NTN非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)分析

馮驥

【摘要】NTN非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)下一代移動通信系統(tǒng)中陸海空天一體化的通信需求的重要技術(shù)支撐，其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢使其有望成為下一代移動通信系統(tǒng)的架構(gòu)組件，本文首先從向6G通信的演進(jìn)分析了NTN技術(shù)出現(xiàn)的背景，進(jìn)而分析了NTN技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)要點(diǎn)，最后總結(jié)了現(xiàn)階段NTN技術(shù)在國內(nèi)外的產(chǎn)業(yè)布局，給出了該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】6G;非地面網(wǎng)絡(luò);NTN;產(chǎn)業(yè)

中圖分類號：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.011..016

1. 向6G通信的演進(jìn)

自移動通信技術(shù)出現(xiàn)和開始商業(yè)化應(yīng)用以來，一直在不斷進(jìn)化演進(jìn)，并被標(biāo)志以G（Genereation）的代際來區(qū)分，在目前的5G技術(shù)商用正火熱開展的同時，面向陸?？仗煲惑w化融合通信的6G的研究已經(jīng)開始，可以預(yù)測，在2030年左右，6G通信將迎來其部署和商用。6G通信的一大愿景是實(shí)現(xiàn)全球范圍的無縫覆蓋，而非地面網(wǎng)絡(luò)即NTN（Non-Terristrial Networks）技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)這一愿景的重要支撐，在3GPP的Release-17中，指明了在后5G（Beyond 5G）階段的研究領(lǐng)域和方向。

2. 非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展

世界上首個衛(wèi)星通信系統(tǒng)是在1965年由國際衛(wèi)星通信組織發(fā)射運(yùn)營的晨鳥號衛(wèi)星通信系統(tǒng)，之后發(fā)展建立的比較成熟的系統(tǒng)例如國際海事移動衛(wèi)星組織的IMMASAT衛(wèi)星系統(tǒng)、摩托羅拉的銥星Iridium手機(jī)電話系統(tǒng)等。隨著進(jìn)入21世紀(jì)以來，移動互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展，寬帶通信網(wǎng)絡(luò)成為各種通信系統(tǒng)的共同目標(biāo)，同時，通信技術(shù)和衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展也為在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高速率、大吞吐量傳輸提供了可能。3GPP組織也及時關(guān)注到了通信系統(tǒng)的這一發(fā)展趨勢，并在3G標(biāo)準(zhǔn)和4G標(biāo)準(zhǔn)中都設(shè)定了相應(yīng)的衛(wèi)星通信標(biāo)準(zhǔn)，特別是在2010年之后，以低軌道衛(wèi)星LEO為架構(gòu)的高速率、大吞吐量的衛(wèi)星通信系統(tǒng)被提出和開始部署。

3. NTN技術(shù)的提出

為適應(yīng)現(xiàn)階段這種基于衛(wèi)星的寬帶移動通信技術(shù)發(fā)展，需要建立一個統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。3GPP組織延續(xù)了前階段在通信標(biāo)準(zhǔn)中對衛(wèi)星通信的關(guān)注，在5G通信的標(biāo)準(zhǔn)中提出了建立相應(yīng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的倡議。在新的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下，一般把這種以衛(wèi)星通信為主的通信網(wǎng)絡(luò)稱為非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terristrial Networks，NTN）。并且3GPP也為NTN技術(shù)制定了標(biāo)準(zhǔn)化路線圖，如圖1所示。

4. NTN技術(shù)概述

4.1 NTN總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3GPP組織在其標(biāo)準(zhǔn)TR 38.821中較為詳細(xì)的描述了NTN技術(shù)的架構(gòu)，NTN網(wǎng)絡(luò)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示

可以看出，一個NTN網(wǎng)絡(luò)至少應(yīng)包括以下網(wǎng)絡(luò)部件：一臺具有衛(wèi)星信號收發(fā)功能的移動終端，一個與該移動終端通過服務(wù)鏈路通信的衛(wèi)星或無人飛行器平臺，一個與衛(wèi)星通過饋線鏈路通信，并將非地面網(wǎng)絡(luò)連接到公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)。

4.2 NTN關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 定時機(jī)制

NTN網(wǎng)絡(luò)中由于終端是與衛(wèi)星通信，因此傳播時延會大得多，為對抗這種傳播時延，終端會使用較大的定時提前（TA，Timing Advance），然而使用較大TA有會帶來上行和下行幀的較大定時偏移，因此需要引入設(shè)定的偏移值來改變相關(guān)的定時關(guān)系，而這種設(shè)定的偏移值一般是由網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)實(shí)際情況指示的。

