【编者按】 为了对低空智联网行业发展、卫星通信业务创新，以及天地一体通信技术应用等进行跟踪研判，中国通信企业协会与中国电信卫星通信公司联合在报告中开设“天地一体网络与技术应用” 专栏，邀请行业专家就相关核心技术、应用创新等进行分析解读。
5G NTN技术演进与展望
5G NTN（non-terrestrial network，非地面网络）是5G通信系统面向卫星通信和低空通信等新应用场景演进的重要技术，标志着5G技术应用从地面通信走向了空间通信。5G NTN技术吸收了传统卫星通信和地面移动通信双重技术优势，不仅扩大了卫星通信产业规模，更为下一代空天地一体化融合通信系统奠定了重要的技术基础。挖掘NTN的技术潜力，有助于促进卫星通信、临空通信与地面5G服务的协同发展。5G NTN主要包括IoT-NTN（基于非地面网络的物联终端接入）和NR-NTN（基于非地面网络的5G智能终端接入）两条技术路线，IoT-NTN侧重支持低复杂度eMTC（增强型机器类型通信）和NB-IoT（窄带物联网）终端的卫星物联业务；NR-NTN采用5G NR框架来实现VSAT（甚小口径终端）、行业手持终端等设备连接卫星并提供数据和语音服务。
1、技术挑战
5G NTN基于3GPP开放标准，对终端和基站同时进行空口协议增强，能够实现卫星通信与地面5G技术兼容。其技术路线明确、发展潜力较大，可充分利用和分享地面5G的产业链和规模经济效应，既能契合大众消费需求，又能满足行业应用需求。但是相较地面网络，5G NTN在传播延迟、链路预算、多普勒频偏、移动性管理和大半径小区等方面也存在着一定的技术挑战。
（1）传播延迟
卫星系统与地面系统相比存在更大的传播延迟。GSO（对地静止轨道）卫星系统距离地面约36000km，UE（用户终端）和RAN（无线接入网）之间的单向延迟高达272.4ms，NGSO（非对地静止轨道）系统的单向延迟大于14.2ms。即使HAPS（高空平台）的单向延迟不足1.6ms，仍远高于地面蜂窝网络的0.033ms。NTN网络的许多方面，例如协议层中的重传机制和资源调度响应时间等都受到传播延迟的影响，需要进行针对性修改设计。
（2）链路预算
卫星通信的高传播损耗严重影响了它的链路预算，特别是上行链路的通信资源尤为紧缺。由于UE端发射功率有限，为了提高链路质量，当前业界普遍倾向于使用PAPR（峰均功率比）降低技术，如低PAPR调制/波形、重复覆盖增强等方法提升系统性能。低PAPR调制/波形支持端口功率放大器在更高的输入功率范围内工作，从而改善链路预算或等效扩展覆盖范围。
（3）多普勒频移
对于LEO（低地球轨道）卫星系统，相对地球表面做高速运动的卫星会使通信产生较大的多普勒频移。多普勒频移取决于发射器和接收器之间的相对速度以及载波频率，当卫星轨道高度降低或载波频率提高时，多普勒频移将增大。例如在600公里高度以2GHz运行的低轨卫星最大多普勒频移幅度为46kHz，而地面网络中最大频率偏移通常小于10kHz。多普勒频移过大会对频率同步及设备性能产生严重影响。
（4）移动性管理
由于低轨卫星的相对速度较高，UE驻留在单个小区（或点波束）内的时间窗口非常短，波束的快速移动、频繁切换为NTN终端的移动性管理带来一定挑战，当大量UE同时接入同一小区时，这种挑战会进一步加剧。不过，卫星运动造成的移动性管理问题与终端运动造成的移动性管理问题存在一定差别：卫星运动的方向和星历表是确定的，可根据卫星的行动轨迹设计相应的程序来解决这个问题。
（5）大小区半径
与地面蜂窝网络相比，NTN系统具有更大的小区半径。这些大型小区中心的UE和小区边缘的UE之间将产生明显的差分传播延迟，并且随着卫星和HAPS高度的降低，差分的比率会逐渐增加，即小区中心相比边缘的传播延迟比率会更高。当不知道UEs的位置时，NTN网络的接入性能将受到进一步影响。此外，小区半径的增大对系统时频同步也会带来一定影响，需要引入时频增强机制保证用户间的同步。
