【学习笔记】卫星网络（NTN）的窄带物联网（NB-IoT）/增强型机器类型通信（eMTC）研究 -- 3GPP TR 36.763（一）

引言

在RAN#86会议上，针对物联网非陆地网络（IoT NTN）批准了一个新的研究项目，并在RAN#91中进行了修订[4]。在RAN#91中，有一封关于[91E][42][NTN_IoT_Roadmap]的电子邮件讨论，其中包括主持人的总结和GTW输入的最终提案[5]。

在RAN#91-e GTW会议中，主席在关于[50][New_proposals_approval]的电子邮件讨论中批准了一项未来工作提案[6]。其中包括RAN主席对NTN NR和NTN IoT的以下指导：

• RAN#92E（6月）将确定项目范围和计划，以便在现有的TU分配中提供NTN NR和NTN IoT（包括NB-IoT和eMTC）的基本最小功能。
• RAN#92E（6月）将进行详细的项目范围界定工作（NTN NR WID修订、NTN IoT WID批准）。

本文档的目标是基于Release-17 NR NTN WI[7]和Release-16 TR 38.821[8]的结果，研究一套必要的功能/适配，使3GPP Release 17的IoT NTN得以运行，并优先考虑卫星接入。

本研究的第一个目标是确定适用于NB-IoT/eMTC的场景[RAN1, RAN2]，包括：

• 6 GHz以下的感兴趣频段
• 带有PC3或PC5的设备类型（LEO和GEO）
• 卫星星座轨道LEO和GEO
• 透明有效载荷
• 链路预算
  注1：第一个目标将基于TR 38.821中记录的场景。
  注2：UE移动性假设遵循陆地NB-IoT/eMTC假设。

第二个目标是针对上述确定的场景，研究和推荐必要的更改，以支持通过卫星进行NB-IoT和eMTC通信，并尽可能重用TR38.821中为NR NTN进行的研究结论。该目标将解决以下问题：

• 与随机接入程序/信号相关的方面[RAN1, RAN2]
• 时间/频率调整机制，包括定时提前和上行链路频率补偿指示[RAN1, RAN2]
• 与调度和HARQ-ACK反馈相关的时间偏移[RAN1, RAN2]
• 与HARQ操作相关的方面[RAN2, RAN1]
• 与定时器相关的一般方面（例如SR、DRX等）[RAN2]
• 与空闲模式和连接模式移动性相关的RAN2方面[RAN2]
• 基于RLF的NB-IoT
• 基于切换的eMTC
• 系统信息增强[RAN2]
• 跟踪区域增强[RAN2]

注3：在本研究中，GNSS功能在UE中被视为一个工作假设，适用于NB-IoT和eMTC设备。根据这一假设，UE可以估计并以足够的精度预先补偿上行链路传输的时间和频率偏移。不同时假设GNSS和NTN NB-IoT/eMTC操作。

关于NB-IoT和eMTC的建议将记录在结论中。

参考文档

以下文件包含通过本文档引用而构成本文档条款的条款。

• 引用分为具体引用（通过发布日期、版次号、版本号等标识）和非具体引用。
• 对于具体引用，其后的修订版本不适用。
• 对于非具体引用，最新版本适用。若引用的是3GPP文件（包括GSM文件），非具体引用则隐含地指引用本文档同一版本中该文件的最新版本。

[1] 3GPP TR 21.905: "Vocabulary for 3GPP Specifications"

[2] 3GPP TR 38.811 v15.2.0: "Study on New Radio (NR) to support non-terrestrial networks (Release 15)"

[3] 3GPP TR 38.821 v16.0.0: "Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN) (Release 16)"

[4] RP-210868, "New Study WID on NB-IoT/eTMC support for NTN", MediaTek, RAN#91-e, March 2021

[5] RP-210915, "Moderator's summary for email discussion [91E][42][NTN_IoT_roadmap]", Ericsson (RAN1 Vice-Chair), RAN#91-e, March 2021

[6] RP-210906, Way forward on new proposals, Nokia (RAN Chair), RAN#91-e, March 2021

[7] RP-210908, "Solutions for NR to support non-terrestrial networks (NTN)", Rapporteur (Thales), RAN#91-e, March 2021

[8] 3GPP TR 38.821 "Solutions for NR to support non-terrestrial networks", V16.0.0 (2019-12)

[9] 3GPP TR 38.811 v15.2.0: "Study on New Radio (NR) to support non-terrestrial networks (Release 15)"

[10] 3GPP TS 37.340: "NR; Multi-connectivity; Overall description"

[11] R1-2103897, Rapporteur (MediaTek), Text proposal for TR 36.763 for RAN1#104bis-e Agreements, RAN1#104bis-e, Apr 2021

[12] 3GPP TR 45.820 v13.1.0: "Cellular system support for ultra-low complexity and low throughput Internet of Things (CIoT) (Release 13)"

[13] 3GPP TS 22.261: "Service requirements for the 5G system; Stage 1 (Release 16)"

[14] R2-1901404: "IoT Device Density Models for Various Environments", Vodafone, RAN2 #105

