随着地面移动通信的发展，人们享受越来越便捷的互联网服务，但是地球上仍有90%以上的区域缺少通信手段，当发生地震、洪水、海啸等自然灾害时，地面移动通信系统常常由于断电、断网，无法为人们提供通信服务。以卫星通信系统、空中平台为主的非地面网络（NTN）可为没有地面移动通信覆盖的地区或有应急需求的人们架起一张空间网络。
非地面网络是由卫星通信网络、高空/空中平台网络组成的网络总称，与地面移动通信系统成对应关系，是地面移动通信系统向天空的延伸，将空间、空中和地面联合在一起，组成一个立体化移动宽带通信网络，预期可实现全天候、全时段、全地域的话音和互联网服务。NTN中的卫星通信网络包括低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）和地球同步轨道（GEO）卫星、高空/空中平台网络包括飞机、气球和飞艇等。截至目前，第三代合作伙伴项目（3GPP）的NTN的工作重点一直是基于卫星通信网络开展研究，但其协议标准也兼容支持高空/空中平台网络。“手机直连卫星”新概念的兴起和试验验证成果的推出，极大地推动了NTN技术的发展，NTN技术的发展和研究促进了其标准确定；同时，NTN技术也可为卫星互联网、“手机直连卫星”、6G通信等技术和应用赋能。
1 NTN发展情况
NTN的起源
在3G技术出现以后，移动通信技术的覆盖问题已经不再是其发展的制约因素，但在进入5G时代后，由于“为全球提供服务”、物联网、车联网等应用的发展，覆盖需求进一步增加。虽然5G引入了非授权频谱等覆盖增强技术，但无法解决偏远山区、海上、空中的立体覆盖问题。NTN的出现，源于人们对覆盖赋予了新内涵和新需求，将地面移动通信延伸至卫星通信，实现全球覆盖。3GPP在制定5G标准之初，就计划将卫星通信与移动通信融合，建立一个NTN，并将其作为定义未来卫星网络的一个全球标准，解决无服务或服务不足地区的服务可达性和连续性问题，同时帮助地面网络提高应对自然灾害和人为灾害的能力。
技术需求的确定
3GPP在制定NTN标准之前，根据卫星通信特点，通过对应用场景、功能性能需求、接入网架构的研究，在网络结构、接入能力、移动管理、传输时延、传输速率等方面提出合理的技术需求，作为后续NTN协议标准的参考目标。典型的技术需求如下：
1）网络结构需求：卫星作为5G接入网的核心网元，需要完成基站的部分功能或者全部功能；卫星作为连接用户（UE）和地面基站的通道，需要完成UE和基站之间数据传输功能。
2）移动管理需求：在5G地面接入网与卫星接入网之间切换时需要保持业务连续性，支持不同接入网之间的漫游和网络选择/重选。
3）传输速率需求：行人的上下行体验速率分别是100kbit/s和1Mbit/s，飞机上下行体验速率分别是180Mbit/s和360Mbit/s，物联网终端的上下行体验速率分别是10kbit/s和2kbit/s。
NTN技术标准的诞生
由于卫星通信与移动通信融合是一个全新的领域，3GPP为整合卫星通信进行了长期准备，立项了多个NTN相关研究项目，Release15（R15）阶段研究信道和场景对协议的影响，Release16（R16）阶段研究潜在的解决方案，Release17（R17）阶段研究NTN功能和技术标准，同时还对长期演进（LTE）的窄带物联网（NB-IoT）和增强型机器类型通信（eMTC）技术进行增强，实现这些物联网设备能够通过卫星接入地面移动网络，满足农业、运输、物流等海量机器用户应用场景的需求。在经历了R15～16阶段的研究后，最终在R17阶段完成NTN标准定义。R15～17阶段NTN相关研究项目如表1所示。
表1 NTN相关研究项目汇总