2、标准演进
作为星地融合通信发展的主流方向，5G NTN标准演进的步伐不断加快。在3GPP R15启动星地融合研究之初，即设立了NTN非地面网络议题，持续推进解决方案形成。R17全面开展系统架构和空口接入技术研究，确立了首个基准版本技术规范。当前，全球研究机构正紧密协作，积极推进NTN技术发展及标准落地。
（1）3GPP R15
3GPP R15完成了“支持NTN的NR研究”，定义了NTN部署场景和相关系统参数，为NTN调整了3GPP信道模型，并明确了需要进一步开展关键性能评估的范围方向。
（2）3GPP R16
3GPP R16完成了“支持NTN的NR解决方案”，明确NR支持NTN应用的基础功能要优先考虑卫星场景，对3GPP相关技术规范组的研究指明了方向。
（3）3GPP R17
3GPP R17聚焦LEO和GEO（高地球轨道）的透明转发场景，兼顾HAPS应用，进一步增强NTN相关功能，同时专门完成了一项关于NTN物联网场景研究：“对NTN的NB-IoT/eMTC支持研究”。该研究目的在于确定适用于LTE-M和NB-IoT的场景并提出相应的改进方案，以支持卫星上的LTE-M和NB-IoT。同时针对网络和UE所需的通用射频核心要求、相邻信道共存场景展开研究，完善NR支持NTN的解决方案。
（4）3GPP R18
NTN技术在R18的演进方向主要集中在新特性支持和现有特性增强。新特性支持包括MBS（多播广播业务）支持、RedCap（轻量能力）支持、新频谱支持、再生模式支持以及无GNSS（全球导航卫星系统）能力的终端支持等。现有特性增强方面，R18将对NTN覆盖增强、波束管理增强、移动性增强、10GHz以上频谱支持、物联网增强、UE位置服务规范进行进一步讨论。3GPP还在R18中设立了相关研究项目，继续对IoT NTN增强管理及NR NTN网络技术开展进一步研究。
（5）展望6G
5G NTN演进的最终目标是6G星地融合通信。基于低轨卫星、无人机、浮空平台的空地通信将成为6G的重要组成部分，可实现任何人在任何地点、任何时间的无缝接入，并最终走向系统融合。要达成以上目标，需要将非地面网络设备与地面蜂窝网络设备组成异构接入，设计包含统一空口传输、统一接入控制、统一认证、统一组网协议、以用户为中心的智能网络架构，支持用户终端在星地网络间无缝切换，满足不同部署场景和多样化业务发展需要。上述星地融合网络技术的演进集中体现在网络架构及组网方式增强、星地频率资源统一分配、统一的无线空口设计、移动性管理、卫星波束管理和大规模天线技术的应用、终端的一体化设计、更丰富的业务提供能力等六个方面。
3、产业格局
近年来，国内外5G NTN应用创新快速发展。国际方面，海事卫星组织与联发科已经成功进行了大量基于5G NTN技术的双向卫星通信试验，并宣布未来将联手打造智能手机、物联网设备、汽车的双向卫星通信功能。国内方面，科研机构与设备制造商、卫星运营商等产业链上下游单位基于R17标准，在芯片、终端模组、网络设备等方面联合进行了多次星地融合通信试验验证，实现了5G NTN端到端全链路技术贯通。
（1）芯片设计
为提升卫星通信产品市场占有率，国内外各芯片厂商纷纷与手机制造商展开合作，加速5G NTN商用化进程。基于3GPP R17 IoT-NTN标准的芯片产品可借助NB-IoT现有的成熟产业链及市场优势，快速形成规模化量产及商业推广能力。
一是联发科于2023年2月推出MT6825芯片组，并与英国三防手机公司Bullitt合作，率先在全球发布基于5G NTN技术的商用智能手机Motorola Defy2，由卫星运营商Skylo提供星地网络连接能力；二是紫光展锐积极推进5G NTN手机直连卫星外场验证，并于2023年7月正式对外发布支持卫星通信的SoC芯片V8821，完成基于天通卫星的IoT-NTN手机直连卫星空口上下行连接测试，实现卫星与普通5G手机间互通演示；三是高通推出两款支持5G NTN卫星通信功能的调制解调器芯片组，计划在近期开展IoT-NTN上星试验测试。
