5G通信中的NTN關(guān)鍵技術(shù)研究

賈明學(xué) 張晨晨 肖培紀(jì)

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-8639

作者簡介：

賈明學(xué)（1990—），男，本科，工程師，?研究方向?yàn)?G/5G-Advanced 移動(dòng)通信協(xié)議研發(fā)及技術(shù)應(yīng)用。

張晨晨（1990—），女，本科，研究方向?yàn)?G通信技術(shù)在人工智能上的發(fā)展和應(yīng)用。

肖培紀(jì)（1987—），男，本科，研究方向?yàn)?/5G無線通信產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)。

摘 要：隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，我國通信技術(shù)取得了重大的突破，近年來，5G通信技術(shù)已廣泛應(yīng)用于通信、交通、航空等各類生產(chǎn)生活場景中。在5G網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中，5G NTN（non-terrestrial network）技術(shù)，又稱為5G非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要應(yīng)用于面向衛(wèi)星通信與低空通信等使用場景的關(guān)鍵技術(shù)，5G NTN技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著我國5G通信技術(shù)正式進(jìn)入空間通信領(lǐng)域，使5G全領(lǐng)域覆蓋成為可能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。首先介紹了目前5G通信中NTN 技術(shù)應(yīng)用的典型場景，其次分析了對(duì)5G NTN網(wǎng)絡(luò)的組成與架構(gòu)以及發(fā)展現(xiàn)狀，再次對(duì)現(xiàn)階段5G NTN的關(guān)鍵技術(shù)展開了深入研究，最后提出了5G通信中NTN關(guān)鍵技術(shù)的未來展望，為后續(xù)5G非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演化與研究提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：5G通信 NTN關(guān)鍵技術(shù) 衛(wèi)星通信 星地聯(lián)合

中圖分類號(hào)：TN929.5

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過幾十年的不斷發(fā)展，逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠郑⑶译S著大數(shù)據(jù)信息化時(shí)代的來臨，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)水平不斷提高，5G通信技術(shù)的出現(xiàn)，給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利，具有通信能力多樣化、極低的通信延時(shí)等特點(diǎn)，在實(shí)際使用中，基本實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用場景全覆蓋的80%，在一些基站建設(shè)較差、人口稀缺的惡劣地區(qū)，5G的普及是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。但是，隨著第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）中非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）的提出[1]，使5G領(lǐng)域覆蓋成為了可能。NTN是指通過利用比如搭載天線單元或基站單元等類似的空中或太空載體作為通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成部分，從而實(shí)現(xiàn)全領(lǐng)域通行的網(wǎng)絡(luò)，而5G NTN就是指基于5G網(wǎng)絡(luò)的非地面網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)與衛(wèi)星系統(tǒng)的有效融合，是目前我國通信領(lǐng)域發(fā)展的主要方向。根據(jù)以上背景，本文基于3GPP的背景，對(duì)5G通信中NTN的關(guān)鍵技術(shù)展開深入的研究。

1 ?5G通信中NTN技術(shù)典型應(yīng)用場景

非地面網(wǎng)絡(luò)是5G通信系統(tǒng)的重要組成與補(bǔ)充，具有為生產(chǎn)生活應(yīng)用場景熱點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行寬帶補(bǔ)充，為人員稀少的邊緣地區(qū)提供信息、通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，以及為重點(diǎn)生產(chǎn)區(qū)域信息數(shù)據(jù)的備份提供網(wǎng)絡(luò)支持的作用?；?G網(wǎng)絡(luò)的NTN主要包括兩個(gè)部分的內(nèi)容，一是注重于支持復(fù)雜程度較低的增強(qiáng)機(jī)器類通信與 NB-IoT 終端衛(wèi)星物聯(lián)業(yè)務(wù)的基于NTN的物聯(lián)網(wǎng)終端接入；二是通過5G智能終端的應(yīng)用，使智能手機(jī)能夠與衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行連接，并利用其提供的低速率實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)與語音服務(wù)功能的基于NTN的5G智能終端（5G-New Radio，簡稱5G-NR）接入[2]。根據(jù)3GPP的定義，5G NTN技術(shù)應(yīng)用的典型場景如下。

1.1 多重連接

多重連接是指用戶的通信設(shè)備能夠同時(shí)與地面鏈路以及衛(wèi)星鏈路等多重通信線路進(jìn)行連接，是5G通信中NTN技術(shù)應(yīng)用的重要場景之一。在此場景中，地面鏈路復(fù)責(zé)傳輸時(shí)間敏感的低時(shí)延流量，而衛(wèi)星鏈路則負(fù)責(zé)傳輸任務(wù)不重要的流量。

