愛立信技術(shù)評論：基于3GPP技術(shù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信（2023年6月刊）

擘畫創(chuàng)新未來I#09·20232術(shù)評論2術(shù)評論年6月1日基于3GPP技術(shù)衛(wèi)星通信目前主要依賴專有解決方案，但這種狀況即將改變。第三代合作伙伴計劃(3GPP)在其第17版標(biāo)準(zhǔn)中引入了對非地面網(wǎng)絡(luò)的支持，為衛(wèi)星、智能手機(jī)和其他大眾市場用戶設(shè)備之間的XIAOTIANFU,DAMANJITSINGH,IOANNISXIROUCHAKIS任何時間、任何地點(diǎn)都能享受移動實(shí)現(xiàn)無縫全球覆蓋的目標(biāo)變得越來這一目標(biāo)的推動下，地面和非地面和非地面網(wǎng)絡(luò)(NTN)組件將實(shí)現(xiàn)平滑互通和集成，為消費(fèi)者智能手機(jī)(直接對智能手機(jī))和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)用例提供增強(qiáng)型移動寬帶 (eMBB)。與此同時，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以覆蓋地面網(wǎng)絡(luò)無法到達(dá)的地區(qū)，為世界各地(無論發(fā)展程度)目前無法獲得服務(wù)的人群和企業(yè)提供33年6月年6月1日 道道t圖1現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)概覽導(dǎo)航、通信、監(jiān)視、天氣預(yù)報和應(yīng)急系統(tǒng)等服務(wù)[2]。圖1顯示了3種主要衛(wèi)星類型的軌道：地球靜止軌道(GEO)、中地球軌道(MEO)和低地球軌道(LEO)，并將其與商用飛機(jī)的高度和提供本地服務(wù)的高空平臺系統(tǒng)(HAPS)高空運(yùn)行，由于路徑損耗大，時延很長(＞500略語劃星系統(tǒng)RTTSA服務(wù)和系統(tǒng)方面求SI研究項(xiàng)目終端IoTTN地面網(wǎng)絡(luò)道UE用戶設(shè)備UugNB與UE之間的接口UL上行鏈路道WI工作項(xiàng)目4術(shù)評論4術(shù)評論年6月1日移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)可作為地面共贏中地球軌道衛(wèi)星系統(tǒng)(如伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo)、全球定位系統(tǒng)(GPS)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS))主要用于導(dǎo)航，中地球軌道中也有一些用于通信服務(wù)的衛(wèi)星網(wǎng)軌道(GEO)，時延只有其五分之一，數(shù)據(jù)速低地球軌道衛(wèi)星系統(tǒng)如星鏈(Starlink)、全軌道時間為90-120分鐘)才能保持在軌。低地球軌道衛(wèi)星可提供最低的時延和每秒數(shù)十衛(wèi)星要小得多，因此需要部署更大規(guī)模的衛(wèi)星業(yè)邏輯太空探索技術(shù)公司(SpaceX)在2010年代中期此后，全球進(jìn)入了“新太空時代”。每年對大型低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的私人投資大幅增加，它們專注于使用現(xiàn)有的和計劃部署的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(如Starlink、OneWeb和AmazonKuiper等)為居民和商業(yè)用戶提供固定寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)(MSS)的下一個發(fā)展目標(biāo)3條發(fā)展路徑：傳統(tǒng)移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)(MSS)、傳統(tǒng)長期演進(jìn)(LTE)和5G非地面網(wǎng)絡(luò)(NTN)。將傳統(tǒng)MSS技術(shù)應(yīng)用到新型智能手機(jī)中。例如同時，傳統(tǒng)LTE發(fā)展路徑則專注于創(chuàng)建改造的造的LTE手機(jī)。