5GNTN關鍵技術研究與演進展望

繆德山，柴麗，孫建成，柯颋，劉玉真，徐曉東，胡南，陳山枝

5GNTN關鍵技術研究與演進展望

繆德山1,2，柴麗3，孫建成1,2，柯颋3，劉玉真3，徐曉東3，胡南3，陳山枝2

（1. 中信科移動通信技術股份有限公司，北京 100083；2.無線移動通信國家重點實驗室（電信科學技術研究院有限公司），北京 100191；3. 中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

5G非地面網絡（non-terrestrial network，NTN）技術是5G通信系統面向衛星通信和低空通信等新應用場景的重要技術，標志著5G技術應用從陸地通信走向了空間通信。首先分析了5G NTN和地面5G的差異點，包括網絡架構、時頻同步、HARQ和移動性管理等。進而介紹了3GPP Release 17的5G NTN標準進展及關鍵技術點與3GPP Release 18 的5G NTN增強技術。最后展望了未來空、天、地一體化的技術演進。通過對5G NTN技術研究和標準分析，明確了5G和衛星通信融合的技術路線，并為后續6G空、天、地融合系統研究和設計提供基礎。

NTN；傳輸時延；移動性；覆蓋

0 引言

地面5G通信的第一個版本3GPP Release 15（Rel-15）針對3種典型場景——eMBB、mMTC、URLLC提供了強大的技術支撐，使得移動通信從以人與人的連接為主，演變成了人與物、物與物的海量連接。由于陸地的覆蓋僅占地球表面的6%，地表面積大部分沒有移動通信的覆蓋，因此5G的通信觸覺進一步延伸到更廣闊的空、天、地、海領域，進而觸發了在3GPPRel-16開始非地面網絡（non-terrestrial network，NTN）的技術研究，在3GPP Rel-17首次開始WI（Work Item）系統設計。5G NTN技術吸收了傳統衛星通信和地面移動通信的雙重優勢技術，不僅擴大了衛星通信產業鏈，而且為下一代空、天、地一體化融合通信系統奠定了技術基礎。本文針對3GPP 的NTN空口技術進行了系統性的介紹，針對標準進展和關鍵技術展開了分析，目的是理解和挖掘NTN技術的潛力，促進衛星通信、臨空通信與地面5G服務的協同發展[1]，同時對即將進行標準化的3GPP Rel-18 NTN項目進行了簡要介紹，以便對NTN技術在5G系統中的演進提供技術上的前瞻性探索和判斷。

1 5G NTN的應用場景和差異性分析

5G NTN技術的主要目標是借助5G系統的技術框架、針對衛星通信和低空通信的特點而進行的5G系統適應性改造，實現5G通信系統對空、天、地、海多場景的統一服務。因此在研究5G NTN技術之前需要對可能的應用場景和差異性進行分析。

表1 5G非地面網絡典型部署場景

1.1 典型部署場景

5G系統從3GPP Rel-15開始主要面向地面通信，因此小區半徑、終端的移動性、終端與基站的傳輸時延等方面和4G系統差異不大，而在NTN場景，主要面對的是衛星通信和低空通信（低空平臺），這導致了系統設計方面需要考慮新的技術問題和挑戰。

5G非地面網絡的典型部署場景見表1[2-3]，與地面通信的差異主要體現在高時延、廣覆蓋和衛星的運動等方面。

1.2 5G NTN的差異性和技術挑戰

基于NTN的應用場景，由于空中或太空載體的高度和移動速度，以及由此造成的高傳播時延和多普勒偏移等，將對非地面網絡的設計和應用帶來新的問題和挑戰。相應地，5G非地面網絡組網需要對5G協議進行針對性的修改或增強，以適應上述差異和變化。

（1）高傳輸時延

高度在35 786 km的GEO單路傳輸時延可達272.4 ms（針對透明轉發衛星），非GEO單路傳輸時延為至少14.2 ms（600 km LEO），而高度在10 000 km的MEO可達95.2 ms，HAPS單路傳輸時延為至少1.526 ms，仍遠高于地面蜂窩網絡的0.033 ms。高傳輸時延將極大地影響基站與終端間交互的時效性，特別是接入和切換等需要多次信令交互的過程，以及HARQ（hybrid automatic repeat request）重傳過程等，進而對用戶體驗產生負面影響，因此需要對上述相關協議流程進行改進或針對性的重設計。

