一、關(guān)于非地面無線接入網(wǎng)絡(luò)（NTN）
1、因原
第五代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（5G或IMT-2020）同前幾代系統(tǒng)相同，其系統(tǒng)是由核心網(wǎng)絡(luò)（CN）和無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）構(gòu)成，并向其移動終端（UE）提供服務(wù)。而對于無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN），傳統(tǒng)的是利用地面無線網(wǎng)絡(luò)，即建立大量的基站（gNB）來實施無線信號的覆蓋，為了實現(xiàn)移動終端隨時隨地的接入，特別是保證QoS的接入，預(yù)期使得RAN在陸地上的全面覆蓋，帶來了系統(tǒng)的建設(shè)成本和運維成本巨大的問題。之所以帶來如此問題，主要是因為地面基站的覆蓋范圍所限。
于是，人們想到可否將基站或基站射頻信號提升到空中的一定高度，比如衛(wèi)星軌道的高度，其一個基站對地面的覆蓋能力將會大大的提高，對此3GPP做了大量的研究，在R15階段所發(fā)布的3GPP TR 38 811《基于新無線（NR）支持非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）的研究》；在R16階段所發(fā)布的3GPP TR 38 821《NR支持NTN的解決方案》等，其解決方案已被納入到5G NR的R17規(guī)范中。
2、概念
新無線（NR，New Radio）是專指5G系統(tǒng)的無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN），它是一個能滿足多場景的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，能夠容納已廣泛應(yīng)用的各種無線接入技術(shù)，以滿足5G系統(tǒng)的移動性、時延性、接入速率、流量密度、連接數(shù)密度、頻譜效率、能源效率等特性的要求。非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN，Non-Terrestrial Networks）的定義是：使用航空器（airborne）或天基載具（space-borne vehicle）搭載傳輸設(shè)備中繼節(jié)點或基站的網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)分段。相對于移動通信系統(tǒng)來講，利用軌道衛(wèi)星則是不錯的一種天基載具。
3、非地面網(wǎng)絡(luò)在5G系統(tǒng)中的作用
由于廣泛的業(yè)務(wù)覆蓋能力和減少空間/機載飛行器對物理攻擊和自然災(zāi)害的脆弱性，非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）有望實現(xiàn)：
一是促進在地面5G網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的無服務(wù)地區(qū)（偏遠地區(qū)、飛機或船只上）和服務(wù)欠缺的地區(qū)（例如郊區(qū)/鄉(xiāng)郊地區(qū)）推出5G服務(wù)，以具成本效益的方式提升有限地面網(wǎng)絡(luò)的性能。二是通過為M2M/IoT設(shè)備或移動平臺上的乘客（例如乘用車、飛機、船舶、高速列車、公共汽車）提供服務(wù)連續(xù)性，或確保任何地方的服務(wù)可用性，特別是關(guān)鍵通信、未來的鐵路/海事/航空通信。三是從而增強5G服務(wù)的可靠性-通過向網(wǎng)絡(luò)邊緣甚至用戶終端提供高效的組播/廣播資源，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。
二、非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）接入網(wǎng)的架構(gòu)設(shè)想
1、NTN接入網(wǎng)的分類
