LEO大型星座中的5G技术集成
作者/Alessandro Guidotti1，alessandro Vanelli-coralli1，oltjon Kodheli1， Giulio Colavolpe2，tommaso Foggi2
翻译/郭 威3 （1.意大利博洛尼亚大学电学、电子学和信息工程学系，博洛尼亚（Bologna）；2.意大利帕尔马大学信息工程学系，帕尔马；3.德国诺达卫星通信系统（北京）有限公司，北京 100016）
摘要：3GPP正在完成5G新无线电物理层的第一版发布（译注1）。为了能够应对5G在全球连通和大吞吐量上日益增长的需求，卫星通信或许是一种能够扩展和补充地面网络的宝贵资源。有鉴于此，我们针对基于5G的LEO（低地球轨道）大型星座提出一个集成化的架构，并对大多普勒频移和长传输时延对5G波形和PHY/MAC（译注2）层进程造成的影响进行评估。关键词：5G；LEO；卫星通信d o I：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.02.010
中图分类号：TN927+.2，TN929.53 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2019）02-0037-04
1 引言
由于卫星通信（Satcom ）系统具有天然的大范围覆盖优势，所以不仅是在农村地区和有紧急事件发生的情况下，而且在人口密集的业务超载地区，都能够为地面网络的补充和延伸提供宝贵
的和经济高效的解决方案。在这种情况下，把LTE （长期演进）与拥有成百上千颗卫星的LEO大型星座系统相互集成，便越来越引起人们的关注（参考文献[1]-[9]），并已于若干近期的商用尝试中进行
了演示。此外，3GPP无线接入网络（RAN ）的活动
也正在进入关键阶段，针对5G系统的第一部物理层（PHY）标准几近完成，这就为明确地制定一个完善的“卫星－地面总体架构”提供了一个独特的机
会。尤其如参考文献[8]-[9]中所述，3GPP已经开始了有关非地面网络的活动，这在RAN （无线接入网）的活动中是一个新的研究项目。
本文首先介绍了一个把5G技术及进程与一个LEO大型星座卫星通信系统相集成的候选架构，然后对大多普勒频移和长传输时延等典型的卫星信道缺点及其危害进行若干描述，最后集中讨论具有严格定时要求特征的波形和PHY/MAC层进程，以及相关的技术挑战。
2 系统架构和问题陈述
在这里，我们考虑的是一个LEO大型星座系统
为若干具有卫通能力的地面网络设施提供回传连
接。在这一系统中（见图1），表示为NR（新无线电）的地面5G终端（UE ）在每个地面蜂窝中均通过地
面的5G链路与具有卫通能力的设施相连。LEO大
型星座中的卫星均假设为透明式的卫星，而关口站则通过一条理想的馈线链路与卫星相连，并提供到
5G核心网络（CN）的接入。需要指出的是，除了透明式卫星，3GPP的RAN（无线接入网络）会务也在讨论再生式卫星（译注3）的使用（参考文献[8]）。不
过，除非特别声明，后文均仅指透明式卫星。最后，
鉴于时分双工（TDD）因时延长而不可用，所以本文中的帧结构均假设为频分双工（FDD）。
我们假设具有卫通能力的网络设施叫作RN
（中继节点），即低功率基站（通过卫星）被连接到
某一Dgnb（donor GNB），其中GNB为LTE ENB的5G演进。
在这一架构中涉及到了SAT-GRN接口。尽管RN
在LTE中已有定义（参考文献[10]），但在未来的5G
架构中却还没有。不过现已商定，在未来的版本中还会有RN （参考文献[11]）。所以在后面的讨论中，
我们就把5G中的RN假设为GRN ，遵从LTE标准中
的相同原理。在这种特定的情况下， GRN和LEO卫星之间的空中接口，与传统的NR和GNB之间的接口，被认为是一致的。GRN在第三层（L3）上对无线电协议进行处理。据此观察：在NR看来，GRN就是个GNB；而在对应的DGNB看来，GRN就是个NR。
在我们所讨论的系统架构中，假设DGNB被设置在系统关口站，并与5G的核心网络（CN ）互通。
需要强调的是，每个GRN都创建了一个标准的地面的5G蜂窝，供NR均过标准的NR空中接口连接进来，即地面接入链路在我们所讨论的系统中无需进行任何修改。如此一来，对于长传输时延和大多普
