5G通信中的NTN關鍵技術研究

賈明學 張晨晨 肖培紀

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-8639

作者簡介：

賈明學（1990—），男，本科，工程師，?研究方向為5G/5G-Advanced 移動通信協議研發及技術應用。

張晨晨（1990—），女，本科，研究方向為5G通信技術在人工智能上的發展和應用。

肖培紀（1987—），男，本科，研究方向為4/5G無線通信產品應用開發。

摘 要：隨著信息化技術的飛速發展，我國通信技術取得了重大的突破，近年來，5G通信技術已廣泛應用于通信、交通、航空等各類生產生活場景中。在5G網絡通信系統中，5G NTN（non-terrestrial network）技術，又稱為5G非地面網絡技術，主要應用于面向衛星通信與低空通信等使用場景的關鍵技術，5G NTN技術的出現標志著我國5G通信技術正式進入空間通信領域，使5G全領域覆蓋成為可能實現的目標。首先介紹了目前5G通信中NTN 技術應用的典型場景，其次分析了對5G NTN網絡的組成與架構以及發展現狀，再次對現階段5G NTN的關鍵技術展開了深入研究，最后提出了5G通信中NTN關鍵技術的未來展望，為后續5G非地面網絡技術的演化與研究提供有價值的參考。

關鍵詞：5G通信 NTN關鍵技術 衛星通信 星地聯合

中圖分類號：TN929.5

互聯網技術經過幾十年的不斷發展，逐漸成為人們日常生活中必不可少的一部分，并且隨著大數據信息化時代的來臨，網絡通信技術水平不斷提高，5G通信技術的出現，給人們的生產生活帶來了極大的便利，具有通信能力多樣化、極低的通信延時等特點，在實際使用中，基本實現了應用場景全覆蓋的80%，在一些基站建設較差、人口稀缺的惡劣地區，5G的普及是一項艱巨的任務。但是，隨著第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）中非地面網絡（NTN）的提出[1]，使5G領域覆蓋成為了可能。NTN是指通過利用比如搭載天線單元或基站單元等類似的空中或太空載體作為通信網絡系統的組成部分，從而實現全領域通行的網絡，而5G NTN就是指基于5G網絡的非地面網絡，能夠實現與衛星系統的有效融合，是目前我國通信領域發展的主要方向。根據以上背景，本文基于3GPP的背景，對5G通信中NTN的關鍵技術展開深入的研究。

1 ?5G通信中NTN技術典型應用場景

非地面網絡是5G通信系統的重要組成與補充，具有為生產生活應用場景熱點區域進行寬帶補充，為人員稀少的邊緣地區提供信息、通信網絡的覆蓋，以及為重點生產區域信息數據的備份提供網絡支持的作用。基于5G網絡的NTN主要包括兩個部分的內容，一是注重于支持復雜程度較低的增強機器類通信與 NB-IoT 終端衛星物聯業務的基于NTN的物聯網終端接入；二是通過5G智能終端的應用，使智能手機能夠與衛星系統進行連接，并利用其提供的低速率實現數據服務與語音服務功能的基于NTN的5G智能終端（5G-New Radio，簡稱5G-NR）接入[2]。根據3GPP的定義，5G NTN技術應用的典型場景如下。

1.1 多重連接

多重連接是指用戶的通信設備能夠同時與地面鏈路以及衛星鏈路等多重通信線路進行連接，是5G通信中NTN技術應用的重要場景之一。在此場景中，地面鏈路復責傳輸時間敏感的低時延流量，而衛星鏈路則負責傳輸任務不重要的流量。

1.2 固定平臺網絡連接

為了幫助如海洋、島嶼、偏遠山區以及基礎設施建設不完善的農村地區等地面網絡通信基站與無線互聯網覆蓋不全的網絡服務欠佳地區，實現生活生產應用場景的5G智能網絡服務，5G NTN通過利用衛星系統向通信基站或者獨立的小型基站提供固定的信息回傳[3]，從而使該地區用戶能夠使用增強移動寬帶與大規模機器通信等5G業務。

1.3 移動平臺連接

5G NTN的應用使得人們的網絡通信連接線路有了更多的選擇，在日常生活應用場景中可以使用地面鏈路連接地面網絡，而在無法使用地面蜂窩網絡數據的偏遠地區可以選擇連接衛星鏈路。非地面網絡的衛星系統可以為汽車、火車、高鐵、飛機等移動平臺提供與地面或空中任何設施設備接入5G網絡的能力，從而為平臺用戶提供高效的通信數據網絡。

