基于5G技术的低轨卫星物联网技术

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　　【摘  要】基于5G技术的低轨卫星物联网融合了地面5G技术灵活有效与低轨卫星网络广域覆盖的优势，是实现全球海量物联终端广域连续性泛在接入的必然选择。针对地面5G技术与低轨卫星物联网的融合，对低轨卫星物联网的组成和演进进行了全面概述，论述了技术体制的发展方向;针对低轨卫星物联网信道特性，对多普勒频移补偿技术、低轨卫星长时延信道补偿、卫星物联网随机接入等保证传输时效性和可靠性必须要解决的关键技术进行了适应性分析和设计，为未来低轨卫星物联网的发展提供支撑。
　　【关键词】低轨卫星物联网;5G技术;NOMA;免调度传输
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.03.003        中图分类号：TN929.5
　　文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）03-0014-08
　　引用格式：魏肖，成俊峰，王静贤，等. 基于5G技术的低轨卫星物联网技术[J]. 移动通信， 2020，44（3）： 14-21.
　　Research on Low-Orbit Satellite IoT Based on 5G Technology
　　WEI Xiao， CHENG Junfeng， WANG Jingxian， CUI Siqian， ZHANG Jing
　　（China Academic of Electronics and Information Technology， Beijing 100041， China）
　　[Abstract] The 5G-based low-orbit satellite Internet of things （IoT） integrates the advantages of flexibility and effectiveness of terrestrial 5G technology and wide-area coverage of low-orbit satellite network， which is an inevitable choice to realize wide area continuous access for global large devices. Aiming at the fusion of terrestrial 5G technology and low-orbit satellite IoT， this paper gives a comprehensive overview of the composition and evolution of low-orbit satellite IoT， and discusses the development direction of technical systems. In view of the channel characteristics of low-orbit satellite IoT， this paper gives adaptive analysis and design of doppler frequency shift compensation technology， long delay channel compensation of low-orbit satellite， random access of satellite IoT and other key technologies that must be solved to ensure the timeliness and reliability of transmission. This paper provides support for the development of low-orbit satellite IoT in the future.
