卫星通信，地面网络 (TN) 和非地面网络 (NTN)
今天的大多数卫星通信都是基于专有解决方案，但这种情况可能很快就会改变。非地面网络成为第 17 版3GPP标准的一部分，为卫星、智能手机和其他类型的大众市场用户设备之间的直接通信奠定了坚实的基础。
随着移动通信技术在全球范围内的采用率不断上升，使用它为任何人、任何地点、任何时间提供无缝全球覆盖的目标变得越来越重要。这导致了地面和非地面卫星网络技术的重大进步。
地面网络 (TN) 和非地面网络 (NTN) 组件的平滑互通和集成是覆盖之旅的下一个合乎逻辑的步骤，可为消费者智能手机（直接连接到智能手机）和物联网提供增强型移动宽带 (eMBB) （物联网）用例。
与可在 TN 无法覆盖的区域提供覆盖的卫星网络技术集成，将有助于为世界上发达和欠发达地区目前未获得服务的人们和企业提供有弹性的服务，从而带来显着的社会和经济效益 。
除了 NTN 将为智能手机带来的好处之外，它们还将能够支持工业和政府物联网设备，用于汽车、医疗保健、农业/林业、公用事业、海运、铁路、航空/无人机部门、国家安全等垂直领域和公共安全。
卫星系统概述
多年来，不同的卫星系统已被用于提供电视广播、导航、通信、监视、天气预报和应急系统等服务 。图 1说明了三种主要卫星类型的轨道——地球静止轨道 (GEO)、中地球轨道 (MEO) 和近地轨道 (LEO)——与提供本地服务的商用飞机和高空平台系统 (HAPS) 相比服务范围。
GEO 卫星系统在大约 36,000 公里的高空运行，由于路径损耗大，这会引入较长的延迟（>500 毫秒）和有限的数据速率。GEO 在设备上看起来是固定的并提供大视野，这使得它们非常适合卫星电视、企业对企业数据服务（例如中继/回程和企业网络）和政府服务（例如军事卫星通信系统） ).
伽利略、GPS（全球定位系统）和 GLONASS 等 MEO 卫星系统主要用于导航，通常部署在高度约 20,000 公里的可预测且可靠的半同步轨道上，轨道周期为 12 小时。MEO 中的一些星座也用于部署在约 8,000 公里高度的通信服务。这导致延迟比 GEO 低五倍，从而提供更高的数据速率。
LEO 卫星系统用于 Starlink、OneWeb、Iridium 和 Globalstar 等服务。这些卫星在大约 400-2,000 公里的高度运行，需要更高的速度（约 8 公里/秒，全轨道时间 90-120 分钟）才能留在轨道上。LEO 卫星提供最低的延迟和每秒数十兆位的容量，使其适用于 MBB 和物联网应用。由于与 MEO 和 GEO 相比占地面积明显较小，因此需要更大的星座。
卫星通信用例和商业理由
paceX 在 2010 年代中期发射的第一枚商业火箭恰逢航天工业正在进行的模式转变，很快导致发射成本显着下降以及容量增加 [3]。从那时起出现的“新太空时代”的定义是每年对大型低轨星座的私人风险资本投资急剧增加，重点是为现有和计划中的卫星星座（如 Starlink、OneWeb）中的住宅和商业用户提供固定宽带互联网服务和亚马逊柯伊伯。移动卫星服务 (MSS) 发展的下一步重点是与标准智能手机通信的能力。出现了三个发展轨道：传统 MSS、传统长期演进 (LTE) 和 5G NTN。
传统 MSS 轨道旨在将传统 MSS 技术集成到使用 MSS 频谱的新智能手机中。这种方法的示例包括 Apple iPhone 14 和 Globalstar、华为 Mate 50 和北斗，以及在高通骁龙卫星中添加 Iridium。与此同时，传统 LTE 轨道专注于创建一个使用地面 LTE 频谱的改进网络，以从 LEO 卫星连接未修改的 LTE 手机。这项工作与 5G-NTN 轨道并行运行，5G-NTN 轨道基于 2022 年完成的第 17 版 (Rel-17) 中指定的第三代合作伙伴计划 (3GPP) 标准化解决方案。与传统 MSS 轨道一样，5G -NTN轨道使用MSS频谱。
