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我国正加快建设高速泛在、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。
天地一体是5G-A（5G-Advanced）及6G的核心技术之一，目标是支持终端融合一体、连接全球“无缝”的信息服务能力，最终实现卫星和地面网络在技术、标准、产业和应用的全方位融合，构建“空天地海”一体化通信系统，面向偏远地区、荒漠、海洋、天空等全域立体空间实现“泛在连接”，提供大众手机、行业终端直连卫星以及各类应急救援保障等“泛在”场景服务。
长期以来，卫星和地面移动通信作为两个产业链独立发展。近年来，随着泛在宽带通信需求和天地一体通信技术的演进，卫星与地面移动通信产业生态系统逐步走向融合。3GPP NTN（非地面网络）是通过对5G空口协议进行增强以适应卫星场景的技术，是地面蜂窝产业向卫星产业的主动融合，是天地一体化演进的重要方向。
3GPP NTN标准化进程
3GPP标准组织在Release 14标准的研究立项报告中，明确提出要将卫星通信融合到地面通信网络中。在Release 15阶段，3GPP开始对NTN进行立项研究，形成包含卫星接入网协议、架构评估、信道模型、应用场景以及对当前NR协议影响等内容的技术研究报告。在Release 16阶段，3GPP进一步在随机接入、上下行时频同步、调度、移动性、接口及架构等方面对NTN进行了深入的分析研究。
在Release 17阶段，3GPP于2022年6月形成第一版透明转发模式下的融合技术规范，针对卫星通信场景传播距离远、移动速度快、覆盖范围广等特性进行了空口适应性增强协议设计，基本具备端到端通信能力。
3GPP NTN技术详解
由于卫星通信场景具有传播距离远、移动速度快、覆盖范围广等特点，现有地面移动通信协议和设备无法直接应用到卫星通信场景。3GPP NTN Release 17开展地面蜂窝协议用于卫星通信场景的优化设计，对时频同步、时序增强、调度增强、连接态及空闲态移动性管理等进行了协议优化，完成了卫星透明转发模式下的通信协议设计，目前低频段（如L、S频段）已基本具备手持终端直连卫星的可行性。
网络架构
3GPP NTN根据卫星星上载荷能力提出透明转发和星上再生两种典型模式。透明转发模式是指卫星在通信服务中不会对信号、波形等进行处理，仅作为射频放大器对数据进行转发；星上再生模式是指卫星除了射频放大外，还具有调制/解调、编码/解码、交换、路由等处理能力。基于再生模式的卫星，又可进一步细分为基站部分功能（DU）上星和基站全部功能（CU+DU）上星两种，在这种模式下，卫星之间可通过星间链路（Inter-satellitelink，ISL）进行星间信息交互。
1. 透明转发架构
在透明转发架构下，基站位于地面，卫星在UE（用户体验）与基站间起到弯管透明转发的功能，且不影响5G传输协议及体制。如图1所示，UE基于5G NR无线接口经由卫星、地面网关接入5G网络，与地面核心网间的数据交互和地面移动通信系统一致。透明转发架构由于星上无处理能力，因此可基于存量卫星进行网络部署；基站位于地面，实现难度较低，因此技术相对成熟。
图1 NTN透明转发网络架构
2. 星上再生架构
在星上再生架构下，基站部分或全部功能上星（如图2、图3所示），基站F1接口或基站与核心网NG接口位于卫星到网关间的无线空口上。星上再生架构可通过星间链路实现星间协作，从而降低实际部署所需的地面网关数量，但这种模式需要增加星上处理能力，对卫星载荷设计要求较高。
图2 NTN星上再生网络架构——基站部分功能上星
图3 NTN星上再生网络架构——基站全部功能上星
接入关键技术
1.频域同步
卫星高速运动带来的大频偏远超传统终端的频偏纠正能力，现有终端频偏补偿方案难以适配卫星通信场景，因此终端很难获得频域同步。
针对此问题，馈电链路的上下行多普勒频偏可以由网络侧基于卫星星历信息自行补偿且对UE透明；服务链路下行频偏校正主要依赖终端自行搜频，而对于服务链路的上行频偏，由于3GPP NTN Release 17在新增SIB19广播消息中可以下发卫星星历信息，具备GNSS能力的UE可以计算出二者的相对速度及位置关系，从而估计出服务链路的多普勒频偏并进行上行频偏预补偿，保证上行频域同步。
2.时域同步
卫星的高速移动使得UE和基站间的传播距离处于快速变化的状态，现有时域同步方案无法适应卫星大时延、快变化的场景需求。