技术标准的演进
R17阶段完成NTN的第一个标准，但只研究了NTN接入网的“透明”架构和移动协议的改进，未对“再生”架构和其他功能开展研究。进入R18阶段后，3GPP立项了一系列懂球帝官网,懂球帝直播：NTN的研究项目，研究内容包括基于卫星回传、基于卫星实现远程控制、基于卫星接入实现UE位置验证、IoTNTN增强、NTN接入网架构增强、NRNTN增强等。R18阶段NTN相关研究项目如表2所示。
表2 R18阶段NTN相关研究项目汇总
NTN的接入网架构
NTN标准定义了3种接入网架构：一是“透明”架构，基站部署在地面站内，卫星作为透明通道，转发用户终端和地面站（基站）的信号，可以简单地将卫星系统看作地面移动系统中用户终端与基站之间的射频拉远；二是CU/DU分离“再生”架构，基站的CU功能部署在地面站内，DU功能部署在星载基站内，星载基站DU负责业务面数据处理，地面站的CU负责控制面数据处理；三是CU/DU不分离“再生”架构，CU/DU均部署在星载基站内，卫星完成基站的全部功能。NTN接入网架构的确定标志着NTN星地功能分配的确立，使NTN功能和技术具备了可实现性，目前R17阶段只对“透明”架构进行了技术和标准的研究。NTN的3种接入网架构如图1所示。
图1 NTN的3种接入网架构
2 NTN面临的挑战
技术问题
NTN技术将5G技术的应用领域扩展至空间，为空天地海一体化通信提供了技术可能性，但是其需要解决的技术难题还有很多。为推进NTN的顺利实施，3GPP从应用场景、网络架构、空口协议、系统同步等方面逐步开展研究工作。在R17阶段，NTN技术以弯管通信（透明转发）为主，对体制协议进行了改进，从协议处理层面给出时频同步、大传输时延和移动性管理等问题的解决方案；在R18阶段，NTN对弯管通信进一步做了增强，侧重于IoTNTN覆盖增强、NRNTN频段扩展和业务连续性等研究，但对“再生”架构和星间链路的标准化研究并没有提到日程。未来NTN技术除了要研究星地组网架构一体化、终端一体化、频率一体化等系统性技术，重点要解决正交频分复用（OFDM）信号加重发射信道的非线性、星地传输长时延影响信号定时同步、大规模低轨星座的高移动性/频繁切换导致终端无法接入等基础性难题。
（1）信道非线性问题
信道作为传输信号的通道，它的工作状态直接影响传输性能和传输速率，信道的非线性是最常出现和最易被发现的问题。引起信道非线性的原因有很多，例如：功放饱和、幅频特性较差等，幅频特性由模拟通道各级组件的特性决定，而功放饱和则由输入信号过大引起。由于OFDM子载波采用正交频分复用处理方式，某段时间内会产生较高峰均比（PAPR），峰均比过高会导致功放饱和，进而引起信号畸变。为防止功放工作在饱和区，OFDM系统的功放会回退一定的效率工作，但此种工作方式会降低功放效率，损失系统能耗。NTNNR为了与5GNR融合，信号处理采用OFDM技术，NTNNR信号在承载特殊码字时同样会出现较高的峰均比，需要采用功率回退方法避免信号失真，用功放输出效率换取信号质量。但是卫星系统由于能源限制，发射机的功放如果工作在非线性区会降低卫星能源利用率，同时系统容量及传输速率均受影响。因此降低峰均比、减小信道非线性是NTN系统融入5G通信系统的关键。
（2）星地信号同步问题
星地信号同步是星地实现通信的基础。与地面的固定基站相比，低轨卫星星载基站具有运动快、时延大、覆盖广、高动态、频繁切换等特点，用户终端在星地信号同步时，需要适应卫星高速运动带来的多普勒影响。在地面移动通信系统中，基站与用户终端之间的相对运动产生多普勒效应，引起的最大频偏不超过1kHz，广播信号中前导序列和OFDM符号中循环前缀完全可以适应这个多普勒效应引起的频偏。低轨卫星通信系统由于卫星的高速运动，多普勒效应产生的频偏最小也有几万赫兹（卫星轨道高度在500～1000km时，L频段多普勒效应产生的最大频偏为45kHz左右，Ka频段多普勒效应产生的最大频偏为650kHz左右），巨大的频偏给星地信号同步带来了挑战。
