版主信息与通信 2024-06-03

灵河科技解读下一代NTN卫星网络技术

作者：Dr. Luo

Dr. Luo：灵河科技(总部位于合肥科大硅谷)首席科学家，常驻英国，以30年产业经验领导跨国研发团队深度洞察LEO技术演进与行业发展动态。

通信网络技术的融合演进趋势，表现在无缝集成地基TN和空基NTN通信基础设施，提供全球泛在连接无缝覆盖。卫星接入与陆地移动网络标准制定和发展,以及5G/6G时代进一步融合和演化的趋势，将继续提升网络服务的连续性、自愈能力和频谱能效带宽等性能,并最终实现AI新时代下人与物理世界的无缝连接。5G/6G技术发展的远景目标:"Fully integrated ecosystem"多种技术、产业、服务完全融合的生态体系，在5G/6G时代,通信网络将不仅仅是独立的连接设施,而是与人工智能、云计算、大数据、物联网、边缘计算等新兴技术深度集成,形成一个跨领域、跨行业的科技生态。这种"完全集成"将帮助释放5G/6G网络的全部潜能,实现"万物互联"的终极愿景,在各行各业创造全新的服务模式和商业价值。可以预见，从集成架构演进到融合架构将贯穿6G网络的无线和网络层面,是当前发展的核心方向:

数字孪生：例如工厂的数字孪生。这意味着可以在虚拟世界中精准复制并模拟实体系统,实现优化、预测和控制。

连接智能：网络将作为具有可信任AI功能的关键基础设施。6G网络将与AI技术深度融合,提供智能化网络管理和服务，AI原生也可以用来优化自身资源管理与网络性能等等。

沉浸通信：能以极高的吞吐量和低延迟传输高分辨率的视觉/空间、触觉/力反馈及其他传感器数据。这将实现身临其境的沉浸式交互体验。

上述的互动场景都体现了6G网络与人工智能、虚拟现实、物理世界深度融合的愿景。6G将赋能数字孪生技术的广泛应用、网络智能化水平的飞跃提升,以及多模态沉浸式体验的实现。这些创新将为垂直行业数字化转型注入新动力,开启全新的应用场景,推动实体经济和虚拟世界的高效协同和新质生产力的头部首发优势。5G/5G-A行业应用案例：

制造行业：5G+AI+AR/VR等技术可融合应用于柔性生产线;

医疗领域：5G+云端可实现远程手术等;

交通领域：5G可支持自动驾驶、车联网等新型出行方式。

Fig. 1.3GPP：6G-NTN标准化时间表(Chuberre, 2024)

当前数字时代所呈现的是5G/6G为代表的智联万物能力，而人类开始迈入的AI时代，所呈现的是以AI和端云计算为代表的智能计算能力，需要两者兼头共进，来共建人类的群体智能的社会计算新时代。单对6G标准来说，其规划是2025年完成标准的制定，2030年开始商用。第六代移动通信技术(6G)的总体目标可以简单总结为：

继续提升5G性能：涵盖通信速率、延迟、容量、定位、移动性、覆盖率、可靠性、安全性等

速率：每秒1 Tb/s，比5G快1000倍

延迟：0.1-1毫秒，比5G低100倍

容量：每平方公里1百万-1亿个连接，比5G高100倍

天地一体化通信：通过地面和空间网络，为任何人/物/环境提供泛在无缝和智能高效的信息服务

IoE行业智能化：Internet of Everything(IoE), 涵盖智慧城市、智能交通、智能医疗、智能教育、智能农业、智能制造等领域

Fig. 2.3GPPTN-NTN演进趋势：构建统一融合接入网络(Ronteix, 2024)

实现NTN与地面网络TN的成功融合的关键因素，体现在:

灵活的监管框架：需要相关监管机构制定灵活的政策法规,为NTN在6G中的广泛应用创造有利环境。

获取全球统一的频谱资源：不同国家和地区应在频率规划上达成一致,为NTN在全球范围内的部署预留频谱。

透明合理的执照发放机制：相关执照的发放应该公开透明,收费标准也需合理务实,降低NTN商用的门槛。

开放的全球统一标准：不同参与方需共同制定开放和统一的6G NTN技术标准,确保互操作性和生态系统发展。

3GPP卫星接入场景包括增强移动宽带、高可靠通信和物联网大规模连接等场景。从功能与演进趋势角度，5G生态中集成NTN可以简单分成如下几种形态：

基于3GPP NR的卫星接入网络:

由连接到5GC的卫星接入节点组成的NG-RAN

为3GPP定义的UE提供eMBB-s(卫星增强移动宽带)和HRC-s(卫星高可靠通信)服务

支持3GPP定义的NR接入技术,也可为IAB节点提供连接

属于3GPP定义的"NR_NTN_solutions"

基于3GPP LTE的卫星接入网络:

由连接到EPC的卫星接入节点组成的E-UTRA无线接入网

为3GPP定义的用户设备提供mMTC-s(卫星大规模机器类通信)服务

支持3GPP定义的NB-IoT或eMTC接入技术

属于3GPP定义的"IoT_NTN_solutions"

卫星回传:

通过卫星提供核心网5GC和基站gNB之间的连接的传输网络

该传输网络可基于3GPP定义或非3GPP定义的无线协议

Fig. 3.3GPP中卫星接入的网络架构类型-5G生态系统集成NTN(Ronteix, 2024)

Fig. 4.5G NTN的RAN架构(Ronteix, 2024)

5G NTN技术挑战

将基于卫星的组件与5G系统(5GS)集成存在技术挑战,尤其是由于卫星无线电接口的特殊特性,以及与地面蜂窝网络相比,卫星网络部署场景的范围极广，特别是,长传播延迟、多普勒效应和移动小区的特征在陆地网络中并不存在,或仅在很小规模存在。而传播延迟与卫星相对于用户设备和网关的高度和位置以及使用频段有关。地面网络约1毫秒的往返时延在低轨道LEO卫星系统中超过10毫秒,而在静止轨道卫星系统中高达500毫秒。在Release 17中,与不同程序相关的定时器已针对非陆地网络(NTN)进行了调整。延迟也为上行UL下行DL命令和偏移同步带来了挑战。在直径达数百公里的卫星小区内,位于正上方和边缘的用户设备之间的差分延迟相当大,需要在基站端进行同步。上行和下行帧也需要同步,以确保帧在gNB处于正确的子帧内。

卫星网络的独特运动特性给无线协议同步、移动性管理等带来的挑战,所以3GPP为有效集成卫星组件做出了一系列设计和优化，这些工作为实现高质量的5G陆地-天地一体化网络奠定了基础，例如：

卫星运动导致时延变化率高达每秒±4微秒左右,同时也产生了与卫星速度和小区尺寸相关的多普勒频移和信号衰减变化等等。UE的时频同步极大依赖于对服务链路和馈线链路的多普勒和时延估计,这需要利用系统广播的SIB信息中的星历数据来矫正。

卫星运动导致地面小区覆盖图案动态变化,需要卫星调整波束以获得半固定或卫星固定的波束足迹。

除了考虑UE移动性,还需要处理卫星/波束/小区/gNB之间的切换,3GPP在R17/R18中引入了多种切换机制(如基于时间/位置的条件切换CHO)以避免服务中断和质量下降。

为减少切换开销,3GPP优化了切换过程,包括重用基线的gNB间切换(HO)过程,以及引入Sat切换时避免RRC重建的re-sync流程、RACH-less无随机接入的同步流程等。

5G NTN标准中定义了卫星接入网络演进的路线图,即从透明型到再生型有效载荷,以及与星间链路、大型星座等技术的融合,最终实现与陆地网络的无缝收敛,为6G统一全球连接服务做好准备。同时,标准化工作也确保了卫星和陆地网络的互操作性，包括：

Rel-17和18中采用透明有效载荷架构,卫星只充当UE与gNB之间5G信号的中继和波束映射。

Rel-19和20将引入再生有效载荷架构,gNB将全部或部分集成在卫星上,从而实现基于太空的连接能力。

再生有效载荷与星间链路和大型星座技术相结合,将极大提升5G NTN的吞吐量和灵活性,为实现6G统一的全球连接服务奠定必要基础。

从Rel-17开始,默认情况下基于卫星的RAN可以直接连接到5G核心网络(5GC)。同一个卫星RAN也可与多个核心网络共享。

由于5G NTN架构采用统一接入技术和互操作网络,因此UE可在卫星接入和陆地接入网络间实现无缝切换。

3GPP NTN工作频谱现状与需求挑战

3GPP为了实现5G NR陆地和卫星接入网络的融合，在NTN频谱选择和与陆地网络共存方面做了大量研究。这些突破性研究与标准制定将为行业参与者带来新的商机,这也是实现未来6G统一全球连接服务的关键一步。3GPP首次将卫星和陆地网络服务通过复用相同波形和潜在的同类终端设备进行融合,开启了陆地和非陆地服务商的新商机。对于NTN频谱,关键挑战是选择合适的卫星接入波形,并研究与相邻频段陆地网络的共存，其中Rel-17引入了S/L频段的n256/n255,工作在FDD模式，而Rel-18增加了Ka频段的n512/n511/n510，Rel-19讨论引入了Ku频段。Rel-17/18目前规定的NTN频段,FR1为410MHz-7.125GHz,FR2为17.3-30GHz。通过复用5G NR波形并考虑频率共存,3GPP实现了陆地和非陆地网络的融合。将来6G标准会满足行业差异化的需求，包括健康医疗，自动驾驶，智能制造，机器人，航空航海，地球监测，太空探索，空天地海一体化通信等等，6GNTN-TN频谱共享，将会考虑:

NTN Q/V-band (DL: 37.5 – 42.5 GHz (Q-band), UL: 47.2 –50.2 GHz and 50.4 – 51.4 GHz (V-band));

TN mobile services (DL & UL: 37.0 – 43.5 GHz, DL/UL in some countries (e.g., Brazil): 45.5 – 47 GHz and 47.2 – 48.2 GHz)

Fig. 5.3GPP NTN频谱(Ronteix, 2024)

3GPP 研究和标准化阶段的模拟仿真工作表明：

卫星连接并不需要专用的卫星波形,基于CP-OFDM(下行)和DFT-s-OFDM(上行)的5G新空口技术就可以满足卫星通信需求。

Release 17和18对地面网络(TN)和非地面网络(NTN)共存问题进行了深入研究,结论是通过放宽邻道干扰比(ACIR)要求,TN可以与NTN在相邻信道上共存。

Release 17中5G NTN在FR1频段的一个主要结论是,NTN用户设备可以重用当前地面网络用户设备的无线资源管理(RRM)和射频(RF)要求。

因此,至少在FR1频段,同一终端设备(而不仅仅是专用卫星终端)可以同时连接到地面网络和非地面网络。这些发现为实现地面和卫星网络的融合奠定了基础,避免了引入全新的专用波形和终端,有助于降低部署成本和复杂度。通过适当的干扰管理和资源复用策略,5G NR技术可支持两种异构网络的共存和互操作。

6G未来展望

3GPP 对6GNTN的定义是，通过构建泛在连接的多维通信系统，来提供多维度、多层次、多频带的融合：

提高功放峰均功率PAPR、频谱效率、无线资源管理、OOB发射和共存能力,以及新一代无线接口的替代波形,包括非正交多址(NOMA)、OFDM变体OTFS等。

协同多点(CoMP)传输可实现高效无缝传输;NTN异步多连接(MC)和载波聚合(CA)可提高吞吐量和空间分集增益。

NTN带宽分段(BWP)有望实现灵活的带宽优化和管理;同频全双工(IBFD)则是FDD复用方案的演进。

这些增强将支持新型NTN兼容设备,如简化能力用户设备(RedCap UE)，智能反射面(RIS)可为NTN提供室内覆盖。

基于感知的智能无线电可动态重配置无线接口。软件定义网络(SDN)则有助于无缝层间移动性和重配置。

同态加密和区块链等技术将增强无线接口的安全性和可信度。

新一代再生有效载荷包括有源天线阵列、先进的板载处理、软件定义有效载荷等。

卫星星座将更加异构化,采用多轨道、不同尺寸,利用星际链路实现互联和编排。

AI/ML技术将广泛应用于资源管理、信道估计等。

Fig. 6.6G系统架构(Ronteix, 2024)

5G NTN与6G NTN对比分析总结

现有卫星星座constellation的一个主要局限性体现在，几乎所有卫星功能和发射功率分配相同，不太适合满足未来预期的使用场景需求,如:高吞吐量用户链路，在轨执行无线接入网、核心网、边缘云等功能等等。

5G-NTN框架特性，表现在具备初步的适应性和扩展性,能够满足不同垂直应用场景的差异化需求,为未来6G NTN的发展奠定基础：

可支持各种用户终端类型接入,从普通手机到专业化的定向天线终端。

接入方式灵活,既可以UE直接接入地面网关站,也可以UE间直连。

频率范围覆盖Sub-6GHz(FR1)和毫米波(FR2)等多个频段。

可利用从LEO到GEO的各种轨道资源,组网灵活。

小区可以是移动的,也可以是相对固定的。

系统架构支持透明传输和重生中继两种模式。

对比而言，5G时代NTN是"外加"的,而6G必须从根本上在无线协议层面原生地支持NTN场景。只有这样,6G才能最大限度发挥空地一体化的优势,为地面和卫星通信提供真正一致的体验。这不仅需要技术上的创新,也需要生态系统各方通力合作,共同推进6G无缝集成NTN。 6G-NTN设计原则与优势，体现在：

