探索 NTN：连接未来的新纽带

在当今数字化高速发展的时代，通信技术的进步如同璀璨星辰照亮了人类前行的道路。从古老的烽火传信到现代的高速无线网络，通信的变革不断重塑着我们的生活与社会格局。随着全球通信需求的日益增长，传统地面网络在覆盖范围和服务能力上逐渐显露出局限性。而此时，非地面网络（NTN）通信技术犹如一颗冉冉升起的新星，为解决通信领域的诸多难题带来了新的希望和机遇。

一、NTN 通信的崛起之路

（一）起源背景与发展契机

全球通信需求的日益增长推动了通信技术的不断创新。在偏远地区或服务欠缺地区，传统地面网络的覆盖难题成为了通信发展的瓶颈。随着 5G 技术的兴起，基于 5G 标准的卫星对地通信技术为解决这一问题带来了新的契机。NTN 通信应运而生，它利用卫星通信的优势，能够覆盖广阔的地理范围，包括偏远地区和海洋，为那些无法接入传统地面网络的地区提供可靠的通信服务。

（二）技术演进与标准制定

从 3GPP Rel-15 开始，对 NTN 的研究逐步深入。在 Rel-15 阶段，形成了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。Rel-16 阶段进一步在随机接入、上下行时频同步、调度、移动性、接口及架构等方面进行了深入分析研究。到了 Rel-17 阶段，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。在这个过程中，不断完善的协议标准为 NTN 通信的发展奠定了坚实的基础。例如，确定了部署场景和参数，使得 NTN 通信能够更好地适应不同的应用环境；对信道模型的研究，有助于提高通信的质量和可靠性；增加物理层及 RAN 相关协议内容，进一步提升了 NTN 通信的性能和功能。随着技术的不断演进和标准的不断完善，NTN 通信在未来将发挥更加重要的作用。

二、NTN 通信的技术核心

（一）多样的卫星类型

低轨卫星（LEO）通常距离地面 300 - 2000 公里，移动速度约 7.9km/s。其在通信中面临着诸多挑战，例如几十 kHz 的多普勒频移，几毫秒的较长时延以及由于高速移动引起的星间切换或波束切换。在目前的研究阶段，LEO 为低轨卫星通信的主要挑战带来了不少技术难题。以卫星高速移动引入的多普勒为例，这需要通过先进的信号处理技术来进行补偿。同时，LEO 卫星的低轨道高度使得其对地高度引入的时延相对较短，但也需要精确的时间同步技术来确保通信的稳定性。此外，星间切换或波束切换的频繁发生要求高效的切换管理机制，以保证通信的连续性。

地球静止轨道卫星（GEO）距离地面约 36000 公里，对地面基本保持静止，移动速度较小。其主要挑战是远超地面通信网络的 delay（几百毫秒）。这种长时延对实时性要求较高的应用带来了很大的挑战，需要通过优化通信协议和采用合适的缓存策略来降低时延对通信的影响。

（二）独特的信道模型

NTN 的信道模型支持从 0.5 GHz 到 100 GHz 的频率范围，特别针对两个频段：6 千兆赫以下频段和 Ka 频段。对于 Ka 波段通信，上行链路频率约为 30GHz，下行链路频率约为 20GHz。适应 UE 移动性方面，对于卫星信道模型，支持高达 1000 公里 / 小时的移动速度，对应于可以由卫星接入服务的飞行器；对于 HAPS 信道模型，支持高达 500 公里 / 小时左右的移动速度，与高速列车相对应。

NTN 的信道与地面通信的信道相比具有显著特点：地面通信场景里可以有多达 24 根 NLOS 径，而卫星信道一般最多只有 3 根 NLOS 径，几乎没有角度扩散；深衰落超过 150dB、大频偏（LEO 卫星可达几十 kHz）、高延迟（几毫秒到几百毫秒）；超高的模型更新率可以高达 10kHz 量级，保证平滑动态变化的卫星信道；超长时间的动态卫星模型场景，尤其是 GEO 场景，至少需要 30 分钟才可以保证完整的通信流程及相关应用的验证。

