手机直连低轨卫星通信：架构、关键技术和未来展望.pdf

2024年1月第1期103移动通信FuturePerspectivel2024,48(1):103-110.iviooieommunications,SUN Yaohua,XU Hongtao,PENG Mugen.Direct-to-Mobile Low Earth Orbit Satellite Communication:Architecture,Key Technologies,and引用格式：孙耀华，许宏涛，彭木根.手机直连低轨卫星通信：架构、关键技术和未来展望J.移动通信，2 0 2 4,48(1)：10 3-110.日TF名文讯口总第52 1期第48 卷手机直连低轨卫星通信：架构、关键技术和未来展望*孙耀华，许宏涛，彭木根（北京邮电大学网络与交换技术国家重点试验室，北京10 0 8 7 6）【摘要】借助低轨卫星星座全时全域覆盖优势，手机直连卫星通信预期成为6 G重要特征之一。首先介绍了手机直连卫星的测试验证、标准化与商业项目发展现状。其次，介绍了基于透明转发、部分可再生处理、完全可再生处理、集成接人和回传的四种手机直连低轨卫星网络架构及组网方式。通过分析手机直连低轨卫星网络场景下高移动性与大传输时延等带来的接人与传输问题，提出对地面移动通信体制进行适应性改进的关键技术方案。最后，探讨了未来手机直连低轨卫星发展发向和潜在思路。通过上述阐述与分析，提供未来发展手机直连低轨卫星通信的可行路径。【关键词】低轨卫星通信；手机直连卫星；卫星网络架构doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20240101-0001中图分类号：TN929.5扫描二维码OSID:doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20240101-0001中图分类号：TN929.文献标志码：A文章编号：10 0 6-10 10(2 0 2 4)0 1-0 10 3-0 8Direct-to-Mobile Low Earth Orbit Satellite Communication:Architecture,KeyTechnologies,and Future PerspectiveSUNYaohua,XUHongtao,PENGMugen(State Key Laboratory of Networking and Switching Technology,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China)AbstractUtilizing the advantages of full-time,global coverage offered by low Earth orbit(LEO)satellite constellations,direct-to-mobile satellite communication is anticipated to become one of the significant features of 6G.This paper first introduces thecurrent state of testing and verification,standardization,and commercial project development in direct-to-mobile satellitecommunication.Subsequently,it presents four types of network architectures and networking methods for direct-to-mobileLEO satellite communication,based on transparent forwarding,partial regenerative processing,full regenerative processing,and integrated access and backhaul.By analyzing access and transmission issues brought about by high mobility andlarge transmission