5G NTN因其广泛的服务覆盖能力、应对物理攻击或自然灾害的健壮性和灵活性，在交通、公共安全、电子健康、农业、金融、汽⻋等领域有广泛的应用前景。5G NTN与地面通信的差异主要体现在高时延、广覆盖和卫星的运动等方面，这使得其在传输时延、多普勒频移、切换等方面存在显著挑战，需要在5G协议基础上针对NTN进行修改设计，比如时频补偿、定时增强、HARQ增强等。
《5G NTN技术概述及演进分析（上）》介绍了5G NTN技术的使用场景、面临挑战、标准化进程和网络架构，本文作为下篇分析R17中的NTN关键技术，以及R18及6G中NTN的演进方向。
文 | 开山
全文7000字，预计阅读18分钟
（五）
R17 5G NTN 关键技术
1. 时频率同步补偿
对于低轨卫星移动系统，多普勒频率补偿是一个关键技术点。在3GPP Rel-17 NTN中，由于场景设定为透明转发卫星，因此多普勒变化影响服务链路和馈电链路。从UE的⻆度看，服务链路可以通过星历信息和终端的位置信息计算相应的多普勒变化，而对于馈电链路，由于缺乏地面网关的位置信息，这部分多普勒偏移需要由基站进行补偿。
在多普勒补偿时，网络需要广播星历信息给终端，星历的精度和格式是其中的关键因素。在5G NTN系统中，时间同步误差需要在1/2CP（cyclic prefix）范围之内，频率误差需要控制在0.1×10-6以内，因此星历信息需要周期性更新，并保持必要的精度。另外，为了保持技术实现的灵活性，3GPP Rel-17 NTN还支持基于轨道六根数（半⻓轴、离心率、轨道倾⻆、近心点辐⻆、升交点经度和真近点⻆）和基于卫星位置与速度的星历格式，前者的预测时间⻓，后者有利于简化终端实现。
2. 定时增强
考虑在NTN 中，星地通信时延过大，远超出地面网络中定义的相关定时参数（如PDSCH到HARQ反馈时延1、上行调度到PUSCH传输时延2等）的最大指示范围，为了不影响标准的兼容性，3GPP Rel-17在已有的定时参数基础上，引入新的值偏移量 (_offset)，即所有有影响的定时关系上，增加一个_offset, 用于涵盖星地传播延时影响。
具体包括DCI调度PUSCH传输的定时关系、RAR调度PUSCH传输的定时关系、PDSCH到HARQ反馈的定时关系、参考CSI资源的定时关系、非周期SRS（sounding reference signal）的定时关系、MAC CE（control element）承载的TA命令的生效时间、PDCCH调度PRACH传输的定时关系等。定时增强设计引入一个偏移量K_offset，应用它来修改对应的定时关系，针对不同定时关系的具体值可以不同。
图8 DCI调度PUSCH传输的定时关系增强示意图
3. HARQ增强
NTN中，卫星到地面时延过⻓，如高度在35786km的GEO单路传输时延可达272.4ms，非GEO单路传输时延至少14.2ms（600km LEO），而高度在10000km的MEO单路传输时延可达95.2ms，传统地面网络中HARQ重传技术受到挑战，至少对于GEO和MEO网络，HARQ进程数过大导致UE缓存能力受限。因此，3GPP Rel-17确定NTN有能力配置UE是否关闭HARQ的反馈和重传功能，并且基于终端能力的考虑，确定最大仅支持32个进程。
现有技术中，HARQ关闭意味着UE无法做软合并。当PDSCH传输失败后，RLC层重传虽然也能工作，但与MAC层的HARQ重传相比，一是频谱效率低，UE无法将多次重传结果做软合并；二是时延更⻓。为了避免RLC层重传，NTN需要通过降低频谱效率的手段（如重复传输、高BLER目标、低MCS调度等）提高初传成功率，但同样导致NTN的频率效率较低。所以，为了尽量避免简单“一刀切”的方式来盲目使用这种能耗很高、效率低的技术，最终面向NTN的HARQ过程增强如下:
1）对于下行链路，可以启用或禁用HARQ反馈，但在SPS去激活场景下，要求始终发送HARQ反馈；
