6G卫星通信接入及移动性管理技术分析.pdf

4 8 2 0 2 4年3期2 0 2 4年第4 6卷第3期6 G卫星通信接入及移动性管理技术分析方 越作者简介:方越(1 9 8 7-),本科,中级工程师,研究方向为信息通信工程、通信与信息系统、信号与信息处理、通信网络演进、人工智能。(安徽电信规划设计有限责任公司 合肥2 3 0 0 0 0)摘 要 随着我国5 G网络的高速发展,相关基站数量也越来越多,全面覆盖了地级市以上的城市网络。但5 G网络覆盖的中心为基站,而在沙漠和海洋等区域很难建设基站,因此产生了通信盲区。此外,5 G通信集中在地表1 0 k m的范围内,存在一定的空间限制,很难实现通信无缝覆盖。然而,这些不足推动了6 G技术的研究发展。文中主要分析了6 G卫星通信接入及移动性管理技术,以期对实际工作起到参考,推动6 G网络的发展,为社会经济发展奠定技术基础。关键词:6 G卫星通信;接入技术;移动性管理技术中图分类号 T N 9 2 7A n a l y s i so f 6 GS a t e l l i t eC o mm u n i c a t i o nA c c e s sa n dM o b i l i t yM a n a g e m e n tT e c h n o l o g yF AN GY u e(A n h u iT e l e c o mP l a n n i n ga n dD e s i g nC o.,L t d.,H e f e i 2 3 0 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t W i t h t h e c o n t i n u o u s r a p i dd e v e l o p m e n t o f 5 Gn e t w o r k s i nC h i n a,t h en u m b e r o f r e l a t e db a s e s t a t i o n s i s a l s o i n-c r e a s i n g,c o m p r e h e n s i v e l yc o v e r i n gu r b a nn e t w o r k sa to ra b o v e t h ep r e f e c t u r e l e v e l.H o w e v e r,t h ec e n t e ro f 5 Gn e t w o r kc o v e r a g e i sb a s e s t a t i o n s,w h i c ha r ed i f f i c u l t t ob u i l d i na r e a s s u c ha sd e s e r t s a n do c e a n s,r e s u l t i n g i nc o mm u n i c a t i o nb l i n ds p o t s.I na d d i t i o n,5 Gc o mm u n i c a t i o ni sc o n c e n t r a t e dw i t h i nar a n g eo f1 0 k mo nt h es u r f a c e,w h i c hh a sc e r t a i ns p a t i a ll i m i t a t i o n sa n d m a k e si td i f f i c u l tt oa c h i e v es e a m l e s sc o mm u n i c a t i o nc o v e r a g e.H o w e v e r,t h e s es h o r t c o m i n g st h a tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f6 Gt e c h n o l o g yh a sb e e np r o m o t e d.T h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e st h ea c c e s sa n d m o b i l i t ym a n a g e m e n t t e c h n o l o g yo f 6 Gs a t e l l i t e c o mm u n i c a t i o n,i no r d e r t op r o v i d e r e f e r e n c e f o rp r a c t i c a lw o r