在 4G 和 5G 網(wǎng)絡(luò)不斷演進(jìn)的過(guò)程中，蜂窩移動(dòng)通信已經(jīng)在城市和主要交通區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了高密度覆蓋，但從網(wǎng)絡(luò)形態(tài)來(lái)看，傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)仍然高度依賴地面基礎(chǔ)設(shè)施。基站需要“貼地部署”，并依賴光纖、電力和傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，這種架構(gòu)決定了其在部分場(chǎng)景下面臨天然的覆蓋限制。

在海洋、沙漠、高原和山區(qū)等廣域或偏遠(yuǎn)區(qū)域，由于人口密度低、建設(shè)和維護(hù)成本高，地面基站難以規(guī)模化部署，網(wǎng)絡(luò)覆蓋往往不連續(xù)，甚至長(zhǎng)期缺失。同時(shí)，在自然災(zāi)害或突發(fā)事故場(chǎng)景下，地面通信設(shè)施可能受損，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)可用性顯著下降，而此類場(chǎng)景恰恰對(duì)通信的可靠性和可達(dá)性提出了更高要求。

另一方面，車聯(lián)網(wǎng)、航空通信、海事通信以及全球物流等新興應(yīng)用，對(duì)通信覆蓋的訴求正在從“局部連續(xù)”轉(zhuǎn)向“全球可達(dá)”。跨洋航行的船舶、飛行中的航空器，以及行駛在偏遠(yuǎn)地區(qū)的車輛，都希望能夠接入與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)一致的通信體系，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的接入、管理和業(yè)務(wù)承載。僅依賴地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)，已難以滿足這些應(yīng)用的長(zhǎng)期發(fā)展需求。

非地面網(wǎng)絡(luò)NTN助力全球覆蓋示意圖

在此背景下，3GPP并未選擇構(gòu)建一套割裂的衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)，而是在現(xiàn)有 LTE 和 NR 技術(shù)框架內(nèi)引入非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial Network，NTN），通過(guò)衛(wèi)星或高空平臺(tái)擴(kuò)展蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。NTN 的目標(biāo)并非取代地面網(wǎng)絡(luò)，而是在保持蜂窩協(xié)議體系一致性的前提下，突破傳統(tǒng)“貼地部署”的物理限制，將通信能力延伸至空中和近地空間。

一、NTN定義

NTN (Non-Terrestrial Network)是指由 3GPP 定義的，利用非地面飛行載體（如衛(wèi)星、高空平臺(tái) HAPS）作為中繼或基站，向用戶終端（UE）提供蜂窩通信接入能力的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。這些非地面平臺(tái)通常包括近地軌道（LEO）、中地軌道（MEO）和地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星，以及高空平臺(tái)系統(tǒng)（HAPS），下表也詳細(xì)列出了各平臺(tái)高度范圍和覆蓋范圍等。

NTN各平臺(tái)對(duì)比

與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信不同，NTN 并未引入獨(dú)立的通信協(xié)議，而是基于 3GPP 蜂窩體系進(jìn)行適配和增強(qiáng)。終端在 NTN 場(chǎng)景下，仍按照 LTE 或 NR 協(xié)議完成接入、注冊(cè)和業(yè)務(wù)建立，只是無(wú)線鏈路由非地面平臺(tái)承載?？傮w而言，NTN核心目標(biāo)是在保持LTE和NR協(xié)議體系不變的前提下，擴(kuò)展蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

二、NTN發(fā)展歷程

NTN的發(fā)展并非一蹴而就，而是伴隨著5G標(biāo)準(zhǔn)的迭代演進(jìn)，經(jīng)歷了從基礎(chǔ)理論研究到大規(guī)模商用增強(qiáng)的過(guò)程。

1.Rel-15 & Rel-16：可行性研究與拓荒（2017 - 2020）：

Rel-15： 重點(diǎn)研究了 NTN 的部署場(chǎng)景和信道模型（TR 38.811）。明確了衛(wèi)星軌道（LEO/GEO/HAPS）、頻率（S/L 頻段和 Ka 頻段）以及星地間的物理信號(hào)衰減模型。

Rel-16： 開(kāi)展了關(guān)鍵技術(shù)方案研究（TR 38.821）。得出的核心結(jié)論是：5G NR 協(xié)議架構(gòu)可以支持衛(wèi)星接入，但必須針對(duì)巨大的傳播延遲和多普勒頻移進(jìn)行特定優(yōu)化。

