通信隨著全球對無處不在的連接需求日益增長，衛星通信成為實現這目標的關鍵技術。5G衛星通信能結合衛星通信和傳統地面通信，利用規模經濟效應提升了衛星通信的經濟效益，這不僅推動了空天地一體化信息基礎設施的建設，還提高了整體系統的覆蓋能力、可靠性和應用創新潛力，為未來智慧社會發展提供了重要支撐。這也是5G網絡演進的重要方向之一。
據全球行動通信系統協會等機構統計通信，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并非完全荒蕪，農業、石油勘探和一些公用事業等應用大多分布在這些地區。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系統的規模經濟效應，使用通用設備將衛星通信帶入主流市場，因此備受關注。
一、5G非地面網絡優勢明顯、大勢所趨
傳統衛星電話雖然可以實現連續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。衛星通信行業用戶相對較少，難以分攤系統和終端成本。此外，傳統衛星電話與5G網絡不兼容，限制了其在現代通信領域的應用。
衛星通信與5G地面網絡的融合是未來發展趨勢。3GPP第17版標準提出將非地面網絡納入5G系統。通過地面5G網絡與衛星通信的結合，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、農業和金融等。通過這些應用，5G NTN將為各行各業的發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. 衛星回傳 (低軌衛星/中軌衛星/地球同步衛星，LEO/MEO/GEO)：通過衛星鏈路提供遠距離5G基站到核心網的連接，適合偏遠地區部署5G網絡，有效實現網絡廣覆蓋。
2. 透明載荷 (又稱“透明轉發”)：將衛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，衛星則只負責將手機和信關站之間的信號進行流暢轉發，不對信號進行任何處理。優點是可利用現有衛星設備，技術實現相對容易，成本較低；缺點是衛星和基站之間路徑較長，傳輸時延較大，不支持衛星間協作，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基站部署在衛星上，使衛星間的星間鏈路類似于地面基站間的接口，衛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。優點是手機與衛星基站間時延較短，且由于存在星間鏈路，可減少信關站的部署；缺點是必須對衛星進行改造并重新發射，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
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，例如：
1. 高傳輸時延：對于透明轉發衛星，地球同步軌道衛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. 超大小區半徑：地面蜂窩網絡的小區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。衛星小區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，需要加強同步機制，以避免用戶之間的干擾。
4. 移動性管理：非地球同步軌道衛星相對于用戶而言具有高速運動性，導致頻繁的小區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或波束切換，以減少信令交互的開銷。
四、應科院與業界緊密合作、系統研發5G NTN技術
應科院正在積極研發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透明載荷架構的5G NTN基站原型，以衛星為中繼。該原型旨在改進協議流程，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射器和接收器，以適應衛星通信傳播特性，包括滿足3GPP關于衛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）短期內針對衛星回傳，增加網絡覆蓋：通過5G和WiFi接入對偏遠地區提供局域網，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，以降低長傳播延遲的影響，并優化移動性管理策略，確保用戶能夠享受到高質量的網絡體驗。
c）支持衛星和機載 5G 基站（透明和再生）接入和衛星回傳：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星系統之間的通信。可配置終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送提前補償。同時，根據終端位置/速度和衛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）接收場景的優化以及前導碼映射法，增強RACH響應的監測適應能力，覆蓋增強的觸發條件和機制。
c）增強信道狀態信息（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工作。通過改進協議流程、增強同步機制和優化移動性管理策略，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合作，推動基于5G NTN標準的定制化基站和終端的開發。通過持續的研究和創新，相信5G NTN將會迎來更加廣闊的應用前景。 
