如何在 3GPP Rel-19 中達成 5G 非地面網路（NTN）架構的共同願景？
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經過多次漫長且密集的討論後，非地面網路（NTN, Non-Terrestrial Networks）如今已納入 5G 的 3GPP 標準中。更具體地說，Rel-19 引入了「再生式（regenerative）」酬載，將完整的 gNB 置於衛星上，開啟衛星與地面網路更深度的整合可能。
Principal Researcher, Standardization
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3GPP 正在進行的 Rel-19 工作本身，就是將衛星技術（NTN）納入 5G 的重要里程碑。Rel-19 將包含具備再生式（或封包處理）能力的酬載架構，亦即將完整的 gNB 直接部署在衛星上。
在 Rel-17 與 Rel-18 中，非地面網路採用的是「透通式（bent-pipe）」架構：gNB部署在地面，衛星僅負責轉發無線訊號(如圖1左側所示)。這種架構的優勢在於降低酬載的複雜性、能加速早期部署。理論上，只要符合指定頻段與射頻要求，過去已發射的透通式酬載也有機會被用於Rel-17/18的NR非地面網路。
值得注意的是3GPP RAN4（負責RF要求與性能規範的工作組）在Rel-17中引入的「Satellite Access Node」概念，已不再侷限於傳統的透通式模式，使部分gNB功能得以分散到衛星端，同時仍維持與現行RAN4規範的相容性。
圖1: 透通式酬載vs.再生式酬載
透通式酬載及再生式酬載的不同之處
相較於透通式酬載，如圖所示；再生式酬載因整合gNB功能，具備更高的靈活性與效能。透過在衛星之間支援Xn介面，這種架構能實現真正的全球覆蓋，同時讓衛星直接運用完整的5G功能，包括跨gNB的移動性管理、資源協調到節能機制等。
再生式酬載讓衛星能在酬載中直接利用衛星間連結執行不同層級的封包交換，不再依賴地面節點。這種非地面網路架構不僅帶來更高的部署彈性，更因能在衛星之間自主進行流量分流與通話切換，僅需最小限度地依賴地面核心網路。
再生式酬載在Uu介面（連結RAN與UE的介面）上同樣帶來實質效益，能顯著地縮短gNB與UE之間的往返時間(Roundtrip time, RTT)，例如隨機接入與混合式自動重送請求(HARQ)等流程都能享有更快的回應速度。然而，相較透通式酬載，此類設計在酬載複雜度與功耗方面會略有增加。
搭載 gNB 的再生式酬載也是 3GPP Rel-19 中「儲存轉送（Store and Forward, S&F）」功能的必要基礎（目前僅針對 IoT UE 指定）。在 S&F 中，部分或全部核心網路功能與 gNB 一同部署在衛星上。即便回程鏈路中斷，NTN 仍能正常運作，使其在地面站失去連線時具備更高韌性。再生式酬載也讓衛星能直接中斷與 UE 之間的連線，讓「天空中的資料中心」更接近實現，並促進與既有 5G 網路的完整整合。
迎接全新的技術挑戰
在過去的數十年中，透通式（bent-pipe）酬載已在產業中被使用並廣泛用於現行的衛星電視廣播服務。然而，在衛星上部署完整的gNB是全新的技術挑戰。衛星酬載對功耗、設計複雜度、體積與重量的限制遠較地面系統更嚴苛，需在受限的條件下達成功能整合與性能要求。
對於非地面網路酬載架構的討論，其實早在3GPP制定Release 16時就已展開。當時業界提出了多種構想，其中一項具代表性的是採用NG-RAN的分層設計：將gNB-CU保留在地面，由衛星承載gNB-DU。從理論上，此架構被認為可能降低衛星酬載的複雜度。
然而，若沒有完整的系統觀點，很難看出 gNB-DU 方案的缺點遠大於其優點。起初，許多企業僅考量酬載複雜度，而未注意到其在網路訊號層面上的許多劣勢。因此，當 Rel-19 工作項目於 2023 年 1 月展開時，CU-DU 分裂架構得到最多支持。
