5G NTN简述

作者：坤恒顺维

概述

去年，华为全新一代Mate系列旗舰机发布，备受业界关注的“向上捅破天”的技术亮相，而就在刚刚过去不久的世界移动通信大会（MWC2023）上，联发科（MediaTek）带来了突破性的 5G NTN 双向卫星通信技术，NTN再次进入大众视野，该技术可以填补移动通信网络覆盖的空白，为偏远地区提供更广泛、更高速的网络服务，真正实现智能设备的全球连接。

3GPP在5G R17版本中将NTN纳入了规范，NTN即Non-Terrestrial Networks，非地面网络，是指通过卫星或高空平台 High Altitude Platform Systems（HAPS）实现NR通信。NTN可以覆盖地面网络无法覆盖的偏远地区，如高山、沙漠、海洋等，进一步提升NR的覆盖范围。目前，NTN仅仅针对低轨卫星LEO（Low Earth Orbit）、中轨卫星MEO（Medium Earth Orbit）、地球同步卫星GEO（Geostationary Earth Orbiting）和无人飞行系统UAS(Unmanned Aircraft System)，暂不考虑高轨卫星 HEO（High Elliptical Orbit）。

5G NTN简述

表1. NTN平台类型

应用

3GPP协议38.811比较全面地介绍了NTN的应用前景。得益于广泛的服务覆盖能力，以及空间、飞行器可以降低物理攻击和自然灾害的伤害，NTN有望促进在地面5G网络无法覆盖的地区（如偏远地区、飞机或船只上）和服务欠缺地区（如郊区、农村地区）推出5G完备的高性能服务；通过为M2M/IoT设备或移动平台上的乘客（如客运车辆、飞机、轮船、高速火车、公共汽车等）提供服务连续性，或确保任何地方的服务可用性，特别是关键通信——未来铁路/海上/航空通信，以及通过为向网络边缘的用户终端传输数据提供高效的多播/广播资源，从而实现5G网络的可扩展性；NTN的好处涉及方方面面，包括单独运行的非地面网络，或集成的地面和非地面网络，它们将影响覆盖范围、用户带宽、系统容量、服务可用性和可靠性、能源消耗、连接密度等等。预计5G NTN将在以下垂直领域发挥重要作用：交通、公共安全、媒体和娱乐、电子健康、能源、农业、金融、汽车等。

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图1. NTN应用场景

架构

NTN网络架构中，UE和卫星或UAS平台之间通过Service link连接，由NR实现；卫星或UAS平台和Gateway之间通过Feeder link连接，可以是3GPP定义的无线接口，也可以是non 3GPP的无线接口；最后Gateway和数据中心网络相连接。NTN有两种典型的架构，分别是透传模式和再生模式。

1. A transparent payload：透传模式，具备射频滤波、变频和放大功能。因此，有效载荷重复的波形信号不变。也就是说卫星或UAS平台只对信号进行转发，不做任何其它处理；

2. A regenerative payload：再生模式，具备射频滤波、频率转换和放大以及解调/解码、交换和/或路由、编码/调制功能。这实际上相当于在卫星（或UAS平台）上具有全部或部分基站功能（例如gNB），它将对数据进行处理。

R17工作的重心是透传模式，即卫星充当射频中继器的方式，gNB作为Gateway的一部分位于地面。

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图2. NTN网络两种架构

挑战

NTN网络部署在卫星上时，虽然能够很方便地覆盖偏远地区，实现全球连接，但由于卫星距离远、速度快，也不可避免的带来了如下一些问题。

1 时延

Gateway或者UE与卫星之间的距离很远。因此，无线电波到达Gateway或者UE需要相当长的时间。如GEO卫星，和地面UE的单向传播延迟可能高达272.4ms。即便是HAPS这样的低空平台，单向延迟可能小于1.6ms，也仍远高于地面蜂窝网络的0.033ms。另外，虽然NTN部署在LEO上时，某些情况下的延迟可以比地面的WIFI还要短，但这样的方案，覆盖的成本将是巨大的。

