爱立信首席技术官Erik Ekudden对卫星通信的看法
第三代合作伙伴计划（3GPP）为卫星连接制定了规范，从而给予了地面通信运营商（CSP）一个令人兴奋的机会，使其可以与卫星运营商开展互利合作，打造一个覆盖全球的非地面网络（NTN）生态系统。这个生态系统在同一移动平台上实现地面系统和卫星系统之间的连接，从而提供了真正的全球移动覆盖，为世界各地的个人和组织提供巨大价值。
本文概述了卫星通信技术，并介绍了一些卫星通信的用例、相关服务的技术要求，以及将基于3GPP生态系统的卫星组件集成到5G Advanced和6G移动网络系统的商业逻辑。本文还解释了地面和非地面网络之间的主要区别，并提出了可行的网络架构和部署方式。
卫星通信目前主要依赖专有解决方案，但这种状况即将改变。第三代合作伙伴计划（3GPP）在其第17版标准中引入了对非地面网络的支持，为卫星、智能手机和其他大众市场用户设备之间的直接通信奠定了坚实的基础。
随着移动通信技术在全球范围内的快速普及，让任何人在任何时间、任何地点都能享受移动通信服务，实现无缝全球覆盖的目标变得越来越重要。在这一目标的推动下，地面和非地面卫星网络技术都取得了重大进步。
为了实现更全面的网络覆盖，地面网络（TN）和非地面网络（NTN）组件将实现平滑互通和集成，为消费者智能手机（直接对智能手机）和物联网（IoT）用例提供增强型移动宽带（eMBB）。
与此同时，卫星网络技术可以覆盖地面网络无法到达的地区，为世界各地（无论发展程度）目前无法获得服务的人群和企业提供可靠的服务，带来重大的社会和经济效益[1]。
除了为智能手机带来的好处外，非地面网络能够支持工业和政府物联网设备，为汽车、医疗、农林业、公用事业、海运、铁路、航空/无人机等行业以及国家安全和公共安全等领域提供服务。
卫星系统概述
多年来，各种卫星系统已被广泛用于电视广播、导航、通信、监视、天气预报和应急系统等服务[2]。图1显示了3种主要卫星类型的轨道：地球静止轨道（GEO）、中地球轨道（MEO）和低地球轨道（LEO），并将其与商用飞机的高度和提供本地服务的高空平台系统（HAPS）的高度进行了比较。
图1：现有卫星系统概览
地球静止轨道卫星系统在大约36000公里的高空运行，由于路径损耗大，时延很长（＞500毫秒），其数据速率有限。地球静止轨道卫星相对设备来说是静止的，它提供了一个较大的视野，适用于卫星电视、企业对企业数据服务（如中继/回传和企业网络）和政府服务（如军事卫星通信系统）。
中地球轨道卫星系统（如伽利略卫星导航系统（Galileo）、全球定位系统（GPS）和全球导航卫星系统（GLONASS））主要用于导航，通常部署在高度约为20000公里的半同步轨道上，具有可预测和可靠等特点，轨道周期为12小时。中地球轨道中也有一些用于通信服务的卫星网络，部署在约 8000 公里的高度。相比地球静止轨道（GEO），时延只有其五分之一，数据速率更高。
低地球轨道卫星系统如星链（Starlink）、OneWeb、铱星（Iridium）和全球星系统（Globalstar）等用于提供不同的服务。它们在约400-2000公里的高度运行，需要更高的速度（约8公里/秒，全轨道时间为90-120分钟）才能保持在轨。低地球轨道卫星可提供最低的时延和每秒数十兆比特的容量，适用于移动宽带和物联网应用。但由于其覆盖范围比中地球轨道和地球静止轨道卫星要小得多，因此需要部署更大规模的卫星网络。
卫星通信用例和商业逻辑
太空探索技术公司（SpaceX）在2010年代中期进行了首次商业火箭发射。当时正值太空产业发生范式转变，火箭发射成本大幅下降，而发射容量大幅提升[3]。此后，全球进入了“新太空时代”。每年对大型低地球轨道卫星网络的私人投资大幅增加，它们专注于使用现有的和计划部署的卫星网络（如Starlink、OneWeb和Amazon Kuiper等）为居民和商业用户提供固定宽带互联网服务。移动卫星业务（MSS）的下一个发展目标是实现与普通智能手机的通信。目前已经形成了3条发展路径：传统移动卫星业务（MSS）、传统长期演进（LTE）和5G非地面网络（NTN）。
