非地面网络中语音呼叫的上行MAC层调度优化：提升5G-NTN可靠性与能效研究

《IEEE Journal on Selected Areas in Communications》：Uplink MAC-Layer Scheduling for Voice Calls over Non-Terrestrial Networks

本文针对非地面网络(NTN)中智能手机直连卫星场景下语音服务的高延迟、低信噪比(SNR)挑战，提出一种基于混合自动重传请求(HARQ)与增量冗余(IR)的MAC层调度优化方案。通过建立端到端延迟随机模型，联合优化调制编码方案(MCS)与物理上行共享信道(PUSCH)重复次数，实现在有限延迟预算(80ms)内最大化语音包接收成功率。仿真结果表明，该调度器在卫星高度2000km、仰角10°-100°范围内可支持高质量语音通话，且比基线方案节省约20%无线资源与能耗，为5G-Advanced/6G星地融合通信提供了关键技术支撑。

　　

当登山者在无人区遇险时，智能手机的卫星通信功能可能成为救命稻草。然而，当前星链(Starlink)等系统仅支持短信和紧急求救服务，语音通话仍面临巨大技术挑战。这背后是低地球轨道(LEO)卫星与手机之间超长距离带来的严重路径损耗和高达33毫秒的信号延迟，而传统地面基站的功率控制策略在卫星链路上完全失效——手机必须持续以最大功率发射信号，陷入“功率受限 regime”的困境。

发表于《IEEE Journal on Selected Areas in Communications》的这项研究，首次系统解决了5G非地面网络(NTN)中语音通信的可靠性问题。研究团队发现，在卫星链路中，传输块(TB)极易因低信噪比而损坏，但重传又受限于严格延迟预算（语音包端到端延迟需小于100ms）。更棘手的是，窄带传输（如1个资源块RB）虽有利于提升信噪比，却限制了编码增益，形成可靠性悖论。

为突破这一瓶颈，研究者创新性地将无线电链路控制(RLC)分段与PUSCH聚合技术相结合。通过建立包含传播延迟、阴影衰落和混合自动重传请求(HARQ)过程的随机延迟模型，构建了以最大化语音包成功接收概率为目标的优化问题。该调度器能动态选择调制编码方案(MCS)索引和聚合因子，在延迟约束与资源消耗间取得最优平衡。

关键技术方法包括：基于3GPP TR 38.811的NTN信道建模，集成5G新空口(NR)波形和LDPC编码的链路级仿真；建立包含RLC分段头部开销（5字节）和传输时间计算的端到端延迟分析框架；设计支持增量冗余的HARQ软合并机制，通过配置授权(CG)实现无动态反馈的调度决策。研究使用MATLAB 5G工具箱进行仿真，在2000km卫星高度、6.6-13.2kbps语音编解码器速率下验证性能。

网络模型构建

研究采用弯管式卫星中继架构，地面基站作为调度决策中心。通过链路预算分析明确：在L波段、1个RB带宽时，智能手机最大发射功率对应信噪比范围低至-12dB至4dB，且阴影衰落方差σ_s²∈[1.2,3.5]dB。这一量化结果揭示了上行链路的极端挑战性。

语音分组结构优化

针对增强语音服务(EVS)编解码器产生的20ms语音包（载荷17-33字节），研究团队逐层优化头部开销：PDCP层采用鲁棒头压缩(ROHC)将头部压至3字节，RLC与MAC层头部共5字节，最终MAC协议数据单元(PDU)总长27-43字节。这种精细化的头部控制为后续冗余分配奠定了基础。

传输块尺寸与MCS约束分析

研究揭示了单时隙传输的固有限制：当使用最低MCS(I_MCS=0)和3个RB时，传输块大小(TBS)仅167比特，无法容纳216比特的语音载荷。这验证了RLC分段的必要性——通过将语音包分割为多个TB（最多19段），可选用更低阶MCS提升纠错能力，但需权衡头部开销增加的影响。

延迟随机建模突破

创新性地建立了考虑HARQ重传的随机延迟模型。公式T(R)=T(0)+2T_p|R|+T_t^RLC∑R[j]精准刻画了传播延迟（3.6-66ms）与传输时间的耦合效应。该模型首次量化了不同仰角下（10°-90°）可支持的HARQ重传次数上限，为调度决策提供理论依据。

调度器设计创新

提出的优化调度器以P(T≤T_max)-λE[C]为目标函数，其中成本约束E[C]≤C_max有效控制比吸收率(SAR)安全限值。仿真表明，在C_max=15TB约束下，该调度器在2000km高度卫星连接中可支持100°仰角范围（约12.5分钟连续通话），较固定单次传输基线方案节省20%资源。

性能对比分析

在最具挑战性的场景（2000km高度、13.2kbps码率）下，优化调度器实现超过98%的语音包接收率。值得注意的是，虽然HARQ重传对低仰角（α<40°）性能提升有限（因传播延迟过长），但在高仰角区域可显著降低平均成本至9.8TB/语音包，较最优无HARQ基线（11.4TB）提升显著。

带宽分配影响评估

研究首次揭示NTN中的特殊现象：在功率受限机制下，将带宽从1RB增至2RB仅带来1dB增益，而传统地面网络应有3dB理论提升。这因为智能手机无法像地面终端那样按带宽比例提升功率，导致信噪比与带宽成反比变化。这一发现对NTN资源分配策略具有重要指导意义。

研究结论确认，通过智能调度RLC分段与PUSCH重复的协同机制，5G-NTN可支持高质量语音通信。特别是在LEO卫星星座中，即使2000km高度场景也能满足3GPP规定的1%丢包率要求。讨论部分指出，未来采用多时隙传输块(TBoMS)技术可进一步突破编码增益限制，而再生式卫星架构将显著提升HARQ重传效率。该研究为5G-Advanced/6G星地融合通信提供了理论基础和实践方案，使全球无缝语音覆盖成为可能。