NR-NTN
来源 https://www.zhihu.com/question/593948347
NR-NTN是新一代移动通信标准中的一项关键技术，旨在通过卫星等非地面终端实现广域覆盖和扩展移动信号的传输范围，采用5G NR框架来实现智能手机直连卫星提供更高速率数据服务和语音服务。
2023年，中国移动携手中兴通讯、是德科技共同完成国内首次运营商 NR-NTN 低轨卫星实验室模拟验证，支持手机卫星宽带业务。本次测试验证采用 3GPP R17 NR-NTN 国际标准，成功验证了 NR-NTN 透明转发和星上再生两种基本组网模式下的手机直连低轨卫星的技术可行性，实现了端到端全链路贯通及数据传输验证。
NR-NTN 作为手机直连宽带卫星技术体制，是未来空天地融合演进方向。本实验室测试方案成功验证了 3GPP R17 NR-NTN 技术落地能力，为地面网络延伸覆盖至全球全域立体空间打造坚实的技术基石，对进一步推进卫星与地面网络产业链深度融合、星地协同一体技术研究、加速构建满足大众、行业、应急等各类连接泛在、场景泛在的天地一体网络具有重要意义。
随着3GPP R17中关于NTN（Non-Terrestrial Network，非地面网络）的实施方案确定，从2022年下半年开始，各个芯片、终端和卫星网络运营商不断的发布卫星通信相关的进展，卫星通信的热浪开始席卷整个通信行业。今天您將瞭解究竟什么是非地面网络呢？它和地面网络有什么区别？又有什么优势呢？对于普通用户来说，我们又能从中得到什么好处呢？
5G是无线通信技术演进道路上的一大转折点。与4G相比，它的速度、时延、容量、灵活性以及可靠性都有极大提升。此前的蜂窝网络技术完全是基于地面网络基础设施开发的，而3GPP打算将卫星加入5G网络中，有力地补充地面5G网络的性能。这些非地面网络(NTN)将会把5G的触角延伸到缺少地面基础设施的地区。NTN还可以增强机器对机器(M2M)和物联网(IoT)设备的业务连续性，提升任务关键型通信的可靠性。它们还能为飞机和火车等移动平台上的乘客提供稳定的5G覆盖。
为什么使用非地面网络5G NTN？
3GPP第17版标准定义了为支持NTN而开发的5G新空口(NR)增强功能。5G NTN标志着蜂窝网络从此开始使用卫星通信。
将卫星链路引入5G标准主要出于以下几个原因：
•最主要的理由是卫星链路不依赖地面基础设施也能进行通信。
•移动网络运营商(MNO)可以利用卫星通信向缺乏基础设施的地区提供5G业务。
•卫星通信还支持移动网络运营商在地面网络中断的情况下（例如发生了自然灾害时）正常提供业务。
關於卫星通信
随着SOS卫星急救功能的苹果14发布，卫星通信便迅速发酵，成为了通信行业的热点。其实卫星通信不是一个新鲜事物，早在1987年提出的铱星系统就是最初的卫星通信方案，但是由于早期卫星通信的稳定性、速率、资费，终端成本等与当时的GSM通信相差较多，早期铱星系统就没有形成大规模的商用。
而随着4G和5G陆地网络的大规模建设，地面网络的覆盖似乎已经满足了大多数用户的需求，“通话难”、“上网难”的问题似乎不在困扰我们，但是地面网络的覆盖真的“够用了”吗？远洋货轮海上失联，独行“驴友”深山失踪，地震中心通信困难，身陷战场踪迹难寻，这些新闻仍然常常出现在我们的视野中。
实际上，不管是占据地球面积71%的海洋，还是由于地形、自然灾害、战争等原因导致的地面通信设备缺失，都会阻碍我们的正常通信。而当我们放眼全球，会发现有很多地方是没有网络覆盖的，而用陆地网络去实现这种覆盖所需的成本费用是非常昂贵的。当前地球周边目前已发射运行的卫星已经达到10000+，现在的卫星网络已初步具备承载一定业务量的能力。伴随着“一箭多星”、“火箭回收”这样的技术发展，卫星发射的成本已大大降低，使得卫星通信再一次成为可能。
