5G NTN5G NTN（非地面组网）介绍

Posted 2023-01-30 从善若水

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本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。

博客内容主要围绕：
       5G/6G协议讲解
       算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
       高级C语言讲解
       Rust语言讲解

5G NTN（非地面组网）介绍

一、NTN概念简介

NTN：Non-Terrestrial Networks
NTN已成为任何涉及非地面飞行物的网络的总称

NTN包括卫星通信网络、高空平台系统（HAPS，high altitude platform systems）和空对地网络，如下图所示。

1.1 卫星通信系统

卫星通信网络包括，低轨（LEO，low Earth orbiting）卫星、中轨（MEO，medium Earth orbiting）卫星和地球同步轨道（GEO，geosynchronous Earth orbiting）卫星在内的星载平台。在过去几年中，人们对LEO NTN提供的宽带服务重新产生了兴趣，这些NTN使用了大型卫星星座（如Starlink、Kuiper和OneWeb）。

1.2 HAPS

High Altitude Platform Systems（HAPS）是一种空中平台，包括飞机、气球和飞艇。在3GPP的NTN工作中，重点是高海拔平台站，即国际移动通信基站（HIBS）。HIBS系统使用与地面移动网络相同的频带来提供移动服务。

1.3 空对地网络

空对地网络旨在利用地面站为飞机提供飞行中的连接，地面站在地面移动网络中扮演类似基站的角色，但是地面站天线向上倾斜，站点间距离远大于地面移动网络。

到目前为止，3GPP的NTN工作重点一直是卫星通信网络，也兼容支持HIBS系统和空对地网络。值得注意的是，3GPP还一直在研究可移动的低空无人机（UAV，又名无人机），在广义上可以被认为是NTN家族的一部分。本篇博客主要介绍卫星通信网络。

二、3GPP标准对NTN的支持

2.1 R15版本对NTN的支持

3GPP在NR NTN的工作始于2017年，其中R15研究重点是部署场景和信道模型。该研究记录在3GPP TR 38.811中。
研究的第一个主要目标是选择一些NTN的参考部署场景，并商定关键参数，如架构、轨道高度、频带等。关键场景和模型包括：

两个频率范围，s频段和Ka频段；
GEO卫星，LEO卫星，以及HAPS；
固定在地面的波束（即尽可能长时间的朝地球某一区域的波束）和移动波束（即随着卫星的运动在地球表面移动的波束）；
GEO、LEO和HAPS部署的典型足迹尺寸和最小仰角；
两类NTN终端：手持终端和小孔径终端（VSAT）（配备抛物面天线，通常安装在建筑物或车辆上）；
卫星和HAPS天线的天线模型；

研究的第二个主要目标是建立基于地面3GPP信道模型的NTN信道模型。

2.2 R16版本对NTN的支持

3GPP在R16中研究如何让NR与NTN适配。主要目标是确定NR能够对NTN（特别是卫星通信网络）提供支持的最小必要功能集。这包括架构、高层协议和物理层方面。研究结果记录在3GPP TR 38.821中。

NG-RAN支持将5G基站（gNB）拆分为CU （central unit）和DU （distributed unit）。探索了多种基于NTN的NG-RAN架构。结论是，没有哪些架构选项是特别出彩的。

NR上层协议栈分为用户平面（user plane, UP）和控制平面（control plane, CP），前者负责数据传输，后者负责信令。对于UP，主要影响来自于NTN的长传播时延。在此基础上，研究了长时延对MAC、RLC、PDCP和SDAP协议性能的影响。结论是，MAC需要增强随机接入（RA）、不连续接收（DRX）、调度请求（SR）和混合自动重传请求（HARQ）功能。建议重点关注RLC层的状态报告和序列号，以及PDCP层的服务数据单元（SDU）丢弃和序列号。对于SDAP，人们发现不需要引入任何修改来支持NTN。

对CP而言，研究的重点是移动性管理程序，因为NTN平台的移动，特别是低轨卫星的移动。对于空闲模式，需要引入NTN特定的系统信息。可以采用固定跟踪区域的方式来避免跟踪区域（TA）的频繁更新。为小区选择和小区重选定义额外的辅助信息可能是有益的。对于连接模式，讨论了切换增强技术，以解决卫星快速移动导致的频繁切换问题。

从物理层角度出发，对S频段和Ka频段进行了广泛的链路层和系统层评估。根据评估结果，在合适的卫星波束布局下，LEO和GEO可以在s频段提供手持用户设备（UE）服务，其它收发天线增益高的UE（如VSAT和配备适当相控阵天线的UE）可以在s频段和ka频段同时提供LEO和GEO服务。**该研究的结论是，尽管存在长传播延迟、大多普勒频移和NTN中小区移动性等问题，但R15和R16 NR功能为支持NTN奠定了良好的基础。在时间关系、上行时间和频率同步以及HARQ方面的增强被认为是必要的。

2.3 R17版本对NTN的支持

根据R16研究成果，3GPP决定启动一个关于NR R17中NTN工作项目。目标是为基于NTN的LEO和GEO网络提供必要的增强，同时也隐含支持HAPS和空地网络。这涉及到物理层方面、协议和架构，以及无线电资源管理（RRM）、射频需求和要使用的频段。重点是具有地球固定（earth-fixed）跟踪区和频分双工（FDD）系统的透明有效载荷架构，其中所有UE都假定具有全球导航卫星系统（GNSS）能力。

