【协议详解】卫星通信5G IoT NTN SIB31-NB 信令详解

一. SIB31信令概述

SystemInformationBlockType31 (SIB31) 是 3GPP网络中的一种特定系统信息块，用于为服务小区提供卫星辅助信息。这种信息特别适用于非地面网络（NTN, Non-Terrestrial Networks），包括基于卫星的通信系统。

1. 用途：  

SIB31 用于向 NTN 小区中的用户设备（UE）提供卫星特定的辅助数据。这些信息帮助 UE 在基于卫星的网络中优化连接和性能，因为卫星通信中存在传播延迟、多普勒频移等特殊挑战。

2. 仅适用于 NTN：  

SIB31 仅在 NTN 小区中广播。在传统的地面网络（蜂窝网络）中，不会传输此 SIB。

3. 内容：  

SIB31 中的卫星辅助信息可能包括：

   - 卫星星历数据：关于卫星位置和运动的信息。

   - 定时信息：用于补偿由于卫星与 UE 之间长距离传播导致的延迟。

   - 多普勒频移信息：帮助 UE 调整因卫星相对运动引起的频率偏移。

   - 小区特定参数：针对卫星小区独特特性的参数。

4. UE 行为：  

当 UE 接收到 SIB31 后，会利用提供的卫星辅助信息来改善同步、移动性管理以及整体通信性能，从而更好地适应 NTN 环境。

SIB31 是一种专为支持 5G 网络中的 NTN 操作而设计的系统信息块。它向 UE 提供关键的卫星辅助信息，使 UE 能够在基于卫星的小区中有效通信。这是将 5G 连接扩展到全球和偏远地区的重要功能。

SIB31消息的ASN.1编码结构如下：

二. SIB31信令详解

SIB31 ASN.1消息包含多个信令（IE）。这些IE根据功能的不同，可以分为以下几类：

distanceThresh

• 描述：表示从服务小区参考位置的距离，用于在 RRC_IDLE 和 RRC_CONNECTED 状态下基于位置的测量启动（参见 TS 36.304 [4]）。

• 单位：每个步长代表 50 米。

epochTime

• 描述：表示卫星星历数据和公共 TA（Timing Advance）参数的纪元时间（参见 TS 36.213 [23]）。如果存在地球移动小区的参考位置，该字段也指示其纪元时间。

