【一文读懂】NTN（非地面网络）技术介绍
一、引言
随着科技的飞速发展，全球通信需求日益增长，特别是在偏远地区或服务欠缺地区，传统的地面网络往往难以覆盖。为此，基于5G标准的卫星对地通信技术应运而生，构建了一个全新的通信领域——非地面网络（Non-Terrestrial Networks, NTN）。NTN旨在通过卫星通信技术，为那些没有地面网络覆盖的区域提供安全、可靠、高带宽的连接服务，从而极大地拓展通信网络的覆盖范围。
二、NTN概述
2.1 NTN定义
NTN，即非地面网络，是指利用卫星、高空平台（如无人机、平流层气球等）等非地面通信基础设施来实现全球通信覆盖的网络。在5G时代，NTN主要基于5G标准，特别是5G NR（New Radio）技术，通过卫星通信扩展地面网络的覆盖范围和服务能力。
2.2 NTN的重要性
NTN技术的出现，对全球通信产生了深远影响。它不仅能够为偏远地区提供可靠的通信服务，还能显著提升农村人口的健康、安全和经济水平，改善农业、能源、交通等工业部门的经济状况。同时，NTN技术也为M2M（机器对机器）/IoT（物联网）设备提供了服务连续性和确保任何地点的服务可用性。
三、NTN的关键技术
3.1 卫星类型
在NTN中，主要考虑的卫星类型包括LEO（低轨卫星）和GEO（地球静止轨道卫星）。
- LEO（低轨卫星）：通常距离地面300-2000公里，移动速度约7.9km/s。低轨卫星通信的主要挑战是卫星高速移动引入的多普勒（几十kHz），以及对地高度引入的较长时延（几毫秒），以及卫星高速移动引起的星间切换或波束切换；
- GEO（地球静止轨道卫星）：距离地面约36000公里，对地面基本保持静止，移动速度较小。主要挑战是远超地面通信网络的delay（几百毫秒）。
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图1 LEO（低轨卫星）和GEO（地球静止轨道卫星）
3.2 信道模型
3GPP TR 38.811协议对于NTN信道模型建模要求如下：
- 支持从0.5 GHz到100 GHz的频率范围。特别针对两个频段：6千兆赫以下频段和Ka频段。对于Ka波段通信，上行链路频率约为30GHz，而下行链路频率约为20GHz。
- 适应UE移动性。对于卫星信道模型，支持高达1000公里/小时的移动速度；这对应于可以由卫星接入服务的飞行器。对于HAPS信道模型，支持高达500公里/小时左右的移动速度，与高速列车相对应。
NTN的信道与地面通信的信道相比具有如下特点：
- 几乎没有角度扩散以及较少的NLOS反射径（地面通信场景里可以有多达24根NLOS径，而卫星信道一般最多只有3根NLOS径）；
- 深衰落（超过150dB）、大频偏（LEO卫星可达几十kHz）、高延迟(几毫秒到几百毫秒)；
- 超高的模型更新率（可以高达10kHz量级）保证平滑动态变化的卫星信道；
- 超长时间的动态卫星模型场景，尤其是GEO场景，至少需要30分钟才可以保证完整的通信流程及相关应用的验证。
3GPP TR 38.811协议中定义了四种CDL模型和4种TDL模型：
- CDL模型是为S和Ka波段定义的，适用于不同的环境和仰角。NTN-CDL-A和NTN-CDL-B被构造为表示NLOS的两种不同的信道模型，而NTN-CDL-C和NTN-CD-D被构造为表示LOS的两种不同信道模型。
- TDL模型则是根据3GPP TR 38.901协议第7.7.4节，通过假设各向同性UE天线，从CDL模型中过滤抽头延迟线（TDL）模型。其中NTN-TDL-A和NTN-TDL-B用以表示NLOS的两种不同信道模型，而NTN-TDL-C和NTN-TDM-D则用于表示LOS的两种不同信道模型。
各类卫星主要信道参数变化情况如下：
图2 LEO 主要信道参数变化情况
图3 GEO 主要信道参数变化情况
图4 GSO 主要信道参数变化情况
3.3 时频同步技术
由于卫星的高速移动，时频同步在NTN中尤为重要。通过星历信息和全球导航卫星系统（GNSS）数据，NTN网络可以在基站和终端侧对多普勒频移和时延进行预补偿，确保通信的准确性和稳定性。
3.3.1 gNB获取星历的方式
- O&M (Operations & Maintenance) 会定期或按需求给gNB提供描述NTN有效载荷的轨道轨迹信息或坐标的星历信息。星历表有两种格式，一种是包含NTN有效载荷位置和速度状态向量的格式；另一种则是六根数格式。
- 此外，O&M还会给gNB提供与星历表数据相关联的显式历元时间以及NTN网关的位置。
3.3.2 UE获取星历的方式
3GPP TR 38.821中给出的方案有两种：