上图展示了具有透明负载（transparent payload）的NTN架构。5G核心网通过NG接口连接到gNB。gNB位于地面，连接到NTN网关（GateWay），通过馈线链路（Feeder link）连接到NTN Payload（搭载在卫星或HAPS上的网络节点）。NTN Payload通过Uu接口和服务链路（Service link）连接到UE。

在地面NR中，上行链路定时依赖于下行链路接收到的定时，其传播时间通常远小于传输时隙，而在NTN中，传播时间远大于传输时隙。

具有GNSS能力的UE可以根据其所在位置和NTN星历表计算出UE与卫星之间的相对速度，以及UE与卫星之间的往返时间（RTT）。UE可以从相对速度计算并对多普勒频率进行预补偿，以确保其上行信号在卫星或gNB的所需频率。gNB为UE提供公共TA信号，发送卫星和gNB之间的RTT信号。UE将UE和卫星之间的RTT与公共TA相加以获取完整的TA。使用完整TA作为终端接收到的下行链路定时与上行链路传输定时之间的偏移量。例如，如果下行链路slot n在t1时刻开始，则上行链路slot n在t1时刻减去完整TA处开始。这使得UE能够利用从gNB接收的准确定时发送上行传输，以实现随机接入和连接模式下的数据传输。

NR R16中的传输是基于最多16个停等HARQ进程的连续传输。在接收到前一次传输的反馈之前，HARQ进程不能用于新的传输。在长RTTs和stop-and-wait协议下，当所有HARQ进程都在等待反馈时，传输就会停止，降低了通信吞吐量。为了缓解失速问题，将HARQ进程的数量增加到32个，可以覆盖一些空对地场景。然而，32个HARQ进程不足以覆盖基于NTN的LEO和GEO的RTT。由于不希望进一步增加HARQ进程的数目，因此必须采用在经过一个完整RTT之前重用同一个HARQ进程的方案来避免暂停。在经过一个完整RTT之前复用HARQ进程进行下行传输，HARQ反馈变得没有必要，因此被禁用了。对于没有HARQ反馈的上行链路，gNB可以在经过一个完整RTT之前，发送新数据授权或重传授权（或者等到解码了上行传输后再决定发送重传授权）来动态决定是否重用HARQ进程。

对于禁用反馈的HARQ进程，为了省电，UE在一段时间后可以不监听重传分配。当不使用HARQ进行重传时，链路自适应可以以较低的块错误率为目标，但为了达到鲁棒性，需要较高的RLC重传和更多的RLC状态报告。

为了涵盖NTN中的长RTT，一些MAC和RLC定时器被扩展。随着卫星移动，UE需要（重新）选择新的卫星，这是基于现有标准的，也可能包括新的标准，例如卫星停止覆盖UE所在区域时。根据终端位置和卫星覆盖终端位置的时间，对条件切换进行了改进。使用基于位置的触发增强了测量流程。

三、NTN的一些挑战

3.1 时延

地面站或者终端与卫星之间的距离很长。因此，无线电波到达用户设备需要相当长的时间。当然，这个延迟很大程度上取决于卫星的高度。如果卫星部署在地球静止轨道上，延迟将是巨大的。如果部署在LEO，延迟会很低（在某些情况下，延迟甚至比通过地面连接提供的WiFi还短），但用StarLink这样的低轨方案，覆盖广域需要花费巨大的成本。

3.2 地面站需求

虽然我们可以把无线电部分（如gNB、中继等）放在太空中，但核心网络在地面上。这意味着卫星或空中平台应该在某个点与地面站连接。问题是它能与多远的地面站进行连接。显然，卫星到达地面站的距离是有一定限制的。因此，如果我们想要覆盖更大的区域，就需要大量的地面站和卫星。在某些情况下，设置地面站将是非常具有挑战性的。例如，如果我们需要一颗卫星覆盖大洋洲，我们如何建立一个地面站与这些卫星连接？对于这种情况，一种可行的解决方案是让一些卫星通过另一颗卫星而不是地面站间接进入核心网络。为了做到这一点，我们需要在卫星之间建立中继网络或mesh网络。当然，理论上这是可能的，大多数卫星通信系统在设计阶段就考虑到了这一点。但在现实中实施并不容易（注意，这也是Starlink在早期阶段面临的挑战之一）。

3.3 射频与天线技术

天线技术将是这种通信系统的关键组成部分。首先，我们可以把它做多小？我们可以容忍使用大尺寸碟形天线的必要性（与移动电话天线相比的大尺寸），但每个人都希望有一个小的碟形天线。其次，如何改变天线指向卫星的辐射方向？为此考虑了两种选择。第一个选择是放置一些机械组件，这样它就可以机械地改变盘子的方向（就像Starlink系统中使用的）。但是要想快速改变天线的方向以应对移动情况，是很困难的。第二种选择是使用相控阵天线，通过它我们可以电子改变辐射方向。从技术上讲，这比机械方法要好得多，但成本将是一个大问题。