传统MSS发展路径旨在利用传统MSS频谱，将传统MSS技术应用到新型智能手机中。例如苹果iPhone 14配合Globalstar，华为Mate 50配合北斗，以及高通骁龙卫星与铱星的结合等。与此同时，传统LTE发展路径则专注于创建改造的网络，使用地面LTE频谱从低轨道卫星连接未改造的LTE手机。它与5G-NTN发展路径并行，后者基于3GPP在2022年发布的R17标准化解决方案。与传统MSS发展路径一样，5G-NTN发展路径同样使用了MSS频谱。
我们认为采用传统LTE和5G NTN技术的卫星运营商可以与地面通信运营商（CSP）合作，实现互利共赢。由于直接向智能手机提供卫星服务在资费和性能方面难以与现有的地面服务相匹敌，移动卫星业务（MSS）更适合作为地面移动宽带（MBB）服务的补充，从而实现三方共赢。具体来说，地面通信运营商可以无风险地让用户漫游到卫星网络，并从中获得一定的收入分成；卫星运营商可以拓展比现有昂贵的专用设备更广阔的潜在市场；设备厂商则可以生产能与卫星系统协同工作的设备，从而提升设备的价值。
3GPP在非地面网络方面的探索
近年来，卫星通信越来越受到关注，3GPP也在努力使5G新空口（NR）以及窄带物联网（NB-IoT）和LTE机器类通信（LTE-M）能够适应卫星通信的需求。图2概述了3GPP在非地面网络方面所做的工作。3GPP在Rel-15和Rel-16版本中只是进行了一些初步的研究，直到Rel-17版本，才开始了正式的规范制定工作。3GPP在非地面网络方面的工作主要是通过卫星向消费者提供通信服务；其他用例（如通过卫星进行回程链路）暂不在考虑范围内。这些工作涵盖了对不同卫星网络的支持，特别是高度在600公里以上的低地球轨道（LEO）卫星和地球静止轨道（GEO）卫星[4]。
图2：3GPP的SA、CT和RAN工作组的非地面网络标准化工作时间线
图3展示了基于3GPP非地面网络架构实现卫星通信系统的两种不同架构。一般来说，卫星无线通信载荷通过所谓的馈电链路，借由卫星地面站或网关与核心网连接。卫星通过服务链路向用户设备（UE）提供通信服务。虽然3GPP Rel-17规定了图3左侧所示的透明非地面网络架构，但是灵活的算法和增强功能也可以支持图右侧所示的处理转发架构。
图3：两种非地面网络架构
在透明转发架构中，基站（gNodeB或gNB）位于网关之后的地面上，卫星只起到中继器的作用。卫星上能够进行的处理只有射频处理，如频率转换、放大和波束管理等。
在处理转发架构中，卫星上携带了整个gNB或者其中一部分，比如无线单元，这样就可以在卫星上解码和处理报文。在这种情况下，馈电链路类似于陆地上的前传/回传，而且不一定使用新空口来实现。处理转发架构支持建立卫星间的链路，因此具有更高的灵活性、更好的性能和全球覆盖能力。
Rel-17新空口非地面网络
现代卫星通常将其服务区域划分为数百个子区域，用单独的波束[“点波束（spot beams）”]为其提供服务。一般来说，每个子区域对应一个小区，直径可达数十甚至数百公里。
地球静止轨道卫星相对于地球表面上的一个点几乎是静止不动的，而低地球轨道卫星则以每秒约8公里（每小时约30,000公里）的速度在轨道上运行。如果波束相对于卫星是固定的，那么波束将扫过地球表面，导致频繁的移动性事件。这样一来，即使是静止不动的用户设备，也会经常发生小区切换（通常每隔几秒钟一次）。