1.4 低密度地區補充服務

5G NTN的應用常見于偏遠山區、農村地區等網絡通信服務質量不佳的地區，用于幫助該地區用戶提供多重可選擇的網絡連接鏈路，保證網絡服務的穩定。對于公交、飛機等移動平臺，提供接入互聯網的能力，對于通信網絡較弱的偏遠地區以及自然條件較差的地區，提供無線接入網設備。5G NTN的應用，擴大了通信網絡覆蓋的范圍，為社會發展提供了無限的可能性。

2 ?5G NTN網絡系統的組成與架構

2.1 透明架構

5G NTN網絡系統的透明架構模式，也稱為通信網絡的透明轉發模式或者彎管模式[4]，就是指將衛星系統作為信號中繼站，無線網絡信號經過中繼站時，通過衛星與信關站對智能終端與5G無線接入網傳輸進來的數據包進行透明轉發，對數據不做任何處理。5G NTN的透明架構模式分為有中繼模式與無中繼模式兩種情形，有中繼透明架構模式是指通過無線接口將終端、中繼點與5G基站以此按照順序進行連接，然后衛星系統對中繼點與5G基站之間傳輸的數據進行透明轉發。無中繼透明架構模式是指無線接口與5G基站之間通過終端進行連接，然后衛星對數據進行透明轉發。具體架構部署如圖1所示。

2.2 星上處理架構

星上處理架構模式是指通過將5G通信網絡系統搭載至空間衛星上，從而實現將無線網絡接入終端。與透明架構模式一樣，星上處理架構模式分為有中繼模式與無中繼模式，其中有中繼模式是指利用標準的無線接口將終端、中繼點以及衛星5G基站按照先后順序進行連接，中繼點與終端之間的數據傳輸由衛星提供底層傳輸通道。而無中繼模式則由無線接口將終端與5G基站連接，并將5G基站搭載至衛星上，從而使衛星為終端與5G基站之間的數據傳輸提供底層傳輸通道。具體架構部署如圖2所示。

3?5G通信中的NTN關鍵技術

3.1 ?5G 通信中NTN技術的發展歷程

非地面網絡（NTN）定義正式提出是在2022年6月第三代合作伙伴計劃（3GPP）中，自R14項目成立起就一直致力于建立基于NTN的統一技術標準，促進與5G通信的融合，探索星地聯合的可能性[5]。在此次計劃中，對形成了第一版融合技術規范的3GPP Rel-17 NTN項目進行了凍結，并在8月啟動了形成第二版融合技術規范的3GPP Rel-18 NTN項目，5G NTN標準研究進展如圖3所示，下面將以3GPP Rel-18 NTN為例對5G通信中NTN關鍵技術進行研究。

3.2?3GPP Rel-18 NTN關鍵技術

3.2.1 覆蓋增強

在5G NTN技術項目中3GPP Rel-18 NTN項目的研究重點在于考慮5G智能終端接入（New Radio，NR）覆蓋性增強設計方案能否在非地面網絡系統中有效使用，并且能夠在進行非地面網絡系統覆蓋性增強時，識別出潛在網絡安全問題，并提出有針對性的設計方案。對于NTN覆蓋增強工作的開展，可考慮以下技術的應用：（1）OTSR（Over-The-Air Service Provisioning，空中服務配置）技術，采用全向發射，比定向天線覆蓋更遠，容量與全向小區容量比較接近，因此比較適用于初期網絡建設容量較低的鄉鎮、偏遠農村地區；（2）塔放覆蓋增強技術，塔放即塔頂低噪音放大器，用于放大通信基站的射頻信號，從而提高通信系統上行的信息接收靈敏度，增強上行覆蓋；（3）4天線收分集覆蓋增強技術，其本質是利用兩種或兩種以上的方式對同一信號進行接收，而分集具有分散傳輸與集中處理兩重含義，有利于增強上行覆蓋以及擴大上行容量；（4）通過提高低速率編碼解碼的性能，在網絡連接鏈路預算有限的背景下，最大限度地減少VoNR在數據接入網的協議花費[6]。

