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5G NTN借助新无线电和物联网应用展翅高飞

Reiner Stuhlfauth, Rohde & Schwarz

在新兴的5G网络中，非地面网络（NTN）提供了大量的连接可能性。这些连接解决方案既包括通过机载站进行的卫星通信，也包括考虑空对地通信和无人驾驶飞行器（UAV）飞行控制的方案。这些方案也是动态的，利用了不同轨道平面和不同覆盖范围的卫星的优势。

奠定基础

为了应对集成NTN的挑战，3GPP标准启动了第15版研究，即TR 38.811，该研究涉及信道模型和部署方案。还有一项后续的第16版研究，即TR 38.821，提出了调整5G新无线电(NR)以支持NTN的解决方案。这些研究的主要目的是确定一个功能集，以便在5G系统内启用NTN，同时尽量减少对现有5G系统的影响。目的是在最终网络环境完善之前启用NTN。第17版涉及NTN的技术规范。这些规范影响5G系统的所有层，从物理层到协议栈，再到网络架构增强。考虑到这一基本技术框架，第18版将继续通过额外频谱、协议层增强和服务扩展来促进NTN演进。

发展NTN的主要动机是希望在全球提供无处不在的连接。根据公开的统计数据，到2020年，无线通信覆盖了全球80%以上的人口，但却不到全球陆地面积的40%。NTN星基通信非常适合应对这一挑战，并专注于海洋、偏远地区和极地的无处不在的覆盖。

首批5G NTN部署将侧重于无处不在的连接和覆盖。为此，他们将把这项技术分为基于NR的NTN（NR-NTN）和基于物联网的NTN（IoT-NTN）。NR-NTN可被视为地面5G增强型移动宽带(eMBB)的扩展，可实现基于卫星的连接，主要侧重于覆盖和室外应用。

IoT-NTN是地面物联网技术（如NB-IoT、LTE-M或5G RedCap）在未来的延伸，但使用卫星进行连接。卫星网络将受到性能限制，因此5G NTN不会与地面5G竞争。相反，5G NTN将与地面5G系统相辅相成，为服务不足的地区提供连接，以此实现无处不在的连接。图1概述了卫星在实现全球连接中可能发挥的作用。

图1 NTN在连接网络中的作用。来源：罗德与施瓦茨公司。

NTN使用案例

在当前的NTN演进过程中，有两个主要方向已显而易见。首先是增强5G NR规范和硬件，以便将NTN纳入整个5G网络。NR-NTN的重点是通过机载站或卫星提供eMBB服务，这代表着5G向天空的长期演进。在第一阶段，重点是提供语音、网页浏览和短信服务的基本互联网连接。这些服务将使用6GHz以下频谱，主要在手持设备上运行。第二阶段及以后，VSAT用户设备（UE）将具备更强的RX能力，使用更高的频率，提供更高的数据速率。在第一阶段，该架构将是一个透明有效载荷，但第19版假定将纳入一个再生有效载荷架构，使NTN系统能够支持固定卫星服务(FSS)、广播卫星服务(BSS)和移动卫星服务(MSS)，作为向第二阶段及以后设想功能的过渡。

如前所述，NTN的重点是无处不在的覆盖。然而，3GPP NTN关注的不仅仅是对服务不足区域的覆盖。在TR 22.822中，在更高层次上有四种用例：

服务连续性：在海上或偏远地区等地方提供无线接入技术（RAT）覆盖。TR 22.822支持陆基5G接入网和卫星接入网之间的服务连续性，这两个网络由同一运营商拥有或由运营商协议拥有。

服务普遍性：以任务关键型通信为动力，旨在实现系统的永久可用性，特别是针对导致地面网络架构中断或毁坏的公共保护救灾用例。使用NTN连接可在短时间内恢复并获得系统可用性。

服务可扩展性：遵循流量管理策略的一般方面。加强流量引导（如将地面网络流量卸载到NTN）可提高系统效率，特别是在考虑到NTN gNB覆盖范围较广的情况下。

5G系统回程服务：UE仍连接到地面网络，但NTN作为回程连接到核心网络。

第二个主要方向是将地面物联网纳入NTN。IoT-NTN建议将NB-IoT或增强型机器通信（eMTC）用于NTN连接。这意味着要降低设备和卫星的复杂性，同时接受缺乏服务支持或服务质量下降的情况。IoT-NTN通信将采用尽力而为的方法，就像延迟容忍应用一样，但与NR-NTN相比，能效和节电将是关键的。第17版优先考虑独立部署，采用透明卫星架构，并假设UE拥有GNSS功能（非同步操作），以预先补偿时间和频率偏移。¹图2显示了NTN网络的5G NR和物联网用例概念图。