另一种方案是在卫星上采用波束转向机制，使波束能够长时间地对准地球上的一个固定区域。这种概念叫做“地球固定波束”，它可以让设备在同一个波束和小区内停留几分钟。虽然两种方案在Rel-17中都得到了支持，但地球固定波束概念有一个特别的好处，那就是它避免了频繁的小区切换。
对于任何卫星通信系统来说，最根本的挑战是如何克服由于卫星相对于地球的运动而产生的往返时延和频率偏移，也就是所谓的多普勒效应。地球静止轨道卫星的往返时延可能超过500毫秒。而即便是低地球轨道卫星，时延也可能达到数十毫秒。在一个小区内的差分时延也很大，根据小区大小的不同，可能达到10毫秒。低地球轨道卫星的快速运动会造成高达25ppm（相当于2GHz载波频率下的50kHz）的多普勒偏移。
3GPP解决这一挑战的方法是要求用户设备在接入网络之前补偿时延和服务链路多普勒偏移。为此，卫星会向用户设备广播自己的星历，告知用户设备自己的位置和速度。用户设备需要配备全球导航卫星系统（GNSS）模块，在接入网络之前用它来确定自己的位置。
用户设备根据自己的位置和卫星星历，计算出与卫星的距离和相对速度，并确定所需的预补偿值，并应用一个大的频率偏移和时序提前量。这样，gNB就能够以其标称频率运行，并使上行和下行时序对齐，就像在地面网络中一样。
非地面网络传播时延变长，因此也需要做出相应的调整。调度时序关系原本是为了适应地面网络中不超过1毫秒的往返时间而设计的，现在已经得到重新设计，以适应更长的时延。
混合自动重传请求（HARQ）操作被设计用于保证可靠的数据传输，现在也受到影响。HARQ是一种“停止-等待”协议，意味着只有在收到相应的反馈后，才能重用HARQ进程ID。在传统的新空口中，有16个HARQ进程ID，而在非地面网络中，这将导致下述情况，即由于没有可用的空闲HARQ进程ID，而无法传输新的数据。
为了避免这种被称为“HARQ停滞”的结果，HARQ进程的数量增加到了32个。但对于具有数百毫秒的极长往返时延的地球静止轨道场景，所需的HARQ进程ID数量是无法满足的。因此，R-17还增加了禁用HARQ反馈（在每个HARQ进程ID中）的选项。在这种情况下，重传由无线链路控制层支持的较慢的反馈环路处理。
移动性是另一个非地面网络与地面网络有显著差异的领域。这种差异在低地球轨道卫星网络中最为明显，即使是静止的用户设备也会因为卫星的轨道运动而经历频繁的小区切换。在地面网络中，用户设备根据与基站之间的距离，会感受到明显不同的信号强度测量值，而在非地面网络中，所有用户设备到卫星的距离大致相同，单元中心和单元边缘之间只有很小的信号强度差异。
这种差异原本应用于传统的移动性过程中，如基于接收到的下行信号强度进行小区选择。但在非地面网络中，连接模式下的移动性主要解决方案是有条件切换（CHO）。有条件切换已经为了满足非地面网络的需要而得到升级，它包含了一个基于时间的触发条件和一个基于用户设备位置的触发条件。前者允许用户设备在一定的时间段内执行切换，而后者则考虑了设备相对于目标小区和源小区的位置，以此进行切换决策。
其他的增强功能包括支持下行传输极化信号，延长或偏移各种定时器的起始，增强小区选择/重选，报告随机接入期间应用的时序提前，以及报告用户设备位置，以便根据用户设备所在国家选择合适的核心网络，或者进行合法拦截等。
Rel-17物联网非地面网络
Rel-17版本还包括了对NB-IoT和LTE-M技术的一些适应性改进，使得它们能够支持非地面网络。3GPP的这条发展路径被称为“物联网非地面网络（IoT NTN）”。这个工作项目（WI）在Rel-17版本中启动得很晚，范围很小，主要集中在必要的功能上。物联网非地面网络的一般方法是尽量跟随新空口非地面网络的工作，并采用其解决方案。例如，对于时延和多普勒偏移的预补偿的基本解决方案是一样的，都需要物联网非地面网络的用户设备具备全球导航卫星系统（GNSS）的支持。新空口非地面网络对调度时序关系的增强功能也被应用到了物联网非地面网络中。不过它没有考虑移动性增强功能（例如有条件切换）。