勒频移所造成的影响，将主要针对grn-sat空口进行研究。
2.1 传输时延
在参考文献[8]中讨论了一种只部署了一颗卫星
的非地面网络场景。为了计算GRN-SAT-GW单向链
路的传输时延，我们假设采用类似的场景，并考虑
Leo卫星的海拔高度为h=1500km。当仰角为90º时，LEO卫星和GRN之间的距离最短，而最长的距离则还需视仰角而定。我们特意假设了grn-sat仰角θgrn=10º和Gw-sat仰角θ GW=5º时的场景。在这
种最差情况的场景中得出的单向传输时延为（参考
文献[8]）： Tprop-1way=tgrn-sat+tsat-gw=12.158+13.672= 25.83ms （1）
而双向传输时延则为此值的两倍：
Tprop-2way=2tprop-1way=51.66ms （2）从后面的讨论中可以看到，这一数值显著大
于4G和5G的PHY/MAC进程所允许的最大定时要求，因而必须对其影响进行适当的评估，以便了解
是否还能采用同样的5G技术和算法，或者是否需要在这种场景下适当地进行一些修改。
这里特别有一点是毋庸置疑的，那就是相对于
在公式（1）和（2）中所显示的卫星链路上的长传输时延，处理时延是可以不必考虑的。因为我们可以
假设处理时延等同于LTE网络中的处理时延，而其
典型值只有1~2ms，所以可以忽略不计。
这里必须强调的是，这里计算是最差情况下的
场景，即UE和GW的仰角都非常低（参考文献[8]）。而当我们部署一个LEO大型星座时，由于可用的卫星的数量非常巨大，提供服务的卫星不大可能是那颗几乎位于地平线上的卫星。正如在参考文献[1]和[2]中所讨论的那样，提供服务的卫星与GRN之间的
最低仰角大概在45º左右。所以在任何情况下，本文中所报告的分析都总是适用的，提供的都是场景为最差情况时的结果。
2.2 多普勒
在5G的需求中，当频率低于6GHZ时，目标用户的移动速度被设定在500km/h。在能够保证nr所预定的QOS的条件下，相对于提供服务的GNR，这一速度也被定义为最高的NR速度。如果考虑载波频率为4GHZ，则很容易得出最大的多普勒频移是1.9khz。
而当我们考虑grn-sat链路时，多普勒频移完全是由卫星在其轨道上的运动造成的。尤其
当我们假设h=1500km，下行和上行频率分别为20GHZ和30GHZ的一个KA频段系统时，可以得出vsat=7.1171km/s，而最大的多普勒频移范围则在400khz 从中能够注意到，这些数值远远高于在地面 5G链路中可以预见的最大的多普勒频移，所以就有可能显著影响NR的波形。 3 技术挑战和解决方案 3.1 波形 3GPP已经约定，至少针对增强型移动宽带（ EMBB ）业务，以及超可靠和低时延通信 （URLLC）业务，通过借助于一种灵活可扩的数字学原理，在上行链路和下行链路的传输上会依靠 CP-OFDM技术。但应该指出的是，在上行链路中仍可使用传统的LTE SC-FDMA波形。在3GPP技术规范的报告中，子载波间隔（SCS）被定义为LTE传统间隔的整数倍，即SCS = 15•2nkhz，其中n为非负的整数。 通过在前面对我们所考虑的场景及其计算可 以看出，GRN要经受的多普勒频移明显高于预知的NR波形的子载波间隔（SCS），所以需要采取一些适当的措施。 首先，在GRN中可以配备GNSS接收机以对卫 星的位置进行估算，这样多普勒频移就可以在系统关口站预先得到补偿。由于在关口站上，这样的信息以及卫星的轨道信息均可获得，所以对多普勒频 移就能够预先在很大的程度上进行补偿。从图2中可以看出，grn和卫星之间的距离|d(t)|和仰角θ(t)， 都是能够通过简单的几何分析计算得出的（参考文 献[1]-[2]）。 如果GRN对卫星位置的估算产生了偏差，从而导致错误的仰角θ(t)和错误的卫星距离|de(t)|时，就会出现多普勒频移残余，其数值应被限制在NR的子载波间隔（SCS）所能应付得了的最大的多普勒频移之内，这在SCS=480KHZ时大约为30.4KHZ。 在图2的基础上，通过几何分析，多普勒频移残 余可以被计算为估算误差和卫星仰角的函数。借助 参考文献[1]-[2]中所建议的方法，可以得到如图3中所 示的不同仰角下的多普勒频移。必须指出的是，最 大的多普勒频移残余出现在90º时的仰角，而在仰 角最低的时候，多普勒频移残余则可以忽略不计。 