關(guān)于NTN的最強(qiáng)科普

最近這幾年，NTN這個概念非常火。

那么，到底什么是NTN？為什么NTN會火？它會改變通信行業(yè)的格局嗎？

今天這篇文章，我們就來一探究竟。

█什么是NTN

NTN的全稱，叫做Non-Terrestrial Networks，非地面網(wǎng)絡(luò)。

地面網(wǎng)絡(luò)，就是我們每天都在使用的蜂窩基站網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)等。非地面網(wǎng)絡(luò)，顧名思義，就是沒有部署在地面上的網(wǎng)絡(luò)，是“天上的網(wǎng)絡(luò)”。

很多人會將NTN與衛(wèi)星通信劃等號。其實，這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

嚴(yán)格來說，NTN包括了衛(wèi)星（LEO低軌道、MEO中軌道、GEO地球靜止軌道）、高空平臺（High-Altitude Platforms，HAPS，例如平流層飛艇、氣球）、無人機(jī)，甚至未來的月球通信中繼節(jié)點(diǎn)等多種層次的通信網(wǎng)絡(luò)體系。

換句話說，NTN是一張“分層異構(gòu)、按需協(xié)同”的立體通信網(wǎng)，目的是為了實現(xiàn)真正的全域覆蓋。

當(dāng)前，NTN的主要研究方向，暫時集中在衛(wèi)星平臺。所以，可以姑且將NTN理解為“以衛(wèi)星為主的非地面網(wǎng)絡(luò)”。

█為什么要發(fā)展NTN

發(fā)展NTN，是因為有需求。概括來說，就是四個字——盲區(qū)覆蓋。

眾所周知，我們在地球上建立了發(fā)達(dá)的地面通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了大量的人口。

但是，地球?qū)嵲谑翘罅恕τ谀切┥帧⑸衬⒏瓯凇⒏呱健O地等人跡罕至的區(qū)域，因為施工條件和成本的原因，無法做到有效覆蓋。

以我國為例，我們的地面網(wǎng)絡(luò)是世界上最強(qiáng)大的，能夠?qū)崿F(xiàn)99%的人口覆蓋率。但國土覆蓋率呢，僅僅只有30%左右。

除了陸地之外，更大的問題來自海洋和天空。

地球的海洋面積占地球表面積的71%，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率只有10%（近海）。對于天空，地面網(wǎng)絡(luò)也僅能提供了極有限的ATG（Air-to-Ground，空對地）服務(wù)。

正所謂“站得高，看得遠(yuǎn)”，將信號收發(fā)設(shè)施放置在更高的位置，可以實現(xiàn)“俯瞰式”的廣域覆蓋，消除地面網(wǎng)絡(luò)的盲區(qū)。

一直以來，地面網(wǎng)絡(luò)和非地面網(wǎng)絡(luò)之間，都是相互獨(dú)立的發(fā)展路線。衛(wèi)星通信，有自己的標(biāo)準(zhǔn)、頻段、終端、生態(tài)。整個技術(shù)體系比較封閉，屬于“小圈子”。

作為地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的主要推動者，3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織在研究4G/5G標(biāo)準(zhǔn)的時候，逐漸意識到：人類的活動范圍在不斷擴(kuò)大，通信網(wǎng)絡(luò)如果局限于地面蜂窩基站，就注定無法突破地理位置的束縛，無法滿足各種應(yīng)急通信、遠(yuǎn)洋航運(yùn)、極地科考、森林防火、低空物流等場景的需求。

打破地面網(wǎng)絡(luò)和非地面網(wǎng)絡(luò)之間的壁壘，將衛(wèi)星通信等技術(shù)全面融入地面通信，拓展網(wǎng)絡(luò)連接邊界，構(gòu)筑一張“空天地海一體化通信網(wǎng)”，就成了3GPP的必然選擇。

傳統(tǒng)衛(wèi)星通信企業(yè)，其實也非常愿意和地面網(wǎng)絡(luò)融合。

一方面，地面網(wǎng)絡(luò)擁有龐大的用戶基數(shù)，意味著更大的市場規(guī)模。另一方面，地面網(wǎng)絡(luò)也擁有成熟的規(guī)模化產(chǎn)業(yè)鏈，可以從終端、協(xié)議、生產(chǎn)等各個維度為衛(wèi)星通信的發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

兩者一拍即合。于是，就有了NTN的誕生。

█NTN的發(fā)展演進(jìn)