间断覆盖是物联网非地面网络特有的一个问题。与新空口非地面网络不同，物联网非地面网络用例中的用户设备可能并不需要持续不断的信号覆盖。例如，它们每隔几个小时传输一次数据就可能已经足够了。这类用例允许卫星运营商部署更稀疏的卫星网络，减少卫星的总数。为了支持这种运行模式，系统会向用户设备发送一些信息（比如邻近小区的卫星星历以及小区的覆盖信息），这样用户设备就能够预测它们何时会有信号覆盖。
Rel-18
对于新空口非地面网络和物联网非地面网络的标准化工作将在Rel-18版本中继续推进。对于新空口非地面网络，新的目标主要是提高覆盖范围、优化移动性过程以及实现网络对用户设备报告位置的独立验证。对于物联网非地面网络，相关工作包括应用一种与新空口非地面网络类似的禁用HARQ反馈的方法、增强LTE-M的移动性功能（比如切换优化），还有进一步改进间断覆盖。
3GPP非地面网络频谱
卫星通信的频谱分为两类，一类是用于提供移动卫星服务（MSS）的频谱，另一类是用于提供固定卫星服务（FSS）的频谱。S波段和L波段属于MSS类别，而Ka波段和Ku波段属于FSS类别。
Rel-17版本规定了对L波段和S波段的支持，它们分别对应n255带（上行频率为1,626.5MHz-1,660.5MHz，下行频率为1,525MHz-1,559MHz）和n256带（上行频率为1,980MHz-2,010MHz，下行频率为2,170MHz-2,200MHz）。这两个频分双工（FDD）带在每个链路方向上都提供了约30MHz的频谱资源。
在 Rel-18 版本中，还将增加一个 MSS FDD带，它的上行频率在L波段（1,610-1,626.5MHz），下行频率在S波段（2,483.5-2,500MHz）。这样一来，从卫星直接向手持设备提供服务的5G新空口非地面网络就可以拥有大约80MHz的下行和上行频谱资源[6]。
在Rel-18版本中，3GPP还将规定至少三个示例带（n510-n512），它们位于Ka频段的17.7-20.2GHz（下行）和27.5-30GHz（上行）。L波段和S波段针对的是手持设备，但在Ka波段，用例需要使用带有高增益天线的设备，例如极小口径终端，它们通常安装在建筑物或车辆上。
5G非地面网络系统性能
与地面5G网络类似，非地面网络旨在提供超越移动宽带的服务。国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）概述了性能要求，旨在为移动宽带（MBB）、大规模机器类通信（mMTC）和高可靠性通信（HRC）提供无处不在的、可靠的覆盖[7]。该报告针对600km低地球轨道卫星网络在30MHz载波上的运行情况，详细说明了每种用例的关键性能要求。
该报告中值得注意的要求是：峰值数据速率要达到70Mbps（下行）和2Mbps（上行），频谱效率要达到3bps/Hz（下行）和1.5bps/Hz（上行）。这可以理解为：对于这个特定的卫星网络，其下行和上行区域流量容量分别为8kbps/km2和1.5kbps/km2。ITU-R期望mMTC能够支持每平方公里最多500台设备，而高可靠性通信用例要求有99.9%的可靠性。
要实现卫星网络和手持设备之间的直接连接，需要克服很多困难，因为这样的连接会受到卫星和设备之间的传播损耗的影响。链路预算由多个因素决定，包括卫星轨道高度、网络系统架构、天线的设计、卫星网络服务的区域范围以及卫星与用户设备的仰角。
链路预算反过来决定了许多性能指标，如可达到的吞吐量。试举一例：当卫星正好在头顶，仰角为90度时，用户可以期望获得最高的吞吐量。当卫星处于较低的仰角时，路径损耗增加，当仰角在30度左右时，可达到的吞吐量可能会降低一半。