（3）NTN随机接入问题
随机接入过程是移动通信中的重要过程。手机开机后的第一件事是进行星地信号同步，第二件事是进行随机接入，通过随机接入完成手机“搜网”过程，随机接入完成后就可以拨号码通电话了。NTN随机接入过程与地面移动通信随机接入过程在流程上并无本质区别，但由于卫星基站相比地面基站运动速度快、星地传输时延长、星地电平变化大，为此需要解决卫星场景下多普勒频偏补偿、终端定时提前补偿、交互消息响应延迟、终端频繁跨星切换等影响随机接入的难点问题。
应用方面挑战
3GPP自2017年6月开始，构想将卫星通信系统与地面移动通信系统融合，解决全球覆盖问题。3GPP经过7年的NTN研究，基本需求已经明确、部分关键技术完成攻关、体制标准初步制定、工作流程得到验证，后续将是继续完善体制标准和开展应用示范推广。下面从NTN应用角度探讨其可能存在的问题。
（1）卫星通信和地面通信长期独立发展限制了NTN应用推广
卫星通信对地面移动通信技术和行业来说是一个既熟悉又陌生的领域，两种技术在20世纪90年代有过一次短暂的“相会”，由于技术实现方式和商业模式存在巨大差异，之后朝着不同路线和体制各自发展。卫星通信具有独立的、独特的技术体系，这是3GPP制定NTN标准时要考虑的问题；同时卫星通信也具有庞大的产业链，这是地面移动通信与卫星通信融合面临的巨大的、必须要解决的非技术因素问题。如果3GPP不考虑这些非技术因素的制约，即便很好地完成了NTN整套技术标准的制定，最终也很难获得产业的认可及落地商用。
（2）3GPP的稳健技术路线限制了NTN应用快速落地
3GPP在制定NTN标准时，考虑到技术需求不明确、技术实现有难度，选择了一条相对稳健的技术路线，利用R15、R16两个阶段的时间完成了星地融合场景、网络架构等研究，并在R17阶段以“透明”接入网架构为基础确定了NTN的第一个标准。“透明”接入网架构适合高轨卫星，高轨卫星由于通信距离问题，导致通信速率低、用户容量小，主要进行NTN体制标准的在轨验证工作，开展商用化动力不足；而通信速率高、传输延时短的低轨卫星适合使用“再生”接入网架构，3GPP并未开展“再生”接入网架构研究，使得NTN的应用未能赶上低轨卫星宽带业务的快速发展。
（3）低轨宽带业务发展给NTN应用带来冲击
发展NTN技术的目的是实现全球“无处不在的连接”，解决遥远偏僻农村、荒无人烟沙漠、人迹罕至森林的通联问题，使无地面移动通信覆盖地区也能享受便捷的宽带通信服务，目前，使用NTN技术实现全球宽带服务还需要一段时间，但“星链”（Starlink）、“一网”（OneWeb）等低轨卫星系统已经具备全球宽带服务能力。其中，“星链”已向全球各大洲70多个国家开通宽带服务，订购用户突破260万人。太空探索技术公司（SpaceX）首席财务官表示，“星链”在2023年底首次实现盈利。低轨卫星系统的快速发展和宽带业务的全球普及，必将给NTN的应用带来巨大的冲击和影响。
3 NTN面临的机遇
近几年，卫星通信和地面移动通信都得到了快速发展，其中卫星通信的发展主要由卫星互联网和“手机直连卫星”带动，而地面移动通信已经从5G开始向6G迈进。NTN在这个星地通信共同发展的热潮中起着非常重要作用，是天地互联互通的枢纽。下面探讨NTN在天地融合发展中面临的机遇。
（1）NTN是卫星互联网的补充
