马克：手机直连、星地融合，加速打造天地一体网络

1/20 手机直连、星地融合:加速打造天地一体网络 中国移动研究院无线与终端技术研究所马克2022年12月 目录 手机直连卫星具有重要场景价值 新型手机直连卫星技术介绍 中国移动手机直连卫星产业推进和合作倡议 2/20 2 助力国家构建基于手机直连的公众应急通信网 •面向严重突发自然灾害，可基于手机直连卫星，为灾区群众提供应急通信服务 提供偏远地区通信服务，构建运营商打底网络 开放灾区普通用户使用权限，为其提供应急通信服务 自然灾害导致地面网络瘫痪 •覆盖广 •容灾性强 •广播能力 •偏远地区地广人稀，人口分布特征导致基站建设和维护成本高 •利用手机直连卫星，可显著降低网络建设成本 提供海面通信服务，实现高性价比的泛在网络 满足用户全球上网需求，使能泛在连接 手机直连卫星应用场景丰富 手机直连卫星技术极大拓展现有地面蜂窝网络的服务范围， 为手持终端客户提供应急救援及偏远、海洋、”一带一路“等全球范围的各类丰富的通信服务 卫星回传 卫星 5G回传小船 •基于手机直连卫星，小型渔船上的终端在5G信号强的近海区域，选择5G网络；在5G信号弱的区域，无缝地灵活切换至卫星通信 5G 基站 •手机直连卫星的高便携性可满足“一带一路”出国劳务及旅游人员的上网需求 •解决境外承包工程环境下部分网络覆盖不足区域的刚性上网需求 3 泰雷兹、高通、爱立信宣布启动5GNTN太空项目 中国移动研究院发布全球首个运营商5GNTN技术外场验证成果，验证了手机直连卫星的可行性 Iphone14手机宣布支持卫星通信功能 双模手机直连卫星技术 3GPPNTN手机直连卫星技术存量手机直连卫星技术 6.9 7.11 8.25 8.26 9.69.8 9.12 3GPPR17NTN标准冻结 具备基本端到端能力 SpaceX和T-Mobile将成立技术联盟，为用户提供存量终端直连卫星服务 华为Mate50系列手机首发支持北斗短报文 ASTBW3测试星发星，为用户提供存量终端直连卫星服务 手机直连卫星成为行业热点 手机直连卫星技术可分为双模、3GPPNTN、存量手机直连卫星技术三大类 随着3GPPNTN协议冻结，手机直连卫星进入全新阶段并获得全球高度关注，主流厂商纷纷入场布局 4 三大手机直连卫星技术各有优势 双模手机 3GPPNTN 存量手机 空口协议 •卫星私有协议 •3GPPNTN协议 •终端采用标准3GPP协议•网络侧针对卫星场景进行增强 设备研发 •双模手机•互通网关 •支持NTN的终端•支持NTN的基站 •需基站上星•研发定制基站 空口频率 •卫星L、S频段 •卫星或地面运营商频率•R17支持卫星L/S频段•R18正在新增10GHz以上频段 •地面运营商频率 卫星轨道 高/中/低轨 高/中/低轨 低轨卫星 产业 传统卫星产业封闭，星地产业链相对独立， 基于3GPP技术体系，星地产业链高度复用 基于3GPP技术体系，星地产业链高度复用 5 卫星 信关站 卫星核心网 集成卫星通信芯片及相关射频组件 基站 蜂窝核心网 互通网关 卫星 NTN基站 3GPPNTN 融合终端 蜂窝基站 统一核心网 低轨卫星 定制基站 存量手机 蜂窝基站 统一核心网 3GPP标准 协议 3GPP NTN协议 卫星 私有协议 双模手机直连卫星技术 3GPPNTN手机直连卫星技术 存量手机直连卫星技术 三大手机直连卫星技术各有优势 双模手机直连卫星技术可快速落地，但产业链相对独立，技术演进缓慢 3GPPNTN及存量手机直连卫星技术商用进程较晚，但基于统一的3GPP协议，星地产业链复用程度高 3GPP 标准协议 3GPP标准 协议 3GPP NTN协议 •可基于存量卫星、现有协议快速落地 •采用卫星专用频段、协议及硬件，产业链相对独立 •无法复用地面蜂窝产业链，终端成本高 •卫星私有协议独立，技术路线演进缓慢 •基于统一3GPP标准空口协议，面向增量融合终端开展业务 •对手机和基站同时进行空口协议增强 •技术路线明确、演进潜力大，星地产业链高度复用 •标准4G/5G终端，无需软硬件改动 •仅支持低轨卫星，基站侧需定制增强 •市场推广快速，星地产业链可高度复用 6 手机直连卫星网络架构可匹配不同业务场景 手机直连卫星根据卫星轨道高度从高到低可依次支持短信、语音、数据等业务， 根据上星情况可分为透明转发、基站上星、基站核心网上星三种，可匹配不同的业务场景。 