（2）更大的小區半徑

與地面蜂窩網絡小區相比，非地面網絡的小區一般具有更大的覆蓋范圍，如衛星小區直徑可達1 000 km級別，因此小區的中心邊緣時延差異等將更加明顯。小區半徑增大對系統定時同步帶來一定的影響，5G系統是同步通信系統，因此有必要引入增強的同步機制保證用戶間的同步從而避免干擾。

（3）多普勒變化率和定時變化率

對于低軌衛星系統，衛星將圍繞地球做高速環形運動，這會導致額外的技術問題——多普勒變化和定時變化。地面5G系統在高鐵場景應用時，多普勒頻偏僅需考慮數千赫茲的頻偏，然而對于低軌衛星系統，將不得不處理幾十千赫茲甚至兆赫茲級別的多普勒偏移。對于時間變化率，地面通信基本可以忽略，然而，對于低軌衛星通信，其定時變化率則達數十μs /s的量級，對于高頻段的5G系統，是一個巨大的挑戰。總的來說，時頻同步技術必須進行較大的技術增強才能支持NTN通信。

（4）移動性管理

5G非地面網絡的小區重選和切換、波束選擇和恢復等移動性管理過程同樣需要考慮可能的小區移動。一方面，在移動性管理決策中，需要將小區的移動狀態信息（速度、方向、預計位置）等納入考量，避免不必要的切換或重選等；另一方面，可進一步利用小區的移動狀態信息，進行預先的小區或波束切換，減少信令交互開銷。

（5）峰均比問題

由于衛星的載荷器件的限制，衛星通信的峰均比一直是被重點關注的問題。傳統的衛星通信采用單載波技術，而在5G NTN系統中，正交頻分復用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）技術是一項基本技術。在實踐中，峰均比技術可以通過相應的技術手段進行規避，比如，通過相控陣天線技術，多個波束將會共享一個功放（power amplifier，PA），這會消除多載波技術和單載波技術的差異；進一步地，考慮削峰技術，通過對信號的峰值進行限幅從而降低峰均比。經過廣泛的技術討論，3GPP仍然采用了5G的波形體制，峰均比問題僅作為實現問題留給設備商進行技術優化。

2 3GPP Rel-17 NTN關鍵技術

與傳統的地面蜂窩網相比，NTN的網絡架構、終端/基站特性、具體的協議功能等方面都和傳統的地面蜂窩接入網有著或多或少的差異。在3GPP Rel-17的標準化過程中，針對網絡架構討論了透明轉發和再生模式兩種架構，最終同意先支持透明轉發模式。具體如下。

2.1 網絡組成與架構

NTN分為兩大場景——透明轉發（又稱，彎管轉發）和再生轉發。其中，透明轉發場景中衛星扮演的角色是射頻中繼，服務鏈路（service link）和饋電鏈路（feeder link）均采用5G的Uu接口，而NTN GW（gateway）只是透傳NR-Uu口信號，不同的透傳衛星可以連接相同的地面基站gNB；另一方面，再生場景中衛星扮演的角色則是星載基站（gNB-DU或gNB），服務鏈路采用NR Uu口，不同于透明轉發模式，饋電鏈路采用衛星私有空口（satellite radio interface，SRI），NTN GW則是transport network layer節點，不同星載gNB可以連接相同的地面5G核心網。基于透明轉發和再生架構的非地面網絡分別如圖1、圖2所示[3]。

圖1 基于透明轉發的非地面網絡

圖2 基于再生架構的非地面網絡

非地面網絡一般由以下部分組成。

（1）網關

非地面網絡與公共數據網絡之間的參考點。

（2）NTN終端

包括手持終端等小型終端和甚小口徑天線終端（very small aperture terminal，VSAT），其中手持終端等小型終端通常由窄帶或寬帶衛星接入網絡直接服務，頻段通常在6 GHz以下，下行速率為1～2 Mbit/s（窄帶）；VSAT通常搭載于移動平臺（如船舶、列車、飛機等）作為其內部小型終端的中繼，由寬帶衛星接入網絡直接服務，頻段通常在6 GHz以上，下行速率可超過50 Mbit/s 。

