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我國正加快建設高速泛在、天地一體、云網融合、智能敏捷、綠色低碳、安全可控的智能化綜合性數字信息基礎設施。
天地一體是5G-A（5G-Advanced）及6G的核心技術之一，目標是支持終端融合一體、連接全球“無縫”的信息服務能力，最終實現(xiàn)衛(wèi)星和地面網絡在技術、標準、產業(yè)和應用的全方位融合，構建“空天地?！币惑w化通信系統(tǒng)，面向偏遠地區(qū)、荒漠、海洋、天空等全域立體空間實現(xiàn)“泛在連接”，提供大眾手機、行業(yè)終端直連衛(wèi)星以及各類應急救援保障等“泛在”場景服務。
長期以來，衛(wèi)星和地面移動通信作為兩個產業(yè)鏈獨立發(fā)展。近年來，隨著泛在寬帶通信需求和天地一體通信技術的演進，衛(wèi)星與地面移動通信產業(yè)生態(tài)系統(tǒng)逐步走向融合。3GPP NTN（非地面網絡）是通過對5G空口協(xié)議進行增強以適應衛(wèi)星場景的技術，是地面蜂窩產業(yè)向衛(wèi)星產業(yè)的主動融合，是天地一體化演進的重要方向。
3GPP NTN標準化進程
3GPP標準組織在Release 14標準的研究立項報告中，明確提出要將衛(wèi)星通信融合到地面通信網絡中。在Release 15階段，3GPP開始對NTN進行立項研究，形成包含衛(wèi)星接入網協(xié)議、架構評估、信道模型、應用場景以及對當前NR協(xié)議影響等內容的技術研究報告。在Release 16階段，3GPP進一步在隨機接入、上下行時頻同步、調度、移動性、接口及架構等方面對NTN進行了深入的分析研究。
在Release 17階段，3GPP于2022年6月形成第一版透明轉發(fā)模式下的融合技術規(guī)范，針對衛(wèi)星通信場景傳播距離遠、移動速度快、覆蓋范圍廣等特性進行了空口適應性增強協(xié)議設計，基本具備端到端通信能力。
3GPP NTN技術詳解
由于衛(wèi)星通信場景具有傳播距離遠、移動速度快、覆蓋范圍廣等特點，現(xiàn)有地面移動通信協(xié)議和設備無法直接應用到衛(wèi)星通信場景。3GPP NTN Release 17開展地面蜂窩協(xié)議用于衛(wèi)星通信場景的優(yōu)化設計，對時頻同步、時序增強、調度增強、連接態(tài)及空閑態(tài)移動性管理等進行了協(xié)議優(yōu)化，完成了衛(wèi)星透明轉發(fā)模式下的通信協(xié)議設計，目前低頻段（如L、S頻段）已基本具備手持終端直連衛(wèi)星的可行性。
網絡架構
3GPP NTN根據衛(wèi)星星上載荷能力提出透明轉發(fā)和星上再生兩種典型模式。透明轉發(fā)模式是指衛(wèi)星在通信服務中不會對信號、波形等進行處理，僅作為射頻放大器對數據進行轉發(fā)；星上再生模式是指衛(wèi)星除了射頻放大外，還具有調制/解調、編碼/解碼、交換、路由等處理能力?；谠偕Ｊ降男l(wèi)星，又可進一步細分為基站部分功能（DU）上星和基站全部功能（CU+DU）上星兩種，在這種模式下，衛(wèi)星之間可通過星間鏈路（Inter-satellitelink，ISL）進行星間信息交互。
1.?透明轉發(fā)架構
在透明轉發(fā)架構下，基站位于地面，衛(wèi)星在UE（用戶體驗）與基站間起到彎管透明轉發(fā)的功能，且不影響5G傳輸協(xié)議及體制。如圖1所示，UE基于5G NR無線接口經由衛(wèi)星、地面網關接入5G網絡，與地面核心網間的數據交互和地面移動通信系統(tǒng)一致。透明轉發(fā)架構由于星上無處理能力，因此可基于存量衛(wèi)星進行網絡部署；基站位于地面，實現(xiàn)難度較低，因此技術相對成熟。
圖1? NTN透明轉發(fā)網絡架構
2.?星上再生架構
在星上再生架構下，基站部分或全部功能上星（如圖2、圖3所示），基站F1接口或基站與核心網NG接口位于衛(wèi)星到網關間的無線空口上。星上再生架構可通過星間鏈路實現(xiàn)星間協(xié)作，從而降低實際部署所需的地面網關數量，但這種模式需要增加星上處理能力，對衛(wèi)星載荷設計要求較高。