图2 NTN前瞻性用例。

NTN频谱

由于卫星不局限于一个国家或地区，因此NTN频率的国际协调对于全球卫星通信至关重要。目前，正在讨论NTN的几个频率范围。3GPP目前为NTN商定的频率范围1 (FR1)是S波段频率：上行链路(UL) 1980-2010MHz，下行链路(DL) 2170-2200MHz，即n256频段；L波段频率：DL 1525-1559MHz，UL 1626.5-1660.5MHz，即n255频段。

从长远来看，3GPP正在讨论10GHz以上的NR-NTN。Ka波段是优先级最高的波段，其DL为17.7-20.2GHz，UL为27.5-30GHz。Ku波段的DL为10.7-12.75GHz，UL为12.75-13.25GHz和13.75-14.5GHz。虽然这些频段用于当前的卫星通信，但它们对5G的实施提出了挑战。其中一些频段属于5G FR1和FR2频段之间的空白频谱。此外，由于往返时间较长，NTN频率将使用频分双工，而不是5G NR广泛使用的时分双工。

与地面通信一样，共存也与NTN有关。卫星小区或波束覆盖区域很大，往往超过国家和地面小区的边界。在地面网络和NTN共享频谱或不同频谱带的情况下，部署必须解决补充卫星覆盖的问题。

NTN架构

以下结构与当前和未来的NTN和卫星星座相关：

低地球轨道（LEO）：高度在300-2000千米之间的卫星通信往返时间（RTT）较短，通常小于30毫秒。低地轨道卫星的尺寸也较小，直径通常小于1米，超小型卫星直径甚至可能在十几厘米。低地轨道卫星的波束足迹通常在100千米到1000千米之间。

中地球轨道（MEO）：卫星的飞行速度约为13800公里/小时，轨道周期为6-12小时。波束足迹类似于低地轨道星座。

地球静止（同步）轨道（GEO）：卫星高度为35786千米，这使得卫星相对于给定地球点的仰角和方位角固定不变。波束足迹从窄波束的约200公里到大波束的4000公里不等。由于轨道半径距离较大，GEO卫星的RTT约为544毫秒。

高空平台系统（HAPS）或高空IMT基站（HIBS）：这类设备包括飞机、气球、直升机和无人机（UAV）等机载设备。它们的运行高度从几百米到约15千米不等，非常灵活，波束足迹直径平均从几千米到100千米不等。运营商可使用HAPS/HIBS在特定区域提供额外容量，从而使动态部署成为一种优势。这种架构的缺点是覆盖范围较小。由于距离较短，RTT性能可与地面网络媲美。HAPS和HIBS用例因频谱使用和用例不同而有所区别。由于法规原因，HAPS网络目前只侧重于FSS，而HIBS网络则可能提供MSS。

网络架构

卫星通过波束覆盖一个区域。相对于地球而言，波束足迹要么是静止的，要么是移动的。NTN架构需要从地面终端或UE到卫星的无线电接入，称为服务链路。为了完成整个链路，卫星需要连接到地面网关，称为馈送链路。低地轨道和地球同步轨道卫星群具有已知或可预测的轨迹，这有利于连接地面站的路由选择。为促进支持NTN的RAN部署，3GPP正在讨论透明模式和再生模式架构。第17版主要涉及透明模式架构。

透明NTN NG-RAN架构就像太空中的中继器。这种架构将地面基站分解为卫星组件、地面网关和地面gNB功能。卫星功能包括射频滤波、频率转换、射频放大、上行和下行方向的射频传输和接收。这种结构的主要特点是，波形通过不变的有效载荷在服务链路和馈送链路之间重复。由于各种原因，包括避免服务链路和馈送链路之间的干扰，载波会发生频率变化。

这种结构独立于无线电波形，因此任何变化都不需要修改空间站。这种结构的缺点包括：由于卫星可能不执行任何信道均衡或噪音消除，因此噪音会放大；容易受到干扰攻击；两个卫星-地球链路的总体RTT较长；缺乏用于流量转向的卫星间链路（ISL）。

