5G通信中的NTN关键技术研究

贾明学 张晨晨 肖培纪

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2312-5042-8639

作者简介：

贾明学（1990—），男，本科，工程师， 研究方向为5G/5G-Advanced 移动通信协议研发及技术应用。

张晨晨（1990—），女，本科，研究方向为5G通信技术在人工智能上的发展和应用。

肖培纪（1987—），男，本科，研究方向为4/5G无线通信产品应用开发。

摘 要：随着信息化技术的飞速发展，我国通信技术取得了重大的突破，近年来，5G通信技术已广泛应用于通信、交通、航空等各类生产生活场景中。在5G网络通信系统中，5G NTN（non-terrestrial network）技术，又称为5G非地面网络技术，主要应用于面向卫星通信与低空通信等使用场景的关键技术，5G NTN技术的出现标志着我国5G通信技术正式进入空间通信领域，使5G全领域覆盖成为可能实现的目标。首先介绍了目前5G通信中NTN 技术应用的典型场景，其次分析了对5G NTN网络的组成与架构以及发展现状，再次对现阶段5G NTN的关键技术展开了深入研究，最后提出了5G通信中NTN关键技术的未来展望，为后续5G非地面网络技术的演化与研究提供有价值的参考。

关键词：5G通信 NTN关键技术 卫星通信 星地联合

中图分类号：TN929.5

互联网技术经过几十年的不断发展，逐渐成为人们日常生活中必不可少的一部分，并且随着大数据信息化时代的来临，网络通信技术水平不断提高，5G通信技术的出现，给人们的生产生活带来了极大的便利，具有通信能力多样化、极低的通信延时等特点，在实际使用中，基本实现了应用场景全覆盖的80%，在一些基站建设较差、人口稀缺的恶劣地区，5G的普及是一项艰巨的任务。但是，随着第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）中非地面网络（NTN）的提出[1]，使5G领域覆盖成为了可能。NTN是指通过利用比如搭载天线单元或基站单元等类似的空中或太空载体作为通信网络系统的组成部分，从而实现全领域通行的网络，而5G NTN就是指基于5G网络的非地面网络，能够实现与卫星系统的有效融合，是目前我国通信领域发展的主要方向。根据以上背景，本文基于3GPP的背景，对5G通信中NTN的关键技术展开深入的研究。

1  5G通信中NTN技术典型应用场景

非地面网络是5G通信系统的重要组成与补充，具有为生产生活应用场景热点区域进行宽带补充，为人员稀少的边缘地区提供信息、通信网络的覆盖，以及为重点生产区域信息数据的备份提供网络支持的作用。基于5G网络的NTN主要包括两个部分的内容，一是注重于支持复杂程度较低的增强机器类通信与 NB-IoT 终端卫星物联业务的基于NTN的物联网终端接入；二是通过5G智能终端的应用，使智能手机能够与卫星系统进行连接，并利用其提供的低速率实现数据服务与语音服务功能的基于NTN的5G智能终端（5G-New Radio，简称5G-NR）接入[2]。根据3GPP的定义，5G NTN技术应用的典型场景如下。

1.1 多重连接

多重连接是指用户的通信设备能够同时与地面链路以及卫星链路等多重通信线路进行连接，是5G通信中NTN技术应用的重要场景之一。在此场景中，地面链路复责传输时间敏感的低时延流量，而卫星链路则负责传输任务不重要的流量。

1.2 固定平台网络连接

为了帮助如海洋、岛屿、偏远山区以及基础设施建设不完善的农村地区等地面网络通信基站与无线互联网覆盖不全的网络服务欠佳地区，实现生活生产应用场景的5G智能网络服务，5G NTN通过利用卫星系统向通信基站或者独立的小型基站提供固定的信息回传[3]，从而使该地区用户能够使用增强移动宽带与大规模机器通信等5G业务。

1.3 移动平台连接

5G NTN的应用使得人们的网络通信连接线路有了更多的选择，在日常生活应用场景中可以使用地面链路连接地面网络，而在无法使用地面蜂窝网络数据的偏远地区可以选择连接卫星链路。非地面网络的卫星系统可以为汽车、火车、高铁、飞机等移动平台提供与地面或空中任何设施设备接入5G网络的能力，从而为平台用户提供高效的通信数据网络。

1.4 低密度地区补充服务

5G NTN的应用常见于偏远山区、农村地区等网络通信服务质量不佳的地区，用于帮助该地区用户提供多重可选择的网络连接链路，保证网络服务的稳定。对于公交、飞机等移动平台，提供接入互联网的能力，对于通信网络较弱的偏远地区以及自然条件较差的地区，提供无线接入网设备。5G NTN的应用，扩大了通信网络覆盖的范围，为社会发展提供了无限的可能性。

