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技術(shù)
2024/7/30 15:35

香港應(yīng)用科技研究院:5G非地面網(wǎng)絡(luò)–連接地空天的"萬物互聯(lián)"新引擎

C114通信網(wǎng)  

通信隨著全球?qū)o處不在的連接需求日益增長,衛(wèi)星通信成為實現(xiàn)這目標的關(guān)鍵技術(shù)。5G衛(wèi)星通信能結(jié)合衛(wèi)星通信和傳統(tǒng)地面通信,利用規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)提升了衛(wèi)星通信的經(jīng)濟效益,這不僅推動了空天地一體化信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),還提高了整體系統(tǒng)的覆蓋能力、可靠性和應(yīng)用創(chuàng)新潛力,為未來智慧社會發(fā)展提供了重要支撐。這也是5G網(wǎng)絡(luò)演進的重要方向之一。

據(jù)全球行動通信系統(tǒng)協(xié)會等機構(gòu)統(tǒng)計通信,2020年無線通信技術(shù)覆蓋全球八成以上的人口,但僅覆蓋不到四成的陸地面積。海洋中的各類船只都有上網(wǎng)需求,而人跡罕至的陸地地區(qū)并非完全荒蕪,農(nóng)業(yè)、石油勘探和一些公用事業(yè)等應(yīng)用大多分布在這些地區(qū)。此外,洪水、地震、海嘯等自然災(zāi)害經(jīng)常會導(dǎo)致停電、斷網(wǎng)、斷路,給救援工作帶來困難。

5G非地面網(wǎng)絡(luò) (Non-Terrestrial Network, 簡稱 NTN) 可以提供一種能夠覆蓋全球、不受地面環(huán)境限制的通信網(wǎng)絡(luò)解決方案。同時,它還能利用現(xiàn)有全球移動網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng),使用通用設(shè)備將衛(wèi)星通信帶入主流市場,因此備受關(guān)注。

一、5G非地面網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢明顯、大勢所趨

傳統(tǒng)衛(wèi)星電話雖然可以實現(xiàn)連續(xù)通話和中低速數(shù)據(jù)傳輸,但由于定制化和高昂的價格,市場普及率不高。衛(wèi)星通信行業(yè)用戶相對較少,難以分攤系統(tǒng)和終端成本。此外,傳統(tǒng)衛(wèi)星電話與5G網(wǎng)絡(luò)不兼容,限制了其在現(xiàn)代通信領(lǐng)域的應(yīng)用。

衛(wèi)星通信與5G地面網(wǎng)絡(luò)的融合是未來發(fā)展趨勢。3GPP第17版標準提出將非地面網(wǎng)絡(luò)納入5G系統(tǒng)。通過地面5G網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星通信的結(jié)合,可以提供全球范圍內(nèi)無處不在的連接和覆蓋,成為地面網(wǎng)絡(luò)的重要補充。

衛(wèi)星軌道按高度可分為低軌、中軌、地球靜止軌道和高軌:

低軌衛(wèi)星:距地面高度低于2,000公里傳輸時延較低(一般少于10毫秒)。

中軌衛(wèi)星:距地面高度在2,000公里至35,786公里之間,傳輸時延一般少于50毫秒。

地球靜止軌道衛(wèi)星:距地面高度為35,786公里,鏈路損耗較大,信號傳播時延一般超過250毫秒。

高軌衛(wèi)星:距地面高度大于35,786公里應(yīng)用范圍較窄,技術(shù)應(yīng)用相對較少。

5G NTN的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,包括汽車和公路運輸、海上和航空運輸、公共安全、媒體和娛樂、電子健康、能源、農(nóng)業(yè)和金融等。通過這些應(yīng)用,5G NTN將為各行各業(yè)的發(fā)展和進步提供有力支持。

二、5G NTN實現(xiàn)架構(gòu)

5G NTN的實現(xiàn)包含三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(見下圖):

