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【卫星+5G】卫星通讯与地面5G融合手艺初探（三）
2019-12-25 / 阅读次数：2520
转自 | 卫星与网络
作者 | 汪春霆 李宁 翟立君 卢宁宁
6、卫星5G融合的要害手艺
为了实现卫星通讯与地面5G移动通讯的有用融合，应对由于卫星高动态、大空间标准、卫星功率及载荷受限等一系列挑战，需要在传输、频率治理及组网方面突破一系列要害手艺。
6.1大多普勒频移下的多载波传输手艺
在3GPP关于NTN的设想中，建议星地接纳相似的多载波传输手艺，而大多普勒频移是制约5G传输体制在卫星系统中应用的主要因素，尤其是在非静止轨道的卫星移动通讯系统中，由于卫星运动引起的多普勒频移与卫星轨道高度、轨道类型、地球站纬度和在卫星笼罩区的位置具有一定的关系。外地球站看到卫星从地平面升起或消逝时有最大的多普勒频移；当卫星移动到仰角90度位置时，多普勒频移为零，但转变率抵达最大。
5G系统的基本传输体制仍为OFDM，OFDM和DFT-S-OFDM系统对频率偏移均很是敏感，很小的频率偏移都可能破损子载波间的正交性，从而爆发载波间滋扰（ICI）并造成系统性能的严重下降[1]。一样平常来说，接纳了频率同步算法后，要求归一化剩余频偏不凌驾子载波带宽的5%。
由于归一化剩余频偏的巨细是相关于子载波的带宽而言，接纳可变子载波带宽的设计计划可有用对抗剩余频偏对系统性能的影响。关于L频段来说，由于可用频带较窄，且需要支持码率低至2.4Kbps的话音营业，应接纳15KHz或者更窄的子载波设计。其次，L频段要求较小的可用仰角（例如铱星系统设计最小仰角低至10°），在L频段的形成的最大多普勒远大于15KHz，因此只使用常见的载波同步算法不可解决这种场景下的多普勒问题。在Ka频段，由于用户往往是宽带上网，可以接纳较大的子载波宽度，且最小仰角较大（OneWeb系统要求为55°），有利于对抗多普勒效应。若是设计凌驾2.4MHz的子载波，则30GHz载频、800Km轨道卫星运动造成的多普勒可以小于载频的5%。5G现在设计的最大子载波宽度仅为480KHz，更大的子载波设置对信道、编码的适配提出了新的要求。
接纳星历举行预先赔偿是另一个可行步伐。卫星星历是一组形貌卫星运动轨道某一时刻的轨道根数及其转变率的参数集。凭证卫星星历可以盘算出任一时刻的卫星位置及其速率星历可以使用广播控制信道BCCH发送到终端，终端可以使用该信息举行预先赔偿。可是低轨道卫星的也保存轨道位置坚持问题，其一样平常可控制在1°以内。系统设计中必需使用上述多种计划来综合解解决该问题。
6.2 面向卫星物联网的短突发传输手艺
物联网是5G系统的典范应用场景之一，在基于卫星通讯的物联网系统中，系统带宽需求和限制应比地面IoT接入系统带宽更窄，以4G衍生的NB-IoT标准模式为参考，其基本带宽为200KHz，与5G刚刚确定的NR标准规范[2]的最小带宽颗粒度一致（即12个子载波）；而时域上5G的NR标准也维持了0.5ms/1ms的时隙RBE资源颗粒度规模。但从卫星接入来看，由于受限功率约束、极长的传输时延特征更为显着，因此可以举行适配卫星的顺应性刷新，主要偏向包括：降低频域RBE颗粒度，将其空中接口最小资源颗粒度降低为约莫60KHz（4个子载波）或者更小，形成更窄带的广域接入；构建无邪的、可设置、可拉伸的短 突发信号波形，使得在长时延卫星信道下提高接入、捕获乐成概率。同时，为对抗卫星传输的远距离空间撒播消耗和星上载荷功放能力限制，卫星物联网还必需在短突发包长基础上实现相对地面更低信噪比的吸收处置惩罚能力。文献[3][4]研究了基于LDPC码的极低信噪比吸收问题。最后，卫星通讯系统作为典范的功率受限系统，尤其通讯链路性能因空间段功放能力受限而经常被非线性因素严重影响，从而导致通讯链路处于典范的非高斯、甚至非平稳噪声/滋扰撒播情形中。怎样对非高斯噪声举行有用学习和预计，优异适配卫星功放非线性约束下传输链路的高质量吸收实现也是需要解决的问题。
6.3面向长延时的HARQ优化手艺
