孫耀華，彭木根

面向手機直連的低軌衛(wèi)星通信：關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望

孫耀華，彭木根

（北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室，北京 100876）

為滿足全時、全域通信需求，低軌衛(wèi)星通信將成為6G的重要組成部分。通過對地面移動通信協(xié)議體制進行適應(yīng)性改進，低軌衛(wèi)星可為地面移動手機終端提供直連服務(wù)。介紹了面向手機直連的低軌衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)和商業(yè)項目發(fā)展現(xiàn)狀，探討了未來需解決的關(guān)鍵問題和潛在技術(shù)途徑。

低軌衛(wèi)星通信；手機直連衛(wèi)星；星地融合網(wǎng)絡(luò)

0 引言

當(dāng)前，5G已得到較大規(guī)模的部署與應(yīng)用，各國正在爭相開展6G技術(shù)的儲備和研發(fā)工作。隨著載荷平臺、火箭發(fā)射等技術(shù)的突破，低地球軌道（low earth orbit，LEO，以下簡稱低軌）衛(wèi)星通信將在6G時代扮演重要角色[1-2]。相比高地球軌道（以下簡稱高軌）衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星可提供更強的信號質(zhì)量，軌道資源也更加豐富，能夠形成覆蓋全球的密集組網(wǎng)星座[3]。在該背景下，各類低軌衛(wèi)星項目不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)外代表性項目包括Starlink、Kuiper、OneWeb以及我國的虹云和鴻雁工程等。

傳統(tǒng)低軌衛(wèi)星通信中，為了提升信號發(fā)射和接收增益，進而提升通信速率，終端往往采用尺寸較大的拋物面天線或平板天線，而在協(xié)議上，主要采用衛(wèi)星通信自有協(xié)議，例如，基于數(shù)字視頻廣播（digital video broadcast，DVB）標準的協(xié)議等。然而，面向6G時代提出的全時、全域個人通信能力要求，如何實現(xiàn)普通手機直接通過衛(wèi)星與外界通信成為產(chǎn)、學(xué)、研界關(guān)注的焦點[4]。2022年9月，華為發(fā)布具備衛(wèi)星通信功能的高端機型，通過在手機中集成北斗通信所需的射頻和基帶硬件，可在荒漠無人區(qū)、地震救援等無地面網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋環(huán)境下對外發(fā)送文字和位置信息。此外，蘋果手機也集成了衛(wèi)星通信功能，通過與Globalstar合作，實現(xiàn)了短消息發(fā)送。雖然華為和蘋果產(chǎn)品均初步實現(xiàn)了普通手機與衛(wèi)星間的通信，但主要通過集成遵從衛(wèi)星通信專有協(xié)議的通信硬件實現(xiàn)，未涉及衛(wèi)星通信和地面移動通信協(xié)議體制的融合。

本文探討的“手機直連衛(wèi)星”的含義限定為通過對地面第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）移動通信體制進行適應(yīng)性改進增強來實現(xiàn)普通手持移動通信終端通過衛(wèi)星與外界互聯(lián)。從Release 16（Rel-16）起，3GPP開始進行非地面網(wǎng)絡(luò)（non-terrestrial network，NTN）的研究工作，在Rel-17中開始進行具體系統(tǒng)設(shè)計[5]。在應(yīng)用測試方面，中國移動聯(lián)合中興通訊、交通運輸通信信息集團等完成了基于3GPP Rel-17 NTN協(xié)議的技術(shù)外場驗證，實現(xiàn)了基于地球同步衛(wèi)星的5G NTN端到端全鏈路貫通，而國外的AST SpaceMobile、Lynk Global、SpaceX等公司均提出了手機直連低軌衛(wèi)星的服務(wù)計劃，部分公司發(fā)射了試驗衛(wèi)星。后文將首先對手機直連衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)進行探討，隨后對相關(guān)商業(yè)項目進展進行詳細介紹，最后給出未來的技術(shù)發(fā)展方向。

1 關(guān)鍵技術(shù)

本節(jié)首先對手機直連低軌衛(wèi)星的基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)進行梳理，涵蓋時頻同步、隨機接入、混合自動重傳請求（hybrid automatic repeat request，HARQ）、功率控制、調(diào)制編碼方式（modulation and coding scheme，MCS）自適應(yīng)以及衛(wèi)星波束規(guī)劃和調(diào)度等。