针对此问题，3GPP NTN Release 17在原有地面蜂窝通信协议中基站下发TA调整指示给UE的基础上，引入以卫星为分界点，将UE到参考点的全链路TA分为两段并分别进行补偿。该方案：UE到卫星的服务链路TA（UE-specific TA）由UE基于自身GNSS信息以及卫星星历信息计算，卫星到参考点的馈电链路TA（Common TA）由网络侧在新增SIB19广播消息中下发Common TA相关参数给UE计算，此时全链路完整TA为服务链路TA与馈电链路TA之和，由UE统一补偿并上报（如图4所示）。
图4 TA分段补偿示意图
3GPP NTN Release 17规定，参考点位于卫星与地面基站之间的馈电链路上，具体位置选取基于基站实现。对于参考点至基站的时偏，基站自行处理。
3.时序关系增强
卫星链路的传播时延大小取决于卫星轨道高度以及载荷类型，通常为几十到几百毫秒，但超大的传播时延会超出原有时序规则的限定范围，造成严重的上下行冲突。针对此问题，3GPP NTN Release 17在新增SIB19广播消息中下发小区级偏移量（Cell-specificK_offset），用于调整初始接入过程中的上下行交互定时关系，解决大尺度传播时延带来的数据传输时序问题。通常情况下，小区级偏移量为满足小区内所有用户初始接入所需时序偏移量的最大值，为满足终端性能要求，3GPP NTN Release 17也支持RRC连接态下通过专用RRC信令或MACCE进行UE专用偏移量（UE-specificK_offset）配置更新。
4.HARQ增强
卫星通信链路数据传播时延远远大于传统地面蜂窝移动通信，使得现有HARQ进程数不足，而沿用现有HARQ反馈机制也会加剧大时延问题，影响系统整体性能。针对此问题，3GPP NTN Release17引入了HARQ反馈激活/去激活机制，并将HARQ进程数扩展至32个，有效缓解大尺度时延对数据传输的影响。
移动性关键技术
卫星网络远近效应不明显，存在测量失效的风险，同时考虑到卫星快速移动给切换带来的挑战，现有基于信号强度测量结果（例如RSRP与RSRQ）的切换方式难以满足需求。针对此问题，3GPP NTN Release 17引入了基于时间/计时器的条件切换和基于位置信息的条件切换两种切换方式。
1.基于时间/计时器的条件切换方式
3GPP NTN Release 17支持在新增SIB19广播消息中广播当前卫星停止服务时间，UE基于卫星星历信息计算并判断当前服务卫星剩余服务时间是否满足基于时间/计时器的切换判决条件，若满足则执行条件切换。
2.基于位置信息的条件切换方式
UE基于自身GNSS信息和卫星星历信息计算并判断自己与卫星的距离或者自身与小区参考位置间的距离是否满足基于位置信息的切换判决条件，若满足则执行条件切换。目前3GPP NTN Release 17支持以小区中心作为小区参考位置。
在现阶段NTN Release 18的研究中，在Release17基础上围绕覆盖增强、10GHz以上高频段、网络验证UE位置以及星地移动性等方面进行针对性增强，预计2023年底完成相关标准制定。后续Release19、Release20也将持续增强星上再生模式、无GNSS能力UE接入、多轨协同等方面的能力，卫星通信潜力巨大。
3GPP NTN助力“手机直连卫星”
天地一体化目标是支持终端融合一体、连接全球“无缝”的信息服务能力，实现连接泛在、场景泛在的立体式全场景融合新服务。作为天地一体化的主要应用，“手机直连卫星”是当前产业的重点研究方向。
“手机直连卫星”技术分为三类，即传统卫星技术、支持存量手机的网络改造技术和3GPP NTN技术。
传统卫星技术（如华为Mate60Pro、华为Mate50、iPhone14）使用存量卫星技术与资源，通过终端侧5G、卫星双模芯片集成方式，使手机支持卫星通信，具备技术成熟与可快速商用等优点。但传统卫星协议私有、产业封闭、在轨升级难度大等问题限制了“手机直连卫星”业务的演进性与可持续性发展。
支持存量手机的网络改造技术（如星链与T-mobile、AST）的终端使用4G/5G地面通信协议，对基站进行非标准化定制、增强，可以使存量4G/5G终端直连卫星，但对卫星及天线能力要求高，技术难度大，目前国内技术尚不成熟。
3GPP NTN技术的技术路线明确、发展潜力大，可支持宽窄带、高中低轨等各类丰富业务场景，应用范围广泛，星地产业链可完全复用，相较于其他两种手机直连技术，优势比较明显。
