面向 5G/6G 卫星：NTN 标准发展、关键技术与未来思考

目前，多个主流标准组织均致力于研究基于5G通信体制的卫星互联网，即5G非地面网络（Non Terrestrial Network，NTN），相关的标准化工作正积极展开。此外，国际层面上，多个国家也开始布局5GNTN的网络建设。由此可见，5G NTN对于社会进步、全球信息通信网络的完善意义重大。因此，本文总结了卫星移动通信的标准发展与赋能技术，探讨了6G NTN的潜在思路与发展方向。

国际标准化进展

随着卫星互联网的发展，5G NTN作为星地融合通信的主流技术，在空天地通信系统一体化进程中发挥着重要作用。为了充分利用地面通信体制的发展成果，第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）自R15阶段起，开展了对于卫星通信技术体制的研究和标准化工作，基于5G NR和NB-IoT技术规范，将NTN技术纳入5G系统需求与应用前景的讨论。

R15阶段，3GPP发布了研究报告《3GPP TR 38.811 V15.4.0：Study on New Radio（NR）to Support Non-Terrestrial Networks》，报告对NTN部署场景和相关网络架构进行了定义，同时对包括支持频段、终端设备等在内的信道模型进行了初步研究，并指明了NR（New Radio）为支持NTN需做出设计约束。2018年，3GPP在R16阶段开展了NTN系统性解决方案的技术研究，主要讨论了NTN实现过程中对于核心网、接入网以及终端的能力要求。在研究报告《3GPP TR 38.821：Study on Solutions for NR to Support Non-Terrestrial Networks》中初步定义了支持卫星透明转发和星上再生的两种NTN组网架构，并进一步讨论了支持NTN对现有高层协议、物理层技术以及接口协议的潜在增强需求，奠定了NTN的主要发展路线。

在R17阶段，基于前期对于实现NTN关键问题的讨论及研究成果，3GPP正式启动NTN规范版本制定。针对5G宽带接入和窄带物联网场景，提出了NR NTN和IoT NTN的第一个基线规范版本，并于2022年6月冻结R17，这标志着NTN技术与5G融合发展的开端。在基于透明载荷的网络架构下，针对卫星通信场景的多普勒频偏大、通信端到端时延大以及长距离传输带来的信号大幅度衰减等问题，设计了空口增强协议，引入了多种增强技术。

针对NR NTN，重点提出了终端和卫星侧的时频同步技术以及基于时间和位置的移动性管理等增强技术；IoT NTN则是在尽可能遵循NR NTN相对成熟的技术方法的同时，根据IoT设备及服务的非连续覆盖需求做出相应调整。该规范支持手持及物联网终端直连卫星通信，可分别以5G NR或NB-IoT/eMTC协议接入5G或4G网络。

进入R18阶段，3GPP仍然聚焦透明转发模式，对NR NTN以及IoT NTN体制进行进一步增强。针对NR NTN的增强功能，以进一步完善5G卫星组网能力为目标，主要包括支持10GHz以上频段部署、覆盖增强、移动性和服务连续性增强以及星上本地数据交换技术。针对IoT NTN的增强功能沿用了R17 NR NTN中引入的移动性增强技术，通过禁用混合自动重传请求反馈进行业务体验增强，并研究改进的接入和移动管理功能增强对不连续覆盖的支持。

截至R18版本的NTN研究重点针对基于透明载荷的组网架构，该架构下的信号处理操作均依赖于地面信关站的建设，因此，透传模式下的卫星通信服务一定程度上仍然受到地理位置限制，R19阶段（《3GPP TR 22.865 V19.2.0：Study on Satellite Access-Phase3》《3GPP TS 22.261 V19.6.0：Service Requirements for the 5G System》）将目光聚焦基于星上再生模式，并增加对于新的卫星通信场景的相关研究。

在R17基础上，3GPP针对宽带接入以及物联网业务场景，从网络架构、移动性增强、覆盖增强以及时频同步等技术方面开展了相关研究，但尚有诸多待完善之处，R20及后续阶段将结合5G NTN遗留问题以及6G需求，针对多频段管理、高低轨卫星协同、核心网能力增强以及星地频谱共享等方面开展进一步研究。

