衛星互聯網NTN技術指南

前 言

隨著6G技術標準進入討論階段，衛星互聯網有望成為通信行業新的增長點。通過構建衛星星座-地面信關站-核心網-用戶終端的互聯體系，實現空天地一體化網絡，世界各地網絡全覆蓋，大力提升天基監測、低空飛行、海島沙漠通信、應急救援等綜合通信能力。

01

NTN概述

3GPP標準中非地面網絡（NTN）的引入將通過將地面蜂窩網絡與衛星通信相結合來徹底改變無線通信。移動網絡運營商（MNO）希望在擴展其第五代（5G）并最終擴展第六代（6G）蜂窩網絡和基礎設施的同時提供更大的帶寬。政府和軍事機構希望從新一代衛星技術中獲得諸如增強成像和改進安全性等進步。

對于商業和國防組織而言，太空為增強連接性和變革現有能力提供了途徑。太空和衛星行業正經歷由新公司、研究工作和投資所驅動的快速演變。由此產生的進步面臨著復雜的挑戰，這促使開發出各種用例，以優化和確保從初始設計開發到軌道運行的整個太空和衛星任務的性能。

NTN是一種包含不在地球表面的節點的網絡。盡管我們首先想到的是衛星，但非地面網絡的其他組成部分還可以包括低空平臺/無人機（LAP）、高空偽衛星/無人機/氣球（HAPS）、不同軌道上的衛星以及這些的組合。

圖1展示了NTN的衛星通信網絡和空中通信網絡在地球靜止軌道（GEO）、中地球軌道（MEO）和低地球軌道（LEO）上的運行情況。5GNTN的主要應用集中在GEO和LEO范圍內。當前低地球軌道衛星的迅猛增長為商業、政府和軍事行業的大多數其他NTN應用案例奠定了基礎。

圖1 NTN生態系統

每個軌道都會給通信網絡帶來不同的挑戰。對于低軌衛星而言，衛星運行距離較近但移動速度更快。由于距離較近，從衛星到地面可以實現低延遲通信。相比之下，傳統的地球靜止軌道衛星則提供長時間的固定連接，但該軌道上衛星與地面站之間的信號路徑延遲要長得多。這個過程會隨著信號在不同點之間傳輸的次數呈指數級增加延遲時間。例如，如果衛星必須繞地球運行，就會出現明顯的延遲現象。

延遲現象在存儲轉發模式中也會出現。在這種模式下，衛星首先接收信號，然后在能夠接收到目標地面站信號時再將該信號發送出去。這種現象通常被稱間斷傳輸。

延遲現象的一個明顯例子是：當遠程新聞團隊與位于實體新聞室的團隊進行通信時，會遭遇延遲。在這種情況下，信號會先傳至地球同步衛星，再傳至地面站，接著傳至另一顆地球同步衛星，然后再次傳回。觀眾在記者們試圖交換信息的過程中很容易就能察覺到這一過程中的延遲。

由于地球同步軌道衛星（GEO）處于與地球同步的固定位置，因此它具有諸多優勢。這樣一來，您只需將大型拋物面天線指向一個方向，它們就能成為巨大的數據傳輸管道。相比之下，低地球軌道衛星（LEO）通常在您的頭頂上方運行并從您上方經過，因此需要進行波束轉向。如果您的應用不需要持續通信，您可以有兩種選擇。您可以使用能夠追蹤衛星的拋物面天線，或者等待衛星從您的上方經過。例如，物聯網的數據上傳并不需要持續進行。

NTN架構

每個NTN都設有多個接入點，這些接入點使得衛星網絡能夠與地面互聯網相連接。光纖鏈路將地面站點連接在一起，而激光光學鏈路則用于衛星之間的連接。從地面的衛星網關出發，寬帶鏈路將蜂窩網絡與衛星星座連接起來，這些連接具有高達20多Gbps的高速度，被稱為饋線鏈路。這些接入點與一個或多個網關相連。圖2展示了這些網關與衛星之間的連接鏈路，即作為地面蜂窩基站的寬帶回傳鏈路。

