基于3GPP標準的5G NTN星地融合通信技術與架構設計

在衛星通信行業中，非地面網絡中的5G新空口（NR）標準是一種重要的技術路線。5G NR是為地面無線移動通信網絡而開發，在很大程度上采取了技術折中策略，以靈活的適應多種不同應用場景和系統架構。具有非地面網絡（NTN）增強的5G NR與衛星通信融合，在網絡兼容性和靈活性方面優勢突出，可以支持更廣泛的應用場景。

5G NR的技術演進

5G是由3GPP主導制定的第五代移動通信技術標準。2019年在3GPP R15階段推出了5G NR規范。此后，5G NR規范不斷演進：在R16階段改進了5G和4G-LTE的無線接口，聚焦于交通、工業自動化和遠程醫療等垂直領域的性能增強；在R17階段全面規定了新功能，以支持5G架構中的非地面網絡；在R18階段開啟了5G-Advanced時代，提出了“萬物互聯”的概念，進一步拓展了通信與感知一體化的應用場景。

其中，5G NR技術規范定義了三大核心應用場景：

• 增強型移動寬帶（eMBB）：提供了比4G更快的數據傳輸速率。

• 大規模機器通信（mMTC）：支持海量小型設備和傳感器連接。

• 超高可靠低時延通信（URLLC）：為延遲敏感型應用提供低時延、超快速響應的連接，是工業自動化、遠程醫療和感知互聯網等垂直領域所必需的條件。

3GPP還引入了車用無線通信技術（V2X），基于URLLC功能，V2X通過無線傳感器能夠實現更加安全可靠的智能交通和自動駕駛。

與4G相比，5G NR使用了先進的波束成形和多進多出（MIMO）等技術，并支持更寬的頻段，因此，5G NR具有更大的帶寬和更高的容量。

為滿足不同帶寬和時延的需求，5G NR使用了靈活的數字邏輯，其中子載波間隔（SCS）包括15、30、60、120、240、480和960kHz七種選項（自3GPP R17）。5G NR改進了糾錯和重傳機制，支持異步混合自動重傳請求（HARQ），提高了數據傳輸的可靠性和數據重傳的靈活性。5G NR還支持自適應的參考信號頻率和用戶設備（UE）帶寬，可靈活調整以適應特定的應用場景。此外，在對一系列波形進行評估后，5G NR使用了基于正交頻分復用（OFDM）的擴展波形：CP-OFDM和DFT-s-OFDM。