- 一种是可以在uSIM/UE中预存为UE提供服务的所有卫星轨道参数，每个卫星的星历表数据可以链接到卫星ID或索引。在系统信息中广播服务卫星的卫星ID或索引，使得UE能够找到存储在uSIM中的相应详细星历表数据，以导出服务卫星的位置坐标。还可以经由系统信息或专用RRC信令将相邻卫星的卫星ID或索引提供给UE，以辅助移动性处理。
- 另一种是在系统信息中广播服务卫星的卫星轨道参数，UE将导出服务卫星的位置坐标。相邻卫星的星历表数据也可以通过系统信息或专用RRC信令提供给UE。在uSIM/UE中提供基线轨道平面参数的情况下，只需要向UE广播参考时间点的平均异常和历元，这样可以显著减少信令开销。
3.3.3 NTN链路的delay和Doppler如何补偿
对于服务小区，网络广播有效的星历表信息和公共TA参数（例如可通过SIB 19发送给终端）。在连接到NTN小区之前，UE应具有有效的GNSS位置以及星历表和公共TA。为了实现同步，在连接到NTN小区之前和期间，UE应根据GNSS位置、星历表和公共TA参数计算UE和RP（上行链路时间同步参考点）之间的RTT，并自主地为UE和RP间的RTT预补偿TTA。
- UE可以被配置为在随机接入过程期间或在连接模式中报告定时提前。在连接模式下，UE应能够连续更新定时提前和频率预补偿，并支持定时提前的事件触发报告。
- UE应计算服务链路的频率多普勒频移，并通过考虑UE位置和星历表，在上行链路传输中自主地对其进行预补偿。如果UE不具有有效的GNSS位置和/或有效的星历表和公共TA，则在重新获得两者之前，UE不应进行发射。
在服务链路上经历的瞬时多普勒频移的预补偿将由UE执行，但在馈线链路上经历多普勒频移和转发器频率误差的管理留给网络实现。
3.4 覆盖增强技术
为了克服卫星通信中的路径损耗和上行链路带宽限制，NTN采用了多种覆盖增强技术。例如，在卫星侧安装大型星载相控阵天线和采用波束赋形技术，在终端侧设置仰角门限、上行链路控制信道重复传输等，以提高信号的接收强度和传输距离。
3.5 移动性管理技术
NTN的移动性管理主要关注于如何在卫星高速移动和覆盖范围变化的情况下，确保通信的连续性和无缝切换。通过基于用户位置的小区重选和条件切换机制，以及多属性融合的零传输中断切换技术，NTN能够实现全球范围内的无缝覆盖。
3.6 混合自动重传请求（HARQ）技术
HARQ技术根据实时的信道质量情况自适应地调整重传请求的次数和传输速率。然而，在NTN中，由于传播延迟较长，传统的HARQ机制可能不再适用。因此，针对特定的业务需求，可以选择禁用HARQ反馈机制，并引入编码速率更低的调制编码方式。
3.7 自适应调制与编码（AMC）技术
AMC技术能够根据当前的信道状态选择最适合的数据调制方式和编码方案，以最大化信道利用率。在NTN中，由于大尺度时延的存在，AMC需要引入链路状态预测技术来克服CQI参数的滞后性。
四、NTN对于地面终端的能力要求
- UE需要具备GNSS能力，针对UL传输，能够以足够的精度估计和预补偿定时和频率偏移；
- 支持FR1中PC3的手持或IOT设备（发射功率23dBm）；
- 支持FR2中规定的具有外部天线的甚小孔径终端站设备（固定或安装在移动平台上）；
- 支持将智能手机连接到轨道高达1200公里、最小仰角为5-30⁰的卫星。
3GPP TR 38.811协议中规定了卫星和空中接入网中UE的典型最小射频特性如下：
表1 NTN UE的典型最小射频特性
五、NTN的组网架构
5G NTN网络由用户段、空间段和地面段组成。其中，用户段与空间段通过服务链路相连，地面段与空间段之间的链路称为馈线链路，不同卫星之间传输数据的通路则称为星间链路。
3GPP针对5G NTN定义了两种架构模式，分别为透明转发模式和星上再生模式。
图5 NTN的组网架构
5.1 透明转发模式
在透明转发模式下，卫星充当中继器，提供射频中继转发功能，不对信号做任何处理。数据在卫星和地面信关站之间透明传输，实现地面用户设备与地面5G基站之间的通信。这种架构能够复用现有卫星资源，但高度依赖地面信关站，不利于全球覆盖。
5.2 星上再生模式
星上再生模式下，卫星集成了5G NTN基站功能，包括数据处理、转发和路由功能。地面用户设备可以直接与卫星通信，卫星上的处理单元对通信进行处理和转发。该架构具有低时延、高带宽和灵活组网的特点，但技术复杂度和卫星成本较高。
六、NTN的标准化进展
6.1 国际标准化组织
多个主流标准组织如3GPP（第三代合作伙伴计划）正在积极推进NTN的标准化工作。自R15阶段起，3GPP就将NTN技术纳入5G系统需求与应用前景的讨论，并在后续版本中不断完善NTN的技术规范和组网架构。
图6 3GPP标准化进展
6.2 3GPP的进展
