从NTN国际标准看5G-A-6G空天地一体化技术演进 2022 -中国移动

从NTN国际标准看5G-A/6G空天地一体化技术演进中国移动研究院suntao@11NTN发展背景223GPPNTN标准化现状总总结与思考23GalaxyS23+IridiumGalaxyS23+IridiumAndroid14紧急呼叫服务SpaceX+T-mobile低轨移动通信手机+北斗一体机华为mat50务iPhoneiPhone14+GlobalStarSOS应急服务55G+天通一号天地翼卡G第三代通信卫星第一代通信卫星第四代通信卫星G第三代通信卫星第一代通信卫星第四代通信卫星(198卫星与地面网络竞争阶段卫星作为地面网络的补充与延伸卫星与地面网络融合发展 0~2000)(2000~2018)(2018~至今)语音/短信多媒体/上网语音通话语音/短信多媒体/上网语音通话移动互联网数字通信模拟通信1960年代1980年代 2000年代2010年代2020年代数字通信模拟通信1960年代1980年代第第二代通信卫星数字信号终端小型化数字信号终端小型化固定终端移动终端海事卫星系列我国中星卫星系列InterSat1低轨卫星互联网美国星链系统我国星网高通量+手持化美国卫讯和铱星系统中国亚太6D和天通一号5LinXQ,RommerLinXQ,RommerS,EulerS,etal.5GfromSpace:AnOverviewof3GPPNon-TerrestrialdsMagazineNTN(NonTerrestrialNetwork)是所有涉及飞行物体网络的总称，包括卫星通信网络、•卫星通信网络：依托于星载平台段提供移动服务建立直接的无线连接的补充。等领域TR3.737•“透明载荷”(Transparentpayloads)，也称作“透明转发”，把卫星仅当作信号中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于在卫星(或UAS平台)上拥有全部或部分基站功能67方式1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方式3：基站上星部署方式2—整个基站上卫星注：参考引自TR23.7378会话连续性管理QoS保障会话连续性管理QoS保障移动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下的跨网络漫游及跨国鉴权与计费等问题提出了挑战此卫星链路可能无法为所有应用服务提供适当的因此对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卫星网络由于覆盖范围较星的移动导致大量终端的产生的会话在短时间内产的连续性保障提出了挑战。多多连接管理用户可以同时利用卫星和在卫星网络和地面网络提供的两条链路上进行引导、用不同链路达到最佳的传挑战9超大小区半径高传输时延超大小区半径高传输时延多普勒频移GEO卫星的传输时延可达250毫秒以上(针对透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。地面蜂窝网络小区一般就NTN网络所涉及的小区的覆盖范围要大得多，LEO束可达1000千米，GEO波束可达3500千米。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等特殊场景，也仅需考虑数千赫兹的频偏补偿。移动性管理将小区的移动状态信息等纳入考量，避免不必要的切换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。11NTN发展背景223GPPNTN标准化现状总总结与思考Q2Q3Q1Q2Q3Q4QQ2Q3Q1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4Q3Q4Q4Q1Q2Q3Q1Q2Q1Q2Q4Q3 Release16Release17Release18Release15202017202520162021201920202018202420222023QQ4ReleaseRelease19ATRSA2:TR23.700-27SA2:TR23.700-28SA5:TR28.841 RANTR11 RANTR00 RANTR.401 TS22.261RAN：TR38.821RANTR829RANTR811RANTR763RANTR863ATRATRATRATRGRGRGRG可以回溯到2015年(R14)R15的22.261中一共规定了5G系统和卫星融合的3条需求sRG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7.Globalsatelliteoverlay8.Indirectconnectionthro5Gsate-accessnetwork9.5GFixedBackhaulbetweenNRandthe5GCore10.5GMovingPlatformBackhaul7.Globalsatelliteoverlay8.Indirectconnectionthro5Gsate-accessnetwork9.5GFixedBackhaulbetweenNRandthe5GCore10.5GMovingPlatformBackhaul12.Off-shoreWindFarms6.Satellitetrans-borderservicecontinuity5.Optimalrouting6.Satellitetrans-borderservicecontinuityServiceContinuity1.Connectivityrelatedrequirements2.Roamingrelatedrequirements3.QoSrelatedrequirements4.UErelatedrequirements5.SecurityrelatedrequirementsServiceUbiquityServiceScalability通过5G中继UE和弯通过5G中继UE和弯实现UE连接卫星跨境服务的连续性TNG个典型场景网应用通过启用了5G卫星UE与5G网务中心与离厂的卫星连接PI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)活动用户速度用户类型步行[1]Mbit/s[100]kbit/sMbit/s/km2kbit/s/km2%步行手持公共安全[3,5]Mbit/ss[3,5]Mbit/sTBDTBDN/A100km/h手持车辆连接50Mbit/s25Mbit/sTBDTBD50%高于250km/h安装在车辆上飞机连接360Mbit/s/plane180Mbit/s/planeTBDTBDN/A高于1000km/h安装在飞机上静止态50Mbit/s25Mbit/sTBDTBDN/A静止安装在建筑物上视频监控[0,5]Mbit/s[3]Mbit/sTBDTBDN/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/s8kbit/s/km240kbit/s/km2[高于100km/h]IoT5G卫星接入的KPI要求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，这些卫星可以下能力：最高可达285毫秒。可达95毫秒。可达35毫秒。行数据速率。ü应支持至少99.99%的通信服务可场景共11个场景共11个，mMTC场景共25G服务5G用例卫星服务3GPP参考规范eMBBeMulticonnectivityBroadbandconnectivitytocellsorrelaynodeinunderservedareasincombinationwithterrestrialwireless/cellularorwirelineaccessfeaturinglimiteduserthroughput.TR22.864,§5.5:BackhaulingTR22.863,§5.6:FixedMobileConvergenceTR22.863,§5.7:Femtocell;TR22.863,§5.4:HigherusermobilityTS22.261(relatedto§6.3)eMBBeFixedcellconnectivityBroadbandconnectivitybetweenthecorenetworkandthecellsinun-servedareas(isolatedareas).TR22.863,§5.3:DeploymentandcoverageeMBBeMobilecellconnectivityBroadbandconnectivitybetweenthecorenetworkandthecellsonboardamovingplatform(e.g.aircraftorvessels).TR22.863,§5.3:DeploymentandcoverageTS22.261(relatedto§7.1)eMBBeNetworkresilienceSecondary/backupconnection(althoughpotentiallylimitedincapabilitycomparedtotheprimarynetworkconnection).TR22.862,§5.5:HigheravailabilityTS22.261(relatedto§6.3)eMBBeTrunkingBroadbandconnectivitybetweenthepublicdatanetworkandamobilenetworkanchorpointorbetweentheanchorpointsoftwomobilenetworksTR22.863,§5.3:DeploymentandcoverageeMBBeEdgenetworkDeliveryBroadcastchanneltosupportMulticastdeliveryto5Gnetworkedges.TR22.864,§5.4:Efficientcontentdelivery;TS22.261(relatedto§6.6)eMBBeMobilecellhybridconnectivityBroadbandconnectivitycombinedwithterrestrialcellularaccesstoconnectacell/groupofcellsorrelaynode(s)onboardmovingplatforms.TR22.863,§5.3:DeploymentandcoverageTR22.862,§5.5:Higheravailability;TS22.261(relatedto§7.1)eMBBeDirectToNodebroadcastBroadcast/Multicastservicetoaccesspointsinhomesoronboardmovingplatforms.TR22.864,§5.4:EfficientcontentdeliveryTS22.261(relatedto§6.6)mMTCmWideareaIoTserviceConnectivitybetweenIoTdevices(batteryactivatedsensors/actuatorsornot)andspaceborneplatform.Continuityofserviceacrossspaceborneplatformsandterrestrialbasestationsisneeded.TR22.861,§5.2:connectivityaspects;TR22.864,§5.6:AccessTR22.862,§5.1:HigherreliabilityandlowerlatencyTS22.261(§6.2.3Servicecontinuityondifferentaccesstechnologies)mMTCmLocalareaIoTserviceConnectivitybetweenmobilecorenetworkandbasestationservingIoTdevicesinacelloragroupofcells.TR22.863,§5.3:DeploymentandcoverageTS22.261(relatedto§7.1)eMBBeDirecttomobilebroadcastBroadcast/MulticastservicedirectlytoUserEquipmentwhetherhandheldorvehiclemounted.TR22.864,§5.4:EfficientcontentdeliveryTR22.862,§5.6:MissioncriticalserviceseMBBeWideareapublicsafetyAccesstoUserEquipment(handsetorvehiclemounted).TR22.862,§5.6:Missioncriticalservices;TS22.261(relatedto)eMBBeLocalareapublicsafetyBroadbandconnectivitybetweenthecorenetworkandthetacticalcells.TR22.862,§5.6:Missioncriticalservices;TS22.261(relatedto)1、透明转发2、星上处理卫星作为基站或者基站的一部分(如CU放到地面)ü基于星历信息/位置信息的切换和小区选择/重选ü适配较大传输时延差的测量配置机制üü基于星历信息/位置信息的切换和小区选择/重选ü适配较大传输时延差的测量配置机制ü终端结合卫星星历和自身位置信息实现自主时频预补偿ü最大HARQ进程数翻倍、HARQ反馈去激活p由于星地之间的超长传输距离造成传播时延增加，以及星地之间较快的相对移动速度造成频换切换，问题与需求现有地问题与需求p兼容GEO(同步轨道卫星)、LEO(低轨道卫星)、HAPS(高空平台)、ATG(民航地对空通信)等多种空天地通信场景ü通过支持多种星历信息格式隐式兼容ATG和HAPSü通过支持基站和地面网关共站址或拉远兼容多种部署方式效果与需求p考虑NB-IoT/eMTCUE特性(如低成本、低功耗等)及卫星通信特点(长时延、卫星移动等)的影响üNBIoT/eMTCUE结合GNSS定位和现自主时频预补偿ü稀疏部署卫星服务NB-IoT/eMTCUEüUE根据卫星星历信息、覆盖信息等预测非等面/用户面增强üGNSS有效时间上报(突发短包传输)üeMTC移动性基本复用R16CHO机制效果pR17继续这方面的研究工作和正式标准化工作(主要标准化了回传场景)案性管理KI1:MobilitymanagementwithlargesatellitecoverageareasSolution1:Position-basedandfixedTASatelliteAccess(alsousedforKI2)Solution#12"Satellitecellsfor5Gsatelliteaccesswithlargeormovingradiocoverage"KI2:MobilitymanagementwithmovingsatellitecoverageareasSolution7:Idlemodemobilityprocedurefornon-geostationarysatelliteaccessSolution8:5GCenhancementtosupportgNBsofNGSOSolution9:DistributedgNBforNGSOsatellitesKI6:RANMobilitywithNGSOregenerative-basedsatelliteaccessKI3:DelayinSatelliteSolution10：AddressingdelayinsatelliteKI4:QoSwithSatelliteaccessSolution2:AdditionofnewRATtypesatelliteKI5:QoSwithSatellitebackhaulSolution3:backhaultriggeredQoSadaption；Solution5:QoScontrolforsatellitebackhaulscenario；Solution#11:BackhaulQoShandlingbasedonAMFandUPFinformationSolution#14:"MobilityandQoSwithSatelliteAccess"KI8:TheroleofsatellitelinkincontentdistributiontowardstheedgeSolution6:Roleofsatellitebackhaulincontentdistributiontowardstheedge(重用ULCL和BP管理流程)KI7:MulticonnectivitywithsatelliteaccessSolution4:SupportofUPpathswitchbetweenSATRANandTERRANKI9:Multiconnectivitywithhybrid/terrestrialsatellitebackhaulNosolutionKI10:Regulatoryserviceswithsuper-nationalsatellitegroundstationSolution