假设传统 LTE 和 5G NTN 技术将与通信服务提供商 (CSP) 合作使用，因为直接到智能手机的服务无法在价格和性能方面与可用的地面服务竞争。因此，MSS 最适合作为地面 MBB 服务的补充，从而创造双赢局面。这是因为，首先，CSP 允许其用户漫游到卫星网络不存在商业风险，并且这样做使 CSP 能够基于收入共享模型收取漫游费。其次，卫星运营商接触到的潜在市场比他们今天使用昂贵的专有设备所能接触到的市场要大得多。
3GPP 非地面网络倡议
近年来，随着人们对卫星通信日益增长的兴趣，3GPP 努力适应 5G 新无线电 (NR) 以及窄带物联网 (NB-IoT) 和面向机器类型通信的 LTE (LTE-M)，以提供卫星基于连接。图 2概述了这些努力。工作从 Rel-15 和 Rel-16 中的研究项目 (SI) 开始，但 Rel-17 是第一个包括规范工作的项目。迄今为止，3GPP NTN 的工作重点是通过卫星向消费者提供通信服务；其他用例，例如通过卫星回程，不在范围内。这项工作包括支持不同的卫星星座，特别是海拔 600 公里以上的 LEO 和 GEO 卫星.
图 3显示了可用于实现基于 3GPP NTN 架构的卫星通信系统的两种不同架构。通常，卫星无线电有效载荷使用所谓的馈线链路通过卫星地面站或网关连接到核心网络。卫星通过服务链路向用户设备（UE）提供通信服务。尽管 3GPP Rel-17 指定了图 3 左侧所示的透明 NTN 架构，但算法和增强功能足够灵活，也可以支持右侧所示的再生架构。
在透明架构中，基站（gNodeB 或 gNB）位于网关后面的地面上，而卫星的主要目的是充当中继器。唯一可以在卫星上执行的处理是射频 (RF) 处理，例如变频、放大和波束管理。
在再生架构中，卫星承载整个 gNB 或其中的一部分，例如可以在卫星上解码和处理数据包的无线电单元。这种情况下的馈线链路类似于地面前传/回传，不一定使用 NR 来实现。由于支持星间链路的能力，再生架构提供了更大的灵活性、更好的性能和全球覆盖。
Rel-17 NR 非地面网络
现代卫星通常将其服务区域划分为数百个子区域，它们使用单独的波束（“点波束”）服务。一般来说，每个区域对应一个小区，直径可达数十公里甚至数百公里。
GEO 卫星相对于地球表面的一点（几乎）是静止的，而 LEO 卫星在其轨道上以大约 8 公里/秒（约 30,000 公里/小时）的速度移动。如果波束相对于卫星是固定的，波束将扫过地球表面，导致频繁的移动事件，例如小区之间的切换，即使对于静止的 UE 也是如此（通常每隔几秒）。
或者，可以在卫星上实施波束控制机制，以尽可能长时间地将波束转向地球上的固定区域。这个被称为“地球固定波束”的概念允许设备在同一个波束和小区中停留几分钟。虽然 Rel-17 中支持这两种备选方案，但地球固定波束概念的一个特别好处是它避免了小区之间的频繁切换。
任何卫星通信系统面临的根本挑战是如何克服由于卫星相对于地球的移动（也称为多普勒频移）引起的较大往返延迟和频移。对于 GEO 卫星，往返延迟可能超过 500 毫秒，即使对于 LEO 卫星，也可能达到数十毫秒。单元内的差分延迟也很大，根据单元大小可扩展至 10 毫秒之多。LEO 卫星的快速移动会产生高达 25ppm 的大多普勒频移（2GHz 载波频率时为 50kHz）。
3GPP 针对这一挑战的解决方案是要求 UE 在接入网络之前补偿延迟和服务链路多普勒频移。为此，卫星广播与其位置和速度相对应的星历表。UE需要配备全球导航卫星系统（GNSS）模块，用于在接入网络之前确定自己的位置。
UE根据自身位置和卫星星历计算到卫星的距离和相对速度，确定所需的预补偿值并应用大的频移和定时提前。这使 gNB 能够以其标称频率运行，并且上行链路 (UL) 和下行链路 (DL) 定时对齐，就像在 TN 中一样。