面向国内运营商应用需求，中国通信标准化协会（China Communications Standards Association，CCSA）立足于3GPP规范，以无线通信技术委员会（TC5）和航天通信技术委员会（TC12）为中心，开展了基于NTN的NB-IoT、天通一号手持/非手持终端、宽带移动卫星通信协议、协同组网通信技术等标准化研究。目前已完成国内首个5G NTN核心网技术标准立项，确定了基于NTN的NB-IoT接入网技术标准体系。同时，在卫星终端方面，已通过卫星相控阵天线技术相关行业标准立项工作。种种举措有助于推动我国早日实现构建空天地一体化信息网络的目标。

架构及关键技术

5GNTN组网架构

5GNTN网络由用户段、空间段和地面段组成。其中，用户段与空间段通过服务链路相连，地面段与空间段之间的链路称为馈线链路，不同卫星之间传输数据的通路则称为星间链路。

3GPP针对5G NTN定义了两种架构模式，分别为透明转发模式和星上再生模式。

透明转发模式架构由用户、透明转发卫星、地面信关站、基站、地面5G核心网（5GC）以及数据网络组成。其中，终端设备通过服务链路与卫星进行连接，再经由馈线链路连接至地面信关站和基站。卫星充当中继器，提供射频中继转发功能，无须对信号做任何处理，数据流在实体卫星和地面网关中进行透明转发，实现地面用户设备与地面5G基站之间的通信信号传输。该架构能够复用现有具有透传能力的卫星资源，利于实现5G NTN的商业落地，但对于馈线链路传输资源要求较高，且数据的转发处理高度依赖地面信关站，不利于实现全球范围的广域覆盖。

星上再生模式架构，卫星集成了5G NTN基站功能，包括数据处理、转发和路由功能，形成星载基站。在该架构下，地面用户设备可以直接与卫星进行通信，卫星上的处理单元对通信进行处理和转发，然后将数据传输回地面或转发给其他卫星。该架构具有低时延、高带宽以及灵活组网特点，能够支持跳波束资源灵活调度，同时也面临技术复杂度和卫星成本高的问题。

关键技术

1、时频同步技术

手机直连卫星场景下，低轨卫星相对地面用户进行高速运动，带来远超地面通信系统的多普勒频移以及时延变化率，给终端与网络间的时频同步状态带来挑战，影响数据的正常传输。为了将现有地面空口技术扩展应用于卫星通信场景，5G NTN针对频偏，在基站侧根据星历信息、终端和信关站位置等，对服务链路和馈线链路进行补偿，在终端侧通过导频获取实时频偏并对上下行信号进行预补偿。在时域补偿方面，手机基于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）信息、轨道信息等计算星地往返时延进行时间补偿。

2、覆盖增强技术

卫星通信中，大尺度传输时延会引起路径损耗，同时，上行链路带宽较大，终端发射功率受限，将影响无线信号的接收。在卫星侧安装发射功率更大、增益更高的大型星载相控阵天线，能够提供较高的阵列增益，补偿星地链路的路径损耗。与此同时，使用波束赋形技术，在卫星与地面用户之间形成定向波束，将信号能量集中在特定的区域，能够提高信号的接收强度和传输距离。在终端侧，终端仰角变化将对上行链路的信噪比造成一定影响，因此可以通过设置终端仰角门限的方式增强手机接入卫星链路状态。此外，还引入上行链路控制信道重复传输和上行链路共享信道解调参考信号（Demodulation Reference Signal，DMRS）绑定功能进行上行覆盖增强。为了应对卫星高速移动导致的定时漂移对DMRS相位连续性破坏的影响，NTN用户需要对定时漂移带来的相位旋转进行预补偿处理。