2.Rel-17：NTN 的正式商用元年（2022）：這是 NTN 最具里程碑意義的版本，第一次正式將衛(wèi)星納入5G標(biāo)準(zhǔn)體系。其中，IoT-NTN分支基于NB-IoT和eMTC協(xié)議，主要服務(wù)于資產(chǎn)追蹤、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)等窄帶物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。而NR-NTN分支基于 5G NR協(xié)議，支持智能手機(jī)直連衛(wèi)星，開(kāi)啟了“手持設(shè)備直連衛(wèi)星”的時(shí)代。

3.Rel-18：5G-Advanced 的性能飛躍（2024）：作為 5G-Advanced 的首個(gè)版本，Rel-18 對(duì) NTN 進(jìn)行了深度補(bǔ)強(qiáng)。主要包括：

覆蓋增強(qiáng)：針對(duì)手持終端天線增益小（-5.5 dBi）的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，引入了上行鏈路重復(fù)傳輸（Repetitions）等技術(shù)，顯著提升了偏遠(yuǎn)地區(qū)的連接成功率。

移動(dòng)性優(yōu)化：針對(duì)LEO衛(wèi)星波束飛速移動(dòng)的問(wèn)題，優(yōu)化了無(wú)縫切換流程，減少了通話和數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的中斷時(shí)間。

頻譜擴(kuò)展：開(kāi)始探討10GHz以上（如 Ka 頻段）的 NTN 接入，為更高的傳輸速率鋪路。

NTN發(fā)展歷程

三、NTN經(jīng)典系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

NTN的典型架構(gòu)主要由以下四個(gè)核心要素組成，分別是空間段（Space Segment）、地面段（Ground Segment）、用戶終端（User Segment）以及核心網(wǎng)（可歸類為地面段）。其中：

空間段（Space Segment）：位于圖片上方，通過(guò)LEO、GEO等衛(wèi)星和HAPS（如飛艇）在各自軌道/高度上分布，構(gòu)建中繼/轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

地面段（Ground Segment）及核心網(wǎng)：位于圖片左下方，主要由擁有巨大天線的地面站（又稱為信關(guān)站），其作用是充當(dāng)NTN和現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)（如互聯(lián)網(wǎng)）之間的橋梁，負(fù)責(zé)衛(wèi)星與地面核心網(wǎng)之間的連接。

用戶終端（User Segment）：位于圖片右下方，用戶設(shè)備可能是普通的智能手機(jī)（如具備衛(wèi)星通信功能的手機(jī)），也可能是安裝在車輛、船舶或飛機(jī)上的終端。其不僅是信息的收發(fā)者，更是復(fù)雜空間信道的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)。

NTN典型系統(tǒng)架構(gòu)

NTN在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，目前主要分為兩大方向，分別是透明轉(zhuǎn)發(fā) (Transparent Payloads)和再生處理 (Regenerative Payloads)，這也是3GPP Release 17中推薦的兩種架構(gòu)。

其中，透明轉(zhuǎn)發(fā)模式如下圖所示。在該模式下，衛(wèi)星就像一面“空中反射鏡”。它不對(duì)地面發(fā)送的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行任何解調(diào)或解碼，僅僅進(jìn)行射頻變頻和信號(hào)放大。例如，UE發(fā)出的5G信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星后，衛(wèi)星將其頻率轉(zhuǎn)換（例如從用戶鏈路的 L/S 頻段轉(zhuǎn)為饋電鏈路的 Ka 頻段），然后原封不動(dòng)地轉(zhuǎn)發(fā)給地面的信關(guān)站（Gateway），完整的gNB部署在地面站上。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是衛(wèi)星設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低，技術(shù)成熟度高，且能兼容多種通信協(xié)議。相反地，當(dāng)信號(hào)經(jīng)歷“地面-衛(wèi)星-地面”的雙倍延遲，系統(tǒng)整體延遲較高，且衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的干擾無(wú)法在軌濾除。

