NTN非地面网络技术及其产业分析

冯骥

【摘要】NTN非地面网络技术是实现下一代移动通信系统中陆海空天一体化的通信需求的重要技术支撑，其独特的技术优势使其有望成为下一代移动通信系统的架构组件，本文首先从向6G通信的演进分析了NTN技术出现的背景，进而分析了NTN技術的系统架构和技术要点，最后总结了现阶段NTN技术在国内外的产业布局，给出了该项技术的发展前景。

【关键词】6G;非地面网络;NTN;产业

中图分类号：TN94                        文献标识码：A                      DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.011..016

1. 向6G通信的演进

自移动通信技术出现和开始商业化应用以来，一直在不断进化演进，并被标志以G（Genereation）的代际来区分，在目前的5G技术商用正火热开展的同时，面向陆海空天一体化融合通信的6G的研究已经开始，可以预测，在2030年左右，6G通信将迎来其部署和商用。6G通信的一大愿景是实现全球范围的无缝覆盖，而非地面网络即NTN（Non-Terristrial Networks）技术正是实现这一愿景的重要支撑，在3GPP的Release-17中，指明了在后5G（Beyond 5G）阶段的研究领域和方向。

2. 非地面网络技术的产生和发展

世界上首个卫星通信系统是在1965年由国际卫星通信组织发射运营的晨鸟号卫星通信系统，之后发展建立的比较成熟的系统例如国际海事移动卫星组织的IMMASAT卫星系统、摩托罗拉的铱星Iridium手机电话系统等。随着进入21世纪以来，移动互联网飞速发展，宽带通信网络成为各种通信系统的共同目标，同时，通信技术和卫星技术的发展也为在卫星通信系统中实现高速率、大吞吐量传输提供了可能。3GPP组织也及时关注到了通信系统的这一发展趋势，并在3G标准和4G标准中都设定了相应的卫星通信标准，特别是在2010年之后，以低轨道卫星LEO为架构的高速率、大吞吐量的卫星通信系统被提出和开始部署。

3. NTN技术的提出

为适应现阶段这种基于卫星的宽带移动通信技术发展，需要建立一个统一的技术标准。3GPP组织延续了前阶段在通信标准中对卫星通信的关注，在5G通信的标准中提出了建立相应卫星通信系统标准的倡议。在新的标准协议下，一般把这种以卫星通信为主的通信网络称为非地面网络（Non-Terristrial Networks，NTN）。并且3GPP也为NTN技术制定了标准化路线图，如图1所示。

4. NTN技术概述

4.1 NTN总体网络架构

3GPP组织在其标准TR 38.821中较为详细的描述了NTN技术的架构，NTN网络的总体结构如图2所示

可以看出，一个NTN网络至少应包括以下网络部件：一台具有卫星信号收发功能的移动终端，一个与该移动终端通过服务链路通信的卫星或无人飞行器平台，一个与卫星通过馈线链路通信，并将非地面网络连接到公共数据网络的网关。

4.2 NTN关键技术

4.2.1 定时机制

NTN网络中由于终端是与卫星通信，因此传播时延会大得多，为对抗这种传播时延，终端会使用较大的定时提前（TA，Timing Advance），然而使用较大TA有会带来上行和下行帧的较大定时偏移，因此需要引入设定的偏移值来改变相关的定时关系，而这种设定的偏移值一般是由网络侧根据实际情况指示的。

4.2.2 频率偏移补偿机制

多普勒频移现象广泛存在于各种卫星通信系统中，尤其是在LEO卫星中更为突出，为了对多普勒频移进行补偿，现有技术中主要采用闭环和开环两种方式来实现。闭环方式指的是终端不需要了解星座表、定位等信息，而完全由基站来指示频率偏移;开环方式指的是终端知晓星座表、定位等信息，从而可以自身进行频移补偿的计算。

4.2.3 多连接技术

多连接技术在4G、5G的通信标准中就有所阐述，其应用场景是一个为用户提供服务的基站由于种种原因不能为用户提供良好的服务，则用户能检测并同时连接到另一个提供更好服务的基站。在NTN网络的应用场景下，由于其面向的就是信号覆盖不足区域的用户，因此可能会更多的出现需要进行多连接的情形，用户可以在一个传统地面基站和另一个NTN基站之间实现双连接，也可以在一个NTN基站和另一个NTN基站（例如LEO卫星和GEO卫星）之间实现双连接，而对于地面接入，可以对上行链路或下行链路或两者进行连接性组合，一个可以预见的场景是，由具有相对低延迟的基于LEO的NTN提供支持延迟敏感业务，而由基于GEO的NTN提供额外的带宽以满足目标吞吐量要求。