（3）饋電鏈路

網關與衛星（或者空中載體平臺）之間的通信鏈路。

（4）空中載體平臺

搭載部分（如射頻拉遠頭（remote radio head，RRH））或全部基站功能單元，當搭載部分基站單元，僅具備射頻濾波、頻率轉換和放大功能時，稱為透明轉發模式；當搭載全部基站單元，額外具備調制/編碼、解調/解碼、交換/路由等功能時，稱為再生放大模式。

（5）載體平臺間鏈路（inter-satellite link，ISL）

用于再生模式下空間平臺基站之間進行信息交互的情況。

（6）服務鏈路

NTN終端與衛星（或者空中載體平臺）之間的通信鏈路。

2.2 主要關鍵技術

2.2.1 時頻率同步補償

圖3 UE UL TA補償示意圖

對于低軌衛星移動系統，多普勒頻率補償是一個關鍵技術點。在3GPP Rel-17 NTN中，由于場景設定為透明轉發衛星，因此多普勒變化的影響服務鏈路和饋電鏈路。從UE的角度看，服務鏈路可以通過星歷信息和終端的位置信息計算相應的多普勒變化，而對于饋電鏈路，由于缺乏地面網關的位置信息，這部分多普勒偏移需要由基站進行補償。

無論定時補償還是多普勒補償，網絡都需要廣播星歷信息給終端，星歷的精度和格式是其中的關鍵因素。在5G NTN系統中，時間同步誤差需要在1/2CP（cyclic prefix）范圍之內，頻率誤差需要控制在0.1×10?6以內，因此星歷信息需要周期性更新，并保持必要的精度。另外，為了保持技術實現的靈活性，3GPP Rel-17 NTN還支持基于軌道六根數（半長軸、離心率、軌道傾角、近心點輻角、升交點經度和真近點角）和基于衛星位置與速度的星歷格式[6]，前者的預測時間長，后者有利于簡化終端實現。

2.2.2 定時關系增強

5G系統的定時關系是嚴格要求的，所有終端上行必須保持同步，因此NTN場景帶來了額外的技術變化。考慮在NTN中，星地通信時延過大，遠超出地面網絡中定義的相關定時參數（如PDSCH到HARQ反饋時延1、上行調度到PUSCH傳輸時延2等）的最大指示范圍，為了不影響標準的兼容性，3GPP Rel-17在已有的定時參數基礎上，引入新的值偏移量（_offset），即所有有影響的定時關系上，增加一個_offset, 用于涵蓋星地傳播延時影響。

3GPP Rel-17確定在下述定時關系中引入_offset值，包括[7]：DCI調度PUSCH傳輸的定時關系、RAR調度PUSCH傳輸的定時關系、PDSCH到HARQ反饋的定時關系、參考CSI資源的定時關系、非周期SRS（sounding reference signal）的定時關系、MAC CE（control element）承載的TA命令的生效時間、PDCCH調度PRACH傳輸的定時關系等。

2.2.3 HARQ重傳

圖4 DCI調度PUSCH傳輸的定時關系增強示意圖

NTN中，衛星到地面時延過長，如高度在35 786 km的GEO單路傳輸時延可達272.4 ms，非GEO單路傳輸時延至少14.2 ms（600 km LEO），而高度在10 000 km的MEO單路傳輸時延可達95.2 ms，傳統地面網絡中HARQ重傳技術受到挑戰，至少對于GEO和MEO網絡，HARQ進程數過大導致UE緩存能力受限。因此，3GPP Rel-17確定NTN有能力配置UE是否關閉HARQ的反饋和重傳功能，并且基于終端能力的考慮，確定最大僅支持32個進程[8]。現有技術中，HARQ關閉意味著UE無法做軟合并。當PDSCH傳輸失敗后，RLC層重傳雖然也能工作，但與MAC層的HARQ重傳相比，一是頻譜效率低，UE無法將多次重傳結果做軟合并；二是時延更長。為了避免RLC層重傳，NTN需要通過降低頻譜效率的手段（如重復傳輸、高BLER目標、低MCS調度等）提高初傳成功率，但同樣導致NTN的頻率效率較低。所以，為了盡量避免簡單“一刀切”的方式來盲目使用這種能耗很高、效率低的技術，最終面向NTN的HARQ過程增強如下：