卫星和终端之间的距离还造成了时延的增加。用户体验到的总时延将根据卫星相对于用户和地面站的位置而变化。以地面系统为参考，最大往返时间约为1ms，使用透明转发架构时，600km高度的低地球轨道卫星网络的往返时延将在8ms到20ms之间（假设最小仰角约为30度）。
基于3GPP的非地面网络解决方案的主要优势
无论采用哪种架构，基于3GPP的非地面网络解决方案的主要优势是与大众市场智能手机的即时兼容性。与非3GPP的传统移动卫星业务系统使用笨重昂贵的终端相比，3GPP解决方案使得普通大小的智能手机也能享受全球数据和语音连接。地面运营商可以扩大其地理覆盖范围，填补人口稀少地区（包括农村）的连接空白，同时覆盖新的用例，如海上覆盖。
基于3GPP 非地面网络的系统考虑了卫星系统固有的多普勒偏移和时延问题，而且不依赖于专有的解决方案。它是一个具有前瞻性的解决方案，随着3GPP版本的演进而演进，并且向后兼容4G LTE物联网非地面网络，向前兼容6G非地面网络。它还具有很强的灵活性，能够根据低地球轨道、中地球轨道和地球静止轨道卫星网络的不同运行阶段，提供适合的连接方案。
基于3GPP的非地面网络解决方案可以实现一个由地面和非地面组件组成的单一网络，包含了全球最大的信息通信技术生态系统。这种演进将使卫星运营商能够提供价格合理的卫星通信，并且由于有规定的增强功能（包括改进的HARQ机制）而能够实现更好的性能。另外，由于基于3GPP的非地面网络解决方案提供的服务将部署于非地面网络专用的频谱，因此干扰的风险很小。
结论
基于开放的第三代合作伙伴计划（3GPP）规范的卫星连接，为创建一个大型的非地面网络生态系统提供了最好的机会，实现了同一移动平台上地面系统和卫星系统之间的连接。由于卫星系统不具备与地面系统相同的容量，因此它们应该被视为互补而不是竞争的系统。我们预计，未来几年将出现更多的卫星运营商和地面通信运营商之间的合作，在这一领域实现互利共赢。
在创建非地面网络的工作中必须克服的一项重要挑战是：如果同一频谱被同时用于地面和卫星系统，就可能会产生干扰的问题。许多地区已经出台一些监管要求，防止卫星系统使用地面通信运营商的频谱。为了克服潜在干扰的挑战，爱立信的立场是，最好让基于卫星的服务使用卫星专用的频谱。
References
- Frontiers, Potential for Deep Rural Broadband Coverage With Terrestrial and Non-Terrestrial Radio Networks, July 5, 2021, Feltrin, L et al.
- IEEE, Communications Standards Magazine (Volume 5, Issue 4), December 2021, 5G from Space: An Overview of 3GPP Non-Terrestrial Networks, Lin, X et al.
- GSMA, Satellite 2.0: going direct to device, March 2022, Halt, T
- 3GPP TR 38.821, Solutions for NR to support Non-Terrestrial Networks (NTN) (zip)
- 3GPP RP-230706, Introduction of the satellite L-/S-band (zip)
- ITU-R Report M.2514-0, Vision, requirements and evaluation guidelines for satellite radio interface(s) of IMT-2020
