2024随手记(18)3GPP NTN历史与现状

文摘   2024-05-26 23:11   瑞典  
2024年随手记第十八篇。学习并总结一下NTN技术在3GPP演进的历史及现状情况。我们已经在前面的一些文章中总结了一些NTN相关的信息:
6G NTN演进
2024随手记(8)R19中的NTN研究内容简要汇总
截至2023年8月的NTN连接--宏文2023(19)
宏文2022(4)R17&R18中的NR NTN和卫星通信更新

首先在本文开头提纲挈领做个定义:非地面网络 (NTN) 是使用通常在8至50公里高度之间运行的无人驾驶飞机系统 (UAS) 的网络或网络段,包括高空平台 (High Altitude Platform--HAP) 或各类卫星来承载传输设备中继节点或 一个基站。UAS就先不提了,如感兴趣可参考如下文章:
5G 无人机系统(UAS)及其Usecase们
宏文2022(8)3GPP 5G UAS(无人机/无人飞行器)系统综述
随手记2022(38)3GPP 5G UAS(无人机/无人飞行器)系统--架构与功能
随手记2022(56)3GPP UAS(无人机/无人飞行器)系统-- R17相关更新

现在言归正传,各类卫星围绕地球运转示意图如下:

上图中列出了大家耳熟能详的四类卫星:
LEO(低地球轨道):通常高度为 500-2000 公里的圆形轨道(延迟更低,链路预算更好,但需要更多卫星才能覆盖)
MEO(中地球轨道):通常高度为 8000-20000 公里的圆形轨道
GEO(地球静止轨道):距离地球赤道 35786 公里的圆形轨道(注意:由于引力,GEO 卫星仍在其标称轨道位置周围几公里的范围内移动)。
HEO(高椭圆轨道):围绕地球的椭圆轨道。
可以分为两种类型的模式或“有效载荷”,参见下图所示(来自TR38.811):

第一类:Non-regenerative非再生有效载荷(也称为“bentpipe payload弯管有效载荷”(考虑从网关通过星载/机载平台到UE的路径)或“transparent mode透明模式”):星载/机载平台没有机载处理能力,改变接收到的上行链路RF信号的频率载波,对其进行滤波和放大,然后再将其传输到下行链路,即该平台对应于模拟RF中继器;

第二类:Regenerative payload再生有效载荷(或non-transparent mode非透明模式):星载/机载平台除了RF滤波、频率转换和放大之外,还具有机载处理能力(用于解调/解码、切换和/或路由、编码/调制),因此该星载/机载平台具有机载基站功能。

NTN环境仰角和传播延迟的图示如下图所示(TR38.811):

与地面网络 (TN) 相比,非地面网络 (NTN) 具有许多需要调整的特征(参见TR 38.811),包括:

太空/飞行器的运动:只有对于GEO,卫星才会像地面网络一样在地球上保持相当稳定。对于LEO和MEO,卫星以高速移动,这会导致使用移动cell pattern、更高的多普勒频移/变化、更快的传播延迟变化 - 需要增强波束管理(基于有关卫星可预测运动(ephemeris)和UE位置/运动的信息,卫星网络可以知道哪个波束和卫星最好地覆盖UE)。

由于移动cell也可能跨越国界或覆盖没有领土要求的区域,因此还需要考虑监管方面(具体内容参见TR 22.926)。

高度Altitude:卫星的运行高度比TN的基站高得多,这会导致更长的延迟(需要在RACH、定时提前、HARQ、功率控制、MAC/RLC 等中考虑),这是因为传播延迟较大(TN:通常 <1ms;GEO:最多几百毫秒),并且还会影响链路预算,尤其是在UL中,因为UE的传输功率有限。
小区大小cell sizes:NTN网络的小区大小比TN大,这可能导致传播延迟的变化更大,远近效应更强。
对流层Troposheric影响:与 6GHz以上相关;如吸收,尤其与较高频率(>10GHz)和低海拔相关(对流层是大气层的下部;低于 ~12km)。
电离层Ionospheric影响:与6GHz以下相关,反射和吸收效应(也与纬度有关);(电离层是大气层的上部;高于约80公里;其中太阳辐射由于电离而产生等离子体层)。

如下两个图展示了非地面网络 (NTN) 架构的相应示例,第一个图是Aerial网络(带IAL),其服务链路在6GHz以上的频段运行 [来源:TR 38.811]:

第二个图是卫星接入网络(带 ISL),其服务链路在6GHz以上的频段运行 [来源:TR 38.811]


其中地面上有VSAT(Very Small Aperture Terminal)或手持/物联网设备,它们通过服务链路(也称为用户链路)与空中或太空中的平台进行通信。该平台可以直接与地面网关通信,或者首先通过空中或太空中的其他平台通过IAL(空中间链路)或 ISL(卫星间链路)进行通信。

