5G NTN随机接入过程分析

于江涛，王 森，张建国（.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 3005；.中讯邮电咨询设计院有限公司，北京 00048）

1 概述

随着5G 网络的大规模部署，5G 网络的应用场景不断扩大，并开始向空中和水下扩展。卫星通信成为重点的研究方向，在3GPP Rel-17协议中，引入了非地面网络（Non-Terrestrial Networks，NTN），作为地面5G蜂窝移动通信网络的重要补充，NTN 与地面5G 蜂窝移动通信网络互相融合，可以有效覆盖地面、空中、海洋，实现空天地一体化通信。

NTN 由地面网关（含gNB）、卫星、UE 三大部分组成，地面网关和卫星之间的链路是馈电链路，UE 和卫星之间的链路是服务链路。根据卫星对无线信号的处理方式，NTN 包括透明转发和再生转发两大场景，对于透明转发，卫星只对信号进行放大和频率转换；对于再生转发，卫星具有gNB 的全部或部分功能。卫星包括低轨道（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。目前业界研究的重点是GEO卫星和LEO卫星［1］。

地面5G 基站的高度通常在100 m 以内，覆盖距离在几百米到几千米，因此地面5G蜂窝移动通信网络的双向传播时延通常不超过1 ms。而卫星的轨道高度至少在几百千米以上，覆盖距离可达数百千米到数千千米，导致NTN 的传播时延和差分时延比地面5G 蜂窝移动通信网络增加了很多，因此给5G NR 随机接入过程带来了极大的挑战，Rel-15/Rel-16设计的随机接入过程已不再适合NTN，因此需要重新设计随机接入过程以满足NTN超长的且快速变化的传播时延。

2 NTN的传播时延和差分时延

对于透明转发，单向时延定义为从UE 经过卫星到地面网关的时延，双向时延定义为从UE 经过卫星到地面网关，再从地面网关经过卫星到UE 的时延。对于再生转发，单向时延定义为从UE 到卫星的时延，双向时延定义为从UE 到卫星，再从卫星到UE 的时延。

差分时延指的是在波束覆盖范围内，在特定位置选择的2 个点之间的传播时延的差值。仰角为90°的天底点和仰角最小的覆盖边缘点之间的差分时延最大。小的波束直径对应着小的差分时延，为了减少差分时延，3GPP 协议规定，GEO 卫星的波束直径最大为1 500 km，LEO 卫星的波束直径最大为500 km。不同高度卫星的传播时延和差分时延见表1［2］。

表1 不同高度卫星的传播时延和差分时延

UE 接入到NTN 的难点是如何补偿UE 到gNB 之间的传播时延。第1 个难点是UE 到gNB 之间的传播时延和差分时延非常大，见表1。第2 个难点是对于LEO 卫星，由于卫星高速移动，导致服务链路和馈电链路的时延都在不停地快速变化。NTN 采用与传统地面5G 蜂窝移动通信网络类似的流程，即gNB 根据UE 发送的随机接入前导码计算定时提前（Timing Advance，TA），然后再通过定时提前命令（Timing Advance Command，TAC）通知给UE，UE 提前发射上行信息，以便不同UE 发送的上行信息在同一个时刻到达gNB，只要定时误差落在循环前缀（Cylic Prefix，CP）范围内，gNB就能正确接收UE所发送的上行数据。为了适应NTN 超长的且快速变化的传播时延，TA 的计算方式有较大的变化。