1.1 時頻同步

由于低軌衛(wèi)星相對地面高速運動，在沒有任何頻偏補償?shù)那闆r下，手機將面對幾十千赫茲甚至兆赫茲級別的多普勒頻移（相比之下，手機在高鐵場景中僅需要應(yīng)對幾千赫茲的頻偏），給手機和網(wǎng)絡(luò)間的時頻同步帶來較大挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)初始下行同步流程中，手機首先進行主同步信號（primary synchronization signal，PSS）檢測，其中，傳統(tǒng)的互相關(guān)檢測算法將接收信號直接與3組本地PSS序列進行互相關(guān)運算，根據(jù)相關(guān)峰值確定粗定時點，之后進行頻偏估計與補償，并進行精定時同步。然而，大頻偏的存在容易顯著降低PSS互相關(guān)性能，導(dǎo)致同步失敗。為此，文獻[6]提出了一種改進的粗同步算法，利用快速傅里葉變換運算代替互相關(guān)運算中共軛乘法后的求和運算，同時從算法中的指數(shù)形式頻偏中得到對應(yīng)的整數(shù)倍頻偏估計，簡化了后續(xù)小數(shù)倍頻偏估計，可更好地適應(yīng)大頻偏場景。文獻[7]提出了一種基于差分運算和頻域相關(guān)運算的同步算法，通過將PSS與本地序列進行差分運算減少頻偏的影響，隨后對差分運算得到的信號進行傅里葉變換并進行頻域快速相關(guān)檢測以降低運算復(fù)雜度，實驗結(jié)果表明相較于傳統(tǒng)互相關(guān)算法，改進算法在較大頻偏環(huán)境下能實現(xiàn)快速、準確同步。

此外，由于設(shè)備晶體振蕩器的輸出頻率與標稱頻率間存在偏差且衛(wèi)星和用戶相對移動狀態(tài)時變，初始下行時頻同步狀態(tài)無法長久維持，手機需進行時頻跟蹤與調(diào)整。在3GPP協(xié)議中，定義了多種參考信號，其中，跟蹤參考信號（tracking reference signal，TRS）作為一種特殊的信道狀態(tài)信息參考信號，用于檢測時偏與頻偏的變化。具體地，用戶對接收到的兩個不同TRS位置處的信道頻域響應(yīng)進行互相關(guān)運算，可得到定時誤差與頻率偏移量。除了對參考信號進行檢測，時頻跟蹤還可通過同步信號以及循環(huán)前綴檢測實現(xiàn)。與此同時，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可對多普勒頻移變化率以及時延變化率進行預(yù)估算，輔助手機端進行時頻偏調(diào)整。最后，考慮兩個相鄰幀間的定時誤差變化較小，可基于前一幀定時位置直接得到當(dāng)前的粗定時位置，以簡化時頻跟蹤過程。

1.2 隨機接入

手機直連衛(wèi)星對隨機接入過程的影響主要包括4個方面：一是星地傳播時延不可忽略，四步隨機接入時延較大；二是星地時頻偏明顯，影響前導(dǎo)碼檢測性能；三是衛(wèi)星波束覆蓋廣，大量用戶同時接入干擾嚴重，需要對前導(dǎo)碼進行增強設(shè)計；四是衛(wèi)星側(cè)前導(dǎo)檢測的窗口長度和用戶側(cè)接收隨機接入響應(yīng)的窗口長度可能需要進行對應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)波束小區(qū)的差分時延。

圖1 兩步隨機接入流程

圖2 LS的基本格式

圖3 基于短序列靈活級聯(lián)和差異化功率分配的前導(dǎo)碼生成

1.3 HARQ

考慮手機直連場景下的鏈路傳播時延及用戶業(yè)務(wù)時延需求，HARQ協(xié)議也需要進一步增強。一方面，現(xiàn)有HARQ機制利用并行停等式協(xié)議進行數(shù)據(jù)反饋重傳，但直連鏈路下的長傳輸時延特性使得現(xiàn)有機制中的16個并行HARQ進程無法充分利用傳輸資源。3GPP相關(guān)提案證明了將并行HARQ進程數(shù)提升至32～50個的可行性，但并行HARQ進程數(shù)的增加需要手機及衛(wèi)星具備更大的數(shù)據(jù)緩存空間，帶來了額外硬件成本。此外，用戶鏈路預(yù)算有限，為保證用戶數(shù)據(jù)正確傳輸，不僅需要考慮HARQ機制，還需要考慮無線鏈路控制層自動重傳請求（automatic repeat request，ARQ）機制的影響。從3GPP TR38.821可以看到，在綜合考慮HARQ進程數(shù)及無線鏈路控制層ARQ機制的情況下，增加HARQ進程數(shù)是否會在系統(tǒng)吞吐量及頻譜效率等方面帶來性能提升依舊存在爭議。

另一方面，現(xiàn)有HARQ機制依賴接收側(cè)的反饋，因此，發(fā)射端需要至少等待一個往返時延才可進行錯誤數(shù)據(jù)包的重傳，使得低時延業(yè)務(wù)的性能需求無法得到滿足。為解決這一問題，可在手機直連中針對特定業(yè)務(wù)取消HARQ機制，并通過引入更低編碼速率的MCS以及時隙聚合機制保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。時隙聚合機制在多個相鄰時隙上對同一數(shù)據(jù)進行重復(fù)傳輸，接收側(cè)在完成相應(yīng)數(shù)據(jù)接收后進行軟合并，降低了信息反饋引入的時延，但該機制的參數(shù)配置方法還需進一步研究，如如何確定時隙聚合數(shù)目等。

