NTN是什么，5G_NTN目前面临哪些问题和挑战

很多朋友对NTN是什么，5G_NTN目前面临哪些问题和挑战不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

在5G网络演进过程中，大家已经熟悉了万物互联的概念，未来6G的展望也提出了万物智联的场景。覆盖一直是移动网络需要解决的最重要的需求之一，全球大部分地区已经实现了较为完善的地面网络覆盖。然而，在沙漠、森林、海洋等地区，或者飞机、高铁等高速交通工具上，由于成本或物理限制，移动网络覆盖很难使用传统的地面基站。 5G网络中的NTN——非地面网络技术就是为了解决此类场景而诞生的。

NTN是什么？

NTN的全称是Non-terrescial Network，意思是非地面网络。顾名思义，与传统地面网络相比，它采用卫星和高空平台（HAP：卫星和高空平台）等典型技术参与网络部署。以卫星通信为例，理论上只需要三颗地球静止轨道卫星（GEO）就可以覆盖除极地以外的全世界，其优势不言而喻。目前，许多卫星通信系统已经商业化，如Iridium、Inmarsat、Thuraya、Starlink等。

卫星通信的技术框架和协议设计一直有很多参考地面蜂窝移动技术的地方。例如，早期的MSAT系统采用地面模拟蜂窝网络技术； Thuraya系统在设计过程中采用了与GSM/GPRS系统类似的GMR标准；卫星星座铱星和全球星的空中接口基于GSM 和IS-95； Imarsat-4卫星系统采用的IAI-2标准和ETSI发布的S-UMTS标准是基于WCDMA框架设计的； SkyTerra系统已经支持WiMAX和LTE服务。

随着5G的演进和发展，在5G标准内支持卫星通信、推进星地一体化势在必行。事实上，3GPP从R14就开始了星地融合的研究工作，随后成立了“NR支持非地面网络”项目，即面向非地面网络的5G新空口。

NTN解决什么场景？

目前可预见NTN适用的典型场景包括基站无法建设和基站损坏的情况，例如偏远山区、沙漠、海洋、森林的连续覆盖，或者基站在灾害中损坏时的应急通信。业界将NTN的典型场景概括为：全地形覆盖、信令分流、应急通信、物联网、广播业务等。

星地融合架构

NTN和TN的融合有很多灵活的方式，比如5GC共享、NTN接入共享、漫游和服务连续性、NTN回程等，如下图所示。

5GC共享结构意味着TN和NTN各自拥有独立的接入网络，但共享5G核心网络。 NTN接入共享结构意味着不同5G核心网的运营商可以共享NTN无线接入网络。漫游和业务连续性部署结构是指同一个多模终端，从TN网络漫游到NTN网络，或者从NTN网络漫游到TN网络，可以通过5G核心网之间的N26接口支持漫游终端的业务连续性。 NTN回程结构是指NTN网络充当从地面无线接入网到地面核心网的无线回程网络。至于NTN接入网本身，也有两种模式：透明转发模式，即卫星充当转发中继；信号再生模式，即卫星直接充当基站。目前3GPP Rel17主要关注透明转发结构。

5G NTN目前面临问题

无论是卫星通信还是基于飞行器的高空平台通信，其基本特点是平台与终端之间的距离明显大于地面基站，且平台本身经常高速移动。典型的低地球轨道卫星（LEO）的轨道高度为400-2000公里，而地球同步轨道（GEO）的轨道高度达到36000公里。更大的传输距离和更高的移动速度也带来了一系列问题。

01 NTN传输距离

a) 随机接入过程PRACH序列设计

在NR标准中，终端通过检测同步序列块（SSB，Synchronization Signal Block）完成初始下行时频同步，然后通过四步随机接入过程完成网络接入，其中随机接入前导码（PRACH 序言）设计是重点。传统的PRACH序列由ZC序列的多次重复组成，利用ZC序列的自相关特性来估计时频偏移。 NTN场景下，传播时延和频偏远远超出NR中PRACH序列的可估计范围，需要重新设计序列。

