基于5G的非地面网络关键技术与标准化进展

徐霞艳

【摘  要】

利用卫星或无人机等平台构建基于5G的非地面通信网络，将进一步扩展5G技术的应用范围。介绍了5G非地面网络的主要用例与部署场景，基于其技术特点分析了5G非地面网络带来的技术挑战。在此基础上，分析对比了基于透明载荷和再生载荷的多种网络架构，对卫星波束与小区和跟踪区管理、移动性管理和物理层等关键技术进行了阐述，并总结了后续标准化的主要技术方向。

【关键词】5G;新空口;非地面网络

0   引言

5G承担着万物互联的使命，除了传统的地面5G蜂窝移动通信网外，业界也在研究采用5G新空口技术、基于卫星或无人机等各类飞行器或高空平台实现5G非地面网络，为用户提供大跨度、大范圍、远距离的漫游和机动、灵活的移动通信服务，特别是为地面5G系统无法服务或难以有效服务的偏远地区、海岛、灾区、远洋船只及民航飞机等特定区域或对象提供5G通信，实现5G空地一体化服务的愿景。

本文首先对5G非地面网络的主要用例及部署场景进行了介绍，接着分析了5G非地面网络带来的技术挑战，并对3GPP Rel-15与Rel-16阶段研究的5G非地面网络的网络架构、关键技术等进行了梳理和详细阐述，对3GPP Rel-17将开展的5G非地面网络标准化技术方向进行了总结。

1    5G非地面网络主要用例与部署场景

1.1  5G非地面网络主要用例

（1）公众用户增强移动宽带（eMBB）用例

针对5G地面网络无法或难以服务的偏远村庄、海岛、矿山、民航飞机、远洋船只或平台等，可以利用5G非地面网络提供宽带连接，向用户提供语音、视频和数据等服务。在一些场景下，也可以将5G非地面网络与地面蜂窝或有线连接结合起来，通过多连接等方式实现通信链路备份或数据分流。

（2）数据回传用例

在偏远地区等场景中，运营商可以部署地面5G基站，利用5G非地面网络为地面5G基站提供到公众数据网络的回传，实现与外界的通信。

（3）应急救灾与公共安全用例

5G非地面网络可以直接向警察、消防和医疗救护等应急人员提供随时、随地的消息、语音等通信服务。此外，在一些灾难现场，可以快速部署应急基站，由5G非地面网络提供回传，实现应急人员之间以及与远程指挥中心的通信。

（4）移动广播用例

利用5G非地面网络，可直接向手持终端或车载终端提供广播/多播业务。如在灾害导致地面网络中断的情况下，公共安全部门可以通过5G非地面网络即时向公众发布灾害警报，并在救灾期间为公众提供指导。

（5）物联网用例

在一些物联网用例中，传感器、执行器等物联网设备广泛分散或在一个很大的区域内移动，并且采集的信息需要上报到远程处理服务器。5G非地面网络可以为这类用例中的物联网设备提供连接。如交通行业中的车队管理、资产跟踪和远程道路警报，石油/天然气行业中管道等基础设施的状态监控等。

1.2  5G非地面网络部署场景

5G非地面网络指利用卫星或无人机等各类飞行器或高空平台上的射频资源实现5G通信的网络（或网络的一部分）[1]。典型的5G非地面网络如图1所示。

5G非地面网络包括如下组成部分：

（1）卫星（或无人机等平台）：通常在其视场范围内的给定服务区域上产生多个波束，向地面与空中提供5G信号覆盖;

（2）关口站：位于地面，将5G非地面网络与公众数据网络连接起来;

（3）终端：由卫星（或无人机等平台）提供通信服务，包括手持终端或VAST终端（甚小孔径终端）等;

（4）业务链路：终端和卫星（或无人机等平台）间的通信链路，采用5G新空口技术;

（5）馈电链路：关口站和卫星（或无人机等平台）间的通信链路，采用5G新空口技术或其它无线通信技术;