NTN是地面網(wǎng)絡(luò)和非地面網(wǎng)絡(luò)深度融合的產(chǎn)物。但是主要負(fù)責(zé)牽頭的，仍然是3GPP。

2017年，也就是3GPP制定R15標(biāo)準(zhǔn)（5G第一個版本）之際，他們啟動了針對NTN的研究。當(dāng)時，他們定義了NTN部署場景和相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)，并且研究了NTN的信道模型。

后來，到了R16階段，3GPP研究了衛(wèi)星與5G系統(tǒng)的融合架構(gòu)，以及NTN場景解決方案的設(shè)計，對3GPP相關(guān)技術(shù)規(guī)范組的工作指明了方向。

2020年，在R17階段，NTN有了重大突破。

R17正式將NTN納入5G標(biāo)準(zhǔn)體系，首次定義了衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)與再生轉(zhuǎn)發(fā)兩種架構(gòu)，并規(guī)范了終端直連衛(wèi)星的接入流程。

上面的架構(gòu)中，衛(wèi)星和用戶之間的鏈路叫做服務(wù)鏈路（Service Link）。衛(wèi)星和信關(guān)站之間的鏈路叫做饋電鏈路（Feeder Link），也稱為衛(wèi)星無線電接口（SRI）。

衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)中，衛(wèi)星僅作射頻信號中繼，不進(jìn)行任何信號處理。地面的NTN網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，負(fù)責(zé)執(zhí)行信號解調(diào)、譯碼與協(xié)議棧處理等核心功能，是連接衛(wèi)星與地面核心網(wǎng)的關(guān)鍵樞紐。

這種模式下，衛(wèi)星不需要太復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計更輕量、部署更快，從而顯著降低衛(wèi)星制造與發(fā)射成本，尤其適合大規(guī)模部署的低軌星座。

再生轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)中，衛(wèi)星不僅接收信號，還會進(jìn)行解調(diào)、解碼、路由甚至協(xié)議處理等操作。相當(dāng)于衛(wèi)星承擔(dān)了基站功能，真正成為“太空基站”。

需要注意的是，再生轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)，可以在衛(wèi)星上實現(xiàn)全部gNB（5G基站）功能，也可以實現(xiàn)部分功能，由需求和場景來決定。例如，將5G基站的DU（分布式單元）功能集成到衛(wèi)星上，CU（集中式單元）功能則部署在地面，形成“星上DU+地面CU”的混合架構(gòu)。

不同的功能分布，涉及到的具體組網(wǎng)也會有所不同，如下圖所示：

再生轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)，對衛(wèi)星的載荷空間、計算資源和能源供給提出了更高要求。但是，它也提升了網(wǎng)絡(luò)的性能和靈活度，可以進(jìn)行更復(fù)雜的星間組網(wǎng)。衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的鏈路，叫做星間鏈路（Inter-Satellite Link，ISL）。

這種模式，也相當(dāng)于是一種邊緣計算（“能力下沉”），將計算與智能能力前置至軌道上，讓通信鏈路更短、時延更低、響應(yīng)更敏捷。

R17作為NTN的早期階段，重點(diǎn)研究了透明轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)和移動協(xié)議的改進(jìn)，沒有對再生轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)開展深入研究。這個時候，優(yōu)先要快速實現(xiàn)NTN的“能用”。

再來看看NTN在應(yīng)用上的分類。

R17對LTE的NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）和eMTC（增強(qiáng)型機(jī)器類型通信）技術(shù)進(jìn)行增強(qiáng)，打算實現(xiàn)這類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠通過衛(wèi)星接入地面移動網(wǎng)絡(luò)，滿足農(nóng)業(yè)、環(huán)保、物流等場景的需求。

其實大家也看出來了，和5G的三大場景一樣，5G NTN也進(jìn)行了細(xì)分，變成了NR-NTN和IoT-NTN兩大技術(shù)分支。

NR-NTN對標(biāo)5G NR（eMBB場景），實現(xiàn)大帶寬、低時延，面向廣域?qū)拵Ы尤耄胃咔逡曨l回傳、遠(yuǎn)程協(xié)作等高吞吐需求。

IoT-NTN對標(biāo)NB-IoT和eMTC（mMTC場景），聚焦海量低功耗物聯(lián)網(wǎng)終端的泛在連接。

再來說說NTN的頻段。

Release 17 的工作主要集中在使用透明有效載荷，并在FR1內(nèi)的n255（L頻段）和n256（S 頻段）進(jìn)行操作。這兩個頻段也是傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的基礎(chǔ)頻段。說白了，都是為了能夠快速適配。兩個頻段的頻寬不大，所以支撐不了大帶寬的業(yè)務(wù)，主要實現(xiàn)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)。