一是從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成載體來分類。依據(jù)NTN的定義，結(jié)合通信實際，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的載體通常應(yīng)由衛(wèi)星載體和其它航空器載體。因此，NTN接入網(wǎng)應(yīng)包括通信衛(wèi)星載體接入網(wǎng)（SAN，Satellite access network）和航空器載體接入網(wǎng)（ANN，Aerial access network）。事實上，相對于這兩種網(wǎng)絡(luò)所提供的無線電業(yè)務(wù)來講，對應(yīng)于國際電聯(lián)的《無線電規(guī)則》中定義的衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)和航空通信業(yè)務(wù)，當(dāng)然包括其固定業(yè)務(wù)（FSS）或移動業(yè)務(wù)（MSS）。
二是從網(wǎng)絡(luò)帶寬來分類。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所提供的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，可將SAN和AAN區(qū)分為寬帶（Broadband）接入網(wǎng)和窄帶（Narrow or wide band）接入網(wǎng)兩種類型。其具體含義詳見下表2-1，包括服務(wù)的地面移動平臺、數(shù)據(jù)傳輸速率、業(yè)務(wù)鏈路運行頻帶等要求。
表 2-1：寬帶NTN接入網(wǎng)與窄帶NTN接入網(wǎng)
另外，對于SAN和AAN，還有區(qū)分有/無衛(wèi)星間鏈路（ISL，Inter-Satellite Links）或航空器間鏈路（IAL，Inter-Aerial Links）。
2、NTN網(wǎng)絡(luò)的可能架構(gòu)
3GPP TR 38 811基于上述分類原則，分別推出了可能的SAN和AAN接入網(wǎng)架構(gòu)，如下圖2-2中所示。其中，包括七種情形，它們是：一是業(yè)務(wù)鏈路運行在分配給固定和移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)（FSS和MSS）的6Ghz以上的SAN（不帶ISL）；二是業(yè)務(wù)鏈路運行在分配給固定和移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)（FSS和MSS）的6Ghz以上的SAN（帶ISL）；三是業(yè)務(wù)鏈路運行在分配給移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)（MSS）的6Ghz以下的SAN；四是業(yè)務(wù)鏈路運行在分配給移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)（MSS）的6Ghz以下頻帶的SAN，并與由相同或獨立核心網(wǎng)提供服務(wù)的地面接入網(wǎng)配套相成；五是具有低于或高于6Ghz的業(yè)務(wù)鏈路的AAN（不含IAL）；六是具有低于或高于6Ghz的業(yè)務(wù)鏈路的AAN（含IAL）；七是6Ghz以上的業(yè)務(wù)鏈路的AAN（含IAL）。
圖 2-2：SAN和AAN接入網(wǎng)可能架構(gòu)示例
上述各種架構(gòu)，建議選擇彎曲管道有效載荷（bent pipe payloads）或再生有效載荷（regenerative payloads）的一系列部署方案。關(guān)于彎曲管道有效載荷和再生有效載荷的含義詳見下表2-2。
表 2-2：彎曲管道有效載荷和再生有效載荷的含義
3、5G環(huán)境下NTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的選擇
基于3GPP TR 38.801中描述的無線接入網(wǎng)（RAN）架構(gòu)原理，5G環(huán)境下NTN架構(gòu)的可能選擇如下圖2-3中所示。其中：圖2-3-1為以服務(wù)于終端（UE）為特點，并基于具有彎管有效載荷（bent pipe payload）的衛(wèi)星/航空器和地面gNB間為基礎(chǔ)的NTN接入網(wǎng)（衛(wèi)星集線器或網(wǎng)關(guān)級），此時，衛(wèi)星或航空器將在gNB和終端之間中繼“衛(wèi)星友好型”NR信號。圖2-3-2為以服務(wù)于終端（UE）為特點，并基于內(nèi)置gNB的衛(wèi)星/航空器為基礎(chǔ)的NTN接入網(wǎng)。