3GPP Rel-17 NTN 网络架构
NTN可以用卫星直接和用户的手机相连，地面上再架设信关站作为网关，最终连接到5G核心网。卫星可以作为基站直接发射5G信号与终端连接，也可以作为透明转发节点将地面站发送的信号透传给手机。
5G NTN网络难点
NTN网络主要的难点是由于卫星的轨道高度引起的高延时（GSO卫星可达120ms以上）以及深衰落（最高可达170dB），还有低轨卫星高速移动引入的大doppler（几十kHz）。对于深衰落，通常会在卫星侧通过提高天线和面板的尺寸来提升发射和接收能力，以确保当前在网的普通手机也能正常进行卫星通信；对于延时和多普勒，3GPP在协议中制定了一系列的解决方案，让终端和基站能够通过卫星星历信息确认延时和多普勒的变化，并在发射端完成补偿，确保通信的正常进行。
卫星通信可以在无法建设地面网络基础设施的偏远地区为飞机、船舶和火车提供业务。无论是手机厂商发布的“捅破天的技术”,还是面向未来6G发展的空天地海一体化网络都离不开5G“NTN”（非地面网络）技术。近日，5G NTN技术得到业内关注是德科技与高通、三星等业内领先企业都进行了合作交流。针对当前5G NTN研发测试的热点问题，是德科技资深工程师进行了总结和深入浅出的解答：
1. 什么是5G NTN，它有哪些应用场景？
NTN就是Non-Terrestrial Networks，非地面网络。3GPP给出的标准定义是“使用机载或太空运载工具搭载传输设备中继节点或基站的网络或网络段”，听起来有点拗口，简单来说，就是任何涉及非地面飞行物的网络的总称，其中包括卫星通信网络和高空平台系统(HAPs，High Altitude Platform systems)。
它使传统的3GPP地面网络突破地表的限制，向太空、空中、海洋、陆地等自然空间扩展，实现“空天海地一体化”的新技术。由于当前3GPP工作重点一直围绕卫星通信网络展开，所以狭义的NTN又主要指卫星通信。
基于5G标准的卫星对地通信是构建 NTN 的关键一步。基于 5G星地通信的 NTN 为没有地面网络覆盖的偏远地区或服务欠缺地区带来安全、可靠和高带宽的连接；5G NTN的广泛部署可以为农村人口提供重要的健康、安全和经济利益，同时改善农业、能源、健康和交通等工业部门的经济状况；可以为 M2M/IoT设备或移动平台上的乘客提供服务连续性或确保任何地点的服务可用性。
为什么使用非地面网络？
3GPP 第 17 版标准定义了为支持 NTN 而开发的 5G 新空口 (NR) 增强功能。5G NTN 标志 着蜂窝网络从此开始使用卫星通信。 将卫星链路引入 5G 标准主要出于以下几个原因。最主要的理由是卫星链路不依赖地面 基础设施也能进行通信。移动网络运营商 (MNO) 可以利用卫星通信向缺乏基础设施的 地区提供 5G 业务。卫星通信还支持移动网络运营商在地面网络中断的情况下（例如发生 了自然灾害时）正常提供业务。 卫星通信还让 5G 业务扩展到更广泛的移动平台。例如，卫星通信可以在无法建设地面 网络基础设施的偏远地区为飞机、船舶和火车提供业务。 5G NTN 的另一个优势是卫星链路可以扩展现有的地面网络或“填充”其空隙。例如，位于 覆盖边缘或难以到达地点的 M2M 和物联网应用可以通过卫星宽带链路接入 5G。
图 1 显示了几种不同的 NTN 部署场景，它们同时使用了卫星和高空平台（平流层中的气球、 飞艇或无人机系统）。
5G NTN 使用场景
与前几代通信技术相比，5G 可以支持时延要求更严格的链路。由于往返低地球轨道的信号 需要一定的时间来传输，因此 5G NTN 卫星通信链路应当支持时延不太重要的特殊应用， 减轻地面网络承受的通信压力。在确定 NTN 可以支持哪些应用时，时延要求是必须考虑的 一个关键因素。
3GPP 定义了几个 5G NTN 使用场景，其中一部分场景如下 ：
