香港应用科技研究院：5G非地面网络–连接地空天的"万物互联"新引擎
通信随着全球对无处不在的连接需求日益增长，卫星通信成为实现这目标的关键技术。5G卫星通信能结合卫星通信和传统地面通信，利用规模经济效应提升了卫星通信的经济效益，这不仅推动了空天地一体化信息基础设施的建设，还提高了整体系统的覆盖能力、可靠性和应用创新潜力，为未来智慧社会发展提供了重要支撑。这也是5G网络演进的重要方向之一。
据全球行动通信系统协会等机构统计通信，2020年无线通信技术覆盖全球八成以上的人口，但仅覆盖不到四成的陆地面积。海洋中的各类船只都有上网需求，而人迹罕至的陆地地区并非完全荒芜，农业、石油勘探和一些公用事业等应用大多分布在这些地区。此外，洪水、地震、海啸等自然灾害经常会导致停电、断网、断路，给救援工作带来困难。
5G非地面网络 (Non-Terrestrial Network, 简称 NTN) 可以提供一种能够覆盖全球、不受地面环境限制的通信网络解决方案。同时，它还能利用现有全球移动网络生态系统的规模经济效应，使用通用设备将卫星通信带入主流市场，因此备受关注。
一、5G非地面网络优势明显、大势所趋
传统卫星电话虽然可以实现连续通话和中低速数据传输，但由于定制化和高昂的价格，市场普及率不高。卫星通信行业用户相对较少，难以分摊系统和终端成本。此外，传统卫星电话与5G网络不兼容，限制了其在现代通信领域的应用。
卫星通信与5G地面网络的融合是未来发展趋势。3GPP第17版标准提出将非地面网络纳入5G系统。通过地面5G网络与卫星通信的结合，可以提供全球范围内无处不在的连接和覆盖，成为地面网络的重要补充。
卫星轨道按高度可分为低轨、中轨、地球静止轨道和高轨：
低轨卫星：距地面高度低于2,000公里传输时延较低（一般少于10毫秒）。
中轨卫星：距地面高度在2,000公里至35,786公里之间，传输时延一般少于50毫秒。
地球静止轨道卫星：距地面高度为35,786公里，链路损耗较大，信号传播时延一般超过250毫秒。
高轨卫星：距地面高度大于35,786公里应用范围较窄，技术应用相对较少。
5G NTN的应用领域非常广泛，包括汽车和公路运输、海上和航空运输、公共安全、媒体和娱乐、电子健康、能源、农业和金融等。通过这些应用，5G NTN将为各行各业的发展和进步提供有力支持。
二、5G NTN实现架构
5G NTN的实现包含三种网络架构（见下图）：
1. 卫星回传 (低轨卫星/中轨卫星/地球同步卫星，LEO/MEO/GEO)：通过卫星链路提供远距离5G基站到核心网的连接，适合偏远地区部署5G网络，有效实现网络广覆盖。
2. 透明载荷 (又称“透明转发”)：将卫星仅当作信号中继链路。5G基站作为地面网络的一部分，部署在信关站的后方，卫星则只负责将手机和信关站之间的信号进行流畅转发，不对信号进行任何处理。优点是可利用现有卫星设备，技术实现相对容易，成本较低；缺点是卫星和基站之间路径较长，传输时延较大，不支持卫星间协作，且需要部署大量信关站。
3. 可再生载荷(又称为 “基站上星”) ：将5G基站部署在卫星上，使卫星间的星间链路类似于地面基站间的接口，卫星和信关站间的馈电链路成为基站与核心网之间回传网络的一部分。优点是手机与卫星基站间时延较短，且由于存在星间链路，可减少信关站的部署；缺点是必须对卫星进行改造并重新发射，涉及复杂技术和高昂成本。
5G NTN架构场景
三、从地面网络向非地面网络演进的挑战
随着地面网络向非地面网络的演进，出现了一些新的问题和技术挑战，例如：
1. 高传输时延：对于透明转发卫星，地球同步轨道卫星的往返传输时延可达500毫秒以上，严重影响基站和手机间的实时交互，因此需要对相关协议流程进行改进或重新设计，以提高时效性。
2. 多普勒频移：非地球同步轨道卫星相对地球高速运动，导致严重的多普勒频移现象。地面5G系统通常处理的频偏非常小，即使在高速列车等特殊场景下，也只需要考虑数千赫兹的频偏补偿。