1.4 功率控制和MCS自適應(yīng)

受限于天線定向傳輸能力，手機終端上行數(shù)據(jù)傳輸時，可能會對其他低軌衛(wèi)星用戶產(chǎn)生干擾。同時，手機終端功耗嚴重受限，如何降低發(fā)射功耗、保障用戶終端續(xù)航成為手機直連場景下需要解決的關(guān)鍵問題。為此，可沿用地面移動通信網(wǎng)絡(luò)中的用戶上行功率控制機制，通過控制終端發(fā)射功率，有效提升功率利用效率，降低用戶間的同頻干擾。傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)上行功率控制分為開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制，其中，開環(huán)功率控制主要應(yīng)用于隨機接入過程，手機依據(jù)系統(tǒng)廣播信息及信道狀態(tài)估計，直接確定自身發(fā)射功率；閉環(huán)功率控制主要應(yīng)用于調(diào)度請求、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸，此時，手機與網(wǎng)絡(luò)間已建立連接，網(wǎng)絡(luò)將接收的用戶信號干擾比（signal-to-interference ratio，SIR）與預(yù)期值進行對比，基于此下發(fā)功率控制指令。手機結(jié)合該指令以及開環(huán)控制中的有關(guān)信息，完成發(fā)射功率計算。

從機制上可以看到，開環(huán)功率控制和閉環(huán)功率控制均依賴信道狀態(tài)信息，然而，星地信道具有顯著的快變特點，導(dǎo)致發(fā)射功率調(diào)整始終落后于信道變化。另外，功率控制震蕩產(chǎn)生示意圖如圖4所示，過短的功率控制周期還容易導(dǎo)致手機發(fā)送功率振蕩。為此，本文在現(xiàn)有機制的基礎(chǔ)上提出了適用于手機直連的上行功率控制方案。首先，手機端根據(jù)歷史信道信息對下一時刻的上行信道狀態(tài)進行預(yù)測，上行發(fā)射功率由預(yù)測信道狀態(tài)信息及歷史信道狀態(tài)信息共同確定?？紤]直連鏈路遮擋物的變化可能導(dǎo)致信道狀態(tài)信息非線性變化，如何進行信道狀態(tài)的準確預(yù)測是一個難點。此外，功率控制周期調(diào)整示意圖如圖5所示，其中pro為星地單向傳播時延。如圖5所示，可令功率控制周期大于兩倍星地傳播時延，從而有效規(guī)避上行功率控制震蕩問題。

自適應(yīng)調(diào)制編碼（adaptive modulation and coding，AMC）是一種鏈路自適應(yīng)技術(shù)，其原理為根據(jù)信道質(zhì)量，動態(tài)調(diào)整鏈路傳輸?shù)恼{(diào)制階數(shù)與編碼方式，以充分利用鏈路傳輸能力。傳統(tǒng)5G網(wǎng)絡(luò)的MCS根據(jù)測得的信道質(zhì)量指示（channel quality indication，CQI）參數(shù)，基于查表進行調(diào)整。具體地，在下行AMC技術(shù)中，用戶根據(jù)參考信號測得CQI并上報，基站據(jù)此調(diào)整MCS；在上行AMC技術(shù)中，基站根據(jù)上行參考信號測得CQI，隨后通過控制信令通知用戶調(diào)整MCS。在手機直連場景下，星地鏈路傳播時延不可忽略，導(dǎo)致CQI反饋/控制信令下發(fā)嚴重滯后且信道波動更大，傳統(tǒng)AMC技術(shù)難以直接適用。為此，與功率控制類似，引入信道預(yù)測十分必要，通過對信道狀態(tài)進行預(yù)測以及時獲得準確的CQI，從而保證MCS調(diào)整的準確性。

