【学习笔记】卫星通信NTN 3GPP标准化进展分析（一）-基本信息

一、引言：

本文来自3GPP Joern Krause, 3GPP MCC (May 14,2024)

Non-Terrestrial Networks (NTN) (3gpp.org)

本文总结了NTN标准化进程以及后续的研究计划，是学习 NTN协议的入门。

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二、基础信息

非地面网络（NTN）是指使用无人驾驶飞机系统（UAS）的网络或网络部分，这些系统通常在8至50公里的高度运行，包括使用高空平台（HAPs）或不同星座的卫星来承载传输设备中继节点或基站。其中涉及了四种类型的地球轨道：

低地球轨道（LEO）：通常在500至2,000公里的高度上的圆形轨道（延迟较低，链路预算更好，但为了覆盖需要更多的卫星数量）。
中地球轨道（MEO）：通常在8,000至20,000公里的高度上的圆形轨道。
地球静止轨道（GEO）：在地球赤道上方35,786公里处的圆形轨道（注意：由于引力作用，地球静止轨道卫星仍然会在其标称轨道位置周围几公里的范围内移动）。
高度椭圆轨道（HEO）：围绕地球的椭圆形轨道。

图1：卫星轨道类别图解[来源：TR 22.822]

可以区分出两种类型的模式或“有效载荷”，参见图2：

非再生有效载荷（也称为“弯管有效载荷”（考虑到从网关通过星载/机载平台到用户设备的路径）或“透明模式”）：这是一种没有机载处理能力的星载/机载平台，它会改变接收到的上行链路射频信号的载波频率，在下行链路传输之前对其进行滤波和放大，即该平台相当于一个模拟射频中继器；
再生有效载荷（或非透明模式）：这是一种除了具有射频滤波、频率转换和放大功能外，还具有机载处理能力的星载/机载平台（用于解调/解码、交换和/或路由、编码/调制），因此这种星载/机载平台上具有基站功能。

图2：透明与再生有效载荷和椭圆波束模式[来源：38.811]

图3：仰角和传播延迟图解[来源：TR 38.811]

与地面网络（TN）相比，非地面网络（NTN）具有许多需要适应的特性（参见TR 38.811），包括：

太空/空中飞行器的运动：只有对于地球静止轨道（GEO）卫星，才像地面网络一样在地球上保持相对稳定。对于低地球轨道（LEO）和中地球轨道（MEO），卫星以高速移动，这会导致移动的小区模式、更高的多普勒频移/变化、更快的传播延迟变化——这要求增强的波束管理（基于卫星可预测运动的信息（星历）和用户设备（UE）的位置/运动，卫星网络可以知道哪个波束和卫星最能覆盖UE）。由于移动的小区也可能跨越国界或覆盖没有领土主张的地区，因此还需要考虑监管方面（参见TR 22.926）。
高度：卫星在比地面网络基站高得多的高度上运行，这会导致由于更大的传播延迟（地面网络：通常<1ms；地球静止轨道：高达几百毫秒）而带来更长的延迟（例如，在RACH、时间提前、HARQ、功率控制、MAC/RLC中需要考虑），并且它还会影响链路预算，尤其是在上行链路中，用户设备的发射功率是有限的。
小区大小：非地面网络具有比地面网络更大的小区大小，这可能导致传播延迟的更高变化、更强的远近效应。
对流层影响：6 GHz以上相关；如吸收，尤其对高频（>10GHz）和低仰角更为重要（对流层是大气的低层部分；低于~12km）。
电离层影响：6GHz以下相关，反射和吸收效应（还有纬度依赖性）；（电离层是大气的上层部分；高于~80km；其中太阳辐射由于电离而产生等离子体层）。

图4和图5展示了与地球上的甚小口径终端（VSAT）或手持/物联网设备通信的非地面网络（NTN）架构的相应示例，这些设备通过服务链路（也称为用户链路）与空中或太空中的平台进行通信。该平台可以直接与地球上的网关通信，或者首先通过空中链路（IAL）或卫星间链路（ISL）通过空中或太空中的其他平台进行通信。

除了通过空中/太空平台直接向用户设备（UE）提供服务外，还可以在空中/太空平台和地球上的中继节点（使用VSAT）之间安排服务链路，然后由中继节点向用户设备提供服务。因此，非地面网络终端将是这个中继节点。

甚小口径终端（VSAT）通常比作为终端或用户设备（UE）的手持或物联网设备具有更大的尺寸和更高的功率。

如果机载平台搭载了基站（gNB）（再生式有效载荷），那么馈线链路末端的非地面网络（NTN）网关可以作为连接到公共网络的核心网络的路由器。

在透明/弯管有效载荷的情况下，由于机载平台仅作为远程无线电头端来中继信号，因此馈线链路末端的非地面网络（NTN）网关将是基站（gNB）。

星间链路（ILS）的使用需要再生式有效载荷。

在非地球静止卫星轨道（NGSO），即低地球轨道（LEO）或中地球轨道（MEO）的情况下，空基平台将比地球自转更快地绕地球移动，这意味着在某个时间点，馈线链路将需要切换到另一个网关，并且为了服务的连续性，非地面网络（NTN）终端将需要由不同的空基平台提供服务。关于卫星的波束，你可以区分随卫星移动的波束（也称为“移动波束”）和可操控波束（例如，通过使用波束形成技术，卫星有能力在卫星的可见时间内将波束指向地球上的固定点（也称为“地球固定波束”））。