长传播延迟需要进一步的改变。设计用于满足 TN 中低于 1 毫秒的往返时间 (RTT) 的调度时序关系已被重新设计以应对更长的延迟。
保证可靠数据传输的混合自动重复请求 (HARQ) 操作也受到影响。HARQ 是一种“停止等待”协议，这意味着只有在收到相应的反馈后，HARQ 进程 ID 才能被重用。在传统 NR 中，有 16 个 HARQ 进程 ID，这在 NTN 中会导致无法传输新数据的情况，仅仅是因为没有可用的空闲 HARQ 进程 ID。
为了避免这种称为“HARQ 停顿”的影响，HARQ 进程的数量已增加到 32。对于具有数百毫秒的极长往返延迟的 GEO 场景，将需要不可行数量的 HARQ 进程 ID . 因此还添加了禁用 HARQ 反馈（每个 HARQ 进程 ID）的选项。在这种情况下，重传由无线电链路控制层支持的较慢的反馈环路处理。
移动性是 NTN 与 TN 显着不同的另一个领域，最明显的是在 LEO 星座中，由于卫星的轨道移动，即使静止的 UE 也会经历频繁的切换。在 TN 中，根据 UE 和基站之间的距离，UE 在测量的信号强度上有明显差异，而在 NTN 中，所有 UE 与卫星的距离大致相同，小区中心和基站之间的信号强度差异很小细胞边缘。
这种差异在传统移动过程中得到利用，例如基于接收到的 DL 信号强度的小区选择。在 NTN 中，连接模式移动性的主要解决方案预计是条件切换 (CHO)。为支持 NTN，CHO 已升级为包括基于时间的触发条件和基于 UE 位置的触发条件。前者允许 UE 在特定时间段内执行切换，而后者在切换决策时考虑设备相对于目标和源小区的位置。
其他增强包括支持 DL 传输极化信令、各种定时器的扩展或偏移启动、小区选择/重选的增强、随机接入期间应用的定时提前的报告，以及 UE 位置报告以促进诸如选择核心网络等过程正确的国家和合法的拦截。
Rel-17 物联网非地面网络
Rel-17 还包括对 NB-IoT 和 LTE-M 的调整，这将使它们能够支持 NTN。这个 3GPP 轨道被称为 IoT NTN。工作项 (WI) 在 Rel-17 中很晚才开始，范围很小，侧重于基本功能。IoT NTN 中的一般方法是尽可能密切地遵循 NR NTN 工作并调整其解决方案。例如，延迟和多普勒频移的预补偿的基本解决方案是相同的，要求物联网 NTN UE 具有 GNSS 支持。IoT NTN 也采用了 NR NTN 对调度时序关系的增强。然而，没有考虑移动性增强（例如 CHO）。
不连续覆盖是 IoT NTN 特有的主题。与 NR NTN 相比，许多 IoT NTN 用例中的 UE 可能不需要连续覆盖。例如，如果他们能够每隔几个小时传输一次数据就足够了。这些类型的用例可以使一些卫星运营商能够部署具有较少卫星的稀疏星座。为了支持这样的操作，信息——例如相邻小区的卫星星历以及小区的覆盖信息——将被发送信号，以使 UE 能够预测它们将覆盖的时间。
Rel-18
NR NTN 和 IoT NTN 的工作在 Rel-18 中继续进行。对于 NR NTN，新目标侧重于覆盖增强，进一步改进移动过程和网络独立验证报告的 UE 位置的方法。对于 IoT NTN，范围包括一种禁用类似于 NR NTN 的 HARQ 反馈的方法、移动性增强（例如 LTE-M 的 CHO）以及对不连续覆盖的进一步增强。
3GPP 非地面网络的频谱
用于卫星通信的频谱分为用于提供 MSS 和固定卫星服务 (FSS) 的频谱。S 和 L 波段是属于 MSS 域的示例，而 Ka 和 Ku 波段提供 FSS。
Rel-17 指定支持 L 和 S 频段，如频段 n255（UL 和 DL 分别为 1,626.5MHz-1,660.5MHz 和 1,525MHz-1,559MHz）和 n256（UL 和 DL 分别为 1,980MHz-2,010MHz 和 2,170MHz-2,200MHz） UL 和 DL）。这些频分双工 (FDD) 频带中的每一个都在每个链路方向上提供大约 30MHz 的频谱。
