深度解析 3GPP TR 21.918：5.3.1 NR NTN enhancements (NR NTN增强)
本文技术原理深度参考了3GPP TR 21.918 V18.0.0 (2025-03) Release 18规范中，关于“5.3.1 NR NTN enhancements”的核心章节，旨在为读者深度剖析5G新空口（NR）为更好地支持非地面网络（NTN）而在无线接入网（RAN）层面引入的一系列关键技术增强。
在前两篇文章中，我们探讨了5G系统如何利用卫星作为回传链路（5GSATB）以及如何应对不连续覆盖（Discontinuous Coverage）的挑战。这些讨论更多地聚焦于系统架构（SA）层面。然而，真正将5G信号送上星空，再精准地传送到地面终端，无线空口技术本身面临着前所未有的挑战。
今天，我们将引入一个新的主角——一架名为**“巡天者-01”**的先进地质勘测无人机。它搭载了最新的5G NR NTN模组，任务是在上一篇文章中提到的“云端之巅”景区及其周边进行高精度地形测绘和环境监测。这架无人机将带领我们飞越崇山峻岭，亲身体验在卫星通信场景下，5G NR所面临的种种无线挑战，并见证Release 18是如何通过一系列精妙的RAN侧增强技术来克服这些困难的。
1. “巡天者-01”的首要挑战：微弱的上行信号
“巡天者-01”在数千米的高空飞行，它需要将拍摄的高清图像和实时传感器数据通过卫星传回地面数据中心。由于无人机体积和功耗的限制，其发射功率远不及地面基站。信号需要穿越遥远的大气层到达数十乃至数万公里外的卫星，信号衰减极其严重。如何确保这微弱的上行“呼唤”能被卫星清晰地“听见”，是“巡天者-01”能否完成任务的生命线。
“NR NTN enhancements” (NR_NTN_enh) introduces enhancements for the support of non-terrestrial networks into the NR and NG-RAN architecture… These enhancements include: Offer increased uplink coverage performance especially when addressing commercial smartphones with -5.5 dBi antenna gain and 3 dB polarisation loss…
为了解决这一核心痛点，Release 18在RAN层面引入了专门的上行覆盖增强技术。
1.1 PUCCH重复发送：关键信令的“呐喊”
在“巡天者-01”与网络建立连接的“握手”过程中，物理上行控制信道（PUCCH）承载着至关重要的确认信息（HARQ-ACK）。如果这条信息丢失，整个接入流程就会失败。
Uplink coverage enhancements To improve NR uplink coverage in NTN, the following enhancements are introduced in Rel-18 :
- PUCCH repetition for Msg4 HARQ-ACK: • Supported number of transmissions are 1, 2, 4, 8. • … If multiple values from {1, 2, 4, 8} are configured via SIB, one of the multiple values is indicated in DAI field of DCI format 1_0… • A RSRP threshold can be configured via SIB…
这就好比在嘈杂的环境中进行重要对话，为了确保对方听到，我们会把关键的话重复说几遍。Rel-18引入的PUCCH重复机制正是基于这一思想：
- 重复的力量：网络可以通过系统信息块（SIB）为UE配置2次、4次或8次的重复发送。当“巡天者-01”发送Msg4的HARQ-ACK时，它会连续多次发送相同的信息，大大增加了卫星成功接收的概率。
- 智能选择：更智能的是，网络可以配置多个重复次数选项，并通过下行控制信息（DCI）动态地告诉“巡天者-01”当前应该使用哪个重复次数。
- 按需启用：为了节省不必要的功耗，网络还可以配置一个参考信号接收功率（RSRP）门限。只有当“巡天者-01”检测到信号强度低于这个门限时，它才会启用PUCCH重复功能，实现了精细化的资源控制。
1.2 PUSCH DMRS捆绑增强：数据传输的“稳定器”
不仅是控制信令，承载着高清图像的物理上行共享信道（PUSCH）同样面临挑战。卫星的高速移动导致无线信道快速变化，UE需要发送解调参考信号（DMRS）来帮助卫星（gNB）进行信道估计和准确解调。
- NTN-specific PUSCH DMRS bundling enhancement that enables DMRS bundling in presence of timing drift, whereby UE maintains phase continuity considering effects of transmission delay variation… to enable improved channel estimation.
