(shù)的研究主要在于前導(dǎo)設(shè)計與檢測、TA估計方面，對前導(dǎo)碼進行適應(yīng)性修改，減小CP、GT長度，結(jié)合衛(wèi)星星歷以及終端位置等輔助信息，估計TA值，最終提升接入效率。

文獻[31]分析了5G NR隨機接入過程對衛(wèi)星使用的適用性，認為TA計算、傳輸以及其相關(guān)定時器的配置需要進行適應(yīng)性更改，同時對物理隨機接入信號所需的前導(dǎo)碼進行了研究，提出其保護間隔可以通過傳輸?shù)浇K端的最小延遲來減小。文獻[32]對5G衛(wèi)星通信系統(tǒng)的隨機接入前導(dǎo)碼進行設(shè)計與檢測，在時域內(nèi)將多個具有較大子載波間隔的不同根Zadoff-Chu(ZC)序列級聯(lián)，構(gòu)成長前導(dǎo)序列；在此基礎(chǔ)上，提出一種基于多序列聯(lián)合相關(guān)的一步定時檢測方案，有效地對TA進行估計。

文獻[33]研究了5G低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中基于位置的TA估計問題，使用衛(wèi)星在不同時刻的到達時差和到達頻率差測量值進行地理位置的估計，然后將位置估計問題轉(zhuǎn)化為二次優(yōu)化問題，估計得到終端位置，結(jié)合衛(wèi)星星歷中衛(wèi)星位置，可以得到衛(wèi)星與終端的傳輸時延，最終得到該終端TA估計值。該方法可以有效地進行終端TA估計，但是需要從下行信號中獲得較多信息計算出終端位置并獲取衛(wèi)星位置，若需要更精確的TA值，就需要計算出更加準確的位置信息。

此外，對前導(dǎo)的研究中，還可利用往返時延的差異來消除衛(wèi)星波束間的時間不確定性，從而減少CP、GT的持續(xù)時間，通過相同短ZC序列或不同循環(huán)移位單根ZC序列構(gòu)成長序列，聯(lián)合使用所有相關(guān)峰進行TA估計等，最終能夠在不同條件下提高接入效率[34-37]。

3.3 小區(qū)切換

在用戶終端成功接入系統(tǒng)后，在其一次通信過程中可能需要進行切換。與地面通信系統(tǒng)切換主要由用戶終端運動引起不同，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中切換主要由低軌衛(wèi)星快速運動引起。衛(wèi)星的高速運動導(dǎo)致用戶頻繁切換，同時用戶駐留波束交疊區(qū)時間短，如圖3所示。而由于用戶駐留波束交疊區(qū)域時間短，在信號大延遲及無線資源控制(Radio Resource Control，RRC)非實時切換請求反饋的情況下，用戶可能在離開波束交疊區(qū)域時仍未收到源小區(qū)的切換命令。除此之外，衛(wèi)星跨信關(guān)站時會帶來饋電鏈路切換等特殊問題。

圖3 波束交疊區(qū)域示意圖

由于衛(wèi)星系統(tǒng)不可避免地會產(chǎn)生切換問題，針對衛(wèi)星切換技術(shù)的研究很多。根據(jù)5G衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)切換場景，主要分為波束間切換、星間切換和信關(guān)站切換等。波束間切換一般定義為用戶終端在同一顆衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)從其一個波束切換至相鄰的另一個波束繼續(xù)通信；星間切換主要由于衛(wèi)星不斷運動導(dǎo)致無法持續(xù)覆蓋用戶終端，因此終端需在衛(wèi)星之間的切換，該切換通常涉及到選星的問題；信關(guān)站切換在于衛(wèi)星與信關(guān)站的鏈路側(cè)，一般由于衛(wèi)星移動導(dǎo)致其會遠離當(dāng)前通信信關(guān)站覆蓋區(qū)域，需要進行切換以維持連接。

文獻[37]在5G協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對波束間切換、星間切換和跨層切換三大場景設(shè)計了適合LEO-HAP系統(tǒng)的不同切換過程，并對其時延性能和信令開銷進行分析，提出了一種動態(tài)切換策略來優(yōu)化切換時刻和資源分配。決策中提出一個效用函數(shù)，該效用函數(shù)與用戶優(yōu)先級、最小速率要求、時延要求、信道增益和波束業(yè)務(wù)量等參數(shù)有關(guān)。該方法能夠有效優(yōu)化切換過程的時延和信令開銷，降低丟包率，改善功耗。該方法需要合理地進行效用函數(shù)的建立，以達到更優(yōu)的結(jié)果。

針對波束間切換，文獻[38-40]主要對切換技術(shù)、信道分配策略進行了研究，根據(jù)信號強度與用戶不同速度等因素進行合理的切換判決，對信道分配策略進行改進，最終提升系統(tǒng)性能，減小新呼叫阻塞與切換失敗率，提供用戶滿意的QoS。

考慮用戶終端進行星間切換的情況，文獻[41-44]針對大量用戶同時切換場景，根據(jù)用戶網(wǎng)絡(luò)、價格滿意度以及所需帶寬等條件進行分組，同時考慮衛(wèi)星負載能力，建立用戶與衛(wèi)星的演化博弈模型，實現(xiàn)了用戶和衛(wèi)星效用最大化；針對業(yè)務(wù)切換，生成有向圖，將星間切換建模為有向圖最短路徑問題，該類方法能夠進行相應(yīng)預(yù)測，有效降低用戶切換失敗率。文獻[45]在研究星間切換時考慮在多星覆蓋的情況下終端如何進行切換，提出了基于層次分析法的衛(wèi)星切換策略，考慮服務(wù)時間、鏈路質(zhì)量、空閑信道資源數(shù)和信令開銷等影響因素，建立層次分析模型，設(shè)定相關(guān)矩陣，根據(jù)不同側(cè)重進行矩陣參數(shù)選擇，最終選擇最優(yōu)的切換衛(wèi)星負載方法。

此外，由于惡劣天氣損害容易造成的鏈路中斷事件，保障有效的切換十分重要，而信關(guān)站切換時通常會導(dǎo)致QoS受到影響。因此，文獻[46]提出了一種信關(guān)站切換策略，旨在通過所有可用的信關(guān)站適當(dāng)?shù)仄胶鈧魅霕I(yè)務(wù)，以保證每個業(yè)務(wù)傳輸性能；文獻[47]采用信關(guān)站分集方案和切換技術(shù)，在分集場景中采用多鏈路TCP(Multipath-TCP,MP-TCP)協(xié)議，為信關(guān)站切換進行支持，保證信關(guān)站平滑切換。

4 結(jié)束語

衛(wèi)星與5G地面網(wǎng)絡(luò)的融合是發(fā)展6G以及天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的必然發(fā)展趨勢，因此，研究基于5G體制的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)十分必要。本文總結(jié)了不同組織機構(gòu)以及學(xué)者們對融合網(wǎng)絡(luò)的研究發(fā)展情況，并詳細分析了低軌衛(wèi)星系統(tǒng)特點造成的5G體制應(yīng)用問題；考慮衛(wèi)星高動態(tài)、通信距離遠、波束覆蓋范圍廣等特點，進一步分析了時頻同步、隨機接入以及小區(qū)切換方面的問題。本文形成的相應(yīng)方案可以為5G低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中5G空口適應(yīng)性設(shè)計提供參考。

接下來將繼續(xù)針對技術(shù)體系中尋呼、漫游等技術(shù)點開展深入研究，完善5G低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)體系解決方案。