2）对于上行链路上的动态授权，网络可为UE的每个HARQ过程配置UL HARQ状态，确定是允许重传或非重传模式。此外，每个逻辑信道（logical channel，LCH）可被配置为在一种UL HARQ状态上传输。因此，配置了UL HARQ状态的LCH的数据只能映射到配置了相同状态的HARQ进程, 否则引起数据处理错误。
4. 连接态的移动性管理
（1）条件切换
对于低轨卫星，波束覆盖存在覆盖固定波束和覆盖移动波束两种模式，所谓覆盖固定波束指的是波束指向地面固定的区域，而覆盖移动波束指的是波束随着卫星的移动而移动。在3GPP Rel-17 NTN系统中，由于假设透明转发场景，还存在服务链路和馈电链路的分离切换模式，增大了切换管理的复杂度。连接模式移动性管理按照UE移动以及卫星移动分为以下5种特定场景：
场景1：用于覆盖固定波束的馈电链路切换，包含UE服务链路切换。
场景2：用于覆盖移动波束的馈电链路切换，包含UE服务链路切换。
场景3：卫星切换导致的覆盖固定波束服务链路切换。
场景4：当覆盖移动波束不再服务于UE时，覆盖移动波束的连接模式移动性。
场景5：由于UE移动，覆盖移动和覆盖固定波束的连接模式移动性。
对于NTN系统的切换，主要考虑的问题是如何利用星历和终端的位置信息，以保证切换的可靠性。在地面系统切换中，RRM测量是主要切换依据，然而在卫星通信中，切换不仅仅依靠RRM测量，也需要充分利用终端的位置和卫星的波束移动规律。因此，在3GPP Rel-17 NTN中，引入了条件切换（conditional handover，CHO）的技术方案，即基于卫星移动的规律提前按照某种条件配置终端到点自主切换。
（2）测量方案增强
传统的同频测量和异频测量，由于基站均在地面上，不同的地面基站到终端的传输时延差比较小，因此协议中规定的测量窗口⻓度比较小。而对于非地面网络，卫星到UE之间的传输时延差异较大，尤其是LEO和GEO到UE的传输时延差，更是到了百毫秒级别，如果使用现有的测量配置可能导致UE无法检测到目标小区的同步信号和PBCH块（synchronization signal and PBCH block，SSB）。
同时，由于卫星的移动速度比较快，可能测量配置在实际执行时会比地面网络的错误率高很多，因此在3GPP Rel-17，对测量方案进行了增强，充分考虑目标小区和服务小区到UE的传播时延差，使得UE能够正确检测到目标小区的SSB。同时，综合考虑卫星的移动速度，提高测量配置的容错性能。具体地，网络可以配置如下：
1）每个载波信道最多配置并行4个同步块测量时序配置（SS/PBCH block measurement timing configuration， SMTC），并且对于一组给定的小区，配置的数目具体取决于UE能力。作为最低要求，UE能够在每个载波上并行支持2个 SMTC。
2）SMTC（包括偏移、周期性）使用根据UE报告的定时提前信息、馈线链路时延以及服务/相邻卫星小区星历计算的传播时延差。
3）在连接模式的网络控制和空闲/非活动模式的UE控制下，可以通过换挡调整SMTC。
5. 寻呼和空闲态管理
为了解决由卫星运动触发的频繁寻呼跟踪区更新（tracking area update，TAU）过程的问题，5G NTN提出了“固定跟踪区域”的概念，即跟踪区域码（tracking area code，TAC）固定在地面上，而小区在地面上随着卫星的移动而改变，也就是说，当小区在地面扫描时，如果小区到达下一个计划的地球固定跟踪区域时，广播的跟踪区域码（即TAC）发生变化。“固定跟踪区域”虽然解决了卫星运动触发的频繁TAU过程的问题，但也对小区的系统消息更新或寻呼周期带来了新的问题。