3GPP TR 38.811 协议中定义了四种 CDL 模型和四种 TDL 模型。CDL 模型是为 S 和 Ka 波段定义的，适用于不同的环境和仰角。NTN - CDL - A 和 NTN - CDL - B 被构造为表示 NLOS 的两种不同信道模型，而 NTN - CDL - C 和 NTN - CD - D 被构造为表示 LOS 的两种不同信道模型。TDL 模型则是根据 3GPP TR 38.901 协议第 7.7.4 节，通过假设各向同性 UE 天线，从 CDL 模型中过滤抽头延迟线（TDL）模型。其中 NTN - TDL - A 和 NTN - TDL - B 用以表示 NLOS 的两种不同信道模型，而 NTN - TDL - C 和 NTN - TDM - D 则用于表示 LOS 的两种不同信道模型。

（三）重要的时频同步技术

由于卫星的高速移动，时频同步在 NTN 中尤为重要。通过星历信息和全球导航卫星系统（GNSS）数据，NTN 网络可以在基站和终端侧对多普勒频移和时延进行预补偿，确保通信的准确性和稳定性。

对于 gNB 获取星历的方式，O&M（Operations & Maintenance）会定期或按需求给 gNB 提供描述 NTN 有效载荷的轨道轨迹信息或坐标的星历信息。星历表有两种格式，一种是包含 NTN 有效载荷位置和速度状态向量的格式；另一种则是六根数格式。此外，O&M 还会给 gNB 提供与星历表数据相关联的显式历元时间以及 NTN 网关的位置。

UE 获取星历的方式有多种。一种是可以在 uSIM/UE 中预存为 UE 提供服务的所有卫星轨道参数，每个卫星的星历表数据可以链接到卫星 ID 或索引。在系统信息中广播服务卫星的卫星 ID 或索引，使得 UE 能够找到存储在 uSIM 中的相应详细星历表数据，以导出服务卫星的位置坐标。还可以经由系统信息或专用 RRC 信令将相邻卫星的卫星 ID 或索引提供给 UE，以辅助移动性处理。另一种是在系统信息中广播服务卫星的卫星轨道参数，UE 将导出服务卫星的位置坐标。相邻卫星的星历表数据也可以通过系统信息或专用 RRC 信令提供给 UE。在 uSIM/UE 中提供基线轨道平面参数的情况下，只需要向 UE 广播参考时间点的平均异常和历元，这样可以显著减少信令开销。

对于 NTN 链路的 delay 和 Doppler 补偿，对于服务小区，网络广播有效的星历表信息和公共 TA 参数（例如可通过 SIB 19 发送给终端）。在连接到 NTN 小区之前，UE 应具有有效的 GNSS 位置以及星历表和公共 TA。为了实现同步，在连接到 NTN 小区之前和期间，UE 应根据 GNSS 位置、星历表和公共 TA 参数计算 UE 和 RP（上行链路时间同步参考点）之间的 RTT，并自主地为 UE 和 RP 间的 RTT 预补偿 TTA。UE 可以被配置为在随机接入过程期间或在连接模式中报告定时提前。在连接模式下，UE 应能够连续更新定时提前和频率预补偿，并支持定时提前的事件触发报告。

三、NTN 通信的发展现状

（一）技术标准的推进

2024 年 6 月 18 日，3GPP 正式宣布 R18 标准冻结，这一举措将进一步推动 NTN（Non-Terrestrial Network，非地面网络）的发展。NTN 标准兼容 5G 地面蜂窝通信标准，为 5G 网络的卫星接入提供了全球统一的规范框架。在产业方面，NTN 体制能够充分复用 5G 移动通信产业链，通过蜂窝设备生态系统的规模效应拉动卫星行业发展，为未来的产业规模提供保障。技术方面，相较传统的 DVB 和 GMR 标准，NTN 技术延续了 3GPP 地面协议的优势，可支持海量终端接入。同时，通过引入时延补偿、频率补偿等技术，显著提升了频谱效率，支持的下行峰值速率达 15Mbps。

（二）市场应用的拓展

目前，大部分卫星通信公司采用 DVB 和 GMR 标准。DVB（Digital Video Broadcasting）是目前应用最广泛的宽带卫星通信空口体制，包括 SpaceX、中国卫通等公司均采用该标准。GMR（Geostationary Mobile Radio）由欧洲电信标准学会提出，通过 GEO 卫星实现移动卫星业务。然而，传统卫星通信技术存在一定的局限性。例如，DVB 为单载波系统，技术灵活性不足，难以支持海量终端接入的卫星互联网业务，且无法兼容地面网络。GMR 虽支持接入地面 GSM 网络，但最新一代只演进到 3G 版本，尚不支持接入地面 4G、5G 网络，并且其加密算法的脆弱性导致安全性能较差。

