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【学习笔记】卫星通信NTN 3GPP标准化进展分析（三）- 3GPP Release17 内容

news 2025/7/15 16:31:54

一、引言：

本文来自3GPP Joern Krause, 3GPP MCC (May 14,2024)

Non-Terrestrial Networks (NTN) (3gpp.org)

本文总结了NTN标准化进程以及后续的研究计划，是学习NTN协议的入门。

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二、Release 17

第17版（ASN.1在2022年6月冻结）是3GPP规范中首次包含非地面网络（NTN）规范要求的版本。

WG SA1

第17版工作项目“5GSAT第1阶段”（5GSAT）将第16版研究项目（SI）FS_5GSAT的结果转化为TS 22.261中的第1阶段要求（另见SP-200569 CR0428rev4）。请注意，TS 22.261是5G系统的第1阶段描述，自第15版以来就存在。其中包含了诸如以下要求：

5G系统应支持同一运营商或具有协议的不同运营商所拥有的5G陆地接入网络和5G卫星接入网络之间的服务连续性（第6.2.3条）。
支持卫星接入的5G系统应使支持卫星接入和陆地接入的用户设备（UE）能够在5G卫星网络和5G陆地网络之间漫游（第6.2.4条）。
支持卫星接入的UE应根据归属运营商策略，支持优化对具有卫星接入的公共陆地移动网络（PLMN）的网络选择和重选（第6.2.4条）。
5G系统应能够支持所支持的接入网络（如NG-RAN、WLAN、固定宽带接入网络、5G卫星接入网络）之间的移动性（第6.3.2.1条）。
5G系统应能够通过增强3GPP系统来处理卫星回程引入的延迟，来支持使用卫星接入的服务（第6.3.2.3条）。
支持卫星接入的5G系统应支持不同的配置，其中无线电接入网络可以是卫星NG-RAN、非3GPP卫星接入网络或两者兼有（第6.3.2.3条）。
支持卫星接入的UE应能够向5G网络提供或协助提供其位置（第6.3.2.3条）。
支持卫星接入的5G系统应能够确定UE的位置，以便根据适用于该UE的国家或地区监管要求提供服务（如路由流量、支持紧急呼叫）（第6.3.2.3条）。
支持卫星接入的5G系统应能够支持低功耗的MIoT类型通信（第6.3.2.3条）。
支持卫星接入的5G系统应能够通过增强3GPP系统来处理卫星回程引入的延迟，来支持无线电接入网络和核心网络之间的卫星链路使用（第6.4.2.1条）。
支持卫星接入的5G系统应能够支持通过星间链路互连的卫星之间的网状连接（第6.4.2.1条）。
支持卫星接入的5G系统应能够选择为UE提供连接性的通信链路，该链路最符合约定的服务质量（QoS）（第6.5.2条）。
支持卫星接入的5G系统应能够支持同时使用5G卫星接入网络和5G陆地接入网络（第6.5.2条）。
支持卫星接入的5G系统应能够支持仅支持卫星接入的UE和支持同时连接到5G卫星接入网络和5G陆地接入网络的UE（第6.5.2条）。
支持卫星接入的5G系统应能够利用卫星在支持无处不在的服务以及在大范围至全球范围内的广播/多播方面的优势，来优化来自内容缓存应用的内容交付（第6.6.2条）。
支持卫星接入的5G系统应能够支持具有卫星接入的中继UE（第6.9.2.5条）。
支持卫星接入的5G系统应支持在5G卫星接入网络和5G陆地网络之间，以及在不同5G卫星接入网络之间的中继UE和连接到中继UE的远程UE的移动性管理（第6.9.2.5条）。
支持卫星接入的5G系统应支持中继UE和连接到该中继UE的不同5G网络之间的联合漫游（第6.9.2.5条）。
5G系统应支持通过5G卫星接入网络或通过5G卫星接入网络和其他5G接入网络的组合进行多播/广播（第6.13.2条）。
5G卫星接入网络应支持NG-RAN共享（第6.21.2条）。
5G系统应支持机制，以确定UE在UE位于3GPP无线电接入技术（RAT）依赖定位技术覆盖范围之外但位于5G定位服务区域（例如，卫星接入覆盖范围）内期间的位置相关数据（第6.27.2条）。
连接到多个国家5G核心网络的5G卫星接入网络应能够满足这些国家的相应监管要求（例如，合法拦截）（第8.6条）。
5G核心网络应支持基于接入类型（例如，3GPP、非3GPP、卫星接入）的计费信息收集（第9.1条）。
在具有卫星接入的5G系统中，与卫星接入相关的计费呼叫记录应包括具有卫星接入的关联UE的位置（第9.1条）。