它與5G-NTN發(fā)展路徑并行，PPR運(yùn)營商可以與地面通信運(yùn)營商(CSP)合作，實(shí)現(xiàn)互利共贏。由于直接向智能手機(jī)提供衛(wèi)星服務(wù)在資費(fèi)和性能方面難以與現(xiàn)有的地面服務(wù)相匹敵，移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)(MSS)更適合作為地面移動寬帶(MBB)服務(wù)的補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)三方共贏。具體來說，地面通信運(yùn)營商可以無風(fēng)險地讓用戶漫游到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，并從中獲得一定的收入分成；衛(wèi)星運(yùn)營商可以拓展比現(xiàn)有昂貴的專用設(shè)備更廣闊的潛在市場；設(shè)備廠商則可以生產(chǎn)能與衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同工作的設(shè)備，從而提升55年6月年6月1日201720182019202020212022–20252026–2030接入考慮到地面網(wǎng)絡(luò)和非地面網(wǎng)絡(luò)的G編排接入考慮到地面網(wǎng)絡(luò)和非地面網(wǎng)絡(luò)的G編排完結(jié)的工作SI接入核心網(wǎng)WI：NRNTN解決方案SI：NB-IoT和WI：IoT RelRel-Rel-Rel-andRel-Rel-等.WI：服務(wù)要求WI：5G的衛(wèi)星通WI：5G的衛(wèi)星通信集成SI5G衛(wèi)星接入的架構(gòu)方面第二階段一6G設(shè)計進(jìn)行中的或未來的工作特性WI：NRNTN演進(jìn)WI：NRNTN演進(jìn)SIWI：NRNTN演進(jìn)WI：NRNTN演進(jìn)力使5G新空口(NR)以及窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)和LTE機(jī)器類通信(LTE-M)能夠適應(yīng)衛(wèi)星通信其他用例(如通過衛(wèi)星進(jìn)行回程鏈路)暫不在考持，特別是高度在600公里以上的低地球軌道 (LEO)衛(wèi)星和地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星[4]。圖3展示了基于3GPP非地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)無線通信載荷通過所謂的饋電鏈路，借由衛(wèi)星向用戶設(shè)備(UE)提供通信服務(wù)。雖然3GPPRel-17規(guī)定了圖3左側(cè)所示的透明非地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，但是靈活的算法和增強(qiáng)功能也可以支持位于網(wǎng)關(guān)之后的地面上，衛(wèi)星只起到中繼器的作用。衛(wèi)星上能夠進(jìn)行的處理只有射頻處理，或者其中一部分，比如無線單元，這樣就可以鏈路類似于陸地上的前傳/回傳，而且不一定用單獨(dú)的波束[“點(diǎn)波束(spotbeams)”]為其6術(shù)評論6術(shù)評論年6月1日處理轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)通信載荷僅射頻操作僅射頻操作 (無法解碼報文)非地面網(wǎng)絡(luò)服務(wù)鏈路饋電鏈路服務(wù)鏈路 NG用戶設(shè)備gNB用戶設(shè)備處理和前傳報文非地面網(wǎng)絡(luò)處理衛(wèi)星間鏈路非地面網(wǎng)絡(luò)饋電鏈路UuUu非地面網(wǎng)絡(luò)處理 服務(wù)鏈路圖3兩種非地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)點(diǎn)幾乎是靜止不動的，而低地球軌道衛(wèi)星則以每秒約8公里(每小時約30,000公里)的速度在軌道上運(yùn)行。如果波束相對于衛(wèi)星是固定的，那么波束將掃過地球表面，導(dǎo)致頻繁的移動性星的快速運(yùn)動會造成高達(dá)25ppm(相當(dāng)于2GHz0kHz)的多普勒偏移。