相比之下，NTN 系统具有更大的优势。NTN 系统带宽大，可全面覆盖卫星宽带业务和窄带业务，有望替代传统卫星通信体制。据 BISResearch 和 Markets&Markets 预测，2028 年 GMR 和 DVB（不含广播）市场规模分别在 70 亿和 120 亿美元左右，复合增长率为 28%，而 5G NTN 市场有望达到 235 亿美元，复合增长率高达 41%。

然而，NTN 发展面临着产业、市场、技术三方面的挑战。在产业方面，卫星产业技术体制较为封闭，对标准化的 NTN 接受度有限，可能影响其产业链有效整合和场景覆盖。例如，我国传统卫星龙头企业如中国星网，未来计划采用 “类 NTN 体制”，而非 NTN 标准化路线。全球卫星运营商联盟中宣布加入 3GPP NTN 卫星网络发展计划的成员占比不足 30%。航天产业领军企业如中国航天科工集团、中国航天科技集团等均未明确表态支持 NTN 发展。此外，广播电视作为卫星收入的最大细分赛道，也未作出支持 NTN 路线的明确表态。

在市场方面，NTN 规模商用周期长，存在被其他技术制式挤压市场空间的风险。结合 3GPP R18 标准冻结时间和全球智能手机的换机周期（51 个月），预计 NTN 将在 2028 年前后实现规模商用，产业落地周期较长。全球规模最大的低轨卫星星座 Starlink（采用 DVB 制式）预计将在 2027 年完成部署，有望提前抢占卫星通信市场。据摩根斯坦利预计，2030 年 Starlink 总用户规模将达到 3071.6 万，结合 2030 年全球卫星用户总数约为 6000 万，届时 Starlink 将占据全球过半的卫星通信市场。

在技术方面，卫星通信中的多普勒频移、传输时延等问题对 NTN 的协议设计与体制优化提出了挑战。对于低轨卫星而言，相对地球表面做高速运动的卫星会使通信产生较大的多普勒频移。在给定 2GHz 载波频率的情况下，与运行在距地面 600 公里的 LEO 卫星进行通信的用户可能会遇到高达 48kHz 的多普勒频移，对频率同步及设备性能产生严重影响。同时，由于低轨卫星的相对速度较高，UE 驻留在单个小区（或点波束）内的时间窗口非常短，波束的快速移动、频繁切换为 NTN 终端的移动性管理带来一定挑战。

四、NTN 通信的应用领域

（一）垂直领域的应用

5G NTN 预计在交通领域将发挥关键作用。例如，在偏远地区的铁路运输中，传统地面网络难以覆盖，NTN 通信可以确保列车与调度中心之间的稳定通信，实时传输列车位置、运行状态等关键信息，提高铁路运输的安全性和效率。在公共安全领域，当发生自然灾害或紧急情况导致地面网络受损时，NTN 能够为救援人员提供可靠的通信渠道，实现信息的快速传递，以便更好地组织救援行动。在媒体和娱乐领域，NTN 可以为偏远地区的用户提供高清视频流和音频内容，丰富人们的文化生活。同时，对于户外直播、探险纪录片拍摄等场景，NTN 通信能够实现实时数据传输，为观众带来更加精彩的视觉体验。

在能源领域，位于偏远地区的能源设施如风力发电场、太阳能电站等，通过 NTN 通信可以实现远程监控和管理，及时反馈设备运行状态，提高能源生产的稳定性和可靠性。在农业领域，NTN 通信可以为智能农业设备提供连接，实现对农田的精准监测和管理，如土壤湿度、作物生长状态等信息的实时传输，为农业生产提供科学决策依据。在金融领域，虽然对通信的稳定性和安全性要求极高，但 NTN 通信可以作为地面网络的备份，在紧急情况下确保金融交易的正常进行，提高金融系统的抗风险能力。在汽车领域，未来的智能汽车可以通过 NTN 通信实现与卫星的连接，提供车辆定位、导航、紧急救援等服务，提升驾驶的安全性和便利性。

（二）智能手机与卫星直连

三星掌握的标准化 5G NTN 技术，为智能手机与卫星的直接通信带来了新的突破。通过将该技术整合到 Exynos 调制解调器解决方案中，三星有望加速 5G 卫星通信的商业化进程。这一技术的应用将为用户带来诸多便利，特别是在偏远地区，用户可以通过智能手机与卫星直接通信，实现双向文本信息以及高清图像和视频共享。