圖4 功率控制震蕩產(chǎn)生示意圖

圖5 功率控制周期調(diào)整示意圖

1.5 衛(wèi)星波束規(guī)劃和調(diào)度

本文提出衛(wèi)星波束規(guī)劃應(yīng)區(qū)分兩種波束服務(wù)方式。方式一為低軌衛(wèi)星產(chǎn)生兩類波束，稱為控制波束和業(yè)務(wù)波束，分別負責(zé)控制信息和業(yè)務(wù)信息的傳輸，此時，業(yè)務(wù)波束調(diào)度依賴用戶通過控制波束上報的傳輸需求和信道質(zhì)量信息等。為實現(xiàn)用戶需求及時被衛(wèi)星獲知，控制波束可采用寬波束周期性快速掃描的方式，而業(yè)務(wù)波束可采用窄點波束以提供高數(shù)據(jù)速率，同時有利于規(guī)避波束間干擾，實現(xiàn)空間多色復(fù)用。在方式二中，不區(qū)分控制和業(yè)務(wù)波束，此時波束寬度被設(shè)置成核心問題。具體地，當(dāng)波束寬度較窄時，單波束覆蓋范圍變小，可能導(dǎo)致用戶接入時延變大；而當(dāng)波束寬度較寬時，不僅可能導(dǎo)致波束增益不足、用戶峰值速率下降，同時還可能帶來更大的波束間干擾。與方式二相比，方式一通過更加復(fù)雜的波束管理在保證覆蓋性能的同時換取了業(yè)務(wù)波束調(diào)度的靈活性，可充分應(yīng)對衛(wèi)星廣覆蓋區(qū)域內(nèi)的非均勻用戶分布特點和差異化數(shù)據(jù)傳輸需求。此外，根據(jù)衛(wèi)星天線能力，衛(wèi)星波束還分為移動波束和固定波束。在移動波束下，波束小區(qū)相對地面快速運動，導(dǎo)致用戶在小區(qū)間頻繁切換，與此同時，衛(wèi)星波束間的重疊覆蓋程度不斷變化，使得星間/波束間干擾管理更加復(fù)雜。在固定波束下，衛(wèi)星通過相控陣天線實現(xiàn)波束對地面固定小區(qū)的凝視服務(wù)，此時可顯著降低用戶在小區(qū)間的切換頻率，同時有望簡化小區(qū)間頻譜共享機制設(shè)計。

在低軌衛(wèi)星波束調(diào)度算法設(shè)計方面，文獻[9]針對單個低軌衛(wèi)星多波束服務(wù)場景（考慮移動波束小區(qū)且波束間全頻率復(fù)用），提出了基于多決策體隨機學(xué)習(xí)的波束調(diào)度算法，其中，虛擬決策體個數(shù)與衛(wèi)星波束個數(shù)相同，每個虛擬決策體負責(zé)確定對應(yīng)波束是否激活，在給定波束激活狀態(tài)下進一步采用基于聯(lián)盟博弈的貪婪算法和凸優(yōu)化算法，聯(lián)合優(yōu)化用戶的波束接入以及波束內(nèi)用戶間傳輸時間分配。仿真結(jié)果表明，在文獻[9]考慮的仿真場景下，所提算法能夠近似滿足96%用戶的速率需求，同時激活的波束個數(shù)不到一半，顯著降低了星上功耗。面向多低軌衛(wèi)星多波束傳輸場景，文獻[10]將多低軌衛(wèi)星波束聯(lián)合跳變圖案設(shè)計問題解耦為低軌衛(wèi)星與地面小區(qū)的關(guān)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化和小區(qū)服務(wù)時隙分配優(yōu)化，前者主要考慮了星間負載均衡和對高軌衛(wèi)星通信的干擾限制，后者則在給定低軌衛(wèi)星和地面小區(qū)關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過迭代優(yōu)化改善小區(qū)間干擾以及小區(qū)業(yè)務(wù)滿意度。然而，前述研究均未考慮低軌衛(wèi)星高速運動下的網(wǎng)絡(luò)拓撲和干擾狀態(tài)時變特點。此外，波束調(diào)度還需要解決各小區(qū)業(yè)務(wù)動態(tài)到達下如何保證系統(tǒng)隊列穩(wěn)定以及如何降低星間切換頻率等問題。

表1 手機直連低軌衛(wèi)星商業(yè)項目進展情況匯總

2 手機直連低軌衛(wèi)星商業(yè)項目進展

本節(jié)將詳細介紹手機直連低軌衛(wèi)星商業(yè)項目的進展情況，手機直連低軌衛(wèi)星商業(yè)項目進展情況匯總見表1。

2.1 AST SpaceMobile手機直連衛(wèi)星項目

AST SpaceMobile手機直連衛(wèi)星項目由位于美國得克薩斯州的AST SpaceMobile公司發(fā)起，旨在構(gòu)建一個包含16個軌道面、243顆衛(wèi)星的低軌通信星座，實現(xiàn)普通智能手機不做任何功能修改即可通過衛(wèi)星獲得4G和5G服務(wù)。相比地面移動通信，由于低軌衛(wèi)星的高速運動以及星地間的長傳播時延，衛(wèi)星和用戶間存在較大的時頻偏移，給時頻同步帶來較大挑戰(zhàn)。根據(jù)文獻[11]，AST SpaceMobile采用了縮小地面固定波束小區(qū)半徑并結(jié)合衛(wèi)星側(cè)利用小區(qū)中心點位置進行頻偏預(yù)補償?shù)募夹g(shù)方案。為評估該方案的可行性，采用文獻[11]給出的地面小區(qū)直徑為48 km的假設(shè)，同時假設(shè)星地通信最小仰角為30度且當(dāng)仰角為90度時用戶恰好位于星下點。令衛(wèi)星軌道高度為500 km（當(dāng)前AST SpaceMobile試驗衛(wèi)星的軌道高度）且衛(wèi)星和用戶間采用881.5 MHz的中心頻點通信（881.5 MHz為AST SpaceMobile試驗的目標頻率之一）。衛(wèi)星根據(jù)小區(qū)中心點位置進行頻偏預(yù)補償，頻偏預(yù)補償?shù)臍埩舳嗥绽疹l偏如圖6所示，其中，最大頻偏略高于1.5 kHz。一般認為，當(dāng)產(chǎn)生的頻移小于子載波間隔的5%時，對下行同步?jīng)]有影響，因此按照測算中的數(shù)據(jù)，子載波間隔可取30 kHz及以上。另外，當(dāng)衛(wèi)星與小區(qū)中心點的仰角在一定范圍內(nèi)時，小區(qū)等效半徑與地面通信網(wǎng)絡(luò)小區(qū)半徑相當(dāng)。上述結(jié)果意味著，在選擇合適的子載波間隔并限制最小服務(wù)仰角后，普通手機不做任何功能修改即可完成初始下行同步和上行隨機接入。