除了通过机载/星载平台直接为UE提供服务之外,还可以将服务链路安排在机载/星载平台和地面上的中继节点(使用 VSAT)之间,然后中继节点为 UE提供服务。因此,NTN终端将成为此中继节点。VSAT通常比用作终端或UE(用户设备)的手持或物联网设备尺寸更大、功率更高。在机载平台有基站 (gNB)(再生有效载荷)情况下,则馈线链路末端的 NTN 网关可以是连接公共网络的核心网络的路由器。如果是透明/弯管有效载荷,则馈线链路末端的NTN网关将是基站 (gNB),因为机载平台的运行方式就像中继信号的远程无线电头一样。使用卫星间链路 (ILS) 需要再生有效载荷。
如果是非地球静止卫星轨道 (NGSO),即LEO或MEO,星载平台将以比地球自转更快的速度绕地球移动,这意味着在某个时间点,馈线链路将需要切换到另一个网关,并且为了保持服务连续性,NTN终端将需要由不同的星载平台提供服务。关于来自卫星的波束,可以区分随卫星移动的波束(也称为“移动波束”)和可控波束(即通过使用波束形成技术,卫星能够在卫星可见的时间内将波束引导至地球上的固定点(也称为“地球固定波束”)。NTN 网关和卫星之间的馈线链路也称为卫星无线电接口 (SRI)。

此外,关于NTN所使用的频谱资源,在3GPP TS38.101-5中定义:

3GPP各个版本中NTN的内容小结如下:
3GPP Pre-R15及之前的内容
大家都知道,3GPP标准化始于1999年的3G(注明的R99,3GPP前身是欧洲的ETSI),重点关注地面网络(UTRA中的T代表地面)。此外,在 3GPP 4G标准中,卫星方面仅限于通过卫星支持定位服务(GPS、伽利略、GLONASS、北斗、NavIC ......)。在3GPP R14中,5G用例和要求研究考虑了通过卫星和非地面网络扩展地面网络。请参阅如下文档TR 38.913/TR 22.862/TR 22.864/TR 22.891。当时考虑非地面接入的主要驱动因素是:
第一,允许为无法使用地面服务的地区提供服务,也允许为可以通过卫星更有效地支持的服务提供服务,例如在大面积区域内多播/广播类似内容(“服务可扩展性”)。
第二,在人口密度较低/农村地区、海上、高海拔/空中飞行器、地面网络无法可靠运行的灾区提供更好的覆盖范围(“服务无处不在”)。
第三,降低非地面网络的脆弱性/提高弹性。
第四,通过规模经济为地面和非地面网络提供通用无线接口来降低成本,并提供服务连续性。

3GPP R15:
R15是第一个5G版本,最初侧重于地面网络,具有各种架构选项。尽管 R15的第1阶段TS 22.261增加了关于多种接入技术的5G要求:“5G 系统应能够支持所支持的接入网络(例如NG-RAN、WLAN、固定宽带接入网络、5G卫星接入网络)之间的移动性”,但时间限制意味着尚无法在R15 中标准化卫星支持。尽管如此,R15技术规范组 (TSG) RAN领导的研究项目 (SI)“研究支持非地面网络的 NR”(FS_NR_nonterr_nw) 和TR 38.811总结了相关用例并调整3GPP信道模型(在 5G REL-14 SI FS_NR_newRAT 下的R14 TR 38.901中开发)以适应非地面网络。另外还详细描述了非地面网络的部署场景,并相应地分析必要的调整,以支持通过卫星或HAPS 在NR中进行操作。
在eMBB用例中定义的NTN典型用例为:

在mMTC中定义的典型用例包括:

3GPP R16:
在R16中,非地面网络的研究内容集中在2个研究项目(SI)中:
在系统方面,SA1 SI“Study on using Satellite Access in 5G”(FS_5GSAT) 产生了TR 22.822。在此TR中,分析了NTN的更多具体用例,包括条件、对现有服务/功能的影响/交互以及潜在因素等,其stage1要求:

在radio方面,RAN3 WG牵头的 SI“Study on solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN)”(FS_NR_NTN_solutions)(涵盖了RAN1和RAN2方面信息)产生了TR 38.821。基于R15 SI FS_NR_nonterr_nw中确定的非地面网络 (NTN) 对NR的关键影响,该R16研究项目 (SI) 更详细地研究对RAN协议/架构的影响,并开始评估相应的解决方案。
该SI的重点是:

考虑的参考场景是GEO、带控制波束的LEO、带移动波束的LEO以及所有透明有效载荷情况和再生有效载荷情况。下面的图展示了在不同场景中卫星接入如何集成到5G RAN架构中的情况。下图是基于卫星的透明NG-RAN架构(地面上的gNB)[来源:TR 38.821]。其中的NR Uu的控制平面 (CP) 和用户平面 (UP) 终结于地面(需要考虑更长的 (RTT))。