• 多重连接——作为 5G NTN 的主要使用场景之一，多重连接使用户设备 (UE) 能够同时 连接地面链路和卫星链路。在这个使用场景中，时间敏感的低时延流量通过地面链路传 输，而任务不重要的流量则通过卫星链路传输。
• 固定蜂窝连接——帮助偏远地区或工业场所（如海上石油平台）的用户能够使用 5G 业务。
• 移动蜂窝连接——有助于为飞机和高铁乘客提供无缝的 5G 移动蜂窝网络覆盖。这个过程 会在可以使用地面网络的地方使用地面网络，在无法使用地面蜂窝网络的偏远地区使用 卫星链路。
其他使用场景
覆盖范围有缺口的地面网络可以结合卫星链路一起实现无缝覆盖。接入点能够确定何时采 取何种方式将流量从地面网络转发到卫星网络。同样，5G NTN 可以增强网络弹性，通过并行聚合多个网络连接防止网络完全中断，从而保持关键网络的高可用性。 该技术还有助于搭建广域物联网卫星链路，辅助地面网络为时延相对较长的应用提供广域物联网服务，例如能源网络、交通运输和农业应用。直接卫星链路还可以支持公共安全机构、 警察、消防部门和医院之间的紧急通信。 5G NTN 还可以改善直连节点广播或直连移动广播，以便通过电视、多媒体或广播播放紧急 业务消息。
5G NTN定义的4种架构
这里，是德科技针目前5G NTN发展现状和需要突破的关键技术，回答了大家针对 5G NTN的标准和技术问题，主要围绕的是NTN卫星通信系统无线链路的新特征，信道仿真测试的重要性及面临的新挑战。
1. 5G NTN 用的是什么仿真软件？
答： Keysight 公司提供了很多仿真软件，其中SystemVue 软件是一款系统级的仿真软件，通过集成 DSP 建模，RF EDA 工具，标准/ IP 参考以及“测试与测量”链接来简化设计流程，实现基带和RF 的协同设计和仿真。针对5G NTN 的系统级仿真，SystemVue 软件 也提供了5G 基站和UE，地面信关站以及5G 地面通信制式/DVB 信号制式的仿真能力，此外SystemVue 软件 还可与STK 集成进行卫星运动仿真。
“了解是德科技如何加速卫星组件，信号的创新以及如何将立方星(CubeSats)和LEO星座与传统GEO通讯卫星的链路进行仿真等。”
2. 非地面，距离地面大概多少距离？
答： 如果是低轨卫星的话，一般是300KM-2000KM 左右。
3. 5G 在卫星上应用的效果怎么样？衰减程度等？
答： 目前 5G 和卫星的融合更多是和低轨道卫星 LEO 的融合，目前3GPP Rel-17 还在开展NTN 的技术规范工作，国内外都有一些相应的测试，低轨的衰减取决频率范围和轨道高度，Ku 频段以上都有较大的大气损耗。
4. 峰均比如何克服？
答： 一般来说，测试所需的峰均比是有标准的，也就是说要在一定的 PAPR 下测试功放/ 收发信机/ 转发器/ 发射机等的 EVM 等参数，这样意味着输入波形的峰均比是确定的，克服更多的是依赖被测件线性度的提高例如尽量工作在线性区域，但这样就牺牲了PAE。
5. 请问，接入到卫星网络的的终端设备的发射功率要求与接入到地面网络的终端设备的功率要求有区别吗？
答： 现在3GPP 里还没有确定未来5G NTN 中我们用于蜂窝网络的终端也就是常见的智能手机是否可以跟卫星直接通信，需不需要中继，目前的状态，一般是手机通过跟VSAT(very small aperture terminal) 即常见的带抛物面天线的地面站通信，VSAT再跟卫星通信，这种方式，VSAT 起到了类似于中继的功能，功率是不需要特别高的要求。
6. 接入卫星的频率也是低于 6 GHz 的吗？
答： 一般来说，5G NTN 涉及跟低轨卫星融合的频率，sub 6G 和毫米波Ka/Q/V 频率都有可能
7. 5g 在地面和非地面，哪个技术更复杂?