b) 随机接入过程确认等待

当前标准采用的四步随机接入流程中，终端发送Msg1和Msg3后，会等待一段时间才能收到基站的回复信息。如果等待时间超过设定阈值，则重新发起随机接入过程。 NTN场景下，信号传输时延比地面网络大，需要设置较大的等待时间阈值，否则终端会误认为信息丢失而频繁发起随机接入。

c) 上行定时提前量的获取

上行定时提前使得终端可以根据与基站的距离提前在不同的时间发送上行信号。最终，各个终端发送的信号能够近似同步到达基站，这是维持上行时间同步的重要机制。定时提前量的获取是基站在随机接入过程中通过接收Msg1来测量终端的上行提前时间。 NTN场景下，需要对帧格式进行优化。具体解决方法可参考a)中的解决方法。

d) 上行链路调度授权偏差

在原有的调度机制中，用户设备接收到基站的调度信息中的上行授权后，将在该授权信息指示的K2个时隙后发送上行数据。在NTN网络中，由于传输时延的大幅增加，导致用户设备后续上行定时提前量大幅增加，则可用于调度的K2取值范围将受到很大影响，因此偏移值K_offset为为了解决这个问题而推出，如下图。

e) HARQ机制

HARQ机制使得发送端可以同时发送多组数据，无需等待接收端返回确认信息，允许发送端重传错误数据，接收端进行组合检测。在NTN中，为了避免发送端因传播延迟大而长时间等待，需要增加HARQ进程的数量，同时增加存储空间。另外，也可以关闭HARQ功能，发送方在发送新数据时不再受到进程数的限制，避免了数据缓存，但鲁棒性会受到影响。为了保证一定的性能，可以采用较低的码率进行传输等手段。 HARQ可以根据应用场景通过信令灵活配置。在传播时延较小的场景下，例如LEO，可以配置为开启，在GEO场景下，可以关闭。

02 NTN高速移动

a) 上行时间同步

NTN场景下，卫星高速运动引起的多普勒频移高达数十甚至数百kHz，远远超过系统子载波间隔，导致上行频率严重失步。可以使用频率预补偿方案。各终端的频偏可以分为公共频偏部分和频偏值部分。在波束覆盖范围内选择一个参考点，测量卫星与参考点之间的频偏。偏移是常见的频率偏移。终端与卫星之间的实际频偏与公共频偏的差值即为频偏值。发送上行时，终端可以根据实际频偏进行预补偿，或者终端只根据频偏值进行预补偿，公共频偏由卫星侧统一补偿，从而达到上行频率同步。

b) 上行频率同步

虽然上行定时提前量的获取有所改善，但终端与卫星相对位置的变化导致上行定时出现偏差。卫星可以利用其他上行信号计算定时偏移变化，并将变化值发送给终端来调整上行定时提前量，或者将定时提前量的变化率发送给终端，终端可以独立计算调整量。

c) 移动管理

对于跟踪区域的设置和更新机制，可以考虑将跟踪区域与地理位置进行绑定，避免卫星移动导致的跟踪区域频繁更新。终端利用自身的位置信息，根据跟踪区域与地理位置的关联关系，确定是否发起跟踪区域更新过程。终端在进行测量和小区选择重选时，还可以利用星历信息来判断卫星的实时位置，引入终端位置作为NTN特有的触发测量上报的条件，上报卫星的位置信息。终端在测量报告中协助网络侧。法官。

d) 馈线链路切换

在NTN网络中，卫星的高速运动必然导致卫星在不同NTN GW之间切换馈线链路。馈线链路的切换方式与多种因素有关，如网络中卫星的工作模式是弯管转发还是信号再生、当前关联网关与待切换网关是否关联同一地面等。基站、卫星是否具备同时与两个网关链接的能力等。

NTN的前景

在5G时代以及随后的6G时代，地面网络大规模集约部署和能耗的缺点可以通过非地面网络来弥补，而3GPP非地面网络标准化带来的巨大市场也将促进其发展。进一步的发展。卫星通信在覆盖范围、可靠性和灵活性方面的优势可以弥补地面移动通信的缺点。星地融合可以为用户提供更可靠、一致的服务体验，降低运营商网络部署成本，连接空中、太空和地面。海多维空间，形成一体化泛在网络格局。

以上知识分享希望能够帮助到大家！