5G衛(wèi)星非地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解析

衛(wèi)星通信可與 5G 技術(shù)相輔相成，提升 5G 的價值，并解決因基礎(chǔ)設(shè)施限制而造成的覆蓋難題和復雜用例。3GPP 5G 標準包括的 NTN 衛(wèi)星段是 5G 生態(tài)系統(tǒng)的一部分。

在3GPP 在Release-15中完成了 5G NR 技術(shù)的標準化，并在Release-15,16 等版本中進一步發(fā)展。支持非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）的 5G NR 系統(tǒng)一直是 3GPP 工作項目和研究的重要探索領(lǐng)域。如下圖所示，NTN 已成為任何可能涉及非地面飛行物體的網(wǎng)絡(luò)的總稱，其中包括衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)、高空平臺系統(tǒng) (HAPS) 和空對地網(wǎng)絡(luò)。

5G 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

3GPP TR 38.8211 提供了 5G 衛(wèi)星非地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通常包括以下6個要素。

1. 衛(wèi)星

衛(wèi)星重新創(chuàng)建從饋線鏈路到業(yè)務(wù)鏈路的 NR-Uu 無線接口，反之亦然。衛(wèi)星是一個在軌道上旋轉(zhuǎn)的收發(fā)器，可使用透明或再生（帶機載處理）有效載荷。衛(wèi)星通常在以其視場為邊界的服務(wù)區(qū)/區(qū)域內(nèi)形成多個波束。波束的足跡通常呈橢圓形。衛(wèi)星的視場取決于星載天線圖和最小仰角。衛(wèi)星可以是地球同步軌道衛(wèi)星，也可以是服務(wù)于某一區(qū)域的非地球同步軌道衛(wèi)星。

GEO地球同步軌道衛(wèi)星由一個或多個衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)提供信號，這些網(wǎng)關(guān)部署在衛(wèi)星的目標覆蓋范圍內(nèi)，如區(qū)域或大陸。我們可以認為一個小區(qū)中的 UE 只由一個衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)提供服務(wù)。

Non-GEO非地球同步軌道衛(wèi)星每次由一個或多個衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)連續(xù)提供服務(wù)。系統(tǒng)確保連續(xù)服務(wù)的衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)之間服務(wù)和饋線鏈路的連續(xù)性，并有足夠的時間進行移動錨定和切換。

2. 衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)：一個或多個衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)可將非地面網(wǎng)絡(luò)連接到公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

3. 饋送鏈路：饋送鏈路是衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)與衛(wèi)星之間的無線電鏈路。該鏈路可使用 NR-u

4. 衛(wèi)星間鏈路（ISL）：在衛(wèi)星群的情況下，ISL 是可選的。這就需要在衛(wèi)星上安裝再生有效載荷。ISL 可在射頻頻段或光頻段運行

5. 業(yè)務(wù)鏈路：業(yè)務(wù)鏈路也是一種無線電鏈路。它位于用戶設(shè)備（UE）和衛(wèi)星之間。

6. UE 或衛(wèi)星電話：用戶設(shè)備（UE）可以是衛(wèi)星電話，也可以是在指定服務(wù)區(qū)域內(nèi)提供必要支持的普通電話。

衛(wèi)星有效載荷和 3GPP 建議

衛(wèi)星有效載荷是指衛(wèi)星的功能/用途。通信衛(wèi)星有效載荷是指收發(fā)器和天線。根據(jù) 3GPP TR 38.821，衛(wèi)星有效載荷在上行鏈路和下行鏈路方向上實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換和射頻放大器，它相當于一個模擬射頻中繼器。

"從地球表面發(fā)射的電磁波由衛(wèi)星接收天線轉(zhuǎn)換成電信號，再由低噪聲放大器（LNA）進行信道濾波和放大。然后對信號進行頻率轉(zhuǎn)換。最后，高功率放大器（HPA）將信號傳輸?shù)桨l(fā)射天線，產(chǎn)生經(jīng)過重新處理的電磁波，射向接收站所在的地球表面。"

3GPP Release-16包括對以下兩種架構(gòu)的研究。

透明有效載荷

再生有效載荷

透明有效載荷

透明通信有效載荷的射頻濾波、頻率轉(zhuǎn)換和放大僅在衛(wèi)星上進行。因此，有效載荷重復的波形信號保持不變。

再生有效載荷

利用再生通信有效載荷，可在衛(wèi)星上進行射頻濾波、頻率轉(zhuǎn)換和放大以及解調(diào)/解碼、切換和/或路由、編碼/調(diào)制。這實際上相當于在衛(wèi)星上具備全部或部分 gNB 功能。

通過與不同工作組的研究和討論，3GPP決定在Release-17中將透明有效載荷方案標準化，而不將再生有效載荷方案標準化。

在衛(wèi)星上完成 gNB；

gNB-CU 在地面，gNB-DU 在衛(wèi)星上，這在處理 CU 和 DU 之間的F1接口方面面臨挑戰(zhàn)；

完整的地面 gNB。

衛(wèi)星上的 LLS（Low layer split）、RU（無線電單元Radio Unit），在處理 3GPP 未標準化的通用公共無線電接口 (CPRI) 接口方面面臨挑戰(zhàn)。

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審核編輯：湯梓紅