目前，国内外的卫星互联网基本都是基于低轨卫星系统实现宽带业务传输，例如：美国的“星链”低轨卫星系统、英国的“一网”低轨卫星系统。顾名思义，卫星互联网是通过卫星实现网络互联，其终端可以通过卫星接入互联网，得到宽带业务服务，卫星互联网的终端工作在Ku/Ka频段，采用固定安装方式。NTN标准规定：NTN的终端可以是固定终端，也可以是移动终端；工作的频段可以是Ka频段，也可以是S频段；可以通过高轨卫星/低轨卫星接入，也可以通过浮空平台/无人机接入。由此可见，NTN除了能提供卫星互联网服务外，还能够提供卫星移动服务（手机移动终端接入卫星）和浮空平台/无人机的短时延业务。因此，NTN对于卫星互联网来说，即是功能的扩充，又是能力的增强。
（2）NTN是“手机直连卫星”的未来
近两年，起源于20世纪90年代的“手机直连卫星”得到了飞速发展。2022年，华为手机和“北斗”合作、苹果手机和“全球星”（GSAT）合作，分别推出了支持卫星短信业务的手机，开启手机在卫星系统应用的序幕；2023年9月，华为公司发布了支持卫星通话的Mate60pro手机，该手机在无地面网络情况下支持通过天通卫星接打卫星电话；AST空间移动公司（ASTSpaceMobile）和太空探索技术公司分别在近两年发射了支持手机直连的卫星，并完成了10Mbit/s量级数据传输的在轨测试。“手机直连卫星”的快速发展得益于发射技术、卫星技术、终端技术的全面进步，但是目前“手机直连卫星”的应用由运营商、卫星厂家、终端厂家各自独立主导，各“手机直连卫星”系统之间未能形成统一的标准，限制了“手机直连卫星”后续的发展。NTN标准对移动终端（手机）接入卫星做了详细的规定，其可以直接作为“手机直连卫星”通用标准，通过使用NTN标准可以完成各“手机直连卫星”系统之间互联和技术路线统一，促进“手机直连卫星”更好更快发展。
（3）NTN构成6G通信的空天网络
移动通信大约每过十年就会产生新一代技术，到2030年将会迎来6G通信时代。6G通信能够提供更高的通信速率（用户体验速率10～100Gbit/s）、更低的传输时延（空口时延0.1ms）、更可靠的数据传输（可靠性达到99.99999%）、极广的覆盖（同时服务宽带和窄带业务）和超高的移动性（移动速度高达1000km/h），这些6G通信的功能和性能需要空天地一体化的网络支撑。3GPP研究的NTN是一张由高/低轨卫星、浮空平台、无人机等组成的非地面网络，随着NTN技术的发展和标准的完善，能够实现与地面网络（地面移动通信系统）的融合，同时NTN也能够为用户提供30μs空口时延的超低时延和1000km/h的超高移动性。NTN的发展推动了低轨卫星星座、超低空平台技术的发展，促进了空天地一体化网络的形成和通信系统的融合，可以作为基础网络设施构成6G通信的空天网络。
4 结束语
NTN相比地面网络，在技术实现、工程建设等方面均有一定难度，但经过多年的研究和发展，相关标准已经初步制定，具备了开展应用推广的基础。随着卫星互联网的快速发展，NTN也面临巨大的挑战，这些挑战主要来自两个方面：一是自身技术的急需突破；二是技术到应用转化的思路需要转变。尽管NTN面临众多问题，但3GPP强大的组织能力、全球的商业基础、完善的标准体系也会助力NTN迎接机遇，具体表现在补充卫星互联网的移动性、促进“手机直连卫星”的应用、填补6G通信的空天网络等三方面。由此可见，NTN的研究和发展具有重要意义，特别是在“手机直连卫星”得到快速应用、卫星系统建设成本持续降低、载荷关键技术逐步攻克的多重作用下，为实现空天地一体化网络、全球移动覆盖提供了可能，也为未来6G通信的发展提供基础支撑。