圖6 頻偏補償后的殘留多普勒頻偏

此外，為滿足窄波束傳輸以及波束指向靈活調(diào)整需求，AST SpaceMobile手機直連項目的一大特色是為衛(wèi)星搭載了目前尺寸最大的商用星載相控陣天線，其已在BlueWalker 3試驗星上在軌展開，面積達64 m2。根據(jù)AST SpaceMobile公司官網(wǎng)消息，AST SpaceMobile于2023年第一季度進行手機直連性能測試。根據(jù)文獻[12]，AST SpaceMobile項目潛在測試架構(gòu)如圖7所示，為基于衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)的NTN架構(gòu)。

圖7 AST SpaceMobile項目潛在測試架構(gòu)

2.2 Lynk Global手機直連衛(wèi)星項目

Lynk Global手機直連衛(wèi)星項目由美國Lynk Global公司發(fā)起，旨在利用上千顆低軌微小衛(wèi)星為標準移動手持終端提供全球通信服務(wù)。為實現(xiàn)手持終端不進行任何修改與衛(wèi)星正常通信，Lynk Global公司在文獻[13]中提出在衛(wèi)星側(cè)對接收到的手機發(fā)送的物理隨機接入信道（physical random access channel，PRACH）和PUSCH上行信號進行處理，完成衛(wèi)星和手機間的傳播時延和多普勒頻偏估計，并在下行發(fā)送時基于估計結(jié)果對信號進行調(diào)整。此外，針對多地面用戶通信場景，Lynk Global公司在文獻[14]中給出了星載收發(fā)機的多址通信方案，其中，收發(fā)機主要由測距模塊、定時模塊、資源調(diào)度模塊、多普勒頻偏補償模塊等組成，根據(jù)衛(wèi)星和每個用戶間的距離針對性調(diào)整接收信號的檢測定時。考慮衛(wèi)星和地面基站采用相似通信體制后，衛(wèi)星信號對地面基站用戶的潛在干擾以及地面基站用戶對衛(wèi)星信號接收的干擾，Lynk Global公司在文獻[15]中提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的衛(wèi)星小區(qū)-地面基站小區(qū)間頻譜劃分方法，在文獻[16]中提出了基于干擾探測的衛(wèi)星側(cè)對地面基站用戶上行干擾的緩解方法。據(jù)報道，Lynk Global已先后發(fā)射5顆試驗衛(wèi)星，且已完成上千部智能手機接入測試。在整體架構(gòu)上，文獻[17]表明該項目可能采用了星上處理技術(shù)以在太空中部署完整的長期演進（long term evolution，LTE）網(wǎng)絡(luò)，地面用戶接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時相當(dāng)于從地面網(wǎng)絡(luò)漫游至衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

2.3 其他手機直連衛(wèi)星項目

Omnispace手機直連衛(wèi)星項目由美國Omnispace公司發(fā)起，旨在利用非地球同步衛(wèi)星提供符合3GPP標準的全球5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，工作頻段為3GPP定義的n256。在技術(shù)可行性方面，Omnispace于2021年在試驗室環(huán)境下為美國海軍演示了商用5G終端可通過衛(wèi)星獲取語音和數(shù)據(jù)服務(wù)。目前該項目已發(fā)射Omnispace Spark-1和Omnispace Spark-2兩顆試驗星，然而尚未看到公開的技術(shù)專利及相關(guān)性能測試結(jié)果。此外，Starlink和T-Mobile已宣布開展合作，利用第二代Starlink低軌衛(wèi)星為現(xiàn)有手機提供空中服務(wù)，單小區(qū)速率為2～4 Mbit/s，滿足短信和語音通話需求。根據(jù)官方公布的信息，第二代Starlink衛(wèi)星的通信載荷將額外增加一個面積達25 m2的相控陣天線，用于實現(xiàn)與地面手機的直接通信。