至于在PHY/MAC层面的进程，3GPP的活动 仍在进行当中。虽然一些详细的参数描述还有待完成，但这些进程的主要特征均已得到了定义。为了 分析长RTT和大多普勒频移对这些进程的影响，在NR参数尚未定义的情况下，将考虑采用来自于LTE 标准中的数据。 3.2 随机访问 3GPP对NR的RA进程进行了定义，该进程与 LTE中的进程是相似的，即要么基于竞争方式，要 么基于无竞争方式。至于采取何种方式，则需根据当前操作是正在进行简单交接，还是正在首次接入 5G网络。鉴于无竞争方式与基于竞争方式的前两 个步骤相对应，所以这里集中讨论基于竞争方式的进程。 可以注意到这里有两个不同的定时器（参考文 献[1]-[2]，[12]）：在步骤二中的随机访问响应（RAR） 时间窗口，最大可设置到15ms；以及步骤四中的竞争分辨定时器，最大可设置到64ms。前文中曾对双向传输时延Tprop-2way进行计算，并得出其最大值在所我们考虑的系统里等于51ms。竞争分辨定时器大于此值，所以不存在问题；但RAR时间窗口却是 低于所期望的通信时延的。 一方面，一种可能的解决方案就是把RAR定时器增大，使其最大值大于51ms的时延。另一方面， RA进程其实仅出现在GRN启动期，即仅于GRN着入过程的第一阶段才在grn-sat的空口上起作用。 一旦GRN被连接到了DGNB，就成为了一个固定的网元，也就不再需要RA进程了。由于卫星轨道和 GRN的位置通过观察都是可知的，因而可以部署一个自组网（Ad Hoc Network），通过在grn启动期 执行自组网调度程序来克服这一技术障碍。 3.3 HARQ（译注4） 根据3GPP的预测，5G系统中的HARQ协议将 基于LTE停等式（SAW）的并行HARQ处理。并行 HARQ处理的最小数量的定义是HARQ处理时间（THARQ ）与传输时间间隔（TTI）的比值，即THARQ/ TTI，其中THARQ为“ACK时间窗口+传输时延”。 经协商， NR应该支持多HARQ配置以增强系 统的灵活性，而在LTE中却只允许有一个配置，且该配置仅容许8个并行HARQ处理。 在前文中我们所考虑的场景中，影响THARQ最关键的参数是51MS传输时延。如果假设在LTE中，TTI为1ms，ack接收时间窗口为8ms，我们能够得出并行HARQ处理的最小数量为N HARG=(51+8)/1=59。 如此大量的并行处理，一方面会影响NR软缓存的大小，因为软缓存的大小是正比于“NHARQ•TTI”的；另一方面还会影响下行链路控制信息（DCI）域的比特宽度（在LTE中因为并行HARQ处理的数量为8，所以DCI域仅有3个比特）。 为了解决上述问题，可以设想有如下几种方案： 一是增大缓存的容量，以支持数量巨大的HARQ处理。二是通过使用2比特ACK应答（参考文献[13]），保持对缓存容量进行控制，增加HARQ处理的数量以通知发送端“收到的包和原始发出的包有多接近”。这样，由于发送端能够根据反馈信息增加冗余 比特，所以重传的数量就会减少。三是减少HARQ处理的数量并减小缓存的容量，当然这样也就会降 低系统的吞吐量；不采用HARQ协议，针对碰撞、不可解码分组等有关问题，寻找其他解决方案。 4 结束语 本文在最新的3GPP技术规范的基础上，介绍 了一种5G技术和LEO大型星座相集成的可能架构，重点研究了与5G波形和PHY/MAC进程有关的 主要技术挑战。多普勒频移对于波形的影响可以通过精确的GNSS接收机予以补偿，当然也可以考虑加大NR可用的子载波间隔。长传输时延对RA进程的影响，则既可以通过部署自组网，在GRN启动期予以限制，也可以通过增大RAR定时器予以限制。文中最后推导出在前文中所考虑的场景里，至少需要进行59个HARQ并行处理，这会明显增加NR的缓存容量和DCI域的负担。而有一些解决方案则可以用来保持HARQ处理的数量和缓存容量， 使其处于控制之中。 需要指出的是，本文考虑的是透明式卫星，如 果卫星是再生式的（译注3），则需要进行不同的分 析。尤其在再生式卫星的情况下，双向传输时延只 包括grn-sat链路，因而我们可以得出其时延值为Tprop-2way=24.32ms（参考文献[8]），是透明式卫星情 况的一半。