5G NTN定时提前调整策略分析

叶向阳，单 单，韩春娜，张建国（.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 3005；.诺基亚通信系统技术（北京）有限公司浙江分公司，浙江杭州 30053）

1 概述

5G 承担着赋能千行百业、万物互联的使命，除了传统的地面5G 蜂窝移动通信外，3GPP 在Rel-17 版本中将卫星通信网作为地面5G 蜂窝移动通信网的重要补充，简称为非地面网络（Non-Terrestrial Networks，NTN），NTN 与5G NR 网络相融合，发挥各自的技术优势，可以实现全球无缝覆盖和星地融合的端到端业务贯通。

NTN 具有覆盖范围大的优势，因此能够大大加强5G 服务的可靠性，可以为物联网设备或飞机、轮船、高铁等交通工具上的用户提供连续服务，也能够确保在任何区域都有可利用的5G信号，尤其是铁路、海事、航空等领域；当发生地震、洪水等重大自然灾害，地面通信系统失灵后，NTN网络可以提供应急通信［1］。

地面5G 蜂窝移动通信系统的传播时延通常小于1 ms，而NTN 网络的传播时延非常大。因此不可避免地对5G NR 定时提前调整策略带来了极大的挑战，Rel-15/Rel-16 版本设计的定时提前调整方法已不再适合NTN 网络，因此需要重新设计定时提前调整策略以满足NTN网络超长的传播时延。

2 5G NTN的网络结构

5G NTN 网络的典型结构如图1 所示，NTN 网关和NTN 平台（卫星或UAS 平台）之间的链路称为馈电链路（Feeder link），NTN 平台和UE 之间的链路称为服务链路（Service link）。根据NTN 平台对无线信号处理的不同，NTN 分为两大场景，即透明转发和再生转发。对于透明转发，信号在NTN 平台上只有频率转换、信号放大等过程，透明转发也称为弯管转发；对于再生转发，NTN 平台具有部分或全部gNB 功能，包括频率转换、信号放大及解调/解码、交换和/或路由、编码/调制等过程。3GPP Rel-17版本只支持透明转发。

图1 NTN网络的典型结构

NTN 平台包括卫星以及无人机系统（Unmanned Aircraft System，UAS）平台。根据轨道高度的不同，卫星又分为低轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星、中轨道（Middel Earth Orbit，MEO）卫星、地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）卫星和高椭圆轨道（High Elliptical Orbit，HEO）卫星。UAS平台中的空中载体平台（High Altitude Platform Staton，HAPS）位于平流层，相对于地球固定在某个特定位置，具有覆盖半径大、时延小、容量大等特点。NTN平台类型如表1所示。

表1 NTN平台类型

对于表1 中的NTN 平台，GEO 卫星提供洲际或区域通信服务；LEO 卫星和MEO 卫星以星座组网的方式在北半球和南半球提供通信服务，在某些条件下，也可以为包括极地在内的全球区域提供通信服务，UAS平台提供本地通信服务，HEO 卫星通常为高纬度地区提供通信服务。

卫星的波束覆盖区是典型的椭圆形，可以产生固定波束或可调整波束，因此在地面上产生移动的或固定的波束覆盖区，波束分为3种类型。

a）地面固定波束：在所有的时间内，同一个地理区域由固定的波束持续地覆盖，例如GEO 卫星产生的波束。

b）准地面固定波束：在某个有限的周期内，某个地理区域由一个波束覆盖，在其他周期内，该区域由其他波束覆盖，例如非GEO卫星产生的可调整波束。

c）地面移动波束：波束的覆盖区域沿着地面滑动，如非GEO卫星产生的固定的或不可调整的波束。

NTN 网络的传播时延与传统的地面5G 蜂窝移动网相比增加了很多。对于GEO 卫星，单向传播时延达到270.73 ms（透明转发）；对于LEO 卫星，单向传播时延达到12.89 ms（透明转发，卫星高度600 km）和20.89 ms（透明转发，卫星高度1 200 km）［2］。

3 上行定时提前调整策略

根据是否具有GNSS 能力，UE 分为具有GNSS 能力的UE 和不具有GNSS 能力的UE，不具有GNSS 能力的UE 不能评估UE 到卫星之间的传播时延，为了补偿非常大的传播时延，需要对3GPP 规范进行较大的修改，为了尽可能地减少对规范的修改，3GPP Rel-17 版本规定，UE必须具有GNSS能力。

对于具有GNSS 能力的UE，由于UE 知道自身位置和卫星星历，能够在发射MSG1（PRACH）前自动评估UE 到卫星之间的定时提前（Timing Advance，TA）。根据UE补偿的链路不同，有2种可选的方案［3］。

