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网络架构 基于天地一体化网络架构，未来的通信节点不仅局限在陆地，卫星节点将会扮演越来越重要的角色。随着 3GPP NTN 技术的演进，卫星的载荷和信号处理能力将逐步提升，实现透明转发、基站和核心网等功能，并与地面基站进行天地一体化组网。 3GPP NTN 在 R17 和 R18 版本中均采用透明转发架构，卫星仅实现射频相关功能，对卫星能力要求低，有利于 NTN 组网的快速落地。如图 1 所示，卫星作为终端和 NTN 网关中间的射频处理单元，实现无线信号的透明转发。信号的基带处理仍然放在地面基站去实现，因此该网络架构对卫星能力载荷和处理能力的要求较低，有利于网络的快速部署。
图1 透明转发网络架构 3GPP 对再生模式网络架构也进行了研究，在未来 NTN 演进版本中有望实现。除了射频部分，基站的部分（DU/CU)或全部功能、核心网的部分网元（例如用户面功能）或者全部功能均可以部署在星上。再生模式下服务链路采用 Uu接口，馈电链路根据卫星所具备的功能实现 Xn/N1/N2/N3 等接口，如图 2 所示。
由于可以在卫星上解码和处理数据包，以及支持星间链路的能力，使用再生传输的卫星网络可以提供更好的性能、更大的灵活性和全球覆盖。以下列出了卫星上部署 NG-RAN（+5GC）功能实现相关的一些潜在优势：
除了接入，卫星也可以作为基站的回传链路实现基站和核心网的连接。3GPP TS 23.501 标准中规定，卫星可作为(R)AN 与 5GC 之间回传的一部分，并支持边缘计算。若接入和移动性管理功能（Access and Mobility Function, AMF）已知使用了卫星回传，则可在会话（Protocol Data Unit, PDU）建立过程中，向会话管理功能（SessionManagement Function, SMF）报告卫星回传类别及回传类别的改变。 当回传能力（如时延、带宽等）随时间变化时，AMF 需向 SMF 通知相应的动态卫星回传类别；当从 SMF 接收到动态卫星回传信息后，策略控制功能（Policy Control function, PCF）可以申请对 UE 和用户面功能（User plane function, UPF）间的分组延迟进行服务质量（Quality of Service, QoS）监控，以更好的支持 PDU会话。 空口传输技术
终端与基站的正常通信建立在终端与基站间严格的上下行时频同步。在 5G NTN 中，卫星与地面的终端之间存在较大的距离和较高的相对运动速度，因此带来了远超地面系统的传输时延和多普勒偏移，这为终端侧上下行时频同步带来了挑战。
为了接入网络，UE 必须检测下行同步参考信号，通过这些同步参考信号UE可以完成进行时间和频率校正以及小区 ID 的检测。为了解决 NTN 大频偏问题，馈电链路上的多普勒频移可以由网络侧自行补偿且对终端透明，服务链路的下行多普勒频移网络也可以进行预补偿，并将预补偿的值指示给终端。网络对服务链路的多普勒频移进行补偿后，大部分频偏被抵消，剩余的残留频偏与小区大小和仰角有关，在这种情况下，对于低轨道近地卫星高速运动场景，现有同步参考信号设计能够实现稳健的下行同步性能。如果网络侧未对服务链路的下行频率偏移进行补偿，UE 需要基于下行同步信号对整个服务链路的多普勒偏移进行估计，终端接收机需要额外复杂度来获得可靠的下行初始同步性能。
对于上行频率同步，一般而言，终端可以基于自身位置信息以及卫星星历信息对服务链路上产生的多普勒频移进行估计与计算。因此，对于服务链路上的多普勒频偏值，终端可以自行计算并进行预补偿。对于馈电链路上的多普勒频偏值，则可以由网络侧或地面网关进行后补偿，并且补偿值对用户来讲是透明。此外，卫星进行数据转发时也可能存在频率误差，该误差大小同样对用户透明，可以由网络侧或直接由卫星进行补偿。 对于上行定时同步，UE 根据卫星星历信息和自身的位置信息可以实时计算 UE 到卫星之间的来回传播时延，并根据所计算的来回传播时延值进行服务链路上的定时提前补偿（UE 级别的定时提前量）。对于馈电链路上的传播时延，由于终端不知道基站的位置，终端是无法实时计算卫星与基站之间的来回传播时延并进行馈电链路的定时提前补偿，因此，对于馈电链路上的上行定时同步问题，一种方式是馈电链路上的上行定时值完全由网络处理，UE 不需要处理馈电链路上的上行定时提前量。另一种方式是网络指示馈电链路上的定时提前量（也称作公共定时提量）相关参数，UE 根据网络提供的公共定时提前量参数可以实时确定馈电链路上部分或者全部的定时提前量值。