圖2 衛星鏈路與星地網絡

這些衛星可以通過高帶寬的衛星間光通信鏈路與星座中的最近鄰星體建立網絡連接，此時的數據傳輸速度可超過每秒1000 Mbps。低成本的相控陣天線構成了用戶終端的基礎。這些天線可能固定在某個位置，比如房屋內，也可能安裝在諸如飛機之類的交通工具上。這些衛星與用戶的終端連接速度可超過100 Mbps。網狀網絡通常使用光鏈路來連接衛星。

目前已經實現了與點對點位置（POP）之間小于50ms的延遲以及超過100 Mbps的傳輸速率的可靠連接。固定或移動終端反過來能夠通過本地無線網絡為手機和其他設備提供網絡接入服務。

手機直連能力

目前關于NTN的大部分宣傳都集中在直接連接設備的功能上。這種功能使得移動電話在遠離地面基站的區域也能連接到衛星。例如，未來的3GPP版本將包含超短波終端（VSAT），它由高增益天線（如碟形天線或陣列面板）和高功率調制器組成，安裝在固定位置。

通信行業必須不斷創新，以實現與軌道衛星的持續連接。直接通過手機接入衛星的主要應用場景包括以下方面：

1. 專有衛星系統，例如銥星衛星通信系統，以及那些需要直接撥打電話功能和聯網車輛的政府應用案例。

2. 所有未做任何修改的手機，它們都使用4G和5G網絡與衛星進行連接。

包括基于NTN的窄帶物聯網（NB-IoT）以及基于NTN的5G新空口（NR）技術，這些技術均與3GPP的Release17版本相關。

02

NTN簡史

科學家和有遠見的人士長期以來一直設想建立一系列低地球軌道衛星網絡，以連接地球上每一個人。當前的全球通信網絡商業化努力可以追溯到20世紀90年代，當時兩家公司——全球星公司和銥星通信公司——成立并推出了大型衛星網絡，旨在實現這一目標。全球星和銥星公司專門部署了專為支持低帶寬衛星通信而設計的衛星，并將其直接應用于專用手機。盡管這兩個衛星網絡仍在運行，但這兩家公司均未取得大規模的商業成功。主要原因在于移動網絡運營商在推出地面網絡方面的速度遠遠超出了任何人的預期，從而降低了對直接到手機的非地面網絡服務的需求。此外，這兩項業務都沒有提供達到消費者期望的服務——信號無法充分穿透建筑物以用于室內使用，而且信號壓縮嚴重，導致語音質量很差。

需要指出的是，自全球星和銥星公司成立以來，發射一顆衛星的成本已大幅降低。1997年銥星公司開始發射其由66顆衛星組成的星座時，每次發射都是一個巨大的工程。但得益于火箭技術的改進和成本的下降，如今發射一顆低地球軌道衛星的成本要低得多。根據托馬斯·G·羅伯茨在《航空航天安全》雜志上的一項研究，自20世紀90年代以來，低軌衛星的重型發射成本已下降了多達85%，從每公斤約10200美元降至如今的每公斤1500美元以下。然而，盡管發射成本大幅下降，但衛星發射次數的增加卻導致了發射能力的嚴重短缺。

自20世紀90年代以來，手機也因技術進步和成本降低而獲得了顯著的提升。銥星公司于1999年推出的首批手機重達一磅多，幾乎是當時普通手機重量的兩倍，售價約為3000美元。近年來，有多家公司采取了新的舉措來推動面向設備的NTN通信。這些新的項目，比如星鏈、亞馬遜等，展現出了巨大的潛力和早期的成功。這些項目主要依賴于專有的、非標準的技術，需要在衛星內部配備專有的算法和電路來處理各種通信的復雜性。

NTN優勢

NTN的一個關鍵特性是能夠將移動通信服務延伸至偏遠和未得到充分發展的地區。這一特點有助于彌合數字鴻溝，為缺乏地面基礎設施的區域提供連接服務。網絡通信技術在偏遠地區的災難應對和緊急通訊中也發揮著至關重要的作用，能夠在危機發生時恢復通信。例如，美國太空部隊會綜合考慮多種不同的窄帶物聯網技術，以實現全球范圍內的通信、情報和預警系統的覆蓋。此外，窄帶物聯網還能通過結合窄帶物聯網與LTE/5G地球靜止軌道解決方案來提供緊急支援，并利用5G窄帶物聯網低地球軌道解決方案或專有方案為偏遠地區提供互聯網覆蓋。

