【经验】5G NTN测试经典问答

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。

关于卫星通信

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。

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：

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。

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