關于NTN的最強科普

最近這幾年，NTN這個概念非常火。

那么，到底什么是NTN？為什么NTN會火？它會改變通信行業的格局嗎？

今天這篇文章，我們就來一探究竟。

█什么是NTN

NTN的全稱，叫做Non-Terrestrial Networks，非地面網絡。

地面網絡，就是我們每天都在使用的蜂窩基站網絡、Wi-Fi網絡等。非地面網絡，顧名思義，就是沒有部署在地面上的網絡，是“天上的網絡”。

很多人會將NTN與衛星通信劃等號。其實，這是不嚴謹的。

嚴格來說，NTN包括了衛星（LEO低軌道、MEO中軌道、GEO地球靜止軌道）、高空平臺（High-Altitude Platforms，HAPS，例如平流層飛艇、氣球）、無人機，甚至未來的月球通信中繼節點等多種層次的通信網絡體系。

換句話說，NTN是一張“分層異構、按需協同”的立體通信網，目的是為了實現真正的全域覆蓋。

當前，NTN的主要研究方向，暫時集中在衛星平臺。所以，可以姑且將NTN理解為“以衛星為主的非地面網絡”。

█為什么要發展NTN

發展NTN，是因為有需求。概括來說，就是四個字——盲區覆蓋。

眾所周知，我們在地球上建立了發達的地面通信網絡，覆蓋了大量的人口。

但是，地球實在是太大了。對于那些森林、沙漠、戈壁、高山、極地等人跡罕至的區域，因為施工條件和成本的原因，無法做到有效覆蓋。

以我國為例，我們的地面網絡是世界上最強大的，能夠實現99%的人口覆蓋率。但國土覆蓋率呢，僅僅只有30%左右。

除了陸地之外，更大的問題來自海洋和天空。

地球的海洋面積占地球表面積的71%，網絡覆蓋率只有10%（近海）。對于天空，地面網絡也僅能提供了極有限的ATG（Air-to-Ground，空對地）服務。

正所謂“站得高，看得遠”，將信號收發設施放置在更高的位置，可以實現“俯瞰式”的廣域覆蓋，消除地面網絡的盲區。

一直以來，地面網絡和非地面網絡之間，都是相互獨立的發展路線。衛星通信，有自己的標準、頻段、終端、生態。整個技術體系比較封閉，屬于“小圈子”。

作為地面網絡技術標準的主要推動者，3GPP標準組織在研究4G/5G標準的時候，逐漸意識到：人類的活動范圍在不斷擴大，通信網絡如果局限于地面蜂窩基站，就注定無法突破地理位置的束縛，無法滿足各種應急通信、遠洋航運、極地科考、森林防火、低空物流等場景的需求。

打破地面網絡和非地面網絡之間的壁壘，將衛星通信等技術全面融入地面通信，拓展網絡連接邊界，構筑一張“空天地海一體化通信網”，就成了3GPP的必然選擇。

傳統衛星通信企業，其實也非常愿意和地面網絡融合。

一方面，地面網絡擁有龐大的用戶基數，意味著更大的市場規模。另一方面，地面網絡也擁有成熟的規模化產業鏈，可以從終端、協議、生產等各個維度為衛星通信的發展創造有利條件。

兩者一拍即合。于是，就有了NTN的誕生。

█NTN的發展演進

NTN是地面網絡和非地面網絡深度融合的產物。但是主要負責牽頭的，仍然是3GPP。

2017年，也就是3GPP制定R15標準（5G第一個版本）之際，他們啟動了針對NTN的研究。當時，他們定義了NTN部署場景和相關系統參數，并且研究了NTN的信道模型。

后來，到了R16階段，3GPP研究了衛星與5G系統的融合架構，以及NTN場景解決方案的設計，對3GPP相關技術規范組的工作指明了方向。

2020年，在R17階段，NTN有了重大突破。

R17正式將NTN納入5G標準體系，首次定義了衛星透明轉發與再生轉發兩種架構，并規范了終端直連衛星的接入流程。

上面的架構中，衛星和用戶之間的鏈路叫做服務鏈路（Service Link）。衛星和信關站之間的鏈路叫做饋電鏈路（Feeder Link），也稱為衛星無線電接口（SRI）。

衛星透明轉發架構中，衛星僅作射頻信號中繼，不進行任何信號處理。地面的NTN網關等設備，負責執行信號解調、譯碼與協議棧處理等核心功能，是連接衛星與地面核心網的關鍵樞紐。