delays in direct-to-mobile LEO satellite network scenarios,key technological solutions for adaptivelyimproving terrestrial mobile communication systems are proposed.Finally,the paper discusses future development directionsand potential approaches for direct-to-mobile LEO satellites.Through the above exposition and analysis,feasible pathwaysfor the future development of direct-to-mobile LEO satellite communication are provided.KeywordsLow Earth Orbit(LEO)satellite communication;direct-to-mobile satellite communication;satellite network architecture0引言IMT-2030（6 G）推进组发布的6 G总体愿景与潜在关键技术白皮书I提出，6 G将利用天基实现陆地偏远地区、海上和空中覆盖，最终构建星地融合的移动通信网络。在星地融合背景下，第三代合作伙伴计划（3GPP，3rdGenerationPartnershipProject）已开展支持手机直连收稿日期：2 0 2 3-12-2 0*基金项目：国家重点研发计划项目“高动态条件下的星地协同接入与传输技术”（2 0 2 2 YFB2902600）；国家自然科学基金项目“低轨卫星通信系统的宽窄波束协同理论与方法”（6 2 37 10 7 1）；中国通信学会青年人才托举项目（2 0 2 1QNRC001）卫星的非地面网络（NTN，No n-T e r r e s t r i a lNe t w o r k）的标准制定工作，预期为个人用户提供全球泛在接人2-1。实现手机直连卫星通信的技术路线主要包括基于多模终端的方案、面向存量手机终端的方案以及基于3GPPNTN标准的方案。多模终端方案可视为目前卫星通信技术的延伸，便于手机直连业务的快速落地，但由于其采用私有协议，无法迅速做大生态链。面向存量手机终端的直连方案基于3GPP标准对基站侧进行增强，手机终端不需要改动，在NTN标准体制还未完全明确的情况下，该模式可以快速部署推广。然而，该类方案需解决现有基站上星性能回退的问题，星上也需做较大的改动以实现基站功能。基于3GPPNTN标准的方案则面向增量终2024年1月第1期104移动通信总第52 1期专题面向6 G的星地融合网络技术第48 卷端直连卫星，终端/基站需升级以支持Release17（R17）及之后的版本，产业支持广泛。当前，国内外企业积极开展手机直连试验验证和业务落地。在多模终端技术路线方面，苹果手机通过内置Globalstar卫星通信模块支持短消息发送；华为Mate50内置北斗通信模块，支持L频段的单向短报文通信，Mate60内置天通卫星通信模块，提供通话与短信业务。面向存量手机终端，LynkGlobal公司已发射7 颗技术验证卫星，完成了在轨卫星与存量手机进行双向语音通信的外场实验验证；SpaceX计划推出基于4GLTE上星的存量手机直连业务；ASTSpaceMobile低轨试验卫星BlueWalker3搭载了6 4平方米的巨型相控阵天线，实现了存量手机与试验星通话和5G连接测试。NTN技术路线方面，Omnispace公司利用n256频段，于2 0 2 1年实现了商用5G终端通过卫星获取语音和数据服务的演示验证，目前已有2 颗实验卫星在轨运行；中国移动联合中兴通讯等实现了全球首个运营商基于3GPPR17IoT-NTN的技术外场验证，并于2 0 2 3年9 月实现了低轨通信环境下NR-NTN的实验室验证；中国电信基于天通卫星完成了NR-NTN终端直连卫星现网环境测试验证。标准化方面，3GPPR17确认空口标准支持星上透明转发和星上处理两种模式，并对无线接人网关键技术进行了增强6 R18为满足灵活多样的网络架构和业务需求，研究无GNSS能力终端的支持以及覆盖、移动性管理方面的增强7 ；未来R19版本将逐步开展基站上星架构的标准化。