（6）星际链路：在卫星进行星座组网时，可以在卫星之间通过星际链路实现信号的转发。星际链路可工作于无线电波段或光波段。

卫星（或无人机等平台）包括低轨道（LEO）卫星、中轨道（MEO）卫星、地球静止轨道（GEO）卫星、高轨道（HEO）卫星和各类无人机平台（包括HAPS高空平台）等。其中地球静止轨道卫星高度为35 786 km，无人机平台典型高度为5～200 km;相对地表给定地点而言，这两类平台的仰角与方位角理论上基本不变。低轨道卫星的轨道典型高度在300～1 500 km，中轨道卫星的轨道典型高度在7 000～25 000 km，这两类卫星在环绕地球的轨道上快速运行，因此需要依靠卫星星座才能为地面提供连续的通信服务。

根据卫星（或无人机等平台）对5G信号处理功能（即通信有效载荷）的不同，可以分为透明载荷、再生载荷两类。透明载荷实现射频滤波、频率变换和放大等基本功能，转发的波形保持不变，相当于射频直放站。而再生载荷除了实现这些基本功能外，还要实现解调/译码、交换和路由、编码/调制等功能，相当于5G基站的全部或部分功能在卫星（或无人机等平台）上实现。

考虑不同类型卫星（或无人机等平台）、载荷、卫星波束等多方面因素对5G非地面网络技术设计的影响，3GPP Rel-16重点研究了基于地球静止轨道卫星和低轨道卫星的6种参考部署场景（如表1所示）[1]。

地球静止轨道卫星的波束在地表的覆盖区是固定的（场景A、B）。对基于低轨道卫星的非地面网络，卫星可以利用波束赋形技术将某个波束指向地球上的一个固定区域，这样在卫星可见的这段时间内，该波束在地表的覆盖区可以基本保持不变（场景C1、D1）;如果不支持波束调节功能，则随卫星移动，卫星波束在地表的覆盖区也不断移动（场景C2、D2）。

对卫星（或无人机等平台）与终端间业务链路的工作频段，3GPP研究了6 GHz以下（如2 GHz的S波段）和6 GHz以上频段（如Ka波段：下行为20 GHz、上行为30 GHz）[1-2]。

2   5G非地面网络的技术挑战

5G非地面网络中卫星（或无人机等平台）位置高、波束覆盖范围大，非静止轨道卫星运行速度快，并且由于复杂度等原因通信有效载荷的性能可能受限，这些特点对5G非地面网络带来了传输时延大、多普勒频移高、小区覆盖半径大、小区在“移动”等技术挑战。

（1）传输时延的影响

卫星（或无人机等平台）处于很高的位置，与终端间的长距离传输将引入非常大的传输时延。对基于地球静止轨道卫星和基于低轨道卫星（取轨道高度600 km）的非地面网络，以终端最小仰角10°为例，根据传输距离和光速进行计算，则终端与卫星间的往返时延（RTT）分别达到270.53 ms、12.88 ms[2]。作为对比，在地面蜂窝移动通信系统中，以基站和终端间距离10 km为例，终端与基站间的往返时延仅0.066 ms。

非地面网络中如此大的传输时延将对5G新空口物理层的自适应调制编码、功率控制等过程，以及HARQ（Hybrid Automatic Repeat reQuest，混合自动重传请求）过程、MAC（Medium Access Control，媒体访问控制）层和RLC（Radio Link Control，无线链路控制）层一些需要基站与终端交互的过程产生影响。

（2）小区覆盖半径的影响

卫星的波束覆盖半径可达到几百公里到几千公里，因此小区覆盖半径非常大，处于小区中心和小区边缘的终端到卫星的传输时延相差很大，將对终端的随机接入过程以及PRACH（Physical Random Access Channel，物理随机接入信道）设计产生影响。

（3）卫星移动的影响

对基于地球静止轨道卫星或无人机平台的非地面网络，卫星或无人机平台围绕其理论位置小幅度移动，相对终端的速度比较小，因此带来的多普勒频移也较小。

在地面蜂窝移动通信系统中，以S波段（取2 GHz）、终端在时速500 km/h的高铁上为例，最大多普勒频移仅为0.46 ppm。而在基于低轨道卫星的非地面网络中，相对地面上固定的终端，卫星高速运行引起的最大多普勒频移达到了24 ppm（600 km轨道高度为例）[1-2]。但有赖于5G新空口标准提供的灵活性，通过选择合适的系统参数，包括选择较大的子载波间隔和时域上较密的解调参考信号（DMRS）等配置，结合终端与基站对多普勒频移的补偿，Rel-15/Rel-16 5G标准可以克服非地面网络中的多普勒频移[2]。