1.2 固定平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)連接

為了幫助如海洋、島嶼、偏遠(yuǎn)山區(qū)以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不完善的農(nóng)村地區(qū)等地面網(wǎng)絡(luò)通信基站與無線互聯(lián)網(wǎng)覆蓋不全的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)欠佳地區(qū)，實(shí)現(xiàn)生活生產(chǎn)應(yīng)用場景的5G智能網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，5G NTN通過利用衛(wèi)星系統(tǒng)向通信基站或者獨(dú)立的小型基站提供固定的信息回傳[3]，從而使該地區(qū)用戶能夠使用增強(qiáng)移動(dòng)寬帶與大規(guī)模機(jī)器通信等5G業(yè)務(wù)。

1.3 移動(dòng)平臺(tái)連接

5G NTN的應(yīng)用使得人們的網(wǎng)絡(luò)通信連接線路有了更多的選擇，在日常生活應(yīng)用場景中可以使用地面鏈路連接地面網(wǎng)絡(luò)，而在無法使用地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的偏遠(yuǎn)地區(qū)可以選擇連接衛(wèi)星鏈路。非地面網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星系統(tǒng)可以為汽車、火車、高鐵、飛機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)提供與地面或空中任何設(shè)施設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)的能力，從而為平臺(tái)用戶提供高效的通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

1.4 低密度地區(qū)補(bǔ)充服務(wù)

5G NTN的應(yīng)用常見于偏遠(yuǎn)山區(qū)、農(nóng)村地區(qū)等網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)質(zhì)量不佳的地區(qū)，用于幫助該地區(qū)用戶提供多重可選擇的網(wǎng)絡(luò)連接鏈路，保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的穩(wěn)定。對(duì)于公交、飛機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)，提供接入互聯(lián)網(wǎng)的能力，對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)較弱的偏遠(yuǎn)地區(qū)以及自然條件較差的地區(qū)，提供無線接入網(wǎng)設(shè)備。5G NTN的應(yīng)用，擴(kuò)大了通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，為社會(huì)發(fā)展提供了無限的可能性。

2 ?5G NTN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成與架構(gòu)

2.1 透明架構(gòu)

5G NTN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的透明架構(gòu)模式，也稱為通信網(wǎng)絡(luò)的透明轉(zhuǎn)發(fā)模式或者彎管模式[4]，就是指將衛(wèi)星系統(tǒng)作為信號(hào)中繼站，無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)經(jīng)過中繼站時(shí)，通過衛(wèi)星與信關(guān)站對(duì)智能終端與5G無線接入網(wǎng)傳輸進(jìn)來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)數(shù)據(jù)不做任何處理。5G NTN的透明架構(gòu)模式分為有中繼模式與無中繼模式兩種情形，有中繼透明架構(gòu)模式是指通過無線接口將終端、中繼點(diǎn)與5G基站以此按照順序進(jìn)行連接，然后衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)中繼點(diǎn)與5G基站之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)。無中繼透明架構(gòu)模式是指無線接口與5G基站之間通過終端進(jìn)行連接，然后衛(wèi)星對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)。具體架構(gòu)部署如圖1所示。

2.2 星上處理架構(gòu)

星上處理架構(gòu)模式是指通過將5G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)搭載至空間衛(wèi)星上，從而實(shí)現(xiàn)將無線網(wǎng)絡(luò)接入終端。與透明架構(gòu)模式一樣，星上處理架構(gòu)模式分為有中繼模式與無中繼模式，其中有中繼模式是指利用標(biāo)準(zhǔn)的無線接口將終端、中繼點(diǎn)以及衛(wèi)星5G基站按照先后順序進(jìn)行連接，中繼點(diǎn)與終端之間的數(shù)據(jù)傳輸由衛(wèi)星提供底層傳輸通道。而無中繼模式則由無線接口將終端與5G基站連接，并將5G基站搭載至衛(wèi)星上，從而使衛(wèi)星為終端與5G基站之間的數(shù)據(jù)傳輸提供底層傳輸通道。具體架構(gòu)部署如圖2所示。

3?5G通信中的NTN關(guān)鍵技術(shù)