WG SA2

第17版研究项目（SI）“研究在5G中使用卫星接入的架构方面”（FS_5GSAT_ARCH）产生了TR 23.737。该报告针对两个参考用例确定了10个关键问题：

陆地网络和卫星网络之间的漫游——以覆盖直接卫星接入。
NR与5G核心网之间的5G固定回程——以覆盖卫星回程。

这些问题包括：

大范围卫星覆盖区域的移动性管理
移动卫星覆盖区域的移动性管理
卫星延迟
卫星接入的服务质量（QoS）
卫星回程的QoS
基于NGSO再生卫星接入的RAN移动性
卫星接入的多连接性*
卫星链路在内容向边缘分发中的角色*
混合卫星/陆地回程的多连接性*
具有超国家卫星地面站的监管服务

提出了14种解决方案（这些解决方案可以解决多个关键问题），并对这些解决方案进行了相应的评估，并就关键问题提出了建议的前进方向（例如，对于上述带有*的关键问题，没有计划进行规范工作）。

基于SI FS_5GSAT_ARCH的结果，相应的第17版规范阶段2工作在SA2的第17版工作项目（WI）“在5G架构中集成卫星组件的第2阶段”（5GSAT_ARCH）中进行。结果记录在以下三个现有的阶段2规范中：

TS 23.501“5G系统（5GS）的系统架构；阶段2”
TS 23.502“5G系统（5GS）的程序；阶段2”
TS 23.503“5G系统（5GS）的策略和计费控制框架；阶段2”

第17版的假设条件如下：

专注于基于透明有效载荷的低地球轨道（LEO）和地球静止轨道（GEO）场景
假设用户设备（UE）具有确定其位置的能力
将支持地球固定跟踪区域（TA）部署，以最小化对5G核心网（5GCN）的影响

来自CT工作组的相关阶段3工作在REL-17 WI 5GSAT_ARCH-CT中进行，其中还包括一项研究公共陆地移动网络（PLMN）选择对卫星接入的TR 24.821。

WG SA5

在SA5中，有一个第17版研究项目（SI）“研究在5G网络中集成卫星组件的管理和编排方面”（FS_5GSAT_MO），该项目产生了TR 28.808，分析了以下内容：

集成卫星组件的参考管理架构
用例、潜在需求与解决方案
与网络切片管理相关的内容
卫星组件的管理
卫星组件的监控

并为规范工作推荐了以下几个方面：

指定/扩展SON（自组织网络）概念，以允许移动非地面gNB（基站）
调整利用HARQ（混合自动重传请求）过程的性能测量，因为在使用卫星无线接入网（RAN）时，HARQ过程可能不可用
扩展5G网络资源模型（NRM），以支持卫星组件，例如通过添加ServiceProfile属性
指定在陆地RAN和非地面RAN之间使用负载均衡的方法，以确保服务连续性和可靠性

TSG RAN

在无线方面，TSG RAN第17版工作项目（WI）“支持非地面网络（NTN）的NR解决方案”（NR_NTN_solutions）在以下假设下进行：

仅透明有效载荷：仅考虑使用透明有效载荷的卫星。
使用FDD在FR1频段（即410MHz - 7125MHz）内操作：这导致了在TS 38.101-5/TS 38.108中新增了两个频段n255（L频段）和n256（S频段）。
支持功率等级为3的手持设备：这些设备具有足够的功率以与卫星进行有效通信。
假设UE具有GNSS能力：用户设备（UE）应具备全球导航卫星系统（GNSS）功能，以便能够获取其位置信息，这对于与卫星的通信至关重要。
地球固定跟踪区域，包括地球固定或移动小区：这涉及到卫星覆盖区域的动态变化，以及如何在这些变化中保持与UE的通信（参见TR 38.821第7.3.1.3条；TS23.501第5.4.11.7条）。