3.2.2 支持10GHz以上的頻譜

不同頻率的通信信號對衛星通信的需求不同，對于高頻率的信號段來說，對衛星通信有著巨大的需求，所以，3GPP Rel-18 NTN項目需要對確定的NTN示例頻帶以及與其相鄰的網絡信號頻道進行研究，分析兩者之間共存的5G NTN應用場景和規則。根據ITU分配，可考慮使用衛星Ka頻段作為NTN示例頻段，或者結合終端應用類型場景以及相關法律法規，開發定義一個可以通用且符合3GPP最低性能要求的示例頻帶，并且對于10GHz以上NTN頻帶的定義來說，其定義不能改變FR1/FR2的定義，同時也不會自動兼容適應未來定義在該頻譜上的頻帶。確定示例頻段后，還需要基于FR1與FR2集合，對其衛星接入點的Rx/Tx要求和VSAT UE的等級進行確認，從而確定示例頻段物理層參數的值，比如下面這組參數：（1）頻帶時間關系的增強，例如；（2）不同上行鏈路、下行鏈路通道間的子波間隔；（3）10GHz以上示例頻段的PRACH配置索引。

3.2.3?UE位置的網絡驗證

就現階段而言，3GPP Rel-18 NTN項目使用用戶設備（User Equipment， UE）位置的網絡驗證方法的研究主要基于3GPP Rel-17 NTN項目的研究成果。在3GPP Rel-17 NTN項目研究中，3GPP對UE位置信息的驗證與使用提出了明確的要求：在衛星網絡系統覆蓋存在跨國或者跨地區的情況下，衛星基站應當根據使用用戶設備的位置提供相對應地區的通信網絡，并且能夠跟隨用戶的移動進行網絡的自動切換。同時，基站將ULI（user location in-formation）向核心網上報時，其中包含的CGI（cell global ID）的粒度大小應與5G智能終端地面網絡中小區大小的粒度基本一致[7]。因此，為了滿足上述使用要求，3GPP Rel-17 NTN項目研究開發了空口的使用用戶設備位置上報機制，通過利用UE自身的全球導航衛星系統信息（Global Navigation Satellite System，GNSS）與衛星系統的星歷信息對設備與衛星之間的距離進行計算，并判斷這個距離能夠滿足網絡的切換條件，若滿足就直接進行切換，但是此種位置上報機制對于位置有效性的網絡驗證方法的準確性與可靠性不高。所以，對于UE位置的網絡驗證方法，3GPP Rel-18 NTN項目正在做進一步的研究。

3.2.4?移動性與業務連續性增強

基于3GPP Rel-17 NTN項目的移動性設計方案，3GPP Rel-18 NTN項目以優化和增強NTN系統內的移動性管理標準與方式為主要考慮因素，對TN-NTN之間的移動性方案進行了設計與完善，從而降低因NTN 低地球軌道（Low Earth Orbit，LEO）系統中空閑態的小區斷開重選或者連接態基于使用用戶設備位置與時間的條件切換，造成業務中斷帶來的影響。移動性與業務性連續性增強的優化機制可以從以下幾個角度進行考慮：（1）基于3GPP Rel-17 NTN的UE位置上報方法進行信號狀態切換的決策與實施，如利用GNSS獲取用戶的精確位置來執行衛星網絡信號狀態的切換；（2）基于 DAPS（dual active protocol stack cellsystem）的切換的決策與實施，通過利用UE雙協議將設備與目標小區進行連接，從而縮短網絡狀態切換的時延；（3）基于雙鏈接的切換的決策與實施，雙鏈接的應用，比如、等，有利于提升設備網絡數據的吞吐量，從而實現網絡信號狀態頻繁切換的高效性。

4 ?5G通信中NTN關鍵技術的未來展望

目前，5G技術已廣泛應用于海、陸、空等領域的網絡通信中，與衛星系統的結合彌補了地面鏈路的局限性，隨著科學技術的發展，未來6G三維連接技術可能會將空天海地三位一體通信系統的建設成為現實。6G三維連接技術是由地面網絡（TN）與非地面網絡（NTN）融合組成的一種組網技術，不僅能夠有效解決地面網絡信號覆蓋范圍有限以及非地面網絡應用場景有限的問題，還可以促進現階段5G通信網絡與6G通信網絡基礎設施設備的建設[8]。對NTN系統的衛星通信而言，基于5G網絡通信技術，將地面網絡與其進行更加全面、深入的融合是通信技術發展的必然趨勢，而未來6G技術的開發應用，可以真正實現空天海地三維一體化通信。

5 ?結語

綜上所述，NTN技術提出為5G通信技術應用領域的擴展提供了機會，為空天海地一體化通信系統的建設提供了可能性。5G通信網絡通過NTN技術與衛星系統進行連接，解決了地面網絡覆蓋不全的問題，在多重連接、固定平臺與移動平臺了解以及為低密度地區補充服務等場景中具有重要作用，并且隨著科學水平的提升，5G網絡逐漸向6G網絡演進，為未來通信網絡技術的發展提供了動力。

參考文獻

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