非地面网络（NTN）网关与卫星之间的馈线链路也称为卫星无线电接口（SRI）。

图4：带有服务链路在6 GHz以上频段运行的空基接入网（带IAL）[来源：TR 38.811]

图5：带有服务链路在6 GHz以上频段运行的卫星接入网（带ISL）[来源：TR 38.811]

非地面网络（NTN）频段：

在3GPP中，表1中的NR频段（以及下文的表2中的LTE频段）是为用户设备（UE）与卫星之间的非地面网络（NTN）通信定义/将定义的。

表1：3GPP中定义的NR NTN卫星频段（见TS 38.101-5）：

正在讨论中。

三、Pre-Release 15

3GPP标准化工作始于1999年的3G（Release 99），当时主要关注陆地网络（UTRA中的T代表陆地）。在3GPP的4G标准中，卫星方面的应用也仅限于通过卫星支持定位服务（如GPS、Galileo、GLONASS、BeiDou、NavIC等）。

在3GPP第14版研究中，考虑了5G的用例和需求，包括通过卫星和非地面网络扩展陆地网络。具体参见：

TR 38.913中的无线需求
TR 22.862中的关键通信系统需求
TR 22.864中的增强型移动宽带需求
TR 22.891中的5G用例

考虑非地面接入的主要因素是：

为那些陆地服务不可用的地区提供服务，以及为那些通过卫星能更高效地支持的服务提供支持，如在大范围内多播/广播相似内容（“服务可扩展性”）。
在人口较少/农村地区、海上、高空/机载车辆、陆地网络无法可靠运行的灾区提供更好的覆盖（“服务普及性”）。
降低非地面网络的脆弱性/提高其恢复能力。
通过陆地和非地面网络的通用无线接口实现规模经济，从而降低成本并提供服务连续性。

四、Release 15

第15版是首个标准化5G规范需求的版本，最初主要关注陆地网络，并提供了各种架构选项。

尽管第15版的阶段1 TS 22.261增加了一个关于多种接入技术的5G需求：“5G系统应能够支持在所支持的接入网络（如NG-RAN、WLAN、固定宽带接入网络、5G卫星接入网络）之间的移动性。”，但由于时间限制，在第15版中尚无法标准化卫星支持。

然而，第15版技术规范组（TSG）RAN领导的研究项目（SI）“研究NR以支持非地面网络”（FS_NR_nonterr_nw）与TR 38.811一起，正在研究以下内容：

总结用例。
为非地面网络调整3GPP信道模型（在5G第14版研究项目FS_NR_newRAT下的REL-14 TR 38.901中开发）。
详细描述非地面网络的部署场景，并相应分析为支持通过卫星或高空平台站（HAPS）在NR中运行而需进行的必要调整。

非地面网络（NTN）的典型用例包括：

对于增强型移动宽带（eMBB）：

NTN宽带连接到服务不足地区的单元或中继节点，结合陆地无线/蜂窝或有线接入，提供有限的用户吞吐量。
NTN宽带连接到未服务地区（孤立地区）的核心网络和单元，也用于在救灾或公共安全情况下恢复与公共数据网络的连接。
NTN宽带连接到移动平台（如飞机、船舶或火车）上的核心网络和单元，包括NTN为移动平台上的本地陆地网络提供连接的情况。
网络恢复能力：次要/备份连接，以防止关键网络链路完全中断（尽管与主要网络连接相比，其能力可能有限）。
NTN用于互联各种未通过其他方式连接的5G本地接入网络岛屿。
通过NTN提供广播/多播服务，例如，从陆地移动网络基础设施中卸载热门内容。

对于大规模机器类型连接（mMTC）：

物联网设备（传感器/执行器）与NTN网络之间的全球连接。
连接到服务局域网物联网设备的基站。

第15版TSG RAN研究项目FS_NR_nonterr_nw描述了以下部署场景：

地球静止轨道（GEO）和Ka频段（较高GHz范围），使用甚小口径终端（VSAT）中继作为NTN节点和透明有效载荷。
GEO和S频段（较低GHz范围），使用手持用户设备（UE）作为NTN节点和透明有效载荷。
低地球轨道（LEO）和S频段（较低GHz范围），使用手持UE作为NTN节点和再生式有效载荷。
LEO和Ka频段（较高GHz范围），使用VSAT中继作为NTN节点和再生式有效载荷。
HAPS在S或Ka频段，使用手持UE作为NTN节点和再生式有效载荷。

其中，D1/D4考虑通过中继节点的间接接入，而D2/D3考虑UE的直接接入。