R15-R17是5G時代，R18-R20是5G-Advanced時代。進(jìn)入R18之后，NTN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也在持續(xù)演進(jìn)。

R18階段，一方面，關(guān)注透明轉(zhuǎn)發(fā)模式的增強(qiáng)，例如頻段擴(kuò)展、覆蓋增強(qiáng)、移動性和服務(wù)連續(xù)性增強(qiáng)，等等。另一方面，也開始推動再生轉(zhuǎn)發(fā)模式的技術(shù)落地，也就是積極推進(jìn)“基站上天”。

從R17到R18，3GPP NTN策略從最初的“能用”轉(zhuǎn)向“好用”，強(qiáng)調(diào)優(yōu)化和擴(kuò)展，實現(xiàn)更高價值的寬帶服務(wù)和更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)集成。

R18通過引入更高頻率（Ka頻段）來支持更高吞吐量，明確支持VSAT終端，并對移動性和覆蓋范圍進(jìn)行了增強(qiáng)。R18還增加了NR-NTN FDD頻段n254，以及LTE IoT-NTN FDD頻段B253/B254。

R19階段，3GPP開始正式定義NTN的再生轉(zhuǎn)發(fā)模式，并增加對于新的衛(wèi)星通信場景的相關(guān)研究。除了基站之外，R19也開始研究核心網(wǎng)上天——將核心網(wǎng)搭載在衛(wèi)星上運(yùn)行。

頻段方面，R19進(jìn)一步擴(kuò)充頻段，首次引入Ku波段（n247/n248等），并完善L/S波段，實現(xiàn)了從低頻到高頻的完整NTN頻譜圖譜。

圖片來自：羅德與施瓦茨

R20階段，主要是處理5G NTN的一些遺留問題。與此同時，結(jié)合6G需求，針對多頻段管理、高低軌衛(wèi)星協(xié)同、核心網(wǎng)能力增強(qiáng)以及星地頻譜共享等方面開展進(jìn)一步研究。

在R21及后續(xù)版本中，3GPP將重點(diǎn)推進(jìn)星地?zé)o縫切換、跨星座漫游、AI驅(qū)動的動態(tài)資源調(diào)度等增強(qiáng)特性，推動NTN頻譜規(guī)則協(xié)調(diào)與軌道資源共管機(jī)制建設(shè)，為6G筑牢底座。

值得注意的是，R21首次將“地月空間”納入標(biāo)準(zhǔn)化視野，標(biāo)志著NTN正從地球軌道向深空延伸。

█NTN面臨的挑戰(zhàn)

NTN的優(yōu)點(diǎn)是覆蓋廣、彈性強(qiáng)、部署快。之所以現(xiàn)在發(fā)展火爆，就是因為行業(yè)高度認(rèn)可了NTN的價值——它能夠迅速彌補(bǔ)覆蓋短板，在關(guān)鍵且高價值的場景中展現(xiàn)出不可替代性。

但是，發(fā)展NTN，同樣也面臨很多挑戰(zhàn)。

首先，是無線通信鏈路上的挑戰(zhàn)。

NTN的星地鏈路距離（數(shù)百至數(shù)萬公里），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)地面通信，路徑損耗比地面宏站高出30~50dB。

距離最大的影響是無法克服的延遲。使用同步衛(wèi)星，延遲超過500ms。即使是使用低軌衛(wèi)星，延遲也會有大概40ms，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)。

衛(wèi)星運(yùn)動速度極快（低軌衛(wèi)星每秒大約移動7.8公里），帶來的多普勒頻移可達(dá)±10?kHz量級，遠(yuǎn)超5G終端的補(bǔ)償能力。

變化的大氣條件、噪聲、其它信號的干擾，也會對NTN信號質(zhì)量造成顯著影響。

衛(wèi)星通信，說白了，就是一道鏈路開銷的數(shù)學(xué)題。

信號發(fā)射功率是有限的，終端天線尺寸和電池容量也受限。要對抗路徑損耗、多普勒頻移與信道衰落這三重“高墻”，就必須在硬件、算法等層面同步引入創(chuàng)新，采用高增益天線、先進(jìn)波束賦形與聯(lián)合編解碼等技術(shù)進(jìn)行協(xié)同突破。