圖2? NTN星上再生網絡架構——基站部分功能上星
圖3 ?NTN星上再生網絡架構——基站全部功能上星
接入關鍵技術
1.頻域同步
衛(wèi)星高速運動帶來的大頻偏遠超傳統(tǒng)終端的頻偏糾正能力，現(xiàn)有終端頻偏補償方案難以適配衛(wèi)星通信場景，因此終端很難獲得頻域同步。
針對此問題，饋電鏈路的上下行多普勒頻偏可以由網絡側基于衛(wèi)星星歷信息自行補償且對UE透明；服務鏈路下行頻偏校正主要依賴終端自行搜頻，而對于服務鏈路的上行頻偏，由于3GPP NTN Release 17在新增SIB19廣播消息中可以下發(fā)衛(wèi)星星歷信息，具備GNSS能力的UE可以計算出二者的相對速度及位置關系，從而估計出服務鏈路的多普勒頻偏并進行上行頻偏預補償，保證上行頻域同步。
2.時域同步
衛(wèi)星的高速移動使得UE和基站間的傳播距離處于快速變化的狀態(tài)，現(xiàn)有時域同步方案無法適應衛(wèi)星大時延、快變化的場景需求。
針對此問題，3GPP NTN Release 17在原有地面蜂窩通信協(xié)議中基站下發(fā)TA調整指示給UE的基礎上，引入以衛(wèi)星為分界點，將UE到參考點的全鏈路TA分為兩段并分別進行補償。該方案：UE到衛(wèi)星的服務鏈路TA（UE-specific TA）由UE基于自身GNSS信息以及衛(wèi)星星歷信息計算，衛(wèi)星到參考點的饋電鏈路TA（Common TA）由網絡側在新增SIB19廣播消息中下發(fā)Common TA相關參數給UE計算，此時全鏈路完整TA為服務鏈路TA與饋電鏈路TA之和，由UE統(tǒng)一補償并上報（如圖4所示）。
圖4 ?TA分段補償示意圖
3GPP NTN Release 17規(guī)定，參考點位于衛(wèi)星與地面基站之間的饋電鏈路上，具體位置選取基于基站實現(xiàn)。對于參考點至基站的時偏，基站自行處理。
3.時序關系增強
衛(wèi)星鏈路的傳播時延大小取決于衛(wèi)星軌道高度以及載荷類型，通常為幾十到幾百毫秒，但超大的傳播時延會超出原有時序規(guī)則的限定范圍，造成嚴重的上下行沖突。針對此問題，3GPP NTN Release 17在新增SIB19廣播消息中下發(fā)小區(qū)級偏移量（Cell-specificK_offset），用于調整初始接入過程中的上下行交互定時關系，解決大尺度傳播時延帶來的數據傳輸時序問題。通常情況下，小區(qū)級偏移量為滿足小區(qū)內所有用戶初始接入所需時序偏移量的最大值，為滿足終端性能要求，3GPP NTN Release 17也支持RRC連接態(tài)下通過專用RRC信令或MACCE進行UE專用偏移量（UE-specificK_offset）配置更新。
4.HARQ增強
衛(wèi)星通信鏈路數據傳播時延遠遠大于傳統(tǒng)地面蜂窩移動通信，使得現(xiàn)有HARQ進程數不足，而沿用現(xiàn)有HARQ反饋機制也會加劇大時延問題，影響系統(tǒng)整體性能。針對此問題，3GPP NTN Release17引入了HARQ反饋激活/去激活機制，并將HARQ進程數擴展至32個，有效緩解大尺度時延對數據傳輸的影響。
移動性關鍵技術
衛(wèi)星網絡遠近效應不明顯，存在測量失效的風險，同時考慮到衛(wèi)星快速移動給切換帶來的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有基于信號強度測量結果（例如RSRP與RSRQ）的切換方式難以滿足需求。針對此問題，3GPP NTN Release 17引入了基于時間/計時器的條件切換和基于位置信息的條件切換兩種切換方式。
1.基于時間/計時器的條件切換方式
3GPP NTN Release 17支持在新增SIB19廣播消息中廣播當前衛(wèi)星停止服務時間，UE基于衛(wèi)星星歷信息計算并判斷當前服務衛(wèi)星剩余服務時間是否滿足基于時間/計時器的切換判決條件，若滿足則執(zhí)行條件切換。