答： 有不同的侧重点，地面网络有更长时间的技术积累，推出了不少先进的技术例如功率控制、循环前缀等；非地面网络，目前刚刚起步，相对来说更复杂一些，例如物理层方面需要考虑长时延、多普勒频移对系统的挑战。
8. 卫星接入的吞吐量一般有多少Mbps ？
答： 这个取决于信号制式，如果是类似于 4G LTE 的制式，也是几十Mbps, 如果是类似于5G NR 的信号制式，目前国内公开的实验是1Gbps 左右。
9. 能否提供一下64 通道的信道模拟器产品手册？
答： https: //www.keysight.com/cn/zh/assets/7018-06665/datasheets/5992-4078.pdf
10. 5G 卫星链接展开的范围有多宽啊？
答： 如果是低轨道卫星，一般是100 KM-500 KM，取决于轨道高度和最小仰角。
11. 信道仿真器可以加入一些我们自己定义的干扰信号吗？
答： 内置的干扰源是固定的 AWGN (Additive white Gaussian noise) 加性高斯白噪声或者CW (Continuous wave) 连续波，要是自定义的干扰源，可以外接占一个射频通道即可。
12. 在一些高频段，多普勒频移会不会带来子载波间的干扰？
答： 会的，这个是 5G NTN 采用低轨道卫星的一大挑战，卫星移动速度高达几KM/s，这样会产生严重的多普勒频移，Ku 频段可以高达200KHz。
13. 在卫星的下行链路如果直接使用5G 信号波形会不会降低功放效率和带来散热等问题？
答： 这是个典型的技术问题，目前业界也是在评估当中，如果卫星的载荷采用了固态功放和相控阵天线技术，相对来说，对于单个固放的要求就会降低，尤其是输出功率，当然5G 信号波形带来的高峰均比可能会导致功放效率的降低。
14. 在系统设计中如何来消除小区间干扰？
答： 3 颗或4 颗GEO 卫星通过多波束天线可以覆盖地球大部分地区除了高纬度和两极，单颗低轨道卫星的覆盖范围只有几百公里，这样就需要多颗卫星形成星座来提供覆盖，而每颗卫星过顶的通信时间一般只有不到10 分钟，为了保证通信不中断，业界提供了混合式波束方案，即宽带固定点波束和可以波束赋形、可移动的窄波束，要消除小区间干扰，也是通过多个窄波束来实现的，加上合理的频率复用技术。
15. 如何用 keysight 设备搭建多径衰落和多普勒效应叠加的仿真环境？
答： 信道仿真仪有辅助建模工具，方便客户直接定义多径环境以及速度带来的多普勒频移，支持高达1 s 的时延和+- 1.5 MHz 的多普勒频移。
16. 你们 NTN 仿真框图中，Keysight UXM UEE 是成熟货架设备吗？
答： 目前，Keysight 公司正在搭建 5G NTN 端到端的系统仿真方案，目前主要的问题在于商用的UE 和gNB 模拟器包括 UXM 和UEE 支持的卫星链路的时延非常有限，这个需要配合信道模拟器Propsim来实现。
17. payload 具体指什么？
答： payload 即有效载荷包括了卫星的转发器分系统和天线分系统，简单来说，是指这个卫星的功能模块，比如说通信卫星的载荷就是通信载荷，用来实现卫星和地面或卫星之间的通信。
18. 地面站在跟踪低轨卫星时波束切换的时延有要求吗？波束切换能通过设备仿真吗？
答： 从 UE 的角度来说，这个切换应该是觉察不到的，对于地面站来说，地面站的天线会同时跟踪至少2 颗卫星，切换的时间取决于网络的架构设计；波束切换可以通过设备仿真来实现。
19. 未来 VSAT 地面站的覆盖范围大概是多少？
答： 如果是手机这样的终端通过跟 VSAT (very small aperture terminal) 连接后，再接入到卫星来实现数据通信，那么 VSAT 更多是类似于一个热点，这个距离就跟WiFi 的通信距离类似。
20. 多普勒效应可定义速率变化率最大有多大？
答： 对应到多普勒上1.5MHz 以内都可以。
21. 卫星链路的延迟一般远远超过了5G 新空口的 TTI，那如何解决这问题呢？
答： TTI (Transmission Time Interval) 传输时间间隔，这个要看具体的应用场景，对于5G 的 eMBB (Enhanced Mobile Broadband) 增强移动宽带和 mMTC (massive Machine Type Communications) 大规模机器类型通信来说，低轨道几十毫秒的时延有可能可行，但对于uRLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communications) 超可靠低延迟通信的场景来说就不可行。
22. 一般能够在实验室环境中创建哪些真实的无线信道条件来评估？
答： 主要考量功率/ 时延/ 速度（也就是多普勒）/ 空间信息，地面会增加多径效应。
23. 对于星上处理模式，单向延时指的是不是从卫星到终端的传输延时这方面？
答： 如果是星上处理，就没有了地面信关站和gNB 之间的时延，单向时延包括了卫星和地面信关站之间的feeder link，以及卫星和用户终端之间的user link。
24. 卫星运动时极化角变化能模拟吗？
答： 可以的，卫星天线分系统的极化角度的变化，可以通过两种方式来模拟，一种是通过Keysight 公司的仿真软件SystemVue 来仿真天线的方向图和极化角变化，另外一种是可以在我们的仪器里例如信号源和信道模拟器里面加上方向图和极化角的变化。
25. 终端在地面5G 网络与卫星网络之间的切换，网络间的切换过程需要考虑哪些方面因素？