后文首先对手机直连低轨卫星的架构进行探讨，随后对手机直连低轨卫星的关键技术进行详细介绍，最后给出未来的技术发展方向。表1为手机直连卫星实验验证与应用：手机直连低轨卫星网络架构本文将手机直连低轨卫星的网络架构分为四类，包括基于透明转发的NTN手机直连低轨卫星架构、基于部分可再生处理的手机直连低轨卫星网络架构、基于完全可再生处理的手机直连低轨卫星网络架构、基于集成接入和回传的手机直连低轨卫星架构。1.1基于透明转发的NTN手机直连低轨卫星架构基于透明转发的NTN手机直连低轨卫星架构如图1所示，透明转发架构由NTN终端、透明转发卫星、信关站、NTN地面基站、地面核心网、公共数据网组成。其中，透明转发卫星功能包括射频滤波、频率转换和信号放大，和地面信关站共同作为NTN基站的远端射频单元。终端与卫星间的服务链路（service link）以及卫星与信关站间的馈电链路（feederlink）均采用NR-Uu接口，而信关站则通过前传链路与NTN基站连接。由于该架构在星上仅实现射频功能，其余接人网功能均部署在地面，系统能够进行跨整个协议栈的集中处理和协调，高效支持CoMP、M IM O、负载平衡、切换管理等功能。此外，射频和物理层间的分离允许重用射频组件以服务不同无线接入技术，从而提升了物理层的可拓展性。然而，该架构面临空口传输时延长、对馈电链路传输资源要求较高等问题，例如在10 0 MHz的基带信号带宽下，单个天线端口就需要6 14Mbps的传输资源。为此，3GPPR17在已有定时参数基础上引人额外偏移量用于涵盖星地传播延时的影响，同时允许关闭HARQ机制提升长传播时延下的信道资源利用率18-9 。除此之外，由于该架构不存在星间链路，数据转发严重依赖信关站，难以实现全球网络部署。表1手机直连卫星实验验证与应用项目名称StarlinkV2ASTSpaceMobileLynk GlobalOmnispace苹果公司华为公司中国移动中国电信830835MHz上行频段1910-1915MHz1GHz以下2GHz2483.52495MHz19802010MHz采用S波段19802010MHz845849MHz用户链路下行频段19901995 MHz890894MHz1 GHz以下2 GHz2483.52495MHz2.1702200MHz21702200MHz卫星类型LEOLEOLEOLEO+GEOLEOGEOLEOGEO协议类型地面移动通信协地面移动通信协地面移动通信地面移动通地面移动通地面移动通信协议卫星通信专用协议卫星通信专用协议议增强议增强协议增强信协议增强信协议增强增强存量手机直连商用5G终端存量手机卫星间NRNTN终端直连实现手机短信卫星技术的双通过卫星获应用状态通话和5G连接的投入使用投入使用NRNTN卫星数据及语音服收发向卫星语音通取语音和数测试务能力测试话测试据服务测试现网/5MHz转发测试环境外场外场实验室实验室带宽支持短消息业NR-NTN透技术业务知短消息和语音短消支持高速上网/透语音、数据、短信宽带数据及语音务/星上处理短消息/卫星透明转发明转发/星上特性息/星上处理架构明转发架构和定位功能业务架构再生架构2024年1月第1期105移动通信总第52 1期孙耀华，许宏连低轨卫星通信：架构、关键技术和未来展望第48 卷星间链路用户链路透明转发星馈电链路NR-Uu回传链路NR-Uu信关站前传链路gNBNGc&NGu1核心网CENG67UE公共数据网图1基于3GPPNTN透明转发卫星的手机直连低轨卫星架构1.2基于部分可再生处理的手机直连低轨卫星网络架构（1）基于物理层功能切分的方案为降低基于星上透明转发的网络架构对馈电链路带宽的要求，考虑基于部分可再生处理的手机直连低轨卫星网络架构。根据3GPP38.816101，NR物理层的潜在功能划分如图2 所示，预编码模块位于层映射之后、OFDM调制之前。在划分方案2 中，星上仅具有调制和射频功能，其余物理层功能在地面实现，此时馈电链路传输的信号维度为预编码之后的信号维度，即天线端口数。而在划分方案1中，星上同时具有预编码、调制、射频功能，其余物理层功能在地面实现，此时馈电链路传输的信号维度为预编码前的信号流数。因此，方案1能够节省馈电链路带宽资源，但相对方案2 星上实施复杂度增大。根据调研结果，美国ASTSpacemobile采用的手机直连低轨卫星网络架构参考了方案2，在BlueWalker3试验星上实现了预编码功能。