5G NTN定時提前調(diào)整策略分析

葉向陽，單 單，韓春娜，張建國（.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 3005；.諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司浙江分公司，浙江杭州 30053）

1 概述

5G 承擔(dān)著賦能千行百業(yè)、萬物互聯(lián)的使命，除了傳統(tǒng)的地面5G 蜂窩移動通信外，3GPP 在Rel-17 版本中將衛(wèi)星通信網(wǎng)作為地面5G 蜂窩移動通信網(wǎng)的重要補(bǔ)充，簡稱為非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial Networks，NTN），NTN 與5G NR 網(wǎng)絡(luò)相融合，發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢，可以實現(xiàn)全球無縫覆蓋和星地融合的端到端業(yè)務(wù)貫通。

NTN 具有覆蓋范圍大的優(yōu)勢，因此能夠大大加強(qiáng)5G 服務(wù)的可靠性，可以為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或飛機(jī)、輪船、高鐵等交通工具上的用戶提供連續(xù)服務(wù)，也能夠確保在任何區(qū)域都有可利用的5G信號，尤其是鐵路、海事、航空等領(lǐng)域；當(dāng)發(fā)生地震、洪水等重大自然災(zāi)害，地面通信系統(tǒng)失靈后，NTN網(wǎng)絡(luò)可以提供應(yīng)急通信［1］。

地面5G 蜂窩移動通信系統(tǒng)的傳播時延通常小于1 ms，而NTN 網(wǎng)絡(luò)的傳播時延非常大。因此不可避免地對5G NR 定時提前調(diào)整策略帶來了極大的挑戰(zhàn)，Rel-15/Rel-16 版本設(shè)計的定時提前調(diào)整方法已不再適合NTN 網(wǎng)絡(luò)，因此需要重新設(shè)計定時提前調(diào)整策略以滿足NTN網(wǎng)絡(luò)超長的傳播時延。

2 5G NTN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

5G NTN 網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示，NTN 網(wǎng)關(guān)和NTN 平臺（衛(wèi)星或UAS 平臺）之間的鏈路稱為饋電鏈路（Feeder link），NTN 平臺和UE 之間的鏈路稱為服務(wù)鏈路（Service link）。根據(jù)NTN 平臺對無線信號處理的不同，NTN 分為兩大場景，即透明轉(zhuǎn)發(fā)和再生轉(zhuǎn)發(fā)。對于透明轉(zhuǎn)發(fā)，信號在NTN 平臺上只有頻率轉(zhuǎn)換、信號放大等過程，透明轉(zhuǎn)發(fā)也稱為彎管轉(zhuǎn)發(fā)；對于再生轉(zhuǎn)發(fā)，NTN 平臺具有部分或全部gNB 功能，包括頻率轉(zhuǎn)換、信號放大及解調(diào)/解碼、交換和/或路由、編碼/調(diào)制等過程。3GPP Rel-17版本只支持透明轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1 NTN網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)

NTN 平臺包括衛(wèi)星以及無人機(jī)系統(tǒng)（Unmanned Aircraft System，UAS）平臺。根據(jù)軌道高度的不同，衛(wèi)星又分為低軌道（Low Earth Orbit，LEO）衛(wèi)星、中軌道（Middel Earth Orbit，MEO）衛(wèi)星、地球靜止軌道（Geostationary Earth Orbit，GEO）衛(wèi)星和高橢圓軌道（High Elliptical Orbit，HEO）衛(wèi)星。UAS平臺中的空中載體平臺（High Altitude Platform Staton，HAPS）位于平流層，相對于地球固定在某個特定位置，具有覆蓋半徑大、時延小、容量大等特點(diǎn)。NTN平臺類型如表1所示。

表1 NTN平臺類型

對于表1 中的NTN 平臺，GEO 衛(wèi)星提供洲際或區(qū)域通信服務(wù)；LEO 衛(wèi)星和MEO 衛(wèi)星以星座組網(wǎng)的方式在北半球和南半球提供通信服務(wù)，在某些條件下，也可以為包括極地在內(nèi)的全球區(qū)域提供通信服務(wù)，UAS平臺提供本地通信服務(wù)，HEO 衛(wèi)星通常為高緯度地區(qū)提供通信服務(wù)。