● 對于下行鏈路，可以啟用或禁用HARQ反饋，但在SPS去激活場景下，要求始終發送HARQ反饋；

● 對于上行鏈路上的動態授權，網絡可為UE的每個HARQ過程配置UL HARQ狀態，確定是允許重傳或非重傳模式。此外，每個邏輯信道（logical channel，LCH）可被配置為在一種UL HARQ狀態上傳輸。因此，配置了UL HARQ狀態的LCH的數據只能映射到配置了相同狀態的HARQ進程, 否則引起數據處理錯誤。面向邏輯信道配置UL HARQ狀態的示意圖如圖5所示。

圖5 面向邏輯信道配置UL HARQ狀態的示意圖

2.2.4 尋呼和空閑態管理

為了解決由衛星運動觸發的頻繁尋呼跟蹤區更新（tracking area update，TAU）過程的問題，5G NTN提出了“固定跟蹤區域”的概念，即跟蹤區域碼（tracking area code，TAC）固定在地面上，而小區在地面上隨著衛星的移動而改變，也就是說，當小區在地面掃描時，如果小區到達下一個計劃的地球固定跟蹤區域時，廣播的跟蹤區域碼（即TAC）發生變化。“固定跟蹤區域”雖然解決了衛星運動觸發的頻繁TAU過程的問題，但也對小區的系統消息更新或尋呼周期帶來了新的問題。

于是，3GPP Rel-17 在傳統的硬跟蹤區更新的基礎上引入了軟跟蹤區更新方案，具體是網絡可以在NR NTN小區中針對每一個PLMN（public land mobile network）廣播多達12個以上的跟蹤區域碼（TAC），包括相同或不同的PLMN。系統信息中的TAC變化受網絡控制，即它可能與地面光束的實時照明不完全同步。另外，如果當前廣播的TAC之一屬于UE的注冊區域，則不期望UE執行由移動性觸發的注冊過程。跟蹤區域碼和地理位置固定示意圖如圖6所示。

2.2.5 連接態的移動性管理

（1）切換技術

對于低軌衛星，波束覆蓋存在覆蓋固定波束和覆蓋移動波束兩種模式，所謂覆蓋固定波束指的是波束指向地面固定的區域，而覆蓋移動波束指的是波束隨著衛星的移動而移動。在3GPP Rel-17 NTN系統中，由于假設透明轉發場景，還存在服務鏈路和饋電鏈路的分離切換模式，增大了切換管理的復雜度。連接模式移動性管理按照UE移動以及衛星移動分為以下5種特定場景[9]。

● 場景1：用于覆蓋固定波束的饋電鏈路切換，包含UE服務鏈路切換。

圖6 跟蹤區域碼和地理位置固定示意圖

● 場景2：用于覆蓋移動波束的饋電鏈路切換，包含UE服務鏈路切換。

● 場景3：衛星切換導致的覆蓋固定波束服務鏈路切換。

● 場景4：當覆蓋移動波束不再服務于UE時，覆蓋移動波束的連接模式移動性。

● 場景5：由于UE移動，覆蓋移動和覆蓋固定波束的連接模式移動性。

對于NTN系統的切換，主要考慮的問題是如何利用星歷和終端的位置信息，以保證切換的可靠性；在地面系統切換中，RRM測量是主要切換依據，然而在衛星通信中，切換不僅僅依靠RRM測量，也需要充分利用終端的位置和衛星的波束移動規律。因此在3GPP Rel-17 NTN中，引入了條件切換（conditional handover，CHO）的技術方案，即基于衛星移動的規律提前按照某種條件配置終端到點自主切換。具體的觸發條件包括：