3GPP定義下基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的模式

另一種模式是再生處理模式，如下圖所示。在該模式下，衛(wèi)星化身為“空中基站”，它具備完整的數(shù)字處理能力，能夠?qū)邮盏降男盘?hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、交換和重新編碼。衛(wèi)星可以直接在軌道上處理UE的請(qǐng)求，可以將其視為集成了全部或部分gNB功能的節(jié)點(diǎn)。如果兩個(gè)UE都在同一顆衛(wèi)星覆蓋下，數(shù)據(jù)甚至可以直接在空中完成交換，無(wú)需回到地面站。這種模式的優(yōu)點(diǎn)是顯著降低端到端時(shí)延，減輕了對(duì)地面信關(guān)站的實(shí)時(shí)依賴。相反地，該模式對(duì)衛(wèi)星的算力、功耗和散熱要求極高，單顆衛(wèi)星的造價(jià)和技術(shù)復(fù)雜度大幅提升。

3GPP定義下基于再生處理的模式 透明轉(zhuǎn)發(fā)與再生處理的對(duì)比

四、NTN頻段

頻段（Spectrum）是決定業(yè)務(wù)場(chǎng)景和終端形態(tài)的基礎(chǔ)。NTN 的頻段劃分遵循了 “不同頻率服務(wù)不同終端” 的原則，目前主要集中在FR1（Sub-6GHz）和FR2（毫米波）兩個(gè)范圍。

在Rel-17中，3GPP優(yōu)先定義了兩個(gè)位于 Sub-6GHz 的頻段。其中，n256頻段屬于S波段，這是目前NTN最核心的頻段，全球兼容性好，是手機(jī)直連衛(wèi)星（NR-NTN）的首選。n255頻段屬于L波段，頻率更低，傳播損耗更小，廣泛用于 IoT-NTN（窄帶物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星通信）。

3GPP Rel-17 定義的NTN頻段

隨著Rel-18 (5G-Advanced)的推進(jìn)，為了追求更高的傳輸速率，NTN 開(kāi)始向高頻段挺進(jìn)，如下圖所示。n510、n511、n512頻段均屬于Ka波段，帶寬極大，但對(duì)天線要求很高，主要用于VSAT（小型衛(wèi)星地面站），例如安裝在飛機(jī)、輪船或遠(yuǎn)洋貨車上的寬帶終端，提供類似光纖的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)。

3GPP Rel-18 定義的NTN頻段

在Rel-19的演進(jìn)中，Ku波段的引入是 NTN 向更廣泛商業(yè)化邁進(jìn)的重要標(biāo)志。在傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信領(lǐng)域，Ku波段一直是廣播電視和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的“主力軍”。3GPP 在 Rel-19中正式探討并引入Ku頻段支持，主要是為了填補(bǔ)L/S 頻段（窄帶/手機(jī)直連）與Ka頻段（超寬帶/專業(yè)終端）之間的空白。

在 Rel-19 的規(guī)劃中，Ku 波段主要面向VSAT和移動(dòng)平臺(tái)，例如：

消費(fèi)級(jí)衛(wèi)星寬帶： 偏遠(yuǎn)地區(qū)的家庭寬帶接入。

機(jī)載/海事中速率業(yè)務(wù)： 為中小型船舶或私人飛機(jī)提供穩(wěn)定的互聯(lián)網(wǎng)連接。

應(yīng)急保障： 災(zāi)區(qū)快速部署的通信中繼車。

3GPP Rel-19 定義的NTN頻段

五、NTN面臨的核心挑戰(zhàn)

盡管 NTN 成功將 5G 協(xié)議擴(kuò)展至空間，但極端的空間環(huán)境與地面蜂窩信道存在巨大差異。要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信，必須克服以下物理挑戰(zhàn)：

1.超大往返時(shí)延（RTT）

在地面網(wǎng)絡(luò)中，信號(hào)傳輸時(shí)延通常在微秒級(jí)別，但在NTN中，空間距離跨度巨大。例如，LEO衛(wèi)星（軌道高度600km）的單向時(shí)延約2ms - 4ms，而GEO衛(wèi)星（軌道高度約36000km）的單向時(shí)延則高達(dá)120ms以上，導(dǎo)致RTT達(dá)到500ms甚至更高。

因此，這種超長(zhǎng)時(shí)延會(huì)直接導(dǎo)致3GPP傳統(tǒng)的混合自動(dòng)重傳（HARQ）機(jī)制失效。由于發(fā)送端在收到反饋（ACK/NACK）前需要等待極長(zhǎng)時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致傳輸停止。因此，NTN必須引入HARQ進(jìn)程擴(kuò)展或禁用HARQ反饋等機(jī)制來(lái)維持?jǐn)?shù)據(jù)吞吐量。