此時，所有利害關係人——包括地面與非地面製造商與營運商——開始共同努力，更深入理解各種架構選項的技術影響，而這也突顯了 3GPP 開放式技術討論的價值。
為搭載gNB的再生式酬載提出技術層面的論點
愛立信在5G無線接取架構上的既有專業，使其在地面與非地面產業參與者間具備高度可信度。我們的代表因此成為討論中的重要參與者，有機會向產業夥伴清楚說明：為何在衛星上部署完整gNB，而非僅部署gNB分布式單元（gNB-DU），才是更具遠見的選擇。
- 完整gNB可直接使用自Release15起所有標準化之5G RAN功能。
- 透過重新利用 Xn 介面，搭載 gNB 可原生支援衛星間連結、衛星間移動性、用戶平面路由及儲存並轉送（S&F）。
- 若僅在衛星部署gNB-DU，則無法原生支援回程鏈路切換或S&F。
- gNB-DU 無法利用標準化的衛星間介面，此類介面目前並未被3GPP規範，若採行將需使用專屬方案，可能進而提高開發成本。
- 從訊號觀點來看，gNB-DU架構具有明顯劣勢。RRC將在地面gNB-CU終止，導致DU與CU需透過回程鏈路頻繁交換F1訊號，其負擔遠高於在衛星部署完整gNB。
- 僅在衛星上搭載 gNB-DU未必是正確的，gNB-DU 本身承載所有射頻（RF）與實體層功能，因此已佔據 gNB 大部分的複雜度與功耗。換言之，將 gNB-CU 從酬載中「切割」出去，實際上並不能帶來太多效益。
從 5G 過渡到 6G 的影響
支持在衛星上搭載完整 gNB 的另一項理由，與 Rel-19 的時程以及預期中的 5G 向 6G 過渡時機密切相關（如圖 2 所示）。CU–DU分層於Release 15引入，是NG-RAN的特色之一。3GPP預計在Release 20（2025年）啟動6G相關研究，未來的 6G RAN 節點很可能會採用不同的功能切分架構。因此，在此時機點預期 6G 仍會沿用 CU-DU 切分並不合理。
在這個情況下，若衛星酬載採用gNB-DU，再加上依賴其運作的地面系統，在未來邁向 6G 的演進過程中，可能會面臨更大的挑戰。反之，若採用搭載完整 gNB 的酬載，則不存在（或至少大幅減少）此類演進風性。
圖2：通往6G的技術演進
達成共識過程中的挑戰
與主要產業參與者及利害關係人的討論歷時一年，跨越四次TSG RAN會議。在形成初步共識後，真正的突破關鍵出現於NTN陣營中的重要成員開始公開支持搭載完整gNB的酬載架構。當時，支持CU–DU切分的比例仍約為40%。由於3GPP的決策模式以共識為基礎，約60%的支持度仍不足以形成最終結論。因此，後續數月仍持續展開溝通，包括多次一對一會談，針對CU–DU架構在非地面網路上的常見誤解進行釐清，以促進更全面的技術評估。
當我們在2023年12月進入最關鍵的討論階段時，非地面網路的Release 19工作項目草稿中，CU–DU切分仍被列為「需進一步研究」。考量到這一點，我們曾提出一項替代方案：在3GPP的正式規範中維持單一標準化架構，但同時在資訊附錄中記錄CU–DU切分，保留其技術脈絡與參考價值。
此方法可在不改變標準化主架構的前提下，讓CU–DU架構仍在規範文件中有所呈現。然而最終並不需要採取此Plan B，因為所有公司在決議時均支持以完整gNB作為酬載架構，無反對意見。因此，各相關工作組便能正式啟動後續的技術制定作業。
雙贏、正向的成果
這場歷時已久的討論過程，不僅讓愛立信與非地面網路生態系的夥伴建立更緊密的連結，也進一步強化了愛立信作為值得信賴的技術專家的角色。隨著我們在推動非地面網路與3GPP的深度整合中扮演關鍵推手，愛立信的專家也因此受邀參與撰寫多篇關於5G非地面網路的學術論文與專書（包含RAN架構領域）。
這些努力的成果，無論對3GPP的發展、整個非地面網路生態系，或對愛立信，都帶來正向且深遠的影響。這一切的成就，都要歸功於我們內部非地面網路團隊長期投入的努力，以及愛立信專案團隊的長期支持。