方案1：补偿服务链路和馈电链路的时延。这种方案是UE 在发射MSG1 之前，补偿UE 到NTN 网关之间的全部时延，包括服务链路和馈电链路。UE根据自身位置和卫星星历，自动评估服务链路的TA，gNB 向UE 广播馈电链路的TA。这种方案可以确保下行（DownLink，DL）帧和上行（UpLink，UL）帧在gNB 处是对齐的。该方案适合于GEO 卫星，因为馈电链路的传播时延不随时间变化。但是对于LEO 卫星，由于LEO卫星快速移动，将导致馈电链路的传播时延迅速变化，一种解决方法是gNB 不向UE 指示TA 值，而是指示NTN 网关的位置，但是随着LEO 卫星的移动，NTN网关会发生更换，因此需要考虑NTN 网关更换这种行为。

方案2：仅补偿服务链路的时延。由于在同一个波束内，馈电链路的时延对所有UE 都是相同的，只有服务链路的时延是不相同的，因此UE 只需要补偿服务链路的时延即可，UE根据自身位置和卫星星历计算服务链路的TA，馈电链路的时延补偿由gNB 来管理。对于再生转发，DL帧和UL帧在gNB 处是对齐的；对于透明转发，由于反馈链路时延和卫星处理时间的原因，DL 帧和UL 帧在gNB 处是不对齐的，因此需要gNB来管理这个帧定时差异。

上述2种方案各有优缺点，经过技术讨论后，最终选择了一个折中方案，即定义一个上行时间同步参考点（以下简称参考点），由gNB 指定UE 补偿时延的数值，如果参考点在TNT 网关，UE 补偿包括服务链路和馈电链路在内的所有时延；如果参考点在卫星，UE 只补偿服务链路的时延。当然，参考点也可以定义在卫星到NTN网关之间的某个点上［4］。

引入参考点后。上行TA补偿示意如图2所示［5］。

图2 引入参考点后，上行TA补偿示意图

引入参考点后，gNB 需要向UE 提供公共TA（TACommon），公共TA 的主要作用是补偿参考点到卫星之间的传播时延。如果TACommon=0，对应着参考点在卫星上；如果TACommon>0，对应着参考点在馈电链路上，通常在NTN网关。

对于上述方案，UE 能够补偿大部分的TA，gNB 处理残余的定时误差，由于残余的定时误差足够小，PRACH 接收机按照地面5G 蜂窝网络的方法即可补偿残余的定时误差，然后gNB 向UE 发送MSG2 即随机接入响应（Random Access Response，RAR），以便对UL 定时进一步校准，UE 根据MSG2 中的定时命令，在MSG3（PUSCH）中应用新的定时校准。

对于GEO卫星，由于GEO卫星是静止的，在UE发送MSG3 后，定时误差主要由UE 移动引起，gNB 可以按照地面5G 蜂窝网络的方法，通过媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）控制单元（Control Element，CE）的TA命令，对UE的定时进行实时调整［6］。

但是对于LEO 卫星，按照地面5G 蜂窝网络进行TA调整存在以下2个问题。

a）由于卫星高速移动，UE 和NTN 网关之间的传播时延是持续变化的，当传播时延很大时，gNB发送的TA 命令到达UE 的时刻，TA 命令可能是过期的。例如，因LEO 卫星移动引起的最大定时漂移可以达到40μs/s，当传播时延是15 ms 时，则TA 命令到达UE 的时刻，偏离了15 ms×40 μs/s=0.6 μs，0.6 μs 已经超过了SCS=120 kHz 的CP（Cylic Prefix，循环前缀）持续时间（0.57 μs）［7］。一种可能的解决方案是gNB 在t时刻发射的TA 值转换成在t+tdelay的TA 值，其中tdelay是从gNB发送TA命令到UE接收到该命令所经历的时延。

b）在连接模式下，gNB 需要持续的发送TA 命令给UE，以便维持UL 定时。在Timing Delta MAC CE中，有6 bit信息用于调整TA。UE根据式（1）计算新的TA值：

其中，TA∈{0,1,…,63}，Tc=0.509 ns。

从式（1）可以发现，TA 值的最大变化是32×16×64× 2-μTc。当SCS=15、30、60 和120 kHz 时，TA 值的最大变化分别是16.67、8.33、4.16 和2.08 μs，为了处理高达40 μs/s 的定时漂移，gNB 每秒需要分别发送至少3、5、10、20次TA命令，这将导致信令负荷过大［3］。

针对LEO 卫星移动引起的大的传播时延和大的定时漂移，gNB 需要授权UE，由UE 调整UL 定时，在一个波束内，不同的UE 经历的定时漂移典型上是相同的，因此gNB 可以向UE 广播定时漂移信息（TACommonDrit和TACommonDriftVariant）。

