隨著地面移動通信的發展，人們享受越來越便捷的互聯網服務，但是地球上仍有90%以上的區域缺少通信手段，當發生地震、洪水、海嘯等自然災害時，地面移動通信系統常常由于斷電、斷網，無法為人們提供通信服務。以衛星通信系統、空中平臺為主的非地面網絡（NTN）可為沒有地面移動通信覆蓋的地區或有應急需求的人們架起一張空間網絡。
非地面網絡是由衛星通信網絡、高空/空中平臺網絡組成的網絡總稱，與地面移動通信系統成對應關系，是地面移動通信系統向天空的延伸，將空間、空中和地面聯合在一起，組成一個立體化移動寬帶通信網絡，預期可實現全天候、全時段、全地域的話音和互聯網服務。NTN中的衛星通信網絡包括低地球軌道（LEO）、中地球軌道（MEO）和地球同步軌道（GEO）衛星、高空/空中平臺網絡包括飛機、氣球和飛艇等。截至目前，第三代合作伙伴項目（3GPP）的NTN的工作重點一直是基于衛星通信網絡開展研究，但其協議標準也兼容支持高空/空中平臺網絡。“手機直連衛星”新概念的興起和試驗驗證成果的推出，極大地推動了NTN技術的發展，NTN技術的發展和研究促進了其標準確定；同時，NTN技術也可為衛星互聯網、“手機直連衛星”、6G通信等技術和應用賦能。
1 NTN發展情況
NTN的起源
在3G技術出現以后，移動通信技術的覆蓋問題已經不再是其發展的制約因素，但在進入5G時代后，由于“為全球提供服務”、物聯網、車聯網等應用的發展，覆蓋需求進一步增加。雖然5G引入了非授權頻譜等覆蓋增強技術，但無法解決偏遠山區、海上、空中的立體覆蓋問題。NTN的出現，源于人們對覆蓋賦予了新內涵和新需求，將地面移動通信延伸至衛星通信，實現全球覆蓋。3GPP在制定5G標準之初，就計劃將衛星通信與移動通信融合，建立一個NTN，并將其作為定義未來衛星網絡的一個全球標準，解決無服務或服務不足地區的服務可達性和連續性問題，同時幫助地面網絡提高應對自然災害和人為災害的能力。
技術需求的確定
3GPP在制定NTN標準之前，根據衛星通信特點，通過對應用場景、功能性能需求、接入網架構的研究，在網絡結構、接入能力、移動管理、傳輸時延、傳輸速率等方面提出合理的技術需求，作為后續NTN協議標準的參考目標。典型的技術需求如下：
1）網絡結構需求：衛星作為5G接入網的核心網元，需要完成基站的部分功能或者全部功能；衛星作為連接用戶（UE）和地面基站的通道，需要完成UE和基站之間數據傳輸功能。
2）移動管理需求：在5G地面接入網與衛星接入網之間切換時需要保持業務連續性，支持不同接入網之間的漫游和網絡選擇/重選。
3）傳輸速率需求：行人的上下行體驗速率分別是100kbit/s和1Mbit/s，飛機上下行體驗速率分別是180Mbit/s和360Mbit/s，物聯網終端的上下行體驗速率分別是10kbit/s和2kbit/s。
NTN技術標準的誕生
由于衛星通信與移動通信融合是一個全新的領域，3GPP為整合衛星通信進行了長期準備，立項了多個NTN相關研究項目，Release15（R15）階段研究信道和場景對協議的影響，Release16（R16）階段研究潛在的解決方案，Release17（R17）階段研究NTN功能和技術標準，同時還對長期演進（LTE）的窄帶物聯網（NB-IoT）和增強型機器類型通信（eMTC）技術進行增強，實現這些物聯網設備能夠通過衛星接入地面移動網絡，滿足農業、運輸、物流等海量機器用戶應用場景的需求。在經歷了R15～16階段的研究后，最終在R17階段完成NTN標準定義。R15～17階段NTN相關研究項目如表1所示。
表1 NTN相關研究項目匯總
技術標準的演進