MACL1编码解码速率匹配解速率匹配方案2加扰解扰CU调制解调方案1CU层映射IDFT信道估计/均衡方案2CU-DU划分处预编码无线资源映射无线资源解映射方案！方案2IFFT/加入CPIFFT/去CPCU-DU划分处DURF方案1数模转换模数转换DU图2星上部分可再生处理下的星地功能切分方案（2）基于MAC层及以上功能切分的方案考虑到NR基站完全上星会对卫星搭载能力以及基站供电带来更高挑战1-12 ，可进一步采用基站集中式单元（gNB-CU，g NBCe n t r a l i z e d U n i t）和基站分布式单元（g NB-D U，g NBD i s t r i b u t e d U n i t）分离的部署模式。如图3所示，基站部分上星架构由终端、星上DU、地面CU、核心网、公共数据网组成，CU和DU间的逻辑接口定义为F1接口，承载在馈电链路上。UEUENR-UugNB-DUF1gNB-CUNGc&NGuNG6公共数据网地面核心网图3基于CU-DU分离的手机直连低轨卫星网络架构参考3GPP38.816和38.8 11协议8.10 ,星地间DU-CU功能的潜在切分方式如图4所示：高层低层高层低层RRCPDCPPHYRFRLCRLCMACMACData方案1（划分处）方案2方案3方案4方案5高层低层高层低层RRCPDCPPHYRFRLCRLCMACMACData图4星地DU-CU功能切分潜在方案方案一将PDCP、RLC、M A C、物理层划分于星载DU，RRC层则位于地面CU。该划分方式下，整个用户平面均位于DU中，有利于实现低延迟数据传输。方案二将RLC层及以下划分于星载DU，PD CP层及以上划分于地面CU。该切分方式便于对多星流量负载进行协同管理，并且其实现基础已在LTE双连接技术中进行了标准化，因此是一种最为直接、标准化工作增量最小的切分方式。方案三对RLC层内部进行划分，将RLC低层及以下划分于星载DU，RLC高层及以上划分于地面CU。RLC下层由分段功能构成，RLC上层包含ARQ和RLC的其他功能。在该切分方式下，星上不负责处理ARQ协议，可以降低对计算和数据缓存的要求，但由于ARQ协议对时延敏感，口空传输效率易受馈电链路时延影响。方案四对MAC层内部进行划分，将MAC低层及以下划分于星载DU、M A C高层及以上划分于地面CU。MAC高层负责控制多个MAC低层与集中式资源调度，能够执行CoMP等干扰协调机制。对时延具有严格要求或性能与时延密切相关的功能则位于MAC低层，如HARQ、信号测量、随机接人控制。该划分方式能减少F1接口对时延的要求，还能够高效地执行多卫星小区移动通信1062024年1月第1期总第52 1期专题面向6 G的星地融合网络技术第48 卷干扰协调。然而，在MAC层内部进行功能划分会导致CU-DU间的接口复杂度增大，调度决策也将受到星地馈电链路传输时延的影响。方案五将完整的物理层划分于星载DU，M A C及上层划分于地面CU。该划分方式下，地面可以实现MAC层及以上的资源池化，但需要CU中的MAC层和DU中的PHY层间进行子帧级定时交互，同时CU与DU间的馈电链路传输时延也将影响HARQ性能。方案一至方案五对应的CU功能逐渐增强，DU功能逐渐减弱。相应地，随着CU功能增多，F1接口的传输数据有效载荷中数据包头增多，带宽需求逐步增大，对F1传输时延的要求也越来越严格1.3基于完全可再生处理的手机直连低轨卫星网络架构（1）面向存量终端且基于基站完全上星的手机直连低轨卫星网络架构该类架构目前以支持4G存量终端为主，架构如图5所示，其由普通4G手机终端、卫星、信关站、地面核心网、卫星运营商网络和公共数据网组成。其中，卫星采用可再生处理技术，搭载完整的功能增强4G基站（eNodeB）。为了实现存量4G终端无感知接人，星载基站需针对空间节点高动态、大多普勒频移与时延等问题进行协议增强，例如，在HARQ机制中根据调度的用户信息提前发送ACK以适应大传播时延，同时在星载基站中引入地面网络干扰感知技术，提升频谱共享下用户链路上行信号的接收成功率。数据流转上，存量手机依靠4G空口直连低轨卫星，用户数据经过星间链路转发，下传至卫星运营商网络，再传输至地面运营商网络。当涉及用户在天基和地基网络间的切换时，本质上为用户在两张网络间的漫游。当前，该架构被LynkGlobal与SpaceX等公司广泛采用，实现手机直连业务的快速部署。LynkGlobal已与全球30 多个移动通信运营商签订了手机直连卫星服务商业协议。