5GNTN關(guān)鍵技術(shù)研究與演進(jìn)展望

繆德山，柴麗，孫建成，柯颋，劉玉真，徐曉東，胡南，陳山枝

5GNTN關(guān)鍵技術(shù)研究與演進(jìn)展望

繆德山1,2，柴麗3，孫建成1,2，柯颋3，劉玉真3，徐曉東3，胡南3，陳山枝2

（1. 中信科移動通信技術(shù)股份有限公司，北京 100083；2.無線移動通信國家重點實驗室（電信科學(xué)技術(shù)研究院有限公司），北京 100191；3. 中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

5G非地面網(wǎng)絡(luò)（non-terrestrial network，NTN）技術(shù)是5G通信系統(tǒng)面向衛(wèi)星通信和低空通信等新應(yīng)用場景的重要技術(shù)，標(biāo)志著5G技術(shù)應(yīng)用從陸地通信走向了空間通信。首先分析了5G NTN和地面5G的差異點，包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、時頻同步、HARQ和移動性管理等。進(jìn)而介紹了3GPP Release 17的5G NTN標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及關(guān)鍵技術(shù)點與3GPP Release 18 的5G NTN增強(qiáng)技術(shù)。最后展望了未來空、天、地一體化的技術(shù)演進(jìn)。通過對5G NTN技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)分析，明確了5G和衛(wèi)星通信融合的技術(shù)路線，并為后續(xù)6G空、天、地融合系統(tǒng)研究和設(shè)計提供基礎(chǔ)。

NTN；傳輸時延；移動性；覆蓋

0 引言

地面5G通信的第一個版本3GPP Release 15（Rel-15）針對3種典型場景——eMBB、mMTC、URLLC提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，使得移動通信從以人與人的連接為主，演變成了人與物、物與物的海量連接。由于陸地的覆蓋僅占地球表面的6%，地表面積大部分沒有移動通信的覆蓋，因此5G的通信觸覺進(jìn)一步延伸到更廣闊的空、天、地、海領(lǐng)域，進(jìn)而觸發(fā)了在3GPPRel-16開始非地面網(wǎng)絡(luò)（non-terrestrial network，NTN）的技術(shù)研究，在3GPP Rel-17首次開始WI（Work Item）系統(tǒng)設(shè)計。5G NTN技術(shù)吸收了傳統(tǒng)衛(wèi)星通信和地面移動通信的雙重優(yōu)勢技術(shù)，不僅擴(kuò)大了衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)鏈，而且為下一代空、天、地一體化融合通信系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。本文針對3GPP 的NTN空口技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的介紹，針對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展和關(guān)鍵技術(shù)展開了分析，目的是理解和挖掘NTN技術(shù)的潛力，促進(jìn)衛(wèi)星通信、臨空通信與地面5G服務(wù)的協(xié)同發(fā)展[1]，同時對即將進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的3GPP Rel-18 NTN項目進(jìn)行了簡要介紹，以便對NTN技術(shù)在5G系統(tǒng)中的演進(jìn)提供技術(shù)上的前瞻性探索和判斷。

1 5G NTN的應(yīng)用場景和差異性分析

5G NTN技術(shù)的主要目標(biāo)是借助5G系統(tǒng)的技術(shù)框架、針對衛(wèi)星通信和低空通信的特點而進(jìn)行的5G系統(tǒng)適應(yīng)性改造，實現(xiàn)5G通信系統(tǒng)對空、天、地、海多場景的統(tǒng)一服務(wù)。因此在研究5G NTN技術(shù)之前需要對可能的應(yīng)用場景和差異性進(jìn)行分析。

表1 5G非地面網(wǎng)絡(luò)典型部署場景

1.1 典型部署場景

5G系統(tǒng)從3GPP Rel-15開始主要面向地面通信，因此小區(qū)半徑、終端的移動性、終端與基站的傳輸時延等方面和4G系統(tǒng)差異不大，而在NTN場景，主要面對的是衛(wèi)星通信和低空通信（低空平臺），這導(dǎo)致了系統(tǒng)設(shè)計方面需要考慮新的技術(shù)問題和挑戰(zhàn)。

5G非地面網(wǎng)絡(luò)的典型部署場景見表1[2-3]，與地面通信的差異主要體現(xiàn)在高時延、廣覆蓋和衛(wèi)星的運動等方面。

1.2 5G NTN的差異性和技術(shù)挑戰(zhàn)

基于NTN的應(yīng)用場景，由于空中或太空載體的高度和移動速度，以及由此造成的高傳播時延和多普勒偏移等，將對非地面網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和應(yīng)用帶來新的問題和挑戰(zhàn)。相應(yīng)地，5G非地面網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)需要對5G協(xié)議進(jìn)行針對性的修改或增強(qiáng)，以適應(yīng)上述差異和變化。

（1）高傳輸時延

高度在35 786 km的GEO單路傳輸時延可達(dá)272.4 ms（針對透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星），非GEO單路傳輸時延為至少14.2 ms（600 km LEO），而高度在10 000 km的MEO可達(dá)95.2 ms，HAPS單路傳輸時延為至少1.526 ms，仍遠(yuǎn)高于地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的0.033 ms。高傳輸時延將極大地影響基站與終端間交互的時效性，特別是接入和切換等需要多次信令交互的過程，以及HARQ（hybrid automatic repeat request）重傳過程等，進(jìn)而對用戶體驗產(chǎn)生負(fù)面影響，因此需要對上述相關(guān)協(xié)議流程進(jìn)行改進(jìn)或針對性的重設(shè)計。