例如，在户外探险、野外作业等场景中，用户可以借助三星智能手机的 5G NTN 技术与外界保持联系，及时分享自己的位置和状况，提高安全性。此外，该技术还为 6G 驱动的万物互联时代铺平了道路。随着技术的不断发展，未来的智能手机可能会更加依赖卫星通信，实现更加广泛的连接和更高效的通信。

三星通信处理机开发团队执行副总裁 Min Goo Kim 指出，这一里程碑是基于三星以往的无线通信技术成果建立的。三星计划在全球范围内率先推进地面 - 非地面网络混合通信生态系统，为 6G 的到来做准备。通过满足第三代合作伙伴计划（3GPP）规范（第 17 版）定义的最新 5G NTN 标准，三星的 NTN 技术将助力于电信运营商、移动设备制造商和芯片公司提供服务之间的互操作性和可扩展性。

三星指出，为了能够与低地球轨道（LEO）卫星进行高度可靠的 NTN 通信，其在 Exynos 调制解调器 5300 参考平台上，开发并模拟了基于 5G NTN 标准的卫星技术，用以准确预测卫星位置，并将多普勒频移引起的频率偏移降至最低。基于这项技术，三星未来的 Exynos 调制解调器将支持双向文本信息以及高清图像和视频共享。

IT 之家从三星官方获悉，三星计划将标准化的 NB - IoT 技术用于下一代调制解调器平台。由于集成了卫星连接，三星的 NB - IoT 非地面网络技术将使得智能手机无需内置单独的大功率无线天线芯片，为移动设备制造商提供了设计灵活性。

五、NTN 通信的未来展望

（一）发展趋势

随着技术的不断进步，NTN 通信在未来呈现出多方面的发展趋势。首先，在技术层面，卫星通信技术将不断创新，以更好地应对多普勒频移、传输时延等问题。例如，通过更先进的信号处理算法和硬件设备，进一步提高频率同步的精度和稳定性，降低多普勒频移对通信的影响。同时，优化通信协议和网络架构，减少传输时延，提高通信效率。

其次，在产业链整合方面，随着 NTN 标准的不断完善和市场接受度的提高，卫星通信产业链将逐渐与地面通信产业链深度融合。卫星制造、发射、运营等环节将与地面设备制造、芯片研发、网络运营等环节紧密合作，实现资源共享和优势互补，降低产业成本，提高产业竞争力。

再者，在应用场景拓展方面，NTN 通信将不仅仅局限于现有的垂直领域，还将不断开拓新的应用场景。例如，随着物联网技术的发展，NTN 通信将在工业物联网、智能城市等领域发挥重要作用，实现对海量物联网设备的远程监控和管理。同时，在太空探索、海洋开发等领域，NTN 通信也将为人类的活动提供可靠的通信保障。

（二）潜力分析

尽管 NTN 通信目前面临着产业、市场、技术等多方面的挑战，但它在未来通信领域具有巨大的潜力。从市场需求来看，随着全球经济的发展和人们生活水平的提高，对通信的需求将不断增长，尤其是在偏远地区和特殊场景下的通信需求。NTN 通信能够满足这些需求，为用户提供无处不在的通信服务，具有广阔的市场前景。

从技术发展来看，5G、6G 等新一代通信技术的发展将为 NTN 通信提供更强大的技术支持。例如，5G 的高速率、低时延、大连接等特点将与 NTN 通信相结合，实现更高效的卫星通信服务。同时，6G 技术的研究也将为 NTN 通信的未来发展提供新的思路和方向，如天地一体化网络的构建、太赫兹通信技术的应用等。

从产业生态来看，随着越来越多的企业和机构参与到 NTN 通信的发展中来，产业生态将逐渐完善。卫星运营商、设备制造商、芯片厂商、网络运营商等各方将共同努力，推动 NTN 通信技术的创新和应用，形成良好的产业发展环境。

尽管 NTN 面临诸多挑战，但随着技术的不断进步和标准的完善，其在未来通信领域具有广阔的发展前景。NTN 通信有望成为连接全球的重要纽带，让无论身处何地的人们都能享受到高速、稳定的通信服务。它将为偏远地区带来教育、医疗等资源的共享，促进区域经济的均衡发展。在智能交通、应急救援等领域，NTN 通信将发挥关键作用，提高响应速度和决策效率。同时，NTN 通信也将为 6G 时代的到来奠定坚实的基础，开启更加智能、高效的通信新纪元。

未来，我们有理由相信，NTN 通信将以其独特的优势和强大的生命力，为人类的通信事业书写新的辉煌篇章，让我们共同期待这一激动人心的未来。