摘要：非地面网络（NTN）是一种利用卫星和无人机无缝连接山区、海上和空中移动终端的通信网络系统，这些地区的地面通信基站无法提供服务，NTN为缺乏基础设施的地区提供互联网接入。本文概述了NTN技术及其相关问题。

非地面网络（NTN）技术概述

远望智库开源情报中心 编译

非地面网络（NTN）是一种利用卫星和无人机无缝连接山区、海上和空中移动终端的通信网络系统，这些地区的地面通信基站无法提供服务，NTN为缺乏基础设施的地区提供互联网接入。本文概述了NTN技术及其相关问题。

图1 非地面网络（NTN）

NTN技术概述

NTN是一种通过基于卫星和无人机的无线通信，为地面网络无法覆盖的地区提供通信环境的网络。目前已使用多种平台，包括地球静止轨道（GEO）、中地球轨道（MEO）、低地球轨道（LEO）、卫星以及飞机（表1）。其中飞机类别中包含高空平台站（HAPS）和无人机系统（UAS）。

表1 NTN平台

高度300至1500公里；

环绕地球的圆形轨道；

地面覆盖范围为100至1000公里；

低延迟；

每颗卫星的覆盖范围比其他类型卫星窄；

需要多颗卫星才能覆盖。

连接到山区和农村地区等。

国际空间站（ISS）、哈勃太空望远镜、电信等。

高度为100至1000公里；

环绕地球的圆形轨道；

7000至25000公里地面覆盖范围；

由于与LEO相比高度较高，因此延迟较高；

与LEO相比，需要更少的卫星来提供覆盖。

高度约36000公里；

环绕地球的圆形或椭圆形轨道；

地面覆盖范围为200至3500公里；

卫星的轨道周期与地球的自转周期一致；

对轨道倾角或轨道偏心率没有限制；

固定在天空中特定点附近；

GEO是GSO的一种。

资料来源：3GPP TR 38.821 V16.2.0（2023-03)

卫星的高度越高，每颗卫星可以覆盖的通信区域就越大。但是，传输延迟会随着卫星与地面之间的距离而变化。由于卫星与地面之间的距离超长，导致数据传输延迟高。并且发射和操作卫星的成本高昂。

另一方面，由于HAPS和无人机等飞机距离地面较近，因此延迟较小。此外，与必须通过火箭发射的卫星不同，HAPS和无人机在天空中部署相对简单，成本较低。但是，由于与卫星相比，其高度较低，覆盖范围有限。此外，虽然需要长时间飞行，但电池续航时间和太阳能电池板充电效率限制了飞行时间。

不同类型的HAPS(高空平台站)示意图

标准组织3GPP正在讨论NTN的技术规范。5G NTN的基本规范是在Release 17中建立的。3GPP定义的两个主要NTN通信标准是：

图2 NTN标准和用例

• NTN NB-IoT

NTN NB-IoT是一种扩展NB-IoT的标准，可使大量IoT设备与NTN实现网络连接。NTN NB-IoT基于LTE技术。除了简单的文本传输外，NTN NB-IoT还用于小容量通信，例如农业中的环境传感器和物流中的货物跟踪，这些通信需要较长的电池寿命，但不需要实时网络连接。

• NTN NR

NTN NR是一种用于地面网络未覆盖区域的高速通信标准。除了文本和语音传输外，NTN NR还可用于数据传输，例如图像和视频。3GPP正在继续研究NTN扩展和Release 17之后的新功能。

NTN的特定问题

本节介绍NTN相关技术问题。

· 传输延迟

NTN提供卫星之间以及卫星与地面之间的超长距离通信，距离可达36000公里。虽然地面网络中的传输延迟很小（小于几百μs），但例如GSO和GEO在数据传输期间的单向延迟约为120毫秒，往返延迟约为240毫秒。延迟取决于传输距离，在LEO中为6到30毫秒的往返，在HAPS中为不到1毫秒。3GPP已建立技术规范，用于延迟补偿，例如调整无线信号发射器的传输时间。

· 射频偏移

多普勒频移，即射频变化，发生在快速移动的卫星与基站或物联网设备之间的无线通信中。当卫星高速接近基站时，无线电频率会向高频侧偏移。另一方面，当卫星远离基站时，无线电频率会向低频侧偏移。多普勒频移可以通过卫星与基站之间的相对速度以及无线电频率计算出来。在卫星间相对速度较大的LEO情况下，多普勒频移更为明显。相反，由于GEO是一颗地球静止卫星，其相对速度可以视为几乎为零，因此其多普勒频移几乎为0Hz。可以通过调整基站或物联网设备和卫星的行进速度和位置来补偿多普勒频移。校正的技术规范在3GPP标准中有规定。

图3 多普勒频移

· 传播损耗和无线电强度波动

无线电波即使在通过畅通无阻的自由空间传播时也会衰减。这称为“自由空间路径损耗”。如图4所示，自由空间路径损耗随距离增加而增加。传播损耗还可能由地面上的其他天气条件造成，例如降雨、雾和云。由于卫星与地面之间的距离非常远，因此在考虑传播损耗时，NTN的运行以及发射功率和接收器灵敏度的管理是最重要的问题之一。

图4 自由空间传播损耗

无线电波的强度和相位也会根据电离层和对流层的大气粗糙度和密度而发生不规则波动，从而导致折射率发生变化。这种现象称为“闪烁”，闪烁会导致通信不稳定。此外，无线电波传播还受到“太空天气”的影响，例如太阳耀斑和太空中产生的太阳风。

应对上述问题的方法包括采用更灵敏的接收器以及使用低空卫星和HAPS进行中继。

· 传播特性

对空间中无线电波传播特性的建模称为“信道建模”，这些模型用于无线通信系统的设计。虽然地面网络的信道模型很多，但目前NTN的信道模型却很少。除了上述延迟、多普勒频移和传播损耗之外，还需要一个能够准确模拟衰减和多路径的NTN精确信道模型。一种众所周知的信道建模技术是信道探测，它可以评估和模拟真实环境中无线电波的传播特性。

图5 信道探测系统

· NTN与地面网络之间的联系

传统上，卫星运营商开发了各自的卫星通信服务。然而，随着最近卫星通信服务市场的扩大，卫星运营商和地面网络运营商一直在合作，因此3GPP正在考虑NTN和地面网络融合的技术规范。此外，地面网络运营商正在进行HAPS的演示。为了实现社会部署，有必要验证NTN的运行，例如卫星的精确定位、NTN特有的延迟和多普勒频移校正以及抑制NTN和地面系统之间部分共享的无线电频率的干扰。为了进行验证，需要一个可以模拟卫星和地面网络之间实际无线电波和通信环境的测试环境。

总结

NTN预计将与地面网络实现更加紧密地连接，其现有的二维网络结构将扩展到三维网络结构，即地面、大气和宇宙空间。由此，未来将提供灵活而强大的通信服务，不仅可补充无通信服务的地区和自然灾害时的应急响应，还可应用于自动驾驶、环境监测和位置感知等领域。这有望使NTN成为丰富我们日常生活的社会基础设施的重要补充。

来源：小田田是90后