2 0 2 3年10 月11日，SpaceX宣布将推出基于4GLTE体制的存量手机直连星链业务，特别地，2 0 2 3年12月1日，FCC对SpaceX2代星链星座部署与运行蜂窝网卫星进行了许可，允许SpaceX在美国本土使用T-Mobile频段，将19 10 19 15MHz和19 9 0 19 9 5MHz分别用于手机直连卫星的上行链路和下行链路通信。业务方面，SpaceX预计2 0 2 4年实现短信发送，2 0 2 5年实现语音通话和互联网业务，同年分阶段实现物联网业务。此外，星链卫星V2.0将在Ku、K a 天线和星间激光终端基础上，额外配备面积达2 5平方米的大型天线，以弥补手机直连链路预算的不足。星间链路eNodeBeNodeB星间链路用户链路馈电链路Uu馈电链路馈电链路回传链路骨干链路UE卫星运营商网络UE信关站UE骨干链路Uu天地漫游S1-公共数据网X2AMME/S1-U地面核心网eNodeB图5基于4GLTE基站上星的存量手机直连低轨卫星架构（2）基于NTN基站的手机直连低轨卫星网络架构3GPPRel-16研究了基于NTN基站的手机直连低轨卫星网络架构。如图6 所示，基站完全上星架构由NTN终端、NTN星载基站、信关站、地面核心网、公共数据网组成。其中，卫星具有射频滤波、频率转换、信号放大、解调/解码、星间路由、编码/调制、无线资源管理、接人控制等功能14。NTN终端与卫星间的服务链路采用NR-Uu接口，卫星与信关站间的馈电链路可以采用DVB-S2X或5GNR通信体制以承载控制面NG-C和用户面NG-U数据，信关站则提供卫星与地面核心网的连接。此外，该架构不紧密依赖地面基础设施，可以通过星间多跳回传实现全球覆盖。由于基站完全上星后显著缩短了终端到基站的距离，能为物理层与MAC层提供更小的传播时延15星间链路现有卫星通信空中接口（DVB-S2X等）用户链路星载NTN基站馈电链路1回传链路信关站NR-UuING&NGu核心网NG6UE1公共数据网UEUEUEUE图6基于NTN基站上星的手机直连低轨卫星网络架构1.4基于集成接入和回传的手机直连低轨卫星架构为了更好地实现星间链路与卫星拓扑管理，还可以考虑基于集成接人和回传（IAB，I n t e g r a t e d A c c e s s a n dBackhaul）技术的5GNTN网络架构16 。如图7 所示，一个IAB网络包含锚点IAB（I A B-d o n o r）和IAB节点，IAB节点通过一跳或多跳的形式连接到IAB-donor。IAB节点由终端功能部分IAB-MT和分布式基站功能部2024年1月第1期107移动涵信总第52 1期孙耀华，许宏涛，彭木根：手机直连低轨卫星通信：架构、关键技术和未来展望第48 卷分IAB-DU组成。IAB-MT具有UE的部分功能，它可以以UE的身份与另一个IAB节点的IAB-DU或者IAB-donor连接。IAB-DU具备gNB-DU的功能，允许来自普通UE或者IAB-MT的接。任意IAB节点通过其IAB-MT与父节点相连，通过IAB-DU为其子节点提供服务。IAB-donor为IAB拓扑执行集中资源管理和路由管理等。NTN借助IAB架构可将卫星作为IAB节点，基于IAB-DU与IAB-MT的互连实现基于星间链路的卫星间多跳连接和数据传输核心网回传链路星间链路用户链路馈电链路CU-UPCU-UP其他功能回传链路无线IP连接AB-MTLAB-DUDUIAB-donorDU馈电链路馈电链路IAB-nodeIAB-nodeIAB-node星间链路用户链路IAB-nodeIAB-nodeUEUEUE图7基于IAB的手机直连低轨卫星网络架构2手机直连低轨卫星关键技术2.1时频同步技术在移动通信中，终端需要与通信网络进行初始时频同步，并在接入网络后不断跟踪时频偏以维持同步状态，确保数据传输能够正常进行。在手机直连低轨卫星通信场景下，由于低轨卫星相对地面用户快速移动，通信过程中产生的多普勒频偏和定时变化率将远超地面移动通信场景。以低轨卫星轨道高度6 0 0 km、载波频率2 GHz为例，星地最大多普勒频移可达40 kHz，同时最大定时提前与定时变化率分别高达7 ms与38 s/s。针对频偏，以单载波传输为例，在透明转发场景中，NTN基站可通过星历信息和卫星波束中心点位置计算频偏并进行预补偿，同时广播星历信息与波束中心点位置，非波束中心点用户根据广播信息计算与中心用户的频差以进行用户链路频偏二次补偿；在可再生场景中，星载基站根据终端和信关站位置分别补偿用户链路和馈电链路频偏，非中心用户针对中心用户位置进行频偏补偿。