衛(wèi)星的波束覆蓋區(qū)是典型的橢圓形，可以產(chǎn)生固定波束或可調(diào)整波束，因此在地面上產(chǎn)生移動的或固定的波束覆蓋區(qū)，波束分為3種類型。

a）地面固定波束：在所有的時間內(nèi)，同一個地理區(qū)域由固定的波束持續(xù)地覆蓋，例如GEO 衛(wèi)星產(chǎn)生的波束。

b）準(zhǔn)地面固定波束：在某個有限的周期內(nèi)，某個地理區(qū)域由一個波束覆蓋，在其他周期內(nèi)，該區(qū)域由其他波束覆蓋，例如非GEO衛(wèi)星產(chǎn)生的可調(diào)整波束。

c）地面移動波束：波束的覆蓋區(qū)域沿著地面滑動，如非GEO衛(wèi)星產(chǎn)生的固定的或不可調(diào)整的波束。

NTN 網(wǎng)絡(luò)的傳播時延與傳統(tǒng)的地面5G 蜂窩移動網(wǎng)相比增加了很多。對于GEO 衛(wèi)星，單向傳播時延達(dá)到270.73 ms（透明轉(zhuǎn)發(fā)）；對于LEO 衛(wèi)星，單向傳播時延達(dá)到12.89 ms（透明轉(zhuǎn)發(fā)，衛(wèi)星高度600 km）和20.89 ms（透明轉(zhuǎn)發(fā)，衛(wèi)星高度1 200 km）［2］。

3 上行定時提前調(diào)整策略

根據(jù)是否具有GNSS 能力，UE 分為具有GNSS 能力的UE 和不具有GNSS 能力的UE，不具有GNSS 能力的UE 不能評估UE 到衛(wèi)星之間的傳播時延，為了補(bǔ)償非常大的傳播時延，需要對3GPP 規(guī)范進(jìn)行較大的修改，為了盡可能地減少對規(guī)范的修改，3GPP Rel-17 版本規(guī)定，UE必須具有GNSS能力。

對于具有GNSS 能力的UE，由于UE 知道自身位置和衛(wèi)星星歷，能夠在發(fā)射MSG1（PRACH）前自動評估UE 到衛(wèi)星之間的定時提前（Timing Advance，TA）。根據(jù)UE補(bǔ)償?shù)逆溌凡煌?，?種可選的方案［3］。

方案1：補(bǔ)償服務(wù)鏈路和饋電鏈路的時延。這種方案是UE 在發(fā)射MSG1 之前，補(bǔ)償U(kuò)E 到NTN 網(wǎng)關(guān)之間的全部時延，包括服務(wù)鏈路和饋電鏈路。UE根據(jù)自身位置和衛(wèi)星星歷，自動評估服務(wù)鏈路的TA，gNB 向UE 廣播饋電鏈路的TA。這種方案可以確保下行（DownLink，DL）幀和上行（UpLink，UL）幀在gNB 處是對齊的。該方案適合于GEO 衛(wèi)星，因為饋電鏈路的傳播時延不隨時間變化。但是對于LEO 衛(wèi)星，由于LEO衛(wèi)星快速移動，將導(dǎo)致饋電鏈路的傳播時延迅速變化，一種解決方法是gNB 不向UE 指示TA 值，而是指示NTN 網(wǎng)關(guān)的位置，但是隨著LEO 衛(wèi)星的移動，NTN網(wǎng)關(guān)會發(fā)生更換，因此需要考慮NTN 網(wǎng)關(guān)更換這種行為。

方案2：僅補(bǔ)償服務(wù)鏈路的時延。由于在同一個波束內(nèi)，饋電鏈路的時延對所有UE 都是相同的，只有服務(wù)鏈路的時延是不相同的，因此UE 只需要補(bǔ)償服務(wù)鏈路的時延即可，UE根據(jù)自身位置和衛(wèi)星星歷計算服務(wù)鏈路的TA，饋電鏈路的時延補(bǔ)償由gNB 來管理。對于再生轉(zhuǎn)發(fā)，DL幀和UL幀在gNB 處是對齊的；對于透明轉(zhuǎn)發(fā)，由于反饋鏈路時延和衛(wèi)星處理時間的原因，DL 幀和UL 幀在gNB 處是不對齊的，因此需要gNB來管理這個幀定時差異。

上述2種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)過技術(shù)討論后，最終選擇了一個折中方案，即定義一個上行時間同步參考點(diǎn)（以下簡稱參考點(diǎn)），由gNB 指定UE 補(bǔ)償時延的數(shù)值，如果參考點(diǎn)在TNT 網(wǎng)關(guān)，UE 補(bǔ)償包括服務(wù)鏈路和饋電鏈路在內(nèi)的所有時延；如果參考點(diǎn)在衛(wèi)星，UE 只補(bǔ)償服務(wù)鏈路的時延。當(dāng)然，參考點(diǎn)也可以定義在衛(wèi)星到NTN網(wǎng)關(guān)之間的某個點(diǎn)上［4］。

引入?yún)⒖键c(diǎn)后。上行TA補(bǔ)償示意如圖2所示［5］。

圖2 引入?yún)⒖键c(diǎn)后，上行TA補(bǔ)償示意圖

引入?yún)⒖键c(diǎn)后，gNB 需要向UE 提供公共TA（TACommon），公共TA 的主要作用是補(bǔ)償參考點(diǎn)到衛(wèi)星之間的傳播時延。如果TACommon=0，對應(yīng)著參考點(diǎn)在衛(wèi)星上；如果TACommon>0，對應(yīng)著參考點(diǎn)在饋電鏈路上，通常在NTN網(wǎng)關(guān)。