3.1 ?5G 通信中NTN技術(shù)的發(fā)展歷程

非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）定義正式提出是在2022年6月第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）中，自R14項(xiàng)目成立起就一直致力于建立基于NTN的統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)與5G通信的融合，探索星地聯(lián)合的可能性[5]。在此次計(jì)劃中，對(duì)形成了第一版融合技術(shù)規(guī)范的3GPP Rel-17 NTN項(xiàng)目進(jìn)行了凍結(jié)，并在8月啟動(dòng)了形成第二版融合技術(shù)規(guī)范的3GPP Rel-18 NTN項(xiàng)目，5G NTN標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展如圖3所示，下面將以3GPP Rel-18 NTN為例對(duì)5G通信中NTN關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

3.2?3GPP Rel-18 NTN關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 覆蓋增強(qiáng)

在5G NTN技術(shù)項(xiàng)目中3GPP Rel-18 NTN項(xiàng)目的研究重點(diǎn)在于考慮5G智能終端接入（New Radio，NR）覆蓋性增強(qiáng)設(shè)計(jì)方案能否在非地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中有效使用，并且能夠在進(jìn)行非地面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)覆蓋性增強(qiáng)時(shí)，識(shí)別出潛在網(wǎng)絡(luò)安全問題，并提出有針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案。對(duì)于NTN覆蓋增強(qiáng)工作的開展，可考慮以下技術(shù)的應(yīng)用：（1）OTSR（Over-The-Air Service Provisioning，空中服務(wù)配置）技術(shù)，采用全向發(fā)射，比定向天線覆蓋更遠(yuǎn)，容量與全向小區(qū)容量比較接近，因此比較適用于初期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)容量較低的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)；（2）塔放覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，塔放即塔頂?shù)驮胍舴糯笃?，用于放大通信基站的射頻信號(hào)，從而提高通信系統(tǒng)上行的信息接收靈敏度，增強(qiáng)上行覆蓋；（3）4天線收分集覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，其本質(zhì)是利用兩種或兩種以上的方式對(duì)同一信號(hào)進(jìn)行接收，而分集具有分散傳輸與集中處理兩重含義，有利于增強(qiáng)上行覆蓋以及擴(kuò)大上行容量；（4）通過提高低速率編碼解碼的性能，在網(wǎng)絡(luò)連接鏈路預(yù)算有限的背景下，最大限度地減少VoNR在數(shù)據(jù)接入網(wǎng)的協(xié)議花費(fèi)[6]。

3.2.2 支持10GHz以上的頻譜

不同頻率的通信信號(hào)對(duì)衛(wèi)星通信的需求不同，對(duì)于高頻率的信號(hào)段來說，對(duì)衛(wèi)星通信有著巨大的需求，所以，3GPP Rel-18 NTN項(xiàng)目需要對(duì)確定的NTN示例頻帶以及與其相鄰的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)頻道進(jìn)行研究，分析兩者之間共存的5G NTN應(yīng)用場景和規(guī)則。根據(jù)ITU分配，可考慮使用衛(wèi)星Ka頻段作為NTN示例頻段，或者結(jié)合終端應(yīng)用類型場景以及相關(guān)法律法規(guī)，開發(fā)定義一個(gè)可以通用且符合3GPP最低性能要求的示例頻帶，并且對(duì)于10GHz以上NTN頻帶的定義來說，其定義不能改變FR1/FR2的定義，同時(shí)也不會(huì)自動(dòng)兼容適應(yīng)未來定義在該頻譜上的頻帶。確定示例頻段后，還需要基于FR1與FR2集合，對(duì)其衛(wèi)星接入點(diǎn)的Rx/Tx要求和VSAT UE的等級(jí)進(jìn)行確認(rèn)，從而確定示例頻段物理層參數(shù)的值，比如下面這組參數(shù)：（1）頻帶時(shí)間關(guān)系的增強(qiáng)，例如；（2）不同上行鏈路、下行鏈路通道間的子波間隔；（3）10GHz以上示例頻段的PRACH配置索引。