3 NTN时间同步补偿策略

如果UE不具有全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）能力，由于UE 不知道自身位置信息，UE 需要补偿的单向时延至少是6.44 ms（LEO 卫星，高度为600 m），即使补偿差分时延，也需要至少补偿3.12 ms（LEO 卫星，高度为600 km），远远超过了Rel-15/Rel-16 的设计能力。如果UE 具有GNSS 能力，则UE 可以根据自身位置信息和卫星星历，粗略评估UE 到卫星之间的传播时延，残余的定时误差足够小，按照地面5G蜂窝移动通信网络的方法即可补偿。为了降低复杂度，3GPP Rel-17 规定，UE 必须具有GNSS 能力，同时对协议进行了必要的增强，以补偿UE到gNB之间超长的且快速变化的传播时延［3］。

a）在地面网关和卫星之间引入了一个上行同步参考点，参考点既可以在地面网关上，也可以在卫星上，还可以定义在卫星到地面网关之间的任何一点上。UE 负责补偿UE 到参考点之间的传播时延，包括服务链路TA 和公共TA，经过UE 补偿后，DL 帧和UL帧在参考点处是对齐的。参考点到gNB 之间的传播时延由gNB负责处理，对UE是透明的［4］。

b）为了补偿快速变化的传播时延，即为了补偿定时漂移，gNB向UE广播2个定时漂移参数（TACommonDrit和TACommonDriftVariant），由UE补偿因LEO卫星高速运动引起的时延变化，其理论基础是不同的UE 在同一个波束覆盖区内，所经历的定时漂移基本上是相同的［5-6］。

c）NTN 超长的传播时延为5G NR 的时序关系带来了挑战，为了保证协议的兼容性，3GPP Rel-17 定义了2 个调度偏移参数（Koffset和kmac）。Koffset主要用于上行方向，UE 使用这个参数可以保证gNB 和UE 的时序同步，其值应该大于UE 到参考点之间的双向时延。kmac主要用于下行方向，是对MAC 层定时关系的增强，UE使用这个参数可以保证DL帧和UL帧在gNB侧是对齐的，其值应该大于地面网关到参考点之间的双向时延［7-8］。

采取以上3 个措施后，NTN 定时关系示意如图1所示。

图1 NTN定时关系示意

在UE 侧，DL 帧和UL 帧的定时关系如图2 所示。即UE 应该相对于DL 帧i，提前TTA发送上行帧i，才可以保证DL帧和UL帧在参考点处是对齐的。

图2 UE侧DL帧和UL帧的定时关系

需要注意的是，UE 无论是发送第1 个上行信道PRACH 上的数据，还是后续PUSCH 和PUCCH 上的数据，都必须保证提前量是TTA。UE 需要根据gNB 发送的定时提前命令，不停地调整TTA，TTA的计算如下：

其中，Tc=0.509 ns。其他4个参数的含义如下。

a）NTA主要补偿UE 位置变化引起的上行定时误差，gNB 通过MAC 层信令将NTA通知给UE，属于UE 专用参数。分为如下3种情况。

（a）对于PRACH，由于gNB 不知道UE 的位置，因此NTA=0。

（b）对于随机接入响应（Random Access Response，RAR）调度的PUSCH，gNB 通过RAR 通知给UE，有12 bit。

（c）对于其余的PUCCH 和PUSCH，gNB 通过绝对定时提前调整CE或者相对定时调整CE通知给UE，对于绝对定时提前调整CE，有12 bit；对于相对定时提前调整CE，有6 bit［9］。

b）NTA，offset由gNB通过系统参数n-TimingAdvance-Offset通知给UE或采用默认参数。

其中，TACommon用于补偿参考点到卫星之间的公共时延；TACommonDrift和TACommonDriftVariant用于补偿因LEO 卫星高速运动引起的定时漂移；tepoch是卫星星历时间的辅助信息，这3个参数由gNB通过系统消息通知给UE。