4.2.2 頻率偏移補(bǔ)償機(jī)制

多普勒頻移現(xiàn)象廣泛存在于各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，尤其是在LEO衛(wèi)星中更為突出，為了對多普勒頻移進(jìn)行補(bǔ)償，現(xiàn)有技術(shù)中主要采用閉環(huán)和開環(huán)兩種方式來實(shí)現(xiàn)。閉環(huán)方式指的是終端不需要了解星座表、定位等信息，而完全由基站來指示頻率偏移;開環(huán)方式指的是終端知曉星座表、定位等信息，從而可以自身進(jìn)行頻移補(bǔ)償?shù)挠?jì)算。

4.2.3 多連接技術(shù)

多連接技術(shù)在4G、5G的通信標(biāo)準(zhǔn)中就有所闡述，其應(yīng)用場景是一個為用戶提供服務(wù)的基站由于種種原因不能為用戶提供良好的服務(wù)，則用戶能檢測并同時連接到另一個提供更好服務(wù)的基站。在NTN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景下，由于其面向的就是信號覆蓋不足區(qū)域的用戶，因此可能會更多的出現(xiàn)需要進(jìn)行多連接的情形，用戶可以在一個傳統(tǒng)地面基站和另一個NTN基站之間實(shí)現(xiàn)雙連接，也可以在一個NTN基站和另一個NTN基站（例如LEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星）之間實(shí)現(xiàn)雙連接，而對于地面接入，可以對上行鏈路或下行鏈路或兩者進(jìn)行連接性組合，一個可以預(yù)見的場景是，由具有相對低延遲的基于LEO的NTN提供支持延遲敏感業(yè)務(wù)，而由基于GEO的NTN提供額外的帶寬以滿足目標(biāo)吞吐量要求。

4.2.4 移動性管理

GEO衛(wèi)星由于其相對地面位置靜止，因此其每個波束的覆蓋范圍是固定的，只需要采用與傳統(tǒng)的移動性管理相同的方式進(jìn)行管理，但需要考慮能容忍較大的傳輸時延;對于LEO衛(wèi)星，由于其相對地面的位置一直在改變，因此其波束的覆蓋范圍也始終在改變，因此需要針對NTN的特殊的移動性管理方式，進(jìn)行諸如測量有效性、UE速度、移動方向、動態(tài)小區(qū)集合等方式的改進(jìn)。

4.2.5 尋呼

基于GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星的差異，在NTN技術(shù)中的尋呼流程也相應(yīng)的有所不同，對于GEO衛(wèi)星可以基本沿用傳統(tǒng)的陸地尋呼策略，而對于LEO衛(wèi)星，則需要一定程度上改變現(xiàn)有的尋呼策略，主要是對于尋呼中涉及的跟蹤區(qū)域TA，由于其一直在移動，因此需要在網(wǎng)絡(luò)側(cè)廣播與TA的運(yùn)動情況相關(guān)的參數(shù)，以防止TA跳變從而影響尋呼的連續(xù)性，而這又需要在保證系統(tǒng)負(fù)荷滿足要求的情況下，對終端位置上報(bào)的參數(shù)和信令進(jìn)行改進(jìn)。針對不同的需求和應(yīng)用場景，3GPP組織提出了基于固定NTN小區(qū)和基于移動NTN小區(qū)的尋呼方式。

5. NTN技術(shù)的產(chǎn)業(yè)布局

現(xiàn)階段，國內(nèi)外的多家科技企業(yè)已經(jīng)開始部署自己的星座系統(tǒng)，這其中比較有代表性的是美國的SpaceX公司的星鏈計(jì)劃Starlink、歐洲的O3b星座系統(tǒng)、OneWeb星座系統(tǒng)、我國的“天通一號”、“鴻雁星座”和“虹云工程”。

