3GPP NTN的射频标准解读

距离我们开始学习卫星标准（FCC part25）整好已过去一年，一年期间卫星通信领域又发生了很多的吸睛事件，除了我们曾在FCC卫星通信频率划分-Part25.202中提到过的，iPhone14和Globalstar、Mate 50和北斗，最近又出现了Mate 60pro和天通。为什么这么吸睛？首先是因为这些并非是传统认知的“傻大黑粗”款专用卫星终端，而是普通人使用的蜂窝网智能手机终端支持了卫星通信功能。其次，如果说这些还并未逃出传统移动卫星服务的范畴，只是把传统卫星电话功能做到了大众的智能手机上，那么近期出现的实验室条件下能够支持Mbps峰值速率量级的5G NR NTN功能的基站，则把大家带到了另外一种卫星通信的发展轨道。

我们确实不得不再开启一个新的标准学习系列来追赶这个时髦的领域，了解相关的技术标准内容。今天我们就先来整理一下3GPP NTN（Non-Terrestrial Networks）的射频标准。

01—3GPP NTN概况

话说通信系统在不断的发展中正在走向归一的境界，比如蜂窝与接入的归一，蜂窝与卫星的归一，蜂窝与感知的归一，等等。那么NTN就是为了实现蜂窝与卫星的归一，这无疑就支撑了“全球接入5G 服务”的承诺，并极大可能推动卫星行业的爆炸式增长。3GPP的NTN标准是从2017年R15开始启动，一直在朝着将卫星纳入 3GPP 技术规范的目标前进着。

名词解释：

Non-terrestrialnetworks（NTN）: networks, or segments of networks, usingan airborne or space-borne vehicle to embark a transmission equipment relaynode or base station.非地面网络（NTN）：使用机载或空间飞行器搭载传输设备中继节点或基站的网络或网段。

Rel-17 规范已于2022年完结，包括基于4G LTE NB-IoT 和 eMTC 的卫星接入（IoT NTN），以及基于5G NR的卫星接入（NR NTN）。其中IoT NTN用以解决农业、运输、物流等领域的大规模物联网使用场景。重点是采用 FDD 系统的透明有效载荷架构，其中假定所有 UE 都具有 GNSS 功能，这样UE就可以足够准确地估计和预补偿时间和频率偏移，以进行 UL传输。规范内容包括对物理层和接入层、无线接入网络和系统架构、无线资源管理以及在低轨、中轨或地球同步轨道运行的目标卫星网络的射频要求。NR NTN则可以使用更宽的带宽，更窄的波束，提供更高的目标服务速率，目标设备是手持机或智能终端。

从R18起，针对IoT NTN的有关卫星通信设备的射频技术要求及测试方法的标准均被分离出来形成了单独的标准编号，并继续为NR-NTN 和IoT-NTN 制定进一步的增强功能。包括基于NR的卫星接入在10 GHz以上频段的使用，服务于固定和移动平台（如飞机、船舶、无人机）以及楼载设备（如企业和场所）。目标是进一步优化卫星接入性能，满足新频段的特定监管要求，并随着 5G 的不断发展支持新的功能和服务。

这一目标将持续到R20的6G标准工作中：

02—基于IoT的NTN射频标准

先来看基于36系列的4G NB-IoT/eMTC的NTN标准：与4G、5G分为终端与基站的射频标准类似，NTN也分为卫星终端与卫星接入节点的射频技术要求和一致性测试方法的标准。下方给出了卫星接入节点的定义：

 

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；

 

名词解释：

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. 卫星接入节点（SAN）：为具有 NTN 卫星功能的 UE 提供 E-UTRA 用户面和控制面协议的节点，并通过 NG 接口与 5GC 连接。它包括搭载在 NTN 平台上的透明 NTN 有效载荷、网关和 gNB 功能。

以下是基于透明有效载荷的非地面网络典型场景：Non-terrestrial networktypical scenario based on transparent payload。

03—基于NR的NTN射频标准

基于NR的NTN包含以下四个38系列的射频技术标准，上面两个分别是卫星终端和卫星接入节点的技术要求，下面两个是一致性测量方法。

 

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；

 

关于应用场景，NR NTN与IoT NTN的不同在于：

首先，针对基于透传载荷，在顶部的卫星处增加了“或UAS平台（orUAS platform）”的字样。UAS是指无人机系统，具体定义如下：

名词解释：

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)

 无人机系统：系统包括系留无人机系统（TUA）、轻于空气无人机系统（LTA）、重于空气无人机系统（HTA），所有系统的运行高度通常在 8 至 50 千米之间，包括高空平台（HAPs）。

其次增加了基于再生载荷（regenerativepayload）模式：

我们来分析一下NR NTN的两种场景模式：

卫星（或UAS平台）可以采用透明有效载荷或再生有效载荷（带有机载处理功能）。卫星（或UAS平台）产生的波束通常会在以其视场（fieldof view）为边界的特定服务区域内产生多个波束。波束的footprint通常为椭圆形。卫星（或UAS平台）的视场取决于机载天线图和最小仰角。

透明有效载荷：只有RF滤波、频率转换和放大的功能。因此，波形信号不会改变，只是被有效载荷透明转发了一下；

再生有效载荷：具有RF滤波、频率转换和放大以及解调/解码、切换和/或路由、编码/调制的功能。这实际上相当于在卫星（或无人机系统平台）上安装了全部或部分的基站功能（如gNB）。

此外，卫星间链路（ISL），在星座情况下可选。但需要在卫星上安装再生有效载荷。ISL可运行在射频或光学频段。用户设备UE由卫星（或无人机系统平台）在目标服务区内提供服务。

　　审核编辑：汤梓红