（2）更大的小區(qū)半徑

與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)小區(qū)相比，非地面網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)一般具有更大的覆蓋范圍，如衛(wèi)星小區(qū)直徑可達(dá)1 000 km級別，因此小區(qū)的中心邊緣時延差異等將更加明顯。小區(qū)半徑增大對系統(tǒng)定時同步帶來一定的影響，5G系統(tǒng)是同步通信系統(tǒng)，因此有必要引入增強(qiáng)的同步機(jī)制保證用戶間的同步從而避免干擾。

（3）多普勒變化率和定時變化率

對于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星將圍繞地球做高速環(huán)形運動，這會導(dǎo)致額外的技術(shù)問題——多普勒變化和定時變化。地面5G系統(tǒng)在高鐵場景應(yīng)用時，多普勒頻偏僅需考慮數(shù)千赫茲的頻偏，然而對于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，將不得不處理幾十千赫茲甚至兆赫茲級別的多普勒偏移。對于時間變化率，地面通信基本可以忽略，然而，對于低軌衛(wèi)星通信，其定時變化率則達(dá)數(shù)十μs /s的量級，對于高頻段的5G系統(tǒng)，是一個巨大的挑戰(zhàn)?？偟膩碚f，時頻同步技術(shù)必須進(jìn)行較大的技術(shù)增強(qiáng)才能支持NTN通信。

（4）移動性管理

5G非地面網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)重選和切換、波束選擇和恢復(fù)等移動性管理過程同樣需要考慮可能的小區(qū)移動。一方面，在移動性管理決策中，需要將小區(qū)的移動狀態(tài)信息（速度、方向、預(yù)計位置）等納入考量，避免不必要的切換或重選等；另一方面，可進(jìn)一步利用小區(qū)的移動狀態(tài)信息，進(jìn)行預(yù)先的小區(qū)或波束切換，減少信令交互開銷。

（5）峰均比問題

由于衛(wèi)星的載荷器件的限制，衛(wèi)星通信的峰均比一直是被重點關(guān)注的問題。傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信采用單載波技術(shù)，而在5G NTN系統(tǒng)中，正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）技術(shù)是一項基本技術(shù)。在實踐中，峰均比技術(shù)可以通過相應(yīng)的技術(shù)手段進(jìn)行規(guī)避，比如，通過相控陣天線技術(shù)，多個波束將會共享一個功放（power amplifier，PA），這會消除多載波技術(shù)和單載波技術(shù)的差異；進(jìn)一步地，考慮削峰技術(shù)，通過對信號的峰值進(jìn)行限幅從而降低峰均比。經(jīng)過廣泛的技術(shù)討論，3GPP仍然采用了5G的波形體制，峰均比問題僅作為實現(xiàn)問題留給設(shè)備商進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化。

2 3GPP Rel-17 NTN關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)的地面蜂窩網(wǎng)相比，NTN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、終端/基站特性、具體的協(xié)議功能等方面都和傳統(tǒng)的地面蜂窩接入網(wǎng)有著或多或少的差異。在3GPP Rel-17的標(biāo)準(zhǔn)化過程中，針對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)討論了透明轉(zhuǎn)發(fā)和再生模式兩種架構(gòu)，最終同意先支持透明轉(zhuǎn)發(fā)模式。具體如下。

2.1 網(wǎng)絡(luò)組成與架構(gòu)

NTN分為兩大場景——透明轉(zhuǎn)發(fā)（又稱，彎管轉(zhuǎn)發(fā)）和再生轉(zhuǎn)發(fā)。其中，透明轉(zhuǎn)發(fā)場景中衛(wèi)星扮演的角色是射頻中繼，服務(wù)鏈路（service link）和饋電鏈路（feeder link）均采用5G的Uu接口，而NTN GW（gateway）只是透傳NR-Uu口信號，不同的透傳衛(wèi)星可以連接相同的地面基站gNB；另一方面，再生場景中衛(wèi)星扮演的角色則是星載基站（gNB-DU或gNB），服務(wù)鏈路采用NR Uu口，不同于透明轉(zhuǎn)發(fā)模式，饋電鏈路采用衛(wèi)星私有空口（satellite radio interface，SRI），NTN GW則是transport network layer節(jié)點，不同星載gNB可以連接相同的地面5G核心網(wǎng)?；谕该鬓D(zhuǎn)發(fā)和再生架構(gòu)的非地面網(wǎng)絡(luò)分別如圖1、圖2所示[3]。

圖1 基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的非地面網(wǎng)絡(luò)

圖2 基于再生架構(gòu)的非地面網(wǎng)絡(luò)

非地面網(wǎng)絡(luò)一般由以下部分組成。

（1）網(wǎng)關(guān)

非地面網(wǎng)絡(luò)與公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間的參考點。

（2）NTN終端

包括手持終端等小型終端和甚小口徑天線終端（very small aperture terminal，VSAT），其中手持終端等小型終端通常由窄帶或?qū)拵l(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)直接服務(wù)，頻段通常在6 GHz以下，下行速率為1～2 Mbit/s（窄帶）；VSAT通常搭載于移動平臺（如船舶、列車、飛機(jī)等）作為其內(nèi)部小型終端的中繼，由寬帶衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)直接服務(wù)，頻段通常在6 GHz以上，下行速率可超過50 Mbit/s 。

