5G網絡演進的過程中，萬物互聯這個概念大家已經很熟悉了，而未來6G的前景預期中還提出了萬物智聯的場景。覆蓋一直是移動網絡需要解決的最重要的需求之一，而目前全球大部分地區已經享受了較為完善的地面網絡覆蓋。但是在沙漠、森林、海洋等地區，或是飛機、高鐵等高速移動的交通工具上，移動網絡覆蓋由于成本或物理條件限制，很難采用傳統的地面基站方式覆蓋。而5G網絡中的NTN——非地面網絡技術，正是為了解決這一類場景而生。

NTN是什么？

NTN全稱是Non-terrestrial Network，意為非地面網絡，顧名思義是相對于傳統的地面網絡而言，采用典型的如衛星和高空平臺（HAP：satellites and High-Altitude Platforms）參與布網的技術。以衛星通信為例，同步軌道衛星（GEO）理論上只需要3顆即可覆蓋除兩極地區外的全球范圍，其優勢不言而喻。目前也有眾多衛星通信系統已經商用，如銥星（Iridium）、海事衛星（Inmarsat）、瑟拉亞（Thuraya）、星鏈Starlink等等。

衛星通信的技術框架與協議設計一直以來對地面蜂窩移動技術有諸多參考，例如早期的MSAT系統采用地面模擬蜂窩網技術；Thuraya系統在設計過程中采用了類似GSM/GPRS體制的GMR標準；低軌衛星星座銥星和GlobalStar的空中接口則是以GSM和IS-95作為藍本；Imarsat-4衛星系統采用的IAI-2標準以及ETSI發布的S-UMTS標準均基于WCDMA框架設計；而美國光平方公司的SkyTerra系統已經支持WiMAX和LTE服務。

隨著5G的演進發展，在5G標準內支持衛星通信，推動星地融合已經勢在必行。實際上3GPP從R14就開始了星地融合的研究工作，之后立項“NR support non-terrestrial network”，即面向非地面網絡的5G新空口。

NTN解決什么場景？

目前可以預見的適用NTN典型場景包括無法建設基站和基站損壞的情況，比如偏遠山區、沙漠、海洋、森林中的連續覆蓋，或是發生災害，基站損壞時的應急通信。業界將NTN典型場景概括為：全地形覆蓋、信令分流、應急通信、物聯網和廣播業務。

星地融合架構

NTN與TN融合有多種靈活的方式，比如5GC共享式、NTN接入共享式、漫游與服務連續性式以及NTN回傳式等，如下圖所示。

5GC共享結構，是指TN和NTN各自擁有獨立的接入網，但共享5G核心網。NTN接入共享結構，是指擁有不同5G核心網的運營商可以共享NTN無線接入網。漫游與服務連續性部署結構，是指同一多模終端，從TN網絡漫游到NTN網絡，或者從NTN網絡漫游到TN網絡，可以通過5G核心網之間的N26接口，支持漫游終端的服務連續性。NTN回傳結構，是指NTN網絡充當地面無線接入網到地面核心網的無線回傳網絡。而對于NTN接入網本身，也有透明轉發式，即衛星作為轉發中繼，以及信號再生式，也即衛星直接作為基站，兩種模式。目前3GPP Rel17主要關注透明轉發結構。

5G NTN目前面臨的問題

不管是衛星通信還是基于飛行器的高空平臺通信，其基本特點是平臺距離終端距離顯著大于地面基站，且平臺本身移動速度往往很大。典型的近地軌道衛星（LEO）軌道高度在400-2000km，而地球同步軌道（GEO）軌道高度達到36000km。而較大的傳輸距離和較高的移動速度也帶來一系列問題。

01 NTN傳輸距離

a） 隨機接入過程PRACH序列設計

在NR標準中，終端通過檢測同步序列塊（SSB， Synchronization Signal Block）完成初始下行時頻同步，然后通過四步隨機接入過程完成網絡接入，其中隨機接入前導序列（PRACH preamble）設計是重點。傳統PRACH序列由一個ZC序列的多次重復構成，利用ZC序列自相關特性進行時頻偏估計。在NTN場景下，傳播時延和頻偏遠超出NR中PRACH序列可估計的范圍，需要對序列重新設計。