UE和地面gNB之间的连接不仅包括服务链路和馈送链路，而且在未来的扩展中还可能在这两条链路之间建立多个ISL。3GPP TR 38.821规定，第一批ISL实施需要再生有效载荷。图3显示了透明NTN NR-RAN网络的示意图。

图3 透明有效载荷NTN NG-RAN架构。资料来源：罗德与施瓦茨公司。

第19版将定义的未来NTN部署将包括再生模式架构。与透明有效载荷架构的主要区别在于，在再生模式架构中，gNB功能被纳入卫星，从而加快了调度决策速度，缩短了RTT。再生架构模式提高了卫星硬件的复杂性和计算能力，还可能纳入多接入边缘计算（MEC）功能，以降低RTT。

NTN RF注意事项

地面UE和空间站之间的距离会影响链路预算或高路径衰减，但模拟结果表明，信噪比条件允许通信。更关键的是长时延或RTT，这也取决于时间和仰角。卫星速度会导致载波频率偏差或多普勒频移，与基站固定不动的地面网络相比，这造成了模式上的改变。电离层无线电波传播也会造成波形极化旋转，即法拉第旋转。

路径衰减

UE与卫星之间的距离造成了较高的路径衰减。3GPP讨论了几种链路预算，并利用不同的参数和仿真结果进行了研究，研究结果见TR 36.763和TR 38.811。随着天线技术的发展，目标是通过增加天线增益和高指向性来解决路径损耗的挑战。复合路径损耗基于基本路径损耗，主要是自由空间路径损耗（FSPL）、大气气体造成的衰减、大气闪烁造成的衰减和建筑物入口路径损耗。典型的假设是低地轨道的FSPL值为-160dB，地球同步轨道的FSPL值为-190dB，并假设UE的RX灵敏度将优于地面网络。

RTT和差分时延

地面UE与卫星之间的距离较远，导致RTT较长。这就造成了较长的延迟时间，给计划使用NR-NTN的低延迟通信应用带来了挑战。典型的单向延迟值在低地轨道星座中为30-40毫秒，在地球同步轨道星座中高达544毫秒。

对卫星网络RTT和延迟方面的详细分析发现了两个挑战。第一个挑战涉及NTN gNB与波束足迹覆盖区内所有UE之间的不同延迟。第二个挑战是，由于椭圆轨道的性质以及UE与卫星之间距离的变化，整个连接期间的延迟和RTT都会随时间变化。第一个挑战是由波束足迹的椭圆形以及椭圆的大小如何取决于仰角并随仰角变化而变化造成的。这意味着卫星在波束足迹内的UE之间会经历不同的传播时间。第二个挑战是UE的RTT随卫星轨道轨迹的变化而变化。当卫星出现在地平线上，刚刚超过最小仰角时，UE与gNB之间的距离最长。这将产生最大的RTT值，但会随着仰角的变化而变化。这将影响MAC层的缓冲区管理和HARQ操作。

多普勒频移

要创建具有良好体验的NTN连接，最严峻的挑战之一是载波频率偏差或多普勒频移。移动基站或卫星与可能移动的UE相结合，会在整个连接时间内产生时变多普勒频移。这种多普勒频移取决于UE与卫星之间的相对速度、载波频率以及速度矢量与信号传播方向之间的角度。

NTN中的法拉第旋转和偏振

法拉第旋转是电磁波沿路径与地球磁场中的电离介质相互作用所产生的极化旋转。这在TR 38.811中有所描述。圆极化方法可抵消这种效应，但这种方法要求UE采用相同的圆极化，或在FSPL之外再承受3dB的极化损耗。

总结

3GPP的目标是实现5G NTN，即对5G影响最小的卫星通信。随着通信的发展，无线网络的架构也必须摆脱前几代无线网络的蜂窝网络概念。²预计6G将由多个具有板载计算能力和MEC功能的动态智能节点组成，这些节点相互连接，并可能相对移动。互通、集成和统一这些术语描述了从传统卫星和蜂窝技术到5G NTN以及最终6G的演进路径。

新的研究领域将推动有机网络的发展。这些有机网络将包含蜂窝生死行为、流浪网络组件和智能流量管理。随着第17版将NTN纳入5G生态系统，标志着新技术演进的到来，它将促进和推动无线通信系统在全球的普及。