（3）饋電鏈路

網(wǎng)關(guān)與衛(wèi)星（或者空中載體平臺）之間的通信鏈路。

（4）空中載體平臺

搭載部分（如射頻拉遠(yuǎn)頭（remote radio head，RRH））或全部基站功能單元，當(dāng)搭載部分基站單元，僅具備射頻濾波、頻率轉(zhuǎn)換和放大功能時，稱為透明轉(zhuǎn)發(fā)模式；當(dāng)搭載全部基站單元，額外具備調(diào)制/編碼、解調(diào)/解碼、交換/路由等功能時，稱為再生放大模式。

（5）載體平臺間鏈路（inter-satellite link，ISL）

用于再生模式下空間平臺基站之間進(jìn)行信息交互的情況。

（6）服務(wù)鏈路

NTN終端與衛(wèi)星（或者空中載體平臺）之間的通信鏈路。

2.2 主要關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 時頻率同步補償

圖3 UE UL TA補償示意圖

對于低軌衛(wèi)星移動系統(tǒng)，多普勒頻率補償是一個關(guān)鍵技術(shù)點。在3GPP Rel-17 NTN中，由于場景設(shè)定為透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星，因此多普勒變化的影響服務(wù)鏈路和饋電鏈路。從UE的角度看，服務(wù)鏈路可以通過星歷信息和終端的位置信息計算相應(yīng)的多普勒變化，而對于饋電鏈路，由于缺乏地面網(wǎng)關(guān)的位置信息，這部分多普勒偏移需要由基站進(jìn)行補償。

無論定時補償還是多普勒補償，網(wǎng)絡(luò)都需要廣播星歷信息給終端，星歷的精度和格式是其中的關(guān)鍵因素。在5G NTN系統(tǒng)中，時間同步誤差需要在1/2CP（cyclic prefix）范圍之內(nèi)，頻率誤差需要控制在0.1×10?6以內(nèi)，因此星歷信息需要周期性更新，并保持必要的精度。另外，為了保持技術(shù)實現(xiàn)的靈活性，3GPP Rel-17 NTN還支持基于軌道六根數(shù)（半長軸、離心率、軌道傾角、近心點輻角、升交點經(jīng)度和真近點角）和基于衛(wèi)星位置與速度的星歷格式[6]，前者的預(yù)測時間長，后者有利于簡化終端實現(xiàn)。

2.2.2 定時關(guān)系增強(qiáng)

5G系統(tǒng)的定時關(guān)系是嚴(yán)格要求的，所有終端上行必須保持同步，因此NTN場景帶來了額外的技術(shù)變化。考慮在NTN中，星地通信時延過大，遠(yuǎn)超出地面網(wǎng)絡(luò)中定義的相關(guān)定時參數(shù)（如PDSCH到HARQ反饋時延1、上行調(diào)度到PUSCH傳輸時延2等）的最大指示范圍，為了不影響標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，3GPP Rel-17在已有的定時參數(shù)基礎(chǔ)上，引入新的值偏移量（_offset），即所有有影響的定時關(guān)系上，增加一個_offset, 用于涵蓋星地傳播延時影響。

3GPP Rel-17確定在下述定時關(guān)系中引入_offset值，包括[7]：DCI調(diào)度PUSCH傳輸?shù)亩〞r關(guān)系、RAR調(diào)度PUSCH傳輸?shù)亩〞r關(guān)系、PDSCH到HARQ反饋的定時關(guān)系、參考CSI資源的定時關(guān)系、非周期SRS（sounding reference signal）的定時關(guān)系、MAC CE（control element）承載的TA命令的生效時間、PDCCH調(diào)度PRACH傳輸?shù)亩〞r關(guān)系等。

2.2.3 HARQ重傳

圖4 DCI調(diào)度PUSCH傳輸?shù)亩〞r關(guān)系增強(qiáng)示意圖

NTN中，衛(wèi)星到地面時延過長，如高度在35 786 km的GEO單路傳輸時延可達(dá)272.4 ms，非GEO單路傳輸時延至少14.2 ms（600 km LEO），而高度在10 000 km的MEO單路傳輸時延可達(dá)95.2 ms，傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)中HARQ重傳技術(shù)受到挑戰(zhàn)，至少對于GEO和MEO網(wǎng)絡(luò)，HARQ進(jìn)程數(shù)過大導(dǎo)致UE緩存能力受限。因此，3GPP Rel-17確定NTN有能力配置UE是否關(guān)閉HARQ的反饋和重傳功能，并且基于終端能力的考慮，確定最大僅支持32個進(jìn)程[8]?，F(xiàn)有技術(shù)中，HARQ關(guān)閉意味著UE無法做軟合并。當(dāng)PDSCH傳輸失敗后，RLC層重傳雖然也能工作，但與MAC層的HARQ重傳相比，一是頻譜效率低，UE無法將多次重傳結(jié)果做軟合并；二是時延更長。為了避免RLC層重傳，NTN需要通過降低頻譜效率的手段（如重復(fù)傳輸、高BLER目標(biāo)、低MCS調(diào)度等）提高初傳成功率，但同樣導(dǎo)致NTN的頻率效率較低。所以，為了盡量避免簡單“一刀切”的方式來盲目使用這種能耗很高、效率低的技術(shù)，最終面向NTN的HARQ過程增強(qiáng)如下：

