非常高兴能把我们课题组的成果跟大家汇报一下。

今天我主要介绍一下在地变卫星通信系统融合的架构下面我们需要做哪些工作。刚才盛教授、张教授，他们已经从体系架构上面给出了很多建议和设计。我是从传输角度谈一谈，地面卫星通信系统和卫星通信系统融合存在哪些问题，并且是如何解决的。

第一个就是现在国际上3gpp重要的议题，5G新空口对非地面网络的支持。体系架构本质上就是一个天地融合的设计目标，为什么需要这样一个融合呢？实际上卫星移动通信系统，已经存在很多年了，甚至早于地面中国移动通信系统。但是发展到现在，用户的体量、市场的规模远远不如地面的中国移动通信系统，最主要的原因就是它的成本太高了。未来的移动通信系统，我们在座这么多位同学和嘉宾，肯定很少有人用过卫星的手机，因为卫星手机跟我们用的手机是不兼容的。

在这样一个背景下，在我们的需求没有达到必要性的时候，我们是不会去用它的，正是因为这样的背景，所以卫星终端用户的体量远远小于地面移动通信系统的体量，这样的话制造成本是不能比的。在这样一个背景下，我们追求一个融合的目标本质上是一个终端的融合，也就是说我们现在的手机，到了飞机上直接可以用它来跟卫星通信，要实现这样一个目标，必须在空口的传输体制上对它们进行一个融合。

5G非新空口，非地面网络的设计目标实际上第一个在无法提供服务的地方，能够提供5G的服务。在郊区农村，5G服务水平比较低的地方，增强服务。在飞机、舰船、高速列车的场景下，提高高可靠的通信服务。现在这样一个融合架构，我们还是从终端的角度去理解它。

第一个，是需要高真意（音）的天线，有两种形态，一个是常规的波天线，还有一种，未来卫星移动通信系统的普及的话，很多科学家都在探索低成本的终端。第二种终端就是我们的手机终端，手持终端或者说刚才张教授提到的物联网终端，这两种终端，在3gpp架构下，目标是不一样的，第一种终端目标定位高频段，高频段可以提供更大的带宽，是提供宽带接入。第二种为了满足我们最基本的语音通信需求，和一个最基本数据通信的需求。

所以，在这样一个融合的框架下面，我们要研究，我们要探索5G的新空口传输体制，怎么用于卫星通信系统。这里我们结合卫星通信系统卫星信道的特性，我们来研究天地融合到底存在哪些问题。

第一个，我们知道新上的功率是受限的，卫星全部通过太阳能面板提供能源，见不到太阳的时候，在地球背面的时候，还要用蓄电池来进行供电，所以新上功率是严格受限的，这跟地面基站不一样，地面基站有足够的功率，覆盖一个很小的小区，但是新上的功率，有限的功率，要提供一个广域覆盖。所以我们要达到一个目标的吞吐量，与功率受限的特性，就要求我们传输的技术，传统的波形具有非常高的功率效率，最后能够工作在功率放大器的饱和区。

我们在传输技术方面要研究，一个怎么样提高频谱效率，怎么样提高功率效率的一些传输技术。第二个低轨卫星通信系统，卫星与地面之间存在一个非常高速的运动，这个高速的运动，引起了超大多普勒频偏，在5G现有的新空口的协议，能不能支持在这么大的多普勒环境下的射频同步，这是我们传输要面临非常大的问题。第三个卫星通信系统传播时延非常大，远远高于地面基站的传播时延。

像混合HARQ物理层的关键技术，如何用到星地链里头来，这也是一个挑战。第四个是卫星的小区半径非常大，一个卫星可能覆盖几千公里的，一低轨卫星可能覆盖几千公里的范围，从小区中心到小区边缘，从小区中心用户和小区边缘的用户到卫星的时延差也是非常大的，在这种背景下，我们用户随机接入的技术就要重新设计。

我把我们课题组围绕刚才提到的这些问题，最近的一些成果跟大家汇报一下。第一个就是一个波形技术，我们设计的一个关键就是要求，具有一个非常低的分均比，来满足新上高功率的要求，和将来手持终端的一个，高功率效率的要求，和手持终端的高功率下面的要求。

然而在5G的通信空口的体制下面，下行用的是OFDMA的技术，上行可以用OFDMA，这两种波形分均比都是比较高的，5G下行传输没有考虑分均比的问题，我们要研究这样一个问题，是否可以在5G新空口，OFDMA的框架下面，实现接进基带信号，满足这样一个高功率效率的要求。这部分波形设计的目标，第一个我们要保持一个与5G新空口波形高度兼容的实现结构，第二个我们这个带宽要灵活可调，中心频率也要灵活可调。一方面是为了满足用户灵活上行传输的要求，第二个为了满足下行传输的时候，我这个波束用的这个频段，另外一个波束用的另外一个频段。