● CHO執行觸發的測量CHO事件A4；

● 基于時間的觸發條件，定義UE可以對候選小區執行CHO時的時間窗口；

● 一種基于位置的觸發條件，定義從UE到源小區和從UE到候選小區的兩個距離閾值，UE可根據該距離閾值執行CHO；

● 基于時間或基于位置的觸發條件始終與基于測量的觸發條件之一（CHO事件A3、A4或A5）一起配置。

（2）連接態的測量

傳統的同頻測量和異頻測量，由于基站均在地面上，不同的地面基站到終端的傳輸時延差比較小，因此協議中規定的測量窗口長度比較小。而對于非地面網絡，衛星到UE之間的傳輸時延差異較大，尤其是LEO和GEO到UE的傳輸時延差，更是到了百毫秒級別，如果使用現有的測量配置可能導致UE無法檢測到目標小區的同步信號和PBCH塊（synchronization signal and PBCH block，SSB）。同時，由于衛星的移動速度比較快，可能測量配置在實際執行時會比地面網絡的錯誤率高很多，具體如圖7所示[10]。

圖7 面向NTN的目標小區和服務小區到UE的傳播時延差示意圖

因此在3GPP Rel-17，對測量方案進行了增強，充分考慮目標小區和服務小區到UE的傳播時延差，使得UE能夠正確檢測到目標小區的SSB。同時，綜合考慮衛星的移動速度，提高測量配置的容錯性能。具體地，網絡可以配置如下。

● 每個載波信道最多配置并行4個同步塊測量時序配置（SS/PBCH block measurement timing configuration，SMTC），并且對于一組給定的小區，配置的數目具體取決于UE能力。作為最低要求，UE能夠在每個載波上并行支持2個SMTC。

● SMTC（包括偏移、周期性）使用根據UE報告的定時提前信息、饋線鏈路時延以及服務/相鄰衛星小區星歷計算的傳播時延差。

● 在連接模式的網絡控制和空閑/非活動模式的UE控制下，可以通過換擋調整SMTC。

3 面向3GPP Rel-18的NTN技術演進

3.1 3GPP Rel-17 NTN技術演進的需求

在3GPP Rel-17版本，NTN技術的標準化主要是基于透明轉發的GSO和NGSO網絡場景下對具備定位能力終端的支持。NTN 3GPP Rel-17只是一個比較基礎的版本，仍無法滿足更為靈活多樣的空、天、地一體化網絡架構和網絡部署需求，更為多樣的終端類型和業務需求。

NTN技術在3GPP Rel-18的演進需求主要包括兩個方面：新特性支持和現有特性增強。在新特性支持方面，不少公司提出了各種不同的想法和需求，如多播廣播業務（multicast broadcast service，MBS）的支持、RedCap的支持、新頻譜的支持、再生模式的支持以及沒有GNSS能力的終端的支持等。現有特性增強方面，如進一步的覆蓋增強、波束管理增強以及移動性管理增強等[11-12]。

對于衛星波束的配置和部署假設，3GPP Rel-17 NTN版本沒有增強，主要的原理是遵循地面5G通信的控制波束和數據波束的概念，但受衛星波束的大覆蓋和鏈路預算的影響，客觀上存在增強的需求。但受限于3GPP Rel-18的時間進度，最終采納的NTN標準化需求包括[13]：

● 支持10 GHz以上的部署的新場景，主要覆蓋現有衛星通信的常用Ku/Ka頻段；

● 基于衛星系統大的傳播時延和低軌衛星高速運動的特點，對手持終端（尤其是智能手機）的性能進一步優化；

● 對終端的移動性和業務連續性的進一步增強，以減少低軌衛星系統下UE頻繁切換對終端業務的影響；

● 對終端位置報告進行網絡驗證，以滿足相關監管的要求（如合法的攔截、緊急呼叫、公共預警系統等）。

3.2 3GPP Rel-18 NTN主要關鍵技術

3.2.1 覆蓋增強

3GPP Rel-18目標的重點是考慮NR覆蓋增強方案在NTN系統中的適用性，識別NTN系統中覆蓋方面的潛在問題并針對性地進行方案設計，設計應考慮NTN特征包括較大的傳播時延和衛星的快速運動。

NTN 3GPP Rel-18覆蓋增強的相關工作僅包含NTN特定特征，對于覆蓋增強通用技術則可以直接應用。對于應用場景，至少需要考慮商業智能手機的語音和低速率數據服務。關于天線增益，使用更合理的假設，而不是目前NTN鏈接預算分析假定的0 dBi，比如?3 dBi。

