NR 5G-A NTN技术概述

1. 基本概念

NTN：Non-Terrestrial Network，非地面网络。

NTN包括卫星和UAS平台。卫星有LEO、MEO、GEO卫星和高椭圆轨道卫星。UAS中的HAPS（High

Altitude Platform Station）位于平流层，包括飞机、气球、飞艇等。299792458

各平台类型的对比如表所示：

卫星天线形成波束，波束在地面有一个覆盖区，类似蜂窝小区。分为两种类型：波束地固和波束地动。

波束地固：波束在地面的覆盖区不随卫星移动，卫星飞过时，天线波束不断动态调整，始终覆盖同一个区域，或者GEO卫星产生的波束。优点是用户切换少。缺点是卫星需要相控阵和复杂的波束控制。
波束地动：波束随着卫星移动，天线固定在卫星上，地面用户被一个波束扫过。优点是天线设计简单。缺点是多普勒变化快，网络资源管理复杂。

2. 系统架构

NR-NTN分为透明转发和再生转发两种架构。

NTN涉及到的一些网元名称如下：

NTN网关：也称信关站，把NTN连接到公共网络。
馈电链路：NTN网关和卫星之间的通信链路。
服务链路：UE和卫星之间的通信链路。
星间链路：卫星间的传输链路

2.1 透明转发

透明转发架构中，卫星是射频中继，不解析5G信号，只做变频放大。这种架构的优点是可以利用现有的卫星，实现起来较容易。缺点是时延大，没有星间协作，所有处理集中在地面，对NTN网关的依赖比较强，需要部署大量的NTN网关。星链的宽带互联网服务用的就是透明转发架构。华为手机依托的也是透明转发架构。

基于透明转发的NG-RAN架构的QoS流如图。卫星的作用是转发和频率转换。

用户面协议栈和控制面协议栈，卫星和NTN网关的作用就是射频中继和频率转换，NG-RAN架构不需要更改，协议栈本身不受影响，但要想办法解决馈电链路和服务链路的高时延。

2.2 再生转发

2.2.1 卫星有完整gNB功能

卫星具备gNB的全部功能，UE和卫星之间采用NR Uu接口。分为无星间链路和有星间链路两种模式，卫星之间采用Xn接口。

QoS流映射如图所示，卫星就是gNB。

用户面协议栈，SRI接口协议栈用于在卫星和NTN网关之间传输用户面。用户面PDU经过NTN网关在5GC和卫星上的gNB之间传输。

控制面协议栈，NG-AP经过NTN网关在5GC和卫星上的gNB之间的SCTP上传输。NAS信令通过NG-AP协议传输。

在这种架构下，NGAP定时器需要扩展；相对地面网络，NG口会有更长的时延，对用户面和信令面都有影响；时延包括馈电链路时延和0或多个星间链路时延。

2.2.2 卫星有gNB-DU功能

gNB-DU部署在卫星上，gNB-CU部署在地面。UE和卫星之间采用NR Uu接口。

QoS流映射如图所示。

用户面协议栈。SRI协议栈用于在卫星和NTN网关之间传输用户面。

用户PDU通过GTP-U隧道在5GC和gNB-CU之间传输。

用户PDU经过NTN网关在gNB-CU和卫星上的gNB-DU之间的GTP-U隧道上传输。

控制面协议栈。

NG-AP PDU通过SCTP在5GC和gNB-CU之间传输。

RRC PDU经过NTN网关，在gNB-CU和卫星上的gNB-DU之间的F1-C协议栈的PDCP上传输。

F1-C PDU在SCTP、IP上传输。

IP数据包在卫星上的gNB-DU和NTN网关之间的SRI协议栈上传输，在gNB-CU和NTN网关之间的L2/L1上传输。

NAS协议经过NTN网关在卫星上的gNB-DU和gNB-CU之间传输，在gNB-CU和5GC之间的NGAP上传输。

在这种架构下，F1接口时延增大，需要扩展定时器。

3. 频率

3.1 频谱

用于NTN的频段有FR1和FR2，具体的工作频段如下图所示：

3.2 信道带宽

信道带宽，传输带宽的定义如下图:

对于每个信道带宽和子载波间隔，最大传输带宽的配置NRBN_{RB}NRB如下表

NR保护带占信道带宽的比例不是固定的，NR只规定了最小保护带，两侧最小保护带之和占信道带宽的比例是4%~21%(FR1-NTN)、5%~7%(FR2-NTN)。对于每一个UE信道带宽和子载波间隔，具体的最小保护带如下表

最小保护带的计算公式是(BW_Channel x 1000 (kHz) - N_RB x SCS x 12) / 2- SCS/2，其中NRBN_{RB}NRB来自Table 5.3.2-1和Table 5.3.2-2。

协议规定了每个工作频段要支持的信道带宽、SCS。对于每个指定的信道带宽，都要支持Table 5.3.2-1和Table 5.3.2-2的传输带宽配置。这些配置对发送和接收都适用。

3.3 信道布局

3.3.1 信道间隔

两个相邻NR载波之间的标称信道间隔如下

对于具有100kHz信道栅格的FR1-NTN工作频段：

标称信道间隔=(BWChannel(1)+BWChannel(2))/2(BW_{Channel(1)}+BW_{Channel(2)})/2(BWChannel(1)+BWChannel(2))/2
对于具有60kHz信道栅格的NR工作频段：

如果△FRaster=60kHz{\bigtriangleup}F_{Raster}=60kHz△FRaster=60kHz：

标称信道间隔=(BWChannel(1)+BWChannel(2))/2+{−20kHz,0kHz,20kHz}(BW_{Channel(1)}+BW_{Channel(2)})/2+\{-20kHz,0kHz,20kHz\}(BWChannel(1)+BWChannel(2))/2+{−20kHz,0kHz,20kHz}

如果△FRaster=120kHz{\bigtriangleup}F_{Raster}=120kHz△FRaster=120kHz：

标称信道间隔=(BWChannel(1)+BWChannel(2))/2+{−40kHz,0kHz,40kHz}(BW_{Channel(1)}+BW_{Channel(2)})/2+\{-40kHz,0kHz,40kHz\}(BWChannel(1)+BWChannel(2))/2+{−40kHz,0kHz,40kHz}

3.3.2 信道栅格

信道栅格是网络可以放置载波中心频率的频点集合。在5G中，这个频段用NR-ARFCN（NR Absolute Radio Frequency Channel Number）来定义。

全局频率信道栅格定义为一组RF参考频率FREFF_{REF}FREF。RF参考频率用在信令中识别RF信道和SSB的频率位置。

NR-ARFCN和FREFF_{REF}FREF的关系由公式FREF=FREF−Offs+△FGlobal(NREF−NREF−Offs)F_{REF}=F_{REF-Offs}+{\bigtriangleup}F_{Global}(N_{REF}-N_{REF-Offs})FREF=FREF−Offs+△FGlobal(NREF−NREF−Offs)给出。其中FREFF_{REF}FREF的单位是MHz；NREFN_{REF}NREF是频点号，即NR-ARFCN；FREF−OffsF_{REF-Offs}FREF−Offs是频率起点，单位MHz；NREF−OffsN_{REF-Offs}NREF−Offs是频点号起点；△FGlobal{\bigtriangleup}F_{Global}△FGlobal是全局频率栅格。

用于全局频率栅格的NR-ARFCN参数如下表，当通过信令拿到频点号时，就可以通过公式和表格提供的参数算出频率。

针对Table 5.2.2-1 中定义的 FDD FR1 NTN频段的上行链路，有一个定义FREF_shiftF_{REF\shift}FREF_shift，即在FREFF{REF}FREF的基础上增加一个偏移，FREF_shift=FREF+△shift,△shift=0kHz/7.5kHzF_{REF\shift}=F{REF}+{\bigtriangleup}{shift},{\bigtriangleup}{shift}=0kHz/7.5kHzFREF_shift=FREF+△shift,△shift=0kHz/7.5kHz。其中△shift{\bigtriangleup}_{shift}△shift由高层参数frequencyShift7p5khz给出。

3.3.2.1 信道栅格到RB的映射

信道栅格上的RF参考频率与对应的RE之间的映射关系，和传输带宽配置的RB数（NRBN_{RB}NRB）有关。RF参考频率对应的PRB索引nPRBn_{PRB}nPRB和RE索引kkk规则如下：

