NTN 基本架构

Posted 2023-01-06 modem协议笔记

R17将NTN纳入了3GPP规范，NTN是 non-terrestrial networks非地面网络缩写，通过卫星或无人机平台实现NR通信，在地面网络设备无法普及的地方，采用NTN覆盖，进一步提升覆盖范围。例如在沙漠、海洋等极限区域，采用NTN的方式完成网络覆盖等等。NTN不考虑 HEO(high elliptical orbit)卫星系统，仅仅针对的是LEO(low earth orbit)/MEO(medium earth orbit)/GEO(Geostationary Earth Orbiting)/UAS(Unmanned Aircraft System)场景。

 

下面是38.811中一段话，比较全面的描述了NTN的应用前景。

得益于广泛的服务覆盖能力以及空间/飞行器可以降低物理攻击和自然灾害的伤害，NTN有望促进在地面 5G 网络无法覆盖的未服务地区（偏远/偏远地区、飞机或船只上）和服务欠缺地区（例如郊区/农村地区）推出 5G 服务，以提升网络性能；通过为 M2M/IoT设备或移动平台上的乘客（例如客运车辆-飞机、轮船、高速火车、公共汽车）提供服务连续性或确保任何地方的服务可用性，特别是关键通信、未来铁路/ 海上/航空通信，以及通过为向网络边缘甚至用户终端传输数据提供高效的多播/广播资源，实现 5G 网络可扩展性；NTN的好处涉及单独运行的非地面网络或集成的地面和非地面网络，它们将影响覆盖范围、用户带宽、系统容量、服务可靠性或服务可用性、能源消耗、连接密度。预计 5G 系统中NTN将在以下垂直领域发挥作用：交通、公共安全、媒体和娱乐、电子健康、能源、农业、金融、汽车。

 

为适应NTN的应用场景，从高层到物理层都有相应的修改，例如为支持小区选择和重选，在SIB1中增加了cellbarredNTN IE，SIB19 包含用于小区重选的的卫星信息；NTN 中，UE 的 DL 和 UL frame timing存在较大偏移时，涉及 DL-UL tming 交互的现有 NR tming 的定义可能不成立，需要对物理层设计timing的部分进行修改等等。

 

 

 

本篇就简单看下NTN的相关网络架构，由于当年物理课相关的天体运动章节知识全忘光了，所以对于卫星的一些概念就把定义也标注在了相关内容的附近。

 

NTN网络架构可以简单将天上的卫星看作基站的功能，UE和卫星间的service link通过NR实现，卫星和gateway间的Feeder link 通过3GPP/non 3GPP的 无线接口实现，gateway和Data 网络连接；而NTN有两种典型的架构 如下图，分别是透传模式，satellite仅仅对信号进行转发，不做任何处理；另一种是regenerative模式，即satellite要像gNB一样对data进行处理。R17重点是transparent payload，即卫星充当射频中继器的方式，gNB作为网关的一部分位于地面，而Uu是两个馈线中使用的接口和服务连接。

 

NTN通常具有以下元素组成：

 1 将NTN连接到data network的一个或多个sat-gateways:

   1.1一颗 GEO 卫星由一个或多个卫星网关馈送，这些卫星网关部署在卫星目标覆盖范围内。NTN模型下假设小区中的 UE 仅由一个卫星网关提供服务。

   1.2一颗非 GEO卫星同时由一个或多个卫星网关连续提供服务。该系统确保连续服务卫星网关之间的服务和馈线链路连续性，具有足够的持续时间以进行移动性确定和切换等行为。

 

2 卫星网关和卫星（或 UAS 平台）之间的feeder link或radio link

3 UE和卫星（或 UAS 平台）之间的service link或无线链路。

4 卫星（或 UAS 平台）可以实现透明或再生（带机载处理）有效载荷。卫星（或 UAS 平台)通常会在其视野范围内的给定服务区域上生成多个波束。beam的覆盖形状通常为椭圆形。卫星（或 UAS 平台）的视野取决于机载天线图及其最小仰角。

     4.1 A transparent payload:具有射频滤波、变频和放大功能。因此，有效载荷重复的波形信号是不变的；

     4.2 A regenerative payload：具有射频滤波、频率转换和放大以及解调/解码、开关和/或路由、编码/调制功能。这实际上相当于在卫星（或 UAS 平台）上具有全部或部分基站功能（例如 gNB）。

5 在卫星群之间通过可选的inter-satellite links（ISL）连接，例如上图中的regenerative模式，这将需要卫星像基站一样对数据进行处理，UE主要通过目标服务区域内的卫星（或 UAS 平台）提供服务。

 

下图是不同NTN平台的距离地面的高度，所处的地球轨道信息及对应beam的覆盖范围信息。

通常GEO 卫星和UAS 可以针对大洲、区域或本地等三种覆盖范围提供服务；LEO 和MEO 卫星群可以为北半球和南半球提供服务。在某些情况下，该卫星群的覆盖范围甚至达到全球，包括极地地区，这种情况下需要适当的轨道倾角、产生足够的Beam和ISL，也即卫星的数量要足够用。

NTN不考虑 HEO 卫星系统，仅仅针对的是LEO/MEO/GEO/UAS场景。

虽然R17的重点是transparent payload，但为保证理解完整性，transparent 和regenerative payload的相关描述都看一下，下面仅是其中部分内容，若有需要请移步38.821查看。

 

Transparent satellite based NG-RAN architecture

卫星payload在上下行链路方向上起到实施变频和射频放大器的作用。卫星的作用就相当于模拟射频中继器，因此，卫星将 NR-Uu 无线接口从馈线链路（在 NTN 网关和卫星之间）转发到服务链路（在卫星和 UE 之间），反之亦然。

