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一、非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）技術(shù)解析
非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial Networks, NTN）是指不依賴傳統(tǒng)地面基礎(chǔ)設(shè)施（如陸地蜂窩基站或光纖電纜）的通信網(wǎng)絡(luò)。其核心在于整合多種非地面技術(shù)和平臺(tái)，突破地理限制實(shí)現(xiàn)通信覆蓋。以下是NTN的關(guān)鍵形態(tài)與應(yīng)用場(chǎng)景：
（1）地球靜止軌道（GEO）和低地球軌道（LEO）衛(wèi)星構(gòu)成主流形式。
（2）為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入、電信服務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸。
（3）典型案例：Starlink星座通過LEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)低延遲全球覆蓋。
2. 高空平臺(tái)（HAPs）
（1）部署在平流層（20公里高度）的浮空器，如太陽能無人機(jī)或系留氣球。
（2）充當(dāng)無線中繼節(jié)點(diǎn)，提供區(qū)域覆蓋和應(yīng)急通信能力。
（3）優(yōu)勢(shì)：比衛(wèi)星更易維護(hù)，比地面基站覆蓋范圍更廣。
3. 空中移動(dòng)平臺(tái)
（1）搭載通信設(shè)備的無人機(jī)集群或飛艇。
（2）適用于災(zāi)后應(yīng)急通信、大型戶外活動(dòng)臨時(shí)組網(wǎng)。
（3）典型案例：在自然災(zāi)害中快速部署的無人機(jī)通信中繼系統(tǒng)。
4. 水下通信網(wǎng)絡(luò)
（1）雖不常納入NTN范疇，但代表非傳統(tǒng)通信形態(tài)。
（2）應(yīng)用于海洋科考、水下監(jiān)測(cè)和近海能源開發(fā)。
（3）技術(shù)挑戰(zhàn)：聲波通信的低速率與高延遲特性。
4. 融合組網(wǎng)方案
（1）衛(wèi)星+HAPs+地面網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)協(xié)同。
（2）通過智能路由選擇最優(yōu)傳輸路徑。
（3）優(yōu)勢(shì)：提升網(wǎng)絡(luò)韌性，實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋。
5、技術(shù)價(jià)值：
NTN通過空天地一體化架構(gòu)，解決地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)問題，特別適用于海洋、沙漠、山區(qū)等復(fù)雜地形，以及災(zāi)害應(yīng)急場(chǎng)景。隨著5G-Advanced標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)，NTN將成為6G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分。
圖1 基于透明載荷的非地面網(wǎng)絡(luò)典型應(yīng)用場(chǎng)景解析
二、非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)及系統(tǒng)架構(gòu)解析
1、NTN的核心優(yōu)勢(shì)
覆蓋延伸
突破地面基站經(jīng)濟(jì)邊界，為偏遠(yuǎn)地區(qū)（如山區(qū)/海洋）提供基礎(chǔ)連接，助力消除數(shù)字鴻溝。
抗災(zāi)韌性
自然災(zāi)害時(shí)作為地面網(wǎng)絡(luò)的冗余備份，確保應(yīng)急通信生命線（如救援指令傳輸）。
全球互聯(lián)
衛(wèi)星系統(tǒng)天然支持跨國覆蓋，適配海運(yùn)航線監(jiān)控、跨境物流追蹤等場(chǎng)景。
物聯(lián)網(wǎng)賦能
優(yōu)化低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）連接，支持遠(yuǎn)程環(huán)境傳感器、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)備等海量終端接入。
廣播/組播效率
衛(wèi)星單次傳輸覆蓋百萬平方公里，顯著降低大規(guī)模內(nèi)容分發(fā)的單位成本。
無縫漫游
空天地一體化網(wǎng)絡(luò)支持交通工具在移動(dòng)中保持連續(xù)連接（如高鐵/飛機(jī)網(wǎng)絡(luò)切換）。
流量卸載
在大型體育賽事或城市熱點(diǎn)區(qū)域分流地面網(wǎng)絡(luò)壓力，提升整體服務(wù)質(zhì)量（QoS）。
未來可擴(kuò)展性
通過增加衛(wèi)星/HAPs節(jié)點(diǎn)彈性擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量，避免地面光纖重復(fù)建設(shè)。
2、NTN的技術(shù)挑戰(zhàn)
成本壁壘
衛(wèi)星發(fā)射成本超億美元，LEO星座部署需持續(xù)資金投入，商業(yè)回報(bào)周期較長。
時(shí)延瓶頸
GEO衛(wèi)星單程時(shí)延約250ms，難以滿足工業(yè)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程手術(shù)等低時(shí)延需求。
頻譜資源競(jìng)爭(zhēng)
Ku/Ka頻段資源趨近飽和，需開發(fā)Q/V等高頻段技術(shù)，但面臨雨衰效應(yīng)加劇難題。
空間可持續(xù)性