5G NR物理層信道劃分

5G NR具備的靈活性大部分是在物理層實現的，其物理層被劃分為不同的信道。

下行鏈路包含：物理下行控制信道（PDCCH）、物理下行共享信道（PDSCH）和物理廣播信道（PBCH）。

• PDCCH：承載下行控制信息，用于物理層可用資源的調度分配。

• PDSCH：承載下行數據和高層控制信息，以及下行共享信道和尋呼信道數據。

• PBCH：承載用戶設備（UE）初始接入網絡所需的基礎信息，如同步信號塊（SSB）等。

上行鏈路包含：物理上行控制信道（PUCCH）、物理上行共享信道（PUSCH）和物理隨機接入信道（PRACH）。

• PUCCH：承載上行控制信息，如HARQ反饋和信道狀態信息等。

• PUSCH：承載UE上行數據及高層控制信息。

• PRACH：UE發起隨機接入時使用的物理層信道。

5G NR無線協議棧

5G NR的無線協議棧由用戶面（UP）和控制面（CP）構成。用戶面位于物理層和IP層之間；控制面主要負責控制信令傳輸，與5G核心網相連接。

無線協議棧結構如下：

• PHY層（物理層）

• MAC層（媒體接入控制層）

• RLC層（無線鏈路控制層）

• PDCP層（分組數據匯聚協議層）

• SDAP層（服務數據適配協議層）（用戶面）

• RRC層（無線資源控制層）（控制面）

圖1. 5G NR無線協議棧架構圖

上圖包含了5G核心網的接入與移動性管理功能（AMF）、用戶面功能，以及核心網和用戶設備之間的非接入層（NAS），各層主要功能如下：

• SDAP層：將來自協議數據單元（PDU）會話的服務質量（QoS）映射到數據無線承載（DRB）上。

• RRC層：管理UE與網絡之間的無線資源，配置UE所需的參數。

• PDCP層：處理向上層、下層的DRB，負責數據加密及完整性，并處理報頭壓縮和PDU復制。

• RLC層：主要負責分段、重組和糾錯。

• MAC層：負責隨機接入過程，上、下層信道映射，MAC服務數據單元（SDU）復用和解復用，HARQ糾錯，報告調度信息，非連續接收（DRX），帶寬部分（BWP）操作以及波束故障檢測和恢復等功能。

• PHY層：負責資源映射、信道編碼和調制，承載物理信道和其他信號，并執行關鍵過程，如波束成形、HARQ重傳、上行功率控制等。

5G NR的幀結構

為適應不同應用場景的大量業務需求，5G NR采用了比4G LTE更為復雜的幀結構，下圖為5G NR幀和資源網格的結構圖。

圖 2. 5G NR幀和資源網格結構圖

5G NR的物理層幀結構由一個持續時間為10毫秒的幀組成，每個物理層幀被劃分為10個子幀，每個子幀持續時間為1毫秒。每個子幀的時隙數量取決于所選的參數集，對應不同子載波間隔，時隙可選1、2、4、8、16、32、64個時隙。每個時隙通常由14個OFDM符號組成。如使用擴展循環前綴，則只可用12個OFDM符號。

所有資源最終分配給物理資源網格，資源單元（RE）是其中最小的資源單位，由一個OFDM符號中（時域）的一個子載波（頻域）構成。資源塊（RB）由頻域上12個連續的子載波組成。資源塊可分為物理資源塊（PRB）、公共資源塊（CRB）和虛擬資源塊（VRB）。

物理資源塊（PRB）是網絡中用于傳輸和接收的實際物理資源。帶寬部分（BWP）可以理解為UE的工作帶寬，不同UE的BWP配置不同，為實現對BWP的有效管理，需要對PRB進行統一索引，因此，NR在系統帶寬內定義了公共資源塊（CRB）。虛擬資源塊（VRB）是映射到PRB的資源塊的中間形式。

NTN的增強

利用5G NR在全球范圍建設地面網絡（TN），能夠提供高品質的陸地無線通信服務，但該方案無法解決全球覆蓋的難題。為解決這一難題，3GPP開展了NTN的技術研究和標準制定，NTN設計利用衛星和其他空中平臺作為中繼，補充傳統地面網絡的服務或覆蓋盲區，例如偏遠地區、海洋和航空通信等，可實現全球覆蓋的無線通信。

5G NR NTN的研究始于2017年，在3GPP R15階段首次開展了NTN部署場景和信道模型的研究。在R16階段，研究了5G NR支持NTN的解決方案，特別是基于衛星網絡的解決方案，并于2018年發布3GPP TR 38.821。該研究分析了由于衛星和用戶之間距離較遠而導致高時延傳輸對通信的影響，發現主要問題是長距離、大時延傳輸，以及非地球靜止軌道（NGSO）衛星和其他移動平臺產生的移動蜂窩導致了大規模多普勒頻移。在用戶面，需要對NR的MAC層、RLC層和PDCP層進行必要的改進；在控制面，主要確定了移動性管理增強的需求，關鍵領域包括時序關系、上行時間和頻率同步以及HARQ的增強。

在R17階段，解決了前期發現的問題。上行鏈路同步問題可通過計算UE和衛星之間的往返時間（RTT）以及相對速度來解決，這些數據源自全球導航衛星系統（GNSS）提供的UE位置和衛星星歷。根據UE和衛星之間的相對速度計算預補償，對抗多普勒頻移，確保正確的信號接收頻率。為了獲得時間同步所需的完整定時提前（TA），gNB提供了公共TA參數，需參考衛星和UE之間的RTT計算結果。完整TA被用于UE中上行、下行鏈路的偏移量計算。HARQ相關問題可以通過增加HARQ進程數量以及在RTT窗口內HARQ重傳來解決。為適應長RTT，MAC層和RLC層的定時器被延長。條件切換也得到改進，以適應NTN網絡中的移動蜂窩。