如果NRBmod2=0N_{RB} mod 2 = 0NRBmod2=0，则nPRB=NRB÷2,k=0n_{PRB}=N_{RB}\div 2, k=0nPRB=NRB÷2,k=0
如果NRBmod2=1N_{RB} mod 2 = 1NRBmod2=1，则nPRB=NRB÷2,k=6n_{PRB}=N_{RB}\div 2, k=6nPRB=NRB÷2,k=6

3.3.2.2 工作频段的信道栅格

对于每个工作频段，从全局频率栅格△FGlobal{\bigtriangleup}F_{Global}△FGlobal中选取适用于该频段的频率子集，即可构成一个以△FRaster{\bigtriangleup}F_{Raster}△FRaster（等于或大于△FGlobal{\bigtriangleup}F_{Global}△FGlobal）为粒度的信道栅格。

每个 NTN 卫星工作频段上射频信道在信道栅格中的位置，下表给出。对于具有100 kHz 信道栅格的 NTN 卫星工作频段，△FRaster{\bigtriangleup}F_{Raster}△FRaster = 20 × △FGlobal{\bigtriangleup}F_{Global}△FGlobal。在此情况下，工作频段内的每 20 个 NR- ARFCN均可用于工作频带内的信道栅格，Table 5.4.2.3-1 中给出的信道栅格步长对于FR1- NTN 为<20>。

对于具有 100 kHz 信道栅格的 NTN 工作频段，增强型通道栅格的定义为 △FRaster{\bigtriangleup}F_{Raster}△FRaster = 2 × △FGlobal{\bigtriangleup}F_{Global}△FGlobal。在此情况下，工作频段内的每第二个 NR- ARFCN均可用于该工作频段的信道栅格，Table 5.4.2.3-2 中给出的通道栅格步长为<2>。

对于 FR2- NTN 卫星操作频段，上行链路△FRaster=I1×△FGlobal{\bigtriangleup}F_{Raster}=I_1 \times {\bigtriangleup}F_{Global}△FRaster=I1×△FGlobal，下行链路△FRaster=I2×△FGlobal{\bigtriangleup}F_{Raster}=I_2 \times {\bigtriangleup}F_{Global}△FRaster=I2×△FGlobal，其中 (I1,I2I_1,I_2I1,I2) ∈ {(1,4) 或(2,8)}。但 (I1,I2I_1,I_2I1,I2) = (2,8) 仅在以下条件下适用：信道中配置了 120kHz 的 SCS，且SSB SCS 等于或大于 120kHz。在此情况下，上行链路的每I1I_1I1 个 NR- ARFCN与下行链路的每 I2I_2I2个 NR- ARFCN，分别在操作频段内适用于对应的上行及下行链路栅格，Table 5.4.2.3-3中上行与下行链路栅格的 <(UL_step size，DL_step size)> 就是 FR2- NTN的 <(I1,I2I_1,I_2I1,I2)>.

3.3.2.3 确定信道栅格

在RF频率和信道带宽确定的情况下，同时满足下面两个公式的FREFF_{REF}FREF对应的信道栅格可用：

FREF−SCS2−BWRB2−BWGuard>=Flower_edgeF_{REF}-\frac{SCS}{2} -\frac{BW_{RB}}{2} -BW_{Guard} >= F_{lower\_edge}FREF−2SCS−2BWRB−BWGuard>=Flower_edge

FREF−SCS2+BWRB2−BWGuard<=Fhigh_edgeF_{REF}-\frac{SCS}{2} +\frac{BW_{RB}}{2} -BW_{Guard} <= F_{high\_edge}FREF−2SCS+2BWRB−BWGuard<=Fhigh_edge

其中，BWRB=NRB×12×SCSBW_{RB}=N_{RB}\times 12 \times SCSBWRB=NRB×12×SCS；BWGuardBW_{Guard}BWGuard为最小保护带宽；Flower_edgeF_{lower\edge}Flower_edge和Fhigh_edgeF{high\_edge}Fhigh_edge为起始频率和终止频率。

