NTN是什么？5G NTN目前面臨哪些問(wèn)題和挑戰(zhàn)

5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的過(guò)程中，萬(wàn)物互聯(lián)這個(gè)概念大家已經(jīng)很熟悉了，而未來(lái)6G的前景預(yù)期中還提出了萬(wàn)物智聯(lián)的場(chǎng)景。覆蓋一直是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需要解決的最重要的需求之一，而目前全球大部分地區(qū)已經(jīng)享受了較為完善的地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋。但是在沙漠、森林、海洋等地區(qū)，或是飛機(jī)、高鐵等高速移動(dòng)的交通工具上，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋由于成本或物理?xiàng)l件限制，很難采用傳統(tǒng)的地面基站方式覆蓋。而5G網(wǎng)絡(luò)中的NTN——非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，正是為了解決這一類(lèi)場(chǎng)景而生。

NTN是什么？

NTN全稱是Non-terrestrial Network，意為非地面網(wǎng)絡(luò)，顧名思義是相對(duì)于傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)而言，采用典型的如衛(wèi)星和高空平臺(tái)（HAP：satellites and High-Altitude Platforms）參與布網(wǎng)的技術(shù)。以衛(wèi)星通信為例，同步軌道衛(wèi)星（GEO）理論上只需要3顆即可覆蓋除兩極地區(qū)外的全球范圍，其優(yōu)勢(shì)不言而喻。目前也有眾多衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)商用，如銥星（Iridium）、海事衛(wèi)星（Inmarsat）、瑟拉亞（Thuraya）、星鏈Starlink等等。

衛(wèi)星通信的技術(shù)框架與協(xié)議設(shè)計(jì)一直以來(lái)對(duì)地面蜂窩移動(dòng)技術(shù)有諸多參考，例如早期的MSAT系統(tǒng)采用地面模擬蜂窩網(wǎng)技術(shù)；Thuraya系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了類(lèi)似GSM/GPRS體制的GMR標(biāo)準(zhǔn)；低軌衛(wèi)星星座銥星和GlobalStar的空中接口則是以GSM和IS-95作為藍(lán)本；Imarsat-4衛(wèi)星系統(tǒng)采用的IAI-2標(biāo)準(zhǔn)以及ETSI發(fā)布的S-UMTS標(biāo)準(zhǔn)均基于WCDMA框架設(shè)計(jì)；而美國(guó)光平方公司的SkyTerra系統(tǒng)已經(jīng)支持WiMAX和LTE服務(wù)。

隨著5G的演進(jìn)發(fā)展，在5G標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)支持衛(wèi)星通信，推動(dòng)星地融合已經(jīng)勢(shì)在必行。實(shí)際上3GPP從R14就開(kāi)始了星地融合的研究工作，之后立項(xiàng)“NR support non-terrestrial network”，即面向非地面網(wǎng)絡(luò)的5G新空口。

NTN解決什么場(chǎng)景？

目前可以預(yù)見(jiàn)的適用NTN典型場(chǎng)景包括無(wú)法建設(shè)基站和基站損壞的情況，比如偏遠(yuǎn)山區(qū)、沙漠、海洋、森林中的連續(xù)覆蓋，或是發(fā)生災(zāi)害，基站損壞時(shí)的應(yīng)急通信。業(yè)界將NTN典型場(chǎng)景概括為：全地形覆蓋、信令分流、應(yīng)急通信、物聯(lián)網(wǎng)和廣播業(yè)務(wù)。

星地融合架構(gòu)

NTN與TN融合有多種靈活的方式，比如5GC共享式、NTN接入共享式、漫游與服務(wù)連續(xù)性式以及NTN回傳式等，如下圖所示。

5GC共享結(jié)構(gòu)，是指TN和NTN各自擁有獨(dú)立的接入網(wǎng)，但共享5G核心網(wǎng)。NTN接入共享結(jié)構(gòu)，是指擁有不同5G核心網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)商可以共享NTN無(wú)線接入網(wǎng)。漫游與服務(wù)連續(xù)性部署結(jié)構(gòu)，是指同一多模終端，從TN網(wǎng)絡(luò)漫游到NTN網(wǎng)絡(luò)，或者從NTN網(wǎng)絡(luò)漫游到TN網(wǎng)絡(luò)，可以通過(guò)5G核心網(wǎng)之間的N26接口，支持漫游終端的服務(wù)連續(xù)性。NTN回傳結(jié)構(gòu)，是指NTN網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)?shù)孛鏌o(wú)線接入網(wǎng)到地面核心網(wǎng)的無(wú)線回傳網(wǎng)絡(luò)。而對(duì)于NTN接入網(wǎng)本身，也有透明轉(zhuǎn)發(fā)式，即衛(wèi)星作為轉(zhuǎn)發(fā)中繼，以及信號(hào)再生式，也即衛(wèi)星直接作為基站，兩種模式。目前3GPP Rel17主要關(guān)注透明轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)。

