基于3GPP技術(shù)的衛(wèi)星通信方案

22衛(wèi)星通信目前主要依賴專有解決方案，但這種狀況即將改變。網(wǎng)絡(luò)的支持，為衛(wèi)星、智能手機(jī)和其他大眾市場用戶設(shè)備之間的XIAOTIANFU,DAMANJITSINGH,IOANNISXIROUCHAKIS和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）用例提供增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶與此同時(shí)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以覆蓋地面程度）目前無法獲得服務(wù)的人群和企業(yè)提供33圖1現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)概覽導(dǎo)航、通信、監(jiān)視、天氣預(yù)報(bào)和應(yīng)急系統(tǒng)等服務(wù)[2]。圖1顯示了3種主要衛(wèi)星類型的軌道：和低地球軌道（LEO），并將其與商用飛機(jī)的（＞IoTWI工作項(xiàng)目44中地球軌道衛(wèi)星系統(tǒng)（如伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航））中地球軌道中也有一些用于通信服務(wù)的衛(wèi)星網(wǎng)軌道（GEO），時(shí)延只有其五分之一，數(shù)據(jù)速全軌道時(shí)間為90-120分鐘）才能保持在軌。低地球軌道衛(wèi)星可提供最低的時(shí)延和每秒數(shù)十衛(wèi)星要小得多，因此需要部署更大規(guī)模的衛(wèi)星此后，全球進(jìn)入了“新太空時(shí)代”。每年對大型低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的私人投資大幅增加，它們專注于使用現(xiàn)有的和計(jì)劃部署的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（如Starlink、OneWeb和AmazonKuiper等）為居民和商業(yè)用戶提供固定寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)（MSS）的下一個(gè)發(fā)展目標(biāo)3條發(fā)展路徑：傳統(tǒng)移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)（MSS）、將傳統(tǒng)MSS技術(shù)應(yīng)用到新型智能手機(jī)中。例如同時(shí)，傳統(tǒng)LTE發(fā)展路徑則專注于創(chuàng)建改造的造的LTE手機(jī)。它與5G-NTN發(fā)展路徑并行，運(yùn)營商可以與地面通信運(yùn)營商（CSP）合作，實(shí)現(xiàn)互利共贏。由于直接向智能手機(jī)提供衛(wèi)星服務(wù)在資費(fèi)和性能方面難以與現(xiàn)有的地面服務(wù)移動(dòng)寬帶（MBB）服務(wù)的補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)三方共贏。具體來說，地面通信運(yùn)營商可以無風(fēng)險(xiǎn)地讓用戶漫游到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，并從中獲得一定的收入分成；衛(wèi)星運(yùn)營商可以拓展比現(xiàn)有昂貴的專用設(shè)備更廣闊的潛在市場；設(shè)備廠商則可以生產(chǎn)能與衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同工作的設(shè)備，從而提升55201720182019202020212022–20252026–2030接入WI：服務(wù)要求WI：5G的衛(wèi)星通信集成WI：衛(wèi)星接入第二階段接入WI：服務(wù)要求WI：5G的衛(wèi)星通信集成WI：衛(wèi)星接入第二階段進(jìn)行中的或未來的工作WI：NRNTN解決方案WI：NRNTN演進(jìn)SI：場景和通道模型SI：NB-IoT和WI：IoTWI：NRNTN演進(jìn)考慮到地面網(wǎng)絡(luò)和非地面網(wǎng)絡(luò)的特性持，特別是高度在600公里以上的低地球軌道圖3展示了基于3GPP非地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)無線通信載荷通過所謂的饋電鏈路，借由衛(wèi)星向用戶設(shè)備（UE）提供通信服務(wù)。雖然3GPPRel-17規(guī)定了圖3左側(cè)所示的透明非地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，但是靈活的算法和增強(qiáng)功能也可以支持位于網(wǎng)關(guān)之后的地面上，衛(wèi)星只起到中繼器的作用。