通信简史：NTN（非地面网络）

什么是NTN？
为什么需要NTN？
需求
NTN架构与场景

什么是NTN？

NTN（非地面网络，Non-Terrestrial Networks），指的是使用非地面资产如卫星、高空平台或无人机来提供连接的通信网络。NTN是扩展网络覆盖范围超越传统地面基础设施限制的更广泛努力的一部分。

通过利用卫星、高空平台和无人驾驶飞行器等资产，NTN正在革新我们对连接性的思考方式，将通信延伸到传统地面基础设施之外。NTN不仅在5G生态系统中占据一席之地，还与地面网络无缝集成，提供了增强的覆盖范围、低延迟通信，并支持物联网（IoT）和机器对机器（M2M）应用日益增长的需求。凭借其应对灾难恢复、海事和航空连接以及关键场景下的安全通信挑战的能力，NTN有望在全球电信未来发展中扮演变革性角色。

图片来源： Non-terrestrial networks (NTN) – R&S

NTN中涉及到的组件的简要描述：

卫星（GEO、MEO、LEO）：
GEO（地球同步轨道）：由于高度约为36,000公里，虽然提供了广泛的覆盖但延迟较高。
MEO（中地球轨道）：在覆盖范围和延迟之间取得平衡。
LEO（低地球轨道）：提供低延迟通信，用于物联网和宽带服务。
高空平台系统（HAPS）：
在平流层中定位的这些平台（例如气球或无人机）支持没有地面基础设施地区的馈线和服务链路。
无人机（UAVs）：
用于飞行控制，在农村和城市环境中作为中继节点。
链接：
ISL（星际链路）：连接轨道内的卫星，使数据能在不依赖地面站的情况下在卫星间传输。
馈线链路：连接地面站与卫星或HAPS，充当NTN系统的网关。
空对地链路：为飞机提供与地面站或地面网络的连接，提供航班期间的宽带服务。
服务链路：直接将卫星或HAPS连接到终端用户设备（如手机、传感器、VSAT）。
UAV飞行控制链路：管理与UAV的通信以确保安全操作和导航。

NTN用例包括但不限于直接面向用户设备（如智能手机）、物联网-NTN、空中对地连接、甚小口径终端（VSAT）等。NTN通过提供回程和服务链路补充地面网络，填补偏远或服务不足地区的覆盖缺口。

地理分布方面，NTN在偏远地区主要侧重于回程和物联网-NTN，在农村地区则由馈线链路和支持HAPS来提供连接，在城市区域则是密集的地面网络，辅以NTN用于无人机和空对地链路。

为什么需要NTN？

5G的世界正在超出我们最疯狂的想象，通过非地面网络（NTNs）触及天空及其以外。想象一下这样一个世界：即使是地球上最偏远的角落，从茂密森林的深处到广阔无垠的海洋，都可以无缝连接。NTNs正在使这一切成为现实，利用卫星和空中平台来弥补连接差距，将5G的力量带到以前无法触及的区域。这项技术不仅仅是扩大覆盖范围；它是关于革新行业、推动创新，并确保每个人，无论身处何地，都能受益于5G变革的力量。因此，请系好安全带，准备探索令人兴奋的NTN领域，在那里，天空不再是极限！

动机显而易见。如果能如预期那样实现，它将能够向那些使用地面网络在技术和成本上都非常困难或几乎不可能提供服务的地方提供5G服务。例如，像深林这样的偏远地区，用陆地方式提供服务会非常昂贵，或者远岛或船只，其技术上几乎禁止与地面连接。

注意：上面展示的图示是参考部分中描述的各种技术报告中的多种部署选项的综合表示。如果您希望获得每个部署计划的更详细图表，可以参考3GPP TR 38.821 V16.1.0。

在如下所示的插图中，展示了各种不同的用例和潜在的地面到空中的连接机制。

需求

非地面网络（NTNs）的技术要求对于确保其与地面通信系统的无缝集成和高效运作至关重要。首要挑战之一是管理延迟，特别是对于像地球同步轨道（GEO）这样的高轨道卫星。为此，系统需要先进的技术来减少传输延迟，比如优化信号路由和使用低地球轨道（LEO）卫星进行时间敏感的应用。另一个基本要求是频谱协调，因为NTNs与地面网络共享频率，因此有效的频谱分配和干扰管理对于防止信号退化至关重要。