R17階段完成NTN的第一個標準，但只研究了NTN接入網的“透明”架構和移動協議的改進，未對“再生”架構和其他功能開展研究。進入R18階段后，3GPP立項了一系列關于NTN的研究項目，研究內容包括基于衛星回傳、基于衛星實現遠程控制、基于衛星接入實現UE位置驗證、IoTNTN增強、NTN接入網架構增強、NRNTN增強等。R18階段NTN相關研究項目如表2所示。
表2 R18階段NTN相關研究項目匯總
NTN的接入網架構
NTN標準定義了3種接入網架構：一是“透明”架構，基站部署在地面站內，衛星作為透明通道，轉發用戶終端和地面站（基站）的信號，可以簡單地將衛星系統看作地面移動系統中用戶終端與基站之間的射頻拉遠；二是CU/DU分離“再生”架構，基站的CU功能部署在地面站內，DU功能部署在星載基站內，星載基站DU負責業務面數據處理，地面站的CU負責控制面數據處理；三是CU/DU不分離“再生”架構，CU/DU均部署在星載基站內，衛星完成基站的全部功能。NTN接入網架構的確定標志著NTN星地功能分配的確立，使NTN功能和技術具備了可實現性，目前R17階段只對“透明”架構進行了技術和標準的研究。NTN的3種接入網架構如圖1所示。
圖1 NTN的3種接入網架構
2 NTN面臨的挑戰
技術問題
NTN技術將5G技術的應用領域擴展至空間，為空天地海一體化通信提供了技術可能性，但是其需要解決的技術難題還有很多。為推進NTN的順利實施，3GPP從應用場景、網絡架構、空口協議、系統同步等方面逐步開展研究工作。在R17階段，NTN技術以彎管通信（透明轉發）為主，對體制協議進行了改進，從協議處理層面給出時頻同步、大傳輸時延和移動性管理等問題的解決方案；在R18階段，NTN對彎管通信進一步做了增強，側重于IoTNTN覆蓋增強、NRNTN頻段擴展和業務連續性等研究，但對“再生”架構和星間鏈路的標準化研究并沒有提到日程。未來NTN技術除了要研究星地組網架構一體化、終端一體化、頻率一體化等系統性技術，重點要解決正交頻分復用（OFDM）信號加重發射信道的非線性、星地傳輸長時延影響信號定時同步、大規模低軌星座的高移動性/頻繁切換導致終端無法接入等基礎性難題。
（1）信道非線性問題
信道作為傳輸信號的通道，它的工作狀態直接影響傳輸性能和傳輸速率，信道的非線性是最常出現和最易被發現的問題。引起信道非線性的原因有很多，例如：功放飽和、幅頻特性較差等，幅頻特性由模擬通道各級組件的特性決定，而功放飽和則由輸入信號過大引起。由于OFDM子載波采用正交頻分復用處理方式，某段時間內會產生較高峰均比（PAPR），峰均比過高會導致功放飽和，進而引起信號畸變。為防止功放工作在飽和區，OFDM系統的功放會回退一定的效率工作，但此種工作方式會降低功放效率，損失系統能耗。NTNNR為了與5GNR融合，信號處理采用OFDM技術，NTNNR信號在承載特殊碼字時同樣會出現較高的峰均比，需要采用功率回退方法避免信號失真，用功放輸出效率換取信號質量。但是衛星系統由于能源限制，發射機的功放如果工作在非線性區會降低衛星能源利用率，同時系統容量及傳輸速率均受影響。因此降低峰均比、減小信道非線性是NTN系統融入5G通信系統的關鍵。
（2）星地信號同步問題
星地信號同步是星地實現通信的基礎。與地面的固定基站相比，低軌衛星星載基站具有運動快、時延大、覆蓋廣、高動態、頻繁切換等特點，用戶終端在星地信號同步時，需要適應衛星高速運動帶來的多普勒影響。在地面移動通信系統中，基站與用戶終端之間的相對運動產生多普勒效應，引起的最大頻偏不超過1kHz，廣播信號中前導序列和OFDM符號中循環前綴完全可以適應這個多普勒效應引起的頻偏。低軌衛星通信系統由于衛星的高速運動，多普勒效應產生的頻偏最小也有幾萬赫茲（衛星軌道高度在500～1000km時，L頻段多普勒效應產生的最大頻偏為45kHz左右，Ka頻段多普勒效應產生的最大頻偏為650kHz左右），巨大的頻偏給星地信號同步帶來了挑戰。