這種模式下，衛星不需要太復雜，系統設計更輕量、部署更快，從而顯著降低衛星制造與發射成本，尤其適合大規模部署的低軌星座。

再生轉發架構中，衛星不僅接收信號，還會進行解調、解碼、路由甚至協議處理等操作。相當于衛星承擔了基站功能，真正成為“太空基站”。

需要注意的是，再生轉發架構，可以在衛星上實現全部gNB（5G基站）功能，也可以實現部分功能，由需求和場景來決定。例如，將5G基站的DU（分布式單元）功能集成到衛星上，CU（集中式單元）功能則部署在地面，形成“星上DU+地面CU”的混合架構。

不同的功能分布，涉及到的具體組網也會有所不同，如下圖所示：

再生轉發架構，對衛星的載荷空間、計算資源和能源供給提出了更高要求。但是，它也提升了網絡的性能和靈活度，可以進行更復雜的星間組網。衛星與衛星之間的鏈路，叫做星間鏈路（Inter-Satellite Link，ISL）。

這種模式，也相當于是一種邊緣計算（“能力下沉”），將計算與智能能力前置至軌道上，讓通信鏈路更短、時延更低、響應更敏捷。

R17作為NTN的早期階段，重點研究了透明轉發架構和移動協議的改進，沒有對再生轉發架構開展深入研究。這個時候，優先要快速實現NTN的“能用”。

再來看看NTN在應用上的分類。

R17對LTE的NB-IoT（窄帶物聯網）和eMTC（增強型機器類型通信）技術進行增強，打算實現這類物聯網設備能夠通過衛星接入地面移動網絡，滿足農業、環保、物流等場景的需求。

其實大家也看出來了，和5G的三大場景一樣，5G NTN也進行了細分，變成了NR-NTN和IoT-NTN兩大技術分支。

NR-NTN對標5G NR（eMBB場景），實現大帶寬、低時延，面向廣域寬帶接入，支撐高清視頻回傳、遠程協作等高吞吐需求。

IoT-NTN對標NB-IoT和eMTC（mMTC場景），聚焦海量低功耗物聯網終端的泛在連接。

再來說說NTN的頻段。

Release 17 的工作主要集中在使用透明有效載荷，并在FR1內的n255（L頻段）和n256（S 頻段）進行操作。這兩個頻段也是傳統衛星通信的基礎頻段。說白了，都是為了能夠快速適配。兩個頻段的頻寬不大，所以支撐不了大帶寬的業務，主要實現基礎業務。

R15-R17是5G時代，R18-R20是5G-Advanced時代。進入R18之后，NTN技術標準也在持續演進。

R18階段，一方面，關注透明轉發模式的增強，例如頻段擴展、覆蓋增強、移動性和服務連續性增強，等等。另一方面，也開始推動再生轉發模式的技術落地，也就是積極推進“基站上天”。

從R17到R18，3GPP NTN策略從最初的“能用”轉向“好用”，強調優化和擴展，實現更高價值的寬帶服務和更強大的網絡集成。

R18通過引入更高頻率（Ka頻段）來支持更高吞吐量，明確支持VSAT終端，并對移動性和覆蓋范圍進行了增強。R18還增加了NR-NTN FDD頻段n254，以及LTE IoT-NTN FDD頻段B253/B254。

R19階段，3GPP開始正式定義NTN的再生轉發模式，并增加對于新的衛星通信場景的相關研究。除了基站之外，R19也開始研究核心網上天——將核心網搭載在衛星上運行。

頻段方面，R19進一步擴充頻段，首次引入Ku波段（n247/n248等），并完善L/S波段，實現了從低頻到高頻的完整NTN頻譜圖譜。

圖片來自：羅德與施瓦茨

R20階段，主要是處理5G NTN的一些遺留問題。與此同時，結合6G需求，針對多頻段管理、高低軌衛星協同、核心網能力增強以及星地頻譜共享等方面開展進一步研究。

在R21及后續版本中，3GPP將重點推進星地無縫切換、跨星座漫游、AI驅動的動態資源調度等增強特性，推動NTN頻譜規則協調與軌道資源共管機制建設，為6G筑牢底座。