3 手機直連衛(wèi)星未來發(fā)展展望

雖然各類手機直連低軌衛(wèi)星項目和有關(guān)測試已取得一定進展，但目前各方仍主要聚焦于鏈路層面的“連得上”。面向未來，還需要進一步解決星地高效頻譜共享和移動性管理這兩大技術(shù)問題；此外，為了解決上下行業(yè)務(wù)流量非對稱帶來的衛(wèi)星頻譜資源浪費，基于時分雙工的通信制式也將是重要研究方向之一；最后，亟須突破手機直連下的低軌通信衛(wèi)星組網(wǎng)信息理論，為實際系統(tǒng)設(shè)計提供有益指導(dǎo)。

3.1 星地高效頻譜共享

在手機直連場景下，由于衛(wèi)星通信采用與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)相同/相似的技術(shù)體制，星地通信和地-地通信間可能存在復(fù)雜干擾，包括衛(wèi)星對地面基站用戶的干擾、地面基站對衛(wèi)星接收的干擾等。與此同時，由于手機天線等硬件能力限制，手機直連衛(wèi)星目前主要聚焦于低頻，頻譜資源稀缺，容易和地面移動通信網(wǎng)絡(luò)頻譜規(guī)劃沖突。因此，手機直連下的星地頻譜共享研究十分迫切。在傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)中，頻譜共享方案包括多色空間復(fù)用、軟頻率復(fù)用、基于時域干擾協(xié)調(diào)的方案和基于功率控制的方案。由于地面網(wǎng)絡(luò)小區(qū)位置固定，上述方案配置參數(shù)較易確定。然而，在引入手機直連低軌衛(wèi)星后，星地間頻譜共享面臨如下4個方面的挑戰(zhàn)。

?由于低軌衛(wèi)星單波束覆蓋范圍可達幾十至上百千米，覆蓋范圍內(nèi)可能包含數(shù)十個地面基站小區(qū)，對地干擾影響廣泛。

?低軌衛(wèi)星高速運動導(dǎo)致星地間干擾程度復(fù)雜多變。具體地，當(dāng)衛(wèi)星采用相對自身位置固定的波束小區(qū)配置（即移動波束）時，隨著衛(wèi)星移動，波束小區(qū)與地面基站小區(qū)的空間相對位置不斷變化；而當(dāng)衛(wèi)星采用凝視波束模式服務(wù)地面固定小區(qū)時，波束指向在衛(wèi)星移動過程中不斷調(diào)整，在上述兩種情況下，使用相同頻譜的地面基站小區(qū)用戶所受干擾均動態(tài)變化。

?由于地面基站和低軌衛(wèi)星間缺乏類似地面基站間的Xn接口，地面基站和衛(wèi)星間的干擾難以直接進行細粒度協(xié)調(diào)。

?手機天線定向傳輸能力差，可能存在低軌衛(wèi)星和地面基站用戶間的干擾。

為實現(xiàn)星地高頻譜資源利用率，本文提出針對星地均處于下行傳輸時的頻譜共享方案。假設(shè)低軌衛(wèi)星可同時產(chǎn)生低功率寬波束和高功率窄波束，前者用于發(fā)送下行控制信息，后者用于傳輸下行高速率業(yè)務(wù)，而對于每個地面基站小區(qū)，劃分小區(qū)中心和小區(qū)邊緣。由于基站小區(qū)中心用戶接收信號強度較大，在衛(wèi)星寬波束功率得到適當(dāng)控制的情況下，地面基站小區(qū)中心用戶和寬波束可共享頻譜。對于地面基站小區(qū)邊緣用戶，由于接收信號強度較弱，分配與衛(wèi)星寬波束正交的頻譜資源。與寬波束覆蓋區(qū)域廣泛相反，窄波束空間指向性更強、具有更加靈活多變的跳變特性，可在不同時間照亮不同方位，此時，若窄波束和地面基站小區(qū)仍采用靜態(tài)頻譜共享方式，會大大犧牲頻譜利用率。為此，本文提出地面基站可通過增加專門的信號接收模塊從衛(wèi)星寬波束控制信息中獲取未來一段時間內(nèi)的窄波束跳變信息（包括波束發(fā)射功率、相對衛(wèi)星的波束中心朝向、波束工作頻點等），隨后結(jié)合衛(wèi)星星歷、鏈路預(yù)算模型，計算未來各時刻衛(wèi)星窄波束對小區(qū)的干擾程度，從而確定是否使用和衛(wèi)星波束相同的頻譜資源。