手机直连卫星随轨道高度适配不同业务：高轨卫星<->短信、中轨卫星<->语音、低轨卫星<->Mbps级数据业务 匹配场景 偏远、特殊场景补充覆盖 国外覆盖等难以直接 数据落地的场景 对时延及安全性要求 较高的业务 7 卫星通信具有中低轨移动速度快、时延长、覆盖范围广的特点，传统地面移动通信技术难以适应卫星通信场景 NTN：传统地面移动通信技术面临的难题 馈电 链路用户 链路 卫星特点 高移动（LEO、MEO） •最大多普勒频偏：24ppm •定时漂移：40Ts/10ms •频繁切换：最快每3秒切换一次 距离远 •GEO3600km->RTD540ms •LEO1200km->RTD41ms •LEO600km->RTD28ms （蜂窝小区RTD<0.66ms） 覆盖广 •GEO波束200km-1000km •LEO波束20-500km （蜂窝小区低频最大小区半径100km） 关键流程 用户开机 搜网（同步，接收系统消息等）、小区选择 随机接入（RRC连接建立） 注册、鉴权 数据传输：SR、HARQ 移动性：测量、切换 潜在问题 •超出UE频域补偿能力 •小区选择测量不准确 •接入码窗口交叠 •接入定时器超时 •超出时域补偿能力 •调度计时器超时 •PDCCHmonitoring不适配 •测量结果不准确 •切换失败 8 超大时延 协议增强 基站和终端设备改造 超高速运动 NTN终端 透明转发 星上处理 信关站NTN基站 核心网 NTN：协议增强及设备改造需求 为应对地空场景大时延、超高速影响，3GPPR17NTN在原5G空口基础上进行协议增强设计；透明转发模式下手机/基站需定制射频单元，成本增加可控 终端 基站（透明转发/网络上星） 核心网 软件 空口增强：多普勒补偿、时延补偿、时序优化、移动性优化等 复用蜂窝核心网 硬件 支持卫星频率及射频要求 •透明转发：基站射频需定制•网络上星：与卫星平台深度融合、需优化重量、功耗等 成本 成本增加可控，量产后有望降低 •透明转发：成本略有增加•网络上星：深度定制、成本较高 9 3GPP针对卫星通信场景距离远、移动快、覆盖广带来的问题进行空口协议增强，支持NTN手机直连卫星技术 •R17面向GEO/MEO/LEO等场景、短信/语音/窄带/宽带等多种业务、支持L/S等频段开展手机直连、透传模式、星地异频等研究 •R18面向更多频段、更多业务类型开展移动性、覆盖增强等技术研究，但暂不支持基站上星 3GPP TR38.811 定义NTN的信道模型，识别关键问题 2017.3 TR38.821 研究NTN的网络架构和解决方案 2018.6 第一版3GPPNRNTN标准立项，2022.6已冻结（时频同步、定时增强、移动性） 2019.12 工作立项：形成第二版3GPPNRNTN标准 •10GHz以上高频段部署 •移动性 •覆盖增强 •基于网络侧验证的UE位置 2022.6 R15 R16 R17 R18 NTN：标准制定 10 基站进行波束级时频偏预补偿，存量终端补偿残留时频偏 基站进行频段预补偿 基站根据调度算法进行UE级调度调整Preamble接收窗口交叠 涉及流程 影响因素 存量手机直连卫星解决方案——网络侧改造 频域同步 移动速度快 根据存量终端补偿能力限制小区半径；小区中心点频偏预补偿 随机接入 大尺度时延、覆盖范围大 根据定时器窗口限制星地距离；调整或根据Preamble接收窗口限制小区半径 