浅谈5G非地面网络（NTN）技术

一、非地面网络（NTN）技术解析

非地面网络（Non-Terrestrial Networks, NTN）是指不依赖传统地面基础设施（如陆地蜂窝基站或光纤电缆）的通信网络。其核心在于整合多种非地面技术和平台，突破地理限制实现通信覆盖。以下是NTN的关键形态与应用场景：

1、卫星网络

（1）地球静止轨道（GEO）和低地球轨道（LEO）卫星构成主流形式。

（2）为偏远地区提供宽带互联网接入、电信服务和数据传输。

（3）典型案例：Starlink星座通过LEO卫星实现低延迟全球覆盖。

2. 高空平台（HAPs）

（1）部署在平流层（20公里高度）的浮空器，如太阳能无人机或系留气球。

（2）充当无线中继节点，提供区域覆盖和应急通信能力。

（3）优势：比卫星更易维护，比地面基站覆盖范围更广。

3. 空中移动平台

（1）搭载通信设备的无人机集群或飞艇。

（2）适用于灾后应急通信、大型户外活动临时组网。

（3）典型案例：在自然灾害中快速部署的无人机通信中继系统。

4. 水下通信网络

（1）虽不常纳入NTN范畴，但代表非传统通信形态。

（2）应用于海洋科考、水下监测和近海能源开发。

（3）技术挑战：声波通信的低速率与高延迟特性。

4. 融合组网方案

（1）卫星+HAPs+地面网络的异构协同。

（2）通过智能路由选择最优传输路径。

（3）优势：提升网络韧性，实现无缝覆盖。

5、技术价值：

NTN通过空天地一体化架构，解决地面网络覆盖盲区问题，特别适用于海洋、沙漠、山区等复杂地形，以及灾害应急场景。随着5G-Advanced标准演进，NTN将成为6G网络的关键组成部分。

图1 基于透明载荷的非地面网络典型应用场景解析

二、非地面网络（NTN）技术优劣势及系统架构解析

1、NTN的核心优势

覆盖延伸
突破地面基站经济边界，为偏远地区（如山区/海洋）提供基础连接，助力消除数字鸿沟。

抗灾韧性
自然灾害时作为地面网络的冗余备份，确保应急通信生命线（如救援指令传输）。

全球互联
卫星系统天然支持跨国覆盖，适配海运航线监控、跨境物流追踪等场景。

物联网赋能
优化低功耗广域网（LPWAN）连接，支持远程环境传感器、农业监测设备等海量终端接入。

广播/组播效率
卫星单次传输覆盖百万平方公里，显著降低大规模内容分发的单位成本。

无缝漫游
空天地一体化网络支持交通工具在移动中保持连续连接（如高铁/飞机网络切换）。

流量卸载
在大型体育赛事或城市热点区域分流地面网络压力，提升整体服务质量（QoS）。

未来可扩展性
通过增加卫星/HAPs节点弹性扩展网络容量，避免地面光纤重复建设。

2、NTN的技术挑战

成本壁垒
卫星发射成本超亿美元，LEO星座部署需持续资金投入，商业回报周期较长。

时延瓶颈
GEO卫星单程时延约250ms，难以满足工业自动化、远程手术等低时延需求。

频谱资源竞争
Ku/Ka频段资源趋近饱和，需开发Q/V等高频段技术，但面临雨衰效应加剧难题。

空间可持续性
LEO轨道卫星密度激增，碰撞风险提升，需建立太空交通管理机制。

天气敏感性
电离层扰动、暴雨衰减可能导致信号质量下降，需结合地面中继增强鲁棒性。

监管复杂性
跨国卫星通信需协调多国频谱许可，国际规则差异增加合规成本。

安全威胁
星间链路易受窃听/干扰，需部署量子加密等先进防护技术。

能效平衡
高空平台依赖太阳能供电，阴雨天气需切换至备用电源，影响持续工作时间。

3、NTN系统关键组件

卫星通信子系统卫星网关：作为天地一体化网络枢纽，实现卫星信号与地面光纤网络的协议转换。

GEO覆盖网络：单星覆盖区域达地球1/3面积，通过多波束技术提升频谱利用率。

非GEO移动管理：采用动态锚点切换机制，确保LEO卫星高速移动时的会话连续性。

协同工作机制GEO卫星负责广域连续覆盖，LEO星座提供低时延增强，HAPs作为区域容量补充。通过AI驱动的流量调度算法，实现星地资源动态分配，优化整体网络效率。

4、技术演进方向

5G-Advanced标准已引入NTN支持，未来6G将深度融合空天地海多维网络，通过太赫兹通信、智能反射面等技术突破当前性能瓶颈。

图2 非地面网络（NTN）的总体示意图”