3.2.3?UE位置的網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證

就現(xiàn)階段而言，3GPP Rel-18 NTN項(xiàng)目使用用戶設(shè)備（User Equipment， UE）位置的網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證方法的研究主要基于3GPP Rel-17 NTN項(xiàng)目的研究成果。在3GPP Rel-17 NTN項(xiàng)目研究中，3GPP對(duì)UE位置信息的驗(yàn)證與使用提出了明確的要求：在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)覆蓋存在跨國或者跨地區(qū)的情況下，衛(wèi)星基站應(yīng)當(dāng)根據(jù)使用用戶設(shè)備的位置提供相對(duì)應(yīng)地區(qū)的通信網(wǎng)絡(luò)，并且能夠跟隨用戶的移動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)切換。同時(shí)，基站將ULI（user location in-formation）向核心網(wǎng)上報(bào)時(shí)，其中包含的CGI（cell global ID）的粒度大小應(yīng)與5G智能終端地面網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)大小的粒度基本一致[7]。因此，為了滿足上述使用要求，3GPP Rel-17 NTN項(xiàng)目研究開發(fā)了空口的使用用戶設(shè)備位置上報(bào)機(jī)制，通過利用UE自身的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信息（Global Navigation Satellite System，GNSS）與衛(wèi)星系統(tǒng)的星歷信息對(duì)設(shè)備與衛(wèi)星之間的距離進(jìn)行計(jì)算，并判斷這個(gè)距離能夠滿足網(wǎng)絡(luò)的切換條件，若滿足就直接進(jìn)行切換，但是此種位置上報(bào)機(jī)制對(duì)于位置有效性的網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性與可靠性不高。所以，對(duì)于UE位置的網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證方法，3GPP Rel-18 NTN項(xiàng)目正在做進(jìn)一步的研究。

3.2.4?移動(dòng)性與業(yè)務(wù)連續(xù)性增強(qiáng)

基于3GPP Rel-17 NTN項(xiàng)目的移動(dòng)性設(shè)計(jì)方案，3GPP Rel-18 NTN項(xiàng)目以優(yōu)化和增強(qiáng)NTN系統(tǒng)內(nèi)的移動(dòng)性管理標(biāo)準(zhǔn)與方式為主要考慮因素，對(duì)TN-NTN之間的移動(dòng)性方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)與完善，從而降低因NTN 低地球軌道（Low Earth Orbit，LEO）系統(tǒng)中空閑態(tài)的小區(qū)斷開重選或者連接態(tài)基于使用用戶設(shè)備位置與時(shí)間的條件切換，造成業(yè)務(wù)中斷帶來的影響。移動(dòng)性與業(yè)務(wù)性連續(xù)性增強(qiáng)的優(yōu)化機(jī)制可以從以下幾個(gè)角度進(jìn)行考慮：（1）基于3GPP Rel-17 NTN的UE位置上報(bào)方法進(jìn)行信號(hào)狀態(tài)切換的決策與實(shí)施，如利用GNSS獲取用戶的精確位置來執(zhí)行衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信號(hào)狀態(tài)的切換；（2）基于 DAPS（dual active protocol stack cellsystem）的切換的決策與實(shí)施，通過利用UE雙協(xié)議將設(shè)備與目標(biāo)小區(qū)進(jìn)行連接，從而縮短網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)切換的時(shí)延；（3）基于雙鏈接的切換的決策與實(shí)施，雙鏈接的應(yīng)用，比如、等，有利于提升設(shè)備網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的吞吐量，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)狀態(tài)頻繁切換的高效性。

4 ?5G通信中NTN關(guān)鍵技術(shù)的未來展望

目前，5G技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海、陸、空等領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信中，與衛(wèi)星系統(tǒng)的結(jié)合彌補(bǔ)了地面鏈路的局限性，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來6G三維連接技術(shù)可能會(huì)將空天海地三位一體通信系統(tǒng)的建設(shè)成為現(xiàn)實(shí)。6G三維連接技術(shù)是由地面網(wǎng)絡(luò)（TN）與非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）融合組成的一種組網(wǎng)技術(shù)，不僅能夠有效解決地面網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍有限以及非地面網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景有限的問題，還可以促進(jìn)現(xiàn)階段5G通信網(wǎng)絡(luò)與6G通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的建設(shè)[8]。對(duì)NTN系統(tǒng)的衛(wèi)星通信而言，基于5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將地面網(wǎng)絡(luò)與其進(jìn)行更加全面、深入的融合是通信技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，而未來6G技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，可以真正實(shí)現(xiàn)空天海地三維一體化通信。

5 ?結(jié)語

綜上所述，NTN技術(shù)提出為5G通信技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展提供了機(jī)會(huì)，為空天海地一體化通信系統(tǒng)的建設(shè)提供了可能性。5G通信網(wǎng)絡(luò)通過NTN技術(shù)與衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行連接，解決了地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋不全的問題，在多重連接、固定平臺(tái)與移動(dòng)平臺(tái)了解以及為低密度地區(qū)補(bǔ)充服務(wù)等場景中具有重要作用，并且隨著科學(xué)水平的提升，5G網(wǎng)絡(luò)逐漸向6G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，為未來通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展提供了動(dòng)力。

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