3GPP NTN的射頻標準解讀

距離我們開始學習衛星標準（FCC part25）整好已過去一年，一年期間衛星通信領域又發生了很多的吸睛事件，除了我們曾在FCC衛星通信頻率劃分-Part25.202中提到過的，iPhone14和Globalstar、Mate 50和北斗，最近又出現了Mate 60pro和天通。為什么這么吸睛？首先是因為這些并非是傳統認知的“傻大黑粗”款專用衛星終端，而是普通人使用的蜂窩網智能手機終端支持了衛星通信功能。其次，如果說這些還并未逃出傳統移動衛星服務的范疇，只是把傳統衛星電話功能做到了大眾的智能手機上，那么近期出現的實驗室條件下能夠支持Mbps峰值速率量級的5G NR NTN功能的基站，則把大家帶到了另外一種衛星通信的發展軌道。

我們確實不得不再開啟一個新的標準學習系列來追趕這個時髦的領域，了解相關的技術標準內容。今天我們就先來整理一下3GPP NTN（Non-Terrestrial Networks）的射頻標準。

01—3GPP NTN概況

話說通信系統在不斷的發展中正在走向歸一的境界，比如蜂窩與接入的歸一，蜂窩與衛星的歸一，蜂窩與感知的歸一，等等。那么NTN就是為了實現蜂窩與衛星的歸一，這無疑就支撐了“全球接入5G 服務”的承諾，并極大可能推動衛星行業的爆炸式增長。3GPP的NTN標準是從2017年R15開始啟動，一直在朝著將衛星納入 3GPP 技術規范的目標前進著。

名詞解釋：

Non-terrestrialnetworks（NTN）: networks, or segments of networks, usingan airborne or space-borne vehicle to embark a transmission equipment relaynode or base station.非地面網絡（NTN）：使用機載或空間飛行器搭載傳輸設備中繼節點或基站的網絡或網段。

Rel-17 規范已于2022年完結，包括基于4G LTENB-IoT 和 eMTC 的衛星接入（IoT NTN），以及基于5G NR的衛星接入（NRNTN）。其中IoT NTN用以解決農業、運輸、物流等領域的大規模物聯網使用場景。重點是采用 FDD 系統的透明有效載荷架構，其中假定所有 UE 都具有 GNSS 功能，這樣UE就可以足夠準確地估計和預補償時間和頻率偏移，以進行 UL傳輸。規范內容包括對物理層和接入層、無線接入網絡和系統架構、無線資源管理以及在低軌、中軌或地球同步軌道運行的目標衛星網絡的射頻要求。NR NTN則可以使用更寬的帶寬，更窄的波束，提供更高的目標服務速率，目標設備是手持機或智能終端。

從R18起，針對IoT NTN的有關衛星通信設備的射頻技術要求及測試方法的標準均被分離出來形成了單獨的標準編號，并繼續為NR-NTN 和IoT-NTN 制定進一步的增強功能。包括基于NR的衛星接入在10 GHz以上頻段的使用，服務于固定和移動平臺（如飛機、船舶、無人機）以及樓載設備（如企業和場所）。目標是進一步優化衛星接入性能，滿足新頻段的特定監管要求，并隨著 5G 的不斷發展支持新的功能和服務。

這一目標將持續到R20的6G標準工作中：

02—基于IoT的NTN射頻標準

先來看基于36系列的4G NB-IoT/eMTC的NTN標準：與4G、5G分為終端與基站的射頻標準類似，NTN也分為衛星終端與衛星接入節點的射頻技術要求和一致性測試方法的標準。下方給出了衛星接入節點的定義：

TS 36.102 E-UTRA; User Equipment (UE) radio transmission and reception for satellite access；
TS 36.108 E-UTRA; Satellite Access Node radio transmission and reception；
TS 36.181 E-UTRA; Satellite Access Node conformance testing；
TS 36.521-4 E-UTRA; User Equipment (UE) conformance specification; Radio transmission and reception; Part 4: Satellite access Radio Frequency (RF) and performance Conformance Testing；

名詞解釋：

SatelliteAccess Node (SAN): node providing E-UTRA user plane and control plane protocol terminations towards NTN Satellitecapable UE, and connected via the NG interface to the 5GC. It encompass atransparent NTN payload on board a NTN platform, a gateway and gNB functions.衛星接入節點（SAN）：為具有 NTN 衛星功能的 UE 提供 E-UTRA 用戶面和控制面協議的節點，并通過 NG 接口與 5GC 連接。它包括搭載在 NTN 平臺上的透明 NTN 有效載荷、網關和 gNB 功能。

以下是基于透明有效載荷的非地面網絡典型場景：Non-terrestrial networktypical scenario based on transparent payload。

03—基于NR的NTN射頻標準

基于NR的NTN包含以下四個38系列的射頻技術標準，上面兩個分別是衛星終端和衛星接入節點的技術要求，下面兩個是一致性測量方法。

TS 38.101-5 NR; UE; Part 5: Satellite access Radio Frequency (RF) and performance requirements；
TS 38.108 NR; Satellite Access Node radio transmission and reception；
TS 38.181 NR; Satellite Access Node conformance testing；
TS 38.521-5 NR; UE conformance specification; Part 5: Satellite access Radio Frequency (RF) and performance；

關于應用場景，NR NTN與IoT NTN的不同在于：

首先，針對基于透傳載荷，在頂部的衛星處增加了“或UAS平臺（orUAS platform）”的字樣。UAS是指無人機系統，具體定義如下：

名詞解釋：

Unmanned Aircraft Systems（UAS）:Systems encompassing Tethered UAS (TUA), Lighter Than Air UAS (LTA), Heavier Than Air UAS (HTA), all operating in altitudes typically between 8 and 50 km including High Altitude Platforms (HAPs)

無人機系統：系統包括系留無人機系統（TUA）、輕于空氣無人機系統（LTA）、重于空氣無人機系統（HTA），所有系統的運行高度通常在 8 至 50 千米之間，包括高空平臺（HAPs）。

其次增加了基于再生載荷（regenerativepayload）模式：

我們來分析一下NR NTN的兩種場景模式：

衛星（或UAS平臺）可以采用透明有效載荷或再生有效載荷（帶有機載處理功能）。衛星（或UAS平臺）產生的波束通常會在以其視場（fieldof view）為邊界的特定服務區域內產生多個波束。波束的footprint通常為橢圓形。衛星（或UAS平臺）的視場取決于機載天線圖和最小仰角。

透明有效載荷：只有RF濾波、頻率轉換和放大的功能。因此，波形信號不會改變，只是被有效載荷透明轉發了一下；

再生有效載荷：具有RF濾波、頻率轉換和放大以及解調/解碼、切換和/或路由、編碼/調制的功能。這實際上相當于在衛星（或無人機系統平臺）上安裝了全部或部分的基站功能（如gNB）。

此外，衛星間鏈路（ISL），在星座情況下可選。但需要在衛星上安裝再生有效載荷。ISL可運行在射頻或光學頻段。用戶設備UE由衛星（或無人機系統平臺）在目標服務區內提供服務。