NTN通過窄帶物聯網在非地球軌道網絡之上大幅提升了全球感知能力，使各個行業能夠利用由此產生的數據。例如，采用分布式傳感器將提高農業的效率和產量。將NTN納入考量范圍能夠擴展通信能力，并最大限度地發揮從太空進行數據觀測的潛力。這種方法包括將地面上的傳感器與物聯網連接起來，并利用高光譜成像來監測作物的水分需求和收獲準備情況。NTN還將增強利用無人機進行病蟲害防治和施肥、配備全球定位系統的自動駕駛拖拉機等的應用。這些進步能夠促進農業實踐的改進。

技術賦能

• 低延遲數據連接

• 超越視距的攻擊能力

• 導彈追蹤與預警

• 在軌融合

• 多現象地面傳感器融合

美國國防高級研究計劃局（SDA）所設計的“擴散型作戰人員太空架構”的首個運行階段（即“第一階段”），包括126顆傳輸層衛星、35顆跟蹤衛星以及12顆被稱為T1DES的戰術演示衛星。太空發展局的太空中心將負責運營“第一階段”。

近年來，SpaceX提出星盾計劃，專門面向政府和國防客戶，給其提供全球部署的衛星遙感、加密通信、其他軍用平臺模塊化托管能力。“星盾”投入使用后，能夠實現和“星鏈”組網，通過星鏈太空鏈路快速傳輸各類軍用偵察和指揮控制數據，其他軍用衛星平臺，只要搭載了“星鏈”通信模塊，也可以無縫連接到“星鏈”和“星盾”中，成為一個能夠實現互聯互通互操作的“網絡節點”。

通過這種方式，任何新增的功能都可以利用網絡進行數據傳輸。新的衛星還將具備內置處理能力，以承載基站功能（全部或部分）。這樣一來，它們能夠實現更高的功率、更低的延遲和更寬的帶寬連接。新的低地球軌道和超低軌道的部署將在2025年及以后的3GPP版本中將這些功能整合到衛星內部。

要實現高容量傳輸則需要大量衛星，有時這種系統被稱為LEO巨型星座。商業技術的進步推動了LEO巨型星座的開發，比如太空探索技術公司的Starlink。為了提供窄帶網絡覆蓋，這些早期但占據市場主導地位的進展正在市場中塑造未來趨勢，而在此之前，窄帶網絡尚未完全融入5G和6G網絡。專有技術可能會繼續存在于窄帶網絡的格局中，盡管其重要性可能會發生變化。

03

主要挑戰

盡管下一代網絡技術的前景十分廣闊，但其部署過程卻伴隨著諸多挑戰。其中最明顯的問題是太空環境的惡劣條件，以及成功將系統送入軌道所需的艱巨任務。在太空中構建網狀網絡會進一步加劇這些復雜性，因為這會增加出現問題的可能性。

為了滿足日益增長的數據需求，下一代網絡系統必須通過其衛星來傳輸和接收更多的信息，以實現通信和數據傳輸。分布式低軌衛星星座的優勢在于，它將風險和成本分散到數百或數千顆衛星上。然而，對于軍事和政府應用而言，這種方法會因衛星飛越敵方領土而帶來額外的安全風險。國家安全需求促使需要網絡安全保護和創新操作，以保護部署在太空中的基礎設施。

光通信

光通信鏈路具有諸多優勢，有助于克服NTN所面臨的挑戰。作為網狀網絡的關鍵推動因素，光通信利用光來傳輸信息，相比傳統的無線電頻率（RF）通信具有多項優勢。該技術的優勢包括更高的帶寬、更高的頻率、更強的安全性以及能夠傳輸數據而不出現信號衰減的情況。

光鏈路的部署將衛星連接起來，從而構建了一個更加穩固和安全的網絡，能夠實現更長距離的靈活數據傳輸。憑借其聚焦的激光技術，光學通信消除了傳統衛星系統所存在的帶寬和延遲問題。光學光子學中所涉及的本地化激光源和A到B的通信方式，還幫助各組織在更寬的帶寬范圍內進行編碼，并實現更高的數據傳輸速率。

