【NTN 卫星通信】NTN Fixed Cell与Moving Cell方案（二）

1 引言

  对于地球固定小区（Fixed Cell），小区将相对于地球固定，而对于地球移动小区(Moving Cell)，小区将随着卫星覆盖移动。

2 最小仰角路损比较

  对于地球固定小区，假设这些小区从卫星在地平线上处于一定仰角的时间开始固定在地球上的某个位置，直到同一颗卫星在相反的地平线上达到相同的仰角。在那个时间点，另一颗卫星接管，所有RRC连接的ue被移交给新卫星上的新小区。
  地球固定小区的一种可能实现是，每个小区的ue由提供最佳链路预算信号的卫星或具有较高仰角的卫星处理(注意，由于卫星波束指向的方向，两者不一定相同)。一般来说，卫星选择的准则是一种实现方式，取决于各个公司的产品实现。
  对于地球移动小区，我们假设小区跟随卫星覆盖，并以卫星的速度移动，即7.5公里/秒。地面固定小区和地面移动小区的示意图分别见图2和图3。图2还显示了相对于卫星覆盖范围内的小区的最小和最大仰角。距离卫星较远而卫星在地平线较低的小区，仰角最小。最大仰角是卫星正好在小区上方的时候。

图1 Fixed Cell 方案

图2 Moving Cell 方案

  无论小区是地球移动还是地球固定，位于小区中的ue的仰角都是与单元相关联的卫星进行计算的。如果卫星波束对地球固定和地球移动小区都直接指向地球，并且从路径增益的角度来看，总是连接到最好的卫星，那么最小仰角是相似的。
  同时，最小仰角会因卫星的覆盖范围大小而变化，波束可能不会直接指向地球。表1显示了低轨道卫星处于600公里高度时归一化的最大和最小自由空间路径增益(无阴影、无障碍物、无大气影响，始终为LOS)。路径增益归一化为最大仰角时的路径增益，此时路径增益最大。这个路径增益对于所有不同的情况都是一样的，在地球固定小区和地球移动小区中也是一样的，因为它只取决于仰角。

3 切换率

  在地球移动小区的情况下，卫星覆盖范围内的ue必须随着小区覆盖面积的移动而逐渐切换。
  在地球固定小区方案中，只有卫星覆盖边界小区内的终端需要进行切换。

  地球固定小区的切换率(即每单位时间内经历切换的用户数量)可以更低，因为同一颗卫星和小区可以在特定区域服务更长时间。
  尽管平均切换率是相同的，但其行为略有不同:在地球移动的小区中，ue必须随着小区覆盖区域的移动而逐渐移交;而在地球固定小区方案中，与地球移动小区方案相比，所有终端都需要在相对较短的时间内从新卫星移交给新小区。

4 卫星波束指向误差

  除了前面讨论之外，由于卫星波束指向方向的误差，实际的切换次数可能更大。其影响如图3所示，其中在平坦地球假设下，不同波束指向误差下，波束直径位移和波束直径拉伸作为仰角的函数表示。
  我们假设在最低点(仰角90°)，小区直径为50km;这也意味着朝向卫星覆盖边缘的波束直径更大。正如预期的那样，当卫星以较低的仰角接近地平线时，波束位移(波束中心移动的程度)和波束拉伸(波束直径变化的程度)会增加。这将导致终端用户切换，因为小区的服务区域发生了变化，并且还可能导致相邻卫星的波束之间的干扰问题(假设来自同一卫星的所有小区的波束指向误差相同)。例如，在地平线以上30°仰角时，考虑波束指向误差为1°时，位移高达45 km，与单元直径(50km)相当。

图3 小区中心位移与仰角关系

波束指向误差观点1：
  卫星波束指向误差对地球固定小区和移动小区都有影响。然而，在地球固定小区场景中，由于在卫星间小区切换过程中需要重叠的小区面积，因此更容易受到卫星波束指向误差的影响。
波束指向误差观点2:
  对于地球固定和地球移动小区方案，低仰角波束宽度调整可能有利于避免由于卫星波束最低点角度变化而导致小区拉伸。

5 Fixed Cell 方案和Moving Cell 方案对NR的影响

  Fixed Cell 方案和Moving Cell 方案对NR的影响如下表所示：

7 移动性增强

  根据上一节的影响分析，推断出解决不同问题所需的因素和对NR标准的影响。如下表所示：

8 技术挑战分析

  1、对于地球固定小区方案，用户切换到邻居小区可能是突发进行的，需要在较短的时间内进行，对于产品的实现是有技术风险的，尤其是再后面用户数较多的场景。
  2、对于地球固定小区方案，需要小区不断删建，不断建立和删除PCI不同的小区，而删建小区的时间一般可能需要到分钟级，这对于产品如何管理这些小区的删建，也是重要的技术挑战。
  3、对于Moving Cell 小区方案，如何维护Track Area是不太明确的，也是一大技术挑战。
  4、对于两种方案，都需要面对仰角较小时的波束误差，可以通过控制小区波束宽度的方  式来控制这个误差，这就需要仰角变化时，波束的宽度和方位角都需要同时变化，对于星载天线和波束设计等，都存在较大的技术挑战。

9 参考文献

3GPP 38.821
3GPP R2-1916240