【5G NB-IoT NTN】3GPP R17 NB-IoT NTN介绍及应用领域分析

3GPP R17 NB-IoT NTN介绍

一、NB-IoT NTN 架构

在3GPP R17协议中，将NB-IoT集成到了NTN（非陆地网络，即卫星通信）中，并定义了一个系统架构。在这个架构中包括一个可配置再生payload的低轨道（LEO）卫星，这意味着该卫星可以执行传统基站的全部或部分功能。该系统架构还可以适配同步轨道（GEO）卫星，这些卫星与LEO卫星类似，也可以配置再生payload。

系统	高度范围	轨道	波束覆盖范围
LEO	300~1500km	绕地球转	100~1000km
GEO	35786km	与地球自转同步	200~3500km

卫星在其覆盖区域产生若干点波束以增加其容量。这些点波束随卫星移动，每个点波束的大小取决于仰角和卫星配置。

二、物理层改动

NB-IoT支持450~2690 MHz的LTE频段，包括频分双工（FDD）和时分双工（TDD）模式。为使设计影响最小化，可以将对NTN的支持限制在现有的LTE频率范围内（约6 GHz），优先考虑FDD频段，因为在具有大往返时间（RTT）的NTN中支持TDD存在挑战。

在NTN中，与地面NB-IoT中典型的120公里小区半径相比，由于更大的波束半径和基站链路距离，时间至关重要。这会影响时间和频率调整机制，如定时提前（TA）和上行链路频率补偿指示。

通过全球导航卫星系统（GNSS）可以解决这些问题。例如，配备GNSS的设备可以在随机接入之前对RTT进行估计和预补偿，使基站接收机只处理很小的剩余定时误差。

三、高层修改

为了实现许多NB-IoT设备的低功耗运行，基于估计的服务链路传播时延和地理距离的小区选择和重选至关重要。网络的最大RTT和SNR是关键考虑因素。

因为覆盖范围扩大了，因此MAC、RLC、PDCP和RRC层中的定时器也需要调整。NTN中有3个定时器需要优化：

MAC竞争解决定时器；

MAC HARQ RTT定时器；

RLC 重排序定时器；

NB-IoT支持两个HARQ进程，但由于接收端复杂度增加，增加HARQ进程数量是不可行的。一种增强方案是禁用HARQ，让RLC自动重传请求（ARQ）管理重传。

最后，RRC层的广播信令需要更新为NTN特有的信息，包括卫星位置、最大RTT和每个小区的地理中心点。

四、基于NTN的NB-IoT优势有哪些

NB-IoT与NTN的集成带来了许多好处，超出了卫星和地面网络的传统用例。这种整合将彻底改变我们的沟通方式，特别是在偏远和难以到达的地区。

4.1 更好的覆盖和连接

与NTN相比，NB-IoT最显著的优势之一是提供更好的覆盖能力。这种技术可以覆盖到世界上人口稀少的偏远地区，而在这些地区部署地面网络的成本非常的高。它还可以覆盖飞机、远洋船舶和长途火车路线。因此，基于NTN的NB-IoT可以提供真正的全球连接，弥合地面和卫星通信之间的差距。

4.2 支持更大范围的应用程序

基于NTN的NB-IoT不限于物联网应用。最近的发展表明，NB-IoT还可以支持其它功能，如文本、语音通信和多播固件更新。从偏远地区的应急服务到汽车和海上风力发电场的自动软件更新，这种多功能性带来了更多潜在的应用。

4.3 更长的电池寿命

NB-IoT是一种低功耗技术，这意味着它可以支持电池寿命长达十年的连接设备。这一特性对于物联网应用尤其有益，因为在这些应用中，设备可能需要在充电的情况下长时间运行。

4.4 全球可用性

5G NB-IoT与3GPP标准的集成确保了该技术在全球范围内可用。NB-IoT（和LTE-M）是3GPP计划支持低功耗广域（LPWA）用例的唯一标准，使其成为全球接受的物联网应用解决方案。