由于卫星移动，从“巡天者-01”发出的信号到达卫星的时间会不断产生微小变化（timing drift），这会导致多个DMRS符号之间的相位不连续，就像一首歌的节拍忽快忽慢，严重影响信道估计的准确性。 Rel-18的DMRS捆绑增强允许UE在发送一捆（bundle）DMRS时，主动补偿这种时延变化带来的相位漂移，维持DMRS信号的相位连续性。这极大地提升了上行数据传输的稳定性和可靠性，确保了“巡天者-01”传回的每一帧图像都清晰可辨。
2. 飞向更高频段：FR2-NTN的支持
为了满足高清视频回传等大带宽需求，运营商决定在“云端之巅”区域启用更高频段的卫星服务，即工作在Ka频段（17.3 GHz - 30.0 GHz）的FR2-NTN网络。这对“巡天者-01”的机载终端——一个小型化的VSAT（甚小口径终端）——提出了新的要求。
NR-NTN deployment in above 10 GHz bands a.k.a FR2-NTN frequency range (17300 MHz – 30000 MHz) To support NR NTN deployment in FR2-NTN using FDD duplexing mode, the following aspects were considered in Release-18:
规范为此定义了一系列新的工作频段和终端类型。
2.1 新的FR2-NTN工作频段
规范首先通过表格定义了新的NR频段，为FR2-NTN的商业部署铺平了道路。
FR2-NTN 工作频段表
| 频段 | 上行频率 | 下行频率 | 双工模式 |
|---|---|---|---|
| n512¹ | 27.5 - 30.0 GHz | 17.3 - 20.2 GHz | FDD |
| n511² | 28.35 - 30.0 GHz | 17.3 - 20.2 GHz | FDD |
| n510³ | 27.5 - 28.35 GHz | 17.3 - 20.2 GHz | FDD |
NOTE 1: This band is applicable in the countries subject to CEPT ECC Decision… NOTE 2: This band is applicable in the USA subject to FCC 47 CFR part 25. NOTE 3: This band is applicable for Earth Station operations in the USA subject to FCC 47 CFR part 25…
这个表格不仅定义了频率范围，还通过注释明确了这些频段在不同国家和地区的法规适用性，例如欧洲的CEPT和美国的FCC，为全球化部署提供了依据。
2.2 VSAT终端类型定义
“巡天者-01”上的终端与我们日常使用的手机不同，它是一种VSAT。规范对不同场景下的VSAT进行了分类，以支持不同的卫星系统和波束控制方式。
VSAT 类别与类型
| UE 类别 | UE 类型 | 类型描述 |
|---|---|---|
| Fixed VSAT | 1 | 支持GSO和LEO，带机械波束调整天线 |
| 2 | 支持GSO和LEO，带电子波束调整天线 | |
| 3 | 仅支持LEO，带电子波束调整天线 | |
| Mobile VSAT | 4 | 支持GSO，带机械波束调整天线 |
| 5 | 支持GSO，带电子波束调整天线 |
Note: Assuming that UE has single beam towards one single satellite at a given time.
“巡天者-01”作为移动平台，显然属于Mobile VSAT类别。机械波束调整天线需要物理转动来对准卫星，而电子波束调整天线（如相控阵天线）则通过改变信号相位来快速调整波束方向。对于高速飞行的无人机来说，电子波束调整无疑是更优的选择，因为它能更快地跟踪和切换卫星。
3. “我是谁，我在哪？”：网络侧UE位置验证
“巡天者-01”在执行商业测绘任务时，出于空域管理和法规遵从（如合法监听、公共告警）的需求，网络运营商不仅需要知道它的位置，还需要有能力独立验证这个位置的真实性。不能仅仅依赖无人机自己上报的GNSS坐标。
Network verified UE location Release-18 introduced necessary enhancements to multi-RTT to support the network verified UE location in NTN assuming a single satellite in view. The target accuracy for position verification purposes is as documented in … TR 38.882 (i.e. 10 km granularity).