答： 目前3GPP R17 对于5G NTN 的标准还在规划中，从物理层来说，主要要考虑这几个方面，1 ：时序关系，NTN 相对地面网络有较大的RTT(round-trip time) 往返时延，这样上下行的帧时序存在较大的偏移；2 ：上行功控，涉及到波束专用的功控参数；3 ：自适应调整编码。
26. 有没有做电波传播衰落建模的？
答： 目前3GPP 5G NTN 还没有提供标准的信道模型，现在更多的是业界在评估有哪些适合的信道模型，对于信道模型来说，一般有两种思路，一种是搭建信道测量系统，这个Keysight 有商业产品，通过实测来评估；另外一种是通过仿真软件包括SystemVue 和相应的STK 软件来评估。
27. UEE 和UXM 在测试系统中如何与卫星地面站建链？
答： 先说一个最简单的实现方式，地面站接收NR-Uu 信号( 来自于UEE，UE 模拟器), 下变频并数字处理，再编码，采用卫星常用的调制方式例如APSK，再上变频传送给卫星，信号在卫星上经过下变频后传送到地面站, 地面站对信号进行下变频, 数字处理,解码(APSK), DAC 处理，然后上变频，连接到5G NR-Uu（即UXM，gNB 模拟器）。
28. 怎么解决5G 传输距离短的缺点？
答： 传播距离，取决于频率范围和发射功率，接收的灵敏度，如果要提高传播距离，泛泛来说，可以通过中继，增加发射功率包括功放输出功率以及天线增益（例如增加阵元的数目或天线的尺寸），或者提高接收机的灵敏度。
29. 请问是德科技能否进行网络通信协议方面的仿真呢？
答： 可以的，Keysight 提供了LoadCore 核心网络模拟器， 详情请参考https://www.keysight.com/us/en/assets/3120-1180/data-sheets/LoadCore-5G-Core-Testing.pdf
30. 动中通这一块测试，要注意哪些事项？
答： 动中通目前主要是用在GEO 卫星尤其是高轨的高通信卫星HTS(High-throughput satellite)，测试不知道你是指终端还是卫星，Keysight 都有完整的测试方案，详情请参考https://www.keysight.com/us/en/assets/7120-1036/brochures/Satellite-Mission-Assurance-with-Keysight-Technologies.pdf
31. 信道仿真器可以模拟卫星信号吗？
答： 卫星信号一般由信号源产生，取决于信号的制式，Keysight 基本上支持目前所有的卫星信号制式。
32. NTN 架构中，一直很怀疑终端的上行链路可行性，到最后需要多大的终端才可以做到？手持式的尺寸会不会很大，最后商业模式一点优势都没有？
答： 这个取决于应用场景，如果终端是指智能手机的话，这个看5G NTN 的频率，如果智能手机和卫星都是工作在sub 6G，卫星是超低轨道(300KM 以下) 并且卫星接收天线增益够高，有可能可以。
33. 卫星之间通讯和5G小基站之间通讯有什么异同点？
答： 卫星之间通信，看有没有ISL 星间链路，如果有，星间链路可以通过激光通信或者毫米波通信，如果没有，卫星之间一般是通过地面信关站来实现通信。
34. 刚才给出的测试场景一中，空口参考的是什么标准体制？
答： 测试场景一即铱星卫星星座，铱星使用了特有的QPSK 调制技术，FDMA 和TDMA 两种多址方式都有。
35. 为什么关于高空平台的知识比较少？8km-50km 的。
答： 高空平台也是NTN 里面的一种接入方式，相对较少的原因是覆盖范围有限，受到天气、供电、安全等方面的局限
36. 模拟卫星信号，内置的高阶调制有那些，能模拟那些信道编码？
答： Keysight 提供了覆盖10MHz-53GHz，带宽可达4GHz 的单载波或多载波信号产生方案，支持多种信号制式，包括了DVB-S2，S2X，以及5G NR 等多种跟卫星信号相关的信号制式。
37. 信道仿真一般就是多普勒频率牵引、时延、信号衰减、噪声的组合。请问噪声源使用噪声头和任意波发生器应分别注意哪些，因为两种方式在误码率实测中，在信噪比方面有些对不上。多谢！
答： 如果是要通过信号源来评估接收机的误码率的话，一般是通过矢量信号源来完成的。例如在接收信号系统频带内叠加白噪声干扰，评估当接收机误码率为某个值的最大噪声干扰信号功率，矢量信号源有专门的选件来产生AWGN(Additive white Gaussian noise)即加性高斯白噪声。
38. 非地面网的覆盖模式有哪些？
答： NTN 的接入方式，主要涉及到通过卫星和航空设备覆盖，包括了低轨通信卫星，高空平台和无人机等。
39. 目前这种卫星通信最小发射功率要求是多少？
答： 这个要看轨道高度，频率范围，信号制式，卫星的天线增益、卫星的通道数，地面站/ 用户终端的接收灵敏度等各方面要求，没有定论。
40. 对5G 卫星网络，延迟时间，频率准确性、定位准确性等有没有量化的要求以及测试方法？
答： 目前3GPP R17 里面标准还没有确定，但Keysight 正在评估相关的测试方案，基本上都有接近于成熟的方案。
41. 信道模型是不是空中波形接口设计的主要考虑因素呢？
答： 是的，信道模型是5G NTN 中物理层的关键技术之一。
42. 在大规模MIMO 测试方面，在衰落信道数量和信号带宽方面有哪些特点优势？
答： 大规模MIMO 技术，主要是应用更多数量的空间衰落信道增加通信的容量，同时利用波束合成技术增加方向性，获得额外的增益，尤其对于NTN 非常有利。推荐阅读:
"了解在 5G生态系统中开发和实施大规模 MIMO技术面临的新要求，包括仿真、设计和测试超复杂系统所需的工具。"
43. 仿真测试要遵循哪些测试标准？
答： 通信类可以遵循3GPP 的测试标准，NTN 部分还在R17 里讨论。
44. 上下行信道带宽如何匹配?