NTNs与地面系统之间的互操作性同样关键，这要求有复杂的网络架构和协议，使得能够在不中断服务的情况下实现平滑切换和一致的服务质量。这包括设计能够处理双重连接的地面站和用户终端，即在卫星和地面网络之间切换而不会中断服务。功率效率也是另一个重要的考虑因素，尤其是对于依赖NTN链路的用户设备而言，因为卫星通信可能需要更高的发射功率。高级调制和编码方案，如3GPP标准为5G NTNs定义的那些，对于最大化频谱效率同时最小化功耗至关重要。

此外，NTNs必须对环境和大气干扰具有鲁棒性，例如由雨、云或其他大气条件引起的信号衰减。为此，自适应波束成形和纠错机制等技术对于保持链路可靠性至关重要。可扩展性是另一个关键技术要求，因为NTNs经常在多样化和动态环境中同时服务于数百万用户。这就需要使用动态资源分配和先进的流量管理算法来优化网络性能。

安全性也是一个关键问题，需要加密通信、安全的卫星控制系统以及防止未经授权访问或干扰的机制。最后，支持NTNs的地面基础设施，包括网关和用户终端，必须设计得能够处理非地面通信的独特特性，以确保高可靠性和低运营成本。这些技术要求共同塑造了NTNs的发展，使它们能够提供与地面网络和谐共存的强大且广泛的连接。

时延需求

TS 22.261中规定的总延迟要求大致如下值加上5毫秒（由5G协议造成的延迟）：

< 22.261 (Rel 18) – 表7.4.1-1: 用户设备到卫星的传播延迟 >

注意：即使是最低的传播延迟也大于RAR TA字段所能覆盖的最大延迟。（在SCS 15Khz下，RAR TA大约覆盖2毫秒，在SCS 30Khz下覆盖1毫秒）。

< TR 38.821 – 表7.1-1: NTN场景对比延迟约束 >

性能需求

性能要求的重点可以总结如下：

GEO卫星接入，端到端延迟高达285毫秒，包括假设的5毫秒网络延迟。
MEO卫星接入，端到端延迟高达95毫秒，加上5毫秒网络延迟。
LEO卫星接入，端到端延迟高达35毫秒，再加上额外的5毫秒网络延迟。
允许服务质量协商，以优化用户体验，考虑到延迟。
提供卫星用户的高上行和下行数据速率。
确保至少99.99%的通信服务可用性。

更详细的要求会根据各种场景和用户设备类型有所不同，具体见下表。

< 22.261 (Rel 18) – 表7.4.2-1: 卫星接入的性能要求 >

该表格可以概括为：

行人：下行1 Mbit/s，上行100 kbit/s，每平方公里下行1.5 Mbit/s，上行150 kbit/s，每平方公里100个用户，活动因子为1.5%。
公共安全：下行和上行均为3.5 Mbit/s，其他容量待定，用户移动速度可达100 km/h。
车辆连接：下行50 Mbit/s，上行25 Mbit/s，详情待定，活动因子为50%，速度最高可达250 km/h。
飞机连接：每架飞机下行360 Mbit/s，上行180 Mbit/s，用户移动速度可达1000 km/h。
固定：下行50 Mbit/s，上行25 Mbit/s，无适用活动因子，固定用户。
视频监控：下行0.5 Mbit/s，上行3 Mbit/s，用户静止或移动速度可达120 km/h。
窄带物联网连接：下行2 kbit/s，上行10 kbit/s，每平方公里下行8 kbit/s，上行40 kbit/s，每平方公里400个用户，活动因子为1%，速度可达100 km/h。

3GPP如何更新以解决上述问题并满足要求？

为了应对这些问题并满足上述要求，3GPP在第17版中引入了一些新功能。简而言之，这些新功能可以总结如下：

处理长距离导致的定时偏移：在SIB 19中添加了额外的定时地址信息元素（ta-Info-r17）。
处理由于UE和gNB之间长距离导致的HARQ长时间延迟：新增了一个信息元素（DL-DataToUL-ACK-v1700），用于指定足够大的K1值。