综上，为了确保在参考点处，DL帧和UL帧是对齐的，UE 应该相对于接收到的DL 帧i，提前TTA发送UL帧i，TTA按照式（2）计算［8］：

式（2）中，4个变量的计算过程如下。

a）NTA的计算分为2种情况。

（a）当NTA由RAR 提供或由Timing Advance Command MAC CE提供时，根据式（3）计算NTA：

其中，TA=0，1，2，...，3 846，μ是子载波间隔配置，对于SCS=15、30、60、120 kHz，μ的值分别是0、1、2、3。

（b）对于其他情况，根据式（1）计算NTA。

b）NTA，offset由gNB 通过参数n-TimingAdvanceOffset通知给UE，取值是0、25 600 或39 936，如果gNB 没有提供n-TimingAdvanceOffset，则UE 根据文献［9］确定NTA，offset的缺省值。

c）NcommonTA,adj，根据式（4）计算：

式中：

TACommon——公共TA，取值是0～66 485 757 的整数，单位是4.072×10-3μs，即对应着0～270.73 ms

TACommonDrift——公共TA 的漂移率（drift rate），取值是-257 303～257 303 的整数，单位是0.2×10-3μs/s，对应的漂移率是-51.46～51.46 μs/s

TACommonDriftVariant——公共TA 的漂移率变化（drift rate variation），取值是0～28 949的整数，单位是0.2×10-4μs/s2，对应的漂移率变化是0～0.579 μs/s2

tepoch——卫星星历时间的辅助信息，当tepoch通过系统消息或专用信令提供时，该时间是参考点处的DL子帧的开始时间，tepoch通过无线帧号和子帧号通知给UE［10］

4 定时关系增强

5G NR 的定时关系是严格要求的，由于NTN 的传播时延过大，远远超出地面5G蜂窝网络中定义的相关定时参数，为了不影响标准的兼容性，3GPP Rel-17 定义了2个调度偏移参数（Koffset和kmac）。

4.1 上行定时关系增强

Koffset的主要作用是保证UE补偿了上行TA后，gNB与UE 的时序保持同步，Koffset补偿的时延应该大于等于服务链路TA和公共TA之和（双向时延）。其使用方法是在所有有影响的定时关系上，增加Koffset以便补偿信号传播时延。Koffset按照式（5）计算：

其中，Kcell，offset是小区专用的定时偏离，gNB 通过系统消息广播给UE，取值是1～1 023的整数，如该域不存在，UE 假设Kcell，offset=0；KUE，offset是UE 专用的定时偏离，gNB 通过Differential Koffset MAC CE 通知给UE，取值是0～63的整数。Kcell，offset和KUE，offset的单位是SCS=15 kHz对应的时隙数。

3GPP Rel-17 在以下定时关系中使用Koffset：下行控 制 信 息（Downlink Control Information，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、MAC CE 承载的TA 命令的生效时间、PDCCH 调度PRACH 传输的定时关系等［11-12］。

对于传统的地面5G蜂窝网络，UE是在UL时隙n+K2发送PUSCH，引入Koffset后，UE 是在UL 时隙m=n+K2+2μ×Koffset发送PUSCH，对于SCS=15 kHz，子载波配置μ=0。DCI 调度PUSCH 传输的定时关系示意（SCS=15 kHz）如图3所示［5］。

图3 DCI调度PUSCH传输的定时关系示意（SCS=15 kHz）

图4 MAC CE定时关系增强示意图（SCS=15 kHz）

图3中，gNB在时隙n发送含有调度PUSCH 的DCI命令，经过RTT/2传播时延后到达UE，UE在UL时隙m=n+K2+Koffset发送PUSCH，再经过RTT/2 传播时延后到达gNB。需要注意的是UE 的UL时隙n与DL时隙n之间的定时偏移是TTA。

4.2 MAC CE定时关系增强

kmac是对MAC CE 的定时关系进行增强，当DL 帧和UL 帧在gNB 侧没有对齐时，使用该参数，kmac应该大于等于馈电链路的差分TA（双向时延）。如果参考点在NTN 网关，则kmac=0，如果参考点在馈电链路上，则kmac>0。

kmac取值是1～512的整数，单位是SCS=15 kHz对应的时隙数，如果该域不存在，UE假设kmac=0。

3GPP Rel-17 在以下定时关系中使用kmac：MAC CE 承载的上行功率控制的生效时间、UE 接收RAR 窗口的生效时间、MAC CE承载的TCI状态激活的生效时间、MAC CE 承载的半持续（或非周期）CSI-RS 资源的生效时间等。

5 结束语

与传统的地面5G 蜂窝移动通信网相比，5G NTN的传播时延非常大，对5G NR 的定时策略带来了极大的挑战，本文分析了具有GNSS 能力UE 的上行定时策略和定时关系增强，这些策略能基本满足UE 接入5G NTN 的需求。在Rel-18 以及后续的版本中，通过提高UE 上报位置的精度，gNB 可以基于UE 的位置和自身覆盖情况，进一步提高定时的准确性，提高5G NTN 网络的速率，进一步扩展5G NTN网络的应用范围。