k,p r o m o t e t h e c o n-t i n u o u sd e v e l o p m e n to f 6 Gn e t w o r k s,a n d l a ya t e c h n i c a l f o u n d a t i o nf o rs o c i a l a n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t.K e y w o r d s 6 Gs a t e l l i t ec o mm u n i c a t i o n,A c c e s s t e c h n o l o g y,M o b i l i t ym a n a g e m e n t t e c h n o l o g y0 引言6 G技术可以弥补5 G网络的不足,促进万物互联目标的实现。当前,在各个国家的发展战略中,已经列入了6 G核心技术,这是各个国家科技竞争的重要项目。对比5 G技术,6 G技术具有更优异的性能,同时可以更好地拓展新业务和应用场景。为了推动6 G网络的多维发展,需要保障接入的高效性和智能化。因此,研究6 G卫星通信接入及移动性管理技术具有重要意义。1 卫星移动通信接入技术现状1.1 卫星移动通信系统接入技术卫星移动通信系统主要提供卫星移动业务,该业务可以进一步分解为语音、视频等,满足国内外民用及军事方面的通信需求。当前,代表性系统包括国际海事卫星通信系统、铱星等1。国际首个移动业务卫生通信系统为国际海事卫星通信系统(I n m a r s a t),其利用L波段作为用户链路,可以对全球纬度7 5 范围内进行覆盖,提供数据语音、传真以及电报等服务。在实际运行过程中,利用GMR-2体制,有利于实现移动卫星业务,通过连接G S M核心网,利用T DMA多址接入方式,终端用户可以自动切换地面G S M和卫星。I n m a r s a t创建了第一个3 G移动通信网络,并通过各种调制方式,对地面3 G网络实施兼容。在铱星的发展过程中,星际链路技术具有很大的优势。其以E D G E标准空口为基础,进一步优化了卫星环境,并通过T DMA多址介入的方式,在手持终端和卫星之间传输信息,满足用户语音和数据等业务需求。通过建立I r i d i u mN E X T星座,可以显著提高数据速率,拓展升级I P宽带网络和载荷能力等,有效应对复杂的空间信息应用需求。此外,利用全球星可以提供低成本的卫星移动通信业务,通过C DMA技术可以保障语音质量,保证通信过程的保密性和安全性2。由于没有利用星间链路,因此省略了星上处理工序,节省了系统费用,降低了各种技术风险。全球星用户可以在地面利用移动蜂窝网工作,如果网络覆盖不到,则可以利用卫星通信模式,减少全球通信的盲区。2 0 2 4年3期 4 9 1.2 国家标准化机构3 G P P的相关研究当前,关于接入技术的研究主要基于T R3 8.8 2 1,详细刻画了不同的架构,并针对每个架构提出针对性的协议栈,明确具体场景中对5 GN R接入网的影响,并在使用该架构时,更新有关5 GN R的接入网措施。3 G P P主要研究5 G卫星接入,致力于提高5 GN R的轻量化和覆盖性,发展非陆地网络的N R,增强移动接入集成回传和R A N数据采集能力,有效支持5 G核心网边缘计算工作和集成接入、回传等3。2 6 G卫星通信潜在接入技术2.1 6 G卫星通信极简接入技术2.1.1 面向非连接业务的免授权接入机制在6 G卫星通信过程中,完成U E小区搜索后,可以下行同步星载基站广播信息和星载小区,这时U E已经可以接受下行数据,但只有U E和小区实现上行同步,才可以完成上行传输任务。利用传统的地面网络随机接入方案,需要经过握手获得许可后,才可以向基站传输设备数据。在大规模连接场景中,由于延时影响,将会延长信息处理时间,进一步延长接入时间,降低通信服务质量。因此,在6 G卫星通信网络中,不能利用上述方式。为了满足大量用户场景需求,可以利用免授权的接入方案。针对6 G卫星通信网络的非面向连接业务,结合星载基站的信息,U E可以对可用资源进行预测,最终合理选择可用的数据资源,通过预补偿信号时延和频偏等问题,发起非正交多址接入业务,从而传输业务数据。在星载基站实行用户检测和联合译码算法后,再对U E和传输的信息进行深入分析,最后将A C K信息发送到U E4。这一过程以卫星广播信息为基础,通过U E完成资源选定,随后动态化地分配信息资源,从而节省数据传输时间。由于整体接入流程比较简单,U E无法多次交互基站,会降低信令接收的时延。在利用免授权接入的过程中(见图1),为了提高免授权接入的适应性,需要完善预补偿机制。