在多载波系统中，手机终端通过导频接收处理获取载波级实时多普勒频偏，然后在发送上行信号或接收下行信号时对信号进行预补偿。对于时间补偿，同样选用参考点补偿方式，当将参考点选定在卫星侧时，手机以星地往返传输时延作为时间提前量进行补偿。2.2链路状态预测技术自适应调制编码（AMC，A d a p t i v e M o d u l a t i o n a n dCoding）是一种链路自适应技术，主要思想为接收端根据解调参考信号（DMRS，D e m o d u la t io n Re f e r e n c eSignal）的信噪比估计链路特性，将测得的信噪比的估计值映射得到信道质量指示（CQIChannelQualityIndication）参数并反馈给发送端，发送端根据CQI参数采用匹配信道状态的数据调制和信道编码方案，最大化信道利用效率。具体而言，在手机直连卫星的下行传输场景中，用户根据DMRS测得CQI并反馈到卫星，卫星根据CQI调整调制编码方案；在上行传输场景中，卫星根据上行DMRS测得CQI，然后下发控制信令使用户调整调制编码方式17 。由于星地链路传输延迟严重，导致CQI反馈控制信令下发滞后于链路状态变化17 ，影响AMC技术性能。为解决上述问题，可在接收端采用链路状态预测技术获得未来的信道CQI，以弥补反馈滞后的影响。目前，链路预测技术主要依靠基于时间序列的预测算法，核心思想为利用当前和过去时刻的链路状态信息预测未来时刻的链路状态，具有计算复杂度低和实时强性的优点，但高动态性的星地链路可能导致时间序列数据不稳定，而传统的时间序列预测算法通常假设数据间存在线性关系，因此难以适用。基于机器学习的预测算法能够通过卷积神经网络（CNN）提取采样数据特征，随后利用长短时记忆网络和门控循环单元提取时间序列数据的依赖关系，同时考虑多种信道影响因素如频移、多径数目等，以提高预测准确性，更好地适应星地快速时变链路18-2 0 。2.3物理层波形技术正交频分复用（OFDM，O r t h o g o n a l Fr e q u e n c y D i v i s i o nMultiplexing）技术由于具有频率资源利用率高、调制解调过程易于硬件实现、抗频率选择性衰落等优点，在地面移动通信中得到广泛使用。但OFDM波形同时具有较高的带外辐射、CP开销和峰均比等问题。考虑到低轨卫星通信具有功率和频谱资源受限以及器件非线性程度高等特点，难以直接将OFDM波形应用于手机直连低轨卫星通信。为此，可考虑采用广义频分复用（GFDM,Generalized FrequencyDivision Multiplexing）2 1 技术作为OFDM技术的扩展。GFDM是在OFDM基础上，结合滤波器组的一种非正交调制技术，不仅保留了OFDM大部分优点，还具有低带外辐射、数据块结构灵活、低峰均功率比等优点。通过采用循环移位滤波器及时域窗函数，GFDM各个子载波波形主瓣的带外衰减速率能大幅增加，进而降低带外功率泄露，减少相邻频段干扰。此外，移动涵信1082024年1月第1期总第52 1期专题?面向6 G的星地融合网络技术第48 卷GFDM通过循环移位滤波器实现子符号在时域的叠加传输，每组叠加子符号只需添加一次CP，无需像OFDM一样为每个符号添加一次CP，可以减少CP开销，提高通信频谱效率。在传输相同数据量时，GFDM需要的子载波数更少，配合限幅性能优良的滤波器可以有效降低峰均比。已有研究2-2 3 分析了OFDM和GFDM的误码性能，指出在数字广播电视的超高频场景中GFDM误码性能优于OFDM，并证明GFDM相较OFDM对时序偏移和相位噪声具有更强的鲁棒性。2.4星载大型天线技术传统民用非手机直连卫星通信系统（如SpaceX公司的StarlinkV1.0），地面终端的天线直径一般为2 0 30 cm在手机直连低轨卫星通信场景下，考虑到用户使用体验，难以安装该类天线。因此，主要通过在卫星侧安装功率更大、增益更高的大型天线实现手机直连卫星通信。星载大型天线技术的核心为在卫星上搭载大规模天线阵列，提高阵列总增益，解决星地链路损耗问题。其中，相控阵天线由于具有灵活度高、覆盖面大、抗干扰性强等优点，预期成为未来低轨卫星普遍使用的天线形态。大型星载相控阵天线能提供较大的发射功率与较高的增益，能满足窄波束传输、波束指向灵活调整以及多点波束传输等需求。