2.基于位置信息的條件切換方式
UE基于自身GNSS信息和衛(wèi)星星歷信息計算并判斷自己與衛(wèi)星的距離或者自身與小區(qū)參考位置間的距離是否滿足基于位置信息的切換判決條件，若滿足則執(zhí)行條件切換。目前3GPP NTN Release 17支持以小區(qū)中心作為小區(qū)參考位置。
在現(xiàn)階段NTN Release 18的研究中，在Release17基礎上圍繞覆蓋增強、10GHz以上高頻段、網絡驗證UE位置以及星地移動性等方面進行針對性增強，預計2023年底完成相關標準制定。后續(xù)Release19、Release20也將持續(xù)增強星上再生模式、無GNSS能力UE接入、多軌協(xié)同等方面的能力，衛(wèi)星通信潛力巨大。
3GPP NTN助力“手機直連衛(wèi)星”
天地一體化目標是支持終端融合一體、連接全球“無縫”的信息服務能力，實現(xiàn)連接泛在、場景泛在的立體式全場景融合新服務。作為天地一體化的主要應用，“手機直連衛(wèi)星”是當前產業(yè)的重點研究方向。
“手機直連衛(wèi)星”技術分為三類，即傳統(tǒng)衛(wèi)星技術、支持存量手機的網絡改造技術和3GPP NTN技術。
傳統(tǒng)衛(wèi)星技術（如華為Mate60Pro、華為Mate50、iPhone14）使用存量衛(wèi)星技術與資源，通過終端側5G、衛(wèi)星雙模芯片集成方式，使手機支持衛(wèi)星通信，具備技術成熟與可快速商用等優(yōu)點。但傳統(tǒng)衛(wèi)星協(xié)議私有、產業(yè)封閉、在軌升級難度大等問題限制了“手機直連衛(wèi)星”業(yè)務的演進性與可持續(xù)性發(fā)展。
支持存量手機的網絡改造技術（如星鏈與T-mobile、AST）的終端使用4G/5G地面通信協(xié)議，對基站進行非標準化定制、增強，可以使存量4G/5G終端直連衛(wèi)星，但對衛(wèi)星及天線能力要求高，技術難度大，目前國內技術尚不成熟。
3GPP NTN技術的技術路線明確、發(fā)展?jié)摿Υ?，可支持?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1556679.html">窄帶、高中低軌等各類豐富業(yè)務場景，應用范圍廣泛，星地產業(yè)鏈可完全復用，相較于其他兩種手機直連技術，優(yōu)勢比較明顯。
面向基于3GPP NTN技術的“手機直連衛(wèi)星”，全球產業(yè)界高度關注并積極開展技術布局。泰雷茲、高通、愛立信啟動5G太空項目，利用低軌衛(wèi)星開展5GNTN試驗；西班牙公司Sateliot成功完成基于NTN Release 17標準的IoT NTN測試，并獲得歐洲航天局認可；中興等網絡設備廠商以及MTK、高通、展銳、vivo、OPPO等終端和芯片廠商也相繼完成NTN樣品研制，助力產業(yè)生態(tài)發(fā)展。
在手機直連高軌衛(wèi)星領域，中國移動于2022月8月完成全球首個運營商5GNTN技術外場驗證，支持雙向語音對講和文字消息傳輸，全面驗證手機直連高軌衛(wèi)星的落地能力，有力提振了產業(yè)信心（見圖5）。隨后，中國電信也完成全球首次S頻段5GNTN技術外場上星實測驗證。
圖5 中國移動完成全球首個運營商5G NTN技術外場驗證
由于“手機直連衛(wèi)星”的業(yè)務速率、時延等性能指標與軌道高度密切相關，因此低軌衛(wèi)星相對高軌衛(wèi)星在系統(tǒng)容量、用戶速率、業(yè)務時延等方面具有較大優(yōu)勢，是未來“手機直連衛(wèi)星”的發(fā)展方向。在手機直連低軌衛(wèi)星領域，中國移動于2023年9月完成國內首次運營商NRNTN低軌衛(wèi)星寬帶業(yè)務實驗室驗證，全面驗證手機直連低軌寬帶衛(wèi)星的通信能力，對促進NTN技術的全面演進以及產業(yè)鏈的發(fā)展具有重要意義（見圖6）。