在陆地移动通信系统中，信号的传播时延通常是低于 1ms。在卫星通信系统中，传播延时大小取决于卫星的高度以及卫星载荷类型，一般在几十到几百毫秒之间。面对如此大空口传播时延，终端在进行上行传输时，需要应用一个较大的定时提前量（几十毫秒到几百毫秒不等）以保证上行同步。这样一来，会导致在终端侧上下行帧定时存在一个较大的偏移量。终端上行定时同步，存在如下两种情况：
图3 基站侧上下行帧定时对齐，终端侧上下行帧定时存在大的偏移
图4 基站侧上下行帧定时不对齐，UE 侧上下行帧定时存在较小的偏移 由于终端侧上下行定时没有对齐，存在较大的偏移，因此，数据传输过程中涉及到上下行定时交互的时序需要进行增强。
在 NTN 通信系统中，卫星高度可达几百到几万公里，终端与卫星之间存在很大的路径损耗，例如，GEO 场景下，S 波段上的自由空间路径损耗可达 190.6dB。此外，终端与卫星之间传输还包括阴影衰落，极化损耗，大气损耗等。为保证上下行的覆盖，通常可以通过提升发射机的功率，提高接收机的灵敏度，提高收发两侧的天线增益，采用定向天线，窄带传输，低频传输等方式实现，如图5所示。
图5 NTN 场景下的路径损耗 在 5G NTN 初期阶段，终端侧的特性定义如下：
从上述终端特性定义可以看出，5G NTN 初期阶段的终端设备在天线增益，发射功率上都存在特别的要求。 对于卫星侧，5G NTN 对卫星的能力也进行了加强，以 3GPP 定义的卫星参数 Set1 为例子，GEO 卫星在 S 波段上，上行的 G/T 值为 19 dB K-1，下行的 EIRP为 59 dBW/MHz，GEO 卫星在 Ka 波段上，上行的 G/T 值为 28 dB K-1，下行的EIRP 为 40 dBW/MHz。 基于 5G NTN 终端与卫星的特性，对于手持终端与物联网终端，上行要满足链路预算要求只能采用低频（例如 S 波段）以及窄带进行数据传输，对于 VSAT，上行采用高频以及大带宽传输也能满足链路预算要求。考虑到我们日常使用的是智能手机的天线增益只有-5.5dBm，甚至更低，这与 5G NTN 早期定义的手持终端天线增益（0dBm）存在很大的差距，为了能让智能手机也能够接入 5G NTN实现 VoIP 以及低速率数据传输，3GPP R18 开展了 5G NTN 场景下的覆盖增强研究以支持智能手机接入 5G NTN 实现语音与低速数据传输业务。此外，考虑到卫星侧功率受限以及单星覆盖区域内波束个数较大（以 LEO 为例，单星波束个数可达 1000 以上），R19 将继续开展下行覆盖增强技术。
大空口传播时延，不但对数据传输带来很大的时延，同时也会降低系统吞吐量。在现有的 HARQ 机制中，发送端需要等待接收端的反馈（ACK）才能发送新数据，在 NACK 的情况下，发送端可能需要重新发送数据包。这种停止等待过程为通信协议引入了固有延迟。在地面网络中，由于往返传输延迟通常在 1ms 以内，因此现有的 HARQ 传输的停止等待机制带来的影响比较小。在 5G NTN系统中，传输延时非常大，按照现有 HARQ 传输协议机制，网络利用某个 HARQ进程调度下行数据后，需要收到终端发送的 HARQ-ACK 反馈之后才能继续使用该 HARQ 进程进行新的数据调度或者数据重传，如图6所示。因此，现有的HARQ-ACK 传输机制会严重限制5G NTN 的系统吞吐量。
图6 HARQ 反馈示意图 为了改善 5G NTN 的数据传输速率，可以采用以下三种方式：
此外，现有的数据调度方式包括动态调度与半静态调度，对于动态调度，终端先接收网络下发的调度指示（即调度 DCI），然后根据调度指示进行数据的接收与发送。对于半静态数据调度，网络预先通过高层信令配置上下行数据传输资源，终端直接在预配置的传输资源上进行数据的接收与发送。在大时延的场景下，半静态的数据传输方式更具有优势。
现有 5G 陆地通信系统制定了波束管理机制，主要包括，波束测量上报，波束选择，波束指示，波束恢复过程等。在卫星通信中，卫星一般是通过多个波束对地面提供覆盖，多波束间共享卫星的带宽和功率资源。和 5G NR 相比，卫星通信系统中波束管理存在以下几个方面的特点：
基于上述特点，NTN 系统在波束管理方面需要提出更优的波束切换机制来应对用户频繁切换、减少不必要的切换等问题，可以从以下两种类型的波束管理机制进行增强。
