孙滔：从NTN国际标准看5G-A/6G空天地一体化技术演进

从NTN国际标准看5G-A/6G空天地一体化技术演进 孙滔 中国移动研究院suntao@chinamobile.com 1 NTN发展背景 2 3GPPNTN标准化现状 3 总结与思考 2 直连卫星成为手机功能新热点 •当前手机直连卫星方案多采用卫星专用频段、协议及硬件 •主要提供应急呼叫、短信、语音对讲等窄带业务 SpaceX+T-mobile低轨移动通信 iPhone14+GlobalStar SOS应急服务 GalaxyS23+Iridium Android14紧急呼叫服务 5G+天通一号天地翼卡 手机+北斗一体机华为mat50 3 蜂窝通信和卫星通信走向融合发展 (198卫星与地面网络竞争阶段0～2000) 卫星作为地面网络的补充与延伸(2000～2018) 卫星与地面网络融合发展(2018～至今) 2G 3G 语音通话语音/短信多媒体/上网移动互联网物联网/智能社会 1960年代 1980年代 1990年代 2000年代 2010年代 2020年代 2030年代 6G 数字通信 模拟通信 1980年代 1G 4G 5GNTN 1965年 第一代通信卫星 高轨、模拟信号 1988年1993年 第二代通信卫星 数字信号终端小型化 1998年 第三代通信卫星 宽带和移动通信阶段 2018年 第四代通信卫星 低轨卫星互联网 InterSat1 固定终端 移动终端 高通量+手持化 美国星链系统 海事卫星系列我国中星卫星系列 美国卫讯和铱星系统中国亚太6D和天通一号 我国星网 4 NTN——非地面网络 •卫星通信网络：依托于星载平台 •高空平台系统承载于机载平台，包括飞机、气球和飞艇，将高空平台站作为移动通信基站，使用地面移动网络相同/不同频段提供移动服务 •ATG(AirtoGround,低空通信)，沿航路部署地面基站，并在地面基站与飞行器之间建立直接的无线连接 •无人机系统（UAV） NTN（NonTerrestrialNetwork）是所有涉及飞行物体网络的总称，包括卫星通信网络、高空平台系统、空对地网络以及无人飞行器等，具有距离远，移动快，覆盖广等特点 •NTN网络既可以单独部署，又可以作为地面网络的补充。 •因其广泛的服务覆盖能力、应对物理攻击或自然灾害的健壮性和灵活性，可以广泛应用在交通、公共安全、电子健康、 农业、金融、汽车等领域 LinXQ,RommerS,EulerS,etal.5GfromSpace:AnOverviewof3GPPNon-Terrestrial Networks[J].IEEECommunicationsStandardsMagazine,2021,5(4):147-153.5 NTN的两种架构 •“透明载荷”(Transparentpayloads)，也称作“透明转发”，把卫星仅当作信号中继的链路。5G基站作为地面网络的一部分部署在信关站的后面 •“可再生载荷”(Regenerativepayloads)，又称作“基站上星”，转换和放大的有效载荷，包括解调/解码、编码/调制等，相当 于在卫星（或UAS平台）上拥有全部或部分基站功能 注：参考引自TR23.7376 NTN架构的部署方式 方式1：透明转发部署方式 方式2：基站上星部署方式1—仅DU上卫星 方式3：基站上星部署方式2—整个基站上卫星 7 NTN的挑战——网络侧 移动性管理 QoS保障 多连接管理 会话连续性管理 卫星网络由于覆盖范围较大，可能超过一个PLMN的范围或者一个国家的范围。因此对广域覆盖管理下的跨网络漫游及跨国鉴权与计费等问题提出了挑战 卫星通信存在高时延、高丢包率和误码率特征，因此卫星链路可能无法为所有应用服务提供适当的QoS，如低时延应用等，因此对3GPP接入+地基核心网组网下的服务质量保障机制提出了挑战 用户可以同时利用卫星和地面蜂窝接入，流量可以在卫星网络和地面网络提供的两条链路上进行引导、切换或/和分配，如何应 用不同链路达到最佳的传输效果，对多连接提出了挑战 卫星网络由于覆盖范围较大，因此可以包含大量的各种类型的终端。由于卫星的移动导致大量终端的产生的会话在短时间内产生大量切换，因此对会话的连续性保障提出了挑战。 注：参考引自TR23.7378 NTN的挑战——RAN侧 高传输时延 多普勒频移 超大小区半径 移动性管理 GEO卫星的传输时延可达250毫秒以上（针对透明转发卫星），如此高的时延将极大地影响基站和手机间交互的时效性，特别是接入和切换等需要多次信令交互的过程。 非地球同步轨道卫星是相对地球高速运动会导致严重的多普勒频移。地面5G系统在一般场景下要处理的频偏是非常小的，即使是在高铁等特殊场景，也仅需考虑数千赫兹的频偏补偿。 地面蜂窝网络小区一般就几百米到几千米，超远覆盖也就到一百多千米；而NTN网络所涉及的小区的覆盖范围要大得多， LEO波束可达1000千米，GEO波束可达3500千米。 在移动性管理决策中，需要将小区的移动状态信息等纳入考量，避免不必要的切换或重选；另一方面，可进一步利用小区的移动状态信息，预先进行小区或波束切换，减少信令交互开销。 