如前文所述，卫星通讯RTT长度通常凌驾了HARQ最大准时器长度，怎样在卫星系统中将其与功率控制、FEC以及交织计划相团结是研究的一个热门问题[5][6]。
卫星移动通讯质量依赖于直射信号(Line Of Sight,LOS)保存。凭证LOS信号的有无，可以将移动信道建设为包括“Good”和“Bad”两个状态Markov模子。由于卫星信道固有的长延时，因此岂论是功率控制手艺照旧自顺应编码传输手艺都无法快速、准确跟踪遮挡带来的信道状的转变，处于“Bad”状态下的链路上不可阻止地将爆发了突发误码。文献[6]研究了怎样使用HARQ和交织手艺解决突发误码条件下的TCP协议传输问题，效果批注长延时条件下若是仅纯粹接纳交织和FEC编码手艺，则必需设置足够长的交织深度以及较低的编码码率。反之，若是能够团结HARQ机制举行团结优化，则仍然可以取得较好的性能。这里可以参考ITU宣布文献[8]提出的两状态Markov模子对差别频段条件下的交织深度举行设计。凭证该标准，每个状态的一连时间为对数正漫衍，该结论笼罩率20GHz载频设置。文献[8]给出了模子的详细参数，例如每个状态的平均一连时间。
别的，地面系统中，HARQ需要知足以下条件：
其中，NHARQ,min是HARQ最小的历程数，TTI是TB的传输时间，THARD是从发送TB到收到ACK/NACK的总时间。由于卫星通讯较大的RTT，增添并行HARQ的历程数也是须要的。
6.4波束（小区）笼罩及切换手艺
卫星使用多波束天线在地面形成蜂窝状笼罩，一个波束对应一个小区。波束在地面的笼罩区有两种形式：卫星牢靠笼罩与地面牢靠笼罩，两种笼罩对应的切换方法划分为异步切换与同步切换，其特点如下表所示。同步切换由于对星上可变多波束形成能力、笼罩区妄想要求较高，因此建议系统接纳卫星牢靠波束笼罩形式。但这将导致终端频仍的在卫星波束间和卫星间切换，为周游带来了挑战。
表3 LEO卫星差别波束笼罩方法的优弱点[9]
一种较为利与实现的要领是使用星历对卫星轨道举行预计，从而提前预知需要切换的波束或者卫星，从而预分派信道资源来加速切换历程。在低轨道星座通讯场景中，怎样选择下一颗卫星需要综合思量空间路由和待选卫星的可一连笼罩时间，接纳如“最短路径优先”、“最长笼罩时间”等差别的战略[10]。
6.5星地融合的频率治理手艺
频率资源是制约卫星与地面5G融合的要害性因素，为了缓解频率资源主要的问题，可以思量针对高频段接纳地面5G网络和卫星网络的频率复用。在通过合理的举行频谱妄想、辅助基站设置，可实现卫星和地面两种相对自力的网络之间频谱共享，从而显著提高系统容量。
频率资源的高效使用需要通过星地协同妄想实现优化设置。例如，在L、S等低频段，星地可以接纳差别载频，由地面基站效劳小区中心用户，由卫星为小区边沿用户提供效劳（图12(a)），此计划可以同时提高地面蜂窝网的频率复用效率；在Ku、Ka等高频段，由于天线波束角较窄，可以使用波束的自然空间支解降低系统间滋扰（图12(b)）。
图12 星地频率协同妄想
除了频率复用手艺以外，接纳协同频谱感知手艺可以有用地实现频谱共享，让多个用户使用统一频段举行通讯，提高频段的用户容量，提高频谱使用效率。与地面无线通讯网络相比，卫星通讯笼罩规模的广域性使得认知用户对所处网络情形中所有频谱举行检测的难度大大增添，频谱数据库的快速更新、认知区域形貌、准确的频谱感知与波束形成都是这一手艺的研究重点。
6.6面向卫星5G融合的焦点网手艺
为了实现与地面5G的高效、可靠的融合，将卫星焦点网的控制功效和转发功效实现疏散，转发功效进一步简化下沉，将营业存储和盘算能力从网络中心下移到网络边沿，以支持高流量的传输要求和无邪平衡的流量负载调理。借助虚拟化、SDN/NFV、高性能存储和信息处置惩罚等手艺，实现天地融合网络的营业控制、资源分派、用户治理和清静管控，从而支持大容量、高速率和高可靠的种种营业，高效知足种种营业的多种差别化需求。
卫星通讯系统焦点网接纳与地面5G焦点网相同的架构，整个焦点网分为控制平面和用户平面，位于控制平面内的网络功效通过基于效劳的接口提供效劳功效，其他的网络功效可以重用某一网络功效的效劳功效。网络功效可以为差别的用户提供差别的效劳功效，网络功效提供的效劳是相互自力的，可重用的。