諸如合成孔徑雷達（SAR）這樣的新型地球觀測技術都依賴于光學通信作為關鍵組成部分。這種技術使相關機構能夠以高度安全的方式將原始數據發送至地面應用系統。

SAR就是一個能凸顯安全重要性的應用實例，它推動了光通信技術的興起。該技術的緊湊、精確的激光束比射頻波束要窄得多，這意味著點對點的數據傳輸具有極高的安全性。激光束能更有效地保護光鏈路免受竊聽，更能抵御干擾和欺騙，更適合用于機密和軍事通信。

LEO性能

除了能提供更高的安全性之外，低軌衛星還必須在各種天氣、環境條件以及運動的情況下保持良好的運行狀態。這些衛星在繞地球運行時的移動速度約為每小時17000英里。盡管此類衛星星座通常在低延遲通信方面具有諸多優勢，但如果未能正確考慮通信鏈路的動態特性，就可能會導致多普勒頻移和衰減問題。

與地球同步軌道衛星不同，低軌衛星的視野范圍非常有限。由于軌道較低且運行速度較慢，要為某一特定區域提供同等覆蓋范圍，就需要更多的低軌衛星。與低軌星座進行通信需要地面終端在多個衛星之間切換，并使用波束來保持不間斷的通信。例如終端與單個低軌衛星之間的這種協調是自動進行的。與低軌衛星的通信是通過跟蹤一顆衛星，然后當第一顆衛星開始消失在視野之外時再跟蹤另一顆衛星來實現的。成功的連接必須在兩顆衛星之間實現無縫連接。

相控陣天線能夠出色地完成這項任務，能夠追蹤多個低地球軌道衛星，并實現備份功能以確保持續的連接。相控陣由許多排列成矩陣形式的天線元件組成，以提供單個天線所不具備的特定特性或功能。每個輻射元件都可以進行相位調整，從而使輻射波在期望的方向上相互疊加，從而實現最大增益。

頻譜擁擠

頻譜擁擠給低軌衛星帶來了另一個難題。在預留的衛星頻段中可用頻譜有限，而通過衛星鏈路實現更寬頻帶通信的需求，使得部署工作不得不向更高頻率靠攏，即便是在航空航天和國防應用領域也是如此。

不斷擴大的帶寬促使衛星運行在越來越高的頻率上，這要求我們制定新的設計標準和方法以確保衛星的性能。然而，更寬的帶寬和更高階的調制方案會帶來一些挑戰，這些挑戰可能會對毫米波頻率下的鏈路質量產生影響。例如，更高的頻率會因大氣條件中的水蒸氣而遭遇更強的衰減。

一旦部署完成，網絡就必須在極其擁擠的頻譜環境中運行。由于其他系統也在使用非常相近的頻率帶，并且其中一些系統至關重要，因此下一代網絡必須具備在必要時降低傳輸速率的能力。它們會優先考慮那些關鍵網絡的優先級，以確保其始終能夠正常運行。NTN還必須具備抵御來自犯罪分子和政府的攻擊的能力，這些攻擊旨在劫持網絡、監視流量或削弱網絡能力。此類威脅會帶來各種挑戰，包括服務延遲和中斷、對軍事任務和國家安全的威脅等。

與衛星和手機建立連接也會帶來技術上的挑戰。多普勒效應是移動衛星通信中主要的技術難題之一。它指的是波的頻率隨著觀察者相對于波源的移動而發生變化。對于與衛星的連接而言，必須對多普勒效應進行補償。

衛星與手機之間信號傳輸的延遲也會帶來一系列問題。地球同步軌道衛星的延遲與低軌衛星的延遲有很大不同，這是因為地球同步軌道衛星與地球的距離更遠。然而，由于軌道物理因素導致的延遲和多普勒效應限制了窄帶導航定位系統的能力。在處理地面網絡與衛星之間的切換復雜性，以及用戶終端與衛星之間的同時切換方面，還會出現系統層面的額外挑戰。增加衛星之間的切換也會使這些問題更加復雜。正在不斷探索解決方案以克服這些與協議相關的挑戰，但其復雜性仍在不斷增加。

