什么是5G NTN？

随着卫星互联网技术的发展，5GNTN正在成为新一代星地融合通信技术。

纵观历史，传统卫星通信系统的设计和开发依赖于行业驱动的技术规范，导致专有架构、协议栈和无线电接入解决方案，这使得不同供应商之间的卫星接入网络的互操作性没有被授予。卫星通信行业的这种做法导致了一个由供应商锁定的解决方案分散的市场，以及与移动系统的有限互通。随着最近3GPP技术规范的发布引入新定义的卫星系统全球标准NTN，旨在支持任何轨道、任何频段和任何设备。这些规范为5G系统(5GS)及以后(包括5G- Advanced和即将推出的6G)中机载和星载网络组件的无缝集成打开了大门，提供了一个无处不在的移动系统的承诺，可以支持新的用例。

如图1所示，在3GPP Release-17之前，3GPP网络仅针对基于地面的蜂窝网络进行了本地设计和优化。另一方面，如前所述，卫星网络是以专有技术为基础的。因此，基于satcom的网络与3GPP移动网络组件之间只能进行有限的互通，主要包括回程业务。NTN上的大量3GPP工作，以及从3GPP Release-17开始的卫星技术在3GPP规范中的整合，为3GPP蜂窝系统开辟了一个全新的领域，并为互联社会带来了新的范式，从而实现了无处不在的端到端生态系统的承诺，可以支持无数的新用例。在这里，“一体化”意味着网络的空间/空中和地面组件能够无缝地协同工作，为最终用户提供连续的覆盖。由于5G设计最初针对TN组件进行了优化，因此在支持最大范围的NTN部署场景的同时，极大地减少了对用户设备(UE)、5G无线接入网(RAN)和5G核心(5GC)网络级别的影响。

图1面向NTN-TN网络组件统一组网

为了支持这种通过卫星实现新空口(NR)和物联网(IoT)服务的混合地面卫星系统，3GPP的工作从第15和16版的NTN研究项目(SI)开始，如图2所示;支持NTN组件的必要功能已被指定为3GPP Release-17的一部分。3GPP技术规范组(TSG) RAN和TSG业务和系统方面(SA)中NTN和卫星的第17版规范工作已于2022年6月完成，相关ASN.1于2022年9月冻结。如前所述，我们特别注意尽量减少对UE、NG-RAN和5GC级别的影响，通过尽可能多地重复使用现有的地面优化5G规范来支持NTN。第一个3GPP NTN标准提供了基于5G NR协议和4G窄带物联网(NB-IoT)以及增强型机器类型通信(eMTC)无线电协议的3GPP卫星接入网络的规范;在这两种情况下，系统都工作在频率范围1 (FR1)频段。在第17版中，基于NR的卫星接入旨在为手持设备提供增强型移动宽带(eMBB)服务，而基于NB-IoT/ eMTC的卫星接入旨在为农业、运输、物流和安全市场的物联网设备提供MTC服务。为了支持10ghz以上的新场景和部署，以及为NR-NTN和IoT-NTN引入一些增强功能，作为Release 18的一部分，目前正在开展一项规范工作。

图2 3GPP Rel-18适用于NTN

IoT-NTN的支持与5G中的NR-NTN基本一致。值得一提的是，由于基于无人机系统(UAS)的接入网络，包括HAPS和无人机，可以被视为具有较低延迟和多普勒值和变化率的NTN接入的特殊情况，因此主要关注的仅是基于卫星的NTN。

在3GPP中，NTN是指通过搭载在机载或星载NTN运载工具上的NTN有效载荷和NTN网关提供非地面接入终端的网络。星载飞行器可以搭载弯管式（透明转发）或再生式（星上处理）有效载荷通信发射机，并且可以放置在LEO、MEO或GEO轨道上；一种机载飞行器是包含无人机的HAPS，包括轻于空气的无人机(LTA)和重于空气的无人机(HTA)，所有无人机通常在8至50公里之间的高度运行，即准静止。

图3 3GPP定义的5G卫星网络解决方案

如图3所示，从3GPP Release-17开始，已在5GS内集成以下卫星网络解决方案：

1. 3Gpp定义的基于NR的卫星接入网：基于卫星接入节点(SAN)的NG-RAN，连接到5GC，通过卫星(eMBB-s)和通过卫星(HRC-s)服务向3Gpp定义的终端提供eMBB和高可靠性通信。它支持3GPP NR接入技术，也可以提供集成接入和回程(IAB)节点的连接。

2. 3GPP定义的基于LTE的卫星接入网：基于SAN的演进通用地面无线电接入(E-UTRA) RAN，连接到演进分组核心网(EPC)，通过卫星(mMTC-s)服务向3GPP UE提供mMTC。支持4G NB-IoT/eMTC接入技术。

3. 卫星回程:在卫星上提供5GC和gNB之间连接的传输网络，它可以基于3GPP或非3GPP定义的无线电协议。

我们注意到，5G NTN基于前期的5G标准规范，针对非地面网络接入做了适应性调整。因此，对于从事相关的通信设备研发工程师而言，掌握5G的关键技术，可以很容易融入到5G NTN体制的卫星互联网产业中。因此，我们需要解决两个问题：5G关键技术和针对NTN场景的适应性技术。

参考文献
1.5G Non-Terrestrial Networks：Technologies, Standards, and System Design---<完>---更多关于5G、卫星通信、FPGA、数字IC、通信算法等内容，可关注微信公众号【FPGA算法工程师】