在6 G卫星通信网络的运行过程中,低轨卫星和U E保持会较快的运动速度,需要利用定时提前措施及时消除干扰。超前定时补偿指U E将前导信号发送到星载基站,星载基站测量前导信号,由此确定基站和U E的距离。确定了卫星星历后,可以结合前导数据、星历计算基站和U E的距离变化,利用下行通道向U E发送同步信息,完成U E和星载基站的同步处理,减少码间干扰。同时,可以结合星历对U E和星载基站的频偏进行计算,有效消除频偏。在免授权接入阶段,主要利用S CMA技术,结合6 G网络特征和S CMA技术基础,对多址接入码本和多用户检测算法。无线传输链路是一种线性模型,根据信号估计方式,其可以对发送信号的最大后验概率进行准确估算。逐渐增加M I MO系统的发送和接收天线后,也会增加ML检测算法的复杂性,因此需要采取合适的措施优化S CMA多用户检测,具体如下所示。(1)优化整体收敛条件,减少迭代次数,即通过减少时间成本而降低ML检测算法的复杂性。(2)根据具体的检测点数,合理减少多用户检测器遍历点,降低检测工作的复杂性5。(3)做好多维星座设计工作,提高用户分辨率,降低检测端的复杂度。通过并行M a x-l o gMP A算法,利用取对数计算,转化乘法为加法,并在计算过程中减少使用乘法器,增加加法器,以简化整体计算过程,提高硬件性能,简化星上设备。然而,这种算法具有较高的误码率。相关技术人员需要研究更加简单的MP A算法,使其更合理地应用于6 G卫星通信过程。图1 免授权随机接入流程图2.1.2 面向连接业务的预共享密钥和轻量化鉴权协议在星地协议处理和加解密过程中,会增加整体系统成本,因此可以利用预共享密钥。双方认证鉴权比较简单,无需高频率的交互数据,有利于提高信息处理的效率。利用随机数的轻量化认证鉴权架构,可以简化整个程序,利用对称加密算法,可以减少协议握手的次数。地面鉴权中心主要负责鉴权工作,星载鉴权中心负责轻量化鉴权,地面鉴权中心可以完成所有的工作流程,而星载中心和地面终端之间的交互非常简单,只需要两个步骤。2.2 6 G卫星通信极智接入技术6 G卫星通信网络中包含不同的轨道卫星,且支持各种应用场景业务,各种业务之间会相互干扰。在接入和切换阶段,需要利用人工智能来分类和管理资源,为不同的业务分配资源。例如,可以利用A I的频谱动态分配和卫星共线干扰协调技术,保障整体通信质量。同时,根据不同的业务特点,可以利用资源智能分配技术,有效解决卫星跳波束,在重点业务上覆盖有限资源,提高资源利用率。2.2.1 基于A I的频谱动态分配技术6 G卫星通信网络需要计入较多的设备,且覆盖范围广泛,因此需要高效利用频谱资源。利用频谱动态分配技术,不仅可以准确接入6 G卫星通信网络,还可以提高频谱利用率,而通过频谱动态共享技术,可以智能化地分配频谱。以不同业务要求为基础,通过训练学习,A I可以高效处理资源。利用人工智能控制器开展策略管理,可以优化高层进程及管理无线资源,实现切换无缝控制,保障整体服务质量。移动信息5 0 2 0 2 4年3期2.2.2 基于A I的6 G卫星通信共线干扰协调技术当前,无线网络主要利用频谱分配方式,在频谱管理机构分配好频谱后,无线终端就可以正常工作。利用这种方式,可以充分利用分配在很多地区的频谱。在6 G卫星通信网络中,利用基于A I的动态频谱接入方案,结合深度学习的感知能力和决策能力,通过不断的试错和与环境的交互,最终获得最优策略6。分别定义C E O和N G E O为主用户和次用户,当次用户没有统计底层系统的信息时,可以利用分布式学习方式,通过频谱访问确定频谱感知及结果,最终确定频谱的接入方案,以避免主用户和次用户之间频繁发生冲突。2.2.3 资源智能分配技术不同业务的需求具有较大的差异性,因此需要统计分析不同业务需求之间的联系,掌握业务需求规律。例如,通过分析系统性能增益和成本,设计科学的资源分配方式,并高效管理分布式资源。对传输时延、存储容量及通信能力的关系进行分析,利用分布式数据存储算法,高效利用系统资源,缩短传输时间和计算时间。2.2.4 高低轨融合跳波束智能调度方法使用这种方法,可以优化高轨卫星的星上功率和时隙资源,通过启发式算法完成求解,避免浪费资源。同时,可以提高通信容量,在最大程度上满足业务需求。针对低轨卫星,可以对卫星波束的跳变图案进行计算,在各维度上分配跳波束资源,提高系统容量,缩短传输时间。3 6 G卫星通信网络潜在的移动性管理技术在6 G卫星通信网络运行阶段,L E O卫星的运动速度较快,如果改变了用户网络覆盖的卫星或卫星波束,则需要通过切换操作才可以维持业务的稳定性。由于L E O波束较大,一颗卫星下可能覆盖海量的用户,因此需要解决跨波束并发切换问题。