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)模塊，在接入網(wǎng)絡(luò)7年6月7年6月1日Q移動性是另一個非地面網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)有決方案是有條件切換(CHO)。有條件切換已經(jīng)間段內(nèi)執(zhí)行切換，而后者則考慮了設(shè)備相對于移動性是另一個非地面其他的增強(qiáng)功能包括支持下行傳輸極化信號，延長或偏移各種定時器的起始，增強(qiáng)小區(qū)選擇/IoTLTEM一些適應(yīng)性改進(jìn)，使得它們能夠支持非地面地面網(wǎng)絡(luò)(IoTNTN)”。這個工作項(xiàng)目(WI)是盡量跟隨新空口非地面網(wǎng)絡(luò)的工作，并采用增個網(wǎng)絡(luò)用例中的用戶設(shè)備可能并不需要持續(xù)不斷商部署更稀疏的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，減少衛(wèi)星的總數(shù)。一些信息(比如鄰近小區(qū)的衛(wèi)星星歷以及小區(qū)的覆蓋信息)，這樣用戶設(shè)備就能夠預(yù)測它們8術(shù)評論8術(shù)評論年6月1日ITU-R期望mMTC能夠支持每平方公里最多500臺設(shè)備el對于新空口非地面網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)非地面網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作將在Rel-18版本中繼續(xù)推進(jìn)。對于新空口非地面網(wǎng)絡(luò)，新的目標(biāo)主要是提高覆蓋功能(比如切換優(yōu)化)，還有進(jìn)一步改進(jìn)間斷衛(wèi)星服務(wù)(MSS)的頻譜，另一類是用于提供固定衛(wèi)星服務(wù)(FSS)的頻譜。S波段和L波段屬于MSS類別，而Ka波段和Ku波段屬于FSS它們分別對應(yīng)n255帶(上行頻率為1,626.5MHz和n256帶(上行頻率為1,980MHz-2,010MHz，下行頻率為2,170MHz-2,200MHz)。這兩個頻分雙工(FDD)帶在每個鏈路方向上都提供了它的上行頻率在L波段(1,610-1,626.5MHz)，下行頻率在S波段(2,483.5-2,500MHz)。這樣一來，從衛(wèi)星直接向手持設(shè)備提供服務(wù)的5G新空口非地面網(wǎng)絡(luò)就可以擁有大約80MHz的下行示例帶(n510-n512)，它們位于Ka頻段的GHz5-30GHz(上行)。用例需要使用帶有高增益天線的設(shè)備，例如極G能與地面5G網(wǎng)絡(luò)類似，非地面網(wǎng)絡(luò)旨在提供超越移動寬帶的服務(wù)。國際電信聯(lián)盟無線電通信部門(ITU-R)概述了性能要求，旨在為移動寬帶(MBB)、大規(guī)模機(jī)器類通信(mMTC)和高可靠性通信(HRC)提供無處不在的、可靠的覆蓋[7]。該報告針對600km低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在30MHz載波上的運(yùn)行情況，詳細(xì)說明了要達(dá)到70Mbps(下行)和2Mbps(上行)，頻譜效率要達(dá)到3bps/Hz(下行)和1.5bps/Hz(上其下行和上行區(qū)域流量容量分別為8kbps/km2和1.5kbps/km2。ITU-R期望mMTC能夠支持每平方公里最多500臺設(shè)備，而高可靠性通信用需要克服很多困難，因?yàn)檫@樣的連接會受到衛(wèi)星和設(shè)備之間的傳播損耗的影響。鏈路預(yù)算由多個因素決定，包括衛(wèi)星軌道高度、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)、天線的設(shè)計、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的區(qū)域范圍角在30度左右時，可達(dá)到的吞吐量可能會降低9年6月9年6月1日衛(wèi)星和終端之間的距離還造成了時延的增加。用戶體驗(yàn)到的總時延將根據(jù)衛(wèi)星相對于用戶和高度的低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的往返時延將在8ms到20ms之間(假設(shè)最小仰角約為30度)。PGPP地面網(wǎng)絡(luò)解決方案的主要優(yōu)勢是與大眾市場智能手機(jī)的即GPP統(tǒng)移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)系統(tǒng)普通大小的智能手機(jī)也能享受全球數(shù)據(jù)和語音連接。