下图是无ISL的再生卫星NG-RAN架构(卫星上的gNB)[来源:TR 38.821]。在图中,NR-Uu无线接口位于UE和卫星之间的服务链路上。

下图是无ISL(卫星上的gNB)的再生卫星NG-RAN架构[来源:TR 38.821]。可以看到,图中UE(由卫星上的 gNB 提供服务)也可以通过 ISL(卫星之间的传输链路)访问5GCN。因此不一定需要2个数据网络连接。

图10中是基于再生卫星的NG-RAN架构,无ISL(卫星上的gNB-DU和地面上的 gNB-CU)[来源:TR 38.821],它说明了将gNB功能拆分为CU(中央单元)和 DU(分布式单元)的样子。NTN网关和卫星之间的馈线链路/SRI 将传输F1协议。由于RRC和其他第3层协议处理在地面上的 gNB-CU 中终止,因此会产生相应的时序影响(GEO比 LEO更糟糕)。不同卫星上的DU有可能连接到地面上的同一CU。

此外除了NTN-TN服务连续性场景外,还考虑了多连接场景,其中一个UE 受到服务:

3GPP各WG在R16 NTN方面的贡献如下:
RAN1研究规范工作重点放在以下方面:

RAN2,结论是,NR可以支持NTN场景,并在规范阶段提出以下建议/增强想法,

RAN3研究规范工作重点放在以下方面,

3GPP R17,
R17是 3GPP 规范中第一个对NTN具有规范要求的版本。因此也是NTN研究输出内容丰富的版本。各相关工作组输出的主要内容骨感小结如下:

SA1工作组,
R17 WI“Stage 1 of 5GSAT"5GSAT stage1”将R16 SI FS_5GSAT的结果转换为TS 22.261中的stage1要求(另请参阅SP-200569 CR0428rev4)。

SA2工作组,
R17 SI“Study on architecture aspects for using satellite access in 5G”(FS_5GSAT_ARCH) 产生了TR 23.737。它确定2个参考用例的10个关键问题:
1)地面和卫星网络之间的漫游 - 覆盖直接卫星接入。
2)NR和5G核心之间的5G固定回程 - 覆盖卫星回程。

SA5工作组,
在SA5中,有一项R17 SI“Study on management and orchestration aspects with integrated satellite components in a 5G network”(FS_5GSAT_MO),该研究分析包含在TR 28.808中,

并将规范研究工作应从以下几个方面着手:

RAN工作组,在也就是无线方面,TSG RAN R17 WI Solutions for NR 支持非地面网络(NTN)(NR_NTN_solutions)是在以下假设下进行的:

对于HAPS的结论是:

RAN1,

RAN2主要在移动性管理方面,

RAN3主要有三个方面,

RAN4,

3GPP R18/R19及6G展望的NTN内容可参考如下几个文章:

宏文2022(4)R17&R18中的NR NTN和卫星通信更新

截至2023年8月的NTN连接--宏文2023(19)

2024随手记(8)R19中的NTN研究内容简要汇总
6G NTN演进

3GPP所制定的NTN相关的技术规范列表如下:
TR 38.811, Study on New Radio (NR) to support non-terrestrial networks,
TR 22.822, Study on using satellite access in 5G,
TR 38.821, Study on solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN)",
TR 23.737, "Study on architecture aspects for using satellite access in 5G",
TR 38.863, "Non-terrestrial networks (NTN) related RF and co-existence aspects",
TS 38.101-5, "NR; User Equipment (UE) radio transmission and reception; Part 5: Satellite access Radio Frequency (RF) and performance requirements",
TS 38.108, "NR; Satellite Access Node radio transmission and reception",
TS 38.181, "NR; Satellite Access Node conformance testing",
TS 38.521-5, "NR; User Equipment (UE) conformance specification; Radio transmission and reception; Part 5: Satellite access Radio Frequency (RF) and performance",
TR 38.882 "Study on requirements and use cases for network verified UE location for Non-Terrestrial-Networks (NTN) in NR",
TR 37.911, "Study on self-evaluation towards the IMT-2020 submission of the 3GPP Satellite Radio Interface Technology",

TS 22.261, "Service requirements for the 5G system", stage 1 spec from SA1

TS 23.501, "System architecture for the 5G System (5GS)", stage 2 spec from SA2, esp. clauses 5.4.10 and 5.4.11

TS 38.300, "NR; NR and NG-RAN Overall description; Stage-2", RAN2, esp. clause 16.14

Note: Stage 3 aspects are distributed over several specifications (like any other 3GPP feature).


另外还有一篇:

"NTN & Satellite in Rel-17 & 18", by Munira Jaffar & Nicolas Chuberre, see also 3GPP Highlights newsletter no.3, page 24



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