通信隨著全球對無處不在的連接需求日益增長，衛(wèi)星通信成為實現這目標的關鍵技術。5G衛(wèi)星通信能結合衛(wèi)星通信和傳統(tǒng)地面通信，利用規(guī)模經濟效應提升了衛(wèi)星通信的經濟效益，這不僅推動了空天地一體化信息基礎設施的建設，還提高了整體系統(tǒng)的覆蓋能力、可靠性和應用創(chuàng)新潛力，為未來智慧社會發(fā)展提供了重要支撐。這也是5G網絡演進的重要方向之一。
據全球行動通信系統(tǒng)協(xié)會等機構統(tǒng)計通信，2020年無線通信技術覆蓋全球八成以上的人口，但僅覆蓋不到四成的陸地面積。海洋中的各類船只都有上網需求，而人跡罕至的陸地地區(qū)并非完全荒蕪，農業(yè)、石油勘探和一些公用事業(yè)等應用大多分布在這些地區(qū)。此外，洪水、地震、海嘯等自然災害經常會導致停電、斷網、斷路，給救援工作帶來困難。
5G非地面網絡 (Non-Terrestrial Network, 簡稱 NTN) 可以提供一種能夠覆蓋全球、不受地面環(huán)境限制的通信網絡解決方案。同時，它還能利用現有全球移動網絡生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模經濟效應，使用通用設備將衛(wèi)星通信帶入主流市場，因此備受關注。
一、5G非地面網絡優(yōu)勢明顯、大勢所趨
傳統(tǒng)衛(wèi)星電話雖然可以實現連續(xù)通話和中低速數據傳輸，但由于定制化和高昂的價格，市場普及率不高。衛(wèi)星通信行業(yè)用戶相對較少，難以分攤系統(tǒng)和終端成本。此外，傳統(tǒng)衛(wèi)星電話與5G網絡不兼容，限制了其在現代通信領域的應用。
衛(wèi)星通信與5G地面網絡的融合是未來發(fā)展趨勢。3GPP第17版標準提出將非地面網絡納入5G系統(tǒng)。通過地面5G網絡與衛(wèi)星通信的結合，可以提供全球范圍內無處不在的連接和覆蓋，成為地面網絡的重要補充。
衛(wèi)星軌道按高度可分為低軌、中軌、地球靜止軌道和高軌：
低軌衛(wèi)星：距地面高度低于2,000公里傳輸時延較低（一般少于10毫秒）。
中軌衛(wèi)星：距地面高度在2,000公里至35,786公里之間，傳輸時延一般少于50毫秒。
地球靜止軌道衛(wèi)星：距地面高度為35,786公里，鏈路損耗較大，信號傳播時延一般超過250毫秒。
高軌衛(wèi)星：距地面高度大于35,786公里應用范圍較窄，技術應用相對較少。
5G NTN的應用領域非常廣泛，包括汽車和公路運輸、海上和航空運輸、公共安全、媒體和娛樂、電子健康、能源、農業(yè)和金融等。通過這些應用，5G NTN將為各行各業(yè)的發(fā)展和進步提供有力支持。
二、5G NTN實現架構
5G NTN的實現包含三種網絡架構（見下圖）：
1. 衛(wèi)星回傳 (低軌衛(wèi)星/中軌衛(wèi)星/地球同步衛(wèi)星，LEO/MEO/GEO)：通過衛(wèi)星鏈路提供遠距離5G基站到核心網的連接，適合偏遠地區(qū)部署5G網絡，有效實現網絡廣覆蓋。
2. 透明載荷 (又稱“透明轉發(fā)”)：將衛(wèi)星僅當作信號中繼鏈路。5G基站作為地面網絡的一部分，部署在信關站的后方，衛(wèi)星則只負責將手機和信關站之間的信號進行流暢轉發(fā)，不對信號進行任何處理。優(yōu)點是可利用現有衛(wèi)星設備，技術實現相對容易，成本較低；缺點是衛(wèi)星和基站之間路徑較長，傳輸時延較大，不支持衛(wèi)星間協(xié)作，且需要部署大量信關站。
3. 可再生載荷(又稱為 “基站上星”) ：將5G基站部署在衛(wèi)星上，使衛(wèi)星間的星間鏈路類似于地面基站間的接口，衛(wèi)星和信關站間的饋電鏈路成為基站與核心網之間回傳網絡的一部分。優(yōu)點是手機與衛(wèi)星基站間時延較短，且由于存在星間鏈路，可減少信關站的部署；缺點是必須對衛(wèi)星進行改造并重新發(fā)射，涉及復雜技術和高昂成本。
5G NTN架構場景
三、從地面網絡向非地面網絡演進的挑戰(zhàn)
隨著地面網絡向非地面網絡的演進，出現了一些新的問題和技術挑戰(zhàn)，例如：
1. 高傳輸時延：對于透明轉發(fā)衛(wèi)星，地球同步軌道衛(wèi)星的往返傳輸時延可達500毫秒以上，嚴重影響基站和手機間的實時交互，因此需要對相關協(xié)議流程進行改進或重新設計，以提高時效性。
