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【卫星通讯|综述篇】无线的未来 – 非地面网络是关键吗？

七元宇宙

2024-08-18

导读：在过去的二十年中，世界经历了无线技术的广泛创新。我们已经看到 Wi-Fi 连接、蜂窝网络和联网设备方面的显着增长。

在过去的二十年中，世界经历了无线技术的广泛创新。我们已经看到 Wi-Fi 连接、蜂窝网络和联网设备方面的显着增长。然而，由于地面网络的固有局限性，覆盖范围不完整、通话中断和数据速度不一致继续对 4G 和 5G 网络构成挑战。随着我们朝着建立全球 5G 服务覆盖的方向迈进，非地面网络（NTN）技术有可能消除这些挑战。

地面网络与非地面网络

顾名思义，网络提供商在地面上部署地面网络，而NTN则部署在地球轨道上。NTN利用卫星系统或机载平台，使电信服务能够到达偏远地区，这对于传统的地面网络来说是不切实际的。典型的地面 5G 电信网络，由用户设备（UE）、无线接入网络（RAN）和核心组成，如下图 1 所示。简而言之，UE 需要与 5G RAN 通信，5G RAN 将语音和数据从 UE 中继到 5G 核心并返回。挑战在于，这依赖于手机信号塔，而手机信号塔在为多个用户提供服务时容量有限。

图 1：地面 5G 电信网络图

为了克服这一挑战，网络运营商通常在人口稠密的地区每 300-800 米安装一个手机信号塔，在其他地方每 2-3 公里安装一个手机信号塔。但是，以这种方式覆盖一个国家或地球被证明是不切实际的，而且非常昂贵。

NTN 提供了一种更实用的解决方案，大大扩大了全球 5G 的覆盖范围。利用卫星或机载车辆作为 RAN 收发器，不仅可以支持更多需求和流量，还可以在难以到达的地区提供连接。然而，NTN网络仍然存在挑战。需要克服的关键障碍之一是确保物理层、协议层和应用层的兼容性，以及解决与标准合规性和性能基准相关的问题。

第三代合作伙伴计划（3GPP）等标准机构已将NTN引入5G标准。这意味着工程师可以将卫星链路添加到 5G 设备，从而实现连接，无论是来自地面基础设施还是非地面基础设施。3GPP 5G NTN的引入也使卫星通信市场从专有系统扩展到地面移动网络运营商。这使得符合 5G 标准的 NTN 与地面移动网络之间能够无缝集成，使用户能够直接访问卫星移动服务。

这是向前迈出的一大步，但当涉及到在标准要求之外运行的专有NTN时，仍然存在挑战。例如，SpaceX 的 Starlink 提供全球互联网接入，但由于 Starlink 在 3GPP 标准之外运行，用户仍然需要额外的网关设备才能访问 Starlink 互联网。

卫星和机载飞行器

对于基于卫星的 NTN，它们由 NTN 网关、服务链路和馈线链路组成。卫星可以扮演几种不同的角色，其中之一是充当 UE 和 NTN 网关之间的中继链路，如下图 2 所示。

图 2：卫星作为中继站的示意图

或者，网络开发人员可以将卫星用作gNB基站，如图3所示。此外，如图 4 所示，卫星可能作为远程地面 RAN 和 5G 核心之间的回程运行。网络运营商可以使用卫星作为中继、gNB 或回程，将网络覆盖范围扩展到偏远地区，在地面网络故障时提供冗余，并支持高容量、高速的数据传输。

图 3：卫星作为 gNB 运行的示意图

图 4：卫星作为回程网络的示意图

当涉及到5G NTN时，卫星并不是唯一的选择，因为这些标准还支持机载车辆。5G 标准包括飞行高度为 8 至 50 公里的高空平台（HAP），包括飞机或无人机等重于空气的系统和飞艇或气球等轻于空气的系统。与卫星类似，它们充当透明中继、基站或回程。与卫星相比，HAP可以更快、更轻松、更便宜地发射。但是，它们通常只能在空中停留数小时或数天，仅提供临时保险。

未来

无论是依赖地面网络还是NTN，用户都期望获得相同的服务质量。虽然地面网络提供的容量和覆盖范围有限，但NTN也带来了一系列独特的挑战，例如卫星高度导致的延迟问题、用户和卫星同时移动导致的切换复杂性以及与卫星轨道速度相关的频率多普勒频移。

当涉及到国家安全、国防和灾难响应的用例时，NTN 通常会被讨论。虽然这些紧急情况肯定会从无处不在的网络覆盖中受益，但NTN可能会在商业上产生更大的影响，特别是对于运输和工业物联网应用。在难以到达的地方实现通信将对支持海上石油钻井平台、商船运输、渔民或航空公司通信产生巨大影响。在工业物联网应用方面，大多数用例都与跟踪和传感技术有关，例如实时资产跟踪、设备监控和智能农业。这些应用往往在较低的数据速率下工作，但它们必须满足自己的标准，而 5G NTN 旨在支持这些标准。

从根本上说，NTN并不是提供全球连接的灵丹妙药。然而，标准机构正计划在5G新无线电和6G标准的未来版本中对NTN进行增强。增强功能包括使用相控阵波束成形实现更高的数据速率，以及使用更高效的传输技术实现更大的覆盖范围。同样，专有的NTN将继续根据市场需求进行创新。通过宽带和工业物联网应用，NTN将彻底改变无线连接，并在全球范围内实现快速、可靠的网络覆盖。

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