3、移动性管理技术

由于低轨卫星的高速移动，以及运行轨道和覆盖范围的限制，终端用户网络切换技术对于低轨卫星提供连续通信以及无缝的全球覆盖至关重要。在NTN—NTN场景下，引入基于用户位置的小区重选和条件切换机制，完成服务线路和馈线线路的切换；在NTN—地面切换场景下，通过引入新的系统消息块（System Information Block，SIB）广播当前地面网覆盖情况，避免不必要的地面蜂窝小区测量。此外，还可以从卫星仰角、运行轨道和速度、信号质量以及网络负载等多指标出发，预测设备即将进入或离开当前卫星的覆盖范围，进行多属性融合的零传输中断切换。

4、混合自动重传请求技术

手机直连卫星通信中的信道质量可能受到天气条件、卫星和终端位置等因素的影响。采用混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）技术可以根据实时的信道质量情况自适应地调整重传请求的次数和传输速率。然而，现有HARQ的数据反馈重传机制依赖于接收端反馈，将对基于手机直连卫星的业务带来至少一个往返时延，因此，针对类似语音需求的特殊业务，可以选择取消HARQ机制，并引入编码速率更低的调制编码方式，在降低业务时延的同时保障数据传输可靠性。

5、自适应调制与编码技术

为了适应不同的信道条件和网络环境，提高通信性能和用户体验，在手机直连卫星场景下采用自适应调制与编码（Adaptive Modulation and Coding，AMC）技术，其能够根据当前的信道状态选择最适合的数据调制方式和编码方案，最大化信道利用率。但星地链路间的大尺度时延使得其中的信道质量指示（Channel Quality Indication，CQI）参数滞后于信道状态的变化，因此，后续需在接收端引入链路状态预测技术。

挑战与潜在解决方案

星地协同全域覆盖模型

实现全球立体全域覆盖，满足全场景服务需求是5G+卫星通信的星地协同网络的重要愿景之一，并且随着用户业务场景不断增加，全球定位导航、无人区实时监测、深海通信和全域应急通信已经成了当前星地协同网络的重要应用场景，其空间跨度大、连接能力强和响应速度快等业务特点给当前通信覆盖模型带来了巨大挑战，构建全域、实时、高能效、按需覆盖的星地协同全域覆盖模型成为亟待解决的问题。为此，需首先进行多层混合星座拓扑构型设计，通过不同轨道高度、轨道倾角的单层卫星网络组合来实现全空间覆盖。相比于单一的单层网或多个独立的单层网络，多层融合卫星网络可获得更大的可用承载容量，满足业务需求。然后，通过递阶智能资源管控结构和方法设计，使合适的资源在合适的时间到达合适的位置。最后，通过多层网络波束干扰协调模型，来减少覆盖干扰分布和系统接入容量的相互影响，提升星地协同网络系统容量覆盖能力。

星地协同多维资源调度

随着用户对星际传输业务需求的持续增加，星地网络面临的挑战也随之增大。这包括复杂的网络结构、网络拓扑的周期性变化，以及用户数据量的快速增长，这些因素共同给5G结合卫星通信的星地协同网络在通信、计算及缓存服务的快速和可靠交付上带来了显著的挑战。因此，星地协同网络需要对多维异构网络资源进行统一和智能的管理。为此，可以在卫星节点和地面部署网络资源调度系统。在卫星上部署的调度系统采用了轻量化的网络处理技术，负责感知卫星节点和链路的状态。智能网络资源调度系统部署在地面，负责统一管理融合星地网络资源信息。此系统利用人工智能技术，依据用户需求、网络运营数据、网络结构以及星体轨迹等信息，收集全面的网络状态和资源配置方案作为数据样本。通过这些样本，系统会对资源管理决策模型进行迭代学习，以自动适应业务请求和资源状况的变化，从而取代旧有的管理策略。最终，该系统能够实现对星地网络中多维资源的即时、有效管理和智能调度。