3. 超大小区半径：地面蜂窝网络的小区半径通常在几百米到几千米之间，超远覆盖也就到100多公里，而非地面网络小区的覆盖范围要大得多，LEO波束可达1,000公里，GEO波束可达3,500公里。卫星小区中心和边缘之间存在明显的时延差异，而5G作为同步通信系统，需要加强同步机制，以避免用户之间的干扰。
4. 移动性管理：非地球同步轨道卫星相对于用户而言具有高速运动性，导致频繁的小区切换和重选等移动性问题。为了解决这个问题，一方面需要避免不必要的切换或重选，另一方面可以进行预先的小区或波束切换，以减少信令交互的开销。
四、应科院与业界紧密合作、系统研发5G NTN技术
应科院正在积极研发5G NTN的基站、核心网、和终端三个方面的工作。
1.5G NTN 基站物理层参考设计
应科院目前正在开发透明载荷架构的5G NTN基站原型，以卫星为中继。该原型旨在改进协议流程，缓解高传输时延的影响。同时，应科院还致力于增强同步机制，减小由于超大小区半径引起的时延差异。具体改进内容如下：
a）支持所有频率范围的频分双工（FDD），以满足卫星通信频率要求。最大带宽为400 MHz，在120 kHz子载波间隔（SCS）下实现最短的处理时间。
b）支持具有扩展循环前缀（ECP）的正交频分复用（OFDM）信号，以减轻地理上相距较远的卫星通信设备之间上行链路时序差异引起的干扰。
c）支持增强数据信道的发射器和接收器，以适应卫星通信传播特性，包括满足3GPP关于卫星通信所有频段性能要求的接收机信道估计和补偿算法，并支持最多32个混合自动重传请求（HARQ）进程，即在等待确认/否认确认（ACK/NACK）时可以发送32组数据。
d）支持多种硬件平台，实现供应链多元化，应科院的5G基站设计了两种主要的硬件平台，一种是主流芯片平台，另一种是采用在内地设计和生产的芯片组，包括ARM CPU和FPGA的硬件平台。
2.5G NTN 核心网和边缘计算
在核心网方面，应科院致力分段支持三种5G NTN网络架构：
a）短期内针对卫星回传，增加网络覆盖：通过5G和WiFi接入对偏远地区提供局域网，利用数据加速和边缘计算，提供基本可用的通信网络。
b）增强已有核心网功能，为中长期做准备：针对透明载荷和可再生载荷，重点解决NTN无线接入的挑战，以降低长传播延迟的影响，并优化移动性管理策略，确保用户能够享受到高质量的网络体验。
c）支持卫星和机载 5G 基站（透明和再生）接入和卫星回传：满足各种延迟、移动性接入和服务质量要求，边缘计算与卫星接入，实现高覆盖，高效、低成本，可扩展的内容数据网络交付。
3.5G NTN 可配置终端
应科院还研发了5G NTN可配置的终端参考设计，以支持与不同技术条件的卫星系统之间的通信。可配置终端参考设计的具体内容包括：
a）具备上行时间和频率预补偿功能：上行链路利用终端位置和卫星星历信息和其他网络参数自行估计连接延迟，从而及时进行上行发送提前补偿。同时，根据终端位置/速度和卫星星历信息自行估计多普勒频移，进行上行频率补偿。
b）增强型随机接入过程从而应对大传播延迟：包括随机接入信道（RACH）接收场景的优化以及前导码映射法，增强RACH响应的监测适应能力，覆盖增强的触发条件和机制。
c）增强信道状态信息（CSI）反馈选择：包括增强的CSI的信道估计，基于预测的CSI反馈，以及可配置的信道质量指标（CQI）反馈的可设置的区块错误率（BLER）目标。
应科院5G NTN 技术一览
总之，应科院在5G NTN的基站、核心网和终端方面进行了全面的研发工作。通过改进协议流程、增强同步机制和优化移动性管理策略，应科院致力于提供高质量的网络连接和用户体验。同时，应科院还致力于与行业合作，推动基于5G NTN标准的定制化基站和终端的开发。通过持续的研究和创新，相信5G NTN将会迎来更加广阔的应用前景。