5、关键链路及有效载荷特性

馈线链路：这些链路代表卫星网关与卫星之间的无线电连接，用于实现数据和信号的交换。

业务链路：这些无线电链路在用户设备（UE）和卫星之间建立通信通道，使目标服务区内的用户能够进行数据传输和连接。

卫星有效载荷：采用透明有效载荷的卫星在指定服务区生成多个波束。卫星的视场范围定义了覆盖区域，该区域可以是地球固定的波束，也可以是针对低地球轨道（LEO）卫星的地球移动波束。波束的覆盖区域通常呈椭圆形，具体取决于星载天线设计和最小仰角。

透明有效载荷特性：透明有效载荷包括关键组件，如射频滤波、频率转换和信号放大。这些特性确保有效载荷重复的波形信号保持不变，从而在整个通信过程中保持信号完整性。

6、用户设备与服务交付

用户设备（UE）：在目标服务区内，用户设备（如移动设备或通信终端）由卫星提供服务。这使得用户能够接入网络并享受非地面网络（NTN）系统提供的连接服务。

三、空间平台类型

空中平台：包括无人机系统（UAS）平台，通常部署在8至50公里的高度，其中包括位于20公里高度的高空气球平台系统（HAPS）。

无人机系统（UAS）：与地球静止轨道（GEO）卫星类似，可以相对于特定地面点保持固定位置，其波束覆盖范围从5到200公里不等。

空间和空中平台：根据其有效载荷，分为两种不同的配置。

非地面网络（NTN）平台：配备透明或再生有效载荷。

地球静止轨道（GEO）卫星：提供大陆、区域或本地级别的覆盖。

低地球轨道（LEO）卫星星座：可以为北半球和南半球提供服务，并且在某些情况下，通过采用特定的轨道倾角和生成足够数量的波束，能够实现包括极地在内的全球覆盖。

中地球轨道（MEO）卫星：中地球轨道（MEO）卫星位于中等高度轨道，为各种通信应用提供覆盖范围和延迟之间的平衡。

技术标准组（TSG）无线接入网络（RAN）和服务架构（SA）在Rel-17非地面网络（NTN）和卫星工作项目方面的努力一直在稳步推进，旨在将卫星功能整合到3GPP技术规范中。

四、3GPP Release 17 NTN（非地面网络）技术

在技术规范组（TSG）无线接入网（RAN）和系统与业务组（SA）的共同努力下，Release 17非地面网络及卫星相关研究项目持续取得稳步进展。这些工作的核心目标是将卫星通信能力深度集成到3GPP技术标准体系中，推动空天地一体化通信网络的技术标准化进程。

五、未来规划与Rel-18技术演进

欧洲卫星运营商协会（ESOA）成员及非地面网络（NTN）产业伙伴在3GPP Release 18六月研讨会上启动技术研讨，目前正着力推进针对NR-NTN（新空口非地面网络）和IoT-NTN（物联网非地面网络）的技术增强方案，相关成果将纳入Release 18标准化进程。