4 5G NTN随机接入过程

如图3所示，从物理层角度来看，基于竞争的随机接入过程包括4个步骤［10］。

图3 基于竞争的随机接入过程

4.1 随机接入前导（Msg1）

当PRACH 采用长序列格式时，PRACH 共有4 种前导格式（见图4）。本文建议采用前导格式1，前导格式1 的长度是3 ms，CP、随机接入前导、保护时间的长度分别是0.684 ms、2×0.8=1.6 ms、0.716 ms，子载波间隔Δf RA=1.25 kHz。前导格式1 的CP 最大，可以纠正0.684 ms 以内的定时误差，且前导格式1 的随机接入前导重复2 次，在较低的SINR 条件下有较好的接收质量，尤其适合于NTN 这种小区覆盖半径非常大的场景［11-15］。UE 按照式（1）的计算结果，在上行时隙m-2、m-1和m上发送随机接入前导（Msg1）。

图4 长序列的PRACH前导格式

4.2 随机接入响应（Msg2）

UE 发送完Msg1 后，在规定的搜索窗口上监听下行控制信息（Downlink Control Information，DCI）格式1_0 的PDCCH。搜索窗口的开始位置是在Msg1 对应的PRACH 时机的最后1 个符号之后，再推迟TTA+kmac，也即搜索窗口的开始时间是在时隙n=m+TTA+kmac之后，TTA按照式（1）计算，kmac由gNB 通过系统消息通知给UE，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。搜索窗口的长度由高层参数ra-ResponseWindow 提供，在3GPP Rel-15 版本中，最大的搜索窗口时间是10 ms；在Rel-16 版本中，当SCS=15、30、60、120 kHz 时，最大的搜索窗口的时间分别是160、80、40、20 ms。

如果UE 在规定的搜索窗口上监听到DCI 格式1_0 的PDCCH（使用相应的RA-RNTI 对CRC 加扰），则UE 把该PDCCH 调度的传输块也即RAR 传递给MAC层，RAR 具有固定尺寸，包括12 bit 的TAC、27 bit 的上行授权以及16 bit 的TC-RNTI。12 bit 的TAC 可以调整2 ms 以内的定时误差；27 bit 的上行授权主要包括跳频标志、PUSCH 频域资源分配、PUSCH 时域资源分配、MCS、功率控制命令等。

4.3 RAR上行授权调度PUSCH（Msg3）

Msg3包含来自高层与UE 竞争解决地址相关联的信息。UE 根据RAR（Msg2）中的27 bit 上行授权信息，确定PUSCH（Msg3）使用的时频资源、MCS 等。UE 在上行时隙p=n+k2+Δ+Kcell，offset上发送Msg3，时隙n是包含RAR 的PDSCH 的最后一个时隙；当PUSCH 的SCS=15 kHz 时，PUSCH 时隙偏移k2=1，Δ=2；Kcell，offset由gNB 通过系统消息通知给UE，取值是1～1 023的整数，如果该域不存在，则UE假设Kcell，offset=0。

4.4 携带UE竞争地址的PDSCH（Msg4）

如果UE 发送的Msg3 消息中包含的是CCCH SDU，则gNB 通过PDCCH（使用TC-RNTI 对CRC 进行扰码）调度Msg4，Msg4 中包括UE 竞争解决地址MAC CE，该MAC CE 是Msg3 中包含的上行CCCH SDU 消息的复制，UE 将该MAC CE 与自身在Msg3 上发送的上行CCCH SDU 进行比较，如果两者相同，则判定为竞争成功，UE 使用TC-RNTI 作为C-RNTI；如果两者不相同，则判定为竞争失败，UE重新发起随机接入过程。

5G NTN 随机接入过程的定时关系示意（SCS=15 kHz）如图5所示。

图5 5G NTN随机接入过程的定时关系示意（SCS=15 kHz）

5 结束语

本文分析了具有GNSS 能力的UE 接入5G NTN 的时间同步补偿策略和随机接入过程，可以确保UE 在长的快速变化的传播时延环境下，有效接入5G NTN网络。在Rel-18 以及后续的版本中，通过重新设计PRACH 前导格式、重新设计RAR 的搜索窗口，可以使UE 在不依赖GNSS 的情况下，也能接入NTN 网络，使NTN 网络的应用扩大到室内、隧道等场景，进一步拓展5G NTN的应用范围。