2. 多普勒頻移：非地球同步軌道衛(wèi)星相對地球高速運動，導致嚴重的多普勒頻移現象。地面5G系統(tǒng)通常處理的頻偏非常小，即使在高速列車等特殊場景下，也只需要考慮數千赫茲的頻偏補償。
3. 超大小區(qū)半徑：地面蜂窩網絡的小區(qū)半徑通常在幾百米到幾千米之間，超遠覆蓋也就到100多公里，而非地面網絡小區(qū)的覆蓋范圍要大得多，LEO波束可達1,000公里，GEO波束可達3,500公里。衛(wèi)星小區(qū)中心和邊緣之間存在明顯的時延差異，而5G作為同步通信系統(tǒng)，需要加強同步機制，以避免用戶之間的干擾。
4. 移動性管理：非地球同步軌道衛(wèi)星相對于用戶而言具有高速運動性，導致頻繁的小區(qū)切換和重選等移動性問題。為了解決這個問題，一方面需要避免不必要的切換或重選，另一方面可以進行預先的小區(qū)或波束切換，以減少信令交互的開銷。
四、應科院與業(yè)界緊密合作、系統(tǒng)研發(fā)5G NTN技術
應科院正在積極研發(fā)5G NTN的基站、核心網、和終端三個方面的工作。
1.5G NTN 基站物理層參考設計
應科院目前正在開發(fā)透明載荷架構的5G NTN基站原型，以衛(wèi)星為中繼。該原型旨在改進協(xié)議流程，緩解高傳輸時延的影響。同時，應科院還致力于增強同步機制，減小由于超大小區(qū)半徑引起的時延差異。具體改進內容如下：
a）支持所有頻率范圍的頻分雙工（FDD），以滿足衛(wèi)星通信頻率要求。最大帶寬為400 MHz，在120 kHz子載波間隔（SCS）下實現最短的處理時間。
b）支持具有擴展循環(huán)前綴（ECP）的正交頻分復用（OFDM）信號，以減輕地理上相距較遠的衛(wèi)星通信設備之間上行鏈路時序差異引起的干擾。
c）支持增強數據信道的發(fā)射器和接收器，以適應衛(wèi)星通信傳播特性，包括滿足3GPP關于衛(wèi)星通信所有頻段性能要求的接收機信道估計和補償算法，并支持最多32個混合自動重傳請求（HARQ）進程，即在等待確認/否認確認（ACK/NACK）時可以發(fā)送32組數據。
d）支持多種硬件平臺，實現供應鏈多元化，應科院的5G基站設計了兩種主要的硬件平臺，一種是主流芯片平臺，另一種是采用在內地設計和生產的芯片組，包括ARM CPU和FPGA的硬件平臺。
2.5G NTN 核心網和邊緣計算
在核心網方面，應科院致力分段支持三種5G NTN網絡架構：
a）短期內針對衛(wèi)星回傳，增加網絡覆蓋：通過5G和WiFi接入對偏遠地區(qū)提供局域網，利用數據加速和邊緣計算，提供基本可用的通信網絡。
b）增強已有核心網功能，為中長期做準備：針對透明載荷和可再生載荷，重點解決NTN無線接入的挑戰(zhàn)，以降低長傳播延遲的影響，并優(yōu)化移動性管理策略，確保用戶能夠享受到高質量的網絡體驗。
c）支持衛(wèi)星和機載 5G 基站（透明和再生）接入和衛(wèi)星回傳：滿足各種延遲、移動性接入和服務質量要求，邊緣計算與衛(wèi)星接入，實現高覆蓋，高效、低成本，可擴展的內容數據網絡交付。
3.5G NTN 可配置終端
應科院還研發(fā)了5G NTN可配置的終端參考設計，以支持與不同技術條件的衛(wèi)星系統(tǒng)之間的通信�？膳渲媒K端參考設計的具體內容包括：
a）具備上行時間和頻率預補償功能：上行鏈路利用終端位置和衛(wèi)星星歷信息和其他網絡參數自行估計連接延遲，從而及時進行上行發(fā)送提前補償。同時，根據終端位置/速度和衛(wèi)星星歷信息自行估計多普勒頻移，進行上行頻率補償。
b）增強型隨機接入過程從而應對大傳播延遲：包括隨機接入信道（RACH）接收場景的優(yōu)化以及前導碼映射法，增強RACH響應的監(jiān)測適應能力，覆蓋增強的觸發(fā)條件和機制。
c）增強信道狀態(tài)信息（CSI）反饋選擇：包括增強的CSI的信道估計，基于預測的CSI反饋，以及可配置的信道質量指標（CQI）反饋的可設置的區(qū)塊錯誤率（BLER）目標。
應科院5G NTN 技術一覽
總之，應科院在5G NTN的基站、核心網和終端方面進行了全面的研發(fā)工作。通過改進協(xié)議流程、增強同步機制和優(yōu)化移動性管理策略，應科院致力于提供高質量的網絡連接和用戶體驗。同時，應科院還致力于與行業(yè)合作，推動基于5G NTN標準的定制化基站和終端的開發(fā)。通過持續(xù)的研究和創(chuàng)新，相信5G NTN將會迎來更加廣闊的應用前景。 