根据22.261，3GPP归纳的卫星传播时延如下表所示。

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表2. 卫星传播时延

大的时延导致NTN中的许多方面会受到影响，如协议层，重传机制和资源调度中的响应时间，特别是接入和切换等这些需要多次信令交互的过程，以及HARQ（Hybrid Automatic Repeat Request）重传过程等。下图3就展示大时延导致上下行定时的巨大偏移。Figure6.2.1-1通过引入一个巨大的TA来使gNB的DL和UL定时对齐，但UE的DL和UL帧定时将出现巨大偏移；Figure6.2.1-2则不需要gNB的DL和UL对齐，它们相差一个共同的timing shift，UE通过应用UE级特定差分TA，使得gNB的DL和UL帧定时同步，这种方案需要在网络侧增加额外的信令和复杂性来管理，需要增强各种NR物理层定时关系。

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图3. NTN DL和UL定时偏移

2 大的多普勒频移

卫星或星载平台运动速度非常快，而大多数地面设备是缓慢移动甚至静止的。这意味着发射机和接收机之间会有非常大的相对运动，也就是说会导致较大的多普勒频移，使得接收机接收到的频率与发射机发送的频率不一样，如下式所示。

上式中是相对运动速度，是光速，是来波方向与运动速度的夹角，为载波频率，就是多普勒频移。显然，当不为0时，速度和载波频率越大，多普勒频移也越大。可以设想NTN Ka波段频率的多普勒频移将会是非常巨大的，这会对NR的物理层信号造成非常严重的影响，甚至无法完成解调。

3 HARQ增强

5G定义了16个HARQ进程，这在地面通信网络中完全足够，但在NTN网络中，由于传输距离远，传输时延可以高达几百个毫秒级别，这么长的RTT(Round-Trip Time)，完全超出了16个HARQ进程的覆盖范围，在stop-and-wait协议下会导致传输停止，造成失速的现象，降低吞吐量。为了缓解低空场景下的该现象，3GPP将HARQ进程数量拓展到了32个；而对于更高轨道的卫星，3GPP则直接让HARQ成为可选项，网络可以选择禁用HARQ功能。

4 地面站需求、射频、天线技术等

NTN核心网络仍然在地面上，因此卫星或空中平台与地面站的连接将是一个巨大的挑战，因为卫星到达地面站的距离是有一定限制的。所以如果我们想要覆盖更大的区域，就需要大量的地面站和卫星。此外，射频处理和天线技术将是NTN网络的关键。巨大的路径损耗，将导致链路预算非常有限，因此功率的放大，射频性能的要求将会更加严苛。另外天线的尺寸，如何使天线实时地指向卫星的辐射方向，数字波束相控阵的成本降低等都将获得进一步发展。

测试

面对以上挑战，对NTN网络上下行信号的准确测试尤为重要。对于地面设备制造商，通常不可能使用在轨的卫星进行测试，因此模拟卫星发送或转发下来的信号成为地面设备功能调试和性能测试的关键。

坤恒顺维矢量信号发生器（信号源）KSW-VSG02，频率范围高达44GHz，最大带宽2GHz，完全覆盖NTN网络的S波段和Ka波段，以及大带宽需求测试。并且KSW-VSG02具有优异的射频参数如相噪、EVM等。

相位噪声：< -146dBc@F = 1GHz， 20kHz SSB；(低相噪选件)；

EVM：< 0.5% @典型值：BW = 200MHz，QPSK；

ACLR：< -68dBc@WCDMA 64DPCH；

杂散抑制：≤ -75dBc@F <= 6GHz。

此外，KSW-VSG02还支持大时延、AWGN、衰落信道和卫星信道等的模拟，可以充分助力客户完成NTN地面设备的功能调试和性能测试。

KSW-VSG02搭载KSW Signal Studio Pro for 5G NR App，可以生成3GPP NTN物理层所有波形，完成以下测试：

a. 支持3GPP NR R17物理层协议波形、物理信道和信号生成;

b. 支持小区搜索、随机接入（4步和2步）和HARQ（32个HARQ进程）测试;

c. 支持吞吐量测试。