美国SpaceX公司发射的首批StarlinkV2.0mini卫星部署了比V1.0规模更大的相控阵天线。ASTSpaceMobile公司的在轨测试卫星BlueWalker3同样搭载了大型相控阵天线，完全展开后的面积达6 4平方米，是目前尺寸最大的商业相控阵天线。受限于卫星搭载能力，需要通过采用高收纳比的二维在轨展开技术，将不同工作频率的收发天线在相同口径面积内集成，构建高增益、低剖面、超轻薄、收发共面的大面积高精度相控阵天线。2.5随机接入技术当手机终端具备精准星历信息和自主定位能力时，能够通过上行前导发送时的时频偏预补偿实现对地面移动通信系统前导序列的沿用，但当导航定位信号被拒止、手机定位能力不可用时，使用现有前导序列直接接人卫星将易导致定时提前估计失败。此外，传统四步随机接人在星地长时延下存在效率低、接入速度慢的问题。为此，考虑以地面移动通信随机接人方案为基础，对手机直连卫星场景中上行随机接人进行适应性增强，主要包括用户终端侧初始时频预补偿方案设计、星地兼容的前导序列格式设计和极简随机接人流程设计。时偏补偿方面，卫星通过公共物理下行共享信道指示公共时偏值，手机以该值作为时间预补偿值。星地兼容的前导序列设计以最大程度复用地面系统已有ZC序列生成及检测模块为目标，通过灵活级联ZC序列并在两种序列间进行差异化功率分配，降低前导检测过程中的多用户干扰影响，支撑大量用户并发接人2 4。星地极简接人流程将接人过程分为卫星广播、用户同步信号检测与前导生成、卫星多用户检测与传输资源分配，通过简化星地间信令流程，实现快速接人2 5-2 6 。2.6波束管理技术低轨卫星星座广覆盖下，网络流量空时分布不均特征显著，此外，多星波束联合调度涉及因素众多，决策复杂度高。传统固定波束资源分配分下，难以适配业务流量空时分布非均匀特点，导致资源浪费2 7 。为此，函需研究更加高效的波束资源管理体制。考虑到波束资源调度可进一步分为波束与小区间服务关系规划、服务时间及波束频率规划以及波束内用户间资源调度，可采用分层的波束资源管理架构2 8 。具体地，在基于星上部分可再生的网络架构下，地面CU负责根据用户上报的业务需求、波束小区位置信息、卫星星历等信息进行周期性、网络级的波束资源调度，给出下一调度周期波束小区服务关系、服务时间和所用频率分配，在波束规划周期内，星上DU则对各波束内的用户进行更细粒度的无线资源分配。此外，为了支持卫星波束跳变，还需研究波束信息指示、波束切换和波束恢复机制。波束指示信息包含卫星向用户提供的目标波束工作频点、带宽和可用服务时间，用户通过对比目标波束索引值和当前波束索引值确定是否触发波束切换流程。波束切换与恢复可分两种情况进行讨论，第一种是控制波束与业务波束分离的宽窄波束场景，第二种是控制波束与业务波束结合的场景。在宽窄波束场景中进行波束切换时，宽波束负责为用户提供目标业务波束的时频资源信息，用户通过检测目标波束的CSI-RS实现同步。由于用户与宽控制波束一直维持同步状态，当波束切换失败时，用户通过宽波束指定的上行传输资源反馈失败事件，随后网络通过宽波束向用户再次发送目标业务波束时频资源信息。在控制波束和业务波束融合的场景中，用户通过检测SSB实现与目标波束间的下行同步并获取接人资源信息，当用户上行接人失败时，用户通过上行随机接入信道向网络反馈波束切换失败事件。网络收到随机接人请求后，再次分配接人资源，2.7移动性管理技术由于低轨卫星高速移动，单颗卫星覆盖地面用户的时间较短，需要用户和卫星间进行频繁切换以保证通信连续性。然而，手机直连低轨卫星场景下，大量用户并发切换易导致切换成功率低、传输中断时间长以及信令开销大等问题。针对海量用户并发切换，在切换开始前，2024年1月第1期109移动通信总第52 1期孙耀华，许宏涛，彭木根：手机直连低轨卫星通信：架构、关键技术和未来展望第48 卷可基于用户业务模式、传输速率需求及卫星负载限制对用户进行群组分类，减少切换过程中的重复信令传递，有效降低切换开销和平均切换时延，提升切换成功率。此外，传统星间切换方案主要从单一判决指标出发，为实现零传输中断的星间切换，需研究基于多属性判决的星间无缝切换技术2 9-30 。核心思想为基于卫星仰角、数据队列延迟、空闲信道资源和发射功率等多指标提出多属性融合算法，进行切换链路预判决同时进行资源预留，并在切换过程中执行基于用户双激活协议栈（DAPS，D u a lActiveProtocolStack）的软切换。