卫星互联网：NTN的概念与部署场景

我国“十五五”规划纲要明确提出，要培育发展“航空航天”、“集成电路”等新产业新赛道，加强“卫星互联网”、“信息通信网络”等新型基础设施建设，统筹建设卫星通信、导航、遥感系统，加快低轨卫星互联网组网。

无线通信技术朝着更加智能化、空天地一体化方向发展，从热点覆盖到跨区域覆盖，地面网络与天基网络将共同构筑新型通信格局，真正解决信息孤岛问题。

卫星互联网的重点是需要建设巨型低轨卫星星座，与地面网络共同组成一张网，海量数据将催生数万亿的经济市场价值。

在产生经济效益之前，我们需要解决两个问题：（1）如何构建天上这张非地面网络（NTN）；（2）如何与地面网络融合。

卫星互联网的建设是一项巨大的工程，涉及研发、生产、制造、运维等众多产业链，对于研发工程师而言，最关心的是研发和技术问题。对于感兴趣的读者而言，我们可以进一步了解什么是NTN，以及部署的场景。

1.NTN概述

3GPP在38.821中提供了NTN接入网的技术报告。NTN是指在卫星（或UAS平台）上使用射频资源的网络或网络段。提供用户设备接入的NTN的典型场景如下图所示：

透明载荷相当于中继器，实现信号的滤波、变频与放大。

再生载荷相当于天基，可进行数字信号处理。

非地面网络通常具有以下要素：

• 一个或多个卫星网关，将非地面网络连接到公共数据网络

• GEO卫星由一个或多个部署在卫星目标覆盖区域（例如，区域甚至大陆覆盖）内的卫星网关提供馈电。我们假设一个小区内的UE仅由一个卫星网关服务。

• 非GEO卫星依次由一个或多个卫星网关提供服务。系统确保在连续的卫星网关之间有足够的时间来保证业务和馈电链路的连续性，以便进行移动性锚定和切换。

• 卫星网关和卫星（或UAS平台）之间的馈电链路或无线电链路。

• 用户设备和卫星（或UAS平台）之间的服务链路或无线电链路。

•  卫星（或UAS平台）可以实现透明或再生（带有星上处理）有效载荷。卫星（或UAS平台）产生的波束通常在其视场范围内的给定服务区域上生成多个波束。波束的覆盖区域通常是椭圆形的。卫星（或UAS平台）的视场取决于星载天线方向图和最小仰角。

• 透明有效载荷：射频滤波、变频和放大。因此，有效载荷转发的波形信号不变。

• 再生有效载荷：射频滤波、变频和放大，以及解调/解码、交换和/或路由、编码/调制。这等效于在卫星（或UAS平台）上拥有全部或部分基站功能（例如，gNB）。

• 通常在卫星星座的情况下，存在星间链路。这将需要在卫星上使用再生有效载荷。ISL可以在射频或光波段工作。

• 用户设备在目标服务区域内由卫星（或UAS平台）提供服务。

针对NTN，可能存在不同类型的卫星（或UAS平台），如下所列：

表1 NTN平台类型

通常而言：

• GEO卫星和UAS用于提供大陆、区域或本地服务。

• 使用LEO和MEO星座为南北半球提供服务。在某些情况下，星座甚至可以提供包括极地区域在内的全球覆盖。要实现极地覆盖，这需要适当的轨道倾角、足够的波束生成和星间链路。

目前，真正能适应卫星互联网应用的NTN场景，主要是中低轨卫星，其延时和通信容量基本满足应用需求。

2.NTN的场景

NTN提供用户设备接入的六个参考场景，包括：

• 圆形轨道和位置保持平台。

• 最高RTD（往返延时）约束

• 最高多普勒约束 

• 透明和再生有效载荷

• 一种带ISL的情况和一种不带ISL的情况。在星间链路的情况下，再生有效载荷是强制性的。

• 固定或可操纵波束，分别导致地面上的移动或固定波束覆盖区域。

如表2所示考虑了六种场景，并在表3中详细说明。

表2  NTN参考场景

表3 参考场景参数

因此，从NTN部署场景的参数看，需要考虑的因素非常多，轨道面高度、俯仰角、波束覆盖范围、多普勒频移、传输时延、星载天线、终端天线、收发功率、工作频段等等，尤其是要解决星地精准时频同步、无损切换、链路业务稳定等一系列技术挑战。