答： 如果是指低轨卫星，上下行信道带宽匹配主要涉及到多普勒频移的处理，时隙/ 帧的同步。
45. 仿真测试会用到哪些仪器？
答： 如果是信道仿真，我们有信道模拟器 Propsim，如果是载荷的仿真，涉及到信号源、信号分析仪，矢量网络分析仪以及SystemVue 等系统级仿真软件。
2. 5G NTN主要用于哪些卫星？会带来哪些挑战？
在目前的研究阶段，5G NTN考虑使用的卫星主要是LEO和GEO。
LEO为低轨卫星，通常距离地面300-2000公里，移动速度约7.9km/s。低轨卫星通信的主要挑战是卫星高速移动引入的多普勒（几十kHz），以及对地高度引入的较长时延（几毫秒），以及卫星高速移动引起的星间切换或波束切换；
GEO为地球静止轨道卫星，属于GSO（地球同步轨道卫星的一种）， GEO卫星高度约36000公里，对地面基本保持静止，有较小的移动速度，主要挑战是远超地面通信网络的delay（几百毫秒）；
各类卫星主要信道参数变化情况如下：
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3. 5G NTN相关的协议标准有哪些？
在研究阶段主要参考如下研究报告：
3GPP Rel-15: Study on NR to support non-terrestrial networks (3GPP TR 38.811)
本报告主要是定义了NTN的部署场景、参数，如架构、高度、轨道等，并确定对NR的关键潜在影响；研究了NTN的信道模型。
3GPP Rel-16: Study on solutions for NR to support non-terrestrial networks (3GPP TR 38.821)
本报告针对先前研究中确定的关键影响评估解决方案,研究对RAN协议/架构的影响
3GPP Rel-17: Study on Narrow-Band Internet of Things (NB-IoT) / enhanced Machine Type Communication (eMTC) support for Non-Terrestrial Networks (NTN)（3GPP TR 36.763）
本报告的第一目标是：确定适用于物联网的NTN场景，包括支持基于透明有效载荷的LEO和GEO
第二个目标是：对于上述确定的场景，研究并建议必要的更改，以支持卫星上的NB-IoT和eMTC，尽可能重复使用3GPP TR 38.821中针对NR NTN进行的研究的结论。
本报告中将UE中的GNSS能力作为NB-IoT和eMTC设备的工作前提。有了这个前提，UE可以以足够的精度来估计和预补偿UL传输的定时和频率偏移。
此外，在3GPP Release 17后，物理层以及RAN相关的协议中都增加了NTN相关的内容。
4. 5G NTN的网络架构及卫星功能？
在3GPP Release 17中，提出了网络架构主要是下面这六种，主要差异是卫星在整个网络中所处的节点位置及功能。Release 17中推荐的是前两种网络架构。
第一种网络架构是透传模式（transparent payload），卫星只进行透明转发；
第二种网络架构是再生模式（regenerative），卫星需要具备gNB的全部或部分功能，就是我们常说的“基站上星”。
5. NTN使用的频段有哪些？
卫星通信使用到的频段涵盖L、S、Ku、Ka、Q/V等频段，3GPP 协议将 L、S频段的2段小带宽频谱定义为BAND n255、n256，用于NTN通信。在目前的研究阶段，手持设备主要考虑S频段；而甚小孔径终端站等设备主要考虑Ka频段，也可能使用Ku、Q/V等毫米波频段传输。
6. NTN的信道模型有哪些特点？
3GPP TR 38.811协议对于NTN信道模型建模要求如下：
信道建模的要求如下：
• 支持从0.5 GHz到100 GHz的频率范围。特别针对两个频段：6千兆赫以下频段和Ka频段。对于Ka波段通信，上行链路频率约为30GHz，而下行链路频率约为20GHz。