1. 衛(wèi)星回傳 (低軌衛(wèi)星/中軌衛(wèi)星/地球同步衛(wèi)星,LEO/MEO/GEO):通過衛(wèi)星鏈路提供遠距離5G基站到核心網(wǎng)的連接,適合偏遠地區(qū)部署5G網(wǎng)絡(luò),有效實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋。

2. 透明載荷 (又稱“透明轉(zhuǎn)發(fā)”):將衛(wèi)星僅當作信號中繼鏈路。5G基站作為地面網(wǎng)絡(luò)的一部分,部署在信關(guān)站的后方,衛(wèi)星則只負責(zé)將手機和信關(guān)站之間的信號進行流暢轉(zhuǎn)發(fā),不對信號進行任何處理。優(yōu)點是可利用現(xiàn)有衛(wèi)星設(shè)備,技術(shù)實現(xiàn)相對容易,成本較低;缺點是衛(wèi)星和基站之間路徑較長,傳輸時延較大,不支持衛(wèi)星間協(xié)作,且需要部署大量信關(guān)站。

3. 可再生載荷(又稱為 “基站上星”) :將5G基站部署在衛(wèi)星上,使衛(wèi)星間的星間鏈路類似于地面基站間的接口,衛(wèi)星和信關(guān)站間的饋電鏈路成為基站與核心網(wǎng)之間回傳網(wǎng)絡(luò)的一部分。優(yōu)點是手機與衛(wèi)星基站間時延較短,且由于存在星間鏈路,可減少信關(guān)站的部署;缺點是必須對衛(wèi)星進行改造并重新發(fā)射,涉及復(fù)雜技術(shù)和高昂成本。

  5G NTN架構(gòu)場景

三、從地面網(wǎng)絡(luò)向非地面網(wǎng)絡(luò)演進的挑戰(zhàn)

隨著地面網(wǎng)絡(luò)向非地面網(wǎng)絡(luò)的演進,出現(xiàn)了一些新的問題和技術(shù)挑戰(zhàn),例如:

1. 高傳輸時延:對于透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星,地球同步軌道衛(wèi)星的往返傳輸時延可達500毫秒以上,嚴重影響基站和手機間的實時交互,因此需要對相關(guān)協(xié)議流程進行改進或重新設(shè)計,以提高時效性。

2. 多普勒頻移:非地球同步軌道衛(wèi)星相對地球高速運動,導(dǎo)致嚴重的多普勒頻移現(xiàn)象。地面5G系統(tǒng)通常處理的頻偏非常小,即使在高速列車等特殊場景下,也只需要考慮數(shù)千赫茲的頻偏補償。

3. 超大小區(qū)半徑:地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)半徑通常在幾百米到幾千米之間,超遠覆蓋也就到100多公里,而非地面網(wǎng)絡(luò)小區(qū)的覆蓋范圍要大得多,LEO波束可達1,000公里,GEO波束可達3,500公里。衛(wèi)星小區(qū)中心和邊緣之間存在明顯的時延差異,而5G作為同步通信系統(tǒng),需要加強同步機制,以避免用戶之間的干擾。

4. 移動性管理:非地球同步軌道衛(wèi)星相對于用戶而言具有高速運動性,導(dǎo)致頻繁的小區(qū)切換和重選等移動性問題。為了解決這個問題,一方面需要避免不必要的切換或重選,另一方面可以進行預(yù)先的小區(qū)或波束切換,以減少信令交互的開銷。

四、應(yīng)科院與業(yè)界緊密合作、系統(tǒng)研發(fā)5G NTN技術(shù)

應(yīng)科院正在積極研發(fā)5G NTN的基站、核心網(wǎng)、和終端三個方面的工作。

1.5G NTN 基站物理層參考設(shè)計

應(yīng)科院目前正在開發(fā)透明載荷架構(gòu)的5G NTN基站原型,以衛(wèi)星為中繼。該原型旨在改進協(xié)議流程,緩解高傳輸時延的影響。同時,應(yīng)科院還致力于增強同步機制,減小由于超大小區(qū)半徑引起的時延差異。具體改進內(nèi)容如下:

