6G超低轨卫星网络技术

罗禾佳1,施学良1,陈莹1,孟贤1,赵斐然1,MichaelMayer²,PeterAshwoodSmith²,BilMcCormick²,ArashmidAkhavain²,刘大庆1,温怀林1,汪宇1,王晓鲁1,杨若男1,李榕1,王斌1,王俊1,童文²近年来，人类在先进卫星发射和制造技术方面取得了重大突破，超低轨(VeryLowEarthOrbit,VLEO)巨型卫星通信网络已经成为学界和业界的研究热点。非地面网络(Non-TerrestrialNetwork,NTN)被广泛认为是6G网络的组成部分。本文提出了基于VLEO卫星的6GNTN网络演进愿景，并讨论了相关技术挑战和潜在解决方案。超低轨，巨型星座，6G,非地面网络34|华为研究|2022年9月1引言超低轨道(VeryLowEarthOrbit,VLEO)是指距离地面高度约350公里的轨道，远低于轨道高度为600至120035768公里的地球静止轨道(GeostationaryEarthOrbit,在全球通信生态系统中，卫星通信是5G-Advanced和PartnershipProject,3GPP)[1]已针对卫星与5G新空口(NewRadio,NR)技术一体化开展研究，并将该一体化技术命名为“非地面网络(Non-TerrestrialNetwork,架构、NTN基本问题和相关解决方案，以及12个潜在用例[2-4]。2019年底，基于5G新空口的非地面网络(NewRadioNon-TerrestrialNetwork,NR-NTN)和物联网非oT-NTN)的第一个工作项目(Workltem,WI)在R17获得批准。从R17至R19,再生卫星和透传卫星预计均将支持NR基本特性。R20开始会加入对6GNTN的支持，以及许多其他功能增强和新特性，包括但不限于地面网络(TerrestrialNetwork,TN)与NTN的一体化，以及在5G2驱动因素盖”,演变为3D式的“全球空间覆盖”。非地随着新型高通量卫星(High-ThroughputSatellite,Geostationary-SatelliteOrbit,NGSO)系统的发展，如中轨(MediumEarthOrbit,MEO)系统O3b和广泛提议的LEO和VLEO系统，如Oneweb[5]、Starlink[6]和TeleSat[7],VLEO星座有望大幅节省成本，增强接入能力，降低卫星连接时延。截至2021年12月底，SpaceX的Starlink项目已经发射了1900多颗卫星，SpaceX也凭此成于弥合“数字鸿沟”,2030年以后还将在确保固定和移动用3场景和应用VLEONTN将支持丰富的场景和应用，如图1所示。2022年9月|华为研究|353.1极致覆盖目前，世界上近一半人口分布在没有基础互联网服务的农村和偏远地区。非地面网络可以为地面网络建设成本高昂的地区提供价格合理且质量可靠的网络连接和宽带服务。运营商可以通过卫星、无人机、高海拔平台等非地面网络节点灵活部署非地面网络，通过智能手机、笔记本电脑、固话、电视等各种3.2无网络覆盖地区的移动宽带目前，商业卫星通信系统传输速率低、成本高。卫星移动电话也没有与传统地面蜂窝网络终端实现一体化，接入卫星网络和蜂窝网络需要两部不同的手机。未来，我们有望让卫星与手机直连，为偏远地区提供与蜂窝网络数据速率相近的宽带连3.3移动场景的宽带连接无论乘坐何种交通工具，人们都应该可以随时随地享受到网络服务。以航空交通为例，2019年，条件，即便能上网网速也很慢。我们期望，未来的通信系统能3.4无网络覆盖地区的广域物联网目前，物联网通信主要是通过蜂窝网络实现的。然而，在许多场景下，蜂窝物联网通信无法保证网络连续性。未来，物联网设备应该能够随时随地上网并上报信息。NTN更能满来信息收集的便捷性需求，即使在南北极这种偏远地带和无人3.5高精定位与导航未来，汽车将能够连接到地面网络。但是，对于偏远地区用户来说，地面网络可能无法提供高质量的车联网（Vehicle-to-Everything，V2X）服务。一体化网络将定位精度从米级提升至厘米级，实现高精导航定位，从而满足自动驾驶导航、3.6实时地球观测与保护随着遥感技术的发展和巨型星座的快速部署，未来将实现高分辨率的实时遥感技术。有了该技术，地球观测可延伸到更多场景中，如实时交通调度、民用实时遥感地图、结合高分辨4挑战与解决方案6G时代TN和NTN网络全面一体化的实现以及相应使用场景和应用的开发，还面临一系列严峻的挑战，我们也提出4.1一体化网络架构为了实现单个设备提供统一服务，需要基于TN和NTN构建全新的一体化网络架构。然而，要真正实现网络一体化，·一体化网络一般为3D异构网络，各层覆盖范围和链路质·6G一体化网络支持的业务种类多样，满足不同服务质量（QualityofService，QoS）要求。