面向基于3GPP NTN技术的“手机直连卫星”，全球产业界高度关注并积极开展技术布局。泰雷兹、高通、爱立信启动5G太空项目，利用低轨卫星开展5GNTN试验；西班牙公司Sateliot成功完成基于NTN Release 17标准的IoT NTN测试，并获得欧洲航天局认可；中兴等网络设备厂商以及MTK、高通、展锐、vivo、OPPO等终端和芯片厂商也相继完成NTN样品研制，助力产业生态发展。
在手机直连高轨卫星领域，中国移动于2022月8月完成全球首个运营商5GNTN技术外场验证，支持双向语音对讲和文字消息传输，全面验证手机直连高轨卫星的落地能力，有力提振了产业信心（见图5）。随后，中国电信也完成全球首次S频段5GNTN技术外场上星实测验证。
图5 中国移动完成全球首个运营商5G NTN技术外场验证
由于“手机直连卫星”的业务速率、时延等性能指标与轨道高度密切相关，因此低轨卫星相对高轨卫星在系统容量、用户速率、业务时延等方面具有较大优势，是未来“手机直连卫星”的发展方向。在手机直连低轨卫星领域，中国移动于2023年9月完成国内首次运营商NRNTN低轨卫星宽带业务实验室验证，全面验证手机直连低轨宽带卫星的通信能力，对促进NTN技术的全面演进以及产业链的发展具有重要意义（见图6）。
图6 中国移动完成国内首次运营商NR NTN低轨卫星宽带业务实验室验证
天地一体化未来技术挑战及攻关方向
3GPP NTN技术奠定了星地融合的起点和基础，但真正实现天地一体还面临诸多挑战。中国移动以架构、空口、频率、多轨四大融合关键技术为基础构建天地一体化技术体系，协同产业持续开展技术攻关，推动卫星和地面全方位融合，加速天地一体产业发展进程。
在架构融合方面，攻关动态协同和分布式处理技术，打造高效、“无缝”的一体化网络架构。针对星地网络异构且差异大、卫星网络拓扑高速动态变化、单星能力受限等挑战，需开展一体化网络架构设计，实现星地覆盖、资源、调度等高效协同，最大化网络效率并降低网络成本，同时保障用户无感知的星地切换能力和业务连续性体验。
在空口融合方面，攻关卫星载荷受限难题，统一设计既兼顾星地差异又最小化卫星实现复杂度的空口技术。为使图6中国移动完成国内首次运营商NRNTN低轨卫星宽带业务实验室验证卫星通信能够最大化共享地面蜂窝网络大规模产业基础，天地一体应使卫星空口与地面蜂窝网络共用技术体系和框架，兼顾卫星和地面传输的差异性，形成统一空口协议。针对星地信道环境差异大、网络拓扑高速动态变化、卫星平台能力受限、手机一体化设计等空口设计难题，需在天线、波形、双工模式、多址方式、星地传输、移动性管理、快速接入及资源管理等物理层和高层技术上持续攻关。
在频率融合方面，攻关干扰难题，提升天地一体频谱使用效率。现阶段低频段资源紧张、卫星频谱资源利用率相对不高，星地频率融合有利于提升卫星和地面网络的联合频谱利用率，增强卫星容量，更好地支持“手机直连卫星”应用。频率融合技术的关键是解决星地频率干扰问题，涉及频谱感知、干扰规避和抑制、频谱资源分配等多项技术，亟待产业界共同攻克技术难题。
在多轨融合方面，攻关分层协作难题，实现多轨一体，提升全局性能和建设效率。着眼未来，考虑打破传统低、中、高轨卫星网络独立发展的模式，推动实现多轨异构混合星座组网，有效利用高、中轨星座网络拓扑简单稳定、覆盖能力强等优势，降低组网、星间链路建立的复杂度以及测控难题，进一步提升天地一体网络的全局系统性能，降低网络建设成本。
结语
基于3GPP NTN技术的“手机直连卫星”是卫星和地面蜂窝移动通信融合的契机，可以促进卫星和地面蜂窝移动通信产业在协议标准、软件硬件、用户规模、产业生态等方面充分实现共享融合，构建一个全新的生态系统。应充分利用我国5G地面移动通信网络在网络建设、核心技术和产业能力方面的全球领先优势，构筑“以天补地、以地强天”的5G天地一体产业技术能力图谱，走出我国快速建设低轨卫星互联网的新路径。
天地一体是一个非常复杂的系统工程，成功的关键在于跨领域、跨环节、各方深度协同和开放创新，中国移动愿与产业合作伙伴携手共筑天地一体数字信息基础设施，共创“网络无所不达、算力无所不在、智力无所不及”的美好未来。
*本文刊载于《通信世界》总第931期 2023年11月10日 第21期
原文标题:《基于3GPP NTN的天地一体技术与产业发展研究》
作者：中国移动研究院 邓伟
责编/版式：王禹蓉
审核：舒文琼
监制：刘启诚
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