基于3GPP标准的5G NTN星地融合通信技术与架构设计

在卫星通信行业中，非地面网络中的5G新空口（NR）标准是一种重要的技术路线。5G NR是为地面无线移动通信网络而开发，在很大程度上采取了技术折中策略，以灵活的适应多种不同应用场景和系统架构。具有非地面网络（NTN）增强的5G NR与卫星通信融合，在网络兼容性和灵活性方面优势突出，可以支持更广泛的应用场景。

5G NR的技术演进

5G是由3GPP主导制定的第五代移动通信技术标准。2019年在3GPP R15阶段推出了5G NR规范。此后，5G NR规范不断演进：在R16阶段改进了5G和4G-LTE的无线接口，聚焦于交通、工业自动化和远程医疗等垂直领域的性能增强；在R17阶段全面规定了新功能，以支持5G架构中的非地面网络；在R18阶段开启了5G-Advanced时代，提出了“万物互联”的概念，进一步拓展了通信与感知一体化的应用场景。

其中，5G NR技术规范定义了三大核心应用场景：

• 增强型移动宽带（eMBB）：提供了比4G更快的数据传输速率。

• 大规模机器通信（mMTC）：支持海量小型设备和传感器连接。

• 超高可靠低时延通信（URLLC）：为延迟敏感型应用提供低时延、超快速响应的连接，是工业自动化、远程医疗和感知互联网等垂直领域所必需的条件。

3GPP还引入了车用无线通信技术（V2X），基于URLLC功能，V2X通过无线传感器能够实现更加安全可靠的智能交通和自动驾驶。

与4G相比，5G NR使用了先进的波束成形和多进多出（MIMO）等技术，并支持更宽的频段，因此，5G NR具有更大的带宽和更高的容量。

为满足不同带宽和时延的需求，5G NR使用了灵活的数字逻辑，其中子载波间隔（SCS）包括15、30、60、120、240、480和960kHz七种选项（自3GPP R17）。5G NR改进了纠错和重传机制，支持异步混合自动重传请求（HARQ），提高了数据传输的可靠性和数据重传的灵活性。5G NR还支持自适应的参考信号频率和用户设备（UE）带宽，可灵活调整以适应特定的应用场景。此外，在对一系列波形进行评估后，5G NR使用了基于正交频分复用（OFDM）的扩展波形：CP-OFDM和DFT-s-OFDM。

5G NR物理层信道划分

5G NR具备的灵活性大部分是在物理层实现的，其物理层被划分为不同的信道。

下行链路包含：物理下行控制信道（PDCCH）、物理下行共享信道（PDSCH）和物理广播信道（PBCH）。

• PDCCH：承载下行控制信息，用于物理层可用资源的调度分配。

• PDSCH：承载下行数据和高层控制信息，以及下行共享信道和寻呼信道数据。

• PBCH：承载用户设备（UE）初始接入网络所需的基础信息，如同步信号块（SSB）等。

上行链路包含：物理上行控制信道（PUCCH）、物理上行共享信道（PUSCH）和物理随机接入信道（PRACH）。

• PUCCH：承载上行控制信息，如HARQ反馈和信道状态信息等。

• PUSCH：承载UE上行数据及高层控制信息。

• PRACH：UE发起随机接入时使用的物理层信道。

5G NR无线协议栈

5G NR的无线协议栈由用户面（UP）和控制面（CP）构成。用户面位于物理层和IP层之间；控制面主要负责控制信令传输，与5G核心网相连接。

无线协议栈结构如下：

• PHY层（物理层）

• MAC层（媒体接入控制层）

• RLC层（无线链路控制层）

• PDCP层（分组数据汇聚协议层）

• SDAP层（服务数据适配协议层）（用户面）

• RRC层（无线资源控制层）（控制面）

图1. 5G NR无线协议栈架构图

上图包含了5G核心网的接入与移动性管理功能（AMF）、用户面功能，以及核心网和用户设备之间的非接入层（NAS），各层主要功能如下：

• SDAP层：将来自协议数据单元（PDU）会话的服务质量（QoS）映射到数据无线承载（DRB）上。

• RRC层：管理UE与网络之间的无线资源，配置UE所需的参数。

• PDCP层：处理向上层、下层的DRB，负责数据加密及完整性，并处理报头压缩和PDU复制。

• RLC层：主要负责分段、重组和纠错。

• MAC层：负责随机接入过程，上、下层信道映射，MAC服务数据单元（SDU）复用和解复用，HARQ纠错，报告调度信息，非连续接收（DRX），带宽部分（BWP）操作以及波束故障检测和恢复等功能。

• PHY层：负责资源映射、信道编码和调制，承载物理信道和其他信号，并执行关键过程，如波束成形、HARQ重传、上行功率控制等。

5G NR的帧结构

为适应不同应用场景的大量业务需求，5G NR采用了比4G LTE更为复杂的帧结构，下图为5G NR帧和资源网格的结构图。

图 2. 5G NR帧和资源网格结构图

5G NR的物理层帧结构由一个持续时间为10毫秒的帧组成，每个物理层帧被划分为10个子帧，每个子帧持续时间为1毫秒。每个子帧的时隙数量取决于所选的参数集，对应不同子载波间隔，时隙可选1、2、4、8、16、32、64个时隙。每个时隙通常由14个OFDM符号组成。如使用扩展循环前缀，则只可用12个OFDM符号。

所有资源最终分配给物理资源网格，资源单元（RE）是其中最小的资源单位，由一个OFDM符号中（时域）的一个子载波（频域）构成。资源块（RB）由频域上12个连续的子载波组成。资源块可分为物理资源块（PRB）、公共资源块（CRB）和虚拟资源块（VRB）。