5.1 星鏈計(jì)劃

星鏈計(jì)劃是SpaceX公司于2015年開始的衛(wèi)星通信計(jì)劃，基于低軌道衛(wèi)星LEO實(shí)現(xiàn)，聲稱將于2024年前發(fā)射1.2萬顆通信衛(wèi)星，完成初期建設(shè)，并最終發(fā)射4.2萬顆衛(wèi)星，部署完成后可以完全取代現(xiàn)有的光纖骨干網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全球無線互聯(lián)。星鏈計(jì)劃的第一次發(fā)射始于2018年，并在接下來的幾年內(nèi)迅速部署了大量通信衛(wèi)星，目前星鏈計(jì)劃的衛(wèi)星系統(tǒng)在軌衛(wèi)星共計(jì)1700余顆。據(jù)稱在今年，星鏈計(jì)劃會在北美首先開通通信測試。

5.2 O3b星座系統(tǒng)

O3b星座系統(tǒng)是全球第一個成功開始商業(yè)化運(yùn)營的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，基于中軌道衛(wèi)星MEO實(shí)現(xiàn)。早在2013年，O3b就進(jìn)行了第一批衛(wèi)星的發(fā)射部署，并在接下來的幾年內(nèi)陸續(xù)發(fā)射了十余顆衛(wèi)星，并完成了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)部署，主要面向當(dāng)?shù)仉娦胚\(yùn)營商、大洋上的石油天然氣平臺、傳統(tǒng)海事市場和一些軍方客戶提供服務(wù)。

5.3 OneWeb星座系統(tǒng)

OneWeb公司成立于2012年，自2019年開始OneWeb開始發(fā)射衛(wèi)星部署，于2020年完成了幾次衛(wèi)星發(fā)射，目前在軌衛(wèi)星數(shù)量已擴(kuò)大到二百余顆，短期計(jì)劃是發(fā)射六百顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，在今年實(shí)現(xiàn)英國、北歐等地的服務(wù)測試，長期計(jì)劃是發(fā)射六千余顆衛(wèi)星，完成整個星座系統(tǒng)的建設(shè)。

5.4 “天通一號”、“鴻雁星座”和“虹云工程”

我國的衛(wèi)星技術(shù)在世界上處于先進(jìn)行列，在軌衛(wèi)星數(shù)量位居全球第二，近年來，我國也逐漸加強(qiáng)了對自身衛(wèi)星通信技術(shù)的關(guān)注和建設(shè)，并在發(fā)展規(guī)劃中提出，在2025年建成民用空間基礎(chǔ)設(shè)施體系?！疤焱ㄒ惶枴笔俏覈谝粋€自主研發(fā)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用高軌道衛(wèi)星GEO系統(tǒng)，第一顆天通一號01星于2016年發(fā)射，至今已完成三次發(fā)射，提供包括災(zāi)難救援、遠(yuǎn)洋通信、兩極科考、國際維和等領(lǐng)域的通信服務(wù)。“鴻雁星座”和“虹云工程”均由低軌道衛(wèi)星LEO實(shí)現(xiàn)。其中“虹云”系統(tǒng)2018年發(fā)射了首顆衛(wèi)星，計(jì)劃最終發(fā)射156顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部署，并建成中國首個天基互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。“鴻雁星座”的首星也于2018年發(fā)射，計(jì)劃在2021年前后完成一期建設(shè)，發(fā)射六十余顆衛(wèi)星，在2024年前后完成二期建設(shè)，部署三百余顆衛(wèi)星，完成全球范圍的無線覆蓋。并據(jù)國際電聯(lián)ITU官網(wǎng)顯示，我國也已經(jīng)在其平臺上申報(bào)了兩個衛(wèi)星星座系統(tǒng)的軌道和頻率等參數(shù)，可以預(yù)見在不久的未來，我國也將擁有屬于自己的全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

6. 結(jié)束語

NTN非地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是隨著全球無縫覆蓋的需求而產(chǎn)生的技術(shù)，隨著軌道衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，NTN通信技術(shù)也進(jìn)入了一個發(fā)展的新階段，國際化的標(biāo)準(zhǔn)化組織例如3GPP已開始研究該項(xiàng)技術(shù)的參數(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)架構(gòu)，國內(nèi)外的眾多企業(yè)也已開始嘗試部署各自的NTN通信系統(tǒng)，雖然大部分系統(tǒng)還處于部署和測試的初期，但是可以預(yù)見NTN系統(tǒng)由于其特有的優(yōu)勢，能夠在未來的通信市場上占有一席之地。

參考文獻(xiàn)：

[1]融合5G的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，翟華，《空間電子技術(shù)》

[2]3GPP TR 38.821 Solutions for NR to support non-terrestrial networks（NTN）