2.超大多普勒頻移

多普勒頻移源于衛(wèi)星與地面終端之間劇烈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于LEO衛(wèi)星而言，其飛行速度高達(dá)7.5km/s，產(chǎn)生的多普勒頻移可達(dá)數(shù)百kHz。

如此巨大的頻率偏差超出了傳統(tǒng)蜂窩基站的補(bǔ)償能力。若不進(jìn)行處理，信號(hào)將無(wú)法被解調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的間載波干擾（ICI）。NTN 要求終端必須具備“預(yù)補(bǔ)償”能力，即通過(guò) GNSS 位置信息預(yù)先調(diào)整發(fā)射頻率，以確保信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星時(shí)能落在預(yù)定的頻率窗口內(nèi)。

3.鏈路不穩(wěn)定與高路徑損耗

星地鏈路面臨著比地面網(wǎng)絡(luò)更嚴(yán)苛的信號(hào)衰減環(huán)境。

自由空間損耗： 信號(hào)在跨越數(shù)千公里的傳播過(guò)程中，能量衰減遵循平方反比定律，這對(duì)手機(jī)這種小功率終端的上行鏈路提出了巨大考驗(yàn)。

環(huán)境因素影響： 信號(hào)穿透大氣層時(shí)會(huì)受到電離層閃爍的影響；而在高頻段（如 Ku、Ka 頻段），降雨衰減尤為明顯，會(huì)導(dǎo)致鏈路質(zhì)量在惡劣天氣下迅速下降。

動(dòng)態(tài)遮擋： 衛(wèi)星的快速移動(dòng)意味著路徑上的建筑物、樹木或地形遮擋處于動(dòng)態(tài)變化中，這要求網(wǎng)絡(luò)必須具備極強(qiáng)的魯棒性波束管理和快速重連能力。

六、總結(jié)

非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）的引入，標(biāo)志著移動(dòng)通信體系從傳統(tǒng)的“地面平面覆蓋”逐步邁向“空天地一體化的立體覆蓋”階段。通過(guò)將3GPP協(xié)議體系擴(kuò)展至衛(wèi)星與高空平臺(tái)，NTN不僅填補(bǔ)了地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)在海洋、荒漠、山區(qū)等場(chǎng)景中的覆蓋空白，更依托統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了星地網(wǎng)絡(luò)在接入層與核心網(wǎng)層面的協(xié)同融合，顯著降低了系統(tǒng)集成與終端適配的復(fù)雜度。

展望未來(lái)，隨著Rel-20及6G關(guān)鍵技術(shù)研究的持續(xù)推進(jìn)，NTN將朝著更加智能化與融合化方向演進(jìn)：：

天地一體化深度融合： 未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)將以統(tǒng)一架構(gòu)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)空、天、地多維網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一編排與調(diào)度。終端將根據(jù)業(yè)務(wù)需求與鏈路條件，在地面基站與衛(wèi)星鏈路之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、無(wú)縫切換，真正形成全域覆蓋能力。

星間鏈路（ISL）與星上處理： 隨著再生式載荷（Regenerative Payload）的普及，衛(wèi)星將具備更強(qiáng)的星上處理與路由能力，并通過(guò)星間鏈路構(gòu)建空間骨干網(wǎng)。這種架構(gòu)將減少對(duì)地面網(wǎng)關(guān)的依賴，有效降低端到端時(shí)延并提升網(wǎng)絡(luò)彈性。

多頻段協(xié)同與分層覆蓋體系： L、S頻段將側(cè)重廣域覆蓋與低功耗物聯(lián)網(wǎng)接入，Ku、Ka等高頻段則承擔(dān)高速寬帶業(yè)務(wù)傳輸。多頻段協(xié)同將構(gòu)建分層覆蓋體系，在保證覆蓋廣度的同時(shí)滿足超大規(guī)模窄帶連接與高吞吐業(yè)務(wù)的雙重需求。

總體而言，NTN的發(fā)展不僅是對(duì)地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)能力的補(bǔ)充，更是未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)形態(tài)演進(jìn)的重要組成部分，其核心價(jià)值在于構(gòu)建真正“全域可達(dá)”的移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施。

審核編輯 黃宇