在衛(wèi)星通信行業(yè)中，非地面網(wǎng)絡(luò)中的5G新空口（NR）標(biāo)準(zhǔn)是一種重要的技術(shù)路線。5G NR是為地面無線移動通信網(wǎng)絡(luò)而開發(fā)，在很大程度上采取了技術(shù)折中策略，以靈活的適應(yīng)多種不同應(yīng)用場景和系統(tǒng)架構(gòu)。具有非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）增強(qiáng)的5G NR與衛(wèi)星通信融合，在網(wǎng)絡(luò)兼容性和靈活性方面優(yōu)勢突出，可以支持更廣泛的應(yīng)用場景。

5G NR的技術(shù)演進(jìn)

5G是由3GPP主導(dǎo)制定的第五代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2019年在3GPP R15階段推出了5G NR規(guī)范。此后，5G NR規(guī)范不斷演進(jìn)：在R16階段改進(jìn)了5G和4G-LTE的無線接口，聚焦于交通、工業(yè)自動化和遠(yuǎn)程醫(yī)療等垂直領(lǐng)域的性能增強(qiáng)；在R17階段全面規(guī)定了新功能，以支持5G架構(gòu)中的非地面網(wǎng)絡(luò)；在R18階段開啟了5G-Advanced時代，提出了“萬物互聯(lián)”的概念，進(jìn)一步拓展了通信與感知一體化的應(yīng)用場景。

其中，5G NR技術(shù)規(guī)范定義了三大核心應(yīng)用場景：

• 增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）：提供了比4G更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。

• 大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）：支持海量小型設(shè)備和傳感器連接。

• 超高可靠低時延通信（URLLC）：為延遲敏感型應(yīng)用提供低時延、超快速響應(yīng)的連接，是工業(yè)自動化、遠(yuǎn)程醫(yī)療和感知互聯(lián)網(wǎng)等垂直領(lǐng)域所必需的條件。

3GPP還引入了車用無線通信技術(shù)（V2X），基于URLLC功能，V2X通過無線傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)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(jìn)的波束成形和多進(jìn)多出（MIMO）等技術(shù)，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(shù)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(jìn)了糾錯和重傳機(jī)制，支持異步混合自動重傳請求（HARQ），提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛿?shù)據(jù)重傳的靈活性。5G NR還支持自適應(yīng)的參考信號頻率和用戶設(shè)備（UE）帶寬，可靈活調(diào)整以適應(yīng)特定的應(yīng)用場景。此外，在對一系列波形進(jìn)行評估后，5G NR使用了基于正交頻分復(fù)用（OFDM）的擴(kuò)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(shí)現(xiàn)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(diào)度分配。

• PDSCH：承載下行數(shù)據(jù)和高層控制信息，以及下行共享信道和尋呼信道數(shù)據(jù)。

• PBCH：承載用戶設(shè)備（UE）初始接入網(wǎng)絡(luò)所需的基礎(chǔ)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(jī)接入信道（PRACH）。

• PUCCH：承載上行控制信息，如HARQ反饋和信道狀態(tài)信息等。

• PUSCH：承載UE上行數(shù)據(jù)及高層控制信息。

• PRACH：UE發(fā)起隨機(jī)接入時使用的物理層信道。

5G NR無線協(xié)議棧

5G NR的無線協(xié)議棧由用戶面（UP）和控制面（CP）構(gòu)成。用戶面位于物理層和IP層之間；控制面主要負(fù)責(zé)控制信令傳輸，與5G核心網(wǎng)相連接。

無線協(xié)議棧結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)匯聚協(xié)議層）

• SDAP層（服務(wù)數(shù)據(jù)適配協(xié)議層）（用戶面）

• RRC層（無線資源控制層）（控制面）

圖1. 5G NR無線協(xié)議棧架構(gòu)圖

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

• SDAP層：將來自協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）會話的服務(wù)質(zhì)量（QoS）映射到數(shù)據(jù)無線承載（DRB）上。

• RRC層：管理UE與網(wǎng)絡(luò)之間的無線資源，配置UE所需的參數(shù)。

• PDCP層：處理向上層、下層的DRB，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)加密及完整性，并處理報頭壓縮和PDU復(fù)制。

• RLC層：主要負(fù)責(zé)分段、重組和糾錯。

• MAC層：負(fù)責(zé)隨機(jī)接入過程，上、下層信道映射，MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDU）復(fù)用和解復(fù)用，HARQ糾錯，報告調(diào)度信息，非連續(xù)接收（DRX），帶寬部分（BWP）操作以及波束故障檢測和恢復(fù)等功能。

• PHY層：負(fù)責(zé)資源映射、信道編碼和調(diào)制，承載物理信道和其他信號，并執(zhí)行關(guān)鍵過程，如波束成形、HARQ重傳、上行功率控制等。

5G NR的幀結(jié)構(gòu)

為適應(yīng)不同應(yīng)用場景的大量業(yè)務(wù)需求，5G NR采用了比4G LTE更為復(fù)雜的幀結(jié)構(gòu)，下圖為5G NR幀和資源網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)圖。

圖 2. 5G NR幀和資源網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖

5G NR的物理層幀結(jié)構(gòu)由一個持續(xù)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(xù)時間為1毫秒。每個子幀的時隙數(shù)量取決于所選的參數(shù)集，對應(yīng)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(kuò)展循環(huán)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(wǎng)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(gòu)成。資源塊（RB）由頻域上12個連續(xù)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(wǎng)絡(luò)中用于傳輸和接收的實(shí)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(shí)現(xiàn)對BWP的有效管理，需要對PRB進(jìn)行統(tǒng)一索引，因此，NR在系統(tǒng)帶寬內(nèi)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(qiáng)