Rel-18为此引入了基于**多点往返时延（multi-RTT）**的网络侧验证机制。
- 原理：虽然天空中可能只有一颗卫星可见，但这颗卫星是在高速移动的。网络可以在卫星轨迹上的不同时间点（T1, T2, T3…）测量信号从卫星到“巡天者-01”再返回的往返时间。每一次测量都定义了一个以卫星为球心、以距离为半径的球面。多个这样的球面与地球表面相交，通过解算这些交点，网络就可以反推出UE的二维位置，并与UE上报的GNSS位置进行比对，从而完成验证。
- 精度：该机制的目标精度为10公里量级，足以满足大多数区域性的监管要求。
- 关键测量值：为了实现这一功能，规范定义了UE和gNB需要上报的一系列关键测量值，包括
gNB收发时间差、UE收发时间差、UE收发时间差子帧偏移和下行定时漂移等，这些都是进行精确RTT计算的基础。
4. 穿梭于天地之间：无缝的移动性管理
“巡天者-01”的任务路线漫长，它不仅要在不同的卫星波束之间切换（星间移动性），在任务结束返回地面基地时，还需要从卫星网络平滑地切换到地面5G网络（天地间移动性）。这些复杂的切换过程如果处理不当，将导致通信中断。
Mobility Management enhancements Mobility management enhancements to ensure service continuity covers inter-satellite, inter-gNB, inter-RAT.
Rel-18为这些复杂的移动性场景提供了全方位的解决方案。
4.1 天地切换（NTN-to-TN Mobility）
For the NTN to TN mobility, the Non-Terrestrial network may broadcast NR and EUTRA TN cell coverage areas and cell information in the new SIB25. The coverage information consists in a list of geographical TN areas, with associated frequency information. UE can reduce its power consumption by skipping TN measurement based on the TN coverage information.
当“巡天者-01”从高空接近地面基地时，卫星网络会在其广播的系统信息25（SIB25）中，告知无人机下方地面5G（NR）或4G（EUTRA）网络的地理覆盖范围和频率信息。这使得“巡天者-01”可以“心中有数”，在进入地面网络覆盖区后才启动对地面信号的测量，而不是在空中盲目扫描，极大地节省了电能。
4.2 RACH-less切换：高速移动的“绿色通道”
RACH-less handover is supported in NR NTN. It is a L3 mobility procedure that avoids a RACH procedure during the handover (between gNBs or during feeder/satellite switch), reducing random access congestion in the target cell.
传统的切换流程需要在目标小区执行一次随机接入（RACH）过程，这在高速移动的卫星场景下既耗时又容易因多个UE同时切换而产生拥塞。RACH-less切换则允许源gNB提前为UE在目标gNB“预定”好资源，UE可以直接接入，跳过了竞争性的RACH过程，大大缩短了切换中断时间，提升了移动中的业务连续性。
4.3 卫星切换与重同步（Satellite switch with re-sync）
规范原文中的“Figure 1 Satellite switch with re-sync”展示了一种更轻量级的切换场景。 在这种场景下，小区的物理小区ID（PCI）和gNB保持不变，仅仅是为这个小区提供信号的卫星（馈电链路）发生了切换。例如，从卫星A切换到卫星B。“巡天者-01”无需执行完整的切换流程，它只需要根据网络指示，重新与卫星B的信号进行时间和频率上的同步即可。这是一种非常高效的切换方式，适用于馈电链路需要频繁切换的场景。
5. 其他关键RAN增强
