51学通信

深度解析 3GPP TR 21.917：5.1.2 RAN aspects (NTN无线接入网技术揭秘)

23分钟阅读

深度解析 3GPP TR 21.917：5.1.2 RAN aspects (NTN无线接入网技术揭秘)

本文技术原理深度参考了3GPP TR 21.917 V17.0.1 (2023-01) Release 17规范中，关于“5.1.2 RAN aspects”的核心章节，旨在为读者深度揭秘为将卫星接入5G，无线接入网（RAN）层面所进行的精妙绝伦的技术革新。

1. “远征”号的新成员：一位RAN工程师的星空挑战

在上一章的故事里，“远征”号科考队的陈博士梦想着5G能覆盖到沙漠腹地。如今，梦想照进了现实。车队装备了一批全新的5G NTN（非地面网络）终端设备。为了驾驭这些“黑科技”，一位年轻而充满锐气的RAN工程师——王磊，也加入了团队。

王磊的任务，是负责保障车队与北京总部之间这条“天路”的畅通。他启动了终端，屏幕上显示“已连接 5G-NTN”，信号满格。但在他眼中，这满格信号的背后，隐藏着与地面通信截然不同的物理法则和协议挑战。

“博士，我们连接的这颗卫星，现在距离我们大概800公里，正以每秒7.5公里的速度从我们头顶飞过。”王磊指着终端上显示的卫星轨迹图，表情凝重。“这意味着，我们的无线信号一来一回要多走1600公里，会产生超过5毫秒的额外延迟；同时，巨大的相对速度会带来高达数十kHz的多普勒频移。这对传统的5G无线协议来说，几乎是‘不可承受之重’。”

王磊所面临的，正是3GPP Rel-17在NTN RAN层面需要攻克的最大难关。TR 21.917的5.1.2章节，正是为了驯服这些“时空涟漪”而谱写的技术篇章。现在，让我们跟随王磊的调试笔记，一步步揭开5G NR如何飞向太空的无线秘密。

2. 无线侧的独特挑战：来自星空的“三大考验”

在深入协议细节之前，王磊首先向团队科普了NTN无线环境的特殊性。这正是规范5.1.2章节开篇“Introduction”部分所强调的核心。

The addressed radio specifics of NTN compared to 5G terrestrial networks include

  • Delay variation, Doppler variation as well as possible Earth moving radio cells, due to the motion of space/airborne vehicles
  • Long latency due to the altitude of the space/airborne vehicles
  • Differential delay and possible multi country cell coverage due to larger radio cell size

【深度解读】

这段话总结了NTN无线接入必须面对的三大核心挑战，王磊将其称为“星空三考”：

  1. 超长时延与剧烈变化 (Long latency & Delay variation)：信号传播距离从数百公里（LEO）到三万六千公里（GEO），往返时延（RTT）从几毫秒到五百多毫秒不等。更致命的是，对于非静止轨道（NGSO）卫星，这个延迟还是剧烈变化的。

  2. 巨大频偏与剧烈变化 (Doppler variation)：卫星与地面终端的超高速相对运动，会产生巨大的多普勒频移。这会导致终端接收信号的载波频率严重偏离，无法正常解调。同样，对于NGSO卫星，这个频偏也是实时变化的。

  3. 动态变化的“移动小区” (Earth moving radio cells)：对于LEO/MEO卫星，其波束在地面上形成的覆盖区域（即小区）是高速移动的。终端可能在静止不动的情况下，几分钟内就要经历一次切换。

“传统的5G NR协议，是为相对静态、低时延的地面场景设计的。”王磊解释道，“定时提前（TA）补偿不了这么大的延迟，频率同步跟不上这么快的频偏变化，切换机制也无法适应如此频繁的小区变更。因此，Rel-17必须对整个RAN协议栈进行一场‘脱胎换骨’的改造。”

3. NTN无线架构：天地协同的艺术

要解决这些问题，首先要看清架构。5.1.2节的“Overall architecture and general aspects”和规范中的“Figure 1: Overall illustration of an NTN”为我们描绘了这幅天地协同的蓝图。

As illustrated in Figure 1, non-terrestrial access is provided by means of an NTN payload, i.e. a network node on-board a satellite or HAPS, and an NTN Gateway interconnected by a feeder link, the UE accessing NTN network services through the NTN payload via a service link.