4.2.4 移动性管理

GEO卫星由于其相对地面位置静止，因此其每个波束的覆盖范围是固定的，只需要采用与传统的移动性管理相同的方式进行管理，但需要考虑能容忍较大的传输时延;对于LEO卫星，由于其相对地面的位置一直在改变，因此其波束的覆盖范围也始终在改变，因此需要针对NTN的特殊的移动性管理方式，进行诸如测量有效性、UE速度、移动方向、动态小区集合等方式的改进。

4.2.5 寻呼

基于GEO卫星和LEO卫星的差异，在NTN技术中的寻呼流程也相应的有所不同，对于GEO卫星可以基本沿用传统的陆地寻呼策略，而对于LEO卫星，则需要一定程度上改变现有的寻呼策略，主要是对于寻呼中涉及的跟踪区域TA，由于其一直在移动，因此需要在网络侧广播与TA的运动情况相关的参数，以防止TA跳变从而影响寻呼的连续性，而这又需要在保证系统负荷满足要求的情况下，对终端位置上报的参数和信令进行改进。针对不同的需求和应用场景，3GPP组织提出了基于固定NTN小区和基于移动NTN小区的寻呼方式。

5. NTN技术的产业布局

现阶段，国内外的多家科技企业已经开始部署自己的星座系统，这其中比较有代表性的是美国的SpaceX公司的星链计划Starlink、欧洲的O3b星座系统、OneWeb星座系统、我国的“天通一号”、“鸿雁星座”和“虹云工程”。

5.1 星链计划

星链计划是SpaceX公司于2015年开始的卫星通信计划，基于低轨道卫星LEO实现，声称将于2024年前发射1.2万颗通信卫星，完成初期建设，并最终发射4.2万颗卫星，部署完成后可以完全取代现有的光纤骨干网络，实现全球无线互联。星链计划的第一次发射始于2018年，并在接下来的几年内迅速部署了大量通信卫星，目前星链计划的卫星系统在轨卫星共计1700余颗。据称在今年，星链计划会在北美首先开通通信测试。

5.2 O3b星座系统

O3b星座系统是全球第一个成功开始商业化运营的卫星通信系统，基于中轨道卫星MEO实现。早在2013年，O3b就进行了第一批卫星的发射部署，并在接下来的几年内陆续发射了十余颗卫星，并完成了卫星通信系统的产业部署，主要面向当地电信运营商、大洋上的石油天然气平台、传统海事市场和一些军方客户提供服务。

5.3 OneWeb星座系统

OneWeb公司成立于2012年，自2019年开始OneWeb开始发射卫星部署，于2020年完成了几次卫星发射，目前在轨卫星数量已扩大到二百余颗，短期计划是发射六百颗卫星实现全球覆盖，在今年实现英国、北欧等地的服务测试，长期计划是发射六千余颗卫星，完成整个星座系统的建设。

5.4 “天通一号”、“鸿雁星座”和“虹云工程”

我国的卫星技术在世界上处于先进行列，在轨卫星数量位居全球第二，近年来，我国也逐渐加强了对自身卫星通信技术的关注和建设，并在发展规划中提出，在2025年建成民用空间基础设施体系。“天通一号”是我国第一个自主研发的卫星通信系统，该系统使用高轨道卫星GEO系统，第一颗天通一号01星于2016年发射，至今已完成三次发射，提供包括灾难救援、远洋通信、两极科考、国际维和等领域的通信服务。“鸿雁星座”和“虹云工程”均由低轨道卫星LEO实现。其中“虹云”系统2018年发射了首颗卫星，计划最终发射156颗卫星实现系统部署，并建成中国首个天基互联网系统。“鸿雁星座”的首星也于2018年发射，计划在2021年前后完成一期建设，发射六十余颗卫星，在2024年前后完成二期建设，部署三百余颗卫星，完成全球范围的无线覆盖。并据国际电联ITU官网显示，我国也已经在其平台上申报了两个卫星星座系统的轨道和频率等参数，可以预见在不久的未来，我国也将拥有属于自己的全球卫星通信系统。

6. 结束语

NTN非地面网络技术是随着全球无缝覆盖的需求而产生的技术，随着轨道卫星技术的发展，NTN通信技术也进入了一个发展的新阶段，国际化的标准化组织例如3GPP已开始研究该项技术的参数指标和系统架构，国内外的众多企业也已开始尝试部署各自的NTN通信系统，虽然大部分系统还处于部署和測试的初期，但是可以预见NTN系统由于其特有的优势，能够在未来的通信市场上占有一席之地。

参考文献：

[1]融合5G的卫星移动通信系统，翟华，《空间电子技术》

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