此時，衛(wèi)星或航空器應(yīng)包括全部或部分gNB，以產(chǎn)生/接收來自終端的“衛(wèi)星友好型”NR信號。這需要足夠的機載處理能力，以便能夠部署gNB或中繼節(jié)點功能。圖2-3-3為以服務(wù)于中繼節(jié)點（Relay Nodes）為特點，并基于具有彎曲管道有效載荷的衛(wèi)星/航空器為基礎(chǔ)的NTN接入網(wǎng)，此時，衛(wèi)星或航空器將在gNB和中繼節(jié)點之間以透明的方式中繼“衛(wèi)星友好型”NR信號。圖2-3-4為以服務(wù)于中繼節(jié)點（Relay Nodes）為特點，并基于內(nèi)置gNB的衛(wèi)星/航天器為基礎(chǔ)的NTN接入網(wǎng)，此時，衛(wèi)星或航空器應(yīng)包括全部或部分gNB，以生成/接收發(fā)送至/來自中繼節(jié)點的“衛(wèi)星友好型”NR信號。這需要足夠的機載處理能力，以便能夠部署gNB或中繼節(jié)點功能。
圖 2-3：5G環(huán)境下NTN架構(gòu)的可能選擇
三、NG-RAN的NTN應(yīng)用架構(gòu)
1、應(yīng)用架構(gòu)的模式
基于上述3GPP TR 38 811技術(shù)報告的研究，3GPP TR 38 821給出非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）的定義是：是指利用衛(wèi)星或無人飛行器系統(tǒng)（UAS，Unmanned Aircraft System）平臺使用射頻資源的網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)段。同時，又給出了5G環(huán)境下NTN的應(yīng)用架構(gòu)，這種應(yīng)用架構(gòu)包括兩種模式：基于透傳載荷（Transparent payload）模式的NTN架構(gòu)和基于再生載荷（Regenerative payload）模式的NTN架構(gòu)，分別詳見下圖3-1-1和圖3-1-2。兩者的主要區(qū)別在于是否使用衛(wèi)星間鏈路（ISL，Inter-Satellite Links），兩種模式含義詳見下表3-1-1。事實上納入R17規(guī)范的NTN的重心是透傳載荷模式，即衛(wèi)星充當(dāng)射頻中繼器的方式，gNB作為網(wǎng)關(guān)（Gateway）的一部分位于地面。下表3-1-2給出了不同類型的衛(wèi)星（或UAS平臺）列表。
圖 3-1-1：基于透明載荷模式的NTN架構(gòu)
圖 3-1-2：基于再生載荷模式的NTN架構(gòu)
表 3-1-1：兩種模式的含義
表 3-1-2：NG-RAN的NTN應(yīng)用架構(gòu)中所使用的荷載列表
2、基于NTN的GN-RAN架構(gòu)
3GPP TR 38 821解決方案研究的開展最大限度地減少了對NG-RAN中新接口和協(xié)議的需求，以支持非地面網(wǎng)絡(luò)。下一代無線接入網(wǎng)（NG-RAN）是3GPP對5G系統(tǒng)無線接入網(wǎng)的稱呼。因此，基于上述荷載模式的NTN架構(gòu)，3GPP TR 38 821又提出了GN-RAN架構(gòu)（即即使NTN的GN-RAN）。包括，基于透傳衛(wèi)星模式的NG-RAN架構(gòu)（詳見下圖3-2-1）和基于再生衛(wèi)星模式的NG-RAN架構(gòu)（詳見下圖3-2-2）。注意，對于基于再生衛(wèi)星模式的NG-RAN架構(gòu)又分為兩種情形：一是內(nèi)置gNB處理荷載的架構(gòu)（又分為帶有ISL和不帶ISL兩種情況）；二是內(nèi)置gNB-DU處理荷載的架構(gòu)。上述各種基于NTN的GN-RAN架構(gòu)的說明詳見下表3-2。
圖 3-2-1：基于透傳衛(wèi)星模式的NG-RAN架構(gòu)
圖 3-2-2：基于再生衛(wèi)星模式的NG-RAN架構(gòu)
表3-2：各種基于NTN的GN-RAN架構(gòu)的簡要說明
基于NTN的GN-RAN架構(gòu)的實現(xiàn)，很好的解決了5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力。但是由于使用了高高在上衛(wèi)星載荷以及通信衛(wèi)星的特征，又帶來了5G信號傳輸上的挑戰(zhàn)，如傳輸時延、差分時延、多普勒頻移等等。這是基于NTN的GN-RAN必須面對的問題。
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