NTN非地面網(wǎng)絡技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)分析

馮驥

【摘要】NTN非地面網(wǎng)絡技術(shù)是實現(xiàn)下一代移動通信系統(tǒng)中陸海空天一體化的通信需求的重要技術(shù)支撐，其獨特的技術(shù)優(yōu)勢使其有望成為下一代移動通信系統(tǒng)的架構(gòu)組件，本文首先從向6G通信的演進分析了NTN技術(shù)出現(xiàn)的背景，進而分析了NTN技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)要點，最后總結(jié)了現(xiàn)階段NTN技術(shù)在國內(nèi)外的產(chǎn)業(yè)布局，給出了該項技術(shù)的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】6G;非地面網(wǎng)絡;NTN;產(chǎn)業(yè)

中圖分類號：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.011..016

1. 向6G通信的演進

自移動通信技術(shù)出現(xiàn)和開始商業(yè)化應用以來，一直在不斷進化演進，并被標志以G（Genereation）的代際來區(qū)分，在目前的5G技術(shù)商用正火熱開展的同時，面向陸海空天一體化融合通信的6G的研究已經(jīng)開始，可以預測，在2030年左右，6G通信將迎來其部署和商用。6G通信的一大愿景是實現(xiàn)全球范圍的無縫覆蓋，而非地面網(wǎng)絡即NTN（Non-Terristrial Networks）技術(shù)正是實現(xiàn)這一愿景的重要支撐，在3GPP的Release-17中，指明了在后5G（Beyond 5G）階段的研究領(lǐng)域和方向。

2. 非地面網(wǎng)絡技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展

世界上首個衛(wèi)星通信系統(tǒng)是在1965年由國際衛(wèi)星通信組織發(fā)射運營的晨鳥號衛(wèi)星通信系統(tǒng)，之后發(fā)展建立的比較成熟的系統(tǒng)例如國際海事移動衛(wèi)星組織的IMMASAT衛(wèi)星系統(tǒng)、摩托羅拉的銥星Iridium手機電話系統(tǒng)等。隨著進入21世紀以來，移動互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展，寬帶通信網(wǎng)絡成為各種通信系統(tǒng)的共同目標，同時，通信技術(shù)和衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展也為在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中實現(xiàn)高速率、大吞吐量傳輸提供了可能。3GPP組織也及時關(guān)注到了通信系統(tǒng)的這一發(fā)展趨勢，并在3G標準和4G標準中都設(shè)定了相應的衛(wèi)星通信標準，特別是在2010年之后，以低軌道衛(wèi)星LEO為架構(gòu)的高速率、大吞吐量的衛(wèi)星通信系統(tǒng)被提出和開始部署。

3. NTN技術(shù)的提出

為適應現(xiàn)階段這種基于衛(wèi)星的寬帶移動通信技術(shù)發(fā)展，需要建立一個統(tǒng)一的技術(shù)標準。3GPP組織延續(xù)了前階段在通信標準中對衛(wèi)星通信的關(guān)注，在5G通信的標準中提出了建立相應衛(wèi)星通信系統(tǒng)標準的倡議。在新的標準協(xié)議下，一般把這種以衛(wèi)星通信為主的通信網(wǎng)絡稱為非地面網(wǎng)絡（Non-Terristrial Networks，NTN）。并且3GPP也為NTN技術(shù)制定了標準化路線圖，如圖1所示。

4. NTN技術(shù)概述

4.1 NTN總體網(wǎng)絡架構(gòu)

3GPP組織在其標準TR 38.821中較為詳細的描述了NTN技術(shù)的架構(gòu)，NTN網(wǎng)絡的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示

可以看出，一個NTN網(wǎng)絡至少應包括以下網(wǎng)絡部件：一臺具有衛(wèi)星信號收發(fā)功能的移動終端，一個與該移動終端通過服務鏈路通信的衛(wèi)星或無人飛行器平臺，一個與衛(wèi)星通過饋線鏈路通信，并將非地面網(wǎng)絡連接到公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的網(wǎng)關(guān)。