5G NTN目前面臨的問(wèn)題

不管是衛(wèi)星通信還是基于飛行器的高空平臺(tái)通信，其基本特點(diǎn)是平臺(tái)距離終端距離顯著大于地面基站，且平臺(tái)本身移動(dòng)速度往往很大。典型的近地軌道衛(wèi)星（LEO）軌道高度在400-2000km，而地球同步軌道（GEO）軌道高度達(dá)到36000km。而較大的傳輸距離和較高的移動(dòng)速度也帶來(lái)一系列問(wèn)題。

01 NTN傳輸距離

a） 隨機(jī)接入過(guò)程PRACH序列設(shè)計(jì)

在NR標(biāo)準(zhǔn)中，終端通過(guò)檢測(cè)同步序列塊（SSB， Synchronization Signal Block）完成初始下行時(shí)頻同步，然后通過(guò)四步隨機(jī)接入過(guò)程完成網(wǎng)絡(luò)接入，其中隨機(jī)接入前導(dǎo)序列（PRACH preamble）設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。傳統(tǒng)PRACH序列由一個(gè)ZC序列的多次重復(fù)構(gòu)成，利用ZC序列自相關(guān)特性進(jìn)行時(shí)頻偏估計(jì)。在NTN場(chǎng)景下，傳播時(shí)延和頻偏遠(yuǎn)超出NR中PRACH序列可估計(jì)的范圍，需要對(duì)序列重新設(shè)計(jì)。

b） 隨機(jī)接入過(guò)程確認(rèn)等待

當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)采用的四步隨機(jī)接入過(guò)程，終端發(fā)出Msg1和Msg3發(fā)出后，會(huì)等待一段時(shí)間接收基站的回復(fù)信息。如果等待的時(shí)間超過(guò)設(shè)定閾值，則重新發(fā)起隨機(jī)接入過(guò)程。在NTN場(chǎng)景中，信號(hào)的傳輸時(shí)延大于地面網(wǎng)絡(luò)，需要設(shè)定更大的等待時(shí)間閾值，否則終端會(huì)誤以為信息丟失而頻繁發(fā)起隨機(jī)接入。

c） 上行定時(shí)提前量獲取

上行定時(shí)提前可使終端根據(jù)與基站的距離遠(yuǎn)近提前不同的時(shí)間發(fā)送上行信號(hào)，最終各終端發(fā)射的信號(hào)能夠近似同步到達(dá)基站，是保持上行鏈路時(shí)間同步的重要機(jī)制。定時(shí)提前量的獲取，是在隨機(jī)接入過(guò)程中，基站通過(guò)接收Msg1測(cè)得終端上行提前時(shí)間， NTN場(chǎng)景中需要對(duì)幀格式優(yōu)化，具體可參考a）中的方案。

d） 上行調(diào)度授權(quán)偏置

在原有的調(diào)度機(jī)制中，用戶設(shè)備接收到基站調(diào)度信息中的上行授權(quán)后，會(huì)在授權(quán)信息指示的K2個(gè)時(shí)隙后傳輸上行數(shù)據(jù)。NTN網(wǎng)絡(luò)中由于傳輸延遲顯著增大，隨之而來(lái)的用戶設(shè)備上行定時(shí)提前量顯著增大，繼而可用于調(diào)度的K2取值范圍會(huì)受較大影響，因此引入偏置值K_offset以解決該問(wèn)題，如下圖所示。

e） HARQ機(jī)制

HARQ機(jī)制可以使發(fā)送端同時(shí)發(fā)送多組數(shù)據(jù)而不必等待接收端返回確認(rèn)信息，允許發(fā)送端對(duì)出錯(cuò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行重發(fā)，由接收端進(jìn)行合并檢測(cè)。在NTN中，為了避免發(fā)送端由于傳播時(shí)延大而長(zhǎng)時(shí)間等待，需要增加HARQ進(jìn)程數(shù)，同時(shí)需要增加存儲(chǔ)空間。此外，也可關(guān)閉HARQ功能，發(fā)送端發(fā)新數(shù)據(jù)不再受到進(jìn)程數(shù)限制，避免了數(shù)據(jù)緩存，但魯棒性會(huì)受到影響。為了保證一定的性能，可采用較低碼率進(jìn)行傳輸?shù)仁侄?。HARQ可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景通過(guò)信令靈活配置。在傳播時(shí)延相對(duì)較小的場(chǎng)景，例如LEO，可以配置為打開(kāi)，在GEO場(chǎng)景則可關(guān)閉。