- R15阶段：定义了NTN的部署场景和网络架构，初步研究了信道模型和支持频段。3GPP发布了研究报告《3GPP TR 38.811 V15.4.0：Study on New Radio（NR）to Support Non-Terrestrial Networks》，报告对NTN部署场景和相关网络架构进行了定义，同时对包括支持频段、终端设备等在内的信道模型进行了初步研究，并指明了NR（New Radio）为支持NTN需做出设计约束。
表 2 3GPP 中定义的 NR NTN 卫星频段（参见 TS 38.101-5）：
- R16阶段：讨论了NTN实现过程中对于核心网、接入网以及终端的能力要求，初步定义了两种NTN组网架构。在研究报告《3GPP TR 38.821：Study on Solutions for NR to Support Non-Terrestrial Networks》中初步定义了支持卫星透明转发和星上再生的两种NTN组网架构，并进一步讨论了支持NTN对现有高层协议、物理层技术以及接口协议的潜在增强需求，奠定了NTN的主要发展路线。
- R17阶段：提出了NR NTN和IoT NTN的基线规范版本，支持手持及物联网终端直连卫星通信。基于前期对于实现NTN关键问题的讨论及研究成果，3GPP正式启动NTN规范版本制定。针对5G宽带接入和窄带物联网场景，提出了NR NTN和IoT NTN的第一个基线规范版本，并于2022年6月冻结R17，这标志着NTN技术与5G融合发展的开端。在基于透明载荷的网络架构下，针对卫星通信场景的多普勒频偏大、通信端到端时延大以及长距离传输带来的信号大幅度衰减等问题，设计了空口增强协议，引入了多种增强技术。针对NR NTN，重点提出了终端和卫星侧的时频同步技术以及基于时间和位置的移动性管理等增强技术；IoT NTN则是在尽可能遵循NR NTN相对成熟的技术方法的同时，根据IoT设备及服务的非连续覆盖需求做出相应调整。该规范支持手持及物联网终端直连卫星通信，可分别以5G NR或NB-IoT/eMTC协议接入5G或4G网络。
- R18及后续阶段：将进一步增强NTN的功能，包括支持更高频段部署、覆盖增强、移动性和服务连续性增强等。3GPP仍然聚焦透明转发模式，对NR NTN以及IoT NTN体制进行进一步增强。针对NR NTN的增强功能，以进一步完善5G卫星组网能力为目标，主要包括支持10GHz以上频段部署、覆盖增强、移动性和服务连续性增强以及星上本地数据交换技术。针对IoT NTN的增强功能沿用了R17 NR NTN中引入的移动性增强技术，通过禁用混合自动重传请求反馈进行业务体验增强，并研究改进的接入和移动管理功能增强对不连续覆盖的支持。截至R18版本的NTN研究重点针对基于透明载荷的组网架构，该架构下的信号处理操作均依赖于地面信关站的建设，因此，透传模式下的卫星通信服务一定程度上仍然受到地理位置限制，R19阶段（《3GPP TR 22.865 V19.2.0：Study on Satellite Access-Phase3》《3GPP TS 22.261 V19.6.0：Service Requirements for the 5G System》）将目光聚焦基于星上再生模式，并增加对于新的卫星通信场景的相关研究。在R17基础上，3GPP针对宽带接入以及物联网业务场景，从网络架构、移动性增强、覆盖增强以及时频同步等技术方面开展了相关研究，但尚有诸多待完善之处，R20及后续阶段将结合5G NTN遗留问题以及6G需求，针对多频段管理、高低轨卫星协同、核心网能力增强以及星地频谱共享等方面开展进一步研究。
5.3 国内标准化进展
中国通信标准化协会（CCSA）也在积极推进NTN的标准化工作，立足于3GPP规范，开展了基于NTN的NB-IoT、天通一号手持/非手持终端等标准化研究，并已完成国内首个5G NTN核心网技术标准立项。目前已完成国内首个5G NTN核心网技术标准立项，确定了基于NTN的NB-IoT接入网技术标准体系。同时，在卫星终端方面，已通过卫星相控阵天线技术相关行业标准立项工作。种种举措有助于推动我国早日实现构建空天地一体化信息网络的目标。
七、NTN的挑战与未来展望
7.1 挑战
NTN技术仍面临诸多挑战，包括长延迟、多普勒效应、高成本等。此外，如何在不同轨道卫星之间实现协同工作，以及如何处理复杂的星地协同网络结构，也是未来需要解决的问题。
7.2 未来展望
随着5G和6G技术的不断发展，NTN有望在未来实现与地面通信系统的深度融合。特别是6G时代，NTN有望成为综合网络的重要组成部分，实现全球立体全域覆盖，为各类应用场景提供更加广泛、可靠、高效的通信服务。
八、结语
NTN技术的出现和发展，为全球通信带来了新的可能性和挑战。通过不断的技术创新和标准化推进，NTN有望在未来发挥更加重要的作用，为全球用户提供无处不在的通信服务。随着6G时代的到来，我们有理由相信NTN技术将迎来更加广阔的发展前景。