4.2 NTN關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 定時機制

NTN網(wǎng)絡中由于終端是與衛(wèi)星通信，因此傳播時延會大得多，為對抗這種傳播時延，終端會使用較大的定時提前（TA，Timing Advance），然而使用較大TA有會帶來上行和下行幀的較大定時偏移，因此需要引入設(shè)定的偏移值來改變相關(guān)的定時關(guān)系，而這種設(shè)定的偏移值一般是由網(wǎng)絡側(cè)根據(jù)實際情況指示的。

4.2.2 頻率偏移補償機制

多普勒頻移現(xiàn)象廣泛存在于各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，尤其是在LEO衛(wèi)星中更為突出，為了對多普勒頻移進行補償，現(xiàn)有技術(shù)中主要采用閉環(huán)和開環(huán)兩種方式來實現(xiàn)。閉環(huán)方式指的是終端不需要了解星座表、定位等信息，而完全由基站來指示頻率偏移;開環(huán)方式指的是終端知曉星座表、定位等信息，從而可以自身進行頻移補償?shù)挠嬎恪?/p>

4.2.3 多連接技術(shù)

多連接技術(shù)在4G、5G的通信標準中就有所闡述，其應用場景是一個為用戶提供服務的基站由于種種原因不能為用戶提供良好的服務，則用戶能檢測并同時連接到另一個提供更好服務的基站。在NTN網(wǎng)絡的應用場景下，由于其面向的就是信號覆蓋不足區(qū)域的用戶，因此可能會更多的出現(xiàn)需要進行多連接的情形，用戶可以在一個傳統(tǒng)地面基站和另一個NTN基站之間實現(xiàn)雙連接，也可以在一個NTN基站和另一個NTN基站（例如LEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星）之間實現(xiàn)雙連接，而對于地面接入，可以對上行鏈路或下行鏈路或兩者進行連接性組合，一個可以預見的場景是，由具有相對低延遲的基于LEO的NTN提供支持延遲敏感業(yè)務，而由基于GEO的NTN提供額外的帶寬以滿足目標吞吐量要求。

4.2.4 移動性管理

GEO衛(wèi)星由于其相對地面位置靜止，因此其每個波束的覆蓋范圍是固定的，只需要采用與傳統(tǒng)的移動性管理相同的方式進行管理，但需要考慮能容忍較大的傳輸時延;對于LEO衛(wèi)星，由于其相對地面的位置一直在改變，因此其波束的覆蓋范圍也始終在改變，因此需要針對NTN的特殊的移動性管理方式，進行諸如測量有效性、UE速度、移動方向、動態(tài)小區(qū)集合等方式的改進。

4.2.5 尋呼

基于GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星的差異，在NTN技術(shù)中的尋呼流程也相應的有所不同，對于GEO衛(wèi)星可以基本沿用傳統(tǒng)的陸地尋呼策略，而對于LEO衛(wèi)星，則需要一定程度上改變現(xiàn)有的尋呼策略，主要是對于尋呼中涉及的跟蹤區(qū)域TA，由于其一直在移動，因此需要在網(wǎng)絡側(cè)廣播與TA的運動情況相關(guān)的參數(shù)，以防止TA跳變從而影響尋呼的連續(xù)性，而這又需要在保證系統(tǒng)負荷滿足要求的情況下，對終端位置上報的參數(shù)和信令進行改進。針對不同的需求和應用場景，3GPP組織提出了基于固定NTN小區(qū)和基于移動NTN小區(qū)的尋呼方式。

5. NTN技術(shù)的產(chǎn)業(yè)布局

現(xiàn)階段，國內(nèi)外的多家科技企業(yè)已經(jīng)開始部署自己的星座系統(tǒng)，這其中比較有代表性的是美國的SpaceX公司的星鏈計劃Starlink、歐洲的O3b星座系統(tǒng)、OneWeb星座系統(tǒng)、我國的“天通一號”、“鴻雁星座”和“虹云工程”。