圖6 中國移動完成國內首次運營商NR NTN低軌衛(wèi)星寬帶業(yè)務實驗室驗證
天地一體化未來技術挑戰(zhàn)及攻關方向
3GPP NTN技術奠定了星地融合的起點和基礎，但真正實現(xiàn)天地一體還面臨諸多挑戰(zhàn)。中國移動以架構、空口、頻率、多軌四大融合關鍵技術為基礎構建天地一體化技術體系，協(xié)同產業(yè)持續(xù)開展技術攻關，推動衛(wèi)星和地面全方位融合，加速天地一體產業(yè)發(fā)展進程。
在架構融合方面，攻關動態(tài)協(xié)同和分布式處理技術，打造高效、“無縫”的一體化網絡架構。針對星地網絡異構且差異大、衛(wèi)星網絡拓撲高速動態(tài)變化、單星能力受限等挑戰(zhàn)，需開展一體化網絡架構設計，實現(xiàn)星地覆蓋、資源、調度等高效協(xié)同，最大化網絡效率并降低網絡成本，同時保障用戶無感知的星地切換能力和業(yè)務連續(xù)性體驗。
在空口融合方面，攻關衛(wèi)星載荷受限難題，統(tǒng)一設計既兼顧星地差異又最小化衛(wèi)星實現(xiàn)復雜度的空口技術。為使圖6中國移動完成國內首次運營商NRNTN低軌衛(wèi)星寬帶業(yè)務實驗室驗證衛(wèi)星通信能夠最大化共享地面蜂窩網絡大規(guī)模產業(yè)基礎，天地一體應使衛(wèi)星空口與地面蜂窩網絡共用技術體系和框架，兼顧衛(wèi)星和地面?zhèn)鬏數牟町愋裕纬山y(tǒng)一空口協(xié)議。針對星地信道環(huán)境差異大、網絡拓撲高速動態(tài)變化、衛(wèi)星平臺能力受限、手機一體化設計等空口設計難題，需在天線、波形、雙工模式、多址方式、星地傳輸、移動性管理、快速接入及資源管理等物理層和高層技術上持續(xù)攻關。
在頻率融合方面，攻關干擾難題，提升天地一體頻譜使用效率。現(xiàn)階段低頻段資源緊張、衛(wèi)星頻譜資源利用率相對不高，星地頻率融合有利于提升衛(wèi)星和地面網絡的聯(lián)合頻譜利用率，增強衛(wèi)星容量，更好地支持“手機直連衛(wèi)星”應用。頻率融合技術的關鍵是解決星地頻率干擾問題，涉及頻譜感知、干擾規(guī)避和抑制、頻譜資源分配等多項技術，亟待產業(yè)界共同攻克技術難題。
在多軌融合方面，攻關分層協(xié)作難題，實現(xiàn)多軌一體，提升全局性能和建設效率。著眼未來，考慮打破傳統(tǒng)低、中、高軌衛(wèi)星網絡獨立發(fā)展的模式，推動實現(xiàn)多軌異構混合星座組網，有效利用高、中軌星座網絡拓撲簡單穩(wěn)定、覆蓋能力強等優(yōu)勢，降低組網、星間鏈路建立的復雜度以及測控難題，進一步提升天地一體網絡的全局系統(tǒng)性能，降低網絡建設成本。
結語
基于3GPP NTN技術的“手機直連衛(wèi)星”是衛(wèi)星和地面蜂窩移動通信融合的契機，可以促進衛(wèi)星和地面蜂窩移動通信產業(yè)在協(xié)議標準、軟件硬件、用戶規(guī)模、產業(yè)生態(tài)等方面充分實現(xiàn)共享融合，構建一個全新的生態(tài)系統(tǒng)。應充分利用我國5G地面移動通信網絡在網絡建設、核心技術和產業(yè)能力方面的全球領先優(yōu)勢，構筑“以天補地、以地強天”的5G天地一體產業(yè)技術能力圖譜，走出我國快速建設低軌衛(wèi)星互聯(lián)網的新路徑。
天地一體是一個非常復雜的系統(tǒng)工程，成功的關鍵在于跨領域、跨環(huán)節(jié)、各方深度協(xié)同和開放創(chuàng)新，中國移動愿與產業(yè)合作伙伴攜手共筑天地一體數字信息基礎設施，共創(chuàng)“網絡無所不達、算力無所不在、智力無所不及”的美好未來。
*本文刊載于《通信世界》總第931期 2023年11月10日 第21期
原文標題:《基于3GPP NTN的天地一體技術與產業(yè)發(fā)展研究》
作者：中國移動研究院 鄧偉
責編/版式：王禹蓉
審核：舒文瓊
監(jiān)制：劉啟誠
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