然而，一体化网络资源必须具备高度的异构性。各业务的可用资源随时间而变化，支持在特定时间段为存量业务动态分配高优先级的·一体化网络要实现全球覆盖，需要随时随地进行可靠控制，也就需要在全球部署大量地面站，网络复杂度和成本且轨道间星间光链路（Inter-SatelliteLink，ISL）通信·以UE为中心的3D无小区通信[11]是一体化网络较为可另一方面，无小区通信采用空间复用技术，可以通过在接收阵列上使用不同的相位梯度来解析来自不同节点（如卫星和地面基站）的波束。因此，通过充分利用整个网络的空天地维度，可以从不同的站点和方向为地面上的任一位地面站和GEO卫星实现，而局部控制由具备ISL能力的MEO卫星和LEOVLEO卫星实现。我们可以利用核心网功能，如用户面功能(UserPlaneFunction,UPF)和接入与移动性管理功能(AccessandM4.2空口技术在的目标区域由4颗卫星(小区)提供服务，在图中，其覆盖2022年9月|华为研究|37拓扑分别以红、绿、蓝、黑四种颜色标识。每个卫星最多可同时用8个波束(即图中所有候选波束位置中加粗显示的波束)为UE提供服务。在LEOVLEO系统中，由于卫星的高移动性，以及UE业务量需求的变化，不同调度时刻的候选波束和图5对一段时间内不同调度算法的平均吞吐量进行了模拟。相比基线方案所使用的轮询调度，跳波束算法提供的吞吐能更好地匹配UE所需容量，对于业务量需求较高的UE来说更是如此。多星协同传输是另一种实现按需覆盖的方式。这项技术需要用户同时收发来自多颗卫星的信号。未来LEO/VLEO超大图6所示的多星协同传输中用户同时接收来自多颗卫星的信号，或多颗卫星同时接收来同一用户的信号。由于一颗卫星只对少量覆盖区域提供服务，而且在未来巨型星座中给定区域同时可见大量卫星，协同传输可以显著提升峰值容量密度，如表1所示。多星协同传输技术也能缓解单个用户或单个卫星的图6多星协同传输卫星覆盖面积(km²)约2000000波束覆盖面积(km²)约1000平均容量密度(Mbit/s/km²)约3.6约7200由于链路预算不足和波束间的同频干扰，现有卫星通信的频谱效率远低于地面网络。卫星通信通常采用多色频率复用来缓解同频干扰问题，导致系统频谱效率较低。而地面通信广泛运用的预编码技术可有效降低同频干扰[16]。如图7所示，多38|华为研究|2022年9月图7多波束预编码基于全信道反馈的卫星多波束预编码由于传输时延长，会带来很大的反馈时延，在卫星通信中并非优选方案。卫星通信主要是视线(LineofSight)传输，因此可以根据大尺度信道来计算多波束预编码矩阵，大尺度信道近似由UE和卫星之间的相对位置来决定。基于位置的多波束预编码的性能如图8所示。由图可见，在卫星服务期间，与未采用预编码(蓝色柱形)4.3动态拓扑和路由算法VLEO星座通信的端到端时延预计将低于地面互联网。例如，图9显示了北京和纽约之间基于ISL的最短路由路径，并比较了基于ISL的路由与典型互联网路由之间的Ping往返时间(RoundTripTime,RTT)。典型互联网路由的PingRTT约为250毫秒，而基于ISL的路由时延在整个卫星运行过程中可低至约100毫秒。2022年9月|华为研究|39ShortestPathFirst,OSPF)区域或中间系统到中间系统 Orthodrome路由(OrthodromicRoISL网格中存在较大孔洞时),极大提升了可扩展性。由于点图10Orthodrome的示意图40|华为研究|2022年9月基于上述概念，定义OR系列算法为OR(r),其中r(1)实现简单的地理路由(转发数据到最近的相邻节点)。在OR(r)在r值相对较小和10%~20%的链路失效率场景下可通过仿真，我们将OR(r)-PWSPF和基础OR(r)较。理想Djkstra算法代表给定星座的上限。图11显示同算法的路径长度(即成本)的累积分布函数(Cumulative线代表OR(20),黄线代表OR(20)-PWSPF。我们在距均在0.25%内。路由成本CDF-链路失效概率=30100图11在30%链路失效率情况下OR(20)接更加灵活和自由(如跨层连接),从而扩展LEONLEO星4.4强大的星上处理能力线来对抗星地通信的路径损耗。假设卫星轨道高度为300公线增益一般为45dBi,等效各向同性辐射功率(EquivalentIsotropicallyRadiatedPower,EIRP)可达到50dBW,型直径为0.5米，最大增益为34dBi,G/T值为8.5dB。近似计算结果显示，400MHz带宽时，下行信噪比(Signal-2022年9月|华为研究|41前瞻这些波束。数字波束赋型(DigitalBeamForming,DBF)射频通道将扩大到4000多个。射频器件和天线直径(米)4.6干扰规避与共存4.5低成本