02 NTN高速移動(dòng)

a） 上行時(shí)間同步

NTN場(chǎng)景中，衛(wèi)星高速移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移高達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百kHz，遠(yuǎn)超系統(tǒng)子載波間隔，帶來(lái)嚴(yán)重的上行頻率失步?？刹捎妙l率預(yù)補(bǔ)償方案，每個(gè)終端的頻偏可分為公共頻偏部分和頻偏差值部分，在波束的覆蓋區(qū)內(nèi)選擇一個(gè)參考點(diǎn)，測(cè)算衛(wèi)星和參考點(diǎn)之間的頻偏，此頻偏即為公共頻偏。終端與衛(wèi)星間的實(shí)際頻偏與公共頻偏的差值即為頻偏差值部分。上行發(fā)送時(shí)，終端可以按照實(shí)際頻偏預(yù)補(bǔ)償，或者終端只按照頻偏差值預(yù)補(bǔ)償，公共頻偏由衛(wèi)星側(cè)統(tǒng)一補(bǔ)償，以此達(dá)到上行頻率同步。

b） 上行頻率同步

上行定時(shí)提前量獲取雖然已經(jīng)有改進(jìn)，但終端和衛(wèi)星之間相對(duì)位置的變化導(dǎo)致上行定時(shí)發(fā)生偏移。衛(wèi)星可利用其他上行信號(hào)計(jì)算定時(shí)偏移變化，并將變化值發(fā)送給終端對(duì)上行定時(shí)提前量進(jìn)行調(diào)整，或者給終端發(fā)送一個(gè)定時(shí)提前量的變化率，由終端自主計(jì)算調(diào)整量。

c） 移動(dòng)性管理

針對(duì)跟蹤區(qū)域的設(shè)置和更新機(jī)制，考慮將跟蹤區(qū)域和地理位置綁定以避免衛(wèi)星移動(dòng)導(dǎo)致跟蹤區(qū)域頻繁更新。終端利用自身的位置信息，并根據(jù)跟蹤區(qū)域和地理位置之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，來(lái)判斷是否發(fā)起跟蹤區(qū)域更新流程。在執(zhí)行測(cè)量和小區(qū)選擇重選中，終端也可以利用星歷信息判斷衛(wèi)星的實(shí)時(shí)位置，并引入終端位置作為NTN特有的觸發(fā)測(cè)量上報(bào)的條件并在測(cè)量報(bào)告中上報(bào)終端的位置信息以輔助網(wǎng)絡(luò)側(cè)做出判斷。

d） 饋線鏈路切換

NTN網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)必然導(dǎo)致衛(wèi)星在不同NTN GW之間切換饋線鏈路。饋線鏈路的切換方式與多個(gè)因素相關(guān)，比如網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星的工作模式是彎管轉(zhuǎn)發(fā)式還是信號(hào)再生式、當(dāng)前關(guān)聯(lián)網(wǎng)關(guān)與待切換網(wǎng)關(guān)是否與同一個(gè)地面基站關(guān)聯(lián)、切換過(guò)程中衛(wèi)星是否具備同時(shí)與兩個(gè)網(wǎng)關(guān)鏈接能力等。

NTN的前景

在5G時(shí)代以及后續(xù)的6G時(shí)代，地面網(wǎng)絡(luò)對(duì)于大規(guī)模密集部署以及能耗方面的劣勢(shì)，恰好可以由非地面網(wǎng)絡(luò)彌補(bǔ)，而非地面網(wǎng)絡(luò)由3GPP標(biāo)準(zhǔn)化帶來(lái)的龐大市場(chǎng)也將推動(dòng)其進(jìn)一步發(fā)展，衛(wèi)星通信在覆蓋、可靠性及靈活性方面的優(yōu)勢(shì)能夠彌補(bǔ)地面移動(dòng)通信的不足，星地融合能夠?yàn)橛脩籼峁└鼮榭煽康囊恢滦苑?wù)體驗(yàn)，降低運(yùn)營(yíng)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。

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