（3）NTN隨機接入問題
隨機接入過程是移動通信中的重要過程。手機開機后的第一件事是進行星地信號同步，第二件事是進行隨機接入，通過隨機接入完成手機“搜網”過程，隨機接入完成后就可以撥號碼通電話了。NTN隨機接入過程與地面移動通信隨機接入過程在流程上并無本質區別，但由于衛星基站相比地面基站運動速度快、星地傳輸時延長、星地電平變化大，為此需要解決衛星場景下多普勒頻偏補償、終端定時提前補償、交互消息響應延遲、終端頻繁跨星切換等影響隨機接入的難點問題。
應用方面挑戰
3GPP自2017年6月開始，構想將衛星通信系統與地面移動通信系統融合，解決全球覆蓋問題。3GPP經過7年的NTN研究，基本需求已經明確、部分關鍵技術完成攻關、體制標準初步制定、工作流程得到驗證，后續將是繼續完善體制標準和開展應用示范推廣。下面從NTN應用角度探討其可能存在的問題。
（1）衛星通信和地面通信長期獨立發展限制了NTN應用推廣
衛星通信對地面移動通信技術和行業來說是一個既熟悉又陌生的領域，兩種技術在20世紀90年代有過一次短暫的“相會”，由于技術實現方式和商業模式存在巨大差異，之后朝著不同路線和體制各自發展。衛星通信具有獨立的、獨特的技術體系，這是3GPP制定NTN標準時要考慮的問題；同時衛星通信也具有龐大的產業鏈，這是地面移動通信與衛星通信融合面臨的巨大的、必須要解決的非技術因素問題。如果3GPP不考慮這些非技術因素的制約，即便很好地完成了NTN整套技術標準的制定，最終也很難獲得產業的認可及落地商用。
（2）3GPP的穩健技術路線限制了NTN應用快速落地
3GPP在制定NTN標準時，考慮到技術需求不明確、技術實現有難度，選擇了一條相對穩健的技術路線，利用R15、R16兩個階段的時間完成了星地融合場景、網絡架構等研究，并在R17階段以“透明”接入網架構為基礎確定了NTN的第一個標準。“透明”接入網架構適合高軌衛星，高軌衛星由于通信距離問題，導致通信速率低、用戶容量小，主要進行NTN體制標準的在軌驗證工作，開展商用化動力不足；而通信速率高、傳輸延時短的低軌衛星適合使用“再生”接入網架構，3GPP并未開展“再生”接入網架構研究，使得NTN的應用未能趕上低軌衛星寬帶業務的快速發展。
（3）低軌寬帶業務發展給NTN應用帶來沖擊
發展NTN技術的目的是實現全球“無處不在的連接”，解決遙遠偏僻農村、荒無人煙沙漠、人跡罕至森林的通聯問題，使無地面移動通信覆蓋地區也能享受便捷的寬帶通信服務，目前，使用NTN技術實現全球寬帶服務還需要一段時間，但“星鏈”（Starlink）、“一網”（OneWeb）等低軌衛星系統已經具備全球寬帶服務能力。其中，“星鏈”已向全球各大洲70多個國家開通寬帶服務，訂購用戶突破260萬人。太空探索技術公司（SpaceX）首席財務官表示，“星鏈”在2023年底首次實現盈利。低軌衛星系統的快速發展和寬帶業務的全球普及，必將給NTN的應用帶來巨大的沖擊和影響。
3 NTN面臨的機遇
近幾年，衛星通信和地面移動通信都得到了快速發展，其中衛星通信的發展主要由衛星互聯網和“手機直連衛星”帶動，而地面移動通信已經從5G開始向6G邁進。NTN在這個星地通信共同發展的熱潮中起著非常重要作用，是天地互聯互通的樞紐。下面探討NTN在天地融合發展中面臨的機遇。
（1）NTN是衛星互聯網的補充