12:Satellitecellsfor5GsatelliteaccessSolution13:CountryspecificPLMNselection一个卫星的覆盖面积很大，甚至会跨越多国，5G的移动性管理设计并未考虑如此大的覆盖范围•当一个PLMN既有卫星接入又有3GPP地面接入时，UE在两种接入类型间的移动性管理问题解决方案：Position-basedandfixedTASatelliteAccess改变(指向固定TA)•因为波束的覆盖范围很大(大于地面网络常用的TA)，需要新的定位机•NG-RAN负责所有与卫星移动相关的内容，包括NGSO卫星的波束导向利用AMF代理支持NGSO星上利用AMF代理支持NGSO星上gNB•问题:卫星移动时的移动性管理messages•两种选项：MF•在GW部署AMF代理，用来处理N2信令并在gNB与AMF之间转发N2消息agent，对AMF之外的其他节点无影响正式标准化阶段未落地，可以考虑引入到6G中会话管理和QoS(1/2)›卫星作为接入typeSMFPCF›卫星作为backhaul(控制面/用户面感知采用了卫星回传，将该信息传给SMF等来辅助选UPF)AMFgNBSMFSMFPDUQoSSMF向PCF提供卫星回传信息›用户在普通基站和卫星基站/卫星回传的基站间移动SUERFSPUE回传场景作为回传场景作为R17的重点，标准化完成会话管理和QoS(2/2)»边缘计算场景下，边缘节点和核心节点之间通过卫星回传:–边缘UPF和核心UPF之间的接口、gNB和AMF之间的接口采用卫星回传完完全基于现有MEC标准，对网络没有任何额外要求受卫星RTT影响的timer和建议值5受卫星RTT影响的timer和建议值•卫星对NAS层定时器的影响(使UE和CN调整timer去适应卫星引入的worstcase时延)•三种时延来源：GroundtoSAT,ISL,SATtoGround；卫星做回传时可包括2种或3种时延•考虑WorstcaseRTT(GEO+三种时延)，暂不考虑卫星做回传的情况TUEtimer影响，其他timer不变，见下表•在注册流程，AMF决定UE使用哪种timer，UE通过地面接入使用regulartimer，UE通过卫星接入使用extendedtimerTimer#RTTspropagationdelay(Minimum)SuggestedTimervalueincrease5GMMUESideTimersT35105RTT5WCRTTT35173RTT3WCRTT5GMMAMFSideTimersNoneedforchanges,AMFdeterminesappropriatevaluesT35804RTT4WCRTT5GSMUESideTimersT35811RTT1WCRTTT35821RTT1WCRTT5GSMSMFSideTimerNoneedforchanges,SMFdeterminesappropriatevaluesFUERAtimer卫星作为Non-3GPPRAN的网管架构卫星作为Non-3GPPRAN的网管架构场景及各种场景下的网管需求卫星作为3卫星作为3GPPRAN的网管架构1.切片内无线网只包含卫星时的切片管理2.RANsharing且包含卫星基站时的切片管理3.包含卫星基站的切片时延管理4.同时包含地面基站、卫星基站的切片管理1.透明转发卫星的管理2.具备星上处理能力的卫星管理1.数据面时延2.平均下行时延3.多连接情况下的负载均衡管理10GHz以上高频段部署移动性增强覆盖增强UE10GHz以上高频段部署移动性增强覆盖增强UE位置验证IOT-NTN5G架构与卫星组件卫星回传组网综合考虑不同的部署类型(如VSAT,ESIM)，研究和定义3GPPNTN频段，支持新的部署场景cell的小区重选增强、连接态降低切换信令开销、空闲态降低功耗下不同速率对覆盖性能提出了不同求，研究降低极化损耗、功率提升、特定覆盖增强等网络侧验证UE位置信息以避免虚假或错误的UE位置，基于定位服务或RAN和终端直接信息交互验证位置非连续覆盖增强，进一步考虑在移动性管理和节约功耗方面的增强；性能增强(HARQ反GNSS发增强、eMTC移动性的增强)续覆盖下移动性管理的增强及节能、过载控制、回传链路感知(延时动态变化和/或带宽受限)策略/QoS控制增强，回传链路信息开放RG集成强最小化无覆盖时间和/或最小化功耗)据或接收寻呼等。UuN节能UE送UEunreachabilityperiod；NAS能参数。关键技术2：overloadimpactstoatargetRAT/PLMN•适用场景：凝视波束•AMF向UE发送waitrange；UE基于waitrange确定waittimer，并在恢复卫星覆盖时启动waittimer；在waittimer到期之前，UE不会发起NAS信令UPF上星支持卫星边缘计算nboardUPFactsasULCLBPandlocalPSAUPFdUPFactsasPSAUPFF为ULCL/BP或本地PSAUPF(SMF建立N9隧道)；星上UPF作为PSAUPF(SMF配置UPF的N4规则)等3GPPR19着重研究卫星的新能力等用，独立运行的GNSS，卫星接入的定位增强，同卫星下的UE组间通信•支持对时延不敏感业务的间歇/临时卫星连接•例如为卫星覆盖范围内的UE提供通信服务，而无需同时连接到地面•GNSS独立操作•没有GNSS接收器或无法访问GNSS服务时向UE提供卫星访问•定位增强NTN位能力增强，并确定NTN定位KPI•研究新的相关监管要求•同一卫星覆盖下的UE之间的通信•分析潜在的网络功能要求，例如关于时延的需求，可以考虑UPF等核心网上星的部署方案和场景1.卫星存储转发2.偏远地区IOT数据传输3.基于卫星临时本地网络组网4.远洋船只数据交互5.1.卫星存储转发2.偏远地区IOT数据传输3.基于卫星临时本地网络组网4.远洋船只数据