5.1 星鏈計劃

星鏈計劃是SpaceX公司于2015年開始的衛(wèi)星通信計劃，基于低軌道衛(wèi)星LEO實現(xiàn)，聲稱將于2024年前發(fā)射1.2萬顆通信衛(wèi)星，完成初期建設(shè)，并最終發(fā)射4.2萬顆衛(wèi)星，部署完成后可以完全取代現(xiàn)有的光纖骨干網(wǎng)絡，實現(xiàn)全球無線互聯(lián)。星鏈計劃的第一次發(fā)射始于2018年，并在接下來的幾年內(nèi)迅速部署了大量通信衛(wèi)星，目前星鏈計劃的衛(wèi)星系統(tǒng)在軌衛(wèi)星共計1700余顆。據(jù)稱在今年，星鏈計劃會在北美首先開通通信測試。

5.2 O3b星座系統(tǒng)

O3b星座系統(tǒng)是全球第一個成功開始商業(yè)化運營的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，基于中軌道衛(wèi)星MEO實現(xiàn)。早在2013年，O3b就進行了第一批衛(wèi)星的發(fā)射部署，并在接下來的幾年內(nèi)陸續(xù)發(fā)射了十余顆衛(wèi)星，并完成了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)部署，主要面向當?shù)仉娦胚\營商、大洋上的石油天然氣平臺、傳統(tǒng)海事市場和一些軍方客戶提供服務。

5.3 OneWeb星座系統(tǒng)

OneWeb公司成立于2012年，自2019年開始OneWeb開始發(fā)射衛(wèi)星部署，于2020年完成了幾次衛(wèi)星發(fā)射，目前在軌衛(wèi)星數(shù)量已擴大到二百余顆，短期計劃是發(fā)射六百顆衛(wèi)星實現(xiàn)全球覆蓋，在今年實現(xiàn)英國、北歐等地的服務測試，長期計劃是發(fā)射六千余顆衛(wèi)星，完成整個星座系統(tǒng)的建設(shè)。

5.4 “天通一號”、“鴻雁星座”和“虹云工程”

我國的衛(wèi)星技術(shù)在世界上處于先進行列，在軌衛(wèi)星數(shù)量位居全球第二，近年來，我國也逐漸加強了對自身衛(wèi)星通信技術(shù)的關(guān)注和建設(shè)，并在發(fā)展規(guī)劃中提出，在2025年建成民用空間基礎(chǔ)設(shè)施體系。“天通一號”是我國第一個自主研發(fā)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用高軌道衛(wèi)星GEO系統(tǒng)，第一顆天通一號01星于2016年發(fā)射，至今已完成三次發(fā)射，提供包括災難救援、遠洋通信、兩極科考、國際維和等領(lǐng)域的通信服務?！傍櫻阈亲焙汀昂缭乒こ獭本傻蛙壍佬l(wèi)星LEO實現(xiàn)。其中“虹云”系統(tǒng)2018年發(fā)射了首顆衛(wèi)星，計劃最終發(fā)射156顆衛(wèi)星實現(xiàn)系統(tǒng)部署，并建成中國首個天基互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)?！傍櫻阈亲钡氖仔且灿?018年發(fā)射，計劃在2021年前后完成一期建設(shè)，發(fā)射六十余顆衛(wèi)星，在2024年前后完成二期建設(shè)，部署三百余顆衛(wèi)星，完成全球范圍的無線覆蓋。并據(jù)國際電聯(lián)ITU官網(wǎng)顯示，我國也已經(jīng)在其平臺上申報了兩個衛(wèi)星星座系統(tǒng)的軌道和頻率等參數(shù)，可以預見在不久的未來，我國也將擁有屬于自己的全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

6. 結(jié)束語

NTN非地面網(wǎng)絡技術(shù)是隨著全球無縫覆蓋的需求而產(chǎn)生的技術(shù)，隨著軌道衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，NTN通信技術(shù)也進入了一個發(fā)展的新階段，國際化的標準化組織例如3GPP已開始研究該項技術(shù)的參數(shù)指標和系統(tǒng)架構(gòu)，國內(nèi)外的眾多企業(yè)也已開始嘗試部署各自的NTN通信系統(tǒng)，雖然大部分系統(tǒng)還處于部署和測試的初期，但是可以預見NTN系統(tǒng)由于其特有的優(yōu)勢，能夠在未來的通信市場上占有一席之地。

參考文獻：

[1]融合5G的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，翟華，《空間電子技術(shù)》

[2]3GPP TR 38.821 Solutions for NR to support non-terrestrial networks（NTN）