我们在这样一个OFDMA的基本框架下面增加一个预处理操作，和一个滤波的操作，这两部分操作加进去了以后，我们在OFDMA的框架下面，可以实现原来在OFDMA条件下没有提到的GMSK的调制方式。最右边给出了TATI的比较，在OFMA的框架下面实现中心频率可调，带宽可调的生成的信号还是很接近，很薄弱的。MSK的频谱，右上方的图，频谱比较难看，所以我们考虑可以用GMSA的框架，我们发现用了以后就是那个绿线，TATI也是很薄弱的。RCM，就是CM是比TCI更好度量功率效率的波形特性。我们看到如果用GMSA调制的话，我们立方度量可以到0.01这个量级，非常接近0.004的量级。这种情况下面，频谱就比GMSK要好很多。我们认为在现有5G波形框架下面，我们如果增加一种调制方式，增加一种实现结构兼容的调制方式，是完全可以解决新上的下行的功率效率的要求，和星地线路上衰落，对终端功率效率的要求。

第二个问题就是高速度引起的大多普勒频偏问题。我们OFDM信号对频偏比较明显。5G的下行频段设计，没有考虑到卫星通信系统大多普勒的环境。我们这边要回答一个关键问题，我们能不能通过算法的设计，通过算法的改进，只利用5G的下行基带信号，结合5G下行同步信号，实现在大多普勒频偏信号下的同步。在这边我们做了一些理论的研究，这个主要是一些数学推倒的，基于检测理论的推导，还有数学方法的应用。我们用了一个近似最大自然的准则，并且我们利用了多普勒频偏是一个有限复制的特性。我们又利用了信号处理里面有一个离散椭球序列，去构造本地相关的序列，在这三个优化的情况下面，我们设计出来了与传统相关兼容定时估计的方法。我们可以看到右边，我们分别在卫星的AW之间信道，宽带和窄带之间做了一个信道，负6到负8，即使在卫星大多普勒情况下面，也是可以获得定时同步的。

第三个问题，就是大小区半径用户随机链路的问题。在这种情况下面，我们研究了一个基于的随机接入技术，基本思想就是利用卫星移动通信，低轨卫星过顶的时候，时间偏移，同步位置不停在变化，多普勒也在不停变化，利用这样一个变化的特性，我们反推出用户和卫星之间的距离，可以保证用户在随机接入的时候，到达卫星的时候，我们正好就在卫星的窗口内。右边给出了这样一个性能仿真，我们这边的设置就是跟鸿雁基本上接轨，轨道的高度是1070公里，近角的发送，窄频是1.6g，实际上鸿雁是一点几，我们只要再观察10秒，用5G自带的同步信号观察10秒钟，我们就可以得到自己大概的位置，这个位置的精准误差，主要分布集中在2公里以内，但是最差的情况可能会到10公里的样子。这种估计的误差是完全在CP14公里的保护范围内，这样一个框架下面卫星隔5爱毫秒广播一次，剩下用5G的信号。这种情况下面就可以完成用户随机接入的问题。

第二种场景，我们考虑卫星不广播星历，跟协议上跟5G就完全兼容了，利用这个距离得到定时提前量，能够让我们信号随机接入请求在卫星的这样一个观察窗口内，这个也是我们的仿真结果，也可以满足随机接入的要求。

我们为了满足大吞吐量，大的频谱效率的要求，我们现在地面5G的通信系统，已经全面使用了基于大规模传输的方法。在卫星系统当中，实际上卫星系统当中早就使用了波波束卫星通信，我们使用多个波束覆盖地面不同的区域，他们之间会有一些干扰，我们一般通过多色复用的方法覆盖这个干扰。多波束卫星通信实现获得这样一个大规模的等效信道，是5G的，我们研究的大规模的颗粒。采用多波束集中处理，是可以把这个波束之间的干扰转化成一个有用的信息，从而避免使用能够降低频谱效率的方式，这里面有两个重要内容，一个是上行传输，多给用户发基站，用多波束的联合处理，同频组网是一个最基本的假设，能够最大程度获得频率效率最基本的假设。用上行多波束联合接收，下行的时候是多波束联合的预编码。

这样基本传输框架下面，可以打幅度提高星地链路的频谱效率。我们在这里面把，我们用可达速率，基本框架得到的一个信息理论最高的性能，也就是我们这个系统设计能够挖掘最大的潜力。

我们可以看到同频复用，不管是上行链路还是下行链路，远远优于多色复用的场景，这是一个我们最近研究出来的一个基本结论。

我最后的总结就是5G与卫星融合是新一代卫星系统，移动通信系统发展最重要的方向，利用新型的低峰均比技术，可以显著提升卫星通信系统频谱利用率，并满足地面兼容的要求。用我们提出来的高效定时频偏估计算法，能够直接使用5G的下行信号，满足大多数频偏环境下的时频估计要求。我们提出来基于用户位置信息随机接入方法，进行少量适应性改造，可以兼容5G随机接入过程。第四纪，我们提出来一个星地链路部署域传输技术，可以显著提升卫星通信系统频谱利用、功率效率，并且满足于地面系统的兼容性要求。

前期的工作主要是在于挖掘关键技术在卫星移动通信系统场景的潜在性能优势，后面还需要有一些技术细节，还有实践可行性，以及完整的传输设计，需要深入研究。

我的报告结束了，谢谢大家！