【NTN 卫星通信】NTN Fixed Cell与Moving Cell方案（一）

1 Fixed Cell与Moving Cell方案定义

  地球固定小区方案（Earth Fixed Cell）: 是指将小区永久或在一定时间内固定在地球上某一位置的NTN方案。这可以通过卫星小区波束指向固定地面区域来实现。
地球移动小区方案(Earth Moving Cell): 是指卫星小区在地球上连续移动的NTN方案。卫星小区波束足迹在地面上扫过,小区的覆盖位置会随卫星的移动而移动。

2 基于LEO的 Earth fixed cell vs Earth moving cell

  在低轨道情况下，即使终端在地球上的某个特定点处于静止状态，NTN内的业务连续性也需要移动性管理程序，因为终端看到服务的低轨道卫星的仰角将低于最小仰角阈值。因此，所有的终端和它们的连接都必须转移到新卫星上的小区。
注:通常，低轨道星座的设计会满足在地球上某一点上连续的两颗卫星之间进行重叠覆盖，以便有足够的时间进行这种转移。
LEO with Earth fixed cells
  下图说明了卫星覆盖范围(由于其相对运动)相对于地球上的3 UE静态的位移。
卫星的覆盖范围覆盖地球表面。然而，卫星波束的小区和波束在地球上是静态的。它们不会扫过地球表面。一个小区可以由一个或几个波束提供。如下图所示:

图1 FixCell 卫星移动与小区覆盖示意图

  在地球上服务的卫星的覆盖范围用实线表示，而下一颗卫星在地球上的覆盖范围用虚线表示。
两颗卫星之间ue及其RRC连接的移动性发生在服务和下一颗卫星覆盖之间的重叠区域，其中每颗卫星提供一个地球固定小区。两个小区必须在一段时间内叠加，以支持两个卫星之间ue的移动性。因此，UE可以由两个小区中的任何一个提供服务。

图2 Fixed Cell T0终端用户由服务卫星提供的小区提供服务(卫星间终端用户不移动)

图3 Fixed Cell T1终端用户由服务卫星提供的小区提供服务(卫星间终端用户不移动)

图4 终端用户可以由服务卫星提供的小区和下一颗卫星提供的小区同时提供服务

图5 终端用户由下一颗卫星提供的基站提供服务，该基站成为服务卫星

  在图4中，两个卫星都提供一个具有特定PCI的单元，以便UE 1、2和3可以在两个卫星(服务卫星和下一个卫星)之间执行切换。
  当目标ue处于服务和下一个卫星覆盖的重叠区域内时，可以实现2颗卫星之间3个ue的迁移。图4说明了两颗卫星提供的两个重叠单元可以同时为目标ue提供服务的情况。
在重叠时间(两颗卫星提供的小区完全重叠)过去后，服务卫星将不再能够为目标终端(1、2和3)提供小区。因此，服务卫星将不再将相应的波束朝向到3个终端，而是可以将波束重新分配到另一个区域(如果有其他终端)。从3个ue的角度来看，这颗卫星不再是服务卫星。
同时，下一颗卫星继续提供服务3个ue的小区，从而成为服务卫星。

LEO with Earth moving cells
  下图说明了卫星覆盖范围(由于其相对运动)及其小区相对于地球上的3 ue静态的位移。
卫星的覆盖范围由其小区或者波束扫过地球表面。一个小区的覆盖可以由一个或几个波束提供。
在地球上服务的卫星的覆盖范围用实线表示，而下一颗卫星在地球上的覆盖范围用虚线表示。

  小区之间的移动性会发生，当它们被同一卫星或下一个卫星提供的新小区覆盖时，ue逐渐从一个小区转移到另一个小区。它可能需要由相同或不同相邻卫星提供的相邻小区之间的重叠。
在具有地面移动小区的LEO卫星的情况下，移动过程(例如切换、小区选择和重新选择)以与传统蜂窝网络相反的方式发生:在这种情况下，ue即使在移动，相对于地面卫星小区的运动而言似乎是相对静止的。在这种情况下，随着卫星小区在地面上的运动，ue遇到极快的小区选择和重新选择或移交，大约每7秒(取决于卫星的高度)。

图 6 Moving Cell UE由服务卫星提供的小区1提供

图7 MovingCell 2个终端由小区2提供服务，而u1由服务卫星的小区1和小区2提供服务

图8 ue1由服务卫星提供的小区2提供，ue3由下一颗卫星提供的小区1提供，而UE2由服务卫星的小区2和下一颗卫星的小区1同时提供

图9 ue1和ue2由下一颗卫星提供的小区1提供，ue3由下一颗卫星提供的小区1和小区2提供

  在图8中,UE-3位于两颗卫星的重叠区域,因此可以由两颗卫星提供服务,每颗卫星提供一个具有特定PCI的小区,以便UE-3可以在两颗卫星(服务卫星和下一颗卫星)之间执行移动性。请注意，两个卫星提供的小区不必完全重叠。它们彼此部分重叠可能就足够了。这取决于实现方式。

3 Fixed Cell与Moving Cell操作约束

重叠的时间
  在地球固定小区和地球移动小区两种情况下，LEO星座的设计都可以确保相邻小区之间和卫星覆盖之间有足够的重叠时间，从而实现ue的成功移动。这个持续时间将取决于卫星和小区的覆盖范围大小、每个小区和每个卫星的最大流量目标以及网络可以容纳的最大移交率。
Min elevation angle
  最大差分延迟取决于小区大小、最小仰角和卫星高度。最小仰角是指在最小角度下，卫星可以被UE和地平线看到。该参数与星座设计相关。
  对于给定的星座(相同的波束/小区大小，卫星高度和卫星数量)，最小仰角以及最大距离，最小和最大延迟对RTD的贡献对于地球固定和地球移动小区都是相同的。
假设相同的卫星高度，最大波束足迹尺寸(TR 38.821中的表4.2-2)和最小仰角，那么地球固定和移动小区方案中的最大差分延迟将是相同的。
  延迟对RTD的大小随卫星仰角的变化而变化。两种情况的变化率是相同的。然而，对于给定的小区，与地球移动小区相比，地球固定小区的UE可能会经历更高的这种变化幅度。这是因为在地球固定小区的情况下，与地球移动小区相比，地球固定小区为UE提供服务的时间更长

• 地球固定小区:给定小区为终端提供服务的时间=从终端角度观测卫星的持续时间=可达几分钟(600公里卫星高度和10°最小仰角)
• 地球移动小区:给定小区为终端用户提供服务的时间=与小区大小成正比，地面卫星速度=可达10秒(600公里卫星高度和100公里小区大小直径)

4 技术挑战

  对于Fixed Cell ，因为需要需要小区的覆盖位置不变，卫星在移动过程中，需要不断调整小区级波束的方向，当然这一点可能相对不存在特别大的技术风险；关键点在于，卫星移动到较远的另一个区域时，需要切换成另外的小区，这样就涉及到小区的删除、重新建立的过程，包括小区的PCI等怎么样设计和规划，都是比较复杂的问题；同时，因为小区不断地删减，小区内地用户全部都需要迁移到其他小区；对小区用户地维护也是很大地挑战。
  对于Moving Cell，小区随着卫星移动，覆盖区域不断变化，不存在需要小区不断删除建立地过程；但是对于如何寻呼小区内地用户、小区内用户地服务时长，切换频度等，都存在较大地技术挑战。

5 参考文献

3GPP 38.821
3GPP R2-1916351