這里，我們要說一下DTC（Directto Cell，手機(jī)直連通信），意思就是我們普通手機(jī)無需額外改裝（僅做軟件上的升級），即可直接連接衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（采用地面運(yùn)營商的頻譜）。

DTC是現(xiàn)在非常熱門的賽道，關(guān)注度最高。

大家都知道，傳統(tǒng)衛(wèi)星通信都有專門的通信終端，有碩大的天線，體積大，重量沉，攜帶不便，價格也非常昂貴。

地面網(wǎng)絡(luò)和非地面網(wǎng)絡(luò)融合，如果仍然使用兩種不同類型的終端，肯定不合適。所以，直接讓衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)為普通手機(jī)服務(wù)，是一個關(guān)鍵目標(biāo)。這可以讓普通用戶快速且低成本地享受衛(wèi)星通信服務(wù)，也能夠迅速擴(kuò)大衛(wèi)星通信企業(yè)的用戶基礎(chǔ)與市場規(guī)模。

DTC的實現(xiàn)難度很大。因為傳統(tǒng)手機(jī)被設(shè)計為使用基站網(wǎng)絡(luò)，通信距離最大僅約幾十公里，而衛(wèi)星通信需跨越數(shù)百至數(shù)萬公里。

在手機(jī)硬件不變的情況下，只能通過衛(wèi)星側(cè)和算法方面的改進(jìn)，才能提升鏈路預(yù)算，實現(xiàn)可商用的基本通信服務(wù)。

目前，在DTC方面，國內(nèi)外都有了顯著進(jìn)展。2023年9月，華為Mate60pro手機(jī)實現(xiàn)在無地面網(wǎng)絡(luò)情況下支持通過天通衛(wèi)星接打衛(wèi)星電話。近兩年，ASTS公司和SpaceX公司分別在近兩年發(fā)射了支持手機(jī)直連的衛(wèi)星，并完成了10Mbps量級數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑谲墱y試。

其次，是系統(tǒng)協(xié)同方面的挑戰(zhàn)。

NTN和地面網(wǎng)絡(luò)的融合，比想象中要復(fù)雜得多。兩種網(wǎng)絡(luò)在協(xié)議棧、時鐘同步、移動性管理、QoS保障等方面，存在天然的異構(gòu)性。即便是3GPP這樣的全球性標(biāo)準(zhǔn)組織，想要推動協(xié)議、架構(gòu)和規(guī)范上的統(tǒng)一，也絕非易事。

這里面既有技術(shù)問題，也有利益問題，需要溝通協(xié)調(diào)的工作很多，難度不低。

最后，是產(chǎn)業(yè)生態(tài)與治理的挑戰(zhàn)。

NTN技術(shù)的推進(jìn)和落地，成本是非常關(guān)鍵的要素。

衛(wèi)星制造、發(fā)射、在軌運(yùn)維成本仍居高不下。星座部署周期長、投資回報慢。地面終端芯片與天線模組尚未形成規(guī)模效應(yīng)，價格仍然偏高……

所有這些，都制約了NTN在大眾市場的滲透，也影響了產(chǎn)業(yè)企業(yè)的投入決心和信心。產(chǎn)業(yè)生態(tài)的成熟度，又反過來影響技術(shù)迭代速度與標(biāo)準(zhǔn)落地節(jié)奏。

此外，頻譜資源分配、軌道位置協(xié)調(diào)、空間碎片治理等跨國家、跨行業(yè)的制度性難題，亟需國際電信聯(lián)盟（ITU）與各國監(jiān)管機(jī)構(gòu)協(xié)同破局。

圍繞NTN，地緣政治的因素也無法忽視，可能會影響正常的商業(yè)競爭秩序，也可能導(dǎo)致技術(shù)體系的割裂。

█結(jié)語

NTN，正處于從“能用”邁向“好用”的關(guān)鍵躍遷期。

根據(jù)Allied Market Research的預(yù)測，到2032年，NTN市場規(guī)模將達(dá)936億美元，年復(fù)合增長率40.6%。ABI Research預(yù)測，NTN-D2C細(xì)分市場到2035年服務(wù)收入可能達(dá)到250億美元，連接數(shù)超過2億。

越來越多的企業(yè)正在加入NTN賽道，圍繞這個領(lǐng)域的技術(shù)競爭以及商業(yè)博弈將會進(jìn)入白熱化的階段。

究竟誰能夠在這場競速中勝出，讓我們拭目以待。