【深度解读】

这套架构的核心角色分工明确：

  • UE（用户设备）：王磊手中的NTN终端。它必须具备GNSS定位能力，这是天地协同的基础。

  • NTN Payload（NTN载荷）：卫星上的通信设备。在Rel-17的透明转发模式下，它就是个“笨管子”，负责信号中继。

  • Service Link（服务链路）：UE与卫星之间的无线连接。

  • NTN Gateway（NTN网关）：位于地面的大型卫星站，通过大口径天线与卫星通信，并通过地面网络连接到gNB。

  • Feeder Link（馈电链路）：卫星与NTN网关之间的无线连接。

此外，规范还根据卫星波束与地球的相对关系，定义了三种服务链路（即小区）类型：

Three types of service links are supported:

  • Earth-fixed: provisioned by beam(s) continuously covering the same geographical areas all the time (e.g., the case of GSO satellites);
  • Quasi-Earth-fixed: provisioned by beam(s) covering one geographic area for a limited period… (e.g., the case of NGSO satellites generating steerable beams);
  • Earth-moving: provisioned by beam(s) whose coverage area slides over the Earth surface (e.g., the case of NGSO satellites generating fixed or non-steerable beams).

王磊看着终端参数，判断出他们当前连接的LEO卫星采用的是Earth-moving模式，卫星波束像一个巨大的手电筒光斑，在沙漠表面快速扫过。而高轨的GEO卫星，则可以实现Earth-fixed，像一盏长明灯一样，持续照亮一个固定的区域。

4. RAN协议栈的“魔改”：驯服时空涟漪

架构只是骨架，真正的血肉在于协议的实现。5.1.2节按照RAN协议分层，详细阐述了各项关键的增强技术。

4.1 RAN1（物理层）：与时延和频偏的正面交锋

物理层是这场战斗的最前线。王磊深知，如果同步和定时问题解决不了，一切上层通信都无从谈起。

To achieve uplink synchronisation, before performing random access, the UE shall autonomously pre-compensate the Timing Advance, as well as the frequency Doppler shift by considering the common TA (information from the gNB), the UE position, the satellite position and satellite velocity through the satellite ephemeris.

【深度解读】

这是NTN物理层的核心思想：基于GNSS的自主预补偿。

  1. 定时提前（TA）预补偿：在地面网络，TA由基站测量并告知UE。但在NTN，这个RTT太长，一来一回的测量会浪费宝贵的接入时间。因此，Rel-17规定，网络会通过系统广播（SIB）一个通用TA（common TA），这个值大致是卫星到小区中心的延迟。王磊的终端在接入前，会：

    • 通过GNSS获取自身精确位置。

    • 从系统消息中读取卫星的星历（ephemeris），从而计算出卫星的实时精确位置和速度。

    • 结合自身位置、卫星位置和通用TA，精确计算出自己到卫星的真实时延，并自主完成TA的预补偿。这样，它发出的上行信号抵达卫星时，时间就是精准对齐的。

  2. 多普勒频移预补偿：同理，终端也会利用自己和卫星的位置及速度信息，计算出实时的多普勒频偏，并在信号发送前进行预频偏，确保信号抵达卫星时，频率是“正”的。

除了预补偿，物理层还进行了其他重要改造：

  • 增强的定时关系：为了应对超长时延，HARQ、调度等流程的时序关系被重新设计。规范引入了多个新的定时偏移量（k_offset, k_mac, k_com），允许网络灵活配置，以“拉长”各种处理流程的时间线。

  • 灵活的HARQ机制：

    To mitigate the impact of HARQ stalling in NTN the HARQ feedback can be disabled … (e.g., in GSO satellite systems) and/or the number of HARQ processes for re transmissions at the MAC layer can be increased to 32 (e.g., in NGSO satellite systems).

    【深度解读】 对于GEO卫星，数百毫秒的延迟使得传统的停等式HARQ效率极低。因此，Rel-17允许禁用HARQ，将可靠性完全交给RLC层的ARQ机制。而对于LEO/MEO，为了避免因延迟导致HARQ进程“卡死”（stalling），Rel-17将HARQ进程数从16个增加到了32个，提供了更多的缓冲。

4.2 RAN2（MAC/RLC/PDCP/RRC）：移动性管理的重塑

物理层解决了“连接上”的问题，RAN2则要解决“连接好、不断线”的问题。王磊看着屏幕上卫星轨迹的预报，下一个卫星的切换将在5分钟后发生，他开始密切关注终端的移动性管理日志。

To enable mobility in NTN, the network provides serving cell’s and neighbouring cell’s satellite ephemeris needed to access the target serving NTN cell in the handover command.