2  5G NTN网络系统的组成与架构

2.1 透明架构

5G NTN网络系统的透明架构模式，也称为通信网络的透明转发模式或者弯管模式[4]，就是指将卫星系统作为信号中继站，无线网络信号经过中继站时，通过卫星与信关站对智能终端与5G无线接入网传输进来的数据包进行透明转发，对数据不做任何处理。5G NTN的透明架构模式分为有中继模式与无中继模式两种情形，有中继透明架构模式是指通过无线接口将终端、中继点与5G基站以此按照顺序进行连接，然后卫星系统对中继点与5G基站之间传输的数据进行透明转发。无中继透明架构模式是指无线接口与5G基站之间通过终端进行连接，然后卫星对数据进行透明转发。具体架构部署如图1所示。

2.2 星上处理架构

星上处理架构模式是指通过将5G通信网络系统搭载至空间卫星上，从而实现将无线网络接入终端。与透明架构模式一样，星上处理架构模式分为有中继模式与无中继模式，其中有中继模式是指利用标准的无线接口将终端、中继点以及卫星5G基站按照先后顺序进行连接，中继点与终端之间的数据传输由卫星提供底层传输通道。而无中继模式则由无线接口将终端与5G基站连接，并将5G基站搭载至卫星上，从而使卫星为终端与5G基站之间的数据传输提供底层传输通道。具体架构部署如图2所示。

3 5G通信中的NTN关键技术

3.1  5G 通信中NTN技术的发展历程

非地面网络（NTN）定义正式提出是在2022年6月第三代合作伙伴计划（3GPP）中，自R14项目成立起就一直致力于建立基于NTN的统一技术标准，促进与5G通信的融合，探索星地联合的可能性[5]。在此次计划中，对形成了第一版融合技术规范的3GPP Rel-17 NTN项目进行了冻结，并在8月启动了形成第二版融合技术规范的3GPP Rel-18 NTN项目，5G NTN标准研究进展如图3所示，下面将以3GPP Rel-18 NTN为例对5G通信中NTN关键技术进行研究。

3.2 3GPP Rel-18 NTN关键技术

3.2.1 覆盖增强

在5G NTN技术项目中3GPP Rel-18 NTN项目的研究重点在于考虑5G智能终端接入（New Radio，NR）覆盖性增强设计方案能否在非地面网络系统中有效使用，并且能够在进行非地面网络系统覆盖性增强时，识别出潜在网络安全问题，并提出有针对性的设计方案。对于NTN覆盖增强工作的开展，可考虑以下技术的应用：（1）OTSR（Over-The-Air Service Provisioning，空中服务配置）技术，采用全向发射，比定向天线覆盖更远，容量与全向小区容量比较接近，因此比较适用于初期网络建设容量较低的乡镇、偏远农村地区；（2）塔放覆盖增强技术，塔放即塔顶低噪音放大器，用于放大通信基站的射频信号，从而提高通信系统上行的信息接收灵敏度，增强上行覆盖；（3）4天线收分集覆盖增强技术，其本质是利用两种或两种以上的方式对同一信号进行接收，而分集具有分散传输与集中处理两重含义，有利于增强上行覆盖以及扩大上行容量；（4）通过提高低速率编码解码的性能，在网络连接链路预算有限的背景下，最大限度地减少VoNR在数据接入网的协议花费[6]。

3.2.2 支持10GHz以上的频谱

不同频率的通信信号对卫星通信的需求不同，对于高频率的信号段来说，对卫星通信有着巨大的需求，所以，3GPP Rel-18 NTN项目需要对确定的NTN示例频带以及与其相邻的网络信号频道进行研究，分析两者之间共存的5G NTN应用场景和规则。根据ITU分配，可考虑使用卫星Ka频段作为NTN示例频段，或者结合终端应用类型场景以及相关法律法规，开发定义一个可以通用且符合3GPP最低性能要求的示例频带，并且对于10GHz以上NTN频带的定义来说，其定义不能改变FR1/FR2的定义，同时也不会自动兼容适应未来定义在该频谱上的频带。确定示例频段后，还需要基于FR1与FR2集合，对其卫星接入点的Rx/Tx要求和VSAT UE的等级进行确认，从而确定示例频段物理层参数的值，比如下面这组参数：（1）频带时间关系的增强，例如；（2）不同上行链路、下行链路通道间的子波间隔；（3）10GHz以上示例频段的PRACH配置索引。