于是，3GPP Rel-17 在传统的硬跟踪区更新的基础上引入了软跟踪区更新方案，具体是网络可以在NR NTN小区中针对每一个PLMN（public land mobile network）广播多达12个以上的跟踪区域码（TAC），包括相同或不同的PLMN。系统信息中的TAC变化受网络控制，即它可能与地面光束的实时照明不完全同步。另外，如果当前广播的TAC之一属于UE的注册区域，则不期望UE执行由移动性触发的注册过程。
（六）
R18中5G NTN的演进
1. R18 NTN标准化需求
在R17版本，NTN技术的标准化主要是基于透明转发的GSO和NGSO网络场景下对具备定位能力终端的支持，是一个比较基础的版本，仍无法满足更为灵活多样的空、天、地一体化网络架构和网络部署需求，以及更为多样的终端类型和业务需求。NTN技术在R18的演进需求主要包括新特性支持和现有特性增强：
在新特性支持方面，如多播广播业务（multicast broadcast service，MBS）的支持、RedCap的支持、新频谱的支持、再生模式的支持以及没有GNSS能力的终端的支持等；
现有特性增强方面，如进一步的覆盖增强、波束管理增强以及移动性管理增强等。
最终采纳的NTN标准化需求包括:
1）支持10GHz以上部署的新场景，主要覆盖现有卫星通信的常用Ku/Ka频段；
2）基于卫星系统大的传播时延和低轨卫星高速运动的特点，对手持终端(尤其是智能手机)的性能进一步优化；
3）对终端的移动性和业务连续性的进一步增强，以减少低轨卫星系统下UE频繁切换对终端业务的影响；
4）对终端位置报告进行网络验证，以满足相关监管的要求(如合法的拦截、紧急呼叫、公共预警系统等)。
2. R18演进方向
（1）覆盖增强
R18目标的重点是考虑NR覆盖增强方案在NTN系统中的适用性，识别NTN系统中覆盖方面的潜在问题并针对性地进行方案设计，设计应考虑NTN特征包括较大的传播时延和卫星的快速运动。
（2）10GHz以上频谱的支持
对于高频段，卫星通信有巨大的应用需求，因此，R18需要研究和确定NTN示例频带，包括相邻信道共存的场景和规则分析，具体的要求如下：
1）根据ITU分配，考虑以卫星Ka频段为参考；考虑终端类型（如VSAT、ESIM）场景，和ITU-R /地区法规，定义一个适合开发通用的3GPP最低性能要求的示例频带。
2）研究FR2 FDD操作的影响，推导得到需求确定适当的示例频带。3GPP为FDD NTN系统引入的示例频带不得影响现有的3GPP TDD规范中地面所使用的与NTN邻近的频谱。
3）相关的共存场景和分析需要在RAN4考虑，如果适用于其他地方，要保证3GPP引入的频谱不影响现有的规范，不对使用NTN频谱的邻近频谱的地面网络造成损害。
4）以FR1中的设计作为10GHz以上的共存分析的基础和参考。
5）定义10GHz以上的NTN频带不应改变当前FR1 / FR2的定义，也不会自动适用于未来地面网络在该频谱上定义的频带。
（3）UE位置的网络验证
NTN R17版本中，3GPP系统与架构小组SA2和SA3提出了对UE位置信息的使用监管需求，为满足这一需求，R17设计了空口的UE位置上报机制，但上报的UE位置是否准确有效，目前没有明确的网络验证的方法。因此，R18要进一步讨论网络验证UE位置的法规要求及精度要求，并基于该需求，设计对应的网络验证UE上报位置的具体方法。
（4）移动性和业务连续性增强
NTN R17版本中，对NTN LEO系统内的移动性方案进行了设计，包括空闲态的小区选择和重选、连接态的基于UE位置和基于时间的条件切换。但是，NTN-TN之间的移动性在R17中没有得到充分的讨论，也没有进行完善的方案设计。
R18将以R17的移动性方案设计为基础，设计和完善TN-NTN之间的移动性方案，同时考虑NTN系统内的移动性管理方案的优化和增强，以缩短切换带来的业务中断。由于TN和NTN的覆盖互补性，在两种网络中的平滑切换能有效提升业务服务的连续性。
（七）
6G NTN演进探讨
未来，卫星通信与地面5G的融合能够为用户提供更为可靠的一致性服务体验，连通空、天、地、海多维空间，形成一体化的泛在网络格局。面向6G的空、天、地一体化演进可能有以下几个方面：