　　[Key words]low-orbit satellite IoT; 5G technology; NOMA; grant-free transmission
　　0   引言
　　近年来，物联网在金融服务、智能家具和交通、远程医疗、遥感勘测等各行各业的应用快速增长，它已经作为一种改变人们生活方式的网络无处不在[1]，因此，NB-IoT、eMTC、LoRa、Sigfox等地面物联网技术也得到了学术界和工业界的广泛研究。这些技术在低功耗、低成本、强覆盖和大容量等性能方面具有一定的优势，然而，由于基站建设受地理环境的影响，地面网络无法在沙漠、海洋、拥挤的城市等特殊环境下实现全面覆盖;另一方面，远洋物流等大量国际业务的发展，对物联网的连续覆盖范围和容量等提出了更高的需求，加剧了地面物联网能力受限与不断增长的业务需求之间的矛盾。
　　低轨卫星星座通信系统作为地面通信系统的延伸与补充，具有全球覆盖（含两极地区）、随遇接入、容量大等特点，可以有效解决地面通信系统的不足。因此，低轨卫星物联网应运而生并受到学术界和工业务的广泛关注和研究[2-4]。然而，卫星通信的远距离特性导致卫星信道存在大多普勒、长时延和高动态的特征，低轨卫星物联网面临时延大、可靠性低等难题。值得关注的是，第五代移动通信技术（5G）可显著增强通信系统的灵活性与有效性[5]，融合5G技术的低轨卫星物联网具有更广的覆盖、更低的时延和更大的容量，可以实现智能的连通环境，为海量物联终端提供从任何地方实现广域连续性泛在接入的服务[6-9]。
　　本文研究基于5G技术的低轨卫星物聯网架构与关键技术，对低轨卫星物联网的组成和演进进行了全面概述，论述了技术体制的发展方向，并针对低轨卫星物联网信道特性，基于5G技术，对多普勒频移补偿技术、低轨卫星长时延信道补偿设计、卫星物联网随机接入等保证传输时效性和可靠性必须要解决的关键技术进行了适应性分析和设计。 　　1     低轨卫星互联网系统组成
　　1.1   低轨卫星物联网系统架构设计
　　一种基于5G移动通信技术体制的低轨卫星物联网系统架构如图1所示，整个系统分为空间段、地面段和用户段三个组成部分，系统基础平台采用软件定义资源虚拟化架构，在空间段和地面段灵活部署功能网元，满足不同业务的需求。
　　空间段部署基于5G NR空口体制的星载基站（Sat-gNB， Satellite-generation NodeB），具有完整的基站物理层与协议层信号处理，可实现同一或不同波束下的物联终端接入和数据采集。考虑到卫星物联网的特点，低轨卫星载荷不仅支持gNB基站功能，还将部署定制的轻量化核心网功能，主要包括接入与移动性管理功能（AMF， Access and Mobility Management Function）、会话管理功能（SMF， Session Management Function）和数据面用户平面功能（UPF， User Plane Function）等定制化功能，以及用于海量物联数据存储和预处理的星载边缘计算功能。每颗卫星既可构成独立的服务网络服务终端，也可以作为接入网节点连接其他卫星/地面核心网，当低轨卫星在海洋或偏远地区上空没有馈电链路连接地面信关站时，单个卫星可自成系统完成对地面物联终端或其他终端的接入服务，这样的设计充分考虑了卫星物联网的业务特点，不仅可减少接入控制平面的时延，而且可降低对星间链路的需求，甚至可不依赖复杂的星间链路和路由设备实现物联终端的接入和数据采集、存储处理，适合低成本的微小卫星平台进行部署。
　　地面段：与卫星系统对应，地面段完成馈电链路的收发处理，以及类似于地面移动通信网络中的AMF、SMF、UPF，卫星与与地面核心网采用NG接口。可以将卫星采集存储的海量物联数据通过数据面功能网元UPF路由到地面物联数据服务中心，实现与地面物联网在数据业务服务层面上的融合。地面可视化智能网络管理平台，用于管控天基物联网的网络拓扑结构。