3.2.3 UE位置的网络验证

就现阶段而言，3GPP Rel-18 NTN项目使用用户设备（User Equipment， UE）位置的网络验证方法的研究主要基于3GPP Rel-17 NTN项目的研究成果。在3GPP Rel-17 NTN项目研究中，3GPP对UE位置信息的验证与使用提出了明确的要求：在卫星网络系统覆盖存在跨国或者跨地区的情况下，卫星基站应当根据使用用户设备的位置提供相对应地区的通信网络，并且能够跟随用户的移动进行网络的自动切换。同时，基站将ULI（user location in-formation）向核心网上报时，其中包含的CGI（cell global ID）的粒度大小应与5G智能终端地面网络中小区大小的粒度基本一致[7]。因此，为了满足上述使用要求，3GPP Rel-17 NTN项目研究开发了空口的使用用户设备位置上报机制，通过利用UE自身的全球导航卫星系统信息（Global Navigation Satellite System，GNSS）与卫星系统的星历信息对设备与卫星之间的距离进行计算，并判断这个距离能够满足网络的切换条件，若满足就直接进行切换，但是此种位置上报机制对于位置有效性的网络验证方法的准确性与可靠性不高。所以，对于UE位置的网络验证方法，3GPP Rel-18 NTN项目正在做进一步的研究。

3.2.4 移动性与业务连续性增强

基于3GPP Rel-17 NTN项目的移动性设计方案，3GPP Rel-18 NTN项目以优化和增强NTN系统内的移动性管理标准与方式为主要考虑因素，对TN-NTN之间的移动性方案进行了设计与完善，从而降低因NTN 低地球轨道（Low Earth Orbit，LEO）系统中空闲态的小区断开重选或者连接态基于使用用户设备位置与时间的条件切换，造成业务中断带来的影响。移动性与业务性连续性增强的优化机制可以从以下几个角度进行考虑：（1）基于3GPP Rel-17 NTN的UE位置上报方法进行信号状态切换的决策与实施，如利用GNSS获取用户的精确位置来执行卫星网络信号状态的切换；（2）基于 DAPS（dual active protocol stack cellsystem）的切换的决策与实施，通过利用UE双协议将设备与目标小区进行连接，从而缩短网络状态切换的时延；（3）基于双链接的切换的决策与实施，双链接的应用，比如、等，有利于提升设备网络数据的吞吐量，从而实现网络信号状态频繁切换的高效性。

4  5G通信中NTN关键技术的未来展望

目前，5G技术已广泛应用于海、陆、空等领域的网络通信中，与卫星系统的结合弥补了地面链路的局限性，随着科学技术的发展，未来6G三维连接技术可能会将空天海地三位一体通信系统的建设成为现实。6G三维连接技术是由地面网络（TN）与非地面网络（NTN）融合组成的一种组网技术，不仅能够有效解决地面网络信号覆盖范围有限以及非地面网络应用场景有限的问题，还可以促进现阶段5G通信网络与6G通信网络基础设施设备的建设[8]。对NTN系统的卫星通信而言，基于5G网络通信技术，将地面网络与其进行更加全面、深入的融合是通信技术发展的必然趋势，而未来6G技术的开发应用，可以真正实现空天海地三维一体化通信。

5  结语

综上所述，NTN技术提出为5G通信技术应用领域的扩展提供了机会，为空天海地一体化通信系统的建设提供了可能性。5G通信网络通过NTN技术与卫星系统进行连接，解决了地面网络覆盖不全的问题，在多重连接、固定平台与移动平台了解以及为低密度地区补充服务等场景中具有重要作用，并且随着科学水平的提升，5G网络逐渐向6G网络演进，为未来通信网络技术的发展提供了动力。

参考文献

[1] 缪德山，柴丽，孙建成，等.5G NTN关键技术研究与演进展望[J].电信科学，2022，38（3）：10-21.

[2] 田开波，方敏，杨振，等.从5G向6G演进的三维连接[J].移动通信，2020，44（6）：96-103.

[3] 侯利明，韩波，缪德山，等.基于5G及演进的星地融合空口传输技术[J].信息通信技术与政策，2021，47（9）：21-29.

[4] 汪春霆，翟立君，徐晓帆. 天地一体化信息网络发展与展望[J]. 无线电通信技术，2020，46（5）：491-504.

[5] 林琳，朱斌，王泽林，等.5G星地融合标准演进与趋势[J].移动通信，2023，47（7）：92-97.

[6] 孙建成，孙嘉颍，缪德山，等.5G NTN网络架构标准化演进的思考[J].电信科学，2023，39（9）：76-86.

[7] 陈福莉，姜自森，蔡罗成，等.5G非地面网络安全研究[J].通信技术，2023，56（1）：69-74.

[8] 徐霞艳.基于5G的非地面网络关键技术与标准化进展[J].移动通信，2020，44（9）：44-48.