卫星通讯领域FPGA关注技术：算法和图像方面（4）

最近关注的公众号提到了从事移动通信、卫星通讯等领域的FPGA、ASIC、信号处理算法等工程师可能需要关注的技术，有5G NTN、多址技术、低轨通信卫星LEO，以下做了一些基础的调研：

1 5G NTN

来自《5G NTN技术白皮书：天地一体、手机直连》：
5G NTN（5G Non Terrestrial Network）是面向卫星通信和低空通信等新应用场景的重要演进技术，标志着 5G 从地面走向了空间。5G NTN 基于 3GPP 开放 标准，可实现卫星通信与地面通信体制兼容，借助手机直连，可充分利用和分享 地面 5G 的产业链和规模经济效益，快速扩增卫星通信产业规模。
中兴通讯:公司已完成5G NTN手机直连卫星外场验证、海域场景。
在世界移动通信大会(MWC2023)上,联发科(MediaTek)带来了突破性的 5G NTN 双向卫星通信技术,NTN再次进入大众视野,该技术可以填补移动通信网络覆盖的空白。
5G NTN 关键技术
1） 时频率同步补偿
对于低轨卫星移动系统，多普勒频率补偿是一个关键技术点。
在3GPP Rel-17 NTN中，由于场景设定为透明转发卫星，因此多普勒变化影响服务链路和馈电链路。从UE的⻆度看，服务链路可以通过星历信息和终端的位置信息计算相应的多普勒变化，而对于馈电链路，由于缺乏地面网关的位置信息，这部分多普勒偏移需要由基站进行补偿。
在多普勒补偿时，网络需要广播星历信息给终端，星历的精度和格式是其中的关键因素。在5G NTN系统中，时间同步误差需要在1/2CP（cyclic prefix）范围之内，频率误差需要控制在0.1×10-6以内，因此星历信息需要周期性更新，并保持必要的精度。

2）定时增强
考虑在NTN 中，星地通信时延过大，远超出地面网络中定义的相关定时参数（如PDSCH到HARQ反馈时延1、上行调度到PUSCH传输时延2等）的最大指示范围，为了不影响标准的兼容性，3GPP Rel-17在已有的定时参数基础上，引入新的值偏移量 (_offset)，即所有有影响的定时关系上，增加一个_offset, 用于涵盖星地传播延时影响。
具体包括DCI调度PUSCH传输的定时关系、RAR调度PUSCH传输的定时关系、PDSCH到HARQ反馈的定时关系、参考CSI资源的定时关系、非周期SRS（sounding reference signal）的定时关系、MAC CE（control element）承载的TA命令的生效时间、PDCCH调度PRACH传输的定时关系等。定时增强设计引入一个偏移量K_offset，应用它来修改对应的定时关系，针对不同定时关系的具体值可以不同。

3）HARQ增强
对于GEO和MEO网络，HARQ进程数过大导致UE缓存能力受限。因此，3GPP Rel-17确定NTN有能力配置UE是否关闭HARQ的反馈和重传功能，并且基于终端能力的考虑，确定最大仅支持32个进程。
现有技术中，HARQ关闭意味着UE无法做软合并。当PDSCH传输失败后，RLC层重传虽然也能工作，但与MAC层的HARQ重传相比，一是频谱效率低，UE无法将多次重传结果做软合并；二是时延。为了避免RLC层重传，NTN需要通过降低频谱效率的手段（如重复传输、高BLER目标、低MCS调度等）提高初传成功率，但同样导致NTN的频率效率较低。

4）连接态的移动性管理
（1）条件切换
对于低轨卫星，波束覆盖存在覆盖固定波束和覆盖移动波束两种模式，所谓覆盖固定波束指的是波束指向地面固定的区域，而覆盖移动波束指的是波束随着卫星的移动而移动。
连接模式移动性管理按照UE移动以及卫星移动分为以下5种特定场景：
场景1：用于覆盖固定波束的馈电链路切换，包含UE服务链路切换。
场景2：用于覆盖移动波束的馈电链路切换，包含UE服务链路切换。
场景3：卫星切换导致的覆盖固定波束服务链路切换。
场景4：当覆盖移动波束不再服务于UE时，覆盖移动波束的连接模式移动性。
场景5：由于UE移动，覆盖移动和覆盖固定波束的连接模式移动性。
对于NTN系统的切换，主要考虑的问题是如何利用星历和终端的位置信息，以保证切换的可靠性。在3GPP Rel-17 NTN中，引入了条件切换（conditional handover，CHO）的技术方案，即基于卫星移动的规律提前按照某种条件配置终端到点自主切换。
（2）测量方案增强
传统的同频测量和异频测量，不同的地面基站到终端的传输时延差比较小。而对于非地面网络，卫星到UE之间的传输时延差异较大，尤其是LEO和GEO到UE的传输时延差，更是到了百毫秒级别，如果使用现有的测量配置可能导致UE无法检测到目标小区的同步信号和PBCH块（synchronization signal and PBCH block，SSB）。
同时，由于卫星的移动速度比较快，可能测量配置在实际执行时会比地面网络的错误率高很多，因此在3GPP Rel-17，对测量方案进行了增强，充分考虑目标小区和服务小区到UE的传播时延差，使得UE能够正确检测到目标小区的SSB。同时，综合考虑卫星的移动速度，提高测量配置的容错性能。

2 多址技术

在高速数据传输中,FPGA多址检测系统的设计对于实现多用户间的无冲突传输至关重要。FPGA多址检测系统主要包括多址检测技术的选择与实现,以及多用户数据的解析与重组。
【学术论文】基于5G无线通信的稀疏码多址接入系统的FPGA实现
在理解无线通信多址接入的基础之上,提出了一种低复杂度的基于5G无线通信的稀疏码多址接入系统的FPGA实现方案。

定义：多个用户直接使用一个公共信道实现各用户间通信的方式，亦称任意选址通信和多元联接。在通信网中，为减少在各用户间直接敷设线路的数目，通常设立交换中心，这时每一用户只要有一对用户线联结到交换中心就能实现各用户间通信；但也可以利用一个大容量的公共信道，按选定的用户地址直接实现相互间通信（即多址通信）。多址通信广泛应用于移动通信网、卫星通信网，也广泛用于计算机区域网络上，这是一种很有发展前途的通信方式

多地球站，无论距离多远，只要位于同一颗卫星的覆盖范围内，就可以通过卫星进行双边或多边通信。多址技术是指系统内多个地球站以何种方式各自占有信道接入卫星和从卫星接收信号。目前使用的技术主要有频分复用(FDMA)、时分复用(TDMA)、码分复用(CDMA)、空分复用(SDMA)、随机多址接入(RA/TDMA)。

3 低轨卫星LEO巨型通信网络

5G商业化方兴未艾，6G技术布局却早已开始。在各种不同的6G技术方案中，低轨通信卫星（LEO, 简称“低轨卫星”）已然被视为未来高效智能互联时代的关键一环。
超低轨道的引入,可能改变互联网的范式。与传统的 LEO 或 GEO 卫星相比,基于 VLEO 巨型星座的通信因具有传输时延低、传播损耗小、区域容量高以及制造和发射成本低等显著特点。