● 對于下行鏈路，可以啟用或禁用HARQ反饋，但在SPS去激活場景下，要求始終發(fā)送HARQ反饋；

● 對于上行鏈路上的動態(tài)授權(quán)，網(wǎng)絡(luò)可為UE的每個HARQ過程配置UL HARQ狀態(tài)，確定是允許重傳或非重傳模式。此外，每個邏輯信道（logical channel，LCH）可被配置為在一種UL HARQ狀態(tài)上傳輸。因此，配置了UL HARQ狀態(tài)的LCH的數(shù)據(jù)只能映射到配置了相同狀態(tài)的HARQ進(jìn)程, 否則引起數(shù)據(jù)處理錯誤。面向邏輯信道配置UL HARQ狀態(tài)的示意圖如圖5所示。

圖5 面向邏輯信道配置UL HARQ狀態(tài)的示意圖

2.2.4 尋呼和空閑態(tài)管理

為了解決由衛(wèi)星運動觸發(fā)的頻繁尋呼跟蹤區(qū)更新（tracking area update，TAU）過程的問題，5G NTN提出了“固定跟蹤區(qū)域”的概念，即跟蹤區(qū)域碼（tracking area code，TAC）固定在地面上，而小區(qū)在地面上隨著衛(wèi)星的移動而改變，也就是說，當(dāng)小區(qū)在地面掃描時，如果小區(qū)到達(dá)下一個計劃的地球固定跟蹤區(qū)域時，廣播的跟蹤區(qū)域碼（即TAC）發(fā)生變化?！肮潭ǜ檯^(qū)域”雖然解決了衛(wèi)星運動觸發(fā)的頻繁TAU過程的問題，但也對小區(qū)的系統(tǒng)消息更新或?qū)ず糁芷趲砹诵碌膯栴}。

于是，3GPP Rel-17 在傳統(tǒng)的硬跟蹤區(qū)更新的基礎(chǔ)上引入了軟跟蹤區(qū)更新方案，具體是網(wǎng)絡(luò)可以在NR NTN小區(qū)中針對每一個PLMN（public land mobile network）廣播多達(dá)12個以上的跟蹤區(qū)域碼（TAC），包括相同或不同的PLMN。系統(tǒng)信息中的TAC變化受網(wǎng)絡(luò)控制，即它可能與地面光束的實時照明不完全同步。另外，如果當(dāng)前廣播的TAC之一屬于UE的注冊區(qū)域，則不期望UE執(zhí)行由移動性觸發(fā)的注冊過程。跟蹤區(qū)域碼和地理位置固定示意圖如圖6所示。

2.2.5 連接態(tài)的移動性管理

（1）切換技術(shù)

對于低軌衛(wèi)星，波束覆蓋存在覆蓋固定波束和覆蓋移動波束兩種模式，所謂覆蓋固定波束指的是波束指向地面固定的區(qū)域，而覆蓋移動波束指的是波束隨著衛(wèi)星的移動而移動。在3GPP Rel-17 NTN系統(tǒng)中，由于假設(shè)透明轉(zhuǎn)發(fā)場景，還存在服務(wù)鏈路和饋電鏈路的分離切換模式，增大了切換管理的復(fù)雜度。連接模式移動性管理按照UE移動以及衛(wèi)星移動分為以下5種特定場景[9]。

● 場景1：用于覆蓋固定波束的饋電鏈路切換，包含UE服務(wù)鏈路切換。

圖6 跟蹤區(qū)域碼和地理位置固定示意圖

● 場景2：用于覆蓋移動波束的饋電鏈路切換，包含UE服務(wù)鏈路切換。

● 場景3：衛(wèi)星切換導(dǎo)致的覆蓋固定波束服務(wù)鏈路切換。

● 場景4：當(dāng)覆蓋移動波束不再服務(wù)于UE時，覆蓋移動波束的連接模式移動性。

● 場景5：由于UE移動，覆蓋移動和覆蓋固定波束的連接模式移動性。

對于NTN系統(tǒng)的切換，主要考慮的問題是如何利用星歷和終端的位置信息，以保證切換的可靠性；在地面系統(tǒng)切換中，RRM測量是主要切換依據(jù)，然而在衛(wèi)星通信中，切換不僅僅依靠RRM測量，也需要充分利用終端的位置和衛(wèi)星的波束移動規(guī)律。因此在3GPP Rel-17 NTN中，引入了條件切換（conditional handover，CHO）的技術(shù)方案，即基于衛(wèi)星移動的規(guī)律提前按照某種條件配置終端到點自主切換。具體的觸發(fā)條件包括：

● CHO執(zhí)行觸發(fā)的測量CHO事件A4；

● 基于時間的觸發(fā)條件，定義UE可以對候選小區(qū)執(zhí)行CHO時的時間窗口；

● 一種基于位置的觸發(fā)條件，定義從UE到源小區(qū)和從UE到候選小區(qū)的兩個距離閾值，UE可根據(jù)該距離閾值執(zhí)行CHO；

● 基于時間或基于位置的觸發(fā)條件始終與基于測量的觸發(fā)條件之一（CHO事件A3、A4或A5）一起配置。

（2）連接態(tài)的測量

傳統(tǒng)的同頻測量和異頻測量，由于基站均在地面上，不同的地面基站到終端的傳輸時延差比較小，因此協(xié)議中規(guī)定的測量窗口長度比較小。而對于非地面網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星到UE之間的傳輸時延差異較大，尤其是LEO和GEO到UE的傳輸時延差，更是到了百毫秒級別，如果使用現(xiàn)有的測量配置可能導(dǎo)致UE無法檢測到目標(biāo)小區(qū)的同步信號和PBCH塊（synchronization signal and PBCH block，SSB）。同時，由于衛(wèi)星的移動速度比較快，可能測量配置在實際執(zhí)行時會比地面網(wǎng)絡(luò)的錯誤率高很多，具體如圖7所示[10]。