（2）终端模组
5G NTN的规模应用将成为终端厂商提值降本、迅速实现卫星通信商业化的重要手段。目前国内已有众多手机及物联网终端厂商投入NTN终端产品研发，加快商业布局。
一是VIVO在2023年6月举办的MWC上海世界移动通信大会上展示了以vivo X90 Pro+为原型改造的卫星通信样机，基于展锐V8821芯片实现了手机直连卫星功能；二是OPPO跟进基于联发科MT6825芯片研发测试样机开展的5G NTN手机直连卫星实验室验证，后续计划参与中国电信组织的IoT-NTN试验测试；三是移远通信基于联发科、展锐芯片设计出多款卫星物联网终端模组，于2023年7月推出支持IoT-NTN功能的卫星通信模组CC950U-LS，并开展了一系列卫星物联网应用场景外场测试；四是鹏鹄物宇基于V8821芯片设计出多款卫星物联网终端产品，创新提出了低成本卫星物联网解决方案。
（3）网络设备
中兴、中信科等国内网络设备厂商均已针对5G NTN能力测试开展基站及核心网原型系统研发，持续推进卫星商用网络系统建设。5G NTN商用网络建设初期将采用独立部署NTN核心网的方式，实现星地网络系统完全融合的最终目标尚需时日。
一是佰才邦和中兴积极研发IoT-NTN基站及核心网设备，并联合中国电信完成了5G NTN手机直连卫星技术外场验证；二是中信科顺利完成了NR-NTN标准宽带卫星通信试验验证，同时开展IoT-NTN研究布局。
当前5G NTN采用IoT-NTN短报文和物联网业务先行模式，未来将支持存量手机的NR-NTN语音与数据宽带业务直连卫星，并进一步构建ToB的全域物联网和ToC的应急通信网，商业模式竞争优势明显。随着网络架构的演进，尤其在LEO低轨卫星逐渐成为主要卫星通信手段的情况下，可再生网络架构将支持基站上星，地面终端无需改造即可直接接入卫星。
4、实践探索
中国电信作为国内唯一拥有天地一体全业务牌照的基础电信运营企业，担当我国自主研制的“天通一号”卫星移动通信系统的运营职责，长期致力于推进5G NTN技术验证与应用落地。2023年1月，中国电信携手合作伙伴完成全球首次S频段5G NTN技术上星验证，实现了国产安全、自主可控的5G NTN端到端全链路连通。5月，再次率先完成国内首次5G NTN手机直连卫星外场验证，成功实现了基于现网环境下的5G手机直连卫星通信。
中国电信基于天通一号卫星构建5G NTN星地融合网络，取得了三个方面的重要创新成果。一是聚焦卫星通信与地面移动通信网络异构问题，初步实现了卫星网络与地面4/5G蜂窝网络在技术体制标准上的深度融合，并通过优化传输机制满足实时业务快速响应需求，提升用户体验。二是聚焦地球静止轨道卫星传输时延大的问题，通过对3GPP现有标准的物理层及协议栈进行优化，实现传输时延降低2到3倍，链路吞吐量提升1倍以上，提高实时通信质量。三是聚焦传统卫星通信业务与地面移动业务系统割裂的问题，打造了“网络+平台+终端+应用”的星地融合端到端“无缝服务”，实现星地网络间的无缝切换，满足大众消费领域与重点行业领域的多元化应用需求。
图8-1 中国电信5G NTN星地融合网络架构（一期）示意图
5G NTN作为当前星地融合通信发展的主流方向，其技术演进与应用创新的步伐正在加快，已然成为构建天地一体信息网络的基础结构与核心引擎。中国电信将依托5G NTN技术加快推进高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性数字信息基础设施建设，充分发挥基础通信运营商的禀赋优势，加快5G NTN技术的产业化进程，坚持统筹“天星、地网、枢纽港、云资源池”一体化布局，坚定场景融合、用户融合、终端融合、云网融合、全系统融合的“五融合”演进路径和形态，着力打造天地云网融合架构，创新引领星地云网融合发展。
（本文由中国电信集团卫星通信有限公司供稿）