[15] 3GPP TS 36.331: "E-UTRA Radio Resource Control (RRC) protocol specification (Release 16)"

[16]                      3GPP TS 36.322: "E-UTRA Radio Link Control (RLC) protocol specification (Release 16)"

[17] 3GPP TS 36.323: "E-UTRA Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification (Release 16)"

[18] R2-2011275: "[IoT-NTN] Applicability of TR 38.821 (MediaTek)"

[19] 3GPP TS 36.304: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); UE Procedures in Idle Mode (Release 16)"

[20] 3GPP TS 36.321: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Access Control (MAC) protocol specification (Release 16)"

[21] R2-2106169: "Connection density evaluation for IoT NTN devices", Ericsson, RAN2 #114-e

[22] R2-2105662: "Paging evaluation for NTN IOT", Huawei, HiSilicon, RAN2 #114-e

[23] R2-2106729: "On Paging Capacity Evaluation for IoT-NTN", Nokia, Nokia Shanghai Bell, RAN2 #114-e

[24] R2-2105371: "Paging capacity evaluation for IoT NTN", ZTE Corporation, Sanechips, RAN2 #114-e

[25] R2-2104033: "Summary of [Post113-e][055][IoT NTN] Performance evaluation", Ericsson, RAN2 #113bis-e

[26] R1-2103962, Summary #3 of AI 8.15.1 Scenarios applicable to NB-IoT/eMTC, Moderator (MediaTek), RAN1#104bis-e, April 2021

[27] R1-2104573, Link budget result calibration Spreadsheet for IoT NTN, RAN1#104bis-e, April 2021

4 非地面物联网网络概述与场景

4.1 非地面物联网网络概述

非地面网络是指使用卫星上的射频资源构建的网络或网络段。

非地面网络为用户提供接入服务的典型场景如下所示：

图4.1-1展示了基于透明有效载荷的非地面网络典型场景

非地面网络通常包含以下要素：

• 一个或多个卫星网关，用于将非地面网络连接到公共数据网络。
• 一个地球静止轨道（GEO）卫星，由一个或多个卫星网关提供信号，以实现目标区域（如区域或甚至大陆范围）的卫星覆盖。假设一个小区内的用户设备（UE）仅由一个卫星网关提供服务。
• 一个非地球静止轨道（Non-GEO）卫星，依次由一个或多个卫星网关提供服务。系统确保在连续的服务卫星网关之间保持服务和馈电链路连续性，具有足够的时间来执行移动锚定和切换。也可以部署服务中断。
• 卫星网关与卫星之间的馈电链路或无线电链路。
• 用户设备与卫星之间的服务链路或无线电链路。
• 配备透明有效载荷的卫星。卫星通常在由其视场界定的给定服务区域内生成多个波束。对于低地球轨道（LEO），这些波束可以是地球固定波束或地球移动波束。波束的覆盖范围通常呈椭圆形。卫星的视场取决于其机载天线设计和最小仰角。
• 透明有效载荷：包括射频滤波、频率转换和放大。因此，有效载荷重复的波形信号保持不变。
• 在目标服务区域内的用户设备由卫星提供服务。

以下是可能列出的不同类型卫星：

Table 4.1-1: Types of NTN platforms

典型情况

• 地球同步轨道（GEO）卫星用于提供大陆、区域或本地服务。
• 低地球轨道（LEO）卫星星座用于在南北半球提供服务。在某些情况下，该星座甚至可以提供包括极地地区在内的全球覆盖。对于后者，这要求有适当的轨道倾角，并产生足够的波束。

4.2 物联网非地面网络参考场景

本技术报告中的研究考虑了非地面网络，这些网络为物联网服务提供对窄带物联网（NB-IoT）/增强型机器类型通信（eMTC）用户设备的接入，参考场景包括：

• 地球同步轨道（GEO）和低地球轨道（LEO）运行场景
• 无星间链路
• 透明有效载荷
• 固定波束或可控波束，分别在地面上形成移动或固定的波束覆盖范围
• 低于6GHz的感兴趣频段。

物联网非地面网络（IoT NTN）场景A、B、C和D包含在研究中，如下表4.2-1所示：

表4.2-1：物联网非地面网络参考场景

5 物联网非地面网络（IoT NTN）架构与功能

5.1 物联网非地面网络（IoT NTN）架构

支持通过EPC（演进的分组核心网）实现物联网非地面网络（IoT NTN）连接。
支持通过5GC（第五代核心网）实现物联网非地面网络（IoT NTN）连接。

5.2 物联网非地面网络（IoT NTN）用户设备（UE）功能

在本研究中，对于NB-IoT（窄带物联网）和eMTC（增强型机器类型通信）设备，用户设备（UE）中的全球导航卫星系统（GNSS）功能被视为工作假设。
不假设GNSS和NTN NB-IoT/eMTC同时运行。

5.3 物联网非地面网络（IoT NTN）特性

假设物联网非地面网络（IoT NTN）支持所有直至Release-16版本规定的蜂窝物联网特性。
假设NB-IoT多载波操作和NB-IoT单载波操作均作为基线支持。