此外，由于低轨道卫星高速移动，从地面的终端来看，相当于小区在快速移动。地面上即使静止的终端，也需要在卫星间以及卫星波束间不断的“切换”，与地面蜂窝移动通信网中的体验完全不同，需要在终端的注册与位置管理、切换和寻呼等机制方面进行相应的考虑。

（4）载荷性能的影响

受复杂度等因素影响，卫星（或无人机等平台）上通信载荷的性能可能受限，将造成相位噪声损失、峰均比（PAPR）高等影响[2]。在5G新空口现有的技术设计中，通过选择合适的系统参数，如选择较低的调制阶数（如最高16QAM）、上行采用DFT-S-OFDM波形等，有利于克服这些影响。

基于上述分析，通过选择合适的系统参数，Rel-15/Rel-16 5G现有标准可以应对非地面网络中的多普勒频移等效应。但对于传输时延大、小区覆盖半径大、小区在“移动”等技术挑战，仍需考虑标准增强，这些也正是标准化的重点研究方向。

3   5G非地面网络的架构与关键技术

3.1  网络架构

3GPP Rel-16对基于透明载荷或再生载荷的多种网络架构进行了研究。

（1）基于透明载荷的网络架构

卫星（或无人机等平台）上的透明载荷在通信处理功能上相当于射频直放站。如图2所示，NR-Uu接口终结在终端（UE）和位于地面的5G基站（gNB）之间，卫星（或无人机等平台）并不终结NR-Uu接口。因此载荷的通信处理功能比较简单，对载荷的实现复杂度要求不高。对5G标准而言，NR-Uu接口上的一些定时器需考虑进行扩展，以支持经卫星传输引入的长时延。

（2）基于再生载荷的非地面网络架构

根据载荷实现通信功能的不同，基于再生载荷的非地面网络包括载荷实现完整的gNB功能、或实现gNB分布式单元（gNB-DU）功能等不同形式。

以支持完整gNB处理功能的再生载荷为例，终端和卫星（或无人机等平台）之间是NR-Uu无线接口，卫星（或无人机等平台）上终结5G的NR-Uu接口和NG接口（如图3）。对5G标准而言，NG接口上NG-AP协议的一些定时器需进行扩展以应对馈电链路的大延迟。

而对支持gNB-DU处理功能的再生载荷，gNB集中式单元（gNB-CU）位于地面，载荷与关口站之间的馈电链路上传输的是5G的F1接口信号。采用这种架构，需考虑对F1接口一些定时器进行扩展。

归纳来看，现有的5G无线网架构可以支持上述不同的非地面网络架构[1]，但对NR-Uu接口、NG接口或F1接口协议定时器等需进行必要的扩展。出于标准化任务量的考虑，3GPP Rel-17决定先选择相对简单的基于透明载荷的网络架构进行正式标准化[3]。

3.2  卫星波束与小区、跟踪区管理

对基于地球静止轨道卫星（即上述参考部署场景A、B）和具备波束调节功能的低轨道卫星（即参考部署场景C1、D1）的非地面网络，同一个小区在地面上的覆盖区是基本固定的，与地面网络的特性一致。因此可采用与地面网络类似的跟踪区规划方法，跟踪区管理和寻呼等过程也可直接采用5G地面网络原有机制。