• 适应UE移动性。对于卫星信道模型，支持高达1000公里/小时的移动速度；这对应于可以由卫星接入服务的飞行器。对于HAPS信道模型，支持高达500公里/小时左右的移动速度，与高速列车相对应。
NTN的信道与地面通信的信道相比具有如下特点：
① 几乎没有角度扩散以及较少的NLOS反射径（地面通信场景里可以有多达24根NLOS径，而卫星信道一般最多只有3根NLOS径）；
② 深衰落（超过150dB）、大频偏（LEO卫星可达几十kHz）、高延迟(几毫秒到几百毫秒)；
③ 超高的模型更新率（可以高达10kHz量级）保证平滑动态变化的卫星信道；
④ 超长时间的动态卫星模型场景，尤其是GEO场景，至少需要30分钟才可以保证完整的通信流程及相关应用的验证。
3GPP TR 38.811协议中定义了四种CDL模型和4种TDL模型：
CDL模型是为S和Ka波段定义的，适用于不同的环境和仰角。NTN-CDL-A和NTN-CDL-B被构造为表示NLOS的两种不同的信道模型，而NTN-CDL-C和NTN-CD-D被构造为表示LOS的两种不同信道模型。
TDL模型则是根据3GPP TR 38.901协议第7.7.4节，通过假设各向同性UE天线，从CDL模型中过滤抽头延迟线（TDL）模型。其中NTN-TDL-A和NTN-TDL-B用以表示NLOS的两种不同信道模型，而NTN-TDL-C和NTN-TDM-D则用于表示LOS的两种不同信道模型。
7. gNB和UE如何获取星历？
gNB获取星历的方式：
O&M (Operations & Maintenance) 会定期或按需求给gNB提供描述NTN有效载荷的轨道轨迹信息或坐标的星历信息。星历表有两种格式，一种是包含NTN有效载荷位置和速度状态向量的格式；另一种则是六根数格式。
此外，O&M还会给gNB提供与星历表数据相关联的显式历元时间以及NTN网关的位置。
UE获取星历的方式：
3GPP TR 38.821中给出的方案有两种：
一种是可以在uSIM/UE中预存为UE提供服务的所有卫星轨道参数，每个卫星的星历表数据可以链接到卫星ID或索引。在系统信息中广播服务卫星的卫星ID或索引，使得UE能够找到存储在uSIM中的相应详细星历表数据，以导出服务卫星的位置坐标。还可以经由系统信息或专用RRC信令将相邻卫星的卫星ID或索引提供给UE，以辅助移动性处理。
另一种是在系统信息中广播服务卫星的卫星轨道参数，UE将导出服务卫星的位置坐标。相邻卫星的星历表数据也可以通过系统信息或专用RRC信令提供给UE。在uSIM/UE中提供基线轨道平面参数的情况下，只需要向UE广播参考时间点的平均异常和历元，这样可以显著减少信令开销。
8. NTN的HARQ进程和地面网络有什么差异？
NR的HARQ往返时间是几毫秒的数量级，而NTN中的传播延迟要长得多，根据卫星轨道的不同，从几毫秒到几百毫秒不等。因此在NTN中，HARQ RTT会比地面网络长得多。在38.821中针对RTT长度的不同给出了两种解决方案：
一种解决方案是增加HARQ进程的数量以匹配较长的卫星往返延迟，从而避免HARQ过程中的停止和等待，此方案主要用于LEO卫星；
另一种解决方案是禁用UL HARQ反馈以避免HARQ过程中的停止和等待，并且依赖RLC ARQ来获得可靠性，此方案更多地用于RTT更大的GEO卫星。
非地面通信网络主要有两类载体，一是卫星通信网络，包括低轨（LEO）、中轨（MEO）、静止轨道（GEO）、同步轨道（GSO）卫星在内的星载平台；二是高空平台系统（HASP，High Altitude Platform Systems），包括飞机、飞艇、热气球、直升机、无人机等。
9. NTN链路的delay和Doppler如何补偿？
对于服务小区，网络广播有效的星历表信息和公共TA参数（例如可通过SIB 19发送给终端）。在连接到NTN小区之前，UE应具有有效的GNSS位置以及星历表和公共TA。为了实现同步，在连接到NTN小区之前和期间，UE应根据GNSS位置、星历表和公共TA参数计算UE和RP（上行链路时间同步参考点）之间的RTT，并自主地为UE和RP间的RTT预补偿TTA。
UE可以被配置为在随机接入过程期间或在连接模式中报告定时提前。在连接模式下，UE应能够连续更新定时提前和频率预补偿，并支持定时提前的事件触发报告。