對于NTN覆蓋增強，主要考慮下列技術研究方向：

● 在3GPP Rel-17 覆蓋增強項目標準化的重復增強之外的NTN特定的重復增強技術；

● NTN特定的分集增強和/或極化增強技術；

● 在鏈路預算有限的情況下提高低速率編解碼的性能，減少對VoNR在接入網的協議開銷。

3.2.2 10 GHz以上頻譜的支持

對于高頻段，衛星通信有巨大的應用需求，因此，3GPP Rel-18要研究和確定NTN示例頻帶，包括相鄰信道共存的場景和規則分析，具體的要求如下。

● 根據ITU分配，考慮以衛星Ka頻段為參考；考慮終端類型（如VSAT、ESIM）場景，和ITU-R /地區法規，定義一個適合開發通用的3GPP最低性能要求的示例頻帶。

● 研究FR2 FDD操作的影響，推導得到需求確定適當的示例頻帶。3GPP為FDD NTN系統引入的示例頻帶不得影響現有的3GPP TDD規范中地面所使用的與NTN鄰近的頻譜。

● 相關的共存場景和分析需要在RAN4考慮，如果適用于其他地方，要保證3GPP引入的頻譜不影響現有的規范，不對使用NTN頻譜的鄰近頻譜的地面網絡造成損害。

● 以FR1中的設計作為10 GHz以上的共存分析的基礎和參考。

● 定義10 GHz以上的NTN頻帶不應改變當前FR1 / FR2的定義，也不會自動適用于未來地面網絡在該頻譜上定義的頻帶。

對于確定的示例頻段，需要盡快明確定義衛星接入點的Rx / Tx要求和不同的VSAT UE等級。從現有FR1和FR2集合中確定物理層參數的值，可以包括但不限于以下一組參數：

● 時間關系相關增強（例如_offset）；

● 不同的UL / DL 信號/通道的子波間隔；

● 10 GHz以上的PRACH配置索引。

3.2.3 UE位置的網絡驗證

NTN 3GPP Rel-17版本中，3GPP系統與架構小組SA2和SA3提出了對UE位置信息的使用監管需求，具體如下：

● 在衛星小區跨國/地區覆蓋的場景下，基站應為UE選擇該UE當前位置所處國家/地區對應的核心網網元；且在UE連接態在一個小區內發生了跨國/地區移動的情況下，基站應能識別并觸發inter-AMF/inter- PLMN的切換；

● 基站向核心網上報的ULI（user location information）中包含的CGI（cell global ID）應和NR地面網絡中的小區大小的粒度相當。

為了滿足上述需求，3GPP Rel-17設計了空口的UE位置上報機制，但上報的UE位置是否準確有效，目前沒有明確的網絡驗證的方法。因此，3GPP Rel-18要進一步討論網絡驗證UE位置的法規要求及精度要求，并基于該需求，設計對應的網絡驗證UE上報位置的具體方法。

3.2.4 移動性和業務連續性增強

NTN 3GPP Rel-17版本中，對NTN LEO系統內的移動性方案進行了設計，包括空閑態的小區選擇和重選、連接態的基于UE位置和基于時間的條件切換。NTN-TN之間的移動性在3GPP Rel-17中沒有得到充分的討論，也沒有進行完善的方案設計。

3GPP Rel-18將以3GPP Rel-17的移動性方案設計為基礎，設計和完善TN-NTN之間的移動性方案，同時考慮NTN系統內的移動性管理方案的優化和增強，以縮短切換帶來的業務中斷。由于TN和NTN的覆蓋互補性，在兩種網絡中的平滑切換能有效提升業務服務的連續性，如圖8所示。

圖8 支持業務連續性的TN和NTN網絡互補覆蓋

移動性管理的增強方面有多種優化機制可以考慮，具體如下。

（1）基于UE位置上報進行切換的決策和實施

3GPP Rel-17已經設計了空口的UE位置上報，3GPP Rel-18會進一步討論UE上報位置的精度和如何驗證的問題。基于此，如果基站側能夠獲得相對精準的UE位置信息（比如精確的GNSS位置或者百米精度的UE位置），基站可以直接基于UE的位置和自身覆蓋情況來確定和執行星內切換及星間切換。

