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):
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]:
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 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:
RAN1研究规范工作重点放在以下方面:
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,
宏文2022(4)R17&R18中的NR NTN和卫星通信更新
3GPP所制定的NTN相关的技术规范列表如下:
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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