【NTN 卫星通信】NTN的SSB波束探讨

1 概述

SSB是同步广播信道，用于小区搜索，主系统消息的发送。NR协议中定义了多种SSB波束格式，简述如下。
小区搜索是终端获取与小区的时间和频率同步并检测小区的物理层小区ID的过程。
为了进行小区搜索，UE接收以下同步信号(SS):主同步信号(PSS)和次同步信号(SSS)。
UE假设物理广播信道(PBCH)、PSS和SSS的接收场合采用连续符号，如[TS 38.211]中定义的那样，并形成SS/PBCH块。终端假设SSS、PBCH DM-RS和PBCH数据具有相同的EPRE。UE可以假设在SS/PBCH块中PSS EPRE与SSS EPRE的比值为0 dB或3 dB。如果终端没有提供专用的高层参数，终端可能会假设PDCCH DMRS EPRE与SSS EPRE的比值在- 8db和8db之间。
对于具有SS/PBCH块的半帧，候选SS/PBCH块的第一符号索引根据SS/PBCH块的SCS确定如下，其中索引0对应于半帧中第一个Slot的第一个符号。
截至到R17版本的NR协议一共定义了7种SSB Case，分别为：

CaseA - 15khz SCS:
对于小于或等于3ghz的载波频率,一共有4个波束。
对于FR1内大于3ghz的载波频率，一共有8个波束。
CaseB - 30khz SCS:
对于小于或等于3ghz的载波频率，一共有4个波束。对于FR1内大于3ghz的载波频率，一共有8个波束。
Case C - 30khz SCS:
对于小于或等于3ghz的载波频率一共有4个波束。对于FR1内大于3ghz的载波频率，一共有8个波束。
case D - 120khz SCS:
对于FR2内的载波频率，一共有64个波束。
case E - 240 kHz SCS:
对于FR2-1内的载波频率，一共有64个波束。
case F - 480khz SCS:
对于在FR2-2内的载波频率，一共有64个波束。
case G - 960 kHz SCS:
对于在FR2-2内的载波频率，一共有64个波束。

可以看出，截至到R17协议，最大的定义的SSB波束数目为64，主要是用于FR2频段。

2 小区半径与SSB波束的讨论分析

在这里插入图片描述

图1 卫星波束和半径示意图

以小区半径100km、卫星高度800km为例，可以计算得到卫星覆盖整个区域的角度大概为14度左右。如果总的SSB波束数目为128，则每个SSB波束的波宽约为2度左右。100km的小区半径在NTN的初期我理解是比较小的，假如初期的时候小区半径是300km，或者500km呢，SSB波束的性能将成为一个比较关键的问题。所以说可能需要更多的SSB波束的设计，从R17协议来看，R17版本的协议是不支持大于64波束的，所以各家厂商可能会在实验阶段设计私有的协议，来增加SSB波束的数目。比如说采用128 SSB波束、256 SSB波束、512 SSB波束等等。不过设计的SSB波束越多，对应的开销就越大，UE搜索SSB的周期就越长，也是有很多缺点的。个人认为一般选128或者256 SSB波束的可能性应该比较大一些，毕竟如果再多SSB波束，开销可能是一个比较大的问题。

从之前收集到的一些关于starlink的波束信息来看，starlink的波束数量比较少，所以starlink的每个波束覆盖范围是比较大的，终端的接收性能应该不会太好，具体细节不太清楚，因为starlink是封闭的协议。
当然，R17的协议已经支持NTN，协议可能只定义了最大64个波束，而且是FR2的，具体如何去使用这些波束，让这些波束覆盖多大的范围，其实是各个厂家自己的系统方案设计的问题，实力强的公司可能采用32个波束覆盖了100000平方公里的范围，还能够不影响SSB的解调测量、用户接入；实力稍微弱的公司可能使用32波束就只能覆盖5000平方公里，否则就会影响用户接入了。这就是综合产品实力的差异，这些一般会在算法、天线设计、芯片能力、综合方案设计等各个方面体现出来。

再来看看38.821中讨论得LEO卫星的波束尺寸，直径是100km到1000km。如果使用64波束，或者使用更少的波束，波束性能将面临严重的挑战。
在这里插入图片描述

图2 卫星轨道与小区半径示意图

3 下行波束性能讨论

R17的协议定义了UE上报GPS的过程，在用户上报GPS的位置后，给这个用户服务将会比较方便，直接根据卫星的当前位置和UE的位置，生成用户级的波束，将波束打向这个用户就可以了。问题的关键在于用户还未上报GPS位置之前，用户的下行性能如何保证，SSB波束数目有限，波宽设计相对也较宽，波束的增益将不会太大。在GPS位置未上报之前，用户的波束一般简单的方法是使用SSB的波束，当然此时传输的一般都是一些信令，gNodeB调度的时候一般都会选择的比较低阶的MCS；即便如此，这些低阶的MCS调度仍将耗费掉大量的RB资源。造成接入阶段的资源浪费和性能不佳。也许这也是卫星通信在波束方面需要面对的一个问题。我理解这个问题在卫星小区半径较大时，问题更加严重，因为SSB波束就那么多，小区半径大，则意味这每个SSB波束的波宽将会越大，这样单个SSB波束的性能将会越差，随着部署的卫星小区越多，小区的覆盖范围约小，这个问题会得到缓解。但是那个时候小区间的切换就会更加频繁，可能在切换的时候将UE的GPS位置在小区间共享是一种必要的解决方式，这样，切换时，直接可以用GPS位置辅助生成指向给UE的波束，提升性能。

4 总结

通过以上的分析，对于R17 版本的NR协议，虽然支持NTN卫星通信，但是对于如何达成SSB的覆盖性能，协议其实是没有做那样细致的规范的，具体的实施方式交给了各个厂商自己去实现。不同的实现方式，可能性能会差异很大。下行传输的性能在终端GPS位置上报之前会是一个瓶颈，尤其是在大量用户在切换的时候，不过，切换的用户的GPS位置可以通过Xn接口传递，可能这也是部分解决问题的方法。