對于上述方案，UE 能夠補(bǔ)償大部分的TA，gNB 處理殘余的定時誤差，由于殘余的定時誤差足夠小，PRACH 接收機(jī)按照地面5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的方法即可補(bǔ)償殘余的定時誤差，然后gNB 向UE 發(fā)送MSG2 即隨機(jī)接入響應(yīng)（Random Access Response，RAR），以便對UL 定時進(jìn)一步校準(zhǔn)，UE 根據(jù)MSG2 中的定時命令，在MSG3（PUSCH）中應(yīng)用新的定時校準(zhǔn)。

對于GEO衛(wèi)星，由于GEO衛(wèi)星是靜止的，在UE發(fā)送MSG3 后，定時誤差主要由UE 移動引起，gNB 可以按照地面5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的方法，通過媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）控制單元（Control Element，CE）的TA命令，對UE的定時進(jìn)行實時調(diào)整［6］。

但是對于LEO 衛(wèi)星，按照地面5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行TA調(diào)整存在以下2個問題。

a）由于衛(wèi)星高速移動，UE 和NTN 網(wǎng)關(guān)之間的傳播時延是持續(xù)變化的，當(dāng)傳播時延很大時，gNB發(fā)送的TA 命令到達(dá)UE 的時刻，TA 命令可能是過期的。例如，因LEO 衛(wèi)星移動引起的最大定時漂移可以達(dá)到40μs/s，當(dāng)傳播時延是15 ms 時，則TA 命令到達(dá)UE 的時刻，偏離了15 ms×40 μs/s=0.6 μs，0.6 μs 已經(jīng)超過了SCS=120 kHz 的CP（Cylic Prefix，循環(huán)前綴）持續(xù)時間（0.57 μs）［7］。一種可能的解決方案是gNB 在t時刻發(fā)射的TA 值轉(zhuǎn)換成在t+tdelay的TA 值，其中tdelay是從gNB發(fā)送TA命令到UE接收到該命令所經(jīng)歷的時延。

b）在連接模式下，gNB 需要持續(xù)的發(fā)送TA 命令給UE，以便維持UL 定時。在Timing Delta MAC CE中，有6 bit信息用于調(diào)整TA。UE根據(jù)式（1）計算新的TA值：

其中，TA∈{0,1,…,63}，Tc=0.509 ns。

從式（1）可以發(fā)現(xiàn)，TA 值的最大變化是32×16×64× 2-μTc。當(dāng)SCS=15、30、60 和120 kHz 時，TA 值的最大變化分別是16.67、8.33、4.16 和2.08 μs，為了處理高達(dá)40 μs/s 的定時漂移，gNB 每秒需要分別發(fā)送至少3、5、10、20次TA命令，這將導(dǎo)致信令負(fù)荷過大［3］。

針對LEO 衛(wèi)星移動引起的大的傳播時延和大的定時漂移，gNB 需要授權(quán)UE，由UE 調(diào)整UL 定時，在一個波束內(nèi)，不同的UE 經(jīng)歷的定時漂移典型上是相同的，因此gNB 可以向UE 廣播定時漂移信息（TACommonDrit和TACommonDriftVariant）。

綜上，為了確保在參考點(diǎn)處，DL幀和UL幀是對齊的，UE 應(yīng)該相對于接收到的DL 幀i，提前TTA發(fā)送UL幀i，TTA按照式（2）計算［8］：

式（2）中，4個變量的計算過程如下。

a）NTA的計算分為2種情況。

（a）當(dāng)NTA由RAR 提供或由Timing Advance Command MAC CE提供時，根據(jù)式（3）計算NTA：

其中，TA=0，1，2，...，3 846，μ是子載波間隔配置，對于SCS=15、30、60、120 kHz，μ的值分別是0、1、2、3。

（b）對于其他情況，根據(jù)式（1）計算NTA。

b）NTA，offset由gNB 通過參數(shù)n-TimingAdvanceOffset通知給UE，取值是0、25 600 或39 936，如果gNB 沒有提供n-TimingAdvanceOffset，則UE 根據(jù)文獻(xiàn)［9］確定NTA，offset的缺省值。

c）NcommonTA,adj，根據(jù)式（4）計算：

式中：

TACommon——公共TA，取值是0～66 485 757 的整數(shù)，單位是4.072×10-3μs，即對應(yīng)著0～270.73 ms

TACommonDrift——公共TA 的漂移率（drift rate），取值是-257 303～257 303 的整數(shù)，單位是0.2×10-3μs/s，對應(yīng)的漂移率是-51.46～51.46 μs/s