LEO軌道衛(wèi)星密度激增，碰撞風(fēng)險(xiǎn)提升，需建立太空交通管理機(jī)制。
天氣敏感性
電離層擾動(dòng)、暴雨衰減可能導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降，需結(jié)合地面中繼增強(qiáng)魯棒性。
監(jiān)管復(fù)雜性
跨國衛(wèi)星通信需協(xié)調(diào)多國頻譜許可，國際規(guī)則差異增加合規(guī)成本。
安全威脅
星間鏈路易受竊聽/干擾，需部署量子加密等先進(jìn)防護(hù)技術(shù)。
能效平衡
高空平臺(tái)依賴太陽能供電，陰雨天氣需切換至備用電源，影響持續(xù)工作時(shí)間。
3、NTN系統(tǒng)關(guān)鍵組件
衛(wèi)星通信子系統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)：作為天地一體化網(wǎng)絡(luò)樞紐，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)與地面光纖網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。
GEO覆蓋網(wǎng)絡(luò)：單星覆蓋區(qū)域達(dá)地球1/3面積，通過多波束技術(shù)提升頻譜利用率。
非GEO移動(dòng)管理：采用動(dòng)態(tài)錨點(diǎn)切換機(jī)制，確保LEO衛(wèi)星高速移動(dòng)時(shí)的會(huì)話連續(xù)性。
協(xié)同工作機(jī)制GEO衛(wèi)星負(fù)責(zé)廣域連續(xù)覆蓋，LEO星座提供低時(shí)延增強(qiáng)，HAPs作為區(qū)域容量補(bǔ)充。通過AI驅(qū)動(dòng)的流量調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)星地資源動(dòng)態(tài)分配，優(yōu)化整體網(wǎng)絡(luò)效率。
4、技術(shù)演進(jìn)方向
5G-Advanced標(biāo)準(zhǔn)已引入NTN支持，未來6G將深度融合空天地海多維網(wǎng)絡(luò)，通過太赫茲通信、智能反射面等技術(shù)突破當(dāng)前性能瓶頸。
圖2 非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）的總體示意圖”
5、關(guān)鍵鏈路及有效載荷特性
饋線鏈路：這些鏈路代表衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)與衛(wèi)星之間的無線電連接，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信號(hào)的交換。
業(yè)務(wù)鏈路：這些無線電鏈路在用戶設(shè)備（UE）和衛(wèi)星之間建立通信通道，使目標(biāo)服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和連接。
衛(wèi)星有效載荷：采用透明有效載荷的衛(wèi)星在指定服務(wù)區(qū)生成多個(gè)波束。衛(wèi)星的視場(chǎng)范圍定義了覆蓋區(qū)域，該區(qū)域可以是地球固定的波束，也可以是針對(duì)低地球軌道（LEO）衛(wèi)星的地球移動(dòng)波束。波束的覆蓋區(qū)域通常呈橢圓形，具體取決于星載天線設(shè)計(jì)和最小仰角。
透明有效載荷特性：透明有效載荷包括關(guān)鍵組件，如射頻濾波、頻率轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大。這些特性確保有效載荷重復(fù)的波形信號(hào)保持不變，從而在整個(gè)通信過程中保持信號(hào)完整性。
6、用戶設(shè)備與服務(wù)交付
用戶設(shè)備（UE）：在目標(biāo)服務(wù)區(qū)內(nèi)，用戶設(shè)備（如移動(dòng)設(shè)備或通信終端）由衛(wèi)星提供服務(wù)。這使得用戶能夠接入網(wǎng)絡(luò)并享受非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）系統(tǒng)提供的連接服務(wù)。
三、空間平臺(tái)類型
空中平臺(tái)：包括無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）平臺(tái)，通常部署在8至50公里的高度，其中包括位于20公里高度的高空氣球平臺(tái)系統(tǒng)（HAPS）。
無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）：與地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星類似，可以相對(duì)于特定地面點(diǎn)保持固定位置，其波束覆蓋范圍從5到200公里不等。
空間和空中平臺(tái)：根據(jù)其有效載荷，分為兩種不同的配置。
非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）平臺(tái)：配備透明或再生有效載荷。
地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星：提供大陸、區(qū)域或本地級(jí)別的覆蓋。
低地球軌道（LEO）衛(wèi)星星座：可以為北半球和南半球提供服務(wù)，并且在某些情況下，通過采用特定的軌道傾角和生成足夠數(shù)量的波束，能夠?qū)崿F(xiàn)包括極地在內(nèi)的全球覆蓋。
中地球軌道（MEO）衛(wèi)星：中地球軌道（MEO）衛(wèi)星位于中等高度軌道，為各種通信應(yīng)用提供覆蓋范圍和延遲之間的平衡。