圖7 面向NTN的目標(biāo)小區(qū)和服務(wù)小區(qū)到UE的傳播時延差示意圖

因此在3GPP Rel-17，對測量方案進(jìn)行了增強(qiáng)，充分考慮目標(biāo)小區(qū)和服務(wù)小區(qū)到UE的傳播時延差，使得UE能夠正確檢測到目標(biāo)小區(qū)的SSB。同時，綜合考慮衛(wèi)星的移動速度，提高測量配置的容錯性能。具體地，網(wǎng)絡(luò)可以配置如下。

● 每個載波信道最多配置并行4個同步塊測量時序配置（SS/PBCH block measurement timing configuration，SMTC），并且對于一組給定的小區(qū)，配置的數(shù)目具體取決于UE能力。作為最低要求，UE能夠在每個載波上并行支持2個SMTC。

● SMTC（包括偏移、周期性）使用根據(jù)UE報告的定時提前信息、饋線鏈路時延以及服務(wù)/相鄰衛(wèi)星小區(qū)星歷計算的傳播時延差。

● 在連接模式的網(wǎng)絡(luò)控制和空閑/非活動模式的UE控制下，可以通過換擋調(diào)整SMTC。

3 面向3GPP Rel-18的NTN技術(shù)演進(jìn)

3.1 3GPP Rel-17 NTN技術(shù)演進(jìn)的需求

在3GPP Rel-17版本，NTN技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化主要是基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的GSO和NGSO網(wǎng)絡(luò)場景下對具備定位能力終端的支持。NTN 3GPP Rel-17只是一個比較基礎(chǔ)的版本，仍無法滿足更為靈活多樣的空、天、地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)部署需求，更為多樣的終端類型和業(yè)務(wù)需求。

NTN技術(shù)在3GPP Rel-18的演進(jìn)需求主要包括兩個方面：新特性支持和現(xiàn)有特性增強(qiáng)。在新特性支持方面，不少公司提出了各種不同的想法和需求，如多播廣播業(yè)務(wù)（multicast broadcast service，MBS）的支持、RedCap的支持、新頻譜的支持、再生模式的支持以及沒有GNSS能力的終端的支持等?，F(xiàn)有特性增強(qiáng)方面，如進(jìn)一步的覆蓋增強(qiáng)、波束管理增強(qiáng)以及移動性管理增強(qiáng)等[11-12]。

對于衛(wèi)星波束的配置和部署假設(shè)，3GPP Rel-17 NTN版本沒有增強(qiáng)，主要的原理是遵循地面5G通信的控制波束和數(shù)據(jù)波束的概念，但受衛(wèi)星波束的大覆蓋和鏈路預(yù)算的影響，客觀上存在增強(qiáng)的需求。但受限于3GPP Rel-18的時間進(jìn)度，最終采納的NTN標(biāo)準(zhǔn)化需求包括[13]：

● 支持10 GHz以上的部署的新場景，主要覆蓋現(xiàn)有衛(wèi)星通信的常用Ku/Ka頻段；

● 基于衛(wèi)星系統(tǒng)大的傳播時延和低軌衛(wèi)星高速運動的特點，對手持終端（尤其是智能手機(jī)）的性能進(jìn)一步優(yōu)化；

● 對終端的移動性和業(yè)務(wù)連續(xù)性的進(jìn)一步增強(qiáng)，以減少低軌衛(wèi)星系統(tǒng)下UE頻繁切換對終端業(yè)務(wù)的影響；

● 對終端位置報告進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)驗證，以滿足相關(guān)監(jiān)管的要求（如合法的攔截、緊急呼叫、公共預(yù)警系統(tǒng)等）。

3.2 3GPP Rel-18 NTN主要關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 覆蓋增強(qiáng)

3GPP Rel-18目標(biāo)的重點是考慮NR覆蓋增強(qiáng)方案在NTN系統(tǒng)中的適用性，識別NTN系統(tǒng)中覆蓋方面的潛在問題并針對性地進(jìn)行方案設(shè)計，設(shè)計應(yīng)考慮NTN特征包括較大的傳播時延和衛(wèi)星的快速運動。

NTN 3GPP Rel-18覆蓋增強(qiáng)的相關(guān)工作僅包含NTN特定特征，對于覆蓋增強(qiáng)通用技術(shù)則可以直接應(yīng)用。對于應(yīng)用場景，至少需要考慮商業(yè)智能手機(jī)的語音和低速率數(shù)據(jù)服務(wù)。關(guān)于天線增益，使用更合理的假設(shè)，而不是目前NTN鏈接預(yù)算分析假定的0 dBi，比如?3 dBi。

對于NTN覆蓋增強(qiáng)，主要考慮下列技術(shù)研究方向：

● 在3GPP Rel-17 覆蓋增強(qiáng)項目標(biāo)準(zhǔn)化的重復(fù)增強(qiáng)之外的NTN特定的重復(fù)增強(qiáng)技術(shù)；