（2）基于DAPS（dual active protocol stack cell system）的切換

基于DAPS的切換在3GPP移動性增強項目中已經進行了相關的標準化。通過UE的雙協議棧，可以先和目標小區建立連接，因此可以進一步地減小切換的時延。該技術可以重用的NTN系統中，適用于NTN小區間的切換以及TN和NTN間的切換。

（3）基于DC（雙連接）的切換

通過引入DC，在提升用戶吞吐量的同時，可以對頻繁切換造成的業務時延進一步縮減。雙連接有多種場景，如：GEO + LEO、LEO + LEO、TN + NTN等。但目前NTN系統中對某些場景支持的增益并不明顯，如LEO + LEO的雙連接，對網絡覆蓋提出了新的要求，增加了系統的復雜度，同時也無法改善頻繁切換的問題。在GEO + LEO場景下，DC的引入在理論上可以有一些增益，如：信令通過GEO、數據通過LEO來傳遞；但雙連接對UE能力尤其是天線同時收發能力以及功耗提出了新的挑戰。

4 面向6G的空、天、地一體化技術演進

衛星通信在覆蓋、可靠性及靈活性方面的優勢能夠彌補地面移動通信的不足，衛星通信與地面5G的融合能夠為用戶提供更為可靠的一致性服務體驗，降低運營商網絡部署成本，連通空、天、地、海多維空間，形成一體化的泛在網絡格局[14-15]。

從需求和技術方面來看，未來的演進可以著眼于以下幾個方面。

（1）網絡架構和組網方式增強

基于部署和業務的需求實現接入網功能的彈性部署，支持全再生模式、部分再生模式、透明模式等形式的接入網架構。將地面基站的部分或全部功能逐步遷移到星上是發展趨勢，能夠有效降低信令和業務的處理時延、提升用戶體驗，并綜合利用星地的空口和硬件資源。通過星鏈，可以更好地進行覆蓋的延伸，可以提供更為靈活的網絡部署選擇。

對于核心網，需要考慮衛星網絡和地面網絡的深度融合，包括更靈活的天地融合架構的設計，GSO、NGSO、TN等不同層次網絡間更好的互聯互通以及協同工作，真正實現空、天、地一體化。引入NFV和SDN技術，實現衛星平臺的虛擬化和智能化，實現網絡功能的按需部署，并實現高軌、低軌、地面網絡的統一的移動性管理和資源管理框架。

（2）星地統一的頻率資源分配

頻率資源仍是制約星地融合的主要瓶頸，隨著低軌星座的大面積部署，頻率沖突的問題將愈發嚴重，探索星地頻率規劃及頻率共享新技術是實現星地融合需要解決的首要問題。未來的網絡將不再分衛星頻段和地面頻段，基于需求實現頻率的統一分配和動態共享，并且研究星地頻率干擾協同和干擾規避技術，大幅度提高頻率資源的利用效率。

（3）統一的空口設計和移動性管理

針對衛星通信和地面通信，空口的差異性需要考慮時延、同步、移動性等因素。面向6G，從第一個版本就需要考慮統一的波形設計和統一的空口技術，實現極簡接入和智能接入，真正實現零時延接入和零時延切換。無論何時何地，終端可以動態地選擇地面網絡、臨空平臺或者衛星網絡，按照業務QoS需求智能接入網絡，獲得最優的用戶體驗。

（4）衛星波束管理和大規模天線技術的應用

大規模MIMO技術是5G的一大特色，在衛星通信中也可以進行增強，充分考慮星載平臺的特點，設計合理的波束成形機制和多流傳輸技術。星載相控陣技術將是未來的主要衛星天線實現方式，多星多波束的協同傳輸技術將成為可能，可有效提升系統容量。

（5）終端的一體化設計

現有地面終端和衛星終端差異較大，在6G系統中，由于采用統一的空口設計，終端芯片將一體化設計。更重要的是，隨著天線技術的發展，適合多頻段的終端天線和射頻技術將更為成熟。因此，終端的一體化設計是空、天、地一體化的重要環節，用戶將能自由地在不同的網絡中切換和漫游，享受空、天、地、海的無縫覆蓋和連續的業務服務。