注意：为了涵盖UE和卫星之间所有可能的距离，HARQ的数量应该非常大，但在当前扩展中，最大HARQ数量仅增加到了32。等待行业反馈。

理论上，增加K1并不是唯一的解决方案。完全可以移除HARQ，并依靠更高层进行错误检查和重传。可能会有厂商或者研者尝试这种方法。但完全移除HARQ会对协议产生太大影响，因为它会影响信令消息的传输和接收。

指示卫星的位置和运动：为此目的，在SIB 19中广播添加了一个新的信息元素（ephemerisInfo-r17）。

NTN架构与场景

NTN架构旨在弥合数字鸿沟，使得在传统地面网络不切实际或经济上不可行的地理区域实现无缝连接。NTN的关键元素包括作为数据传输和管理关键中介的卫星（透明或再生型）。透明卫星主要中继信号而不进行处理（通常称为“弯管”），而再生型卫星通过直接在板载处理数据来增强网络能力。

该架构提供了多种部署场景，如利用地球同步轨道（GEO）和低地球轨道（LEO）。这些部署支持一系列用例，包括用于灵活覆盖的可转向波束和随卫星移动以确保持续服务的固定波束。在5G NTN框架内，用户设备和中继节点通过各种配置连接，如弯管卫星系统或基于卫星的gNodeBs（gNB），以提供跨越陆地、空中和海洋的不间断覆盖。这种综合方法凸显了NTNs在向最偏远地区提供可靠、高速连接方面的变革潜力，革新了航空、航海及农村发展等领域的通信方式。

载荷类型

载荷类型

NTN载荷类型指的是安装在航天或高空平台上的技术及其功能特性，如卫星或高空平台。载荷负责作为NTN基础设施的一部分传输、接收并可能处理通信信号。NTN载荷主要有两种类型：非再生型（或称“弯管”或“透明”）和再生型（或称“非透明”）。

注意：这里的“载荷”是指卫星的有效载荷（即卫星内的NTN设备），不要与数据包中的“载荷”混淆。

非再生型载荷：也被称为“弯管载荷”或“透明模式”，这类载荷充当模拟RF中继器。配备非再生型载荷的航天或高空平台没有板载信号处理能力。相反，它仅接收上行链路RF信号，改变频率载波，过滤信号，放大后通过下行链路重新发送出去。此类载荷成本效益高且易于实施，因为它依赖于地面处理系统完成复杂操作。然而，其功能仅限于信号中继，无法增强或管理信号。
再生型载荷：也称为“非透明模式”，再生型载荷为航天或高空平台增加了板载处理能力。除了执行基本的RF操作如滤波、频率转换和放大外，再生型载荷还能处理解调、解码、交换、路由、编码和调制等任务。实际上，这种类型的载荷包含类似于基站的功能，使平台能够更独立地管理信号。再生型载荷减少了对地面基础设施的依赖，并提高了效率，因为处理后的数据需要的带宽较少，可以更智能地路由。

< TR 38.811 v15.4.0-Figure 4.6-1: NTN波束模式 >

参考场景

以下两个插图描述了非地面网络（NTN）的两种典型场景，展示了它们如何使用卫星或无人飞行系统（UAS）为地面用户提供通信服务。

< TR38.821 v16.2.0-Figure 4.1-1: 基于透明载荷的非地面网络典型场景 >

< TR38.821 v16.2.0-Figure 4.1-2: 基于再生型载荷的非地面网络典型场景 >

让我们分解一下关键元素：

共同元素
卫星网关：作为NTN与现有地面网络（如互联网）之间的桥梁，可以认为是专门的地面站。
馈线链路：这是卫星/UAS与卫星网关之间的无线电连接，是数据进出卫星/UAS的方式。
服务链路：这是用户设备（如手机）与卫星/UAS之间的无线电连接，是你发送和接收数据的方式。
卫星/UAS平台：这是NTN的核心，提供天空中的通信中继。它可以拥有透明或再生型载荷。
波束足迹：卫星/UAS生成多个波束以覆盖特定的服务区域，这些波束在地面上有足迹，通常是椭圆形。
视野范围：这是卫星/UAS可以“看到”并提供服务的地表区域，受限于其天线设计和最小仰角。