…

Triggering conditions upon which UE may execute Conditional Hand-Over (CHO) to a candidate cell, have been introduced: event A4, time-based trigger condition, location-based trigger condition.

【深度解读】

NTN的移动性管理，引入了全新的维度：时间和空间。

  1. 基于星历的邻区测量：网络不仅会告诉UE邻区的频率和ID，还会下发邻区卫星的星历。这使得UE可以“预知”邻区波束何时会覆盖到自己，从而在正确的时间窗口进行测量。

  2. 基于时间/位置的切换触发：除了传统的基于信号强度的切换事件（如A3, A4），Rel-17新增了基于时间的触发（“在T1时刻之后的T2时长内，如果满足信号条件，则执行切换”）和基于位置的触发（“当UE距离某个地理坐标小于一定距离时，如果满足信号条件，则执行切换”）。这对于可预测的卫星轨迹来说，是一种极其高效和可靠的切换方式。

  3. 多TAC广播：从RAN2的视角看，这意味着gNB会在SIB1中广播一个TAC列表。终端的RRC层在收到这个列表后，会将其传递给NAS层，由NAS层来判断是否需要发起TAU流程。这完美体现了RAN与CN在解决同一个问题上的协同。

4.3 RAN3（网络接口）：让网络“理解”地理空间

RAN3负责gNB之间（Xn接口）和gNB与核心网之间（NG接口）的协议。在NTN中，RAN3的核心任务是引入“地理”的概念。

The Cell Identity, indicated by the gNB to the Core Network as part of the User Location Information corresponds to a Mapped Cell ID, irrespective of the orbit of the NTN payload or the types of service links supported. It is used for Paging Optimization…

【深度解读】

这里最重要的概念是映射小区ID（Mapped Cell ID）。

  • 问题：如果Cell ID直接与物理的卫星波束绑定，那么当卫星移动时，Cell ID在地面上也是移动的。核心网（AMF）在寻呼一个终端时，就无法根据一个移动的Cell ID来确定寻呼区域。

  • 解决方案：Rel-17规定，gNB上报给核心网的Cell ID，必须是一个映射到固定地理区域的ID。gNB会根据UE上报的GNSS位置信息，判断UE当前处于哪个预先规划好的地理网格内，然后将这个网格的ID作为Mapped Cell ID上报。

  • 效果：这样一来，从核心网看来，小区的拓扑结构就变回了地面网络那样“稳定”的状态。当需要寻呼王磊的终端时，AMF只需要向包含他最后所在地理位置对应的Mapped Cell ID的gNB发送寻呼消息即可，gNB再通过当时正在覆盖那个地理区域的卫星波束将寻呼消息发送出去。

此外，RAN3还增强了AMF选择机制，允许gNB在发现UE跨越国境时，能够触发向服务于新国家的AMF进行切换或重注册，满足了监管要求。

4.4 RAN4（射频与性能）：为“天线”立规矩

最后，RAN4工作组为NTN的硬件设备——终端和基站（在这里被称为SAN，Satellite Access Node）的射频性能制定了标准。

The considered operating bands in frequency range FR1 are defined in Table 1:

【深度解读】

王磊的调试笔记中，特别记录了RAN4的成果。首先是新的卫星专用频段。规范的“Table 1: Satellite operating bands”清晰地定义了两个新的FR1频段：

| Satellite operating band | Uplink (UL) operating band SAN receive / UE transmit | Downlink (DL) operating band SAN transmit / UE receive | Duplex mode |

| :--- | :--- | :--- | :--- |

| n256 | 1980 MHz – 2010 MHz | 2170 MHz – 2200 MHz | FDD |

| n255 | 1626.5 MHz – 1660.5 MHz | 1525 MHz – 1559 MHz | FDD |

这两个频段，即我们常说的S频段和L频段，是卫星通信的黄金频段。Rel-17将其正式纳入5G NR的大家族，为NTN设备的研发和认证提供了依据。

其次，RAN4为NTN设备定义了全新的射频指标和测试规范，这些规范被收录在两个新的TS文档中：TS 38.101-5（UE射频要求）和TS 38.108（SAN射频要求）。规范中的“Figure 2: Satellite Access Node (SAN) (from TS 38.108)”展示了SAN的构成，它不仅包括卫星上的NTN载荷，还包括了地面的gNB功能和网关。