● NTN特定的分集增強(qiáng)和/或極化增強(qiáng)技術(shù)；

● 在鏈路預(yù)算有限的情況下提高低速率編解碼的性能，減少對VoNR在接入網(wǎng)的協(xié)議開銷。

3.2.2 10 GHz以上頻譜的支持

對于高頻段，衛(wèi)星通信有巨大的應(yīng)用需求，因此，3GPP Rel-18要研究和確定NTN示例頻帶，包括相鄰信道共存的場景和規(guī)則分析，具體的要求如下。

● 根據(jù)ITU分配，考慮以衛(wèi)星Ka頻段為參考；考慮終端類型（如VSAT、ESIM）場景，和ITU-R /地區(qū)法規(guī)，定義一個適合開發(fā)通用的3GPP最低性能要求的示例頻帶。

● 研究FR2 FDD操作的影響，推導(dǎo)得到需求確定適當(dāng)?shù)氖纠l帶。3GPP為FDD NTN系統(tǒng)引入的示例頻帶不得影響現(xiàn)有的3GPP TDD規(guī)范中地面所使用的與NTN鄰近的頻譜。

● 相關(guān)的共存場景和分析需要在RAN4考慮，如果適用于其他地方，要保證3GPP引入的頻譜不影響現(xiàn)有的規(guī)范，不對使用NTN頻譜的鄰近頻譜的地面網(wǎng)絡(luò)造成損害。

● 以FR1中的設(shè)計作為10 GHz以上的共存分析的基礎(chǔ)和參考。

● 定義10 GHz以上的NTN頻帶不應(yīng)改變當(dāng)前FR1 / FR2的定義，也不會自動適用于未來地面網(wǎng)絡(luò)在該頻譜上定義的頻帶。

對于確定的示例頻段，需要盡快明確定義衛(wèi)星接入點的Rx / Tx要求和不同的VSAT UE等級。從現(xiàn)有FR1和FR2集合中確定物理層參數(shù)的值，可以包括但不限于以下一組參數(shù)：

● 時間關(guān)系相關(guān)增強(qiáng)（例如_offset）；

● 不同的UL / DL 信號/通道的子波間隔；

● 10 GHz以上的PRACH配置索引。

3.2.3 UE位置的網(wǎng)絡(luò)驗證

NTN 3GPP Rel-17版本中，3GPP系統(tǒng)與架構(gòu)小組SA2和SA3提出了對UE位置信息的使用監(jiān)管需求，具體如下：

● 在衛(wèi)星小區(qū)跨國/地區(qū)覆蓋的場景下，基站應(yīng)為UE選擇該UE當(dāng)前位置所處國家/地區(qū)對應(yīng)的核心網(wǎng)網(wǎng)元；且在UE連接態(tài)在一個小區(qū)內(nèi)發(fā)生了跨國/地區(qū)移動的情況下，基站應(yīng)能識別并觸發(fā)inter-AMF/inter- PLMN的切換；

● 基站向核心網(wǎng)上報的ULI（user location information）中包含的CGI（cell global ID）應(yīng)和NR地面網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)大小的粒度相當(dāng)。

為了滿足上述需求，3GPP Rel-17設(shè)計了空口的UE位置上報機(jī)制，但上報的UE位置是否準(zhǔn)確有效，目前沒有明確的網(wǎng)絡(luò)驗證的方法。因此，3GPP Rel-18要進(jìn)一步討論網(wǎng)絡(luò)驗證UE位置的法規(guī)要求及精度要求，并基于該需求，設(shè)計對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)驗證UE上報位置的具體方法。

3.2.4 移動性和業(yè)務(wù)連續(xù)性增強(qiáng)

NTN 3GPP Rel-17版本中，對NTN LEO系統(tǒng)內(nèi)的移動性方案進(jìn)行了設(shè)計，包括空閑態(tài)的小區(qū)選擇和重選、連接態(tài)的基于UE位置和基于時間的條件切換。NTN-TN之間的移動性在3GPP Rel-17中沒有得到充分的討論，也沒有進(jìn)行完善的方案設(shè)計。

3GPP Rel-18將以3GPP Rel-17的移動性方案設(shè)計為基礎(chǔ)，設(shè)計和完善TN-NTN之間的移動性方案，同時考慮NTN系統(tǒng)內(nèi)的移動性管理方案的優(yōu)化和增強(qiáng)，以縮短切換帶來的業(yè)務(wù)中斷。由于TN和NTN的覆蓋互補性，在兩種網(wǎng)絡(luò)中的平滑切換能有效提升業(yè)務(wù)服務(wù)的連續(xù)性，如圖8所示。

圖8 支持業(yè)務(wù)連續(xù)性的TN和NTN網(wǎng)絡(luò)互補覆蓋

移動性管理的增強(qiáng)方面有多種優(yōu)化機(jī)制可以考慮，具體如下。

（1）基于UE位置上報進(jìn)行切換的決策和實施

3GPP Rel-17已經(jīng)設(shè)計了空口的UE位置上報，3GPP Rel-18會進(jìn)一步討論UE上報位置的精度和如何驗證的問題?；诖耍绻緜?cè)能夠獲得相對精準(zhǔn)的UE位置信息（比如精確的GNSS位置或者百米精度的UE位置），基站可以直接基于UE的位置和自身覆蓋情況來確定和執(zhí)行星內(nèi)切換及星間切換。

