NTN是什么？5G NTN目前面临哪些问题和挑战

5G网络演进的过程中，万物互联这个概念大家已经很熟悉了，而未来6G的前景预期中还提出了万物智联的场景。覆盖一直是移动网络需要解决的最重要的需求之一，而目前全球大部分地区已经享受了较为完善的地面网络覆盖。但是在沙漠、森林、海洋等地区，或是飞机、高铁等高速移动的交通工具上，移动网络覆盖由于成本或物理条件限制，很难采用传统的地面基站方式覆盖。而5G网络中的NTN——非地面网络技术，正是为了解决这一类场景而生。

NTN是什么？

NTN全称是Non-terrestrial Network，意为非地面网络，顾名思义是相对于传统的地面网络而言，采用典型的如卫星和高空平台（HAP：satellites and High-Altitude Platforms）参与布网的技术。以卫星通信为例，同步轨道卫星（GEO）理论上只需要3颗即可覆盖除两极地区外的全球范围，其优势不言而喻。目前也有众多卫星通信系统已经商用，如铱星（Iridium）、海事卫星（Inmarsat）、瑟拉亚（Thuraya）、星链Starlink等等。

卫星通信的技术框架与协议设计一直以来对地面蜂窝移动技术有诸多参考，例如早期的MSAT系统采用地面模拟蜂窝网技术；Thuraya系统在设计过程中采用了类似GSM/GPRS体制的GMR标准；低轨卫星星座铱星和GlobalStar的空中接口则是以GSM和IS-95作为蓝本；Imarsat-4卫星系统采用的IAI-2标准以及ETSI发布的S-UMTS标准均基于WCDMA框架设计；而美国光平方公司的SkyTerra系统已经支持WiMAX和LTE服务。

随着5G的演进发展，在5G标准内支持卫星通信，推动星地融合已经势在必行。实际上3GPP从R14就开始了星地融合的研究工作，之后立项“NR support non-terrestrial network”，即面向非地面网络的5G新空口。

NTN解决什么场景？

目前可以预见的适用NTN典型场景包括无法建设基站和基站损坏的情况，比如偏远山区、沙漠、海洋、森林中的连续覆盖，或是发生灾害，基站损坏时的应急通信。业界将NTN典型场景概括为：全地形覆盖、信令分流、应急通信、物联网和广播业务。

星地融合架构

NTN与TN融合有多种灵活的方式，比如5GC共享式、NTN接入共享式、漫游与服务连续性式以及NTN回传式等，如下图所示。

5GC共享结构，是指TN和NTN各自拥有独立的接入网，但共享5G核心网。NTN接入共享结构，是指拥有不同5G核心网的运营商可以共享NTN无线接入网。漫游与服务连续性部署结构，是指同一多模终端，从TN网络漫游到NTN网络，或者从NTN网络漫游到TN网络，可以通过5G核心网之间的N26接口，支持漫游终端的服务连续性。NTN回传结构，是指NTN网络充当地面无线接入网到地面核心网的无线回传网络。而对于NTN接入网本身，也有透明转发式，即卫星作为转发中继，以及信号再生式，也即卫星直接作为基站，两种模式。目前3GPP Rel17主要关注透明转发结构。

5G NTN目前面临的问题

不管是卫星通信还是基于飞行器的高空平台通信，其基本特点是平台距离终端距离显著大于地面基站，且平台本身移动速度往往很大。典型的近地轨道卫星（LEO）轨道高度在400-2000km，而地球同步轨道（GEO）轨道高度达到36000km。而较大的传输距离和较高的移动速度也带来一系列问题。