利用5G NR在全球范圍建設(shè)地面網(wǎng)絡(luò)（TN），能夠提供高品質(zhì)的陸地?zé)o線通信服務(wù)，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(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定，NTN設(shè)計利用衛(wèi)星和其他空中平臺作為中繼，補(bǔ)充傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)或覆蓋盲區(qū)，例如偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋和航空通信等，可實(shí)現(xiàn)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(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的解決方案，并于2018年發(fā)布3GPP TR 38.821。該研究分析了由于衛(wèi)星和用戶之間距離較遠(yuǎn)而導(dǎo)致高時延傳輸對通信的影響，發(fā)現(xiàn)主要問題是長距離、大時延傳輸，以及非地球靜止軌道（NGSO）衛(wèi)星和其他移動平臺產(chǎn)生的移動蜂窩導(dǎo)致了大規(guī)模多普勒頻移。在用戶面，需要對NR的MAC層、RLC層和PDCP層進(jìn)行必要的改進(jìn)；在控制面，主要確定了移動性管理增強(qiáng)的需求，關(guān)鍵領(lǐng)域包括時序關(guān)系、上行時間和頻率同步以及HARQ的增強(qiáng)。

在R17階段，解決了前期發(fā)現(xiàn)的問題。上行鏈路同步問題可通過計算UE和衛(wèi)星之間的往返時間（RTT）以及相對速度來解決，這些數(shù)據(jù)源自全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）提供的UE位置和衛(wèi)星星歷。根據(jù)UE和衛(wèi)星之間的相對速度計算預(yù)補(bǔ)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(shù)，需參考衛(wèi)星和UE之間的RTT計算結(jié)果。完整TA被用于UE中上行、下行鏈路的偏移量計算。HARQ相關(guān)問題可以通過增加HARQ進(jìn)程數(shù)量以及在RTT窗口內(nèi)HARQ重傳來解決。為適應(yīng)長RTT，MAC層和RLC層的定時器被延長。條件切換也得到改進(jìn)，以適應(yīng)NTN網(wǎng)絡(luò)中的移動蜂窩。

NTN平臺設(shè)計

NTN系統(tǒng)的設(shè)計考慮了四種平臺：地球同步軌道衛(wèi)星（GEO）、中地球軌道衛(wèi)星（MEO）、低地球軌道衛(wèi)星（LEO）以及無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）平臺。GEO衛(wèi)星的高度為35786公里，其軌道為圓形且位于赤道，與地球自轉(zhuǎn)同步。MEO和LEO衛(wèi)星也被稱為非地球同步軌道衛(wèi)星（NGSO），繞地球運(yùn)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(jī)系統(tǒng)的飛行高度范圍為8-50公里，與GEO衛(wèi)星類似，也可處于靜止軌道。三種衛(wèi)星為星載平臺，無人機(jī)系統(tǒng)平臺為高空平臺。

NTN平臺架構(gòu)

NTN平臺根據(jù)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(zhuǎn)換和功率放大在平臺上完成。在再生有效載荷中，NTN平臺實(shí)現(xiàn)了gNB功能。同時，在NTN系統(tǒng)中，定義了一些類似衛(wèi)星通信的概念：NTN終端、關(guān)口站（Gateway）、服務(wù)/用戶鏈路和饋電鏈路。NTN終端指3GPP UE或更具體的衛(wèi)星終端，如甚小口徑終端（VSAT）或手持衛(wèi)星終端。NTN Gateway是將5G核心網(wǎng)和gNB連接到NTN平臺的節(jié)點(diǎn)。服務(wù)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(wèi)星平臺架構(gòu)，其中平臺僅在UE和GW之間中繼5G信號。在饋電鏈路和服務(wù)鏈路上，衛(wèi)星無線接口（SRI）是NR-Uu，在gNB和5G核心網(wǎng)之間無線接口是NG，在5G核心網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間是N6。

圖 3. NTN透明有效載荷衛(wèi)星接入架構(gòu)

NG-RAN平臺架構(gòu)

與NTN平臺類似，NTN下一代無線接入網(wǎng)絡(luò)（NG-RAN）架構(gòu)可根據(jù)所使用的平臺類型分為透明架構(gòu)或再生架構(gòu)。在再生架構(gòu)中，NTN平臺根據(jù)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(wèi)星平臺接入架構(gòu)，在衛(wèi)星平臺上實(shí)現(xiàn)了完整的gNB功能（即平臺搭載CU和DU）。在這種架構(gòu)中，饋電鏈路SRI為NG。

圖4. NTN再生有效載荷衛(wèi)星接入架構(gòu)

在NG-RAN架構(gòu)中進(jìn)行了一系列NTN功能的創(chuàng)新，如為饋電鏈路切換和衛(wèi)星波束創(chuàng)建的大型或超大型蜂窩的管理系統(tǒng)。饋電鏈路切換常見于NGSO架構(gòu)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(wù)，軟切換則指多個饋電鏈路同時為平臺服務(wù)。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(shí)現(xiàn)了5G核心網(wǎng)非接入層（NAS）選擇功能，將UE路由到其所屬國的核心網(wǎng)絡(luò)的接入與移動性管理功能（AMF）。為了簡化UE位置管理，3GPP假設(shè)UE支持GNSS。運(yùn)營、管理和維護(hù)也需要功能的更新，如NTN服務(wù)鏈路配置系統(tǒng)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(kuò)大了5G網(wǎng)絡(luò)的全球覆蓋能力，為實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋、航空通信奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。隨著5G NTN的不斷演進(jìn)，星地深度融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將為無處不在、無縫切換的通信網(wǎng)絡(luò)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。

>End

本文轉(zhuǎn)載自“中信衛(wèi)星”，原標(biāo)題《5G NR與衛(wèi)星通信的融合之路》。

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