（2）基于DAPS（dual active protocol stack cell system）的切換

基于DAPS的切換在3GPP移動性增強(qiáng)項目中已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化。通過UE的雙協(xié)議棧，可以先和目標(biāo)小區(qū)建立連接，因此可以進(jìn)一步地減小切換的時延。該技術(shù)可以重用的NTN系統(tǒng)中，適用于NTN小區(qū)間的切換以及TN和NTN間的切換。

（3）基于DC（雙連接）的切換

通過引入DC，在提升用戶吞吐量的同時，可以對頻繁切換造成的業(yè)務(wù)時延進(jìn)一步縮減。雙連接有多種場景，如：GEO + LEO、LEO + LEO、TN + NTN等。但目前NTN系統(tǒng)中對某些場景支持的增益并不明顯，如LEO + LEO的雙連接，對網(wǎng)絡(luò)覆蓋提出了新的要求，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時也無法改善頻繁切換的問題。在GEO + LEO場景下，DC的引入在理論上可以有一些增益，如：信令通過GEO、數(shù)據(jù)通過LEO來傳遞；但雙連接對UE能力尤其是天線同時收發(fā)能力以及功耗提出了新的挑戰(zhàn)。

4 面向6G的空、天、地一體化技術(shù)演進(jìn)

衛(wèi)星通信在覆蓋、可靠性及靈活性方面的優(yōu)勢能夠彌補地面移動通信的不足，衛(wèi)星通信與地面5G的融合能夠為用戶提供更為可靠的一致性服務(wù)體驗，降低運營商網(wǎng)絡(luò)部署成本，連通空、天、地、海多維空間，形成一體化的泛在網(wǎng)絡(luò)格局[14-15]。

從需求和技術(shù)方面來看，未來的演進(jìn)可以著眼于以下幾個方面。

（1）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和組網(wǎng)方式增強(qiáng)

基于部署和業(yè)務(wù)的需求實現(xiàn)接入網(wǎng)功能的彈性部署，支持全再生模式、部分再生模式、透明模式等形式的接入網(wǎng)架構(gòu)。將地面基站的部分或全部功能逐步遷移到星上是發(fā)展趨勢，能夠有效降低信令和業(yè)務(wù)的處理時延、提升用戶體驗，并綜合利用星地的空口和硬件資源。通過星鏈，可以更好地進(jìn)行覆蓋的延伸，可以提供更為靈活的網(wǎng)絡(luò)部署選擇。

對于核心網(wǎng)，需要考慮衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)的深度融合，包括更靈活的天地融合架構(gòu)的設(shè)計，GSO、NGSO、TN等不同層次網(wǎng)絡(luò)間更好的互聯(lián)互通以及協(xié)同工作，真正實現(xiàn)空、天、地一體化。引入NFV和SDN技術(shù)，實現(xiàn)衛(wèi)星平臺的虛擬化和智能化，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的按需部署，并實現(xiàn)高軌、低軌、地面網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一的移動性管理和資源管理框架。

（2）星地統(tǒng)一的頻率資源分配

頻率資源仍是制約星地融合的主要瓶頸，隨著低軌星座的大面積部署，頻率沖突的問題將愈發(fā)嚴(yán)重，探索星地頻率規(guī)劃及頻率共享新技術(shù)是實現(xiàn)星地融合需要解決的首要問題。未來的網(wǎng)絡(luò)將不再分衛(wèi)星頻段和地面頻段，基于需求實現(xiàn)頻率的統(tǒng)一分配和動態(tài)共享，并且研究星地頻率干擾協(xié)同和干擾規(guī)避技術(shù)，大幅度提高頻率資源的利用效率。

（3）統(tǒng)一的空口設(shè)計和移動性管理

針對衛(wèi)星通信和地面通信，空口的差異性需要考慮時延、同步、移動性等因素。面向6G，從第一個版本就需要考慮統(tǒng)一的波形設(shè)計和統(tǒng)一的空口技術(shù)，實現(xiàn)極簡接入和智能接入，真正實現(xiàn)零時延接入和零時延切換。無論何時何地，終端可以動態(tài)地選擇地面網(wǎng)絡(luò)、臨空平臺或者衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，按照業(yè)務(wù)QoS需求智能接入網(wǎng)絡(luò)，獲得最優(yōu)的用戶體驗。

（4）衛(wèi)星波束管理和大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用

大規(guī)模MIMO技術(shù)是5G的一大特色，在衛(wèi)星通信中也可以進(jìn)行增強(qiáng)，充分考慮星載平臺的特點，設(shè)計合理的波束成形機(jī)制和多流傳輸技術(shù)。星載相控陣技術(shù)將是未來的主要衛(wèi)星天線實現(xiàn)方式，多星多波束的協(xié)同傳輸技術(shù)將成為可能，可有效提升系統(tǒng)容量。

（5）終端的一體化設(shè)計

現(xiàn)有地面終端和衛(wèi)星終端差異較大，在6G系統(tǒng)中，由于采用統(tǒng)一的空口設(shè)計，終端芯片將一體化設(shè)計。更重要的是，隨著天線技術(shù)的發(fā)展，適合多頻段的終端天線和射頻技術(shù)將更為成熟。因此，終端的一體化設(shè)計是空、天、地一體化的重要環(huán)節(jié)，用戶將能自由地在不同的網(wǎng)絡(luò)中切換和漫游，享受空、天、地、海的無縫覆蓋和連續(xù)的業(yè)務(wù)服務(wù)。