• 参考点：纪元时间的参考点是上行链路时间同步参考点。

• 具体说明：

  • epochTime 是由 startSFN 和 startSubframe 指示的 DL（下行链路）子帧的起始时间。

  • 对于服务小区，startSFN 指示当前 SFN（系统帧号）或接收到 epochTime 消息后的下一个 SFN。

  • 如果该字段不存在，则纪元时间是承载 SIB31(-NB) 的 SI 消息传输结束时的 DL 子帧起始时间。

  • 在切换或条件切换情况下，该字段基于目标小区的定时，即 startSFN 和 startSubFrame 指示目标小区的 SFN 和子帧号。

• 专用信令：当通过专用信令提供 SIB31(-NB) 时，E-UTRAN 始终包含 epochTime。

k-Mac

• 描述：当下行链路和上行链路帧定时在 eNB 处未对齐时使用的调度偏移（参见 TS 36.213 [23]）。

• 单位：毫秒（ms）。

• 默认值：如果字段不存在，UE 使用默认值 0。

k-Offset

• 描述：用于 NTN 中定时关系的调度偏移（参见 TS 36.213 [23]）。

• 单位：毫秒（ms）。

nta-Common

• 描述：网络控制的公共 TA（Timing Advance）参数（参见 TS 36.213 [23]）。

• 单位：微秒（μs）。

• 步长：每个步长为 32.55208 × 10⁻³ μs。实际值 = 字段值 × 32.55208 × 10⁻³。

• 默认值：如果字段不存在，UE 使用默认值 0。

nta-CommonDrift

• 描述：公共 TA 的漂移率（参见 TS 36.213 [23]）。

• 单位：微秒/秒（μs/s）。

• 步长：每个步长为 0.2 × 10⁻³ μs/s。实际值 = 字段值 × 0.2 × 10⁻³。

• 默认值：如果字段不存在，UE 使用默认值 0。

nta-CommonDriftVariation

• 描述：公共 TA 的漂移率变化（参见 TS 36.213 [23]）。

• 单位：微秒/秒²（μs/s²）。

• 步长：每个步长为 0.2 × 10⁻⁴ μs/s²。实际值 = 字段值 × 0.2 × 10⁻⁴。

• 默认值：如果字段不存在，UE 使用默认值 0。

orbitalParameters

• 描述：卫星轨道参数的瞬时值。这些值至少在 ul-SyncValidityDuration 和 epochTime 定义的持续时间内有效。

referenceLocation

• 描述：NTN（准）地球固定小区或地球移动小区的参考位置，用于在 RRC_IDLE 和 RRC_CONNECTED 状态下基于位置的测量启动（如果配置了 distanceThresh）。对于地球移动小区，广播的参考位置对应于 epochTime，并用于评估事件 D2 和条件事件 D2。

• UE 行为：UE 基于服务卫星星历数据推导实时参考位置（参见 TS 36.304 [4]）。

stateVectors

• 描述：卫星状态向量的瞬时值。这些值至少在 ul-SyncValidityDuration 和 epochTime 定义的持续时间内有效。

ul-SyncValidityDuration

• 描述：卫星星历数据和公共 TA 参数的有效期，即 UE 可以应用卫星星历数据而无需获取新星历数据的最大时间（从 epochTime 开始计算，参见 TS 36.213 [23]）。

• 单位：秒（s）。

• 取值：

  • s5 对应 5 秒，

  • s10 对应 10 秒，

  • 以此类推。

• 更新条件：仅当 epochTime、nta-CommonParameters 或 ephemerisInfo 中的至少一个更新时，ul-SyncValidityDuration 才会更新。

三. 星历信令解析

EphemerisOrbitalParameters 用于以 轨道参数 的形式提供卫星星历数据，其坐标系为 地心惯性坐标系（ECI, Earth-Centered Inertial）。

关键点：

• 坐标系：

  • ECI（地心惯性坐标系）：一种以地球为中心但不随地球旋转的坐标系，通常用于描述卫星轨道。

  • ECEF（地心地固坐标系）：一种以地球为中心并随地球旋转的坐标系，通常用于地面定位。

  • 关系：在 纪元时间（Epoch Time），ECI 和 ECEF 坐标系是重合的（即它们的 x、y、z 轴对齐）。

• 用途：

  • 提供卫星的轨道参数，用于计算卫星的位置和速度。

  • 这些参数在 纪元时间 是有效的，并且可以用于推导卫星在特定时间点的状态。

EphemerisOrbitalParameters 消息的ASN.1编码结构如下：

EphemerisOrbitalParameters 中的轨道参数（六根数）定义如下：

EphemerisOrbitalParameters 提供了卫星轨道的详细参数，包括平近点角、偏心率、倾角、升交点赤经、近地点幅角和半长轴。这些参数以特定的步长和单位进行编码，UE 可以通过字段值计算出实际值，从而推导卫星的轨道状态。这些信息对于 NTN 环境中的卫星通信至关重要。

EphemerisStateVectors 用于以 位置和速度状态向量 的形式提供卫星星历数据，其坐标系为 地心地固坐标系（ECEF, Earth-Centered Earth-Fixed）。

