5G上天，衛(wèi)星連地——解讀當(dāng)下火爆的NTN技術(shù)

隨著3GPP R17中關(guān)于NTN（Non-Terrestrial Network，非地面網(wǎng)絡(luò)）的實(shí)施方案確定，從2022年下半年開始，各個(gè)芯片、終端和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商不斷的發(fā)布衛(wèi)星通信相關(guān)的進(jìn)展，衛(wèi)星通信的熱浪開始席卷整個(gè)通信行業(yè)。

什么是NTN？NTN就是Non-Terrestrial Network，即非地面網(wǎng)絡(luò)，3GPP給出的標(biāo)準(zhǔn)定義是“使用機(jī)載或太空運(yùn)載工具搭載傳輸設(shè)備中繼節(jié)點(diǎn)或基站的網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)段”，聽起來有點(diǎn)拗口，簡單來說，就是任何涉及非地面飛行物的網(wǎng)絡(luò)的總稱，其中包括衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和高空平臺系統(tǒng)(HAPs，High Altitude Platform systems)。

它使傳統(tǒng)的3GPP地面網(wǎng)絡(luò)突破地表的限制，向太空、空中、海洋、陸地等自然空間擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)“空天海地一體化”的新技術(shù)。由于當(dāng)前3GPP工作重點(diǎn)一直圍繞衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)展開，所以狹義的NTN又主要指衛(wèi)星通信。

隨著SOS衛(wèi)星急救功能的蘋果14發(fā)布，衛(wèi)星通信便迅速發(fā)酵，成為了通信行業(yè)的熱點(diǎn)。其實(shí)衛(wèi)星通信不是一個(gè)新鮮事物，早在1987年提出的銥星系統(tǒng)就是最初的衛(wèi)星通信方案，但是由于早期衛(wèi)星通信的穩(wěn)定性、速率、資費(fèi)，終端成本等與當(dāng)時(shí)的GSM通信相差較多，早期銥星系統(tǒng)就沒有形成大規(guī)模的商用。

而隨著4G和5G陸地網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，地面網(wǎng)絡(luò)的覆蓋似乎已經(jīng)滿足了大多數(shù)用戶的需求，“通話難”、“上網(wǎng)難”的問題似乎不在困擾我們，但是地面網(wǎng)絡(luò)的覆蓋真的“夠用了”嗎？遠(yuǎn)洋貨輪海上失聯(lián)，獨(dú)行“驢友”深山失蹤，地震中心通信困難，身陷戰(zhàn)場蹤跡難尋，這些新聞仍然常常出現(xiàn)在我們的視野中。

實(shí)際上，不管是占據(jù)地球面積71%的海洋，還是由于地形、自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭等原因?qū)е碌牡孛嫱ㄐ旁O(shè)備缺失，都會阻礙我們的正常通信。而當(dāng)我們放眼全球，會發(fā)現(xiàn)有很多地方是沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的，而用陸地網(wǎng)絡(luò)去實(shí)現(xiàn)這種覆蓋所需的成本費(fèi)用是非常昂貴的。當(dāng)前地球周邊目前已發(fā)射運(yùn)行的衛(wèi)星已經(jīng)達(dá)到10000+，現(xiàn)在的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已初步具備承載一定業(yè)務(wù)量的能力。伴隨著“一箭多星”、“火箭回收”這樣的技術(shù)發(fā)展，衛(wèi)星發(fā)射的成本已大大降低，使得衛(wèi)星通信再一次成為可能。

NTN的載體

非地面通信網(wǎng)絡(luò)主要有兩類載體，一是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，包括低軌（LEO）、中軌（MEO）、靜止軌道（GEO）、同步軌道（GSO）衛(wèi)星在內(nèi)的星載平臺；二是高空平臺系統(tǒng)（HASP，High Altitude Platform Systems），包括飛機(jī)、飛艇、熱氣球、直升機(jī)、無人機(jī)等。

3GPP Rel-17 NTN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

NTN可以用衛(wèi)星直接和用戶的手機(jī)相連，地面上再架設(shè)信關(guān)站作為網(wǎng)關(guān)，最終連接到5G核心網(wǎng)。衛(wèi)星可以作為基站直接發(fā)射5G信號與終端連接，也可以作為透明轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)將地面站發(fā)送的信號透傳給手機(jī)。

NTN網(wǎng)絡(luò)難點(diǎn)

NTN網(wǎng)絡(luò)主要的難點(diǎn)是由于衛(wèi)星的軌道高度引起的高延時(shí)（GSO衛(wèi)星可達(dá)120ms以上）以及深衰落（最高可達(dá)170dB），還有低軌衛(wèi)星高速移動引入的大doppler（幾十kHz）。對于深衰落，通常會在衛(wèi)星側(cè)通過提高天線和面板的尺寸來提升發(fā)射和接收能力，以確保當(dāng)前在網(wǎng)的普通手機(jī)也能正常進(jìn)行衛(wèi)星通信；對于延時(shí)和多普勒，3GPP在協(xié)議中制定了一系列的解決方案，讓終端和基站能夠通過衛(wèi)星星歷信息確認(rèn)延時(shí)和多普勒的變化，并在發(fā)射端完成補(bǔ)償，確保通信的正常進(jìn)行。

目前，是德科技已經(jīng)與多個(gè)芯片和終端廠商完成了實(shí)驗(yàn)室的3GPP NR NTN及NB-IoT NTN端到端測試，是德科技可提供如下解決方案：

NR/NB-IoT NTN（LEO）端到端測試解決方案

Keysight擁有第一個(gè)經(jīng)過市場驗(yàn)證的NTN仿真解決方案，通過信道模擬器提供NTN端到端測試所需的時(shí)延、doppler及路損模擬，并能根據(jù)星歷完成NTN的信道建模。結(jié)合基站模擬器（UXM）和UE模擬器（UEE），Keysight的NTN解決方案可以完成時(shí)延和多普勒預(yù)補(bǔ)償、擴(kuò)展混合自動重傳請求（HARQ）以及DUT的誤碼率和吞吐率驗(yàn)證。

此外，還可以抓取上下行空口信號，通過Wavejudge軟件對測試過程中的L1/2/3信令流程進(jìn)行分析，協(xié)助客戶分析和解決問題。

NB-IoT NTN（GEO/GSO）端到端測試解決方案

Keysight的同步軌道衛(wèi)星NB-IoT NTN解決方案，通過將4G和5G網(wǎng)絡(luò)與真實(shí)世界的信道模擬集成到一個(gè)解決方案中，確保了結(jié)果的可重復(fù)性，同時(shí)也優(yōu)化了測試時(shí)間。能夠在實(shí)驗(yàn)室中對地面和NTN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行端到端測試，逼真地模擬軌道軌跡，以全面驗(yàn)證NTN基礎(chǔ)設(shè)施和雙節(jié)點(diǎn)設(shè)備的性能。

Keysight已經(jīng)和NTN服務(wù)商Skylo Technologies簽署了諒解備忘錄，通過使用Skylo的測試案例為3GPP 5G Release 17 NTN芯片組、模塊和使用NTN窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）協(xié)議的設(shè)備創(chuàng)建認(rèn)證程序，將Keysight的蜂窩測試專業(yè)知識擴(kuò)展到NTN網(wǎng)絡(luò)。