位置管理方面，终端与卫星波束小区的双重移动性显著增加了位置管理开销，同时卫星广覆盖与长距离星地链路将带来极大的寻呼成本与信令传输延迟。为实现低开销位置管理，可以基于地面移动通信网络中的位置管理体制，设计地面固定的多层位置区和通用信令结构，构建时空融合以及用户移动和业务特征感知的位置管理方案。3未来展望与技术挑战为增强手机直连下的天基网络信息服务能力，未来还需开展通导一体化、星载边缘计算、终端直通通信、时分双工通信等技术研究。3.1通导一体化低轨卫星系统具有信号损耗小、多重覆盖等优势，将通信与定位导航功能整合，可以提供更加丰富的信息服务。传统低轨导航方案中，受限于低轨卫星体积、功耗、成本等因素，低轨卫星普遍采用高稳晶体振荡器作为时频基准构建的基础，但随着光学和微机电系统的进步，低功率、小体积的原子钟，如芯片级原子钟，能够为低轨卫星提供高精度时间基准。另一方面，传统地面测控系统测距、测速、测角技术与卫星激光链测距、航天器自主测控等新技术能实现卫星精确定轨，从而构建高精度空间基准。在高精度时空基准基础上，低轨卫星可独立产生测距信号，通过调制方式、电文、测距码、扩频码等通导一体化信号体制设计实现通导应用中对频谱资源的高效利用31，此外，利用波束调度与赋形技术，还能够充分发挥低轨卫星星座在几何精度因子（GDOP,GeometricDilutionofPrecision）方面的优势，提升终端的导航信号接收信噪比与定位算法解算速度，满足精度高、时效性强的定位需求32 。3.2星载边缘计算星载边缘计算是指利用星上部署的计算和存储等资源，实现数据在轨处理等功能。随着航天电子技术的飞速发展，星上处理能力近年来得到了显著增强。早期星上处理器一般采用单双核架构，计算能力弱，如基于X86架构的8 0 38 6 ex处理器芯片的主频为33MHz，算力只有11DMIPS。目前，星载处理器主要为基于ARM框架的多核处理器，算力显著提升，如基于ARM框架的HPSC主频为8 0 0 MHz、计算能力为150 0 0 DMIPs34。未来，星上处理器将朝着众核、智能以及低成本方向持续发展，将为星载边缘计算提供有力支撑，最终大大降低业务时延，在遥感数据在轨处理、物联网业务、小数据内容分发方面应用前景广阔3.3基于天基的终端直通通信在战术分队、特殊任务执行等应用场景下，存在用户间通过卫星直接通信的低时延、保密通信需求。为实现终端直通通信，可对接入协议栈的用户面进行增强设计，包括拓展卫星载荷协议栈使其具备全部基站功能，或将用户面功能下沉，卫星载荷仅充当数据传输的管道。若采用拓展卫星载荷协议栈的方案，卫星载荷需实现用户数据收发、调制解调、分段重组、加解密等功能，对载荷处理能力提出严峻挑战。同时，当端到端通信带宽较大或用户数目较多时，该方案将使卫星功耗显著增加。在用户面功能下沉方案中，业务数据的加解密、压缩解压缩、业务分流等功能直接由终端实现，卫星处理载荷不再负责相关的协议处理。同时，为保证分组数据单元与承载的正确对应，服务终端用户的两颗卫星间需建立拓展的Xn-U接口。3.4时分双工通信在手机直连低轨卫星场景中引人时分双工通信体制，可以应对上下行流量非对称带来的资源浪费问题35。通过对顿结构中的上下行时隙进行灵活配置，可以实现有限频谱资源与上下行业务需求的有效匹配。此外，由于下行和上行传输分配在相同频带，TDD制式在CSI获取方面具有天然优势，可有效支撑星载大规模相控阵的运用。同时，收发同频也有利于通过双工器或开关电路简化天线设计，降低手机硬件成本。然而，由于星地链路传播时延较大，该技术在手机直连卫星场景中需解决上下行保护时间间隔过大导致的资源浪费问题。4结束语本文首先介绍了手机直连低轨卫星的网络架构，包括基于卫星透明转发与可再生处理的架构等。之后介绍了面向手机直连的低轨卫星通信关键技术，包括时频同步、链路预测、物理层波形、星载大型天线、随机接人、波束管理、移动性管理等。最后，对手机直连卫星下的移动通信1102024年1月第1期作者简介总第52 1期专题“面向6 G的星地融合网络技术”第48 卷通导一体化、星载边缘计算、终端直通通信、时分双工技术进行了深入探讨，给出了启发性思路参考文献：1 IMT-2030（6 G）推进组.6 G总体愿景与潜在关键技术白皮书 R.2021.2 孙耀华，彭木根.面向手机直连的低轨卫星通信：关键技术、发展现状与未来展望J.电信科学，2 0 2 3,39(2):2 5-36.3彭木根，孙耀华，王文博，智简6 G无线接人网：架构、技术和