NTN非地面網絡技術及其產業分析

馮驥

【摘要】NTN非地面網絡技術是實現下一代移動通信系統中陸海空天一體化的通信需求的重要技術支撐，其獨特的技術優勢使其有望成為下一代移動通信系統的架構組件，本文首先從向6G通信的演進分析了NTN技術出現的背景，進而分析了NTN技術的系統架構和技術要點，最后總結了現階段NTN技術在國內外的產業布局，給出了該項技術的發展前景。

【關鍵詞】6G;非地面網絡;NTN;產業

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

自移動通信技術出現和開始商業化應用以來，一直在不斷進化演進，并被標志以G（Genereation）的代際來區分，在目前的5G技術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全球范圍的無縫覆蓋，而非地面網絡即NTN（Non-Terristrial Networks）技術正是實現這一愿景的重要支撐，在3GPP的Release-17中，指明了在后5G（Beyond 5G）階段的研究領域和方向。

2. 非地面網絡技術的產生和發展

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

3. NTN技術的提出

為適應現階段這種基于衛星的寬帶移動通信技術發展，需要建立一個統一的技術標準。3GPP組織延續了前階段在通信標準中對衛星通信的關注，在5G通信的標準中提出了建立相應衛星通信系統標準的倡議。在新的標準協議下，一般把這種以衛星通信為主的通信網絡稱為非地面網絡（Non-Terristrial Networks，NTN）。并且3GPP也為NTN技術制定了標準化路線圖，如圖1所示。

4. NTN技術概述

4.1 NTN總體網絡架構

3GPP組織在其標準TR 38.821中較為詳細的描述了NTN技術的架構，NTN網絡的總體結構如圖2所示

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

4.2 NTN關鍵技術

4.2.1 定時機制

NTN網絡中由于終端是與衛星通信，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，因此需要引入設定的偏移值來改變相關的定時關系，而這種設定的偏移值一般是由網絡側根據實際情況指示的。

4.2.2 頻率偏移補償機制

多普勒頻移現象廣泛存在于各種衛星通信系統中，尤其是在LEO衛星中更為突出，為了對多普勒頻移進行補償，現有技術中主要采用閉環和開環兩種方式來實現。閉環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的計算。

4.2.3 多連接技術

多連接技術在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網絡的應用場景下，由于其面向的就是信號覆蓋不足區域的用戶，因此可能會更多的出現需要進行多連接的情形，用戶可以在一個傳統地面基站和另一個NTN基站之間實現雙連接，也可以在一個NTN基站和另一個NTN基站（例如LEO衛星和GEO衛星）之間實現雙連接，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、動態小區集合等方式的改進。

4.2.5 尋呼

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

5. NTN技術的產業布局

現階段，國內外的多家科技企業已經開始部署自己的星座系統，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、OneWeb星座系統、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年開始的衛星通信計劃，基于低軌道衛星LEO實現，聲稱將于2024年前發射1.2萬顆通信衛星，完成初期建設，并最終發射4.2萬顆衛星，部署完成后可以完全取代現有的光纖骨干網絡，實現全球無線互聯。星鏈計劃的第一次發射始于2018年，并在接下來的幾年內迅速部署了大量通信衛星，目前星鏈計劃的衛星系統在軌衛星共計1700余顆。據稱在今年，星鏈計劃會在北美首先開通通信測試。

5.2 O3b星座系統

O3b星座系統是全球第一個成功開始商業化運營的衛星通信系統，基于中軌道衛星MEO實現。早在2013年，O3b就進行了第一批衛星的發射部署，并在接下來的幾年內陸續發射了十余顆衛星，并完成了衛星通信系統的產業部署，主要面向當地電信運營商、大洋上的石油天然氣平臺、傳統海事市場和一些軍方客戶提供服務。

5.3 OneWeb星座系統

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

5.4 “天通一號”、“鴻雁星座”和“虹云工程”

我國的衛星技術在世界上處于先進行列，在軌衛星數量位居全球第二，近年來，我國也逐漸加強了對自身衛星通信技術的關注和建設，并在發展規劃中提出，在2025年建成民用空間基礎設施體系。“天通一號”是我國第一個自主研發的衛星通信系統，該系統使用高軌道衛星GEO系統，第一顆天通一號01星于2016年發射，至今已完成三次發射，提供包括災難救援、遠洋通信、兩極科考、國際維和等領域的通信服務。“鴻雁星座”和“虹云工程”均由低軌道衛星LEO實現。其中“虹云”系統2018年發射了首顆衛星，計劃最終發射156顆衛星實現系統部署，并建成中國首個天基互聯網系統。“鴻雁星座”的首星也于2018年發射，計劃在2021年前后完成一期建設，發射六十余顆衛星，在2024年前后完成二期建設，部署三百余顆衛星，完成全球范圍的無線覆蓋。并據國際電聯ITU官網顯示，我國也已經在其平臺上申報了兩個衛星星座系統的軌道和頻率等參數，可以預見在不久的未來，我國也將擁有屬于自己的全球衛星通信系統。

6. 結束語

NTN非地面網絡技術是隨著全球無縫覆蓋的需求而產生的技術，隨著軌道衛星技術的發展，NTN通信技術也進入了一個發展的新階段，國際化的標準化組織例如3GPP已開始研究該項技術的參數指標和系統架構，國內外的眾多企業也已開始嘗試部署各自的NTN通信系統，雖然大部分系統還處于部署和測試的初期，但是可以預見NTN系統由于其特有的優勢，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的衛星移動通信系統，翟華，《空間電子技術》

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