（6）更豐富的業務提供能力

衛星通信系統最大的優勢是廣覆蓋技術，衛星物聯網是一個重要的發展方向，后續空、天、地一體化網絡將提供個人移動、寬帶接入、物聯網服務等更豐富的業務服務。基于衛星的垂直行業的服務能力將大幅提升，比如通過RedCap等技術，使用更小的帶寬實現IoT類的業務支持，以提供IoT業務海量的接入和服務。同時，支持MBS等新廣播業務特性也是一個重要方面；衛星網絡的廣覆蓋，對支持廣播類的業務有著天然的優勢，尤其是應急類的廣播業務。

5 結束語

5G NTN技術擴展了5G技術的應用領域，不僅能支持地面通信，同時也支持空間通信，為空、天、地、海一體化通信提供了技術可能性。3GPP Rel-17 NTN技術以彎管通信為主，解決了衛星通信的基礎問題，包括時頻同步、大傳輸時延和移動性管理等問題，而3GPP Rel-18 NTN基于彎管通信進一步做了增強，側重于覆蓋增強、頻段擴展和業務連續性，但對再生模式和星間鏈路的標準化并沒有提到日程，仍需要時間等待技術的成熟與市場的驅動。

面向6G的NTN技術發展，需要解決立體組網的一體化、終端的一體化、頻率的一體化等若干關鍵技術問題；隨著應用場景、市場規模、關鍵技術的突破，終端的便捷性等方面的有效提升，實現空、天、地、海的泛在場景互聯將指日可待。

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Key technologies and evolution of 5G non-terrestrial network

MIAO Deshan1,2, CHAI Li3, SUN Jiancheng1,2, KE Ting3, LIU Yuzhen3, XU Xiaodong3, HU Nan3, CHEN Shanzhi2

1. CICT Mobile Communications Technology Co., Ltd., Beijing 100083, China 2. State Key Laboratory of Wireless Mobile Communications, China Academy of Telecommunications Technology(CATT), Beijing 100191, China 3. China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China

Non-terrestrial network (NTN) in 5G system is expected to provide communication services via near-earth space access and satellite access, which means 5G network has expanded its service area from land to space. Standardization status and key technolgies of 5G 3GPP Release 17 NTN were presented, including key differences compared 5G TN, especially in network architecture, time and frequency synchronization, HARQ, and mobility management etc. Moreover, the main candidate techniques in 3GPP Release 18 NTN and beyond were explored, aiming to outline a vision for NTN evolution. Based on the analysis of 5G NTN and its evolution, it was observed that the integration of TN and NTN would be an obvious technique trend, which paved a way to a unified system applied for space, land and sea.

NTN, propagation delay, mobility, coverage

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022056

2022?01?10；

2022?03?10

國家重點研發計劃項目（No.2020YFB1807900）

The National Key Research and Development Program of China(No.2020YFB1807900)

繆德山（1978? ），男，博士，現就職于中信科移動通信技術股份有限公司，主要研究方向為無線移動通信、衛星通信。

柴麗（1977? ），女，現就職于中國移動通信有限公司研究院，主要從事4G及5G標準化技術研究工作。

孫建成（1982? ），男，現就職于中信科移動通信技術股份有限公司，主要從事4G/5G高層標準的研究和推動工作。

柯颋（1982? ），男，博士，中國移動通信有限公司研究院高級工程師，主要研究方向為5G物理層標準。

劉玉真（1992? ），女，現就職于中國移動通信有限公司研究院，主要研究方向為5G高層標準，主要負責非地面網絡通信高層標準研究工作。

徐曉東（1975? ），男，博士，中國移動通信有限公司研究院高級工程師，3GPP RAN1工作組副主席，主要從事4G、5G無線接入技術標準化及4G、5G無線網絡規劃優化方面的工作。

胡南（1980? ），男，博士，中國移動通信有限公司研究院無線和終端技術研究所副所長、正高級工程師，3GPP全會副主席，主要從事4G、5G無線接入技術標準化方面的工作。

陳山枝（1968? ），男，博士，無線移動通信國家重點實驗室（電信科學技術研究院有限公司）主任，博士生導師、正高級工程師，國家杰出青年科學基金獲得者，IEEE Fellow，中國電子學會會士，中國通信學會會士。負責4G和5G移動通信、C-V2X車聯網技術與標準研究及產業化工作。主要研究方向為B5G和6G、車聯網、衛星移動通信等。