卫星通信目前主要依赖专有解决方案，但这种状况即将改变。第三代合作伙伴计划（3GPP）在其第17版标准中引入了对非地面网络的支持，为卫星、智能手机和其他大众市场用户设备之间的直接通信奠定了坚实的基础。

　　多年来，各种卫星系统已被广泛用于电视广播、导航、通信、监视、天气预报和应急系统等服务。图1显示了3种主要卫星类型的轨道：地球静止轨道（GEO）、中地球轨道（MEO）和低地球轨道（LEO），并将其与商用飞机的高度和提供本地服务的高空平台系统（HAPS）的高度进行了比较。

　　地球静止轨道卫星系统在大约36000公里的高空运行，由于路径损耗大，时延很长（＞500毫秒），其数据速率有限。地球静止轨道卫星相对设备来说是静止的，它提供了一个较大的视野，适用于卫星电视、企业对企业数据服务（如中继/回传和企业网络）和政府服务（如军事卫星通信系统）。

　　近年来，卫星通信越来越受到关注，3GPP也在努力使5G新空口(NR)以及窄带物联网(NB-IoT)和LTE机器类通信(LTE-M)能够适应卫星通信的需求。

　　图2概述了3GPP在非地面网络方面所做的工作。3GPP在Rel-15和Rel-16版本中只是进行了一些初步的研究，直到Rel-17版本，才开始了正式的规范制定工作。3GPP在非地面网络方面的工作主要是通过卫星向消费者提供通信服务；其他用例(如通过卫星进行回程链路)暂不在考虑范围内。这些工作涵盖了对不同卫星网络的支持，特别是高度在600公里以上的低地球轨道(LEO)卫星和地球静止轨道(GEO)卫星。

　　图3展示了基于3GPP非地面网络架构实现卫星通信系统的两种不同架构。一般来说，卫星无线通信载荷通过所谓的馈电链路，借由卫星地面站或网关与核心网连接。卫星通过服务链路向用户设备(UE)提供通信服务。虽然3GPPRel-17规定了图3左侧所示的透明非地面网络架构，但是灵活的算法和增强功能也可以支持图右侧所示的处理转发架构。

　　在透明转发架构中，基站(gNodeB或gNB)位于网关之后的地面上，卫星只起到中继器的作用。卫星上能够进行的处理只有射频处理，如频率转换、放大和波束管理等。

　　在处理转发架构中，卫星上携带了整个gNB或者其中一部分，比如无线单元，这样就可以在卫星上解码和处理报文。在这种情况下，馈电链路类似于陆地上的前传/回传，而且不一定使用新空口来实现。处理转发架构支持建立卫星间的链路，因此具有更高的灵活性、更好的性能和全球覆盖能力。

　　现代卫星通常将其服务区域划分为数百个子区域，用单独的点波束(spot beams)为其提供服务。

　　地球静止轨道卫星相对于地球表面上的一个点几乎是静止不动的，而低地球轨道卫星则以每秒约8公里(每小时约30,000公里)的速度在轨道上运行。如果波束相对于卫星是固定的，那么波束将扫过地球表面，导致频繁的移动性事件。这样一来，即使是静止不动的用户设备，也会经常发生小区切换(通常每隔几秒钟一次)。

　　另一种方案是在卫星上采用波束转向机制，使波束能够长时间地对准地球上的一个固定区域。这种概念叫做“地球固定波束”,它可以让设备在同一个波束和小区内停留几分钟。虽然两种方案在Rel-17中都得到了支持，但地球固定波束概念有一个特别的好处，那就是它避免了频繁的小区切换。

　　对于任何卫星通信系统来说，最根本的挑战是如何克服由于卫星相对于地球的运动而产生的往返时延和频率偏移，也就是所谓的多普勒效应。地球静止轨道卫星的往返时延可能超过500毫秒。而即便是低地球轨道卫星，时延也可能达到数十毫秒。在一个小区内的差分时延也很大，根据小区大小的不同，可能达到10毫秒。低地球轨道卫星的快速运动会造成高达25ppm(相当于2GHz载波频率下的50kHz)的多普勒偏移。

　　3GPP解决这一挑战的方法是要求用户设备在接入网络之前补偿时延和服务链路多普勒偏移。为此，卫星会向用户设备广播自己的星历，告知用户设备自己的位置和速度。用户设备需要配备全球导航卫星系统(GNSS)模块，在接入网络之前用它来确定自己的位置。

　　用户设备根据自己的位置和卫星星历，计算出与卫星的距离和相对速度，并确定所需的预补偿值，并应用一个大的频率偏移和时序提前量。这样，gNB就能够以其标称频率运行，并使上行和下行时序对齐，就像在地面网络中一样。

　　非地面网络传播时延变长，因此也需要做出相应的调整。调度时序关系原本是为了适应地面网络中不超过1毫秒的往返时间而设计的，现在已经得到重新设计，以适应更长的时延。

　　混合自动重传请求(HARQ)操作被设计用于保证可靠的数据传输，现在也受到影响。HARQ是一种“停止等待”协议，意味着只有在收到相应的反馈后，才能重用HARQ进程ID。在传统的新空口中，有16个HARQ进程ID,而在非地面网络中，这将导致下述情况，即由于没有可用的空闲HARQ进程ID,而无法传输新的数据。

　　为了避免这种被称为“HARQ停滞”的结果，HARQ进程的数量增加到了32个。但对于具有数百毫秒的极长往返时延的地球静止轨道场景，所需的HARQ进程ID数量是无法满足的。因此，R-17还增加了禁用HARQ反馈(在每个HARQ进程ID中)的选项。在这种情况下，重传由无线链路控制层支持的较慢的反馈环路处理。