UE应计算服务链路的频率多普勒频移，并通过考虑UE位置和星历表，在上行链路传输中自主地对其进行预补偿。如果UE不具有有效的GNSS位置和/或有效的星历表和公共TA，则在重新获得两者之前，UE不应进行发射。
在服务链路上经历的瞬时多普勒频移的预补偿将由UE执行，但在馈线链路上经历多普勒频移和转发器频率误差的管理留给网络实现。
10. NTN对于地面终端的能力要求？
UE需要具备GNSS能力，针对UL传输，能够以足够的精度估计和预补偿定时和频率偏移；
支持FR1中PC3的手持或IOT设备（发射功率23dBm）；
支持FR2中规定的具有外部天线的甚小孔径终端站设备（固定或安装在移动平台上）；
支持将智能手机连接到轨道高达1200公里、最小仰角为5-30⁰的卫星。
3GPP TR 38.811协议中规定了卫星和空中接入网中UE的典型最小射频特性如下：
是德科技5G NTN解决方案
目前，是德科技已经与多个芯片和终端厂商完成了实验室的NR NTN端到端测试，是德科技可提供如下解决方案：
上述解决方案中，主要设备功能如下：
PROPSIM信道模拟器 - 有FS16和F64两种，支持NTN所需的delay、doppler及pathloss模拟功能。可模拟NTN信道模型，包括3GPP TR 38.811中规定的TDL和CDL模型；
UXM基站模拟器，可模拟NR及NB-IoT基站的功能及部分核心网功能；
UeSIM终端模拟器，可模拟多达1000个以上用户接入；
Wavejudge无线分析软件-无线分析软件，可通过捕获和处理空口信号，来查看无线传输中基站与用户设备之间高层控制信息和用户面信息与物理层信道信息的映射关系；可以查找控制或用户面消息在物理层的时频性能参数；协助分析和解决问题。
测试 GNSS接收机灵敏度需要准确且可重复的信号，以便能够仿真 GPS、GLONASS、伽利略或北斗星座中的卫星。 了解如何利用是德科技软件来测试接收机的检测能力、接收机灵敏度、首次修复时间（TTFF）和静态定位准确度。
什么是5G NTN（非地面网络）？
NTN（Non-terrestrial Network），指非地面网络，顾名思义是相对于传统的地面网络而言，采用典型的如卫星和高空平台（HAP：satellites and High-Altitude Platforms）参与布网的技术。以卫星通信为例，同步轨道卫星（GEO）理论上只需要3颗即可覆盖除两极地区外的全球范围，其优势不言而喻。目前也有众多卫星通信系统已经商用，如铱星（Iridium）、海事卫星（Inmarsat）、瑟拉亚（Thuraya）、星链Starlink等等。
卫星通信的技术框架与协议设计一直以来对地面蜂窝移动技术有诸多参考，例如早期的MSAT系统采用地面模拟蜂窝网技术；Thuraya系统在设计过程中采用了类似GSM/GPRS体制的GMR标准；低轨卫星星座铱星和GlobalStar的空中接口则是以GSM和IS-95作为蓝本；Imarsat-4卫星系统采用的IAI-2标准以及ETSI发布的S-UMTS标准均基于WCDMA框架设计；而美国光平方公司的SkyTerra系统已经支持WiMAX和LTE服务。
5G NTN 技术的商用化进程
TrendForce集邦咨询预估，2023~2026年全球5G非地面网络市场产值将从49亿美元（当前约337.61亿元人民币）上升至88亿美元（IT之家备注：当前约606.32亿元人民币），年复合成长率为7%。
现阶段5G固定无线接取和NTN技术同时发展的情况下，由于NTN技术成本高，短期内难以突显竞争优势。消费者采用行动卫星功能的资费仍然很高。从企业端角度探讨，仍须待5G NTN技术发展成熟并降低成本后，才能吸引偏远地区企业用户考虑采用5GNTN技术发展相关垂直应用。
非地面网络（NTN）技术能由低轨道卫星透过上行（Uplink)与下行（Downlink)传输方式让终端使用者在偏远地区用卫星通讯方式进行资料双向传输，弥补5G基础建设在偏远地区覆盖率不足状况。
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