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)組（TSG）無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）和服務(wù)架構(gòu)（SA）在Rel-17非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）和衛(wèi)星工作項(xiàng)目方面的努力一直在穩(wěn)步推進(jìn)，旨在將衛(wèi)星功能整合到3GPP技術(shù)規(guī)范中。
四、3GPP Release 17 NTN（非地面網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)
在技術(shù)規(guī)范組（TSG）無線接入網(wǎng)（RAN）和系統(tǒng)與業(yè)務(wù)組（SA）的共同努力下，Release 17非地面網(wǎng)絡(luò)及衛(wèi)星相關(guān)研究項(xiàng)目持續(xù)取得穩(wěn)步進(jìn)展。這些工作的核心目標(biāo)是將衛(wèi)星通信能力深度集成到3GPP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系中，推動(dòng)空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。
五、未來規(guī)劃與Rel-18技術(shù)演進(jìn)
歐洲衛(wèi)星運(yùn)營商協(xié)會(huì)（ESOA）成員及非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）產(chǎn)業(yè)伙伴在3GPP Release 18六月研討會(huì)上啟動(dòng)技術(shù)研討，目前正著力推進(jìn)針對(duì)NR-NTN（新空口非地面網(wǎng)絡(luò)）和IoT-NTN（物聯(lián)網(wǎng)非地面網(wǎng)絡(luò)）的技術(shù)增強(qiáng)方案，相關(guān)成果將納入Release 18標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。
六、NTN典型應(yīng)用場(chǎng)景
非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具備多維度應(yīng)用價(jià)值，主要覆蓋以下領(lǐng)域：
農(nóng)村地區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋
通過衛(wèi)星鏈路為地面基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供寬帶接入，有效彌合數(shù)字鴻溝。
應(yīng)急通信保障
在地面網(wǎng)絡(luò)受損的災(zāi)害場(chǎng)景中建立應(yīng)急通信通道，支持搜救行動(dòng)關(guān)鍵信息傳遞。
空海廣域通信
為遠(yuǎn)洋船舶、航空器等移動(dòng)平臺(tái)提供連續(xù)覆蓋，保障航行區(qū)域通信服務(wù)質(zhì)量。
智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用
支撐農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在大范圍農(nóng)田中的環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)機(jī)設(shè)備管理等精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)需求。
能源礦業(yè)遠(yuǎn)程管控
實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境下礦區(qū)/能源設(shè)施的設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控與自動(dòng)化運(yùn)維。
全球資產(chǎn)追蹤
為跨國物流、運(yùn)輸行業(yè)提供全天候全球定位追蹤能力，保障供應(yīng)鏈可視化管理。
廣播級(jí)內(nèi)容分發(fā)
支持緊急廣播、大規(guī)模流媒體推送等廣域信息分發(fā)場(chǎng)景。
5G無縫漫游
構(gòu)建星地融合網(wǎng)絡(luò)，為跨境物流等場(chǎng)景提供無感知網(wǎng)絡(luò)切換能力。
低功耗物聯(lián)終端
適配海量低功耗傳感器的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)需求，如環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。
邊緣計(jì)算協(xié)同
通過星載計(jì)算節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分布式邊緣服務(wù)，提升5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)速度。
流量負(fù)載均衡
在密集城區(qū)場(chǎng)景實(shí)施星地流量分流，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源利用率。
網(wǎng)絡(luò)彈性擴(kuò)展
構(gòu)建面向未來流量增長的可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提升網(wǎng)絡(luò)容量彈性。
低成本覆蓋方案
替代地面基站部署，降低低人口密度區(qū)域網(wǎng)絡(luò)建設(shè)運(yùn)維成本。
七、透明與再生式有效載荷技術(shù)解析
透明有效載荷模式
? 衛(wèi)星作為射頻中繼節(jié)點(diǎn)：采用模擬信號(hào)透?jìng)鳈C(jī)制，不進(jìn)行基帶信號(hào)處理。