除了上述主要功能，5.3.1章节还涵盖了其他重要的RAN增强，例如在5.3.2 Introduction of the satellite L-/S-band for NR中提到的，引入对全球通用的卫星L频段和S频段的支持，以及将FR1频段的信道带宽扩展至30MHz等，这些都为NR NTN提供了更强的灵活性和更广泛的适用性。
总结
通过跟随“巡天者-01”的飞行任务，我们深入了解了3GPP Release 18在NR NTN无线接入网层面所做的深刻变革。从解决上行覆盖瓶颈的PUCCH重复与DMRS增强，到开辟FR2新频段并精细化定义VSAT终端，再到满足监管需求的网络侧位置验证，以及保障业务连续性的复杂移动性管理方案，每一项增强都精准地应对了卫星通信的独特挑战。
这些RAN层的“精雕细琢”，与SA层的宏伟架构相辅相成，共同构筑了5G NTN技术的坚实基础，让“巡天者-01”这样的智能终端能够真正实现“天地一体，无缝沟通”，将5G的能力边界扩展至前所未有的广阔空间。
FAQ - 常见问题解答
Q1：为什么在NTN场景下，上行链路（Uplink）的覆盖增强比下行链路（Downlink）更为关键和复杂？ A1：这主要是由通信链路的不对称性决定的。在下行链路中，发射端是卫星，它可以搭载较大尺寸的天线和功率放大器，拥有较强的发射功率。而在上行链路中，发射端是地面终端（如手机、无人机），受限于体积、功耗和成本，其天线尺寸和发射功率都非常有限。因此，从地面终端到卫星的上行信号经历了更严重的路径损耗，信号更微弱，更容易被噪声淹没。这就是为什么3GPP需要专门为上行链路设计PUCCH重复发送、增强DMRS等覆盖增强技术。
Q2：对于像“巡天者-01”这样的无人机，选择机械波束调整天线和电子波束调整天线（相控阵）的VSAT终端，会有什么本质区别？ A2：本质区别在于波束调整的速度和灵活性。机械波束调整需要物理转动天线碟面来对准卫星，这个过程相对缓慢，对于需要频繁切换卫星的LEO场景或自身在高速移动的平台（如无人机、飞机）来说，可能跟不上卫星的移动速度导致连接中断。而电子波束调整（相控阵天线）通过电子方式控制阵列中每个天线单元的信号相位，可以近乎瞬时地改变波束指向，无需任何物理移动。因此，它能极快地跟踪卫星、在多颗卫星间无缝切换，非常适合“巡天者-01”这类高速移动且需要高可靠连接的应用场景。
Q3：网络侧位置验证（multi-RTT）提到只用一颗卫星就能验证UE位置，这和我们通常理解的需要至少三颗卫星才能定位（如GPS）有什么不同？ A3：这是一个巧妙利用了“时间换空间”思想的机制。传统的GPS定位（或地面基站三角定位）是在同一时刻，利用UE到三颗或以上已知位置卫星（或基站）的距离来确定一个唯一的交点。而NTN的multi-RTT机制，是在不同时刻利用同一颗移动卫星来进行测距。因为卫星在轨道上高速飞行，它在T1、T2、T3时刻的位置是不同的、已知的。网络通过测量这几个时刻信号的往返时间，同样可以得到UE到三个不同空间位置点（即卫星在T1,T2,T3的位置）的距离，从而也能解算出UE的位置。本质上，它是用一颗卫星在不同时间的多个位置，模拟了传统定位中多颗卫星在同一时间的不同位置。
Q4：在NTN场景下，RACH-less切换（无随机接入切换）相比传统切换最大的优势是什么？ A4：最大的优势是显著降低了切换中断时间和避免了信令拥塞。在卫星高速移动的场景下，切换非常频繁。传统切换需要在目标小区执行一个带有竞争性质的随机接入（RACH）过程，这个过程本身就有一定的时延和失败概率。当大量UE（比如一架飞机上的所有乘客终端）随卫星波束一起切换时，同时发起的RACH请求会造成严重拥堵。RACH-less切换则通过预先分配资源，让UE可以跳过这个竞争步骤直接接入目标小区，过程更快、更确定，极大地保障了视频通话、在线游戏等时延敏感业务在高速移动中的连续性。
Q5：“天地切换”（NTN-to-TN Mobility）中，SIB25广播地面网络信息的核心价值是什么？ A5：核心价值在于提升切换效率和节省UE功耗。如果没有SIB25，一个从卫星覆盖区飞往地面网络覆盖区的UE（如返航的无人机或降落的飞机），它不知道地面网络何时可用、在哪个频率上。它只能盲目地、周期性地开启接收机扫描所有可能的地面频段，这个过程非常耗电且效率低下。有了SIB25，卫星网络会像一个“空中向导”，提前告诉UE：“前方50公里，在XXX MHz频率上，有地面5G网络覆盖”。UE收到这个信息后，就可以继续保持在卫星网络下与地面网络的“隔绝”，直到进入了预告的地理范围，才精准地在指定频率上进行测量和切换，整个过程智能、高效且省电。