为了无缝集成卫星技术和全球电信技术等,需要建立专门的硬件架构,加快转变软件定义和虚拟平台,同时可以通过服务定义对多个抽象层进行管理。针对卫星透明转发需求,可以利用云通道技术云化处理信关站的天线和射频,实现柔性切换。利用云通道,可以实现星上透明转发和处理转发,在透明转发过程中,可以利用天线池和射频池等实现云化处理。此外,可以对物理层的影响实现预补偿,再共享协议池中的数据,柔性切换波束。在星上处理过程中,可以利用波束通道预补偿射频基带的物理层,共享波束之间的协议数据,通过双星双活设计的方式,实时切换星间。4 结语为了更好地掌握地海空,人们需不断发展6 G卫星通信技术,提高整体服务的智能性。为了解决6 G卫星通信存在的问题,需要综合利用A I技术等,针对不同的应用场景采取不同的技术方案,进一步完善6 G卫星通信系统的功能。参考文献1刘雅琼,吕哲,赵亚飞,等.A I技术在卫星通信/互联网领域的应用综述J.电信科学,2 0 2 3,3 9(2):1 0-2 4.2景毅,姜春晓,詹亚锋.面向卫星通信的6 G通感算融合架构、技术与挑战J.无线电通信技术,2 0 2 3,4 9(1):1 2-2 0.3鲁信金,黄璐莹,陈继林,等.6 G卫星互联网通信安全抗干扰技术研究J.无线电通信技术,2 0 2 3,4 9(1):1-9.4刘哲铭,吴云飞,魏肖,等.6 G星地融合网络应用场景、架构与关键技术挑战J.无线电通信技术,2 0 2 2,4 8(6):1 0 5 8-1 0 6 4.5王晓鲁,李榕,罗禾佳,等.多载波在大规模多波束卫星通信中的应用J.无线电通信技术,2 0 2 1,4 7(5):5 6 2-5 6 8.6吴晓文,焦侦丰,凌翔.6 G中的卫星通信高效天基计算技术J.移动通信,2 0 2 1,4 5(4):5 0-5 3,7 8.(上接第4 1页)3 结语本文基于政企精品网络,提出了一种双层叶脊结构,用于结合平衡式双线冗余和网格化分片部署,降低了端到端传输时延。随着政企精品网向着“1-3-5 m s的时延圈”品质算网的不断发展,其将逐步迭代更新,直至满足所有客户(特别是党政军、金融等时延敏感性客户)对超低时延的需求。参考文献1黄琼,王青郁,袁芳,等.5 G产业下移动集团专线与传送网差异化服务转型方案研究与探讨J.通信技术,2 0 2 1,5 4(6):1 4 1 7-1 4 2 6.2陈丽英,兰昊晖.高品质政企专线承载网络演进方向J.电子世界,2 0 2 0(2):7 2-7 3.3彭登,许付才.基于V C-O T N高品质专线承载网建设方案探讨J.通信与信息技术,2 0 2 2(4):7 8-8 0,8 4.4包琅允.叶脊架构在数据中心的应用J.邮电设计技术,2 0 2 1(2):7 4-7 7.5何飞龙.面向数据中心网络的流量模式分析方法研究D.成都:电子科技大学,2 0 2 2.6S HE L D ON W.L e a f-s p i n ea r c h i t e c t u r ef o rOT Ns w i t c h i n gC2 0 1 7I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nC o m p u t i n g,N e t w o r-k i n ga n dC o mm u n i c a t i o n s:I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nC o m-p u t i n g,N e t w o r k i n g a n d C o mm u n i c a t i o n s(I C N C 2 0 1 7).2 0 1 7:9 5-9 9.7邓维,魏星.S DH光传输系统时延测算的分析与研究J.桂林航天工业学院学报,2 0 1 8,2 3(1):1-4.8武清华.打造低时延光传输网络的策略J.光通信研究,2 0 1 9(5):3 3-3 6.9吴佳騄,刘恒.云网融合场景下的传输网络架构探讨J.通信技术,2 0 2 2,5 5(1):7 0-7 6.1 0李文猛,仇勇,李朗.5 G冗余双通道通信技术在配电网差动保护中的应用研究J.宁夏电力,2 0 2 2(4):4 8-5 3.1 1华为技术有限公司.E d g eO TN解决方案 技术白皮书E B/O L.h t t p s:e.h u a w e i.c o m/c n/m a t e r i a l/o p t i c a l/e 6 d 2 d d 2 b c2 1 0 4 d 1 5 b b f 2 0 d 0 3 e c 3 8 8 a 2 8.2 0 2 2-1 0-1 2.移动信息