对于高空气球平台（HAPS）的操作，得出以下结论：

NR操作频段n1（FDD：上行1920 - 1980MHz，下行2110 - 2170MHz）可应用：这个频段对于HAPS操作是合适的。
广域基站（Wide Area BS）类别适用，如TS 38.104中所述，无需额外更改：这意味着现有的广域基站技术可以支持HAPS操作，无需进行额外的硬件或软件修改。
由TS 38.101-1定义的NR UE无需额外更改即可支持HAPS部署：这表明现有的NR用户设备已经具备了与HAPS进行通信所需的所有功能。

Timing, Synchronization and HARQ enhancements (WG RAN1)

网络在每个非地面网络（NTN）小区中广播星历信息和公共定时提前（common TA）参数。由于预计支持NTN的用户设备（UE）都将具备全球导航卫星系统（GNSS）能力，因此它们应在连接到NTN小区之前获取有效的GNSS位置和卫星星历以及公共定时提前信息。

为实现上行同步，在执行随机接入之前，UE应自主地对定时提前和频率多普勒频移进行预补偿，这需要考虑公共定时提前（来自gNB的信息）、UE位置、卫星位置和卫星速度（通过卫星星历获取）。在连接模式下，UE应连续更新定时提前和频率预补偿。如果UE没有有效的GNSS位置和/或有效的卫星星历，它将不会与网络通信，直到两者都恢复为止。UE可以被配置为在初始接入时或在连接模式下报告定时提前。支持在连接模式下触发的定时提前报告。

虽然UE应对服务链路上经历的瞬时多普勒频移进行上行预补偿，但馈线链路上经历的多普勒频移的管理则留给网络实现。

为了适应NTN中的传播延迟，通过公共定时提前（Common TA）和两个调度偏移Koffset和kmac来增强多个定时关系。公共定时提前是一个配置偏移量，对应于参考点（RP）与NTN有效载荷之间的往返时间（RTT）。Koffset是一个配置的调度偏移量，大约对应于服务链路RTT和公共定时提前之和。kmac是一个配置的偏移量，大约对应于参考点与gNB之间的RTT。

为了减轻NTN中混合自动重传请求（HARQ）停滞的影响，在RLC层存在自动重传请求（ARQ）重传时，可以禁用HARQ反馈（例如，在地球静止轨道（GSO）卫星系统中），和/或可以将MAC层重传的HARQ进程数增加到32个（例如，在非地球静止轨道（NGSO）卫星系统中）。

Mobility Management (WG RAN2)

为了实现非地面网络（NTN）中的移动性，网络在切换命令中提供目标服务NTN小区接入所需的服务小区和邻近小区的卫星星历。

用户设备（UE）支持在NTN和陆地网络（即从NTN到陆地网络（切入）和从陆地网络到NTN（切出））之间的移动性，但不需要同时连接到NTN和陆地网络。它还可能支持基于不同轨道（地球静止轨道（GSO）、不同高度的非地球静止轨道（NGSO））的无线电接入技术之间的移动性。

已经引入了触发条件，使得UE可以基于这些条件执行到候选小区的条件切换（CHO）：事件A4、基于时间的触发条件、基于位置的触发条件。最后两个条件与基于测量的触发条件之一一起配置。位置由UE与参考位置之间的距离定义。时间由T1和T2之间的时间定义，其中T1是绝对时间值，T2是从T1开始的持续时间。

对于测量，网络可以根据UE能力使用传播延迟差异和星历信息，为每个载波和给定的一组小区并行配置多个SS/PBCH块测量定时配置（SMTC）。它还可以基于多个SMTC配置测量间隙。

SMTC的调整是可能的：在连接模式下，如果可用，则基于UE辅助信息进行网络控制；在空闲/非活动模式下，基于UE位置和卫星辅助信息（例如，星历、公共定时提前（TA）参数）进行UE控制。