关键点：

• 坐标系：

  • ECEF（地心地固坐标系）：一种以地球为中心并随地球旋转的坐标系，通常用于地面定位和导航。

  • 在 ECEF 坐标系中，卫星的位置和速度可以直接用于计算与地面站的相对关系。

• 用途：

  • 提供卫星的位置和速度状态向量，用于精确描述卫星在特定时间点的运动状态。

  • 这些信息对于 UE 在 NTN 环境中的同步、测量和通信至关重要。

• 状态向量：

  • 位置向量（Position Vector）：卫星在 ECEF 坐标系中的位置（x, y, z）。

  • 速度向量（Velocity Vector）：卫星在 ECEF 坐标系中的速度（vx, vy, vz）。

• 有效期：

  • 状态向量的有效期通常由 ul-SyncValidityDuration 字段定义，表示从 纪元时间（Epoch Time） 开始的最大有效时间。

EphemerisStateVectors 消息的ASN.1编码结构如下：

四. SIB31的应用场景

在 非地面网络（NTN, Non-Terrestrial Networks） 中，由于卫星与地面用户设备（UE）之间的距离较远且卫星高速运动，UE 需要处理 传播延迟 和 多普勒频移 问题。SystemInformationBlockType31 (SIB31) 提供了关键的信息，帮助 UE 实现传播延迟补偿和多普勒频移补偿。

1. 传播延迟补偿

传播延迟是由于信号在卫星与 UE 之间传播所需的时间引起的，尤其是在地球静止轨道（GEO）卫星中，延迟可能达到数百毫秒。SIB31 提供了以下信息来帮助 UE 补偿传播延迟：

SIB31 中的相关字段：

• nta-Common：

  • 表示网络控制的公共定时提前量（TA, Timing Advance）。

  • 作用：UE 根据此值调整上行链路信号的发送时间，以补偿传播延迟。

• epochTime：

  • 表示卫星星历数据和公共 TA 参数的纪元时间。

  • 作用：UE 使用此时间作为参考点，计算当前的传播延迟。

• ul-SyncValidityDuration：

  • 表示卫星星历数据和公共 TA 参数的有效期。

  • 作用：UE 在此有效期内应用 TA 值，超出有效期后需要重新获取 SIB31。

UE 的处理流程：

1. 接收 SIB31：

   • UE 从服务小区接收 SIB31，提取 nta-Common 和 epochTime 字段。

2. 计算传播延迟：

   • UE 根据 nta-Common 提供的 TA 值，计算当前的上行链路定时调整量。

   • 例如，如果 nta-Common 字段值为 100，则实际 TA 值 = 100 × 32.55208 × 10⁻³ = 3.255208 μs。

3. 调整上行链路定时：

   • UE 根据计算出的 TA 值，提前发送上行链路信号，以补偿传播延迟。

   • 例如，如果传播延迟为 10 ms，UE 会提前 10 ms 发送上行链路信号。

4. 有效期管理：

   • UE 在 ul-SyncValidityDuration 定义的有效期内使用当前的 TA 值，超出有效期后重新获取 SIB31 并更新 TA 值。

2. 多普勒频移补偿

多普勒频移是由于卫星与 UE 之间的相对运动引起的频率偏移。SIB31 提供了以下信息来帮助 UE 补偿多普勒频移：

SIB31 中的相关字段：

• velocityVX, velocityVY, velocityVZ：

  • 表示卫星在 ECEF 坐标系中的速度向量。

  • 作用：UE 根据卫星速度计算多普勒频移。

• stateVectors：

  • 表示卫星的状态向量（位置和速度）。

  • 作用：UE 使用此信息计算卫星与 UE 之间的相对速度。

• orbitalParameters：

  • 表示卫星的轨道参数。

  • 作用：UE 使用此信息推导卫星的实时位置和速度。

UE 的处理流程：

1. 接收 SIB31：

   • UE 从服务小区接收 SIB31，提取 velocityVX、velocityVY、velocityVZ 和 stateVectors 字段。

2. 计算卫星速度：

   • UE 根据 velocityVX、velocityVY、velocityVZ 字段计算卫星的实际速度。

3. 计算多普勒频移：

   • UE 根据卫星速度和 UE 自身的运动状态，计算多普勒频移。

4. 调整上行链路频率：

   • UE 根据计算出的多普勒频移，调整上行链路信号的发送频率，以补偿频率偏移。

   • 例如，如果多普勒频移为 1 kHz，UE 会将上行链路频率增加 1 kHz。

5. 动态更新：

   • 由于卫星和 UE 的运动状态可能随时间变化，UE 需要定期接收 SIB31 并更新多普勒频移补偿值。

通过以上处理，UE 能够在 NTN 环境中实现高效同步和通信，克服卫星通信中的传播延迟和多普勒频移挑战。