3.3.3 同步栅格

同步栅格是SSB的频率位置的集合。UE开机后首先找的是SSB，找到后拿到了PSS/SSS，就能获得时间和频率同步。

为所有频率定义了一个全局同步栅格。SSB的频率位置定义为SSREFSS_{REF}SSREF ，其对应的编号为GSCN（Global Synchronization Channel Number）。所有频率范围内定义 SSREFSS_{REF}SSREF和GSCN 的参数均列于Table 5.4.3.1-1 中。

同步栅格及对应的SSB并未覆盖增强型信道栅格上所有可能的射频信道带宽及位置。

信道栅格和同步栅格的差必须是15kHz的倍数。所以在0~3000MHz范围，在N确定的情况下，M有3个取值，就是为了保证差是15kHz的倍数。

3.3.3.1 工作频段的同步栅格

每个工作频段适用的同步栅格如表所示，适用于 GSCN的间距由表中指定的<步长>决定。

3.3.3.2 同步栅格的RE映射

同步栅格与 SSB中相应资源RE之间的映射关系：RE索引k=120。

SSB的中心频率位置符合同步栅格，但PDCCH所在载波中心频率符合信道栅格。所以SSB所在PRB和CRB（Common Resource Block）不一定对齐，SSB的子载波0和SSB子载波0所在CRB（NCRBSSBN_{CRB}^{SSB}NCRBSSB）的子载波0之间偏移了KSSBK_{SSB}KSSB个子载波。KSSBK_{SSB}KSSB和NCRBSSBN_{CRB}^{SSB}NCRBSSB的确定方式如下：

对于FR2-NTN，取值范围0~11，以高层参subCarrierSpacingCommon提供的子载波间距为单位表示，由高层参数 ssb-SubcarrierOffset决定；PointA和NCRBSSBN_{CRB}^{SSB}NCRBSSB之间的间隔由高层参数offsetToPointA*配置，子载波间隔为60kHz
对于FR1，取值范围0~23，以高层参数subCarrierSpacingCommon 提供的子载波间距为单位表示，低4为由高层参数ssb-SubcarrierOffset 决定，最高位由PBCH载荷a‾A‾+5{\overline{a}}{\overline{A} + 5}aA+5决定；PointA和NCRBSSBN{CRB}^{SSB}NCRBSSB之间的间隔由高层参数offsetToPointA配置，子载波间隔为15kHz

3.3.3.3 确定同步栅格

在RF频率和信道带宽确定的情况下，同时满足下面两个公式的SSREFSS_{REF}SSREF对应的同步栅格可用：

SSREF−SCSSS2−BWSS2−BWGuard>=Flower_edgeSS_{REF}-\frac{SCS_{SS}}{2} -\frac{BW_{SS}}{2} -BW_{Guard} >= F_{lower\_edge}SSREF−2SCSSS−2BWSS−BWGuard>=Flower_edge

SSREF−SCSSS2+BWSS2−BWGuard<=Fhigh_edgeSS_{REF}-\frac{SCS_{SS}}{2} +\frac{BW_{SS}}{2} -BW_{Guard} <= F_{high\_edge}SSREF−2SCSSS+2BWSS−BWGuard<=Fhigh_edge

其中， BWSS=NRB_SS×12×SCSSSBW_{SS}=N_{RB\SS} \times 12 \times SCS{SS}BWSS=NRB_SS×12×SCSSS；BWGuardBW_{Guard}BWGuard为最小保护带宽；Flower_edgeF_{lower\edge}Flower_edge和Fhigh_edgeF{high\edge}Fhigh_edge为起始频率和终止频率；NRB_SSN{RB\_SS}NRB_SS固定为20。

4. NTN对NR的影响

对物理层的影响

SSB，周期扩展
PRS的增强，提高检测概率和到达时间的精度，接收端增强
DMRS增强，DMRS捆绑，在默认DMRS上叠加正交覆盖码
CSI-RS增强，在单个BWP上对多个卫星波束进行测量，CSI-RS资源可与带有轨迹信息的QCL type-F关联，时序和上报机制
PT-RS增强，功率增强
SRS增强，重复传输和功率增强，传输时序与PRS传输对齐可最小化卫星移动和时延带来的误差

扩展MCS表
HARQ增强
随机接入，前导码、RAR窗口的位置和时长
TA
UE在NTN小区和TN小区之间进行重选和切换