　　用户段：用户终端为传感器等多种形态物联网终端，主要完成用户应用数据的采集和编码调制等发送处理，以及基站下发数据的解调解码等。物联终端可采用兼容NB-IoT的Sat NB-IoT技术体制设计，支持同时接入卫星网络和地面网络，当同时存在星地接入条件时，地面通信系统的陆地蜂窝网络将作为业务网络的入口;当没有地面接入设施时，物联网终端可直接接入星載Sat-gNB或者通过簇头节点汇聚后接入星载Sat-gNB。
　　1.2  低轨卫星物联网系统架构设计
　　（1）3GPP物联网标准的演进
　　先阶段低功耗广域覆盖（LPWA， Low Power Wide Area）网络建设从高峰期回到了稳定期，伴随工业物联网和5G部署，LWPA业务发展迎来新高峰。目前主流的物联网技术体制主要包括LoRa、NB-IoT、eMTC等，如图2所示，关于物联网技术体制标准的演进，根据3GPP自评估结果和中国独立评估的结果可知，基于NB-IoT技术体制演进，可满足ITU mMTC的要求，大概率可以成为5G LPWA技术体制。2019年7月，ITU-R WP5D#32会议上，NB-IoT/eMTC正式被确认作为5G候选技术方案，满足大规模机器连接（MTC， massive Machine Type of Communication）场景的技术需求。
　　（2）卫星物联网技术需求
　　卫星物联网相对于现有基于公网基础设施的物联网在服务的连续性、泛在顽存、灵活性三方面具有较大优势，使得卫星物联网在一些远洋物流、电力能源设施监测与维护、环境监测、抢险救灾等行业应用专网领域具有较好的应用前景。
　　一是服务的连续性方面，陆地网络的部署往往是以人口密集区域为主要的考虑因素，全球大部分地区目前没有陆地移动通信网络覆盖，即使有陆地，也存在跨国网络运营商漫游接入复杂问题，导致例如远洋物流、陆地长途货运、航空运输等物流平台无法利用地面的4G/5G移动通信网络提供连续性的物联接入服务。如图3所示，基于5G技术体制的低轨星座卫星物联网可以提供全球范围的物联接入能力，与地面网络形成互补，可以有效满足上述服务连续性的需求。
　　二是服务的泛在顽存方面，在海洋环境监测、远海维权监测、地质灾害监测与抢险救灾专网应用方面，卫星物联网不需要在人迹罕至的海上或山区复杂地理条件下部署基础设施，相比地面网络具有更高的经济性和容灾抗毁能力。
　　三是服务的弹性灵活性方面，在某些能源电网基础设施广域协同控制，海量物联终端软件升级等应用场景下，采用地面的专网基站进行广播发送，存在能效低下、同步协同困难等问题。广域多播能力是卫星网络的天然优势，一个卫星波束的覆盖范围相当于上千个地面物联网节点（基站）的覆盖范围，能较好满足上述需求。
　　（3）地面物联网与卫星物联网需求差异分析
　　为实现卫星物联网与基于5G的非地面网络的融合，需要分析卫星物联网需求与地面物联网络性能的差异性，如表1所示。以NB-IoT（R13）为代表的地面物联网技术体制适合静态的、低速的、对时延不太敏感的“滴水式”交互类业务，但是卫星物联网存在高动态信道时延、大多普勒变化、用户终端高移动性、更高的并发接入能力、用户业务数据速率和接入时延变化范围大等特性，现有的地面物联网技术体制无法满足需求，需要进行适应性演进设计。
　　（4）卫星物联网发展趋势
　　近年来，国际标准化组织3GPP开始考虑在地面移动通信系统的基础上支持卫星通信。3GPP最早在R14版本中开展卫星通信给地面5G移动通信带来的优势研究;在R15进行了5G使用卫星接入和5G新空口支持非地面网络的研究，明确了非地面网络与5G地面网络的关系、网络候选架构、参考部署场景及特征、非地面网络信道模型和新空口支持非地面网络的潜在影响等。在2018年初，3GPP正式开始了5G非地面空口研究阶段的工作，目前，与5G融合的非地面网络空口已在R17版本中正式立项，预计标准将于2021年完结;SaT5G联盟由欧洲BT、Avanti、SES、Thales、Airbus、Surrey大学等多个单位联合成立，也致力于研究和验证5G关键技术在卫星移动通信场景下的应用，已经向3GPP、ETSI、ITU等多个组织递交了建议书和技术报告。 　　虽然从上面的对比分析来看，现有的陆地物联网技术体制与面向卫星物联网的需求尚存在较大差距，但从长远发展来看，NB-IoT/eMTC网络更具成长性，选择NB-IoT/eMTC及其后续5G演进的物联网技术体制设计卫星物联网技术体制，更容易得到产业链的支持，未来卫星物联网更加容易和基于5G技术体制的非地面网络（NTN， Non-terrestrial Networks）实现融合。因此需要充分借鉴5G关键技术的优势，根据卫星物联网网络的特性对其进行适应性研究和设计，以满足卫星物联网的通信需求。