a)支持所有頻率范圍的頻分雙工(FDD,以滿足衛(wèi)星通信頻率要求。最大帶寬為400 MHz,在120 kHz子載波間隔(SCS)下實現(xiàn)最短的處理時間。

b)支持具有擴展循環(huán)前綴(ECP)的正交頻分復(fù)用(OFDM)信號,以減輕地理上相距較遠的衛(wèi)星通信設(shè)備之間上行鏈路時序差異引起的干擾。

c)支持增強數(shù)據(jù)信道的發(fā)射器和接收器,以適應(yīng)衛(wèi)星通信傳播特性,包括滿足3GPP關(guān)于衛(wèi)星通信所有頻段性能要求的接收機信道估計和補償算法,并支持最多32個混合自動重傳請求(HARQ)進程,即在等待確認/否認確認(ACK/NACK)時可以發(fā)送32組數(shù)據(jù)。

d)支持多種硬件平臺,實現(xiàn)供應(yīng)鏈多元化,應(yīng)科院的5G基站設(shè)計了兩種主要的硬件平臺,一種是主流芯片平臺,另一種是采用在內(nèi)地設(shè)計和生產(chǎn)的芯片組,包括ARM CPU和FPGA的硬件平臺。

2.5G NTN 核心網(wǎng)和邊緣計算

在核心網(wǎng)方面,應(yīng)科院致力分段支持三種5G NTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu):

a)短期內(nèi)針對衛(wèi)星回傳,增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋:通過5G和WiFi接入對偏遠地區(qū)提供局域網(wǎng),利用數(shù)據(jù)加速和邊緣計算,提供基本可用的通信網(wǎng)絡(luò)。

b)增強已有核心網(wǎng)功能,為中長期做準備:針對透明載荷和可再生載荷,重點解決NTN無線接入的挑戰(zhàn),以降低長傳播延遲的影響,并優(yōu)化移動性管理策略,確保用戶能夠享受到高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)體驗。

c)支持衛(wèi)星和機載 5G 基站(透明和再生)接入和衛(wèi)星回傳:滿足各種延遲、移動性接入和服務(wù)質(zhì)量要求,邊緣計算與衛(wèi)星接入,實現(xiàn)高覆蓋,高效、低成本,可擴展的內(nèi)容數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)交付。

3.5G NTN 可配置終端

應(yīng)科院還研發(fā)了5G NTN可配置的終端參考設(shè)計,以支持與不同技術(shù)條件的衛(wèi)星系統(tǒng)之間的通信。可配置終端參考設(shè)計的具體內(nèi)容包括:

a)具備上行時間和頻率預(yù)補償功能:上行鏈路利用終端位置和衛(wèi)星星歷信息和其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)自行估計連接延遲,從而及時進行上行發(fā)送提前補償。同時,根據(jù)終端位置/速度和衛(wèi)星星歷信息自行估計多普勒頻移,進行上行頻率補償。

b)增強型隨機接入過程從而應(yīng)對大傳播延遲:包括隨機接入信道(RACH)接收場景的優(yōu)化以及前導(dǎo)碼映射法,增強RACH響應(yīng)的監(jiān)測適應(yīng)能力,覆蓋增強的觸發(fā)條件和機制。

c)增強信道狀態(tài)信息(CSI)反饋選擇:包括增強的CSI的信道估計,基于預(yù)測的CSI反饋,以及可配置的信道質(zhì)量指標(CQI)反饋的可設(shè)置的區(qū)塊錯誤率(BLER)目標。

  應(yīng)科院5G NTN 技術(shù)一覽

總之,應(yīng)科院在5G NTN的基站、核心網(wǎng)和終端方面進行了全面的研發(fā)工作。通過改進協(xié)議流程、增強同步機制和優(yōu)化移動性管理策略,應(yīng)科院致力于提供高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)連接和用戶體驗。同時,應(yīng)科院還致力于與行業(yè)合作,推動基于5G NTN標準的定制化基站和終端的開發(fā)。通過持續(xù)的研究和創(chuàng)新,相信5G NTN將會迎來更加廣闊的應(yīng)用前景。

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寫得不太好

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