5G NR-NTN协议学习系列：NR-NTN介绍（1）

目前最火热的通信网络概念应该是卫星通信，前有Elon Musk的Starlink火遍全网，后有3GPP作为蜂窝通信标准力推的Non-Terrestrial Network非地面网络（NTN）全面铺开。通过不同轨道高度的卫星，使得人类的通信活动范围大大扩展，不受地形地貌的限制，也不受地面网络覆盖限制，从沙漠到海洋，从森林到高山，只要有符合卫星通信协议的设备，时时刻刻都可以快速接入Internet。目前3GPP规范定义的NTN主要有两种，NR-NTN和IoT-NTN，前者主要针对eMBB类型业务的卫星通信，后者主要针对物联网设备类型的卫星通信，这里只讨论NR-NTN。

当前3GPP定义的NTN网络，主要的卫星轨道有：低轨LEO，中轨MEO，地球同步轨道GSO，地球静止轨道GEO。根据不同的轨道，频段，终端类型等因素，3GPP在SI的TR38.811中提出了5个潜在的部署场景：

国内前两年大肆宣传的手机卫星直连通话，实际是利用已有的GEO或GSO卫星，通过透明转发模式实现卫星通信。优点自然是能快速实现天地互连，因为卫星都是现有的。缺点也显而易见，端到端时延巨大，速率很低，手机时刻处于大功率发射状态。

基于目前3GPP规范定义的Terrestrial Network，NR NTN也有自身系统架构和组成模块。TS38.300给出的一个NTN系统构成如下图所示：

上图是3GPP目前定义的转发模式的NTN系统架构，即5G NR NTN基站还在地面，通过NTN getaway将5G NR NTN信号经过feeder link发送到NTN payload（即satellite），NTN payload再通过传统卫星通信的技术将信号进行中继，转发到NTN UE。这中间，NTN payload卫星对转发的信号是透明不感知的，只对信号进行射频滤波、频率转换和放大功能。

上述service link是与NTN终端相连接的链路，根据卫星信号地面覆盖区域的状态是否变化可以分为3类：

Earth-fixed覆盖，service link能提供时刻覆盖相同地面区域范围的卫星波束（最常见的就是GSO卫星）

Quasi-Earth-fixed覆盖：service link能在一段时间内为地面某块区域提供连续的覆盖服务。通过卫星上特定的机械或电调steerable波束在卫星某段运行期间，持续为地面特定区域提供服务。比如NGSO轨道上具备机械可调或电调波束角度的卫星。

Earth-moving覆盖：service link覆盖的范围会随着卫星在轨道上的移动而在地表滑动，比如NGSO轨道上没有可调波束角度的卫星。

卫星通信的频段一般有S, C, Ku, Ka等。3GPP在R17中定义的2个NTN band属于S频段。

对于卫星通信，比较重要的概念还有卫星星历信息（即用于形容卫星轨道数据的信息）。来源于16世纪天文学家开普勒用数学描述行星运行轨道的创新，人类第一次有了对于天体运动轨道的数学解释。地球卫星的运行轨道也一样遵循开普勒的数学描述。

3GPP定义的卫星星历信息，采用了2种不同的格式：ECEF格式和ECI格式。Earth-centered earth-fixed格式如下图所示

以地心为坐标的原点，卫星在围绕地球运行时任意时刻的任意轨道位置都可以用这个ECEF坐标系表达。

Earth-centered Inertial ECI格式星历，是区别于ECEF格式的一种不随地球旋转的惯性参考系，描述卫星在空间中的绝对运动。主要由6个主要参数构成，3GPP定义的RRC信令包括该格式的星历信息。

• 半长轴semiMajorAxis：轨道椭圆的半长轴长度，描述轨道大小

• 偏心率eccentricity：偏心率，描述轨道椭圆程度（偏离圆心程度）

• 轨道倾角inclination：轨道倾角，定义卫星轨道平面与地球赤道平面的夹角

• 升交点赤经longitude：轨道平面与赤道平面的交线在ECI坐标系中的方向，参考点为春分点，沿地球自转方向测量，下图中的Ω

• 近地点幅角periapsis：从升交点到近地点的角度，下图中的ω

  平近点角Mean Anomaly：用于决定卫星在轨道上的瞬时具体位置

这篇文章主要简单介绍了卫星通信的频段，卫星轨道的基本知识，下篇文章继续讨论NR NTN的内容。