3.2 手機直連下的移動性管理

移動性管理包括鏈路切換管理、用戶位置管理、移動IP管理等。在鏈路切換規(guī)則方面，由于低軌衛(wèi)星通信場景下的信號強度測量難以準確反映手機終端相對衛(wèi)星/波束小區(qū)的位置，地面網(wǎng)絡(luò)中基于信號強度的切換觸發(fā)和判決準則難以直接應(yīng)用。為此，可采用基于多屬性信息的鏈路切換判決方法，綜合考慮衛(wèi)星對手機的剩余覆蓋時間、手機應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）需求以及衛(wèi)星空口負載等。針對手機直連網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中存在的用戶鏈路和饋電鏈路頻繁切換問題，筆者前期提出了基于多屬性信息的鏈路切換判決方法，核心思想為將用戶鏈路和饋電鏈路剩余覆蓋時間進行聯(lián)合，構(gòu)建用戶到信關(guān)站的端到端鏈路剩余存續(xù)時間指標，同時考慮衛(wèi)星空口剩余資源、用戶-衛(wèi)星仰角等，利用熵權(quán)法對各類指標進行合并，最終得到用戶-信關(guān)站端到端鏈路切換判決的綜合指標。仿真結(jié)果表明，采用基于多屬性信息的切換判決可降低切換信令開銷約29%[18]。在切換流程方面，隨著手機硬件能力的提升，預(yù)期未來可具備兩個或以上收發(fā)射頻鏈，從而能夠同時與多顆衛(wèi)星通信，實現(xiàn)基于“先建后斷”的近似無縫切換。具體地，在手機向某衛(wèi)星小區(qū)發(fā)起隨機接入流程的同時，依然可以繼續(xù)接收來自當(dāng)前接入衛(wèi)星的下行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，有望實現(xiàn)下行數(shù)據(jù)傳輸零中斷。在用戶位置管理方面，位置區(qū)劃分和尋呼策略會接影響網(wǎng)絡(luò)運行效率和信令開銷，其中，信令開銷進一步包括用戶位置更新開銷和網(wǎng)絡(luò)對用戶的尋呼開銷。由于二者均與位置區(qū)劃分方式有關(guān)，因此需提出合適的數(shù)學(xué)模型建模位置區(qū)劃分與開銷間的定量關(guān)系，實現(xiàn)開銷最小化。此外，模型應(yīng)綜合考慮用戶移動性特征、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)到達特征以及位置區(qū)范圍設(shè)置較大時導(dǎo)致的球面位置區(qū)形變等。

3.3 基于時分雙工的手機直連衛(wèi)星通信

與主要支持電視廣播業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)的傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)相比，手機應(yīng)用的豐富性使得網(wǎng)絡(luò)流量具有高度的上下行非對稱特點，頻分雙工通信易導(dǎo)致頻譜資源浪費。同時，由于上下行鏈路預(yù)算相對有限，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，預(yù)計未來手機直連將使用更高的傳輸帶寬，若繼續(xù)采用頻分雙工方式，上下行共口徑天線的設(shè)計將成為難點問題。為此，可考慮引入基于時分雙工的通信體制，通過幀結(jié)構(gòu)中的上下行時隙靈活配比，實現(xiàn)有限頻譜資源與上下行業(yè)務(wù)需求的有效匹配。此外，上下行傳輸可位于同一頻率資源塊上，有利于通過雙工器或開關(guān)電路簡化天線設(shè)計，降低硬件成本。最后，不需要成對頻譜資源，這降低了頻譜規(guī)劃難度。

與地面時分雙工移動通信系統(tǒng)類似，當(dāng)幀結(jié)構(gòu)中的上下行保護時間間隔設(shè)置過短時，基于時分雙工的手機直連衛(wèi)星通信同樣面臨上下行時隙間的干擾問題。終端自干擾示意圖如圖8所示，其中prog為直連鏈路傳播時延，DCI為衛(wèi)星發(fā)送的調(diào)度控制信息，因傳播時延不可忽略，為保證上行數(shù)據(jù)在指定時刻到達衛(wèi)星，手機終端需要在上行調(diào)度指示的基礎(chǔ)上提前2倍傳播時延發(fā)送數(shù)據(jù)，而此時，終端可能正處于下行數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，從而導(dǎo)致嚴重的自干擾。另外，考慮手機終端天線方向性差，當(dāng)同一波束內(nèi)終端傳輸調(diào)度不當(dāng)或波束間時隙配比差異較大時，易產(chǎn)生終端間上下行時隙干擾，終端間上下行時隙干擾示意圖如圖9所示。為此，衛(wèi)星側(cè)在確定用戶傳輸?shù)臅r頻資源時不僅需要考慮信道質(zhì)量，還需要考慮歷史調(diào)度信息、終端位置信息等。具體地，在調(diào)度同一終端時，合理安排上下行傳輸?shù)臅r隙位置，避免自干擾；而在調(diào)度不同終端時，需要根據(jù)終端-衛(wèi)星間的傳播時延、業(yè)務(wù)請求量、業(yè)務(wù)時延需求等確定資源塊分配方案，降低終端間上下行時隙干擾。