信號功率水平會帶來額外的風險，因為它們需要保持一定的水平才能維持預期的服務質量（QoS）。如果功率過低，衛星網絡的容量也會對服務質量產生影響。

需要特別注意的其他問題包括監管和政策方面的考量，必須加以解決，以確保網絡資源的公平分配以及為地面網絡和非地面網絡保護頻率。環境可持續性也是需要考慮的另一個關鍵方面，因為衛星的大量增加引發了關于太空碎片負面影響的擔憂。

取舍考慮

工程師們需要在多個方面進行權衡，以優化NTN的性能。在長距離通信中，延遲顯然是一個需要權衡的因素。然而，網狀網絡在光纖通信中跨越更長距離時可能會提供更低的延遲，因為真空中的光速比玻璃中的光速要快。

額外的延遲會顯著降低鏈路的容量。設計人員還必須考慮那些會影響容量、信號功率和穩定性的設計決策，例如無縫連接和不間斷的鏈路。

04

用例

NTN具有眾多潛在的應用，其應用范圍差異很大。寬帶低軌通信技術的一個有前景的應用場景是為偏遠地區的基站提供回程連接，因為在這些地區鋪設光纖或地面微波線路并不可行。這些基站隨后可以通過標準的蜂窩網絡連接為手機或設備提供服務。

其他應用包括利用NTN來增強對傳感器、執行器以及物聯網設備的服務。最為雄心勃勃的NTN計劃旨在實現覆蓋全球、低延遲且速率超過2Mbps的直接到設備的連接。3GPP在其努力過程中最初定義了幾個主要的NTN應用場景，包括：

多連接性

用戶設備（UE）同時連接陸地鏈路和衛星鏈路以實現多連接。這種設置使得時間敏感的低延遲流量能夠通過陸地鏈路進行傳輸，而衛星鏈路則負責處理非那么關鍵的流量。

固定網絡連接

此用例使身處偏遠地區或其他地方（如海上船只或海上石油平臺）的用戶能夠使用5G服務。

移動蜂窩網絡連接

用戶設備能夠接入可用的地面網絡，并在偏遠地區自動切換至衛星鏈路，從而為飛機和高速鐵路提供無縫的5G服務覆蓋。

移動通信行業還提出了國家傳輸網絡的另外三個應用場景，包括：

1. 通過提供網絡中斷時的備用方案來增強網絡的抗風險能力，并通過并行聚合多個網絡連接來提高網絡可用性，以防止出現完全的網絡連接中斷。

2. 使移動網絡運營商能夠將尚未連接的5G網絡覆蓋區域連接起來。

3. 利用3GPP的5G組播廣播服務（MBS）規范來提供基于衛星的電視或多媒體服務。

05

標準化

最近，3GPP設定了5G及未來6G網絡中NTN（地面網絡）的規范和目標，以實現直接到手機的通信以及物聯網設備的連接。3GPP在2022年發布了第Release 17版規范，這是首個在5G規范或任何之前的3GPP蜂窩規范中涵蓋地面陸地網絡和非地面網絡平臺的版本。根據第Release 17版的規定，這些NTN平臺包括多種類型的衛星、高空平臺站（HAPS）和無人駕駛航空器。

Release 17版引入了對兩種非地面網絡的支持——5G NR和窄帶物聯網（NB-IoT）。5G NR NTN支持衛星網絡向處于頻率范圍1（FR1）頻段內的手機提供接入服務，以滿足諸如在非地面網絡覆蓋不到的地理區域進行語音和數據傳輸等應用場景的需求。NB-IoT NTN則支持直接從衛星訪問物聯網設備，用于農業、交通及其他應用。

Release 17版的增強功能解決了手機、物聯網設備與衛星之間通信過程中存在的技術難題，從而能夠支持NTN（網絡跟蹤導航）功能。這些難題包括傳播延遲、多普勒頻移以及移動終端（用戶設備）與諸如衛星、高空平臺系統和無人駕駛飛行器等基站平臺之間的通信所面臨的困難。

Release 17版對5G協議進行了多項與NTN相關的改進，以適應用戶設備與衛星之間更長的距離。這些改進包括對混合自動重傳請求（HARQ）和隨機信道接入（RACH）程序的更改，以適應信號傳播延遲的增加。