建立共同的地面网络/非地面网络(TN/NTN)技术框架(架构和协议),无需为支持NTN而添加特殊功能。

在3GPP Release 20中,将NTN纳入6G基线研究项目。

在Release 21中,将NTN纳入首批6G规范性工作项目,认可将卫星无线部件作为6G大众市场和相应接入网络的一部分。

在后续Release中,可以针对进一步需求,对NTN功能进行深化和改进。

可以期待，6G的分层架构，将有效载荷和基站(gNB)功能分开部署，低轨服务卫星(LEO)负责用户链路和星际链路,集成无线单元(RU)，而低轨传输卫星(LEO)负责回传链路和星际链路,集成中央/分布单元(CU/DU)，服务卫星和传输卫星通过低功耗星际链路(OISL)互连。这种分层设计赋予不同卫星专门的功能角色,避免"一刀切"，灵活的功能分工可更好适应不同场景和服务需求，通过低功耗星际链路的互联,形成高度协同的空间网络。

6G NTN空口设计准则体现在：多载波波形增强(无GNSS、降低尖峰均值功率比PAPR)；支持分时双工(TDD)模式；利用新频谱资源；先进的调制、编码和多址接入方案；设计灵活的上行/下行帧结构；强健的参考信号用于增强定位能力；支持AI驱动的无线资源控制；非地面网络通信和感知一体化；支持地面网络和非地面网络间的频谱共存优化；支持广播和多播。6G-NTN无线接口设计目标，可以总结为：

与地面网络兼容：能与地面5G/6G网络无缝集成,实现异构网络融合

频谱共享的可能性：支持与地面系统共享频谱资源的能力

抗同频干扰的鲁棒性：在共享频谱情况下,对同频干扰有较强的容忍度

无缝连接的可能性：支持用户在地面和非地面网络间顺畅切换

在C频段和Q/V频段提供额外链路裕度的能力：提高这些频段的覆盖质量和可靠性

支持精确的基于网络的定位能力：利用网络测量为用户提供精确定位服务

支持无GNSS用户设备的连接：能够为不依赖GNSS的简化终端提供服务

向后兼容5G：新架构需要确保对已有5G系统和终端的兼容

支持FDD和TDD两种工作模式：灵活适配不同频段的应用场景

低计算复杂度：终端和网络算力要求不能过高,保证能源效率

6G-NTN与地面部分深度融合,实现空地一体化部署,为垂直行业提供无缝覆盖和增强连接，可以采用3D多层次部署模式,空间节点(卫星等)、空中节点(无人机等)、地面节点互联，可以通过软件定义技术,卫星载荷可灵活部署RAN/CN功能和边缘计算资源，可以采用AI驱动的智能资源管理,来有效缓解不同层节点间的干扰问题，可以动态编排各类虚拟网络功能,根据动态拓扑智能路由和供给边缘服务等等。总体而言，NTN对6G的贡献可以总结为：

无处不在且具弹性的服务：

泛在连接：6G网络将融合非地面网络(NTN)技术,包括卫星、无人机等,使网络覆盖范围扩大到偏远地区,提供无处不在的接入,同时增强网络的弹性和可靠性。

频段高效共存: 5G演进过程中将支持6G NTN和现有5G NR在同一频段高效共存,避免频率资源浪费。

原生组件NTN：NTN将作为6G网络的一个内置组件,不再是附加部分。

一体化无线接口：从3GPP R21开始,将引入NTN友好的新无线接口,逐步与地面部分统一,实现运营层面的一体化。

行业覆盖：6G-NTN将重点服务垂直行业,如车联网、无人机、交通等,提供覆盖广、低延时等优势。

平滑过渡：在建设6G NTN时,将最大程度利用现有5G NTN空间设施,实现平滑过渡。

从面向服务到以用户为中心的设计方法：

以用户体验为核心：6G网络将从以往的面向服务的设计,转变为以用户体验为核心的设计理念,尽可能满足不同场景下用户的个性化需求。

Reference

1.F. Ronteix and etc. , “Convergence of theTelecommunication systemswith 5G and 6G”, https://www.annales.org/enjeux-numeriques/2024/en-2024-03/2024-03-24.pdf

2.C. Lin, “ETHER: A 6G ArchitecturalFramework for 3D MultiLayered Networks”, https://docbox.etsi.org/Workshop/2024/04_ETSI_6G_NTN/SESSION%2005/S5_03_Lin.pdf