　　移动性是另一个非地面网络与地面网络有显著差异的领域。这种差异在低地球轨道卫星网络中最为明显，即使是静止的用户设备也会因为卫星的轨道运动而经历频繁的小区切换。在地面网络中，用户设备根据与基站之间的距离，会感受到明显不同的信号强度测量值，而在非地面网络中，所有用户设备到卫星的距离大致相同，单元中心和单元边缘之间只有很小的信号强度差异。

　　这种差异原本应用于传统的移动性过程中，如基于接收到的下行信号强度进行小区选择。但在非地面网络中，连接模式下的移动性主要解决方案是有条件切换(CHO)。有条件切换已经为了满足非地面网络的需要而得到升级，它包含了一个基于时间的触发条件和一个基于用户设备位置的触发条件。前者允许用户设备在一定的时间段内执行切换，而后者则考虑了设备相对于目标小区和源小区的位置，以此进行切换决策。

　　其他的增强功能包括支持下行传输极化信号，延长或偏移各种定时器的起始，增强小区选择/重选，报告随机接入期间应用的时序提前，以及报告用户设备位置，以便根据用户设备所在国家选择合适的核心网络，或者进行合法拦截等。

　　Rel-17版本还包括了对NB-IoT和LTE-M技术的一些适应性改进，使得它们能够支持非地面网络。3GPP的这条发展路径被称为“物联网非地面网络(IoT NTN)”。这个工作项目(WI)在Rel-17版本中启动得很晚，范围很小，主要集中在必要的功能上。物联网非地面网络的一般方法是尽量跟随新空口非地面网络的工作，并采用其解决方案。例如，对于时延和多普勒偏移的预补偿的基本解决方案是一样的，都需要物联网非地面网络的用户设备具备全球导航卫星系统(GNSS)的支持。新空口非地面网络对调度时序关系的增强功能也被应用到了物联网非地面网络中。不过它没有考虑移动性增强功能(例如有条件切换)。

　　间断覆盖是物联网非地面网络特有的一个问题。与新空口非地面网络不同，物联网非地面网络用例中的用户设备可能并不需要持续不断的信号覆盖。例如，它们每隔几个小时传输一次数据就可能已经足够了。这类用例允许卫星运营商部署更稀疏的卫星网络，减少卫星的总数。为了支持这种运行模式，系统会向用户设备发送一些信息(比如邻近小区的卫星星历以及小区的覆盖信息),这样用户设备就能够预测它们何时会有信号覆盖。

　　对于新空口非地面网络和物联网非地面网络的标准化工作将在Rel-18版本中继续推进。对于新空口非地面网络，新的目标主要是提高覆盖范围、优化移动性过程以及实现网络对用户设备报告位置的独立验证。对于物联网非地面网络，相关工作包括应用一种与新空口非地面网络类似的禁用HARQ反馈的方法、增强LTE-M的移动性功能(比如切换优化),还有进一步改进间断覆盖。

　　卫星通信的频谱分为两类，一类是用于提供移动卫星服务(MSS)的频谱，另一类是用于提供固定卫星服务(FSS)的频谱。S波段和L波段属于MSS类别，而Ka波段和Ku波段属于FSS类别。

　　在Rel-18版本中，还将增加一个MSSFDD带，它的上行频率在L波段(1,610-1,626.5MHz),下行频率在S波段(2,483.5-2,500MHz)。这样一来，从卫星直接向手持设备提供服务的5G新空口非地面网络就可以拥有大约80MHz的下行和上行频谱资源。

　　在Rel-18版本中，3GPP还将规定至少三个示例带(n510-n512),它们位于Ka频段的17.7-20.2GHz(下行)和27.5-30GHz(上行)。L波段和S波段针对的是手持设备，但在Ka波段，用例需要使用带有高增益天线的设备，例如极小口径终端，它们通常安装在建筑物或车辆上。

　　与地面5G网络类似，非地面网络旨在提供超越移动宽带的服务。国际电信联盟无线电通信部门(ITU-R)概述了性能要求，旨在为移动宽带(MBB)、大规模机器类通信(mMTC)和高可靠性通信(HRC)提供无处不在的、可靠的覆盖。峰值数据速率要达到70Mbps(下行)和2Mbps(上行),频谱效率要达到3bps/Hz(下行)和1.5bps/Hz(上行)。这可以理解为：对于这个特定的卫星网络，其下行和上行区域流量容量分别为8kbps/km2和1.5kbps/km2。ITU-R期望mMTC能够支持每平方公里最多500台设备，而高可靠性通信用例要求有99.9%的可靠性。

　　要实现卫星网络和手持设备之间的直接连接，需要克服很多困难，因为这样的连接会受到卫星和设备之间的传播损耗的影响。链路预算由多个因素决定，包括卫星轨道高度、网络系统架构、天线的设计、卫星网络服务的区域范围以及卫星与用户设备的仰角。

　　链路预算反过来决定了许多性能指标，如可达到的吞吐量。试举一例：当卫星正好在头顶，仰角为90度时，用户可以期望获得最高的吞吐量。当卫星处于较低的仰角时，路径损耗增加，当仰角在30度左右时，可达到的吞吐量可能会降低一半。

　　卫星和终端之间的距离还造成了时延的增加。用户体验到的总时延将根据卫星相对于用户和地面站的位置而变化。以地面系统为参。

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