星地协同多层卫星路由

随着卫星通信技术的迅速进步，结合5G技术的星地融合网络正在向空间维度快速扩张。这一扩张带来了更复杂的业务需求，以及流表项目和所需存储空间的持续增加，这可能导致流表项的查找和匹配变得低效，进而显著影响流量路由的效率。随着卫星网络朝着大规模、多层轨道面部署的方向发展，不同轨道面卫星之间形成的跨层轨间链路可提高网络的传输效率，同时能减少传输跳数以优化时延。但跨层轨间链路受轨道相对运动和空间环境影响，链路通断更为频繁，使得多层星地协同网络的路由选择变得更加困难。为此，需对星地协同多层网络卫星路由问题开展研究，在提升传输可靠性的同时减少端到端时延。具体而言，可以简化网络结构，利用虚拟位置思想对卫星网络分区形成网格，为降低分区内不同层的节点叠加，在网格内选择上层星座中心节点作为主动建链节点；而后从影响跨层链路通断的因素入手，对星间轨道和跨层链路变化及节点资源进行刻画，构建跨层节点运动模型及节点和链路资源模型，构建链路可靠效用函数，选择节点和链路资源效用值最大的节点与主动建链节点进行建链。同时，采用时空演化图模型刻画链路变化引起的网络拓扑动态变化，以支持端到端传输最佳跨层路由决策计算。

星地协同核心网轻量化策略

根据最新的3GPP标准规范，卫星网络已经涵盖了透传核心网与无线接入网之间的数据交互、部分或完整的无线接入网功能、用户面功能网元等关键组件以及核心网的其他功能组件。部署星载核心网的主要优势在于，它能够形成空间段网络管理能力，显著减少星地间的密集信令交互，提升天地融合网络服务水平，同时可突破地域限制，为全球化的通信布局提供坚实基础。然而，卫星本身的资源限制性和大范围、时变性强的卫星网络动态拓扑，使得传统核心网的集中式冗余部署策略在星载环境下并不适应。因此，迫切需要探索针对星载环境优化的分布式和轻量化的核心网设计策略，解决星地协同组网中星载核心网轻量化、按需部署的问题。为此，需对星载核心网接口协议轻量化，星载核心网可以和其他网络部分，如承载网、接入网间进行功能融合，可以简化和优化整体通信流程。将集中式单元与用户面协议（Centralized Unit-User Plane，CU-UP）与接入和移动性管理（Access and Mobility Management Function，AMF）相融合，可以减少冗杂的通信流程，还可以使网络结构更为紧凑，进而降低服务时延。此外，可以考虑在微服务级别进行网元融合重构，将平台类的微服务提取出来作为公共的服务组件提供给所有控制网元实例共有，以此节省星载资源消耗。

5G NTN技术挑战和潜在解决方案如表1所示。

6G卫星的思考与展望

整合卫星系统和地面5G移动通信系统，能够提供广泛、不间断且普遍可达的接入服务，其代表了未来移动通信技术发展的一个关键方向。5G+卫星通信的星地协同网络标准的制定旨在充分利用地面5G技术并增强融合系统的性能。卫星通信目前主要采用在卫星上透明转发的模式，主要用作地面5G网络的补充，提供对边远山地及荒漠海洋的覆盖，可通过自身的核心网与地面通信网络系统互联互通。但卫星通信网络与地面5G网络之间并未完全紧密融合，尚为体制融合阶段，需利用5G产业优势带动卫星通信产业进一步融合。3GPP不仅完成了无星上处理的透明模式标准，还在积极研究适用于核心网和基站上星的再生模式相关标准研究。目前，6G进入标准窗口期，有望实现卫星通信系统与6G系统级的有机融合，为星地融合的未来网络引入新的特性，提供新的服务，创建一个涵盖“空、天、地、海”的综合网络，建立一个面向未来的、全方位覆盖、多场景应用、普遍存在的移动通信基础设施。

结语

本文首先梳理了3GPP和CCSA针对5G NTN的标准化进展，其次介绍了5G NTN的两种组网架构，并重点讨论了手机直连卫星的关键技术，包括时频同步、覆盖增强、移动性管理、混合自动重传请求以及自适应调制与编码。随后，分别从仿真模型、空口、核心网三个方面出发，对5G NTN仍面临的挑战和潜在解决方案展开了深入分析，最后展望了未来6G NTN的发展方向。天地一体是6G的核心技术之一，也是未来6G的重要组成部分，我们将以3GPP标准为基础，推动形成6G NTN标准，促进卫星应用规模化发展。