场景1：透明载荷

在这种设置下，卫星/UAS充当简单的中继器。它接收信号，放大它们然后重新向下发射。你可以把它想象成一面镜子反射光线。
关键特征：信号在卫星/UAS上没有被处理或改变。

场景2：再生型载荷

在这里，卫星/UAS具有更先进的能力。它可以解调、解码甚至路由信号。这就像在太空中有一个小型基站。
关键特征：这允许更高效的带宽使用和潜在的更好性能。
ISL（卫星间链路）：此场景通常包括卫星之间的连接，使它们能够作为一个网络协同工作。这对于由多颗卫星组成的星座特别有用。

关键差异和考虑因素

复杂性：再生型载荷比透明载荷更复杂且昂贵。
延迟：由于板载处理，再生型载荷可能会引入稍高的延迟。
覆盖范围：载荷选择和卫星/UAS类型会影响覆盖区域和服务质量。
应用：不同类型的载荷可能更适合不同的应用（例如语音通话、互联网访问、数据收集）。

根据非地面网络如何连接用户到互联网，存在多种场景，每个场景都有独特的特点。这些场景考虑了诸如卫星轨道、信号如何处理以及卫星是否相互通信等因素。

场景分为两大类：使用透明卫星的场景和使用再生型卫星的场景。透明卫星简单地中继信号而不做任何处理，而再生型卫星则具有更先进的能力，类似于地面基站。

在每个类别中，有涉及GEO和LEO卫星的场景。GEO卫星相对于地面保持固定位置，而LEO卫星则横跨天空。场景还考虑了卫星波束是固定的还是可转向的，这影响了覆盖区域随时间的变化。

< TR38.821 v16.2.0-Table 4.2-1: 参考场景 >

< TR38.821 v16.2.0-Table 4.2-2: 参考场景参数 >

架构选项

提出了四种不同的非地面网络（NTN）架构选项，每种都展示了将卫星或空中平台集成到5G系统中的不同方法。这些选项探讨了用户设备（UE）和中继节点如何通过这些非地面元素连接到核心网络的不同方式。某些架构将卫星/空中平台用作简单的中继器，透明地在地面站与UE或中继节点之间传递信号。另一些架构则利用平台的处理能力，将gNB功能置于平台之上，从而实现与UE或中继节点的直接通信。这种架构设计的多样性为部署NTN提供了灵活性，以扩展5G覆盖范围和容量，特别是在地面网络难以实施的区域。

< TR38.811 v15.4.0 – 表 4.7-1：NTN架构中的5G系统元素映射 >

NTN架构选项

NTN终端	太空或HAPS	NTN网关
A1：通过弯管式卫星/空中平台为UE提供接入服务	UE	远程射频头（Uu无线接口信号的弯管式中继）
A2：通过搭载gNB的卫星/空中平台为UE提供接入服务	UE	gNB或中继节点功能
A3：通过弯管式卫星/空中平台为中继节点提供接入服务	中继节点	远程射频头（Uu无线接口信号的弯管式中继）
A4：通过搭载gNB的卫星/空中平台为中继节点提供接入服务	中继节点	gNB或中继节点功能

每个选项均可以下图形式展示。

< 基于 TR38.811 v15.4.0 – 4.7 非地面网络架构选项 >

以下是各选项的简要说明：（注：本说明中各选项的标题为任意命名，3GPP并未为各选项指定任何标题/名称）

选项A：简单中继/弯管式
想象一下，卫星或高空平台就像一面镜子，反射一种特殊的5G信号（“适合卫星的”NR信号）。它只是在你的手机与地面站（gNB）之间简单地反射信号，而不改变信号本身。