六、NTN典型应用场景

非地面网络技术具备多维度应用价值，主要覆盖以下领域：

农村地区网络覆盖

通过卫星链路为地面基础设施薄弱的偏远地区提供宽带接入，有效弥合数字鸿沟。

应急通信保障

在地面网络受损的灾害场景中建立应急通信通道，支持搜救行动关键信息传递。

空海广域通信

为远洋船舶、航空器等移动平台提供连续覆盖，保障航行区域通信服务质量。

智慧农业应用

支撑农业物联网设备在大范围农田中的环境监测、农机设备管理等精准农业需求。

能源矿业远程管控

实现极端环境下矿区/能源设施的设备状态实时监控与自动化运维。

全球资产追踪

为跨国物流、运输行业提供全天候全球定位追踪能力，保障供应链可视化管理。

广播级内容分发

支持紧急广播、大规模流媒体推送等广域信息分发场景。

5G无缝漫游

构建星地融合网络，为跨境物流等场景提供无感知网络切换能力。

低功耗物联终端

适配海量低功耗传感器的远程监测需求，如环境监测传感器网络。

边缘计算协同

通过星载计算节点实现分布式边缘服务，提升5G网络服务响应速度。

流量负载均衡

在密集城区场景实施星地流量分流，优化网络资源利用率。

网络弹性扩展

构建面向未来流量增长的可扩展网络架构，提升网络容量弹性。

低成本覆盖方案

替代地面基站部署，降低低人口密度区域网络建设运维成本。

七、透明与再生式有效载荷技术解析

透明有效载荷模式

• 卫星作为射频中继节点：采用模拟信号透传机制，不进行基带信号处理。

• 地面集中处理架构：所有数字信号处理功能集中于地面基站（gNB）侧完成。

• 双链路透明传输：馈电链路与服务链路保持信号格式一致性，无信号重构过程。

• 5G NR-Uu接口透传：包括无人机平台在内的空中节点完整保持5G空口协议栈。

• 信号完整性保障：实现馈电链路至服务链路的信号无损再生传输。

• 简化星载系统设计：卫星仅承担物理层信号转发功能，降低星上处理复杂度。

图3 参考：38.821-透明有效载荷

八、非透明（再生）有效载荷：

卫星在信号再生中发挥核心作用，连接地球与卫星网络之间的通信。

在业务链路上，NR-Uu接口用于与用户设备进行通信。

在馈线链路上，卫星使用N2和N3接口，形成卫星无线电接口。

这种设置有效地将gNB（5G基站）置于卫星内部，从而增强了信号处理和中继能力。

再生有效载荷积极增强信号，包括错误纠正、调制/解调以及放大等功能。

再生有效载荷支持双向通信，通过卫星实现地面站与用户设备之间的数据交换。

数据可能会在有效载荷内进行转换，以满足卫星网络的要求，确保传输的高效性和可靠性。

运营商能够对信号质量、网络性能和数据完整性获得更大的控制权。

实现再生有效载荷会增加卫星系统的复杂性和成本，但它在信号优化和网络可靠性方面提供了显著优势。

图4 参考：38.821 非透明（再生）有效载荷

卫星工作频段：

表 5.2.2-1：FR1 频段中的 NTN 卫星频段

SIB 19 在 NTN 中的作用：

在非地面网络（NTN）的背景下，系统信息块 19（SIB 19）继续发挥着至关重要的作用，尤其是在基于卫星的通信系统中。尽管 SIB 19 的核心目的与地面网络中的类似，但在 NTN 中它有一些特定的作用：

小区重选信息：在 NTN 中，SIB 19 为用户设备（UE）提供关于邻近小区或卫星网关的关键数据。这些信息帮助 UE 决定连接到哪个卫星或网关，类似于其在地面网络中的作用。

卫星或网关选择：在 NTN 中，UE 可能有多个卫星选项或网关可供选择，SIB 19 帮助 UE 根据信号强度、质量以及其他网络相关信息来确定最适合的卫星或网关。

无缝切换：对于 NTN 中的移动 UE，尤其是那些跨越不同卫星波束或网关移动的 UE，SIB 19 通过提供邻近小区或网关及其切换适用性的信息，协助实现无缝切换。

资源分配：SIB 19 还可能包含与 NTN 内资源分配和管理相关的信息。这些数据帮助 UE 了解可用资源并优化其连接。

网络效率：通过为 UE 提供关于网络状态以及可用卫星或网关的准确和最新信息，SIB 19 有助于提高 NTN 的整体效率和性能。

SIB 19 包含的 NTN-Config IE：

ta-Common：表示公共时间调整（Timing Adjustment）参数，用于 UE 与网络之间的时间同步。

ta-CommonDrift：表示公共时间调整漂移参数，用于补偿 UE 与网络之间的时间偏差。

ta-CommonDriftVariant：表示公共时间调整漂移的变体参数，用于进一步细化时间调整漂移的补偿。