目前，國內外的衛星互聯網基本都是基于低軌衛星系統實現寬帶業務傳輸，例如：美國的“星鏈”低軌衛星系統、英國的“一網”低軌衛星系統。顧名思義，衛星互聯網是通過衛星實現網絡互聯，其終端可以通過衛星接入互聯網，得到寬帶業務服務，衛星互聯網的終端工作在Ku/Ka頻段，采用固定安裝方式。NTN標準規定：NTN的終端可以是固定終端，也可以是移動終端；工作的頻段可以是Ka頻段，也可以是S頻段；可以通過高軌衛星/低軌衛星接入，也可以通過浮空平臺/無人機接入。由此可見，NTN除了能提供衛星互聯網服務外，還能夠提供衛星移動服務（手機移動終端接入衛星）和浮空平臺/無人機的短時延業務。因此，NTN對于衛星互聯網來說，即是功能的擴充，又是能力的增強。
（2）NTN是“手機直連衛星”的未來
近兩年，起源于20世紀90年代的“手機直連衛星”得到了飛速發展。2022年，華為手機和“北斗”合作、蘋果手機和“全球星”（GSAT）合作，分別推出了支持衛星短信業務的手機，開啟手機在衛星系統應用的序幕；2023年9月，華為公司發布了支持衛星通話的Mate60pro手機，該手機在無地面網絡情況下支持通過天通衛星接打衛星電話；AST空間移動公司（ASTSpaceMobile）和太空探索技術公司分別在近兩年發射了支持手機直連的衛星，并完成了10Mbit/s量級數據傳輸的在軌測試。“手機直連衛星”的快速發展得益于發射技術、衛星技術、終端技術的全面進步，但是目前“手機直連衛星”的應用由運營商、衛星廠家、終端廠家各自獨立主導，各“手機直連衛星”系統之間未能形成統一的標準，限制了“手機直連衛星”后續的發展。NTN標準對移動終端（手機）接入衛星做了詳細的規定，其可以直接作為“手機直連衛星”通用標準，通過使用NTN標準可以完成各“手機直連衛星”系統之間互聯和技術路線統一，促進“手機直連衛星”更好更快發展。
（3）NTN構成6G通信的空天網絡
移動通信大約每過十年就會產生新一代技術，到2030年將會迎來6G通信時代。6G通信能夠提供更高的通信速率（用戶體驗速率10～100Gbit/s）、更低的傳輸時延（空口時延0.1ms）、更可靠的數據傳輸（可靠性達到99.99999%）、極廣的覆蓋（同時服務寬帶和窄帶業務）和超高的移動性（移動速度高達1000km/h），這些6G通信的功能和性能需要空天地一體化的網絡支撐。3GPP研究的NTN是一張由高/低軌衛星、浮空平臺、無人機等組成的非地面網絡，隨著NTN技術的發展和標準的完善，能夠實現與地面網絡（地面移動通信系統）的融合，同時NTN也能夠為用戶提供30μs空口時延的超低時延和1000km/h的超高移動性。NTN的發展推動了低軌衛星星座、超低空平臺技術的發展，促進了空天地一體化網絡的形成和通信系統的融合，可以作為基礎網絡設施構成6G通信的空天網絡。
4 結束語
NTN相比地面網絡，在技術實現、工程建設等方面均有一定難度，但經過多年的研究和發展，相關標準已經初步制定，具備了開展應用推廣的基礎。隨著衛星互聯網的快速發展，NTN也面臨巨大的挑戰，這些挑戰主要來自兩個方面：一是自身技術的急需突破；二是技術到應用轉化的思路需要轉變。盡管NTN面臨眾多問題，但3GPP強大的組織能力、全球的商業基礎、完善的標準體系也會助力NTN迎接機遇，具體表現在補充衛星互聯網的移動性、促進“手機直連衛星”的應用、填補6G通信的空天網絡等三方面。由此可見，NTN的研究和發展具有重要意義，特別是在“手機直連衛星”得到快速應用、衛星系統建設成本持續降低、載荷關鍵技術逐步攻克的多重作用下，為實現空天地一體化網絡、全球移動覆蓋提供了可能，也為未來6G通信的發展提供基礎支撐。