值得注意的是，R21首次將“地月空間”納入標準化視野，標志著NTN正從地球軌道向深空延伸。

█NTN面臨的挑戰

NTN的優點是覆蓋廣、彈性強、部署快。之所以現在發展火爆，就是因為行業高度認可了NTN的價值——它能夠迅速彌補覆蓋短板，在關鍵且高價值的場景中展現出不可替代性。

但是，發展NTN，同樣也面臨很多挑戰。

首先，是無線通信鏈路上的挑戰。

NTN的星地鏈路距離（數百至數萬公里），遠遠高于傳統地面通信，路徑損耗比地面宏站高出30~50dB。

距離最大的影響是無法克服的延遲。使用同步衛星，延遲超過500ms。即使是使用低軌衛星，延遲也會有大概40ms，都遠遠高于傳統地面網絡。

衛星運動速度極快（低軌衛星每秒大約移動7.8公里），帶來的多普勒頻移可達±10?kHz量級，遠超5G終端的補償能力。

變化的大氣條件、噪聲、其它信號的干擾，也會對NTN信號質量造成顯著影響。

衛星通信，說白了，就是一道鏈路開銷的數學題。

信號發射功率是有限的，終端天線尺寸和電池容量也受限。要對抗路徑損耗、多普勒頻移與信道衰落這三重“高墻”，就必須在硬件、算法等層面同步引入創新，采用高增益天線、先進波束賦形與聯合編解碼等技術進行協同突破。

這里，我們要說一下DTC（Directto Cell，手機直連通信），意思就是我們普通手機無需額外改裝（僅做軟件上的升級），即可直接連接衛星網絡（采用地面運營商的頻譜）。

DTC是現在非常熱門的賽道，關注度最高。

大家都知道，傳統衛星通信都有專門的通信終端，有碩大的天線，體積大，重量沉，攜帶不便，價格也非常昂貴。

地面網絡和非地面網絡融合，如果仍然使用兩種不同類型的終端，肯定不合適。所以，直接讓衛星通信網絡為普通手機服務，是一個關鍵目標。這可以讓普通用戶快速且低成本地享受衛星通信服務，也能夠迅速擴大衛星通信企業的用戶基礎與市場規模。

DTC的實現難度很大。因為傳統手機被設計為使用基站網絡，通信距離最大僅約幾十公里，而衛星通信需跨越數百至數萬公里。

在手機硬件不變的情況下，只能通過衛星側和算法方面的改進，才能提升鏈路預算，實現可商用的基本通信服務。

目前，在DTC方面，國內外都有了顯著進展。2023年9月，華為Mate60pro手機實現在無地面網絡情況下支持通過天通衛星接打衛星電話。近兩年，ASTS公司和SpaceX公司分別在近兩年發射了支持手機直連的衛星，并完成了10Mbps量級數據傳輸的在軌測試。

其次，是系統協同方面的挑戰。

NTN和地面網絡的融合，比想象中要復雜得多。兩種網絡在協議棧、時鐘同步、移動性管理、QoS保障等方面，存在天然的異構性。即便是3GPP這樣的全球性標準組織，想要推動協議、架構和規范上的統一，也絕非易事。

這里面既有技術問題，也有利益問題，需要溝通協調的工作很多，難度不低。

最后，是產業生態與治理的挑戰。

NTN技術的推進和落地，成本是非常關鍵的要素。

衛星制造、發射、在軌運維成本仍居高不下。星座部署周期長、投資回報慢。地面終端芯片與天線模組尚未形成規模效應，價格仍然偏高……

所有這些，都制約了NTN在大眾市場的滲透，也影響了產業企業的投入決心和信心。產業生態的成熟度，又反過來影響技術迭代速度與標準落地節奏。

此外，頻譜資源分配、軌道位置協調、空間碎片治理等跨國家、跨行業的制度性難題，亟需國際電信聯盟（ITU）與各國監管機構協同破局。

圍繞NTN，地緣政治的因素也無法忽視，可能會影響正常的商業競爭秩序，也可能導致技術體系的割裂。

█結語

NTN，正處于從“能用”邁向“好用”的關鍵躍遷期。

根據Allied Market Research的預測，到2032年，NTN市場規模將達936億美元，年復合增長率40.6%。ABI Research預測，NTN-D2C細分市場到2035年服務收入可能達到250億美元，連接數超過2億。

越來越多的企業正在加入NTN賽道，圍繞這個領域的技術競爭以及商業博弈將會進入白熱化的階段。

究竟誰能夠在這場競速中勝出，讓我們拭目以待。