5G NR-NTN协议学习系列：NR-NTN介绍（4）

多普勒频移或多普勒效应是一种物理现象，最早是由奥地利数学家，物理学家Christian Andreas Doppler描述于1842年。

多普勒效应（Doppler effect）是波源与观察者有相对运动时，观察者接收到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。这种频率的改变随着两者运动的相对角度与相对速度而变化。

上图中多普勒频移的计算公式如下所示：

其中fc是载波频率，v是相对速度，θ是运动方向与电磁波传播方向的夹角，c是光速。

NTN不同于TN，卫星作为基站或者转发中继也是时刻在运动过程中的。所以不仅终端UE可能处于高速运动中比如UAV或飞机，作为网络基础设施的卫星也时刻处于高速运动中。这就引入了Doppler Rate即多普勒频移本身也是时变的，存在随时间不断变化的过程，Doppler Variation Rate。

基于NTN的特殊性，对多普勒频移构建的系统做了假定，UE和Sat的合并速度为Vsat，则NTN中多普勒频移的示意图如下：

将UE作为圆M上的一个点，Sat所在的圆是半径为R_E+h，R_E为地球半径，h为Sat轨道高度，O为地球球心，a为终端所在处该时刻Sat的仰角elevation angle。假定UE静止，经过处理后得出的多普勒频移计算公式如下所示：

由于多普勒频移的时变特性，在卫星从igress点到egress点移动过程中，多普勒频移绝对值会呈现下述特性。

由于相对速度大和使用高频率载波，当LEO轨道卫星与终端通信时，系统所展现的多普勒频移会非常严重。3GPP TR38.811针对静止UE与LEO卫星在3种不同工作频率上进行的仿真结果如下所示：

面对如此巨大的多普勒频移和多普勒频移率，势必需要卫星通信双方进行专门处理以保证通信的可能性。

1. 预补偿

    对于卫星载荷，可以考虑利用nadir作为参考，结合卫星自身星历信息，对载波频率进行预补偿。小区内其他位置的UE基于该预补偿的载波频率可以减少自身估计的压力。

    对于卫星终端，在进行UL发送前也可以结合自身GNSS信息和卫星星历信息对上行载波频率进行预补偿。每个终端都会基于自身与卫星的位置独立进行预补偿。

2. 频率跟踪

    双方需要在接收机使用高性能PLL和自动频率追踪AFT，以更准确的估计和跟踪载波频率的变化，反馈调整本地振荡器，以锁定到不断变化的载波频率。频偏估计在对抗多普勒频移和多普勒频移率方面尤为关键，对于卫星通信接收机是核心的性能指标。

通过4篇讨论，大致讲述了NTN卫星通信的一些基础概念，对卫星/轨道/星座/信道/链路预算/极化/频偏/时偏等做了简单的介绍。后面参考3GPP NTN协议，对NTN系统的各个方面做进一步的讨论。