物理资源块（PRB）是网络中用于传输和接收的实际物理资源。带宽部分（BWP）可以理解为UE的工作带宽，不同UE的BWP配置不同，为实现对BWP的有效管理，需要对PRB进行统一索引，因此，NR在系统带宽内定义了公共资源块（CRB）。虚拟资源块（VRB）是映射到PRB的资源块的中间形式。

NTN的增强

利用5G NR在全球范围建设地面网络（TN），能够提供高品质的陆地无线通信服务，但该方案无法解决全球覆盖的难题。为解决这一难题，3GPP开展了NTN的技术研究和标准制定，NTN设计利用卫星和其他空中平台作为中继，补充传统地面网络的服务或覆盖盲区，例如偏远地区、海洋和航空通信等，可实现全球覆盖的无线通信。

5G NR NTN的研究始于2017年，在3GPP R15阶段首次开展了NTN部署场景和信道模型的研究。在R16阶段，研究了5G NR支持NTN的解决方案，特别是基于卫星网络的解决方案，并于2018年发布3GPP TR 38.821。该研究分析了由于卫星和用户之间距离较远而导致高时延传输对通信的影响，发现主要问题是长距离、大时延传输，以及非地球静止轨道（NGSO）卫星和其他移动平台产生的移动蜂窝导致了大规模多普勒频移。在用户面，需要对NR的MAC层、RLC层和PDCP层进行必要的改进；在控制面，主要确定了移动性管理增强的需求，关键领域包括时序关系、上行时间和频率同步以及HARQ的增强。

在R17阶段，解决了前期发现的问题。上行链路同步问题可通过计算UE和卫星之间的往返时间（RTT）以及相对速度来解决，这些数据源自全球导航卫星系统（GNSS）提供的UE位置和卫星星历。根据UE和卫星之间的相对速度计算预补偿，对抗多普勒频移，确保正确的信号接收频率。为了获得时间同步所需的完整定时提前（TA），gNB提供了公共TA参数，需参考卫星和UE之间的RTT计算结果。完整TA被用于UE中上行、下行链路的偏移量计算。HARQ相关问题可以通过增加HARQ进程数量以及在RTT窗口内HARQ重传来解决。为适应长RTT，MAC层和RLC层的定时器被延长。条件切换也得到改进，以适应NTN网络中的移动蜂窝。

NTN平台设计

NTN系统的设计考虑了四种平台：地球同步轨道卫星（GEO）、中地球轨道卫星（MEO）、低地球轨道卫星（LEO）以及无人机系统（UAS）平台。GEO卫星的高度为35786公里，其轨道为圆形且位于赤道，与地球自转同步。MEO和LEO卫星也被称为非地球同步轨道卫星（NGSO），绕地球运行，轨道为圆形，高度范围分别为7000-25000公里和300-1500公里。无人机系统的飞行高度范围为8-50公里，与GEO卫星类似，也可处于静止轨道。三种卫星为星载平台，无人机系统平台为高空平台。

NTN平台架构

NTN平台根据搭载的载荷类型可分为两类：透明载荷和再生载荷平台。在透明有效载荷配置中，射频滤波、频率转换和功率放大在平台上完成。在再生有效载荷中，NTN平台实现了gNB功能。同时，在NTN系统中，定义了一些类似卫星通信的概念：NTN终端、关口站（Gateway）、服务/用户链路和馈电链路。NTN终端指3GPP UE或更具体的卫星终端，如甚小口径终端（VSAT）或手持卫星终端。NTN Gateway是将5G核心网和gNB连接到NTN平台的节点。服务链路是NTN平台和终端之间的无线电链路，而馈电链路是NTN Gateway和NTN平台之间的链路。

图3为透明载荷卫星平台架构，其中平台仅在UE和GW之间中继5G信号。在馈电链路和服务链路上，卫星无线接口（SRI）是NR-Uu，在gNB和5G核心网之间无线接口是NG，在5G核心网和数据网络之间是N6。

图 3. NTN透明有效载荷卫星接入架构

NG-RAN平台架构

与NTN平台类似，NTN下一代无线接入网络（NG-RAN）架构可根据所使用的平台类型分为透明架构或再生架构。在再生架构中，NTN平台根据所使用的gNB功能分为部分或完整gNB功能。在部分功能中，gNB包含一个分布式单元（DU）；在完整功能中，gNB还包含一个中央单元（CU）。图4展示了一种再生卫星平台接入架构，在卫星平台上实现了完整的gNB功能（即平台搭载CU和DU）。在这种架构中，馈电链路SRI为NG。

图4. NTN再生有效载荷卫星接入架构

在NG-RAN架构中进行了一系列NTN功能的创新，如为馈电链路切换和卫星波束创建的大型或超大型蜂窝的管理系统。馈电链路切换常见于NGSO架构中，由于NGSO平台的移动性，提供馈电链路的 NTN Gateway会切换到另一个。切换分为硬切换或软切换，硬切换指平台一次只能由一个馈电链路服务，软切换则指多个馈电链路同时为平台服务。对于大型蜂窝，一个平台的蜂窝可能跨越多个国家，这需要路由功能的支持。对于跨国连接管理，gNB实现了5G核心网非接入层（NAS）选择功能，将UE路由到其所属国的核心网络的接入与移动性管理功能（AMF）。为了简化UE位置管理，3GPP假设UE支持GNSS。运营、管理和维护也需要功能的更新，如NTN服务链路配置系统和NTN控制功能。

在通过引入星载平台和高空平台后，NTN显著扩大了5G网络的全球覆盖能力，为实现偏远地区、海洋、航空通信奠定了坚实的基础。随着5G NTN的不断演进，星地深度融合的网络架构将为无处不在、无缝切换的通信网络提供强大的技术支持。

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本文转载自“中信卫星”，原标题《5G NR与卫星通信的融合之路》。

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