01 NTN传输距离

a） 随机接入过程PRACH序列设计

在NR标准中，终端通过检测同步序列块（SSB， Synchronization Signal Block）完成初始下行时频同步，然后通过四步随机接入过程完成网络接入，其中随机接入前导序列（PRACH preamble）设计是重点。传统PRACH序列由一个ZC序列的多次重复构成，利用ZC序列自相关特性进行时频偏估计。在NTN场景下，传播时延和频偏远超出NR中PRACH序列可估计的范围，需要对序列重新设计。

b） 随机接入过程确认等待

当前标准采用的四步随机接入过程，终端发出Msg1和Msg3发出后，会等待一段时间接收基站的回复信息。如果等待的时间超过设定阈值，则重新发起随机接入过程。在NTN场景中，信号的传输时延大于地面网络，需要设定更大的等待时间阈值，否则终端会误以为信息丢失而频繁发起随机接入。

c） 上行定时提前量获取

上行定时提前可使终端根据与基站的距离远近提前不同的时间发送上行信号，最终各终端发射的信号能够近似同步到达基站，是保持上行链路时间同步的重要机制。定时提前量的获取，是在随机接入过程中，基站通过接收Msg1测得终端上行提前时间， NTN场景中需要对帧格式优化，具体可参考a）中的方案。

d） 上行调度授权偏置

在原有的调度机制中，用户设备接收到基站调度信息中的上行授权后，会在授权信息指示的K2个时隙后传输上行数据。NTN网络中由于传输延迟显著增大，随之而来的用户设备上行定时提前量显著增大，继而可用于调度的K2取值范围会受较大影响，因此引入偏置值K_offset以解决该问题，如下图所示。

e） HARQ机制

HARQ机制可以使发送端同时发送多组数据而不必等待接收端返回确认信息，允许发送端对出错的数据进行重发，由接收端进行合并检测。在NTN中，为了避免发送端由于传播时延大而长时间等待，需要增加HARQ进程数，同时需要增加存储空间。此外，也可关闭HARQ功能，发送端发新数据不再受到进程数限制，避免了数据缓存，但鲁棒性会受到影响。为了保证一定的性能，可采用较低码率进行传输等手段。HARQ可以根据应用场景通过信令灵活配置。在传播时延相对较小的场景，例如LEO，可以配置为打开，在GEO场景则可关闭。

02 NTN高速移动

a） 上行时间同步

NTN场景中，卫星高速移动产生的多普勒频移高达数十甚至数百kHz，远超系统子载波间隔，带来严重的上行频率失步。可采用频率预补偿方案，每个终端的频偏可分为公共频偏部分和频偏差值部分，在波束的覆盖区内选择一个参考点，测算卫星和参考点之间的频偏，此频偏即为公共频偏。终端与卫星间的实际频偏与公共频偏的差值即为频偏差值部分。上行发送时，终端可以按照实际频偏预补偿，或者终端只按照频偏差值预补偿，公共频偏由卫星侧统一补偿，以此达到上行频率同步。

b） 上行频率同步

上行定时提前量获取虽然已经有改进，但终端和卫星之间相对位置的变化导致上行定时发生偏移。卫星可利用其他上行信号计算定时偏移变化，并将变化值发送给终端对上行定时提前量进行调整，或者给终端发送一个定时提前量的变化率，由终端自主计算调整量。

c） 移动性管理

针对跟踪区域的设置和更新机制，考虑将跟踪区域和地理位置绑定以避免卫星移动导致跟踪区域频繁更新。终端利用自身的位置信息，并根据跟踪区域和地理位置之间的关联关系，来判断是否发起跟踪区域更新流程。在执行测量和小区选择重选中，终端也可以利用星历信息判断卫星的实时位置，并引入终端位置作为NTN特有的触发测量上报的条件并在测量报告中上报终端的位置信息以辅助网络侧做出判断。

d） 馈线链路切换

NTN网络中，卫星高速运动必然导致卫星在不同NTN GW之间切换馈线链路。馈线链路的切换方式与多个因素相关，比如网络中卫星的工作模式是弯管转发式还是信号再生式、当前关联网关与待切换网关是否与同一个地面基站关联、切换过程中卫星是否具备同时与两个网关链接能力等。

NTN的前景

在5G时代以及后续的6G时代，地面网络对于大规模密集部署以及能耗方面的劣势，恰好可以由非地面网络弥补，而非地面网络由3GPP标准化带来的庞大市场也将推动其进一步发展，卫星通信在覆盖、可靠性及灵活性方面的优势能够弥补地面移动通信的不足，星地融合能够为用户提供更为可靠的一致性服务体验，降低运营商网络部署成本，连通空、天、地、海多维空间，形成一体化的泛在网络格局。

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