（6）更豐富的業(yè)務(wù)提供能力

衛(wèi)星通信系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是廣覆蓋技術(shù)，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)是一個重要的發(fā)展方向，后續(xù)空、天、地一體化網(wǎng)絡(luò)將提供個人移動、寬帶接入、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)等更豐富的業(yè)務(wù)服務(wù)?；谛l(wèi)星的垂直行業(yè)的服務(wù)能力將大幅提升，比如通過RedCap等技術(shù)，使用更小的帶寬實現(xiàn)IoT類的業(yè)務(wù)支持，以提供IoT業(yè)務(wù)海量的接入和服務(wù)。同時，支持MBS等新廣播業(yè)務(wù)特性也是一個重要方面；衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的廣覆蓋，對支持廣播類的業(yè)務(wù)有著天然的優(yōu)勢，尤其是應(yīng)急類的廣播業(yè)務(wù)。

5 結(jié)束語

5G NTN技術(shù)擴(kuò)展了5G技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅能支持地面通信，同時也支持空間通信，為空、天、地、海一體化通信提供了技術(shù)可能性。3GPP Rel-17 NTN技術(shù)以彎管通信為主，解決了衛(wèi)星通信的基礎(chǔ)問題，包括時頻同步、大傳輸時延和移動性管理等問題，而3GPP Rel-18 NTN基于彎管通信進(jìn)一步做了增強(qiáng)，側(cè)重于覆蓋增強(qiáng)、頻段擴(kuò)展和業(yè)務(wù)連續(xù)性，但對再生模式和星間鏈路的標(biāo)準(zhǔn)化并沒有提到日程，仍需要時間等待技術(shù)的成熟與市場的驅(qū)動。

面向6G的NTN技術(shù)發(fā)展，需要解決立體組網(wǎng)的一體化、終端的一體化、頻率的一體化等若干關(guān)鍵技術(shù)問題；隨著應(yīng)用場景、市場規(guī)模、關(guān)鍵技術(shù)的突破，終端的便捷性等方面的有效提升，實現(xiàn)空、天、地、海的泛在場景互聯(lián)將指日可待。

[1] 陳山枝. 關(guān)于低軌衛(wèi)星通信的分析及我國的發(fā)展建議[J]. 電信科學(xué), 2020, 36(6): 1-13.

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Key technologies and evolution of 5G non-terrestrial network

MIAO Deshan1,2, CHAI Li3, SUN Jiancheng1,2, KE Ting3, LIU Yuzhen3, XU Xiaodong3, HU Nan3, CHEN Shanzhi2

1. CICT Mobile Communications Technology Co., Ltd., Beijing 100083, China 2. State Key Laboratory of Wireless Mobile Communications, China Academy of Telecommunications Technology(CATT), Beijing 100191, China 3. China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China

Non-terrestrial network (NTN) in 5G system is expected to provide communication services via near-earth space access and satellite access, which means 5G network has expanded its service area from land to space. Standardization status and key technolgies of 5G 3GPP Release 17 NTN were presented, including key differences compared 5G TN, especially in network architecture, time and frequency synchronization, HARQ, and mobility management etc. Moreover, the main candidate techniques in 3GPP Release 18 NTN and beyond were explored, aiming to outline a vision for NTN evolution. Based on the analysis of 5G NTN and its evolution, it was observed that the integration of TN and NTN would be an obvious technique trend, which paved a way to a unified system applied for space, land and sea.

NTN, propagation delay, mobility, coverage

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022056

2022?01?10；

2022?03?10

國家重點研發(fā)計劃項目（No.2020YFB1807900）

The National Key Research and Development Program of China(No.2020YFB1807900)

繆德山（1978? ），男，博士，現(xiàn)就職于中信科移動通信技術(shù)股份有限公司，主要研究方向為無線移動通信、衛(wèi)星通信。

柴麗（1977? ），女，現(xiàn)就職于中國移動通信有限公司研究院，主要從事4G及5G標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究工作。

孫建成（1982? ），男，現(xiàn)就職于中信科移動通信技術(shù)股份有限公司，主要從事4G/5G高層標(biāo)準(zhǔn)的研究和推動工作。

柯颋（1982? ），男，博士，中國移動通信有限公司研究院高級工程師，主要研究方向為5G物理層標(biāo)準(zhǔn)。

劉玉真（1992? ），女，現(xiàn)就職于中國移動通信有限公司研究院，主要研究方向為5G高層標(biāo)準(zhǔn)，主要負(fù)責(zé)非地面網(wǎng)絡(luò)通信高層標(biāo)準(zhǔn)研究工作。

徐曉東（1975? ），男，博士，中國移動通信有限公司研究院高級工程師，3GPP RAN1工作組副主席，主要從事4G、5G無線接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及4G、5G無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化方面的工作。

胡南（1980? ），男，博士，中國移動通信有限公司研究院無線和終端技術(shù)研究所副所長、正高級工程師，3GPP全會副主席，主要從事4G、5G無線接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方面的工作。

陳山枝（1968? ），男，博士，無線移動通信國家重點實驗室（電信科學(xué)技術(shù)研究院有限公司）主任，博士生導(dǎo)師、正高級工程師，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，IEEE Fellow，中國電子學(xué)會會士，中國通信學(xué)會會士。負(fù)責(zé)4G和5G移動通信、C-V2X車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究及產(chǎn)業(yè)化工作。主要研究方向為B5G和6G、車聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星移動通信等。