　　2    卫星物联网空口适应性设计
　　2.1  多普勒频移补偿技术
　　在卫星通信中，特别是低轨卫星通信，多普勒频移比较大，会影响频率同步，进而影响系统性能。考虑到卫星物联网主要工作在L频段（2 GHz以下），典型的多普勒频移参数如表2所示：
　　对本文所介绍的星载基站处理模式，系统的频率误差部分包含多普勒频移偏差和时钟晶振偏差。对于多普勒偏移，需要考虑终端的移动和卫星的移动带来的影响，而时钟的频率误差又包含卫星、终端部件引起的晶振误差。对于多普勒偏移的估计和补偿，可以分为闭环和开环两种模式，闭环指的是终端不具备星历信息和全球导航卫星系统（GNSS， Global Navigation Satellite System）定位能力，因而需要基站对频率偏差进行指示，而开环模式则依赖于星历信息和GNSS定位能力，终端可以基于星历信息和位置信息进行多普勒计算，进而获得实际的多普勒偏移值，提前进行多普勒补偿，开环模式比较适合物联网终端应用，可有效降低终端的复杂度及成本。
　　对于每个波束，假设波束中心设为参考点，卫星基站侧需要补偿波束中心点的下行多普勒偏移，物联网需要处理的多普勒偏移是终端所在的位置相对于波束中心点的多普勒偏移值，这个称之为多普勒残差，残差值比多普勒偏移绝对值小得多，取决于小区半径大小，在L频段，一般为1 kHz～2 kHz。
　　对于多普勒残差的估计和补偿，当星历信息和位置信息较为准确时，终端可以估计出相应的多普勒差值，从而进行补偿，如果星历信息存在一定偏差时，在下行可以通过同步信号进行信号跟踪和补偿，消除下行的多普勒偏移。对于上行的多普勒偏移，卫星基站侧同样需要进行基于波束中心点的多普勒频移后补偿，每个终端仅进行对于波束中心的多普勒预补偿，剩下补充由卫星基站根据中心点情况进行补偿。
　　2.2  低轨卫星长时延信道补偿设计
　　（1）长延时相对补偿和绝对补偿过程
　　低轨卫星物联系统的时延补偿可以采用相对补偿和绝对补偿。相对补偿，用户特定定时提前（TA， Time Advance），即物联终端仅补偿小区内相对于参考点的差异时延部分，卫星基站侧维护公共部分时延。公共时延是指卫星基站到覆盖区公共参考点的链路时延，物联网终端相对时延是终端根据自己的位置和公共参考点推算出的传播时延。
　　终端时延补偿步骤如下：
　　1）终端通过获取网络通知的参考点信息;
　　2）基于星历信息和位置信息获得卫星的距离，并计算和参考距离的差值;
　　3）终端补偿定时差值并发送上行NB-IoT物理随机接入信道（NPRACH， NB-IoT Physical Random Access Channel）信号。
　　基站时延补偿步骤（以再生模式为例）：
　　1）基于公共参考位置计算用户链路的参考距离和参考时延;
　　2）根据用户链路的参考时延调整基站的定时，然后检测上行NPRACH信号，获取残留的定时差值。
　　随机接入信号发送和相对定时补偿如图4所示：
　　物联网终端以初始定时补偿信息TA发送NPRACH信号后，获得NPRACH响应信息，其中指示终端所需的额外的TA补偿信息，最后终端基于初始TA和额外的TA获得总的上行用户特定TA。
　　（2）PRACH增加设计
　　由于物联网终端采用开环设计模式，即终端具有星历信息和定位能力，因此能获得相对准确的频率和定时估计信息，但是还需要考虑由于卫星运动和终端移动造成的多普勒残差、定时估计造成的时延估计残差以及星地信道信噪比低等问题对随机接入带来的影响，需要接入信道NPRACH前导码（Preamble）采用增强发送方案设计。
