5G NR-NTN协议学习系列：NR-NTN介绍（2）

NTN网络作为依赖卫星的通信方式，需要面对的通信距离，通信双方的移动速度都和之前TN网络存在巨大差异。在距离方面相比蜂窝地面网络Terrestrial Network通信距离从最小几百米到最大几十km的情况，NTN非地面网络的通信距离即使是近地轨道的LEO卫星轨道高度距离地面至少也有几百km的距离。这种程度的距离增长也相应影响到无线通信中两个关键的场景因素，电磁波的传播时延和电磁波的路径损耗。同时，由于移动速度方面的影响取决于卫星轨道，对于移动速度达到7.5622km/s的LEO低轨卫星，系统引入的多普勒频移也是非常大的。

传播时延：

由于卫星轨道高度的关系，NTN信号的传播时延不仅绝对值很大而且还会随着卫星轨道，时间和仰角的变化而变化（即在通信过程中系统的传播时延是时变的，且变化值不能忽略）。这一点与地面网络TN所遇到的情况有很大不同。前面提过NTN网络目前定义场景所使用的卫星类型有GEO，MEO，LEO三种，对于每种卫星轨道的高度和传播时延（单程和RTT）的计算如下图所示：

单程传播时延对于透明转发模式是指从地面NTN-Gateway到卫星再到NTN UE的传播时延，RTT是指单程+返程的总时延。对于regenerative模式单程传播时延是指从卫星到NTN UE的传播时延，RTT是指卫星->NTN UE->卫星的传播时延。实际的传播时延还需要考虑卫星与终端各自的处理时延以及空口发送数据与HARQ反馈的slot duration时间。

上表提到的Bent pipe指代透明转发模式，说明从NTN-Gateway到终端之间的通信链路就像一根弯曲的管子。作为管子上的弯曲点，卫星只负责射频信号的Receiving，Filtering，Amplification，Transmitting。Regenerative指代基站gNB位于卫星上，所有NR的空口处理都在卫星上完成，不需要地面的参与，地面与卫星的链接是作为基站的回传链路连接5GC核心网使用。

上一篇提到NR-NTN的卫星有3种不同的波束覆盖场景，而且由于卫星通信使用的波束beam覆盖范围很大，导致在同一个cell/同一个波束beam覆盖下，不同位置UE经历的端到端信号传播时延也会有非常大的差别。

GEO卫星的差分传播时延如下表所示：

NGEO卫星的差分传播时延如下表所示：

从上面可以看出，轨道高度越低，差分时延占比最大时延的比例越高。这很好理解，从卫星轨道与地面终端的简单几何关系图就可以理解。下图作为示例，可以看出不仅是轨道高度会影响差分时延，而且卫星仰角同样会影响差分时延。差分时延最大应该是卫星仰角最小时，处于椭圆形波束覆盖范围两端的UE之间的传播时延差值。不过规范是以卫星的天底(Nadir)点为参考点来计算整个覆盖范围内的差分传播时延。

除了差分传播时延外，NR NTN网络中终端体验到的传播时延本身也是随时间变化的。这背后是由于卫星轨道的轨迹所决定的。如下图所示，终端所观察到最大的传播时延RTT是在卫星的仰角刚刚超过最小仰角10°的时候，即卫星刚刚出现在地平线上的时候，也称为ingress点。随着卫星在太空轨道上运行，地面终端能看到卫星在天空中的位置越来越高，代表卫星越来越接近它的Nadir点，此时终端观察到的RTT也逐渐变小。当卫星越过Nadir点后，距离egress点越来越近，终端观察到的RTT也慢慢变大，直至卫星的仰角低于最小仰角10°的时候彻底消失在地平线。RTT的变化曲线是类似一个波谷的弧形。

综上所述NTN中的传播时延相比TN有显著特点，比如端到端传播时延绝对值巨大；链路传播时延不再相对固定而会随时间剧烈变化；同一个小区/beam波束内不同位置UE之间存在不可忽略的差值传播时延等。以上的特点都需要从协议角度进行标准化以使5G适应NTN应用场景，会在后续文章中继续讨论。

其他关于传播路径损耗和多普勒频移的简单介绍会在后续文章中继续。