b） 隨機接入過程確認等待

當前標準采用的四步隨機接入過程，終端發出Msg1和Msg3發出后，會等待一段時間接收基站的回復信息。如果等待的時間超過設定閾值，則重新發起隨機接入過程。在NTN場景中，信號的傳輸時延大于地面網絡，需要設定更大的等待時間閾值，否則終端會誤以為信息丟失而頻繁發起隨機接入。

c） 上行定時提前量獲取

上行定時提前可使終端根據與基站的距離遠近提前不同的時間發送上行信號，最終各終端發射的信號能夠近似同步到達基站，是保持上行鏈路時間同步的重要機制。定時提前量的獲取，是在隨機接入過程中，基站通過接收Msg1測得終端上行提前時間， NTN場景中需要對幀格式優化，具體可參考a）中的方案。

d） 上行調度授權偏置

在原有的調度機制中，用戶設備接收到基站調度信息中的上行授權后，會在授權信息指示的K2個時隙后傳輸上行數據。NTN網絡中由于傳輸延遲顯著增大，隨之而來的用戶設備上行定時提前量顯著增大，繼而可用于調度的K2取值范圍會受較大影響，因此引入偏置值K_offset以解決該問題，如下圖所示。

e） HARQ機制

HARQ機制可以使發送端同時發送多組數據而不必等待接收端返回確認信息，允許發送端對出錯的數據進行重發，由接收端進行合并檢測。在NTN中，為了避免發送端由于傳播時延大而長時間等待，需要增加HARQ進程數，同時需要增加存儲空間。此外，也可關閉HARQ功能，發送端發新數據不再受到進程數限制，避免了數據緩存，但魯棒性會受到影響。為了保證一定的性能，可采用較低碼率進行傳輸等手段。HARQ可以根據應用場景通過信令靈活配置。在傳播時延相對較小的場景，例如LEO，可以配置為打開，在GEO場景則可關閉。

02 NTN高速移動

a） 上行時間同步

NTN場景中，衛星高速移動產生的多普勒頻移高達數十甚至數百kHz，遠超系統子載波間隔，帶來嚴重的上行頻率失步。可采用頻率預補償方案，每個終端的頻偏可分為公共頻偏部分和頻偏差值部分，在波束的覆蓋區內選擇一個參考點，測算衛星和參考點之間的頻偏，此頻偏即為公共頻偏。終端與衛星間的實際頻偏與公共頻偏的差值即為頻偏差值部分。上行發送時，終端可以按照實際頻偏預補償，或者終端只按照頻偏差值預補償，公共頻偏由衛星側統一補償，以此達到上行頻率同步。

b） 上行頻率同步

上行定時提前量獲取雖然已經有改進，但終端和衛星之間相對位置的變化導致上行定時發生偏移。衛星可利用其他上行信號計算定時偏移變化，并將變化值發送給終端對上行定時提前量進行調整，或者給終端發送一個定時提前量的變化率，由終端自主計算調整量。

c） 移動性管理

針對跟蹤區域的設置和更新機制，考慮將跟蹤區域和地理位置綁定以避免衛星移動導致跟蹤區域頻繁更新。終端利用自身的位置信息，并根據跟蹤區域和地理位置之間的關聯關系，來判斷是否發起跟蹤區域更新流程。在執行測量和小區選擇重選中，終端也可以利用星歷信息判斷衛星的實時位置，并引入終端位置作為NTN特有的觸發測量上報的條件并在測量報告中上報終端的位置信息以輔助網絡側做出判斷。

d） 饋線鏈路切換

NTN網絡中，衛星高速運動必然導致衛星在不同NTN GW之間切換饋線鏈路。饋線鏈路的切換方式與多個因素相關，比如網絡中衛星的工作模式是彎管轉發式還是信號再生式、當前關聯網關與待切換網關是否與同一個地面基站關聯、切換過程中衛星是否具備同時與兩個網關鏈接能力等。

NTN的前景

在5G時代以及后續的6G時代，地面網絡對于大規模密集部署以及能耗方面的劣勢，恰好可以由非地面網絡彌補，而非地面網絡由3GPP標準化帶來的龐大市場也將推動其進一步發展，衛星通信在覆蓋、可靠性及靈活性方面的優勢能夠彌補地面移動通信的不足，星地融合能夠為用戶提供更為可靠的一致性服務體驗，降低運營商網絡部署成本，連通空、天、地、海多維空間，形成一體化的泛在網絡格局。

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