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5G NTN与“手机直连卫星”快速原型

5G非地面网络(5G NTN)

  • 5G非地面网络(Non-Terrestrial Network, NTN)是一项旨在使5G用户终端(5G UE)连接到
    位于卫星上的非地面基站(5G gNB)的技术
  • NTN是3GPP R17版本的重要功能，在5G-Advanced中持续演进，已成为3GPP Release 18
    工作计划中的重要组成部分。NTN包括IoT-NTN和NR-NTN
  • 5G NTN的关键技术挑战是使5G NR gNB和UE适应于低轨卫星系统，而这些NTN功能仍然遵
    循3GPP的标准。具体来说，需要考虑在gNB和UE的不同协议层，如何适应卫星信道以及补偿
    低轨卫星高速运动带来的多普勒频移等

手机直连卫星

  • “手机直连卫星”在地面蜂窝网络覆盖不佳的偏远地区、海上、空中提供通信服务，或在地面通信设施被破坏时，提供应急通信
  • 当前手机厂商发布的 “手机直连卫星”技术实现的是窄带的文本信息服务，后续会向语音服务演进
  • 2022 年SpaceX 和 T-Mobile宣布了合作计划，将实现手机与卫星之间的文本或语音传输。
  • AST SpaceMobile的BlueWalker 3卫星天线面积为64平方米，最近宣布实现了语音通话功能

5G NTN与“手机直连卫星”快速原型_第1张图片

关键技术一：卫星与地面网络融合体制的技术演进

  • 卫星通信从私有通信协议到借鉴地面通信体制演进
  • 卫星通信从透明转发模式向星上处理方式演进
  • 卫星终端从专用终端到连接手机演进，服务从文本、语音到高速数据服务逐步发展
  • 低轨卫星的高速运动，以及卫星信道的特点，给5G与低轨卫星融合的通信体制设计带来诸多挑战

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5G NTN与“手机直连卫星”快速原型_第3张图片

非地面通信的端到端通信链路

基于MATLAB与SDR硬件实现全链路的原型验证
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基于NI软件无线电的通信原型验证

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应用案例：DVB端到端半实物通信原型(USRP)

将软件波形快速以空口射频形式传输

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DVB-S宽带卫星通信系统

大带宽高速率实时信号处理(调制解调，编码译码等) 模拟真实星上数传发射机、地面接收站或包括信关站、用户终端在内的宽带卫星通信系统

应用场合

  • 遥感卫星高速数传 (HDR)
  • 数字视频广播 (DVB)
  • 通信业务载荷测试
  • 低轨卫星宽带接入原型

主要特征

  • BPSK/QPSK/8PSK/16APSK/32APSK调制模式
  • 高达500MBaud符号速率 (2.5Gbps @ 32APSK)
  • 实时测量调制EVM，物理层BER，链路BLER
  • 依据CCSDS与DVB-S2标准
  • 可定制化二次开发

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星地超宽带信道模拟器

应用场合

  • 系统/网络级仿真：与NI现有端到端通信原型系统 (DVB, MF-TDMA, 4G-LTE, 5G NTN)结合，仿真验证整个网络系统性能.
  • 链路级仿真：在实验室内模拟外场环境，验证测试卫星通信载荷或地面终端实际性能.
  • 5G非地面网络(NTN) 与6G研究验证

主要特征

  • 通道数量：2收2发，4收4发
  • 实时带宽：500 MHz – 1GHz
  • 最大时延：1000 ms
  • 最大多普勒频偏：10 MHz
  • 最大多普勒扩展：4 MHz
  • 衰落模型： Rayleigh、Rice、Nakagami、Lognormal

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星地超宽带信道模拟器架构

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5G NTN的关键技术挑战

地面5G NR不能适应低轨卫星信道，需要在通信体制上演进，这也是3GPP所定义的5G非地面通信或5G NTN(Non-Terrestrial Network), 下面列出了部分需要克服的技术挑战。

物理层波形、算法

  • 大多普勒频移
  • 基于多波束的验证
  • 功率受限

随机接入过程

  • 定时提前(TA)
  • 随机接入算法

动态调度过程

  • MAC调度
  • HARQ
  • 干扰信号源
  • 频率管理与干扰

定制化设计与修改

  • …

5G NTN gNB/UE原型系统

  • 基于3GPP 5G NR协议，根据低轨卫星信道特点的定制化设计
  • 较为完整的物理层过程实现
  • 支持多波束设计与验证
  • 模拟多终端(USRP)与基站(PXI VST)的交互过程
  • 专用同步信号实现与星地宽带信道模拟器的同步
  • 为适应星地信道与低轨多普勒频移，在gNB和UE端，基于5G NR进行算法开发，并支持后续的二次定制开发

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Satellite-enabled 5G NTN原型与验证系统

  • 可用于5G NTN通信体制研究、设计与验证
  • 基于通用硬件模块开发的低轨卫星模拟器与星地宽带信道模拟器，具有灵活二次开发的特点
  • 基于SDR硬件的宽带用户终端模拟器，支持多用户场景扩展
  • 星地宽带信道模拟器在实验室模拟产生低轨卫星的通信信道
  • 可在实验室仿真低轨星座，用于验证手机/用户终端的原型机

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演示系统

  • 5G NTN gNB基站(卫星端)
  • 星地超宽带信道模拟器
  • 5G NTN UE用户终端

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NTN(Non-Terrestrial Network) 原型到测试

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关键技术二：相控阵是低轨卫星终端发展的关键\

  • 大带宽、全空域的终端天线技术是毫米波、太赫兹、6G等愿景的基石
  • 通信向大带宽、高频段发展的过程中，有限功率下的连接能力至关重要
  • 低轨卫星的高速运动，以及长距离通信都给连接能力提出了很高的要求

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TTD Digital Beamforming 真时延数字波束赋形

现状

  • 电扫多波束跟踪技术是卫星互联网普及的关键
  • 宽带波束成形中出现的beam-squint现象已被行业重视
  • 大带宽、全空域的终端天线技术是THz/mmWave/6G和全息
    通信等愿景实现的基石.

方案

  • 基于数字真时延技术的宽带多波束相控阵天线阵列架构

核心技术

  • 基于凸优化理论的可变分数延迟滤波器设计；
  • 基于多项式反演的通道一致性补偿技术；
  • 创新的多波束跟踪架构

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数字波束赋形架构

多波段/多波束真时延阵列架构

  • 多波段/多波束支撑；
  • 超宽带信息处理；
  • 400MHz的宽带解析能力.

5G NTN与“手机直连卫星”快速原型_第19张图片

数字波束赋形算法验证

验证场景：

  • 多波束真时延阵列架构宽带通信场景仿真
  • 仿真场景：阵元为128规模的宽带波束跟踪原型系统

验证结论：

  • 400M带宽内波束指向精准
  • 通信质量不因带宽增加而恶化
  • 宽带多波束场景中通信质量损失小

5G NTN与“手机直连卫星”快速原型_第20张图片

汽车雷达原型架构

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参考文献

https://www.matlabexpo.com/content/dam/mathworks/mathworks-dot-com/images/events/matlabexpo/cn/2023/cn-2023-expo-sh-track4-4-Rapid-Prototyping-on-5G-NTN-and-Direct-Connecting-Cell-to-Satellite.pdf

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