NTN平臺設計

NTN系統的設計考慮了四種平臺：地球同步軌道衛星（GEO）、中地球軌道衛星（MEO）、低地球軌道衛星（LEO）以及無人機系統（UAS）平臺。GEO衛星的高度為35786公里，其軌道為圓形且位于赤道，與地球自轉同步。MEO和LEO衛星也被稱為非地球同步軌道衛星（NGSO），繞地球運行，軌道為圓形，高度范圍分別為7000-25000公里和300-1500公里。無人機系統的飛行高度范圍為8-50公里，與GEO衛星類似，也可處于靜止軌道。三種衛星為星載平臺，無人機系統平臺為高空平臺。

NTN平臺架構

NTN平臺根據搭載的載荷類型可分為兩類：透明載荷和再生載荷平臺。在透明有效載荷配置中，射頻濾波、頻率轉換和功率放大在平臺上完成。在再生有效載荷中，NTN平臺實現了gNB功能。同時，在NTN系統中，定義了一些類似衛星通信的概念：NTN終端、關口站（Gateway）、服務/用戶鏈路和饋電鏈路。NTN終端指3GPP UE或更具體的衛星終端，如甚小口徑終端（VSAT）或手持衛星終端。NTN Gateway是將5G核心網和gNB連接到NTN平臺的節點。服務鏈路是NTN平臺和終端之間的無線電鏈路，而饋電鏈路是NTN Gateway和NTN平臺之間的鏈路。

圖3為透明載荷衛星平臺架構，其中平臺僅在UE和GW之間中繼5G信號。在饋電鏈路和服務鏈路上，衛星無線接口（SRI）是NR-Uu，在gNB和5G核心網之間無線接口是NG，在5G核心網和數據網絡之間是N6。

圖 3. NTN透明有效載荷衛星接入架構

NG-RAN平臺架構

與NTN平臺類似，NTN下一代無線接入網絡（NG-RAN）架構可根據所使用的平臺類型分為透明架構或再生架構。在再生架構中，NTN平臺根據所使用的gNB功能分為部分或完整gNB功能。在部分功能中，gNB包含一個分布式單元（DU）；在完整功能中，gNB還包含一個中央單元（CU）。圖4展示了一種再生衛星平臺接入架構，在衛星平臺上實現了完整的gNB功能（即平臺搭載CU和DU）。在這種架構中，饋電鏈路SRI為NG。

圖4. NTN再生有效載荷衛星接入架構

在NG-RAN架構中進行了一系列NTN功能的創新，如為饋電鏈路切換和衛星波束創建的大型或超大型蜂窩的管理系統。饋電鏈路切換常見于NGSO架構中，由于NGSO平臺的移動性，提供饋電鏈路的 NTN Gateway會切換到另一個。切換分為硬切換或軟切換，硬切換指平臺一次只能由一個饋電鏈路服務，軟切換則指多個饋電鏈路同時為平臺服務。對于大型蜂窩，一個平臺的蜂窩可能跨越多個國家，這需要路由功能的支持。對于跨國連接管理，gNB實現了5G核心網非接入層（NAS）選擇功能，將UE路由到其所屬國的核心網絡的接入與移動性管理功能（AMF）。為了簡化UE位置管理，3GPP假設UE支持GNSS。運營、管理和維護也需要功能的更新，如NTN服務鏈路配置系統和NTN控制功能。

在通過引入星載平臺和高空平臺后，NTN顯著擴大了5G網絡的全球覆蓋能力，為實現偏遠地區、海洋、航空通信奠定了堅實的基礎。隨著5G NTN的不斷演進，星地深度融合的網絡架構將為無處不在、無縫切換的通信網絡提供強大的技術支持。

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本文轉載自“中信衛星”，原標題《5G NR與衛星通信的融合之路》。

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