TACommonDriftVariant——公共TA 的漂移率變化（drift rate variation），取值是0～28 949的整數(shù)，單位是0.2×10-4μs/s2，對應(yīng)的漂移率變化是0～0.579 μs/s2

tepoch——衛(wèi)星星歷時間的輔助信息，當(dāng)tepoch通過系統(tǒng)消息或?qū)Ｓ眯帕钐峁r，該時間是參考點(diǎn)處的DL子幀的開始時間，tepoch通過無線幀號和子幀號通知給UE［10］

4 定時關(guān)系增強(qiáng)

5G NR 的定時關(guān)系是嚴(yán)格要求的，由于NTN 的傳播時延過大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出地面5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)中定義的相關(guān)定時參數(shù)，為了不影響標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，3GPP Rel-17 定義了2個調(diào)度偏移參數(shù)（Koffset和kmac）。

4.1 上行定時關(guān)系增強(qiáng)

Koffset的主要作用是保證UE補(bǔ)償了上行TA后，gNB與UE 的時序保持同步，Koffset補(bǔ)償?shù)臅r延應(yīng)該大于等于服務(wù)鏈路TA和公共TA之和（雙向時延）。其使用方法是在所有有影響的定時關(guān)系上，增加Koffset以便補(bǔ)償信號傳播時延。Koffset按照式（5）計算：

其中，Kcell，offset是小區(qū)專用的定時偏離，gNB 通過系統(tǒng)消息廣播給UE，取值是1～1 023的整數(shù)，如該域不存在，UE 假設(shè)Kcell，offset=0；KUE，offset是UE 專用的定時偏離，gNB 通過Differential Koffset MAC CE 通知給UE，取值是0～63的整數(shù)。Kcell，offset和KUE，offset的單位是SCS=15 kHz對應(yīng)的時隙數(shù)。

3GPP Rel-17 在以下定時關(guān)系中使用Koffset：下行控 制 信 息（Downlink Control Information，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、MAC CE 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［11-12］。

對于傳統(tǒng)的地面5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，UE是在UL時隙n+K2發(fā)送PUSCH，引入Koffset后，UE 是在UL 時隙m=n+K2+2μ×Koffset發(fā)送PUSCH，對于SCS=15 kHz，子載波配置μ=0。DCI 調(diào)度PUSCH 傳輸?shù)亩〞r關(guān)系示意（SCS=15 kHz）如圖3所示［5］。

圖3 DCI調(diào)度PUSCH傳輸?shù)亩〞r關(guān)系示意（SCS=15 kHz）

圖4 MAC CE定時關(guān)系增強(qiáng)示意圖（SCS=15 kHz）

圖3中，gNB在時隙n發(fā)送含有調(diào)度PUSCH 的DCI命令，經(jīng)過RTT/2傳播時延后到達(dá)UE，UE在UL時隙m=n+K2+Koffset發(fā)送PUSCH，再經(jīng)過RTT/2 傳播時延后到達(dá)gNB。需要注意的是UE 的UL時隙n與DL時隙n之間的定時偏移是TTA。

4.2 MAC CE定時關(guān)系增強(qiáng)

kmac是對MAC CE 的定時關(guān)系進(jìn)行增強(qiáng)，當(dāng)DL 幀和UL 幀在gNB 側(cè)沒有對齊時，使用該參數(shù)，kmac應(yīng)該大于等于饋電鏈路的差分TA（雙向時延）。如果參考點(diǎn)在NTN 網(wǎng)關(guān)，則kmac=0，如果參考點(diǎn)在饋電鏈路上，則kmac>0。

kmac取值是1～512的整數(shù)，單位是SCS=15 kHz對應(yīng)的時隙數(shù)，如果該域不存在，UE假設(shè)kmac=0。

3GPP Rel-17 在以下定時關(guān)系中使用kmac：MAC CE 承載的上行功率控制的生效時間、UE 接收RAR 窗口的生效時間、MAC CE承載的TCI狀態(tài)激活的生效時間、MAC CE 承載的半持續(xù)（或非周期）CSI-RS 資源的生效時間等。

5 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的地面5G 蜂窩移動通信網(wǎng)相比，5G NTN的傳播時延非常大，對5G NR 的定時策略帶來了極大的挑戰(zhàn)，本文分析了具有GNSS 能力UE 的上行定時策略和定時關(guān)系增強(qiáng)，這些策略能基本滿足UE 接入5G NTN 的需求。在Rel-18 以及后續(xù)的版本中，通過提高UE 上報位置的精度，gNB 可以基于UE 的位置和自身覆蓋情況，進(jìn)一步提高定時的準(zhǔn)確性，提高5G NTN 網(wǎng)絡(luò)的速率，進(jìn)一步擴(kuò)展5G NTN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。