而对基于波束随卫星移动的低轨道卫星（即参考部署场景C2、D2）的非地面网络，卫星波束在地面扫描，同一个小区在地面上的覆盖区是不断移动的，这与5G地面网络存在明显的区别。因此重点要研究这两种场景下的小区与跟踪区管理等机制。3GPP研究对比了两种跟踪区规划方案。第一种方案是依据卫星波束定义跟踪区，当卫星波束在地面扫描时，同一个TAI（Tracking Area Identity，跟踪区号码）实际覆盖的地理区域也在改变，因此地面静止的终端也会“看到”TAI改变，需要频繁进行跟踪区更新流程，带来不必要的信令开销。第二种方案是相对地面来定义跟踪区，即“相对地面固定的跟踪区”，保持TAI与一个固定地理区域对应的原则，终端的体验与5G地面网络中基本一致。3GPP经过研究决定采用第二种方案，其优点是可采用与地面网络类似机制进行跟踪区管理，并降低位置更新信令开销。

3.3  移动性管理

移动性管理包括终端空闲模式下的移动性管理和终端连接模式下的移动性管理。

空闲模式下的终端需执行小区选择/重选、跟踪区管理等过程。结合卫星波束与小区的不同特点，上文已经讨论了跟踪区管理的基本机制。而对于小区选择/重选，可利用终端的位置、卫星星历等辅助信息来帮助终端执行测量和小区选择/重选过程。发送与利用辅助信息的具体方式将在3GPP Rel-17阶段进一步研究。

对终端连接模式下移动性管理，非地面网络的技术挑战带来一些具体问题，包括：

（1）低轨道卫星在不断移动，对终端测量的有效性帶来了挑战;

（2）终端与卫星间基本上是视距传输，从小区中心到小区边缘卫星信号的变化相对平缓，如果仍采用基于A3测量事件的机制来触发切换，在非地面网络中将导致较频繁的乒乓切换。

针对上述问题，3GPP Rel-16阶段研究中提出了对RRM（Radio Resource Management，无线资源管理）测量配置、测量报告的一些增强方案;在触发切换的机制上，除了传统的基于测量的触发外，对基于终端位置、基于定时器、或基于源小区与目标小区的仰角等触发切换的机制也进行了研究。这些增强技术方向将在3GPP Rel-17阶段进一步研究。

3.4  物理层关键技术

通过物理层技术评估，3GPP确认了采用S波段、基于5G新空口技术，利用低轨道卫星和地球静止轨道卫星的非地面网络可以为普通的手持终端（全向天线、功率23 dBm）提供通信服务;如果采用高天线增益的其它类型终端（如VAST终端），则采用S波段或Ka波段都可以提供通信服务[1]。

但应对非地面网络带来的传输时延大、小区覆盖半径大、小区在“移动”等技术挑战，仍需要在标准和设备实现等方面深入研究。在物理层技术方面，3GPP Rel-17阶段将重点在下列方向开展标准化工作：终端与基站间定时关系增强;上行链路时间和频率同步的增强;优化HARQ进程数目，支持HARQ反馈的激活与去激活等。此外，还将进一步评估下列技术方向进行增强的必要性：PRACH序列和格式的增强;低轨道卫星场景下，馈电链路切换对物理层过程的影响;频率复用下的波束管理和BWP（Bandwidth Part，带宽部分）操作等[3]。

4   结束语

3GPP Rel-15/Rel-16阶段开展了5G非地面网络的技术研究，通过研究确认了基于5G技术采用卫星（或无人机等平台）实现移动通信的可行性，并在5G非地面网络的应用场景、参考架构、关键技术等方面取得了不少研究成果。3GPP Rel-17阶段将开展基于透明载荷的5G非地面网络的正式标准化工作[3]。此外，Rel-17也将继续拓展5G非地面网络的研究范围，包括研究通过非地面网络提供NB-IoT/eTMC物联网服务等[4]。

参考文献：

[1]    3GPP. 3GPP TR38.821： Technical Specification Group Radio Access Network; Solutions for NR to support non-terrestrial networks （NTN） （Release 16）[R]. 2019.

[2]    3GPP. 3GPP TR 38.811： Technical Specification Group Radio Access Network; Study on New Radio （NR） to support non-terrestrial networks（Release 15）[R]. 2019.

[3]    Thales. 3GPP TSG RAN meeting （RP-193234） WID on Solutions for NR to support non-terrestrial networks （NTN）[R]. 2019.

[4]     Mediatek. 3GPP TSG RAN meeting（RP-193235）Study on NB-Io/eMTC support for Non-Terrestrial Network[R]. 2019.