包含有衛星位置和運動信息的系統信息廣播（SIB）消息（即所謂的星歷數據）能夠使用戶設備（UE）估算出衛星何時可能變得可用。

Release 18

Release18于2024年完成，其中包含一系列令人期待的新NTN功能、覆蓋范圍的提升、性能的優化以及對新頻段的支持。圖3展示了該版本的時間線。一些Release18的改進側重于擴展NTN的LTE支持，而其他改進則主要側重于增強用于物聯網的5GNRNTN能力。一些即將推出的改進包括移動性管理和節能增強措施，以應對非連續覆蓋的情況。

圖3 3GPP Release 18和Release 19開發時間表

通過在用戶設備因無線鏈路故障而失去覆蓋范圍之前修改對鄰近小區測量的支持，并增加對用于增強型機器類型通信（eMTC）和窄帶物聯網（NB-IoT）的鄰近小區歷元數據的信號支持，來提高NTN的移動性。

提升整體的NTN（窄帶物聯網）吞吐量性能——包括禁用HARQ（混合自動重傳請求）反饋以減輕HARQ停滯對UE（用戶設備）數據速率的影響，以及識別全球導航衛星系統（GNSS）運行方面的改進以降低UE（用戶設備）的能耗，并為UE在長時間連接期間的預補償創建新的位置校正。

優化全球導航衛星系統以提高能效，以實現長期連接。

支持涵蓋10GHz以上頻段部署的新場景，例如引入擴展的L頻段以及頻分雙工（FDD）的LTE頻段操作，以用于物聯網網絡終端（NTN）。

Release 19

3GPP正在制定Release19標準，最終版本將于2025年末完成。盡管3GPP計劃限制第19版整體增強功能的范圍，但其中仍將包含一些額外的NTN（下一代衛星網絡）增強功能。Release 19的幾個提案正在審議中，其中包括一種用于NTN的再生架構的規范，該架構包括在衛星上進行分布式單元處理，以支持衛星間的通信鏈路。

以下是3GPP提出的建議：

• 支持室內NTN接入，并增強上行和下行覆蓋。

• 支持提升上行接入的容量，包括上行容量和吞吐量的增強。

• 支持5G降低能力（RedCap）設備，包括為5G廣播組播服務（MBS）提供NTN輔助。

• 通過增強的GNSS運行方式降低NTN對全球導航衛星系統（GNSS）的依賴，該方式包括在GNSS可用性下降的情況下為上行時間與頻率同步提供UE預補償。

• 支持針對物聯網NTN的不連續覆蓋。

3GPP標準外的NTN方案

并非所有的NTN解決方案和服務都遵循3GPP標準。許多非3GPP供應商已經采用了專有信號格式，并且還有更多正在開發中。DVB-S2X是數字視頻廣播項目第二代衛星擴展技術，為通過NTN進行寬帶數據傳輸提供了替代方案。

06

NTN測試挑戰與解決方案

NTN納入3GPP標準的主要優勢之一在于，用戶能夠使用現有的未經修改的5G和LTE設備接入衛星網絡。3GPP的改進和版本更新確保了來自空中基站的信號不會影響通信。

圖4 存量和直連手機NTN測試挑戰及用例

存量手機接入NTN

通過在傳輸過程中引入失真來實現對未修改手機的接入，以減輕衛星多普勒效應對信號的影響。NTN還采頻偏預補償技術來克服LEO高速移動帶來的多普勒頻偏影響。

NTN的網絡規劃需要同時添加蜂窩網絡和衛星基站。在未修改的5G手機中，網絡和基站會補償時間與頻率的誤差，如圖4所示。其目的是為衛星基站創造與地面基站類似的條件。定向天線和波束成形將衛星的服務區域分割成小的基站單元，使網絡易于管理。因此，衛星基站邊緣在頻率和時間誤差方面的問題比基站中間要多。