圖8 終端自干擾示意圖

圖9 終端間上下行時隙干擾示意圖

3.4 手機直連下的低軌衛(wèi)星組網(wǎng)信息理論

圍繞地面移動通信網(wǎng)絡(luò)（如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)等），學(xué)術(shù)界利用隨機幾何等工具，闡明了基站部署密度、發(fā)射功率、不同接入策略等對用戶傳輸成功率和遍歷速率的影響。相比可視為二維平面分布的地面網(wǎng)絡(luò)，手機直連低軌衛(wèi)星場景將具有更加顯著的立體空間幾何特征，例如，低軌衛(wèi)星沿特定軌道運行、星載天線的發(fā)射增益與衛(wèi)星和用戶間的離軸角密切相關(guān)等。在此情況下，亟須構(gòu)建易于分析且能夠反映星地空間幾何特性的組網(wǎng)信息理論模型，指導(dǎo)實際系統(tǒng)參數(shù)和接入策略設(shè)計。

目前已有部分文獻分析了低軌衛(wèi)星組網(wǎng)下的用戶通信性能。與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信仿真采用的基于確定性位置的衛(wèi)星組網(wǎng)模型不同，文獻[19]采用均勻二項點過程對低軌衛(wèi)星分布進行建模，分析了一般低軌衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的下行覆蓋概率和平均數(shù)據(jù)速率，此外，還引入了有效衛(wèi)星數(shù)以反映衛(wèi)星在緯度間的非均勻分布特點。為了說明利用隨機幾何進行低軌星座建模的準確性，文獻[20]基于沃瑟斯坦距離度量，定量比較了齊次二項點過程與基于軌道的點過程以及基于斐波那契網(wǎng)格的點集間的相似度，結(jié)果表明，當(dāng)衛(wèi)星軌道高度越低、星座規(guī)模越大時，齊次二項點過程可以更好地代替后兩種星座建模方式。

然而，目前對手機直連下低軌衛(wèi)星組網(wǎng)的性能分析仍有待進一步研究，具體挑戰(zhàn)包括以下幾點。

?如何構(gòu)建易于分析且能夠反映實際空間幾何特點的理論模型，其中需要考慮星載天線空間定向性、低軌衛(wèi)星多波束等特點。

?在低軌星座發(fā)展初期，衛(wèi)星部署密度不高，假設(shè)衛(wèi)星在球面上服從均勻分布易帶來較大分析誤差，因此需要考慮更加精細的星座建模方式，反映衛(wèi)星軌道傾角等對系統(tǒng)性能的影響。

?手機在低軌衛(wèi)星間、不同衛(wèi)星波束間的接入策略同樣會影響上下行傳輸性能，如何分析不同接入策略對性能的影響，從而為接入策略設(shè)計提供有益指導(dǎo)是亟須解決的問題。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了面向手機直連的低軌衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)，包括時頻同步、隨機接入、HARQ、功率控制、MCS自適應(yīng)、衛(wèi)星波束規(guī)劃和調(diào)度；隨后調(diào)研總結(jié)了相關(guān)商業(yè)項目的進展情況，并參考有關(guān)企業(yè)公開的發(fā)明專利提煉了關(guān)鍵技術(shù)特征等；最后，針對未來手機直連衛(wèi)星后潛在的星地頻譜共享、移動性管理、組網(wǎng)信息理論以及基于時分雙工的通信體制，進行了深入探討，給出了啟發(fā)性思路。

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Low earth orbit satellite communication supporting direct connection with mobile phones: key technologies, recent progress and future directions

SUN Yaohua, PENG Mugen

State Key Laboratory of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

In order to realize anytime and anywhere communication, low earth orbit (LEO) satellite communication becomes a key component in 6G. Through the adaptive enhancement of terrestrial mobile communication protocol, LEO satellites can provide direct connection services for mobile phones. The related key technologies and the recent progress of various commercial programs were introduced, and future issues were also identified together with potential technical solutions.

low earth orbit satellite communication, direct connection between satellites and mobile phones, integrated satellite-terrestrial network

TP393

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2023031

孫耀華（1992-），男，博士，北京郵電大學(xué)副教授，主要研究方向為低軌衛(wèi)星通信和無線接入網(wǎng)絡(luò)智能化。

彭木根（1978? ），男，博士，北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院院長、教授、博士生導(dǎo)師，網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室副主任，IEEE Fellow，中國電子學(xué)會會士，中國通信學(xué)會會士。主要研究方向為智簡無線網(wǎng)絡(luò)、空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)、通信感知計算融合等。擔(dān)任《電信科學(xué)》副主編，期刊指導(dǎo)委員會委員，、、等期刊的編委等。

The National Key Research and Development Program of China (No.2022YFB2902600), The Beijing Municipal Science and Technology Project (No.Z211100004421017), The Young Elite Scientists Sponsorship Program by China Institute of Communications (No.2021QNRC001)

2023-01-15；

2023-02-11

國家重點研發(fā)計劃項目（No.2022YFB2902600）；北京市新一代信息通信技術(shù)創(chuàng)新項目（No.Z211100004421017）；中國通信學(xué)會青年人才托舉項目（No.2021QNRC001）