（1）网络架构和组网方式增强
基于部署和业务的需求实现接入网功能的弹性部署，支持全再生模式、部分再生模式、透明模式等形式的接入网架构。将地面基站的部分或全部功能逐步迁移到星上是发展趋势，综合利用星地的空口和硬件资源，更好地进行覆盖的延伸，提供更为灵活的网络部署选择。
对于核心网，考虑卫星网络和地面网络的深度融合，包括更灵活的天地融合架构的设计，GSO、NGSO、TN等不同层次网络间更好的互联互通以及协同工作，真正实现空、天、地一体化。引入NFV和SDN技术，实现卫星平台的虚拟化和智能化，实现网络功能的按需部署，并实现高轨、低轨、地面网络的统一的移动性管理和资源管理框架。
（2）星地统一的频率资源分配
频率资源仍是制约星地融合的主要瓶颈，随着低轨星座的大面积部署，频率冲突的问题将愈发严重，探索星地频率规划及频率共享新技术是实现星地融合需要解决的首要问题。未来的网络将不再分卫星频段和地面频段，基于需求实现频率的统一分配和动态共享，并且研究星地频率干扰协同和干扰规避技术，大幅度提高频率资源的利用效率。
（3）统一的空口设计和移动性管理
针对卫星通信和地面通信，空口的差异性需要考虑时延、同步、移动性等因素。面向6G，从第一个版本就需要考虑统一的波形设计和统一的空口技术，实现极简接入和智能接入，真正实现零时延接入和零时延切换。无论何时何地，终端可以动态地选择地面网络、临空平台或者卫星网络，按照业务QoS需求智能接入网络，获得最优的用户体验。
（4）卫星波束管理和大规模天线技术的应用
大规模MIMO技术是5G的一大特色，在卫星通信中也可以进行增强，充分考虑星载平台的特点，设计合理的波束成形机制和多流传输技术。星载相控阵技术将是未来的主要卫星天线实现方式，多星多波束的协同传输技术将成为可能，可有效提升系统容量。
（5）终端的一体化设计
现有地面终端和卫星终端差异较大，在6G系统中，由于采用统一的空口设计，终端芯片将一体化设计。更重要的是，随着天线技术的发展，适合多频段的终端天线和射频技术将更为成熟。因此，终端的一体化设计是空、天、地一体化的重要环节，用户将能自由地在不同的网络中切换和漫游，享受空、天、地、海的无缝覆盖和连续的业务服务。
（6）更丰富的业务提供能力
卫星通信系统最大的优势是广覆盖技术，卫星物联网是一个重要的发展方向，后续空、天、地一体化网络将提供个人移动、宽带接入、物联网服务等更丰富的业务服务。基于卫星的垂直行业的服务能力将大幅提升，比如通过RedCap等技术， 使用更小的带宽实现IoT类的业务支持，以提供IoT业务海量的接入和服务。同时，支持MBS等新广播业务特性也是一个重要方面；卫星网络的广覆盖，对支持广播类的业务有着天然的优势，尤其是应急类的广播业务。
参考文献
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5.Hosseinian M, Choi J P, Chang S H, et al. Review of 5G NTN Standards Development and Technical Challenges for Satellite Integration with the 5G Network[J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2021, 36(8): 22-31.
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8.中国移动，《5GR17、R18技术解读》，2022.12
9.空基通信，《“向上捅破天”⸺3GPP 5G NTN(非地面网络)最新标准协议解读》，2022.9
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