地面運(yùn)營商可以擴(kuò)大其地理覆蓋范圍，填補(bǔ)人口稀少地區(qū)(包括農(nóng)村)的連接空白，固有的多普勒偏移和時延問題，而且不依賴于專有的解決方案。它是一個具有前瞻性的解決GPP而演進(jìn)，并且向后地面網(wǎng)絡(luò)。它還具有很強(qiáng)的靈活性，能夠根據(jù)低地球軌道、中地球軌道和地球靜止軌道衛(wèi)星并且由于有規(guī)定的增強(qiáng)功能(包括改進(jìn)的HARQ機(jī)制)而能夠?qū)崿F(xiàn)更好的性能。另外，由于基于術(shù)評論年6月1日作者作者目前是愛立信研究院的高級研究員，負(fù)責(zé)推動3GPP非地面網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。他也是國際電信聯(lián)盟無線電通信部門 (ITU-R)的代表，參與IMT-2020(國際移動通0)衛(wèi)星組件的標(biāo)準(zhǔn)化工作。他有粒子物理景，他擁有大學(xué)的物理◆于2022年加入愛立信商業(yè)領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)與信相關(guān)的模擬和研究工作。她在法國巴黎的HESAM大學(xué)獲得了電信和網(wǎng)絡(luò)博士目前擔(dān)任商業(yè)單元網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)。他在多個領(lǐng)域有著豐富的經(jīng)GG、4G和作重點(diǎn)是圍繞特別是5G和低地球軌道衛(wèi)星。他擁有瑞典烏普程碩士，目前負(fù)責(zé)N地面網(wǎng)絡(luò)RAN的系在于手有法國ESIEE學(xué)校的電子工程碩堡大學(xué)的信號處理和聲學(xué)碩士 (無線接入網(wǎng)絡(luò))標(biāo)準(zhǔn)化立信參關(guān)的話普薩拉大學(xué)的工程物理學(xué)碩士年6年6月1日作者作者◆從事回傳、前傳和室相關(guān)的工作。他目前是愛立信研究院的高級研究員。他擁有學(xué)的電氣工程◆于1998年加入愛立信，和6G通信系統(tǒng)的開發(fā)。他目前是愛立信研究院的研究負(fù)責(zé)人，他和他的團(tuán)隊(duì)專注于無線頻譜3GPP的5G和有瑞典皇家理工學(xué)院的008年加入愛立信，參與了愛立信的測試床工作。他目前是N地面網(wǎng)的項(xiàng)目經(jīng)理。賈蘭達(dá)爾的阿國立技術(shù)學(xué)院的電子與通信工程學(xué)士◆是愛立信集團(tuán)戰(zhàn)略組織。他目前專注盧勒奧技術(shù)大◆是愛立信研究院的研究負(fù)責(zé)人，于2005年加入研究領(lǐng)域包括固定接入、小型基站、4G/5G回傳、前傳和低層架構(gòu)和前傳解決方案。納技術(shù)大學(xué)的程博士學(xué)位和維也納大學(xué)的工商管◆是一位研究和模擬專的標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)部，負(fù)責(zé)，他在4G/5G算法設(shè)計方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。他擁有波迪斯學(xué)學(xué)士學(xué)位和英國布里斯托爾大學(xué)的通信系統(tǒng)和信號術(shù)評論年6月1日/articles/10.3389/frcmn.2021.691625/fullIEEEGGPP述，Lin,X等，網(wǎng)址：/document/9579443hresearchresearchsatellitegoingdirecttodevice4.3GPPTR38.821，支持非地面網(wǎng)絡(luò)(N地面網(wǎng)絡(luò))的新空口解決方案，網(wǎng)址：/ftp/Specs/archive/38_series/38.821/38821-g20.zipGPPRP6，引入衛(wèi)星L-波段/S-波段，網(wǎng)址：httpswwwgpporgftptsgranTSGRANTSGRDocsRP230706.zipIMT/pub/R-REP-M.2514-2022高通和泰雷茲將5G帶入太空，網(wǎng)址：ricssoncomenpressreleasesericssonqualcommandthalestotakegintospace