卫星和gateway之间的feeder link 通过NR-Uu接口实现；NTN GW 支持转发NR-Uu 接口信号所需的所有功能；不同的透传卫星可能连接到地面上的同一个 gNB。架构如下图

 

UE 可以通过3GPP NR based的无线接口访问 5G 系统；user data像往常一样在 UE 和 5GC 之间传输，但需要通过 NTN 网关。无需修改 NG-RAN 架构就可支持透传卫星接入；NR-Uu 定时器需要扩展以应对feeder link和service link的长时延问题。在具有 ISL 的 LEO 场景中，要考虑的延迟应至少包括馈线链路 (SRI) 和一个或多个 ISL。Control Plane 和 User Plane协议都在终止于地面。对于Control Plane，只需要通过修改适应Uu 长的往返时间问题即可；对于User Plane，除了data的往返时间较长的问题外，User Plane 协议本身不受影响。然而，由于Uu 接口会有较长的延迟，所以需要更多缓冲，以便使得user plane的 data packet顺利进入gNB。

 

Regenerative satellite based NG-RAN architectures

gNB processed payload

 

卫星payload会对从地球接收到的信号的进行regeneration的处理：UE与卫星之间的service link是NR-Uu radio interface；NTN 网关和卫星之间的feeder link是卫星 radio interface (SRI)；SRI（卫星radio interface）是 NTN 网关和卫星之间的传输链路。

卫星payload还提供卫星之间的链路 (ISL)，ISL（卫星间链路）是卫星之间的传输链路。ISL 可能是无线接口或光学接口，可能是 3GPP 或非 3GPP 定义的。NTN GW 是传输网络层节点，支持所有必要的传输协议。

 

下图分别是with/without ISL的regenerative卫星的结构图。

上图说明了由卫星上的 gNB 服务的 UE 可以通过 ISL 访问 5GCN，且不同卫星上的gNB可能连接到地面上的同一个5GCN。如果卫星承载多个 gNB，则同一个SRI 将传输所有相应的 NG interface instances。

UE user plane 和control plane的 PDU session protocol stack 如上图。

对于user plane,卫星无线接口 (SRI) 的协议栈用于在卫星和 NTN 网关之间传输 UE user plane data，user PDU 通过 GTP-U tunnel在 5GC 和机载 gNB 之间传输，但是要通过NTN 网关。

对于control plane,NG-AP 和之前一样通过 SCTP 在 5GC 和机载 gNB 之间传输，也要通过 NTN 网关；NAS 协议也由 NG-AP 协议通过 NTN 网关在 5GC 和机载 gNB 之间传输。

 

两种架构基本介绍完了，下面看下R17 38.300中相关描述，如之前所述R17重点是 transparent payload，即卫星充当射频中继器的方式，gNB作为网关的一部分位于地面，而Uu是两个馈线中使用的接口和服务连接。

 

NTN payload(经由service link)将从UE接收的data透传到NTN网关(经由feeder link)，反之亦然。NTN payload支持形式可以是 NTN网关服务于多个NTN payload或NTN payload 由多个NTN网关服务。

 

除了之前版本定义的Network Identities(详见38.300 8.2章节)，例如AMF/TAI/gNB ID/S-NSSAI 等标识外，NTN场景可以对固定的地理区域设置TA及对应的小区ID；另外在某些场景网络侧会根据地理区域预配置一些Mapped Cell ID，例如作为用户位置信息的一部分，gNB 向核心网络指示的小区标识；在 NG 接口中用于寻呼优化的 Cell Identity；用于 PWS 的小区标识等。而Mapped Cell IDs和地理区域之间的映射是在RAN和核心网络中配置的，一个特定的地理位置可以映射到多个Mapped cell ID，并且这样的mapped cell ID 可以配置为指示不同的地理区域（例如重叠和/或具有不同的维度）。

 

NTN场景支持三种类型的服务链接：

(1)Earth-fixed：由始终覆盖相同地理区域的波束提供（例如，GSO卫星）；

(2)Quasi-Earth-fixed：由Beam提供，在有限的时间内覆盖一个地理区域，在另一个时间段内覆盖不同的地理区域（例如，NGSO卫星产生可转向波束的情况）；

(3)Earth-moving：由覆盖区域在地球表面滑动的beam提供（例如，NGSO卫星产生固定或不可操纵beam的情况）。

有了NGSO卫星，gNB可以提供quasi-Earth-fixed service 链路或Earth-moving service链路，而与GSO卫星一起运行的gNB则可以提供Earth-fixed服务链接。

NGSO的意思就是除了地球同步轨道以外的其他卫星轨道。地球同步轨道的另外一个名称是地球静止轨道，所以NGSO轨道与之最大的区别就是动态性，NGSO轨道就是指上面提到的HEO,MEO,LEO轨道。那GSO（Geostationary Earth Orbit Satellite）对地球静止地球轨道卫星指在地球赤道上空36000公里左右处设置的卫星，其轨道运行周期于地球自转周期相同，因而相对于地面上任何参照点来看卫星是静止不动的，即GEO轨道场景；GSO在过去30多年时间里在点对点和点对多的通信、广播和电视中得到了广泛的应用。

 

最后支持NTN的UE是必须支持GNSS的,下面这段有关GNSS的定义摘自北斗系统官网，GNSS的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的WAAS（广域增强系统）、欧洲的EGNOS（欧洲静地导航重叠系统）和日本的MSAS（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统，如下图所示。