对于 UE 自主波束切换，一种方案是网络基于终端位置信息，小区波位分布以及卫星星历信息给终端配置波束切换的时间以及波束切换的顺序。一种实现方式，网络配置波束切换的顺序以及每个波束的服务时长，当前服务波束的服务时长到期，则按照波束切换顺序切换至下一个波束，如图7所示。另一种方式是终端根据位置信息以及波束分布图样自主的进行波束切换，这种情况网络侧需要知道终端的位置信息。
图7 卫星移动轨迹示意图
对于网络控制的波束切换，现有地面 5G 波束管理是终端进行波束测量上报，网络根据终端上报的测量结果控制终端进行波束切换。考虑到卫星通信系统中小区不同位置的信号质量差异较小，终端可以上报自身位置信息，网络根据终端上报的位置信息控制终端执行波束切换。此外，考虑到在地表固定波束场景，一个波束覆盖区域下的 UE 同时发生波束切换，为了降低网络的信令开销，可以采用UE组级别的波束切换机制。 在实际应用中可能会出现卫星覆盖区域中一些波位的通信需求大大超过波束可用容量，而在其他波位的通信需求小于可用容量，也就是热点地区的需求得不到满足，而冷门地区的容量却没有得到充分利用。这对卫星运营商和服务提供商的后果是双重的：损失了未满足需求对应的收入，也损失了未使用容量的投资成本。因此，在卫星覆盖区域内灵活分配波束资源的能力正在成为未来宽带多波束卫星的必要条件。
在卫星通信网络中，移动性管理面临一些新的问题，如 NTN 小区中央和小区边缘的信号强度变化不明显，现有的根据无线信号质量进行移动性管理不能完全满足需求。针对这一问题，5G NTN 中提出了新的移动性管理策略，即考虑终端的位置、卫星移出覆盖区域的时间等要素进行移动性管理。
对于基于终端的位置的移动性管理策略，引入基于位置的条件切换，通过提供卫星的参考点以及终端与参考点间距离门限值条件，当满足条件，触发基于位置的条件切换。对于基于卫星移出覆盖区域的时间的移动性管理策略，引入基于时间的条件切换，网络可以提供关于当前小区停止服务和候选小区开始服务的时间信息，小区通过系统消息广播停止服务的时间来广播停止覆盖该区域的时间，该时间信息可以用于辅助 UE 进行小区重新选择，并用于确定合适时间来执行邻小区测量，当满足条件，触发基于时间的条件切换。
基于星历信息辅助的小区选择和重选：终端基于星历信息提前预判哪些卫星何时会覆盖某一区域，终端可以动态准确地搜索它能够选择到的 NTN 小区信息，因此可以有效提高小区选择/重选的成功率。
卫星的快速运动带来了跟踪区频繁更新的问题。由于卫星可以提供覆盖面积非常大的小区，导致跟踪区域的面积变大，这样虽然使跟踪区更新频率大大降低，但是会导致较高的寻呼负载。所以如何平衡跟踪区更新频率和寻呼负载成为一个难点。3GPP R16 中提出了固定跟踪区域的方法，即跟踪区域码（Tracking Area Code, TAC）固定在地面上，而小区在地面上随着卫星的移动而改变。在 LEO 的场景下，当小区在地面上扫描时，在小区到达下一个地球固定跟踪区域位置的区域时，广播的跟踪区域代码会被改变。这样的硬跟踪区更新降低了更新频率，但也对小区的系统消息更新或寻呼周期带来了新的问题。因此在 R17 中提出了软跟踪区更新，即网络可以在 NR-NTN 小区中针对每一个公共陆地移动网（Public Land Mobile Network, PLMN）广播多达 12 个以上的跟踪区域码，包括相同或不同的 PLMN，系统信息中的 TAC 变化受网络控制。另外，如果当前广播的 TAC中有属于 UE 的注册区域的，UE 就不会执行由移动性触发的注册过程。 安全技术 基于 5G NTN 的天地一体通信系统中存在透传模型和再生模型，这意味着一些接入网和核心网功能位于卫星上，因此会出现一些与地面网络不同的安全场景。 天地一体网络中卫星间链路和卫星与网关之间的馈线链路是无线链路，可能受到干扰、窃听等，需进行保护。星上网元可能部署在同一颗卫星或不同的卫星上，当位于不同卫星时，需保证网元之间的安全，如信任关系、通信安全，可以采用分布式安全机制或者集中式安全机制。由于部分类型卫星的移动性，星上网元与地面网元之间的组网关系可能动态变化，此时星上网元和地面网元之间的安全机制需要增强。 对一些具体需求，如存储转发场景中，可能出现端到端链路不连续，如服务链路或馈线链路不连续，这意味着，为了在卫星不连接地面核心网的情况下完成卫星与 UE 的认证，以及在 UE 和卫星之间建立安全连接，卫星中可嵌入核心网部分安全功能如鉴权、密钥管理，UE 安全上下文信息也可以在卫星之间共享或在卫星网络和地面网络间共享。 |
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