? 地面集中處理架構(gòu)：所有數(shù)字信號(hào)處理功能集中于地面基站（gNB）側(cè)完成。
? 雙鏈路透明傳輸：饋電鏈路與服務(wù)鏈路保持信號(hào)格式一致性，無信號(hào)重構(gòu)過程。
? 5G NR-Uu接口透?jìng)鳎喊o人機(jī)平臺(tái)在內(nèi)的空中節(jié)點(diǎn)完整保持5G空口協(xié)議棧。
? 信號(hào)完整性保障：實(shí)現(xiàn)饋電鏈路至服務(wù)鏈路的信號(hào)無損再生傳輸。
? 簡(jiǎn)化星載系統(tǒng)設(shè)計(jì)：衛(wèi)星僅承擔(dān)物理層信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)功能，降低星上處理復(fù)雜度。
圖3 參考：38.821-透明有效載荷
八、非透明（再生）有效載荷：
衛(wèi)星在信號(hào)再生中發(fā)揮核心作用，連接地球與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的通信。
在業(yè)務(wù)鏈路上，NR-Uu接口用于與用戶設(shè)備進(jìn)行通信。
在饋線鏈路上，衛(wèi)星使用N2和N3接口，形成衛(wèi)星無線電接口。
這種設(shè)置有效地將gNB（5G基站）置于衛(wèi)星內(nèi)部，從而增強(qiáng)了信號(hào)處理和中繼能力。
再生有效載荷積極增強(qiáng)信號(hào)，包括錯(cuò)誤糾正、調(diào)制/解調(diào)以及放大等功能。
再生有效載荷支持雙向通信，通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)地面站與用戶設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。
數(shù)據(jù)可能會(huì)在有效載荷內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以滿足衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的要求，確保傳輸?shù)母咝院涂煽啃浴?/p>
運(yùn)營商能夠?qū)π盘?hào)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)性能和數(shù)據(jù)完整性獲得更大的控制權(quán)。
實(shí)現(xiàn)再生有效載荷會(huì)增加衛(wèi)星系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，但它在信號(hào)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)可靠性方面提供了顯著優(yōu)勢(shì)。
圖4 參考：38.821 非透明（再生）有效載荷
衛(wèi)星工作頻段：
表 5.2.2-1：FR1 頻段中的 NTN 衛(wèi)星頻段
SIB 19 在 NTN 中的作用：
在非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）的背景下，系統(tǒng)信息塊 19（SIB 19）繼續(xù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，尤其是在基于衛(wèi)星的通信系統(tǒng)中。盡管 SIB 19 的核心目的與地面網(wǎng)絡(luò)中的類似，但在 NTN 中它有一些特定的作用：
小區(qū)重選信息：在 NTN 中，SIB 19 為用戶設(shè)備（UE）提供關(guān)于鄰近小區(qū)或衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這些信息幫助 UE 決定連接到哪個(gè)衛(wèi)星或網(wǎng)關(guān)，類似于其在地面網(wǎng)絡(luò)中的作用。
衛(wèi)星或網(wǎng)關(guān)選擇：在 NTN 中，UE 可能有多個(gè)衛(wèi)星選項(xiàng)或網(wǎng)關(guān)可供選擇，SIB 19 幫助 UE 根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度、質(zhì)量以及其他網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息來確定最適合的衛(wèi)星或網(wǎng)關(guān)。
無縫切換：對(duì)于 NTN 中的移動(dòng) UE，尤其是那些跨越不同衛(wèi)星波束或網(wǎng)關(guān)移動(dòng)的 UE，SIB 19 通過提供鄰近小區(qū)或網(wǎng)關(guān)及其切換適用性的信息，協(xié)助實(shí)現(xiàn)無縫切換。
資源分配：SIB 19 還可能包含與 NTN 內(nèi)資源分配和管理相關(guān)的信息。這些數(shù)據(jù)幫助 UE 了解可用資源并優(yōu)化其連接。
網(wǎng)絡(luò)效率：通過為 UE 提供關(guān)于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及可用衛(wèi)星或網(wǎng)關(guān)的準(zhǔn)確和最新信息，SIB 19 有助于提高 NTN 的整體效率和性能。
SIB 19 包含的 NTN-Config IE：
ta-Common：表示公共時(shí)間調(diào)整（Timing Adjustment）參數(shù)，用于 UE 與網(wǎng)絡(luò)之間的時(shí)間同步。
ta-CommonDrift：表示公共時(shí)間調(diào)整漂移參數(shù)，用于補(bǔ)償 UE 與網(wǎng)絡(luò)之間的時(shí)間偏差。
ta-CommonDriftVariant：表示公共時(shí)間調(diào)整漂移的變體參數(shù)，用于進(jìn)一步細(xì)化時(shí)間調(diào)整漂移的補(bǔ)償。