在 Rel-18 中，将添加另一个 MSS FDD 频段，L 频段 (1,610-1,626.5MHz) 的 UL 和 S 频段 (2,483.5-2,500 MHz) 的 DL。这种增加使得大约 80MHz 的 DL 和 80MHz 的 UL 频谱适合提供从卫星直接到手持设备的操作，可用于 5G NR NTN [6]。
在 Rel-18 中，3GPP 还将在 Ka 频率范围 17.7-20.2GHz (DL) 和 27.5-30GHz (UL) 中指定至少三个示例频段 (n510-n512)。虽然 L/S 波段针对手持设备，但在 Ka 波段中，需要具有更高增益天线的设备，例如通常安装在建筑物或车辆上的非常小的孔径终端。
5G非地面网络系统性能
与地面5G类似，NTN旨在提供MBB以外的服务。ITU-R（国际电信联盟 – 无线电通信部门）概述了旨在促进 MBB、大规模机器类型通信 (mMTC) 和高可靠性通信 (HRC) [7] 的无处不在和弹性覆盖的性能要求。该报告详细阐述了在 30MHz 载波上运行的 LEO 600 公里星座背景下每个用例的关键性能要求。
值得注意的要求是 70Mbps (DL) 和 2Mbps (UL) 的峰值数据速率，对应于 3bps/Hz (DL) 和 1.5bps/Hz (UL) 的频谱效率。对于这个特定的星座，这可以转化为 8kbps/km2 和 1.5kbps/km2 的 DL 和 UL 区域流量容量。ITU-R 对 mMTC 的愿景包括支持每平方公里多达 500 个设备，而 HRC 用例与 99.9% 的可靠性相关。
由于卫星和地面手持设备之间的传播损耗，从卫星星座提供直接到手持设备的连接是一项相当大的挑战。可用链路预算取决于许多因素，例如轨道高度、系统架构、天线设计、星座服务区域以及卫星与 UE 之间的仰角。
链路预算反过来又决定了许多性能指标，例如可实现的吞吐量。例如，当卫星直接位于头顶上方且仰角为 90 度时，用户可以期望获得最高的吞吐量。当卫星处于较低仰角时，路径损耗会增加，而当仰角约为 30 度时，可实现的吞吐量可能会降低 2 倍。
终端和卫星无线电之间距离的第二个影响是延迟的增加。用户体验到的总体延迟将根据卫星相对于用户和地面站的位置而变化。以最大 RTT 约为 1ms 的地面系统为参考，使用透明架构时，高度为 600km 的 LEO 星座的往返延迟将在 8ms 和约 20ms 之间，假设最小仰角约为 30 度.
基于 3GPP 的非地面网络解决方案的主要优势
无论架构如何，符合 3GPP 标准的 NTN 解决方案的主要优势将是与大众市场智能手机的直接兼容性。与基于非 3GPP 的传统 MSS 系统中使用的笨重且昂贵的终端相比，3GPP 解决方案将为普通尺寸的智能手机带来全球数据和语音连接。地面运营商可以扩大其地理覆盖范围并缩小人口稀少地区（包括农村地区）的连接差距，同时实现海上覆盖等新用例。
基于 3GPP NTN 的系统解决了卫星系统固有的多普勒频移和延迟问题，无需依赖专有解决方法。它是一种面向未来的解决方案，其演进遵循 3GPP 版本，并且既向后兼容 4G LTE 物联网 NTN，又向前兼容 6G NTN。它还非常灵活，能够在星座的整个生命周期内为 LEO、MEO 和 GEO 提供连接。
符合 3GPP 标准的 NTN 解决方案可以提供包含地面和非地面组件的单一网络，并融入世界上最大的 ICT 生态系统。由于指定的增强功能（包括改进的 HARQ 机制），这种演进将使卫星运营商能够提供负担得起的卫星通信和固有的更好性能。由于符合 3GPP 标准的 NTN 解决方案将提供的服务将通过 NTN 特定频谱进行部署，因此干扰风险最小。