时域同步 大尺度时延 基站侧非对齐；网络侧进行时域补偿及时序调整 HARQ反馈 大尺度时延 增加伪HARQ过程；依靠NDI判断是否重传；HARQ打包反馈 移动性管理 覆盖范围大、远近效应不明显 基于时间、仰角等进行决策并指示UE进行切换 存量终端无改造的定制基站技术方案 终端为标准4G/5G终端，无需软硬件升级，为适应卫星通信场景，存量手机直连卫星模式完全依赖基站侧补偿及调控 11 600Km轨道高度、2GHz载波频率时，卫星多普勒可达±40K，远超存量终端频偏补偿能力为±1000Hz 网络侧补偿参考点频偏，终端基于相应参考点进一步补偿 •下行频域同步：网络侧针对小区中心（参考点）进行小区级别的补偿（如发送对应频偏的SSB），终端基于参考点（接收到的SSB）进一步补偿自身偏移量。因此要求波束中心点与边缘点频差需小于UE频偏补偿能力 •上行频域同步：终端针对参考点进行自身能力范围内的频率补偿，参考点频偏由网络侧进行后补偿。 经仿真分析，波束宽度小于2°时，可保证波束边缘点与中心点频差在UE补偿能力范围内，此时卫星天线直径为5.25米 存量终端无改造的定制基站技术方案 为保证波束边缘点与中心点频差在存量UE补偿能力范围内，卫星波束宽度应小2°，波束覆盖半径约10-30km（LEO-600） 波束中心点多普勒 波束中心点与边缘点频差 小区直径12 存量终端无改造的定制基站技术方案 为避免Preamblereceivingwindow发生交叠，网络侧应当根据实际情况配置对应的RACHOccasion周期设置 为满足定时器要求，星上处理模式下星地最大传播距离为1200km（轨道高度700Km@用户最小仰角30°/卫星视场角±58°） 存量空口协议方案：根据卫星高度配置RACHOccasion 1、针对Preamblereceivingwindow发生交叠问题，根据卫星高度配置RACHOccasion •小区覆盖半径大，小区中心UE和小区边缘UE基于基站时序在RACHOccasion发送Msg1后，基站侧收到Msg1的时间差（preamblereceivingwindow）将受时延影响变长。 •为避免Preamblereceivingwindow发生交叠，网络侧应当根据实际情况配置对应的RACHOccasion周期设置（最大160ms）。 2、针对RARWindow开启时间及窗口大小、ContentionResolutionTimer窗口大小不适配问题，限制小区边缘用户星地距离 •以LTE为例，LTE协议规定RARwindow最大为10ms。 •根据接收时间窗限制，考虑基站处理时延约约2-3ms，要求用户星地传播距离限制在1200km （星上处理）或600km（透明转发）以内 13 中国移动积极投入手机直连技术研究 在技术层面，开展NTN技术、存量终端、创新基地建设等关键技术研究 在标准层面，制定3GPP和CCSA等国内外标准，3GPP专利和文稿数均居运营商首位 在生态构建层面：产学研用协同，共同开展IOTNTN试点、智慧天网等工作 1 关键技术研究 •NTN技术：针对卫星通信问题进行空口协 议增强，开展时频同步、定时指示、HARQ增强、移动性增强等多个关键技术研究。 •存量终端直连卫星关键技术：面向存量终端直连卫星场景，开展网络侧进行适应性增强、相控阵天线等关键技术研究 •协同创新基地：打造实验室，联合产业共同 推动天地融合技术及产业成熟 标准化推动 •3GPP：布局40余篇专利和提交110余篇文稿，均居运营商首位，R17已完成NTN-NR、NTN-IoT标准制定 •CCSA：牵头立项NTN、存量终端直连卫星等行业标准，推动NTN国内标准落地 •ITU:牵头完成全球首个天地一体网络标准体系构建，提出固定、移动、卫星融合标准体系和天地一体5G网络标准体系 产业生态构建 •IOTNTN试点：联合产业开展3