衛(wèi)星上能夠進(jìn)行的處理只有射頻處理，或者其中一部分，比如無線單元，這樣就可以鏈路類似于陸地上的前傳/回傳，而且不一定66非地面網(wǎng)絡(luò)饋電鏈路服務(wù)鏈路饋電鏈路處理和前傳報(bào)文非地面網(wǎng)絡(luò)非地面網(wǎng)絡(luò)處理非地面網(wǎng)絡(luò)處理衛(wèi)星間鏈路饋電鏈路服務(wù)鏈路服務(wù)鏈路圖3兩種非地面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)點(diǎn)幾乎是靜止不動(dòng)的，而低地球軌道衛(wèi)星則以每秒約8公里（每小時(shí)約30,000公里）的軌道上運(yùn)行。如果波束相對于衛(wèi)星是固定的，那么波束將掃過地球表面，導(dǎo)致頻繁的移動(dòng)性星的快速運(yùn)動(dòng)會造成高達(dá)25ppm（相當(dāng)于2G77移動(dòng)性是另一個(gè)非地面網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)有如基于接收到的下行信號強(qiáng)度進(jìn)行小區(qū)選擇。間段內(nèi)執(zhí)行切換，而后者則考慮了設(shè)備相對于其他的增強(qiáng)功能包括支持下行傳輸極化信號，延長或偏移各種定時(shí)器的起始，增強(qiáng)小區(qū)選擇/Rel-17版本還包括了對NB-IoT和LTE-M技術(shù)的一些適應(yīng)性改進(jìn)，使得它們能夠支持非地面是盡量跟隨新空口非地面網(wǎng)絡(luò)的工作，并采用網(wǎng)絡(luò)用例中的用戶設(shè)備可能并不需要持續(xù)不斷商部署更稀疏的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，減少衛(wèi)星的總數(shù)。一些信息（比如鄰近小區(qū)的衛(wèi)星星歷以及小區(qū)的覆蓋信息），這樣用戶設(shè)備就能夠預(yù)測它們88ITU-R期望mMTC能夠支持每平方公里最多500臺設(shè)備對于新空口非地面網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)非地面網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作將在Rel-18版本中繼續(xù)推進(jìn)。對于新空口非地面網(wǎng)絡(luò)，新的目標(biāo)主要是提高覆蓋功能（比如切換優(yōu)化），還有進(jìn)一步改進(jìn)間斷衛(wèi)星服務(wù)（MSS）的頻譜，另一類是用于提供屬于MSS類別，而Ka波段和Ku波段屬于FSS下行頻率為2,170MHz-2,200MHz）。這兩個(gè)頻分雙工（FDD）帶在每個(gè)鏈路方向上都提供了一來，從衛(wèi)星直接向手持設(shè)備提供服務(wù)的5G新空口非地面網(wǎng)絡(luò)就可以擁有大約80MHz的下行示例帶（n510-n512它們位于Ka用例需要使用帶有高增益天線的設(shè)備，例如極與地面5G網(wǎng)絡(luò)類似，非地面網(wǎng)絡(luò)旨在提供超越移動(dòng)寬帶的服務(wù)。國際電信聯(lián)盟無線電通信部門（ITU-R）概述了性能要求，旨在為移動(dòng)寬帶（MBB）、大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）和高可靠性通信（HRC）提供無處不在的、可靠的覆蓋[7]。該報(bào)告針對600km低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在30MHz載波上的運(yùn)行情況，詳細(xì)說明了其下行和上行區(qū)域流量容量分別為8kbps/km2和1.5kbps/km2。ITU-R期望mMTC能夠支持每平方公里最多500臺設(shè)備，而高可靠性通信用需要克服很多困難，因?yàn)檫@樣的連接會受到衛(wèi)星和設(shè)備之間的傳播損耗的影響。鏈路預(yù)算由多個(gè)因素決定，包括衛(wèi)星軌道高度、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)、天線的設(shè)計(jì)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的區(qū)域范圍角在30度左右時(shí)，可達(dá)到的吞吐量可能會降低99衛(wèi)星和終端之間的距離還造成了時(shí)延的增加。用戶體驗(yàn)到的總時(shí)延將根據(jù)衛(wèi)星相對于用戶和高度的低地球軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的往返時(shí)延將在決方案的主要優(yōu)勢是與大眾市場智能手機(jī)的即普通大小的智能手機(jī)也能享受全球數(shù)