如圖5所示，Keysight的NTN解決方案組合包括端到端仿真技術。網絡仿真器模擬基站，而信道模擬器則在真實條件下重現衛星鏈路。

圖5 Keysight公司針對存量手機NTN接入的測試解決方案

整合蜂窩網絡與窄帶物聯網設備

要在未來幾年內實現移動通信行業將蜂窩網絡與下一代網絡（NTN）相融合的愿景，設備制造商和移動網絡運營商必須使用實際的基站和真實設備來測試NTN無線鏈路。

面臨的主要挑戰包括模擬衛星端到端鏈路的逼真環境，以及在系統部署前能夠連接NTN節點和終端，如圖6所示。NTN開發項目需要在原型階段以及部署前和部署期間具備測試和連接網絡實體和終端的能力，以避免出現昂貴的延誤。

基于PROPSIM信道模擬器的衛星和航空航天信道仿真工具集，能夠在相干的真實世界復雜三維傳播條件下對衛星、航空航天和機載無線電系統性能進行驗證。

圖6 直連NTN整合情況

如圖7所示，通過使用衛星和航空航天通道仿真工具集，能夠在實驗室環境中對實際的窄帶通信網絡（NTN）場景進行測試。這使得網絡和設備供應商能夠在推出設備和網絡之前，在實際運行條件下驗證系統的性能。他們還可以使用PathWave來創建載荷信號波形，然后將其用于測試系統性能。WaveJudge無線分析儀在運行時使用或使用記錄的數據進行使用，它能揭示系統層面正在發生的情況，并根據系統要求驗證功能。

圖7 利用衛星與航空航天信道仿真工具集進行NTN測試設置

07

衛星互聯網產業鏈

衛星互聯網產業鏈主要包括上游衛星制造與發射、中游地面設備與系統集成、下游運營服務與應用開發三個環節，以下是具體梳理：

上游

衛星制造與發射

• 衛星制造

  包括衛星平臺、載荷設備等。衛星平臺是衛星的“軀干”，為衛星提供支撐結構和服務功能，包含結構系統、供電系統、推進系統等。載荷設備則決定衛星的功能和性能，如通信載荷、遙感載荷、導航載荷等。

• 發射服務

  主要涉及火箭發射和發射場服務。隨著可重復使用火箭技術的發展，發射成本大幅下降，商業發射能力不斷提升。

中游

地面設備與系統集成

• 地面設備

  包括固定地面站、移動式地面站和用戶終端等。地面設備領域正經歷技術變革，相控陣天線技術取代傳統拋物面天線，芯片化設計使終端體積縮小、成本下降。

• 系統集成

  為客戶提供一體化解決方案，包括衛星通信網絡的設計、建設和運維等。系統集成商需要具備深厚的技術積累、豐富的項目經驗、強大的資源整合能力。

下游

運營服務與應用開發

• 運營服務

  主要包括衛星移動通信服務、寬帶廣播服務和衛星固定服務等。我國衛星運營行業具有較高的資質壁壘，目前形成以國有控股企業為主導的市場格局。

• 應用開發

  衛星互聯網在通信、導航、遙感等領域有廣泛應用，如應急通信、航空通信、物聯網、智慧城市等。隨著技術的發展，衛星互聯網的應用場景不斷拓展，市場需求持續增長。

圖8匯總了衛星互聯網相關業務及重點企業。

圖8 衛星互聯網相關業務及重點企業

08

展望

在過去的30年里，NTN徹底改變了移動通信領域。隨著5G和未來的6G網絡將NTN融入其設計之中，突破了基于地面的基礎設施的限制，NTN的影響將變得更加顯著。由于其能夠連接那些尚未接入網絡的群體（理論上全球任何地方），NTN在無線通信中的作用愈發重要，實現了無處不在的連接，并支持諸如自動駕駛汽車和物聯網等新興技術。

NTN還具有能夠解決發展地區基礎設施難題的潛力，能夠為社區提供教育、醫療和經濟發展的機會。通過提供可靠的網絡連接，這些網絡能夠在全球范圍內促進社會和經濟的發展。

當前，我國衛星互聯網建設進入提速階段，但衛星發射部署所需的火箭運力目前仍然是一大挑戰，穩定可靠的可重復使用火箭尚未正式納入發射計劃。正如行業專家指出，目前我國低軌衛星巨型星座建設，需要加快解決批量快速部署的難題。

參考資料

1.Keysight,TheDefinitiveGuidetoNon-TerrestrialNetworks

>End

本文轉載自“FPGA算法工程師”，原標題《衛星互聯網NTN技術指南》。

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