在准地球固定小区场景中，UE可以在RRC_IDLE/RRC_INACTIVE状态下执行基于时间和位置的测量。与小区相关的定时和位置信息通过系统信息提供。它们分别指服务小区将要停止服务一个地理区域的时间和服务小区的参考位置。

跟踪区对应于一个固定的地理区域。任何相应的映射都在无线接入网（RAN）中配置。为了减少小区边缘的信令负载，特别是在地球移动小区覆盖的情况下，网络可能会在NR NTN小区中针对每个公共陆地移动网络（PLMN）广播多个跟踪区代码（TAC）。系统信息中的TAC更改由网络控制，并且可能与地面上波束的实时照明不完全同步。

关于UE位置方面，在网络请求下，在连接模式下建立AS安全后，如果可用，UE应向NG-RAN报告其粗略的UE位置信息（GNSS坐标的最高有效位，确保约2公里的精度）。

Switch-over (WG RAN3):

服务链路切换指的是服务卫星的变更。

馈线链路切换过程是指将特定非地面网络（NTN）有效载荷的馈线链路从源NTN网关更改为目标NTN网关的过程。馈线链路切换是传输网络层的一个过程。硬切换和软切换都适用于NTN。服务和馈线链路的切换主要适用于非地球静止轨道（NGSO）的情况。

NG-RAN signalling (WG RAN3):

gNB向核心网络指示的作为用户位置信息一部分的小区标识对应于映射的小区ID，而不管NTN有效载荷的轨道或服务链路的类型如何。它用于NG接口中的寻呼优化、兴趣区域和公共警告服务。

切换消息中的目标标识中包含的小区标识允许识别正确的目标无线小区，同时也用于RAN寻呼。

映射小区ID与地理区域之间的映射在RAN和核心网络中配置。如果可用，gNB负责根据从UE接收到的UE位置信息构造映射的小区ID。映射可以是预配置的（例如，根据运营商的策略）或根据实现来配置。

gNB将所选公共陆地移动网络（PLMN）的广播跟踪区域代码（TAC）报告给接入和移动性管理功能（AMF），作为用户位置信息（ULI）的一部分。如果gNB知道UE的位置信息，gNB可以确定UE当前所在的跟踪区域指示符（TAI），并将其作为ULI的一部分提供给AMF。

AMF (Re-)Selection by gNB (WG RAN3):

对于处于RRC_CONNECTED状态的UE，当gNB被配置为确保UE连接到为UE所在国家提供服务的AMF时，如果gNB检测到UE位于与当前服务的AMF服务的国家不同的国家，则应执行NG切换以切换到适当的AMF，或者向服务的AMF发起UE上下文释放请求过程（在这种情况下，AMF可能会决定注销UE）。

O&M Requirements (WG RAN3):

与非地面网络（NTN）相关的参数（参见TS 38.300的第16.14.7条）：
星历信息（有两种可能的格式），描述了非地面网络有效载荷的轨道轨迹信息或坐标。
与星历数据相关联的明确纪元时间。
非地面网络网关的位置。
运维（O&M）应向提供非地面接入的gNB提供额外的信息，以启用gNB在馈线链路/服务链路切换过程中的操作。运维还可以向gNB提供额外的与NTN相关的参数，以供其操作（示例请参见TS 38.300的附件B4）。

RF performances and RRM requirements (WG RAN4)

基于TR 38.863中捕获的共存研究，在TS 38.101-5和TS 38.108中分别定义了支持卫星接入操作的NR用户设备（UE）和NR卫星接入节点（SAN）在FR1中的最小射频和性能要求。

RAN5工作组第17版工作项目“UE一致性测试——支持非地面网络（NTN）的NR解决方案加上一致性测试（CT）方面”（NR_NTN_solutions_plus_CT-UEConTest）正在进行由第17版RAN2工作组领导的工作项目NR_NTN_solutions-Core和第17版一致性测试工作项目5GSAT_ARCH-CT引入的功能的UE测试。