4.5 实现新的和创新的解决方案

未来NB-IoT网络的强大和灵活性将导致新的、创新的解决方案的部署，这些解决方案以前是不可支持的，甚至是无法想象的。无论是用于紧急服务、关键任务情况还是简单的传感器监视，基于NTN的NB-IoT都可以建立自动或手动通信通道，创造新的用户体验。

五、性能分析

在将NB-IoT与NTN集成，需要考虑的关键因素是链路预算分析。基于NTN的NB-IoT链路预算分析涉及多个因素。发射信号的功率、天线的增益和损耗、由于传播造成的信号损耗（在NTN中尤其重要，因为信号可能需要在空间中传播很长一段距离），以及接收机的灵敏度都是至关重要的考虑因素。

发射信号的功率是一个关键因素。在基于NTN的NB-IoT中，信号可能需要在空间中传播很长的距离，这会导致显著的传播损耗。因此，发射机必须有足够的功率，以确保信号能以足够的强度到达接收机；

天线增益可以帮助补偿部分信号损失。高增益天线可以将信号聚焦得更窄，从而增加接收方向上的信号强度。然而，天线的损耗，如那些由于阻抗失配，也必须考虑；

接收机的灵敏度是另一个重要因素。接收机必须足够敏感，能够检测到信号，即使信号强度由于传播损耗等因素已经显著降低；

该分析对于评估基于NTN的NB-IoT的可行性和性能至关重要。但是我们如何衡量它的性能呢？让我们假设一个场景，我们想要计算NTN系统上的NB-IoT的链路预算。对于这个模拟，我们将使用everything RF网站上的链接预算计算器：

PTX：发射机的输出功率。在我们的模拟中，假设它是23 dBm；

GTX：发射机天线的增益。假设是14 dBi；

LTX：这些是发射机系统中的损耗。假设是2分贝；

LFS：这是信号在自由空间传播时发生的功率损耗。这个值取决于距离和频率。对于我们的模拟，我们假设它是148 dB；

LM：这些是系统中可能发生的其他损失。假设是3分贝；

GRX：接收天线的增益。假设是14 dBi；

LRX：这些是接收机系统中的损耗。假设是2分贝。

将这些值输入计算器后，计算得到的接收功率为-104 dBm。-104 dBm的接收功率对于许多低功耗的物联网应用（如NB-IoT）来说是相当低的，这意味着信号到达接收端时很弱。然而，NB-IoT被设计可以在如此低的信号强度下工作，它利用先进的信号处理技术从这些微弱信号中提取传输信息。即使信号很弱，只要超过接收器的灵敏度阈值（接收器正确解码信号所需的最小信号强度），就可以进行通信。对于NB-IoT，这个灵敏度阈值通常在-130 dBm到-140 dBm之间，因此-104 dBm的接收功率就足以成功通信。

六、技术挑战


路径损耗和多普勒偏移	该高度会导致高路径损耗和大RTT。低轨卫星的移动性给无线链路带来了非常高的多普勒偏移，同时也不可避免地要求所有设备频繁更换服务节点
更高的频率意味着更大的信号挑战	NB-IoT NTN将在2~4GHz之间的s频段开始工作，跨越传统的超高频（UHF）和超高频（SHF）频段。然而，更高的频率可能会影响全球范围内卫星连接的5G服务质量、效率和可靠性。3GPP和国际电联正在进行讨论，以解决频谱挑战及其如何影响NB-IoT连接
安全	随着联网设备数量的增加，物联网容易受到网络攻击。因此，需要采取认证、加密、防火墙等安全措施，防止数据泄露。
成本	对于需要低成本通信的应用，NB-IoT可能是最佳选择。然而，在蜂窝覆盖有限或不存在的偏远地区，卫星通信可能是唯一可行的选择，尽管其成本较高。
交互性	无论使用何种制造商或技术，物联网设备必须能够相互通信。标准化对于确保互操作性至关重要。
功耗	对于电池供电的设备，NB-IoT是比卫星通信更好的选择，因为它可以在低功耗下运行。相比之下，卫星通信需要更高的传输功耗，这可能会限制电池供电设备的寿命。
数据管理	物联网设备产生大量的数据，必须进行收集、分析和存储。这就需要能够处理大数据的数据管理系统。