9 1 NTN发展背景 2 3GPPNTN标准化现状 3 总结与思考 10 Q1 Q1 Q1 Q1 Q1 SA SA1：T1 S22.26 SA1：TR22.822 SA5：TR28.808 SA5:TR28.841 RAN RAN：TR38.821 RAN：TR38.829RAN：TR36.763 RAN：TR38.863 RAN：TR38.211RAN：TR38.300 RAN：TR38.401RAN：TR38.101-5 …… RAN：TR38.811 SA2:TR23.700-28 SA2:TR23.700-27 SA2：TR23.737 SA1：TR22.865 SA1：TR22.926 Release19 Release18 Release17 Release16 Release15 3GPP的NTN标准相关工作 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 Q2 Q3 Q4Q1Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 Q1 Q2 Q3 Q4 SA从R15提出了卫星接入对5G网络的需求，R16研究卫星与5G系统的融合架构，R17明确了卫星网络作为接入和回传网络两种场景的需求和架构。R18支持部署在星上UPF的场景、架构和功能增强。 RAN从R15开展NTN需求场景研究，R16研究解决方案，R17面向GEO/MEO/LEO等场景、短信/语音/窄带/宽带等业务、1支1持L/S等频段，形成手机直连、透传模式、星地异频等标准；R18开展10GHz以上高频段部署、移动性、覆盖增强等技术研究 5G网络侧NTN的需求与场景 5G的第一版需求标准中（R15）即制定了卫星和5G融合的基本需求，相关的研究工作可以回溯到2015年（R14） 5G的第二版需求标准中（R16）详细制定了融合的用例、功能、性能等方面的需求 R15的22.261中一共规定了5G系统和卫星融合的3条需求 功能要求：5G系统应能够使用卫星接入提供服务 业务连续性要求：5G系统应支持5G接入与基于卫星的接入网之间的服务连续性 性能要求：为了使用卫星接入提供服务，5G系统的空中接口应支持最多280ms的单向等待时间 R16的22.822中定义了5G和卫星融合的3类共12大应用场景，梳理出连接管理、QoS、安全等5类共36个具体需求 1.Roamingbetweenterrestrialandsatellitenetworks2.Broadcastandmulticastwithasatelliteoverlay3.InternetofThingswithasatellitenetwork4.Temporaryuseofasatellitecomponent 5.Optimalroutingorsteeringoverasatellite6.Satellitetrans-borderservicecontinuity7.Globalsatelliteoverlay 8.Indirectconnectionthro5Gsate-accessnetwork9.5GFixedBackhaulbetweenNRandthe5GCore10.5GMovingPlatformBackhaul 11.5GtoPremises 12.Off-shoreWindFarms ServiceContinuityServiceUbiquityServiceScalability 1.Connectivityrelatedrequirements 2.Roamingrelatedrequirements 3.QoSrelatedrequirements 4.UErelatedrequirements 5.Securityrelatedrequirements 13 NTN对5G网络侧的需求与场景 以下为TR22.822在R16研究中的的6个典型场景 通过5G中继UE和弯管卫星实现UE连接5G网络 物联网应用 通过启用了5G卫星和中继UE与5G网络的互连 远程服务中心与离岸工厂的卫星连接 卫星跨境服务的连续性 卫星地面网络漫游 NTN对5G网络的KPI要求 TS22.261针对TR22.822对5G网络的连接、漫游、QoS、UE相关性能以及安全等技术提出的需求，详细给出了5G卫星网络的相关KPI参数值： 场景 体验速率 (下行) 体验速率(上行) 区域业务容量(下行) 区域业务容量 (上行) 活动因素 用户速度 用户类型 步行 [1]Mbit/s [100]kbit/s 1,5 Mbit/s/km2 150kbit/s/km2 [1,5] % 步行 手持 公共安全 [3,5] Mbit/ss [3,5]Mbit/s TBD TBD N/A 100km/h 手持 车辆连接 50Mbit/s 25Mbit/s TBD TBD 50% 高于250km/h 安装在车辆上 飞机连接 360 Mbit/s/plane 180Mbit/s/plane TBD TBD N/A 高于1000km/h 安装在飞机上 静止态 50Mbit/s 25Mbit/s TBD TBD N/A 静止 安装在建筑物 上 视频监控 [0,5] Mbit/s [3]Mbit/s TBD TBD N/A 高于120km/h 或静止 车辆安装或固定安装 窄带IoT连接 [2]kbit/s [10]kbit/s 8 kbit/s/km2 40kbit/s/km2 [1]% [高于100km/h] IoT 卫星接入网络是基于集成在最低限度的卫星上的基础设施，这些卫星可以在GEO、MEO或LEO上，并支持以 下能力： 基于GEO的卫星接入，端到端延迟最高可达285毫秒。 基于MEO的卫星接入，端到端延时可达95毫秒。 基于LEO的卫星接入，端到端延时可达35毫秒。 5G系统应支持服务质量的协商，考虑到延迟惩罚，以优化UE的QoE。 应支持5G卫星UE的高上行、高下行数据速率。 应支持至少99.99%的通信服务可用性 5G卫星接入的KPI要求14 NTN在无线侧的需求、信道模型 R15中，梳理无线网络融合的场景（eMBB场景共11个，mMTC场景共2个） 确定了典型场景下NTN部署方案，包括轨道、载波频率、波束模式、复用方式等 分析了信道模型，