■ 参考文献 [1] A. Guidotti et al., “Satellite-enabled LTE Systems in LEO Constellations,” in IEEE ICC Workshop on Satellite Communications Challenges and Integration in the 5G ecosystem, May 2017. [2] O. Kodheli, A. Guidotti, A. Vanelli-coralli, “Integration of Satellites in 5G through LEO Constellations,” accepted to IEEE Glob. Comm. Conf. (GLOBECOM), 2017. [3] 3GPP TR 38.913 V14.2.0, “Study on Scenarios and Requirements for Next Generation Access Technologies,” Mar. 2017. [4] H2020-ICT-2014-1 Project VITAL, D2.3, “System Architecture: Final Report,” Jun. 2016. [5] F. Bastia et al., “LTE Adaptation for Mobile Broadband Satellite Networks,” EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, Nov. 2009. [6] G. Araniti, M. Condoluci, and A. Petrolino, “Efficient Resource Allocation for Multicast Transmissions in Satellite-lte Network,” in IEEE Glob. Comm. Conf. (GLOBECOM), Dec. 2013. [7] M. Amadeo, et al., “A Satellite-lte net- work with delay-tolerant capabilities: design and performance evaluation,” in IEEE Vehic. Tech. Conf. (VTC Fall), Sept. 2011. [8] 3GPP RP-171578, “Propagation delay and Doppler in Non-terrestrial Networks,” Sep. 2017. [9] 3GPP RP-171453 TR 38.811 V0.1.0, “Study on New Radio (NR) to support Non Terrestrial Networks (Release 15),” Jun. 2016. [10] 3GPP TR 36.806 V9.0.0, “Relay architectures for E-UTRA (Lteadvanced),” Mar. 2010. [11] 3GPP TR 38.801 V14.0.0, “Study on new radio access technology: Radio access architecture and interfaces,” Mar. 2017. [12] ETSI TS 136 331 V13.4.0, “Radio Resource Control (RCC); Protocol Specification,” Jan. 2017. [13] 3GPP R1-1704463, “Considerations on CB grouping for multiple HARQ ACK/NACK bits per TB,” 3GPP TSG Ran1#88bis, Apr. 2017. 译注： 1. 本文作于数月以前。由于地面4G和5G网络技术在不断发展，有些领 域在这期间已经出现了的新突破。尽管如此，考虑到卫星通信部分的发展相对滞后，所以针对空间段卫星通信链路部分的讨论仍然是适用的，并十分值得借鉴的。 2. PHY/MAC：物理层和媒体访问控制层。3. 再生式卫星：指具有一定星上处理功能，如分组交换、IP路由、网状 网等功能的卫星及网络。 4. HARQ：混合自动重传请求。