选项B：天空中的微型基站
在此情况下，卫星或平台更为先进。它配备了与地面基站相同的部分设备，使其能够直接与你的手机通信。可以将其视为太空中的微型蜂窝塔。

选项C：偏远地区的中继
这与选项A类似，但不是直接连接到你的手机，而是连接到地面的中继站。该中继站再与你的手机通信。这有助于将覆盖范围扩展到非常偏远的地区。

选项D：先进型偏远地区中继
这结合了选项B和C的理念。卫星或平台搭载基站设备，并连接到地面中继站。这既提供了先进的处理能力，又扩展了覆盖范围。

部署场景

可以设想多种不同的部署场景。TR 38.811中定义了五种不同的部署选项，总结如下。

这些部署在平台轨道（GEO或非GEO）、高度（从600公里到8公里的UAS）以及与用户设备通信所用频率（约2 GHz或20 GHz）方面有所不同。

该表还概述了波束模式（固定或移动）、双工模式（FDD）、信道带宽（最高2 * 800 MHz）以及支持的NTN架构选项的差异。此外，它还指定了每种部署中使用的终端类型，无论是用于中继节点的甚小口径终端（VSAT），还是用于直接用户接入的3GPP class 3 UE。

每种部署选项都适用于不同的场景和用例。例如，D1和D2使用GEO卫星通过中继节点实现间接接入，而D3和D4则使用非GEO卫星实现直接用户接入。D5专注于UAS，为室内外覆盖提供低延迟服务。该表最后列出了每种部署的主要理由和支持的用例，涵盖从增强型移动宽带（eMBB）到公共安全和物联网服务的范围。

< TR38.811 v15.4.0 – 表 5.1-1：NR-NTN研究中需考虑的参考非地面网络部署场景 >

主要属性

	部署-D1	部署-D2	部署-D3	部署-D4	部署-D5
平台轨道与高度	GEO，35,786公里	GEO，35,786公里	非GEO，低至600公里	非GEO，低至600公里	UAS，8公里至50公里，包括HAPS
空中/空间平台与UE之间的链路载波频率	下行约20 GHz，上行约30 GHz（Ka波段）	下行和上行均约2 GHz（S波段）	下行和上行均约2 GHz（S波段）	下行约20 GHz，上行约30 GHz（Ka波段）	6 GHz以下和以上
波束模式	地球固定波束	地球固定波束	移动波束	地球固定波束	地球固定波束
双工方式	FDD	FDD	FDD	FDD	FDD
信道带宽（下行 + 上行）	最高2 * 800 MHz	最高2 * 20 MHz	最高2 * 20 MHz	移动使用最高2 * 800 MHz，固定使用最高2 * 1800 MHz	最高2 * 80 MHz
NTN架构选项（见第4条）	A3	A1	A2	A4	A2
NTN终端类型	实现中继节点功能的甚小口径终端（VSAT）（固定或安装在移动平台上）	最高3GPP class 3 UE [2]	最高3GPP class 3 UE [2]	实现中继节点功能的甚小口径终端（VSAT）（固定或安装在移动平台上）	最高3GPP class 3 UE [2]，也可使用甚小口径终端（VSAT）
NTN终端分布	100% 室外	100% 室外	100% 室外	100% 室外	室内和室外
NTN终端速度	最高1000 km/h（例如飞机）	最高1000 km/h（例如飞机）	最高1000 km/h（例如飞机）	最高1000 km/h（例如飞机）	最高500 km/h（例如高速列车）
主要理由	基于GEO，通过中继节点实现间接接入	基于GEO，实现直接接入	基于非GEO，实现直接接入	基于非GEO，通过中继节点实现间接接入	支持3GPP移动UE的低延迟服务，包括室内外覆盖
支持的用例，见第4条	eMBB：多连接、固定小区连接、移动小区连接、网络弹性、集群通信、边缘网络传输、移动小区混合连接、直接到节点的多播/广播	eMBB：区域公共安全、广域公共安全、直接到移动设备的广播、广域物联网服务	eMBB：区域公共安全、广域公共安全、广域物联网服务	eMBB：多宿主、固定小区连接、移动小区连接、网络弹性、集群通信、移动小区混合连接	eMBB：按需热点