5. 总结：RAN为5G插上翅膀

通过对5.1.2章节的深入剖析，王磊对NTN的无线技术体系有了全面而深刻的理解。他明白，5G能够飞向太空，绝不是简单地将基站搬到卫星上，而是在RAN层面进行了一系列精巧绝伦、环环相扣的“魔改”。

  • 物理层（RAN1） 通过“GNSS+预补偿”的核心思想，正面解决了时延和频偏这两大物理难题，为上层通信扫清了障碍。

  • 高层协议（RAN2/RAN3） 则通过引入“时间、空间、地理”等新维度，重塑了移动性管理、小区定义和网络信令，让传统的蜂窝网络模型能够无缝地适配动态的卫星拓扑。

  • 射频与性能（RAN4） 则为新的“天线”们——NTN终端和卫星接入节点，制定了明确的“游戏规则”，确保了硬件的互联互通。

王磊合上了他的调试笔记。此刻，他眼中的满格5G-NTN信号，不再仅仅是一个图标，而是由星历、GNSS、预补偿、映射ID等无数技术细节共同编织而成的一曲壮丽的“天地交响乐”。而他，作为一名RAN工程师，正是这曲交响乐的一位指挥家。

FAQ

Q1：为什么GNSS定位对于Rel-17的NTN终端是必不可少的？

A1：GNSS是Rel-17 NTN RAN解决方案的基石。首先，在物理层，UE必须依靠GNSS获取的自身精确位置，结合从网络获取的卫星星历，来自主预补偿巨大的上行定时提前（TA）和多普勒频移，这是建立上行同步的前提。其次，在RRC/NAS层，UE需要GNSS位置来支持基于位置的切换，并判断自己所属的地理跟踪区（TA），以决定是否需要发起跟踪区更新流程。

Q2：什么是“映射小区ID（Mapped Cell ID）”，它为什么很重要？

A2：“映射小区ID”是一个逻辑概念，它代表一个固定的地理区域，而不是一个物理上移动的卫星波束。gNB会根据UE的地理位置，将UE“映射”到对应地理区域的Cell ID上，并上报给核心网。这样做的好处是，从核心网（AMF）的角度看，网络拓扑是静态的，这极大地简化了寻呼（Paging）、区域限制等核心网功能的实现。否则，核心网将难以管理一个由无数移动小区组成的动态网络。

Q3：NTN中的切换和地面网络有什么不同？

A3：除了传统基于信号强度的切换，NTN引入了更高效的可预测性切换。由于卫星的轨道是精确可知的，网络可以预测一颗卫星的波束何时会离开、另一颗卫星的波束何时会进入。因此，Rel-17新增了基于时间的切换触发和基于位置的切换触发，使得切换决策可以提前规划，过程更平滑、更可靠。

Q4：为什么NTN中HARQ机制需要被修改，甚至被禁用？

A4：这是由卫星通信的超长时延决定的。对于GEO（地球同步轨道）卫星，信号往返时延高达数百毫秒，传统的停等式HARQ（发送数据 → 等待ACK/NACK → 重传）效率极低，一个数据包的重传周期太长。因此，对于GEO场景，Rel-17允许禁用物理层HARQ，将可靠性保证完全交给更高层的RLC协议。对于LEO/MEO卫星，虽然时延较小，但也比地面网络长得多，为了避免HARQ进程因等待反馈而被“卡死”，Rel-17将HARQ进程总数从16个增加到了32个。

Q5：n255和n256是什么？我的普通5G手机支持吗？

A5：n255和n256是3GPP Rel-17为5G NTN定义的两个新的专用NR频段，分别工作在L频段（1.5/1.6GHz附近）和S频段（2.0/2.1GHz附近），这些是传统的卫星通信频段。目前的普通5G手机的射频前端并不支持这两个频段，也缺少NTN所需的相关协议能力（如GNSS预补偿等），因此无法连接NTN网络。你需要购买专门为NTN设计的、支持这些频段和相应功能的5G终端。

关系图谱