在3GPP提供基本效劳功效的9个网络功效（NF）之外，为了支持与地面的融合，需要在5G卫星焦点网的用户平面上，需要增添的两个网络功效包括[10]（图13）：
图13 卫星与地面5G融合的焦点网网络架构
1）非3GPP互联功效(N3IWF)：支持和UE之间的IP清静加密链路的建设，转发UE和AMF之间的上下行控制平面的NAS信号，转发UE和UPF之间的上下行的用户平面的包，执行QoS相对应的N3的分组标记，非3GPP接入网中外地移动锚的功效；
2）用户平面功效（UPF）：支持分组路由和转发，包检查，战略规则执行，用户平面的OoS处置惩罚，下行链路包缓冲和下行数据通知触发的功效。
卫星接入网与焦点网之间接口实现种种营业承载的建设、坚持、修改和删除等功效，是实现用户和网络系统之间的营业毗连的接口，关于管道类营业和移动通讯类营业两种差别的营业，其焦点网接口设计也有所差别。
1）基于管道类营业。在此网络架构中，卫星通过Y1接口直接与用户相连，卫星只具有中继转发的功效。卫星通过Y2接口接入焦点网中用户平面的非3GPP互联功效(N3IWF)，再通过N3IWF与焦点网中的其他功效�？榕�，以实现5G卫星通讯所提供的效劳。
2）移动通讯类营业。在此架构中，卫星通过地面的中继站与用户相连，地面中继站通过Y1口毗连用户；在焦点网一侧通过Y2接口接入N3IWF，再与焦点网中的其他功效�？榕�。
参考文献
[1]孙骏亚.OFDM移动通讯系统中多普勒频移预计研究[M].西安电子科技大学,硕士论文，2016。
[2]3GPP.NR; Physical layer; General description(Release 15),3GPP, TS 38.201.2018.
[3]包建荣，詹亚锋，殷柳国.低SNR下基于LDPC译码的迭代SNR预计[J].通讯手艺2010, 43(1)：3-6.
[4]张高远.极低信噪比下的相位过失及其接纳LDPC码的过失控制[M].电子科技大学，2015博士论文
[5]Papaleo M,Neri M, Vanelli-Coralli A. Using LTE in 4G satellite communications: Increasing time diversity through forced retransmission [C].10th International Workshop on Signal Processing for Space Communications, 2008:1-4.
[6]Awoseyila A B, Evans B G. Improved time diversity for LTE over satellite using split multicode transmission [J].
[7]Jing Z, Roy S. Performance of land mobile satellite communication (LMSC) channel with hybrid FEC/ARQ[C]. IEEE Global Telecommunications Conference, 2001: 2851-2854.
[8]Recommendation ITU-R P.681-10(12/2017)， Propagation data required for the design of Earth-space land mobile telecommunication systems.
[9]晏坚.低轨卫星星座网络IP路由手艺研究[M].清华大学，博士论文，2010.
[10]李庆，朱立东，吴诗其.低轨卫星通讯系统中快速终端的切换手艺[J].通讯学报,2006 , 27 (5) :120-125
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