　　为了应对定时估计造成的时延估计残差，需要足够大的循环前缀（CP， Cyclic Prefix），建议应考虑CP的取值应能应对100 km的时延估计残差，同时为了降低CP的开销，可以采用文献[10]中建议的描述CP插入设计，对于k个重复的长度为k*N的前导码符号组，只添加一个长度为Ncp的循环冗余CP，形成一个前导码符号组（symbol group），并且对前导码符号组在子载波间进行随机跳重复发送，以應对星地低信噪比传输环境，提高单次接入过程成功概率，如图5所示。可以看出k的数值越大CP的开销越低，但是k的取值应当在信道相干时间允许的范围内，否则会导致载波间干扰（ICI， Inter-Carrier Interference）的恶化。
　　2.3  卫星物联网随机接入过程设计
　　在低轨卫星物联网中，为了满足海量用户终端低时延、高可靠、低功耗广域覆盖等应用需求，必须设计高效的多址接入协议。在海量用户共享系统容量的情况下，随机接入技术具有很好的鲁棒性，且可以有效降低重传次数和时延、提升吞吐量，是实现海量物联终端广域连续性泛在接入的必然选择[11-12]。然而，卫星通信网络的远距离特性导致卫星信道存在大多普勒、长时延和高动态的特征，传统移动通信网络中的随机接入技术无法直接应用于卫星网络中。因此，需要针对卫星信道特性，对传统的随机接入机制进行研究和适应性改造。 　　（1）基于竞争的随机接入过程
　　基于竞争的随机接入是指随机接入前导码是由用户从众多前导码中随机选择一个并主动发起随机接入，前导码并非由基站分配所得。基于竞争的随机接入机制包括传统的4步随机接入和改进的2-step随机接入。
　　1） 4步随机接入
　　传统的基于竞争的随机接入机制包括4步接入流程，如图6所示。首先，物联终端通过随机接入信道（RACH， Random Access Channel）向卫星基站节点发送随机接入前导码;卫星基站通过下行共享信道（DL-SCH， Downlink Shared Channel）向用户发送由MAC层产生的随机接入响应;其次，物联终端通过上行共享信道（UL-SCH，Uplink Shared Channel）向卫星基站发送由媒体接入控制层产生的基于竞争的随机接入资源请求数据;最后，卫星基站通过DL-SCH向用户发送由无线资源控制层（RRC， Radio Resource Control）层产生的竞争响应。
　　4步随机接入流程中前导码和资源请求数据被分为两个部分在不同时刻、不同信道进行传输，只有被许可接入的用户才能使用所分配的信道发送资源请求数据，数据资源分配与其他用户之间不存在冲突，但存在接入时延大的缺点。
　　2） 2-step随机接入
　　考虑到卫星通信长距离传输加剧了4步随机接入时延大的问题，为了降低卫星物联网的接入时延并减少信令开销，提出了改进的2-step随机接入，其接入流程如图7所示。首先，用户通过RACH向卫星基站同时发送随机接入前导码和基于竞争的随机接入资源请求数据;然后，卫星基站通过DL-SCH向用户发送由MAC层产生的随机接入响应。
　　与4步随机接入不同的是，2-step随机接入将前导码和资源请求数据都放在RACH中以竞争的方式进行传输，在前导码和数据部分均正确检测的条件下可有效降低低轨卫星物联网用户的接入时延，但是必须设计适当的随机接入信道结构。
　　（2）基于非竞争的随机接入机制
　　基于非竞争的随机接入与基于竞争的随机接入的不同在于，其卫星基站通过下行专用信令给用户指派非竞争的随机接入前导码，用户通过发送指派的前导码从而保证随机接入不冲突，也就无须在最后解决冲突，可有效满足低轨卫星物联网用户对低时延高可靠的需求。其接入流程如图8所示，首先，卫星基站通过下行专用信令向用户指派不同于初始接入时系统信息集合中的随机接入前导码;然后，用户通过RACH向卫星基站发送指派的随机接入前导码;最后，卫星基站通过DL-SCH向用户发送由MAC层产生的随机接入响应。
　　（3）结合NOMA的2-step接入与传输机制
　　在5G新型空口中，非正交多址（NOMA， Non-Orthogonal Multiple Access）技术受到了广泛的关注，NOMA技术可以使多个用户终端共享相同的接入资源，并通过高级接收机实现接收和译码。通过结合免调度机制，采用2-step随机接入方式，即采用Preamble+NOMA数据的接入机制，结合高效的接收机检测算法，可以实现低时延高可靠的大规模随机接入技术，其接入流程如图9所示。多个物联终端可能会在相同的资源上同时发起传输，再利用NOMA技术的发射机和接收机设计实现多用户接入，有利于支持更多的用户数量或业务负载。相比于基于竞争和非竞争的接入机制，免调度传输可以有效地缩减系统流程并节约信令开销，降低时延和功耗，非常适用于卫星长延时信道用户的接入，是未来低轨卫星互联网通信最具潜力的技术之一。
　　在NOMA技术方案中，基于图样分割的多址接入技术（PDMA， Pattern Division Multiple Access）作为一种主流方案得到了广泛关注。PDMA是一种发送端和接收端联合设计的NOMA方案，发送端通过设计多用户不等分集的PDMA图样矩阵，实现时频域、功率域和空域等多维度的非正交信号叠加传输，获得较高的多用户复用和分集增益。
　　定义过载率（OF， Overloading Facotr）α为PDMA系统复用的用户个数K与所用正交资源个数N的比值：α=K/N，对于给定的过载率α（通常α取值1.5，3），可以设计多种形式的PDMA图样矩阵来实现。满足如下条件的PDMA图样矩阵∈，M≥K>0，都能够实现多用户图样映射。
　　 （1）
　　其中，是理论PDMA图样矩阵，表示从理论PDMA图样矩阵中选取K列构成的PDMA图样矩阵。在接收端采用性能较优的置信传播迭代译码算法或者串行干扰消除算法进行信号分离检测，有效区分不同用户的请求，实现低时延高可靠的海量随机接入，可有效提升并发接入能力。
　　（4）用户状态自适应的接入机制选择策略
　　卫星发生馈电链路切换时，整个卫星的接入用户都需要接入到新小区，导致新小区面临大规模用户的随机接入，是低轨卫星物联网接入的重大挑战。为此，我们提出用户状态自适应的接入机制选择策略，针对用户当前状态，采用不同的随机接入策略。对在馈电链路切换前处于连接态的用户采用基于NOMA的免调度传输、处于激活态的用戶采用基于非竞争的随机接入、处于空闲态的用户采用基于竞争的随机接入，有序地在新小区发起随机接入。
　　3   结束语
　　基于5G技术体制NTN发展卫星物联网，并实现与地面移动网络的融合，是未来卫星物联网的发展趋势。本文所提出的基于5G资源虚拟化架构的卫星物联网系统架构，不仅可减少接入控制平面的时延，可不依赖复杂的星间链路和路由设备实现物联终端的接入、数据采集、存储处理，适合采用低成本的微小卫星平台进行部署。在卫星物联网体制设计方面，通过分析地面物联网技术体制和卫星物联网技术体制的发展趋势及技术需求差异，结合低轨卫星物联网信道大多普勒和长时延特性，开展了卫星物联网接入信道分析和设计，提出的结合NOMA和2-step接入的卫星物联网随机接入过程可有效节省接入时间，通过NOMA体制实现资源超载预期可提升1.5～3倍物联终端并发接入能力，为未来基于5G技术的低轨卫星物联网的发展提供了设计思路。 　　参考文献：
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　　作者简介
　　魏肖（orcid.org/0000-0001-5064-0450）：
　　工程师，毕业于华中科技大学，现任职于中国电子科技集团公司电子科学研究院，研究方向为天地一体化通信网络、无线通信。
　　成俊峰：助理工程师，毕业于贵州大学，现任职于中国电子科技集团公司电子科学研究院，研究方向为天地一体化通信网络。
　　王静贤：工程师，毕业于北京邮电大学，现任职于中国电子科技集团公司电子科学研究院，研究方向为天地一体化通信网络。
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